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IPUB_301_C1生成树协议生成树协议生成树协议生成树协议（（（（spanning-treeprotocol））））课程目标课程目标课程目标课程目标：：：：了解以太网的发展了解交换机工作原理掌握STP协议的工作原理及作用掌握STP协议中端口的各种状态参考资料参考资料参考资料参考资料：：：：《ZXR10以太网交换机用户手册》97979797第第第第1章章章章以太网交换机原理以太网交换机原理以太网交换机原理以太网交换机原理知识点了解网络发展。了解以太网交换机原理。1.1以太网发展历史及现状以太网发展历史及现状以太网发展历史及现状以太网发展历史及现状以太网是在70年代由Xerox公司PaloAlto研究中心推出的。由于介质技术的发展，Xerox可以将许多机器相互连接，形成巨型打印机，这就是以太网的原型。后来，Xerox公司推出了带宽为2Mb/s的以太网，又和Intel和DEC公司合作推出了带宽为10Mb/s的以太网，这就是通常所称的以太网Ⅱ或以太网DIX（Digital，Intel和Xerox）。IEEE（电器和电子工程师协会）下属的802协委员会制定了一系列局域网标准，其中以太网标准（IEEE802.3）与由Intel、Digital和Xerox推出的以太网Ⅱ非常相似。随着以太网技术的不断进步与带宽的提升，目前在很多情况下以太网成为了局域网的代名词。1.2以太网相关标准以太网相关标准以太网相关标准以太网相关标准电器和电子工程师协会（IEEE）在1980年2月组成了一个802委员会制定了一系列局域网方面的标准，802.3协议簇制定了以太网的标准。IPUB_301_C1生成树协议（spanning-treeprotocol）98989898其中：IEEE802.3为以太网标准。IEEE802.2为LLC（逻辑链路控制）标准。IEEE802.3u为100M以太网标准。IEEE802.3z为1000M以太网标准。IEEE802.3ab为1000M以太网运行在双绞线上的标准。通常我们所说的以太网主要是指以下三种不同的局域网技术：以太网/IEEE802.3—采用同轴电缆作为网络媒体，传输速率达到10Mbps；100Mbps以太网—又称为快速以太网，采用双绞线作为网络媒体，传输速率达到100Mbps；1000Mbps以太网—又称为千兆以太网，采用光缆或双绞线作为网络媒体，传输速率达到1000Mbps（1Gbps）以太网以其高度灵活，相对简单，易于实现的特点，成为当今最重要的一种局域网建网技术。虽然其它网络技术也曾经被认为可以取代以太网的地位，但是绝大多数的网络管理人员仍然把将以太网作为首选的网络解决方案。为了使以太网更加完善，解决所面临的各种问题和局限，一些业界主导厂商和标准制定组织不断的对以太网规范做出修订和改进。也许，有的人会认为以太网的扩展性能相对较差，但是以太网所采用的传输机制仍然是目前网络数据传输的重要基础。1.3以太网帧结构以太网帧结构以太网帧结构以太网帧结构前导(Preamble)：一个交替由0和1组成的7个8位位组(octet)模式被用作同步。帧定界符开始(StartofFrameDelimiter)：特殊模式10101011表示帧的开始。目的地址(DestinationAddress)：若第一位是0，这个字段指定了一个特定站点。若是1，该目的地址是一组地址，帧被发送往由该地址规定的预先定义的一组地址中的所有站点。每个站点的接口知道它自己的组地址，当它见到这个组地址时会做出响应。若所有的位均为1，该帧将被广播至所有的站点。第1章以太网交换机原理99999999源地址(SourceAddress)：说明一个帧来自哪儿。数据长度字段(DataLengthField)：说明在数据和填充字段里的8位字节的数目。数据字段(DataField)：上层数据。填充字段(PadField)：数据字段必须至少是46个8位字节(或许更多)。若没有足够的数据，额外的8位位组被添加(填充)到数据中以补足差额。帧校验序列(FrameCheckSequence)：使用32位循环冗余校验码的错误检验。1.4MAC地址地址地址地址MAC地址有48位，它可以转换成12位的十六进制数，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。它一般烧入NIC（网络接口控制器）中。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。序列号由设备供应商管理，它占用剩余的6位地址，即最后的24位二进制数字。如果供设备应商用完了所有的序列号，他必须申请另外的供应商代码。目前ZTE的GAR产品MAC地址前六位为00d0d0。IPUB_301_C1生成树协议（spanning-treeprotocol）1001001001001.5传统以太网基本概念传统以太网基本概念传统以太网基本概念传统以太网基本概念以太网使用CSMA/CD（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection，带有冲突监测的载波侦听多址访问）。我们可以将CSMA/CD比做一种文雅的交谈。在这种交谈方式中，如果有人想阐述观点，他应该先听听是否有其他人在说话（即载波侦听），如果这时有人在说话，他应该耐心地等待，直到对方结束说话，然后他才可以开始发表意见。有一种情况，有可能两个人在同一时间都想开始说话，那会出现什么样的情况呢？显然，如果两个人同时说话，这时很难辨别出每个人都在说什么。但是，在文雅的交谈方式中，当两个人同时开始说话时，双方都会发现他们在同一时间开始讲话（即冲突检测），这时说话立即终止，随机地过了一段时间后，说话才开始。说话时，由第一个开始说话的人来对交谈进行控制，而第二个开始说话的人将不得不等待，直到第一个人说完，然后他才能开始说话。以太网的工作方式与上面的方式相同。首先，以太网网段上需要进行数据传送的节点对导线进行监听，这个过程称为CSMA/CD的载波侦听。如果，这时有另外的节点正在传送数据，监听节点将不得不等待，直到传送节点的传送任务结束。如果某时恰好有两个工作站同时准备传送数据，以太网网段将发出“冲突”信号。这时，节点上所有的工作站都将检测到冲突信号，因为，这时导线上的电压超出了标准电压。冲突产生后，这两个节点都将立即发出拥塞信号，以确保每个工作站都检测到这时以太网上已产生冲突，然后，网络进行恢复，在恢复的过程中，导线上将不传送数据。当两个节点将拥塞信号传送完，并过了一段随机时间后，这两个节点便开始启动随机计时器。第一个随机计时器到期的工作站将首先对导线进行监听，当它监听到没有任何信息在传输时，便开始传输数据。当第二个工作站随机计时器到期后，也对导线进行监听，当监听到第一个工作站已经开始传输数据后，就只好等待了。第1章以太网交换机原理101101101101在CSMA/CD方式下，在一个时间段，只有一个节点能够在导线上传送数据。如果其他节点想传送数据，必须等到正在传输的节点的数据传送结束后才能开始传输数据。以太网之所以称作共享介质就是因为节点共享同一传输介质这一事实。1.6透明桥的工作原理透明桥的工作原理透明桥的工作原理透明桥的工作原理在以太网中，作出转发决定的过程称为透明桥接。透明的含义为：首先连接在网桥上的终端设备并不知道所连接的是共享媒介还是交换设备，即设备对终端用户来说是透明的，其次透明桥对其转发的帧结构不做任何改动与处理（VLAN的trunk线路除外）。1.7透明桥的功能透明桥的功能透明桥的功能透明桥的功能透明网桥有如下的三个主要功能。地址学习功能。转发和过滤功能。IPUB_301_C1生成树协议（spanning-treeprotocol）102102102102环路避免功能。通常透明网桥的三个主要功能都被使用，它们是在网络中是同时起作用的。而以太网交换机执行与透明桥相同的三个主要功能。地址学习功能：网桥基于目标MAC（介质访问控制）地址作出转发决定。所以它必须“获取”MAC地址的位置，这样才能准确地作出转发决定。当网桥与物理网段连接时，它会对它监测到的所有帧进行检查。网桥读取帧的源MAC地址字段后与接收端口关联并记录到MAC地址表中。由于MAC地址表是保存在交换机的内存之中的，所以当交换机启动时MAC地址表是空的。此时工作站A给工作站C发送了一个单播数据帧，交换机通过E0口收到了这个数据帧，读取出帧的源MAC地址后将工作站A的MAC地址与端口E0关联，记录到MAC地址表中。第1章以太网交换机原理103103103103由于此时这个帧的目的MAC地址对交换机来说是未知的，为了让这个帧能够到达目的地，交换机执行洪泛的操作，即从除了进入端口外所有其他端口转发。：注意目的MAC地址未知的情况下交换机将洪泛数据帧。工作站D发送一个帧给工作站C时，交换机执行相同的操作，通过这个过程交换机学习到了工作站D的MAC地址并与端口E3关联并记录到MAC地址表中。由于此时这个帧的目的MAC地址对交换机来说仍然是未知的，为了让这个帧能够到达目的地，交换机仍然执行洪泛的操作，即从除了进入端口外所有其他端口转发。所有的工作站都发送过数据帧后，交换机学习到了所有的工作站的MAC地址与端口的对应关系并记录到MAC地址表中。此时工作站A给工作站C发送了一个单播数据帧，交换机检查到了此帧的目的MAC地址已经存在在MAC地址表中，并和E2端口相关联，交换机将此帧直接向E2端口转发，即做转发决定。IPUB_301_C1生成树协议（spanning-treeprotocol）104104104104对其他的端口并不转发此数据帧，即做所谓的过滤操作。1.8广播广播广播广播、、、、组播和目的组播和目的组播和目的组播和目的MAC地址未知帧的转发地址未知帧的转发地址未知帧的转发地址未知帧的转发某工作站发出数据帧，交换机检测到目的MAC地址为广播、组播或目的MAC地址未知（交换机转发表中无此MAC地址）时，交换机将对此帧做洪泛的操作，即从除了进入端口外所有其他端口转发。：注意如果交换机支持IGMP监听等支持组播的功能，交换机将不再采用洪泛的方式转发组播数据帧。第1章以太网交换机原理1051051051051.9转发转发转发转发/过滤流程过滤流程过滤流程过滤流程交换机在某端口接收到一个数据帧后的处理流程：交换机首先判断此数据帧的目的MAC地址是否为广播或组播地址，如果是，即进行洪泛操作。如果目的MAC地址不是广播或组播地址而是去往某设备的单播地址，交换机在MAC地址表中查找此地址，如果此地址是未知的，也将按照洪泛的方式进行转发。如果目的地址是单播地址并且已经存在在交换机的MAC地址表中，交换机将把数据帧转发至此目的MAC地址关联的端口。1.10传统以太网与交换式以太网比较传统以太网与交换式以太网比较传统以太网与交换式以太网比较传统以太网与交换式以太网比较IPUB_301_C1生成树协议（spanning-treeprotocol）106106106106HUB（集线器）只对信号做简单的再生与放大，所有设备共享一个传输介质，设备必须遵循CSMA/CD方式进行通讯。使用HUB连接的传统共享式以太网中所有工作站处于同一个冲突域和同一个广播域之中。交换机根据MAC地址转发或过滤数据帧，隔离了冲突域，工作在数据链路层。所以交换机每个端口都是单独的冲突域。如果工作站直接连接到交换机的端口，此工作站独享带宽。但是由于交换机对目的地址为广播的数据帧做洪泛的操作，广播帧会被转发到所有端口，所以所有通过交换机连接的工作站都处于同一个广播域之中。1.11保证网络的可靠性保证网络的可靠性保证网络的可靠性保证网络的可靠性为了提高整个网络的可靠性，消除单点失效故障，通常在网络设计中采用多台设备、多个端口、多条线路的冗余连接方式。1.12冗余拓扑冗余拓扑冗余拓扑冗余拓扑第1章以太网交换机原理10710