《网络协议与网络安全》第03讲以太网技术

复旦大学凌力网络协议NetworkProtocols与NetworkSecurity网络安全第三讲以太网技术《网络协议与网络安全》凌力NetworkProtocols&NetworkSecurity第三讲以太网技术1主要内容以太网简介以太网与Internet、OSICSMA/CD原理以太网技术及其发展以太网相关技术以太网技术标准《网络协议与网络安全》凌力NetworkProtocols&NetworkSecurity第三讲以太网技术2以太网简介以太网Ethernet–1972年，RobertMetcalfe博士在Xerox公司PARC研究中心试验了第一个2.94Mbps以太网原型系统AltoAlohaNetwork，实现不同计算机系统之间的互连，并共享打印机设备–1973年，Metcalfe将自己的系统更名为以太网（Ethernet），并指出该设计不局限于PARC的Alto计算机互连，也适用于其它计算机系统–1979年，Metcalfe成立3Com公司，研制出以太网网卡（NIC）–1980年，DEC、Intel、Xerox联合研发了10M以太网1.0规范–1982年，发布以太网2.0规范（EthernetV2）–1983年，IEEE采纳并发布以太网正式标准802.3–以太网分层结构：•数据链路层–介质访问控制子层（MAC，MediaAccessControl）–逻辑链路控制子层（LLC，LogicLinkControl）•物理层《网络协议与网络安全》凌力NetworkProtocols&NetworkSecurity第三讲以太网技术3以太网层次结构物理层数据链路层网络层运输层会话层表示层应用层ISO’sOSIPHY控制MAC子层LLC子层IP/ICMPTCP/UDPHTTPSMTP/POPFTPTelnetInternetTCP/IPEthernet《网络协议与网络安全》凌力NetworkProtocols&NetworkSecurity第三讲以太网技术4MAC/LLC帧结构（两种）《网络协议与网络安全》凌力NetworkProtocols&NetworkSecurity第三讲以太网技术5CSMA/CD算法CSMA/CD带冲突检测的载波侦听多址访问Carrier-SenseMultipleAccesswithCollisionDetection1.用“载波侦听”方法检查信道是否空闲。•若空闲，进入下一步；•若忙，等待并继续监测。2.发送数据，同时检测信道冲突。•若成功发送完毕（未发生冲突），完成；•若遇冲突，进入下一步。3.中止本次发送。进入下一步。4.等待一段随机时间。返回第1步。《网络协议与网络安全》凌力NetworkProtocols&NetworkSecurity第三讲以太网技术6以太网帧发送的“微观特性”6-d10s200m/SmDsT）（信号传播速度）（两个站点间的距离）＝（信号传播时延Ｔｓ＞Ｔｄ）（数据传输速率）（报文长度）＝（报文传输时长bpsbitsTsBL设：站点相距1Km，数据传输速率100Mbps则：报文长度＞500bits≈64bytes《网络协议与网络安全》凌力NetworkProtocols&NetworkSecurity第三讲以太网技术7发送碰撞图解发送数据帧的站点，在发送数据帧后至多经过2τ就可以知道该帧是否发生了碰撞。《网络协议与网络安全》凌力NetworkProtocols&NetworkSecurity第三讲以太网技术8以太网技术发展第一阶段：同轴电缆（CoaxCable）第二阶段：集线器（Hub）第三阶段：二层交换机（SwitchHub）第四阶段：三层交换机（Switch）《网络协议与网络安全》凌力NetworkProtocols&NetworkSecurity第三讲以太网技术9第一阶段：同轴电缆同轴电缆（CoaxCable）存在问题和缺陷：•线路的布局受到较大制约，难以灵活调整；•增加设备时T形接头制作难度较大、要求较高，且容易损坏，还容易造成线路连接不良，严重的将造成断线；•同轴电缆成本较高；•受限于同轴电缆长度，网络覆盖的范围十分有限；•同轴电缆本身是“单点故障”易发点；•随着通信速率的提高，同轴电缆的通信效率会大大降低；•随着线路上设备数的增多，冲突增加，将导致网络通信效率急剧下降，最终可能引起瘫痪。吞吐量%速率Mbps100500101001000吞吐量%设备数10050010203040506010Base2（细缆）10Base5（粗缆）《网络协议与网络安全》凌力NetworkProtocols&NetworkSecurity第三讲以太网技术10第二阶段：集线器集线器（Hub）H主要改进：•联网方式——HUB的引入•速率提高——FastEthernet，快速以太网，100M•传输介质——UTP，非屏蔽双绞线•通信方式——FullDuplex，全双工（注意避免冲突的条件）10BaseT100BaseT12345678RJ45《网络协议与网络安全》凌力NetworkProtocols&NetworkSecurity第三讲以太网技术11以太网冲突（碰撞）域《网络协议与网络安全》凌力NetworkProtocols&NetworkSecurity第三讲以太网技术12第三阶段：二层交换机二层交换机（SwitchHub）S2①②③④⑤⑥⑦⑧C1/A1C2/A2C3/A3C4/A4端口号MAC地址终端①②③A1C1④A3C3⑤A2C2⑥A4C4⑦⑧转发表思考：当一个端口上连接另一个交换机时，转发表如何设计？主要改进：•有效减少碰撞，提高利用率，扩大联网规模•不同速率端口互连（适配能力）反而失去以太网“天生”的流控能力！《网络协议与网络安全》凌力NetworkProtocols&NetworkSecurity第三讲以太网技术13二层交换机～网桥网桥Bridge《网络协议与网络安全》凌力NetworkProtocols&NetworkSecurity第三讲以太网技术14存储转发与切入转发存储转发（Store-and-Forward）–网络中继设备接收完整报文–解析、排队并转发到目的端口（线路）切入转发（Cut-Through）–网络中继设备接收到地址字段后，立即解析–转接到目的端口“直通式”转发比较：●实现机制；●转发延迟；●可靠传输；●流量管理《网络协议与网络安全》凌力NetworkProtocols&NetworkSecurity第三讲以太网技术15广播风暴与死锁环路广播风暴（BroadcastStorm）–共享网络中大量设备进行广播死锁环路（DeadlockLoop）BridgeBridge《网络协议与网络安全》凌力NetworkProtocols&NetworkSecurity第三讲以太网技术16第四阶段：三层交换机三层交换机（Layer3Switch/IPSwitch）S3三层交换机已经不是“纯粹”的以太网交换机了！思考：IP交换机与路由器有什么区别？IP和MAC地址对的发现——ARP协议（AddressResolutionProtocol，地址解析协议）主机A主机B主机C主机A“192.168.1.3的MAC地址是什么？”（MAC＝ff-ff-ff-ff-ff-ff）主机C192.168.1.3的MAC地址是03-aa-01-75-c3-06《网络协议与网络安全》凌力NetworkProtocols&NetworkSecurity第三讲以太网技术17局域网标准802系列IEEE802.1通用网络概念及网桥IEEE802.2逻辑链路控制IEEE802.3以太网CSMA/CD复用方法及物理层规定IEEE802.4令牌总线结构和访问方法及物理层规定IEEE802.5令牌环访问方法及物理层规定IEEE802.6城域网的访问方法及物理层规定IEEE802.7宽带局域网IEEE802.8光纤局域网IEEE802.9ISDN局域网IEEE802.10网络安全IEEE802.11无线局域网IEEE802.12优先高速局域网（100Mbps）IEEE802.13有线电视（Cable-TV）《网络协议与网络安全》凌力NetworkProtocols&NetworkSecurity第三讲以太网技术18以太网802.3标准及其发展轨迹IEEE802.3（工作组）标准系列–802.3：传统以太网•10Base-2，10M粗缆总线•10Base-5，10M细缆总线•1Base-5，1M总线（短暂的后退）•10Base-T，10M星形双绞线–802.3u：100M，快速以太网（FastEthernet）•100Base-TX，UTP5•100Base-T4，UTP3•100Base-FX，OpticalFiber–802.3z：1000M＝1G，千兆以太网（GigabitEthernet）•1000Base-SX，短波长光传输•1000Base-LX，长波长光传输•1000Base-T，五类线传输–802.3ae：基于光缆的万兆以太网（10G）•10GBase-X•10GBase-R•10GBase-W–802.3an：基于铜缆的万兆以太网•10GBase-T–802.3ba：包含两个速度的规范，每种速度提供一组物理接口•40G——1m交换机背板链路、10m铜缆链路和100m多模光纤链路标准•100G——10m铜缆链路、100m多模光纤链路和10Km、40Km单模光纤链路标准《网络协议与网络安全》凌力NetworkProtocols&NetworkSecurity第三讲以太网技术19Ethernetover‘Anything’EthernetoverFiber－光纤以太网–直接在光纤上传输以太网，用于城区的短距离传送(70公里)EthernetoverSDH－RPR(ResilientPacketRing)以太网–IEEE802.17标准使以太网业务能够借助SDH环路网络传输几千公里EthernetoverDWDM/CWDM－波分复用以太网–使以太网可以通过多个波长光波在一根光纤上传送EthernetoverSONET－同步光网以太网–万兆以太网与SONETOC-192帧结构的融合，可以与SONET/SDH设备一起运行，保护了传统基础设施投资，可通过城域网提供端到端以太网EthernetoverPON－EPON(EthernetPON)和GPON(GigabitPON)–EPON是点到多点光以太网，以较低成本提供较高带宽。根据光分离比，无源光以太网支持30M的用户带宽、100M或更高的突发流量EthernetoverVDSL–利用电话线（铜线双绞线）资源拓展以太网的覆盖，提供10M以上的速度，并克服xDSL速率不稳定等问题EthernetoverWireless－WirelessLAN无线局域网（WLAN）–IEEE802.11a/b/g等标准定义