以太网技术原理

1以太网技术2我们知道局域网包含以太网,令牌环和令牌总线等等,这些技术当中以太网技术以其简明高效的特点逐渐占据了主导地位3学习完此课程，您将会：了解以太网的发展史掌握以太网的基本原理掌握以太网端口技术理解L2交换机和L3交换机的工作原理4第1节以太网技术发展史第2节以太网端口技术第3节以太网设备介绍5第1节以太网发展史1.1以太网起源及原理简介1.2以太网发展及标准协议6以太网的诞生以太网最初是由Xerox公司开发的一种基带局域网技术，使用同轴电缆作为网络媒体，采用载波多路访问和冲突检测（CSMA/CD）机制,数据传输速率达到10Mbps。以太网被设计用来满足非持续性网络数据传输的需要，而IEEE802.3规范则是基于最初的以太网技术于1980年制定。以太网版本2.0由DigitalEquipmentCorporation、Intel和Xerox三家公司联合开发，与IEEE802.3规范相互兼容。7冲突检测：由于两个站点同时发送信号，经过叠加后，会使线路上电压的摆动值超过正常值一倍。据此可判断冲突的产生。以太网原理---CSMA/CDCS：载波侦听在发送数据之前进行监听，以确保线路空闲，减少冲突的机会。MA：多址访问每个站点发送的数据，可以同时被多个站点接收。CD：冲突检测边发送边检测，发现冲突就停止发送，然后延迟一个随机时间之后继续发送。8以太网帧结构Ethernet_IIDMACSMACLength/TDATA/PADFCSLength/Type值含义Length/T1500Length/T=1500代表了该帧的类型代表了该帧的长度802.39以太网帧结构以太网数据帧格式（Ethernet-II）类型值大于等于600H10以太网的MAC地址MAC地址有48位，但它通常被表示为12位的点分十六进制数。MAC地址全球唯一，由IEEE对这些地址进行管理和分配。每个地址由两部分组成，分别是供应商代码和序列号。其中前24位二进制代表该供应商代码。剩下的24位由厂商自己分配。如果48位全是1，则表明该地址是广播地址。如果第8位是1，则表示该地址是组播地址。00e0.fc39.803411最小帧长与最大传输距离最大传输距离：通常由线路质量、信号衰减程度等因素决定。最小帧长（64字节）：由最大传输距离和冲突检测机制共同决定。规定最小帧长是为了避免如下情况发生：即某站点已经将一个数据包的最后一个BIT发送完毕，但这个报文的第一个BIT还没有传送到距离很远的一个站点。而站点认为线路空闲而发送数据，导致冲突。12第1节以太网发展史1.1以太网起源及原理简介1.2以太网发展及标准协议13万兆以太网出现70年代80年代90年代以太网产生10M以太网发展成熟共享式转向LAN交换机100M快速以太网92年96年千兆以太网迅速发展2002年以太网发展简史IEEE802.3以太网标准IEEE802.3u100BASE-T快速以太网标准IEEE802.3z/ab1000Mb/s千兆以太网标准IEEE802.3ae10GE以太网标准14共享式以太网传输介质在共享式以太网之时，使用一种称为抽头的设备建立与同轴电缆的连接。须用特殊的工具在同轴电缆里挖一个小洞，然后将抽头接入。此项工作存在一定的风险：因为任何疏忽，都有可能使电缆的中心导体与屏蔽层短接，导致这个网络段的崩溃。同轴电缆的致命缺陷是：电缆上的设备是串连的，单点的故障可以导致这个网络的崩溃。10Base5：粗同轴电缆（5代表电缆的字段长度是500米）10Base2：细同轴电缆（2代表电缆的字段长度是200米）15其中介质可靠性差是共享式以太网的主要问题。共享式以太网的缺点在共享式以太网中，所有的主机都以平等的地位连接到同轴电缆上，但如果以太网中主机数目较多，则存在以下严重问题：介质可靠性差冲突严重广播泛滥无任何安全性16标准以太网标准以太网（10Mbit/s）的网络定位模型分类网络定位接入层最终用户和接入层交换机之间的连接汇聚层通常不使用核心层通常不使用17IEEE802.3线缆名称电缆最大区间长度10BASE-5粗同轴电缆500m10BASE-2细同轴电缆200m10BASE-T双绞线100m10BASE-F光纤2000m18快速（100M）以太网数据传输速率为100Mbps的快速以太网是一种高速局域网技术，能够为桌面用户以及服务器或者服务器集群等提供更高的网络带宽。IEEE为快速以太网制订的标准为IEEE802.3u19快速以太网快速以太网（100Mbit/s）的网络定位模型分类网络定位接入层为高性能的PC机和工作站提供100Mbit/s的接入汇聚层提供接入层和汇聚层的连接，提供汇聚层到核心层的连接，提供高速服务器的连接核心层提供交换设备间的连接20快速以太网传输距离技术标准线缆类型传输距离100BaseTXEIA/TIA5类（UTP）非屏蔽双绞线2对100m100BaseT4EIA/TIA3、4、5类（UTP）非屏蔽双绞线4对100m100BaseFX多模光纤（MMF）线缆550m-2km单模光纤（SMF）线缆2km-15km21千兆以太网千兆以太网是对IEEE802.3以太网标准的扩展，在基于以太网协议的基础之上，将快速以太网的传输速率100Mbps提高了10倍，达到了1Gbps。标准为IEEE802.3z（光纤与铜缆）和IEEE802.3ab（双绞线）22千兆以太网千兆（1000Mbit/s）以太网网络定位模型分类网络定位接入层一般不使用汇聚层提供接入层和汇聚层设备间的高速连接核心层提供汇聚层和高速服务器的高速连接，提供核心设备间的高速互联23千兆以太网传输距离技术标准线缆类型传输距离1000BaseT铜质EIA/TIA5类（UTP）非屏蔽双绞线4对100m1000BaseCX铜质屏蔽双绞线25m1000BaseSX多模光纤，50/62.5um光纤，使用波长为850nm的激光550m/275m1000BaseLX单模光纤，9um光纤，使用波长为1300nm的激光2km-15km24IEEE802.3z的线缆标准1000BaseLX是一种使用长波激光作信号源的网络介质技术，在收发器上配置波长为1270-1355nm（一般为1300nm）的激光，既可以驱动多模光纤，也可以驱动单模光纤。1000BaseSX是一种使用短波激光作为信号源的网络介质技术，收发器上所配置的波长为770-860nm（一般为800nm）的激光传输器不支持单模光纤，只能驱动多模光纤。1000BaseCX使用的一种特殊规格的高质量平衡双绞线对的屏蔽铜缆，最长有效距离为25米，使用9芯D型连接器连接电缆。25IEEE802.3ab的线缆标准1000BaseT是一种使用5类UTP作为网络传输介质的千兆以太网技术，最长有效距离与100BASETX一样可以达到100米。用户可以采用这种技术在原有的快速以太网系统中实现从100Mbps到1000Mbps的平滑升级。26万兆以太网已经开始部署，预计未来将有大规模的应用标准为IEEE802.3ae只有全双工模式创造了一些新的概念，例如光物理媒体相关子层(PDM)27第1节以太网技术发展史第2节以太网端口技术第3节以太网设备介绍28第2节以太网端口技术2.1自协商技术2.2自适应技术2.3流量控制29自协商－解决兼容问题10Mb/s半双工10Mb/s全双工10Mb/s自协商100Mb/s自协商100Mb/s全双工端口1自动协商端口2自动协商端口3自动协商端口4自动协商端口5自动协商30自协商基本页信息000010123456789101112131415MessageTypeEthernet=00001Reserved10BASE-T半双工10BASE-T全双工100BASE-TX半双工100BASE-TX全双工100BASE-T4流控支持远程故障指示确认下一页指示31自协商信号约2ms约100ns约62.5μs时钟数据位0时钟数据位1数据位13时钟数据位14时钟……整个报文按16ms间隔重复，直到自协商完成32与没有自协商机制的设备连接不使用自协商机制会出现以下情况：无法实现端口的自动双速配置功能(如10Mbit/s和100Mbit/s)无法确定双工工作模式无法确定是否需要流量控制功能33自协商优先级优先级顺序工作方式A100BASE-TX全双工B100BASE-T4C100BASE-TXD10BASE-T全双工E10BASE-T34光纤上的自协商对光纤以太网而言，得出的结论是：链路两端的工作模式必须使用手工配置（速度、双工模式、流控等），如果光纤两端的配置不同，是不能正确通信的。千兆以太网的自协商机制已经实现。35第2节以太网端口技术2.1自协商技术2.2自适应技术2.3流量控制36智能MDI/MDIX不需要知道电缆另一端为MDI还是MDIX设备两种电缆（普通、交叉）都可连接交换机、集线器或NIC设备消除由于电缆配错引起的连接错误简化10/100M网络安装维护，降低开销ReceivePairTransmitPairTransmitPairReceivePairTransmitPairReceivePairTransmitPairReceivePair交叉网线直连网线37第2节以太网端口技术2.1自协商技术2.2自适应技术2.3流量控制38流量控制当通过交换机一个端口的流量过大，超过了它的处理能力时，就会发生端口阻塞。流量控制的作用是防止在出现阻塞的情况下丢帧。在半双工方式下，流量控制是通过反压（backpressure）技术实现的，模拟产生碰撞，使得信息源降低发送速度。在全双工方式下流量控制一般遵循IEEE802.3x标准。39全双工流量控制IEEE802.3x标准定义了一种新方法，在全双工环境中去实现流量控制。交换机产生一个PAUSE帧，PAUSE帧使用一个保留的组播地址：01-80-C2-00-00-01，将它发送给正在发送的站，发送站接收到该帧后，就会暂停或停止发送。PAUSE帧利用了一个保留的组播地址，它不会被网桥和交换机所转发，这样，PAUSE帧不会产生附加信息量。40全双工流量控制PAUSE功能的应用场合：一对终端（简单的两点网络）一个交换机和一个终端交换机和交换机之间的链路PAUSE功能不解决下列问题：稳定状态的网络拥塞端到端流量控制比简单的“停—启”更复杂的机制41第1节以太网技术发展史第2节以太网端口技术第3节以太网设备介绍42第3节以太网设备介绍3.1Hub的工作原理3.2二层交换机的工作原理3.3VLAN与三层交换机43传统以太网连接设备HUBHub的工作模式注意：HUB仅仅是物理上的连接设备。应用层表示层会话层传输层网络层链路层物理层物理层物理层HUB应用层表示层会话层传输层网络层链路层物理层44所有的HUB都是半双工的Hub的工作原理12345INOUTOUTOUTOUT45由HUB组建以太网的实质实际上网络中由HUB组建以太网实质是一种共享式以太网，存在共享式以太网的所有缺陷：冲突严重；广播泛滥；无任何安全性。46第3节以太网设备介绍3.1Hub的工作原理3.2二层交换机的工作原理3.3VLAN与三层交换机47二层工作模式网桥/二层以太网交换机的工作模式应用层表示层会话层传输层网络层链路层物理层物理层物理层二层交换机应用层表示层会话层传输层网络层链路层物理层链路层链路层48基于源地址学习多播情况下，CAM表项的建立不是通过学习得到的，而是通过IGMP窥探，CGMP等协议获得的。MAC地址所在端口MACA1MACB1MACC2MACD2分段1分段2ABCPORT1PORT2D交换机典型应用交换机49基于目的地址转发MACDMACA......端口1MACDMACA......端口2MAC地址所在端口MACA1MACB1MACC2MACD250二层交换机原理接收网段上的所有数据帧；利用接收数据