以太网交换机工作原理

以太网交换机工作原理言杉SPDRD2010.11.30目录1.以太网的基础知识1.1以太网概述1.2MAC地址1.3以太网帧格式1.4CSMA/CD1.5冲突域与广播域1.6以太网的典型设备-HUB1.7全双工以太网2.网络层的概念2.1OSI模型2.2各层的作用2.3不同层对应的网络设备3.局域网常见拓扑结构4.以太网交换机基础知识4.1概述4.2交换机数据转发原理4.3交换机能分割冲突域4.4交换机工作模式4.5交换机的交换方式5.交换机硬件电路架构5.1模块图（Gigabitswitch)5.2RJ45接口5.3MII/GMII/RMII接口5.4物理层特性5.4.1自协商5.4.2AutoMDI/MDIX5.4.3流量控制6.Winwingigabit交换机6.1概述6.2Loopdetect6.3方框图6.4电路图6.5Layoutguide7.交换机参考测试标准7.1RFC25447.2RFC2899以太网的基础知识1.以太网概述-1以太网是在70年代初期由Xerox公司PaloAlto研究中心推出的。1979年Xerox、Intel和DEC公司正式发布了DIX版本的以太网规范，1983年IEEE802.3标准正式发布。初期的以太网是基于同轴电缆的，到八十年代末期基于双绞线的以太网完成了标准化工作，即我们常说的10BASE-T。随着市场的推动，以太网的发展越来越迅速，应用也越来越广泛。下面简单列一下以太网的发展历程：70年代初，以太网产生；1929年，DEC、Intel、Xerox成立联盟，推出DIX以太网规范；1980年，IEEE成立了802.3工作组；1983年，第一个IEEE802.3标准通过并正式发布通过80年代的应用，10Mb/s以太网基本发展成熟1990年，基于双绞线介质的10BASE-T标准和IEEE802.1D网桥标准发布90年代，LAN交换机出现，逐步淘汰共享式网桥1992年，出现了100Mb/s快速以太网通过100BASE-T标准(IEEE802.3u)全双工以太网(IEEE97)千兆以太网开始迅速发展(96)1000Mb/s千兆以太网标准问世(IEEE802.3z/ab)IEEE802.1Q和802.1P标准出现(98)10GE以太网工作组成立(IEEE802.3ae)以太网是一种能够使计算机进行相互传递信息的介质，它利用二进制位形成一个个的字节，这些字节然后组合成一帧帧的数据。帧有一个起点，我们称之为帧头；也有终点，我们称之为作帧尾。以太网由许多物理网段组合而成，每个网段包括一些导线和与导线相连的网络设备。以太网上有很多网络设备，每个设备都会接收到各种各样的帧信息。那么，设备怎样才能知道帧是否是直接对它进行访问呢？其实，在每个帧报头中，都包含有一个目地介质访问控制地址（MAC）和一个源MAC地址，目的MAC地址就可以告诉网络设备帧是否是对它进行直接访问。如果设备发现帧的目的MAC地址与自己的MAC不匹配，设备将对不处理该帧。以太网的基础知识1.以太网概述-2MAC地址有48位，它可以转换成12位的十六进制数，参见下图。这个数分成三组，每组有四个数字，中间以点分开。MAC地址有时也称为点分十六进制数。为了确保MAC地址的唯一性，IEEE对这些地址进行管理。每个地址由两部分组成，分别是供应商代码和序列号。供应商代码代表NIC（网络接口卡）制造商的名称，它占用MAC的前六位12进制数字，即24位二进制数字。序列号由供应商管理，它占用剩余的6位地址，或最后的24位二进制数字。以太网的基础知识2.MAC地址常用以太网帧格式前同步字符：在每种格式的以太网帧的开始处都有64比特（8字节）的前同步字符，下图1所示。其中，前7个字节称为前同步码（Preamble），内容是16进制数0xAA，最后1字节为帧起始标志符0xAB，它标识着以太网帧的开始。前导字符的作用是使接收节点进行同步并做好接收数据帧的准备。以太网帧前导字符以太网的基础知识3.以太网帧格式-1除此之外，不同格式的以太网帧的各字段定义都不相同，彼此也不兼容。常见帧格式有4种。2.Ethernet802.3raw帧格式在Ethernet802.3raw类型以太网帧中，原来EthernetII类型以太网帧中的类型字段被总长度字段所取代，它指明其后数据域的长度，其取值范围为：46-1500。1.EthernetII类型以太网帧格式其中，2个字节标识的类型，即以太网帧所携带的上层数据，如16进制数0x0800代表IP协议数据，16进制数0x809B代表AppleTalk协议数据，16进制数0x8138代表Novell类型协议数据等。在不定长的数据字段后是4个字节的帧校验序列（Frame.CheckSequence，FCS），采用32位CRC循环冗余校验对从目标MAC地址字段到数据字段的数据进行校验。以太网的基础知识3.以太网帧格式-23.Ethernet802.3SAP帧格式从图中可以看出，在Ethernet802.3SAP帧中，将原Ethernet802.3raw帧中2个字节的0xFFFF变为各1个字节的DSAP和SSAP，同时增加了1个字节的“控制”字段，构成了802.2逻辑链路控制（LLC）的首部。新增的802.2LLC首部包括两个服务访问点：源服务访问点（SSAP）和目标服务访问点（DSAP）。它们用于标识以太网帧所携带的上层数据类型，如16进制数0x06代表IP协议数据，16进制数0xE0代表Novell类型协议数据，16进制数0xF0代表IBMNetBIOS类型协议数据等。以太网的基础知识3.以太网帧格式-34.Ethernet802.3SNAP帧格式Ethernet802.3SNAP类型以太网帧格式和Ethernet802.3SAP类型以太网帧格式的主要区别在于：●2个字节的DSAP和SSAP字段内容被固定下来，其值为16进制数0xAA。●1个字节的“控制”字段内容被固定下来，其值为16进制数0x03。●增加了SNAP字段，由下面两项组成：◆新增了3个字节的组织唯一标识符（OrganizationallyUniqueIdentifier，OUIID）字段，其值通常等于MAC地址的前3字节，即网络适配器厂商代码。◆2个字节的类型字段用来标识以太网帧所携带的上层数据类型。以太网的基础知识3.以太网帧格式-4以太网的基础知识4.CSMA/CD以太网使用CSMA/CD（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection，带有冲突监测的载波侦听多址访问）。IEEE802.3标准确定的CSMA/CD检测冲突的方法如下：（1）当一个站点想要发送数据的时候，它检测网络查看是否有其他站点正在传输，即监听信道是否空闲。（2）如果信道忙，则等待，直到信道空闲；如果信道闲，站点就传输数据。（3）在发送数据的同时，站点继续监听网络确信没有其他站点在同时传输数据。因为有可能两个或多个站点都同时检测到网络空闲然后几乎在同一时刻开始传输数据。如果两个或多个站点同时发送数据，就会产生冲突。（4）当一个传输节点识别出一个冲突，它就发送一个拥塞信号，这个信号使得冲突的时间足够长，让其他的节点都能发现。（5）其他节点收到拥塞信号后，都停止传输，等待一个随机产生的时间间隙（回退时间，BackoffTime）后重发。冲突域:指的是会产生冲突的最小范围，在计算机和计算机通过设备互联时，会建立一条通道，如果这条通道只允许瞬间一个数据报文通过，那么在同时如果有两个或更多的数据报文想从这里通过时就会出现冲突了。冲突域1冲突域2冲突域3以太网的基础知识5.冲突域与广播域-1广播域:指接收同样广播消息的节点的集合,如果一个数据报文的目标地址是这个网段的广播地址IP或者目标计算机的MAC地址是FF-FF-FF-FF-FF-FF，那么这个数据报文就会被这个网段的所有计算机接收并响应，这就叫做广播。....广播域广播以太网的基础知识5.冲突域与广播域-2以太网的基础知识6.以太网的典型设备-HUB在局域网（LAN-LocalAreaNetwork）中，每个工作站都通过某种传输介质连接到网络上。一般情况下，服务器不会有很多网络接口卡（NIC）。因此，不可能将所有的工作站都连接到服务器上。因此，局域网中会使用HUB，这是网络中很常用的设备。HUB是一种典型的采用以太网CSMA/CD机制的设备，其主要作用是：1,被用作网络设备的集中点2.放大信号3.无路径检测或交换从HUB的作用可以看出，HUB对所连接的LAN只做信号的中继，工作在网络的物理层，连接在HUB上的所有物理设备相当于连接在同一根导线上，都处于同一个冲突域和广播域，如下图。因此，在网络设备很多的情况下，设备之间的冲突将会很严重，并且导致广播泛滥，严重影响网络的性能。以太网的基础知识7.全双工以太网当两个以太网节点通过10baseT的电缆直接连接时，导线类似于下图。在这种情况下，数据可以通过两种独立的路径传输和接收。由于只存在两个节点，也就没有总线，所以就可以在同一时间对信息进行双向传输，而不会发生冲突。在这种情况下，以太网称为全双工以太网。为了实现全双工以太网，两个节点必须通过10baseT直接连接，而且NIC必须支持全双工。OSI模型:即开放式通信系统互联参考模型(OpenSystemInterconnection,OSI/RM,OpenSystemsInterconnectionReferenceModel)，是国际标准化组织(ISO)提出的一个试图使各种计算机在世界范围内互连为网络的标准框架，简称OSI。下图即为OSI模型：网络层的概念1.OSI模型1.物理层。物理层规定了激活、维持、关闭通信端点之间的机械特性、电气特性、功能特性以及过程特性。物理层为上层协议提供了一个传输数据的物理媒体。属于物理层定义的典型规范包括：EIA/TIARS-232、EIA/TIARS-449、V.35、RJ-45等。2.数据链路层。数据链路层在不可靠的物理介质上提供可靠的传输。数据链路层的作用包括：物理地址寻址、数据的成帧、流量控制、数据的检错、重发等。数据链路层协议的代表包括：SDLC、HDLC、PPP、STP、帧中继等。3.网络层。网络层负责对子网间的数据包进行路由选择。网络层还可以实现拥塞控制、网际互连等功能。网络层协议的代表包括：IP、IPX、RIP、OSPF等。4.传输层。传输层是第一个端到端，即主机到主机层次。传输层负责将上层数据分段并提供端到端的、可靠的或不可靠的传输。此外，传输层还要处理端到端的差错控制和流量控制问题。传输层协议的代表包括：TCP、UDP、SPX等。网络层的概念2.各层的作用-15.会话层。会话层管理主机之间的会话进程，即负责建立、管理、终止进程之间的会话。会话层还利用在数据中插入校验点来实现数据的同步。6.表示层。表示层对上层数据或信息进行变换以保证一个主机应用层信息可以被另一个主机的应用程序理解。表示层的数据转换包括数据的加密、压缩、格式转换等。7.应用层。应用层为操作系统或网络应用程序提供访问网络服务的接口。应用层协议的代表包括：Telnet、FTP、HTTP、SNMP等。数据在各层之间的单位都是不一样的，在物理层数据的单位称为比特(bit);在数据链路层，数据的单位称为帧(frame);在网络层，数据的单位称为数据包(packet);传输层，数据的单位称为数据段(segment)。网络层的概念2.各层的作用-2网络层的概念3.不同层对应的网络设备-1交换机(Switch)是一种基于MAC（网卡的硬件地址）识别，能完成封装转发数据包功能的网络设备。交换机可以“学习”MAC地址，并把其存放在内部地址表中，通过在数据帧的始发者和目标接收者之间建立临时的交换路径，使数据帧直接由源地址到达目的地址，因此交换机工作在数据链路层。集线器(Hub）是计算机网络中连接多个计算机或其他设备的连接设备，是对网络进行集中管理的最小单元。英文Hub就是中心的