第1部分 以太网技术.docx
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第1部分以太网技术
第一部分
以太网技术
图1-1第1章以太网……………………………………………………………….4
1.1以太网的起源……………………………………………………………………………......4
1.2以太网的物理层……………………………………………………………………………...4
1.2.1以太网的线缆标准简介4.
1.2.2CSMA/CD6
1.2.3最小帧长与最大传输距离7
1.2.4以太网的双工模式7
1.2.5以太网的自动协商8
1.2.6HUB9
1.3以太网的数据链路层……………………………………………………………………….11
1.3.1以太网链路层的分层结构11
1.3.2MAC子层11
1.3.3以太网帧结构13
1.3.4LLC子层14
1.3.5以太网交换机15
1.4以太网的发展……………………………………………………………………………….16
1.4.1共享式以太网17
1.4.2交换式以太网17
1.4.31000M以太网和10G以太网18
1.5以太网的应用……………………………………………………………………………….18
1.5.1计算机互连19
1.5.2高速网络设备之间互连19
1.5.3城域网中用户接入的手段19
1.6参考资料清单………………………………………………………………………………..19
图1-2第2章VLAN………………………………………………………………..21
2.1.1VLAN简介21
2.1.2VLAN的引入21
2.1.3VLAN的划分23
2.1.4VLAN帧格式24
2.1.5VLAN的基本概念25
2.2VLAN内通信过程……………………………………………………………………………27
2.2.1VLAN基本通信原理27
2.2.2VLAN跨越交换机通信原理29
2.3VLAN间通信原理……………………………………………………………………………30
2.3.1二层交换机+路由器30
2.3.2三层交换机31
2.4VLANAggregation…………………………………………………………………………..31
2.4.1VLANaggregation原理31
2.4.2VLANaggregation的优点32
2.5VLANStacking………………………………………………………………………………32
2.6VLANMapping………………………………………………………………………………33
2.7VLANDamping……………………………………………………………………………...33
2.8VLAN的应用…………………………………………………………………………………34
2.8.1基于端口的VLAN划分34
2.8.2VLANTrunk的应用35
2.8.3VLAN间互通应用35
2.8.4VLANAggregation的应用36
2.9参考资料清单………………………………………………………………………………..37
图1-3第3章VRRP……………………………………………………………….38
3.1VRRP概述…………………………………………………………………………………..38
3.2VRRP的基本概念…………………………………………………………………………..38
3.3VRRP的工作原理…………………………………………………………………………..39
3.4VRRP协议介绍……………………………………………………………………………..41
3.4.1VRRP的报文结构41
3.4.2VRRP的状态机42
3.5VRRP的功能特点…………………………………………………………………………..43
3.6VRP中的VRRP…………………………………………………………………………….43
3.6.1主备备份44
3.6.2负载分担44
3.6.3监视接口状态45
3.6.4VRRP快速切换46
3.6.5虚拟IP地址Ping开关46
3.6.6VRRP的安全功能46
第2章以太网
2.1以太网的起源
以太网技术起源于一个实验网络,该实验网络的目的是把几台个人计算机以3M的速率连接起来。
“以太网”一般是指由DEC(DigitalEquipmentCorporation)、Intel和Xerox组成的DIX(DEC-Intel-Xerox)联盟开发并于1982年发布的10Mb/s的以太网标准。
而IEEE802.3规范则是基于以太网的标准制定的,并与以太网标准相互兼容。
在TCP/IP中,以太网的IP数据报文的封装格式由RFC894定义,IEEE802.3网络的IP数据报文封装由RFC1042定义。
当今最常使用的封装格式是RFC894定义的格式,通常称为EthernetII或者EthernetDIX。
为区别两种帧,本文以EthernetII称呼RFC894定义的以太帧,以IEEE802.3称呼RFC1042定义的以太帧。
2.2以太网的物理层
本节包含以下内容:
●以太网的线缆标准简介
●CSMA/CD
●最小帧长与最大传输距离
●以太网的双工模式
●以太网的自动协商
●HUB
2.2.1以太网的线缆标准简介
从以太网诞生到目前为止,成熟应用的以太网物理层标准主要有以下几种:
●10BASE-2
●10BASE-5
●10BASE-T
●10BASE-F
●100BASE-T4
●100BASE-TX
●100BASE-FX
●1000BASE-SX
●1000BASE-LX
●1000BASE-CX
●1000BASE-TX
在这些标准中,前面的10、100、1000分别代表运行速率,中间的BASE指传输的信号是基带方式。
10兆以太网线缆标准
10兆以太网线缆标准在IEEE802.3中定义,线缆类型如步骤1:
所示。
步骤1:
10兆以太网线缆标准
表2-2名称
表2-3电缆
表2-4最长有效距离
10BASE-5
粗同轴电缆
500m
10BASE-2
细同轴电缆
200m
10BASE-T
双绞线
100m
10BASE-F
光纤
2000m
同轴电缆的致命缺陷是:
电缆上的设备是串连的,单点故障就能导致整个网络崩溃。
10BASE-2,10BASE-5是同轴电缆的物理标准,现在已经基本被淘汰。
100兆以太网线缆标准
100兆以太网又叫快速以太网FE(FastEthernet),在数据链路层上跟10M以太网没有区别,仅在物理层上提高了传输的速率。
快速以太网线缆类型如步骤1:
所示。
步骤1:
快速兆以太网线缆标准
表2-5名称
表2-6线缆
表2-7最长有效距离
100Base-T4
四对三类双绞线
100m
100Base-Tx
两对五类双绞线
100m
100Base-Fx
单模光纤或多模光纤
2000m
10BASE-T和100BASE-TX都是运行在五类双绞线上的以太网标准,所不同的是线路上信号的传输速率不同,10BASE-T只能以10M的速度工作,而100BASE-TX则以100M的速度工作。
100BASE-T4现在很少使用。
千兆以太网线缆标准
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从100Mbit/s提高了10倍,达到了1Gbit/s。
千兆以太网线缆标准如步骤1:
所示。
步骤1:
千兆以太网线缆标准
表2-8名称
表2-9线缆
表2-10最长有效距离
1000Base-LX
多模光纤和单模光纤
316m
1000Base-SX
多模光纤
316m
1000Base-CX
平衡双绞线对的屏蔽铜缆
25m
1000Base-TX
5类双绞线
100m
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100Mbit/s到1000Mbit/s的平滑升级。
千兆以太网物理层使用8B10B编码。
在传统的以太网传输技术中,数据链路层把8位数据组提交到物理层,物理层经过适当的变换后发送到链路上传输。
但变换的结果还是8比特。
在光纤千兆以太网上,则不是这样。
数据链路层把8比特的数据提交给物理层的时候,物理层把这8比特的数据进行映射,变换成十比特发送出去。
万兆以太网线缆标准
万兆以太网线缆标准为IEEE802.3ae。
网络线缆只可以使用光纤,全双工模式。
万兆以太网已经开始部署,在未来将有大规模的应用。
2.2.2CSMA/CD
CSMA/CD的概念
根据以太网的最初设计目标,计算机和其他数字设备是通过一条共享的物理线路连接起来的。
这样被连接的计算机和数字设备必须采用一种半双工的方式来访问该物理线路,而且还必须有一种冲突检测和避免的机制,以避免多个设备在同一时刻抢占线路的情况,这种机制就是所谓的CSMA/CD(CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetection)。
我们可以从以下三点来理解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
由于两个站点同时发送信号,信号叠加后,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。
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。
CSMA/CD的工作过程
CSMA/CD的工作过程如下:
表2-1终端设备不停的检测共享线路的状态。
−如果线路空闲则发送数据。
−如果线路不空闲则一直等待。
表2-2如果有另外一个设备同时发送数据,两个设备发送的数据必然产生冲突,导致线路上的信号不稳定。
表2-3终端设备检测到这种不稳定之后,马上停止发送自己的数据。
表2-4终端设备发送一连串干扰脉冲,然后等待一段时间之后再进行发送数据。
发送干扰脉冲的目的是为了通知其他设备,特别是跟自己在同一个时刻发送数据的设备,线路上已经产生了冲突。
检测到冲突后等待的时间是随机的。
2.2.3最小帧长与最大传输距离
最小帧长
由于CSMA/CD算法的限制,以太网帧必须不能小于某个最小长度。
以太网中,最小帧长为64字节,这是由最大传输距离和冲突检测机制共同决定的。
规定最小帧长是为了避免这种情况发生:
A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B站点。
B站点认为线路空闲继续发送数据,导致冲突。
高层协议必须保证Data域至少包含46字节。
如果实际数据不足46个字节,则高层协议必须填充一些数据单元。
Data域长度的上限是任意的,但已经被设置为1500字节。
这是1979年的内存成本以及低成本的LAN控制器的缓冲区要求。
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。
2.2.4以太网的双工模式
以太网的物理层存在半双工和全双工两种模式。
半双工
半双工的工作模式:
●任意时刻只能接收数据或者发送数据。
●采用CSMA/CD访问机制。
●有最大传输距离的限制。
HUB工作在半双工模式。
全双工
在有L2交换机取代了HUB组建以太网后,以太网由共享式转变为交换式。
而且用全双工代替了半双工,传输数据帧的效率大大提高,最大吞吐量达到双倍速率。
全双工从根本上解决了以太网的冲突问题,以太网从此告别CSMA/CD。
全双工的工作模式:
●同一时刻可以接收和发送数据。
●最大吞吐量达双倍速率。
●消除了半双工的物理距离限制。
最近10年制造的网卡、L2、路由器都支持全双工模式,HUB除外。
实现全双工的硬件保证:
支持全双工的网卡芯片+收发线路完全分离的物理介质+点到点的连接。
2.2.5以太网的自动协商
自动协商的目的
最早的以太网都是10M半双工的,所以需要CSMA/CD等一系列机制保证系统的稳定性。
随着技术的发展,出现了全双工,接着又出现了100M,以太网的性能大大改善。
但是随之而来的问题是:
如何保证原有以太网络和新以太网的兼容?
于是,提出了自动协商技术来解决这种矛盾。
自动协商的主要功能就是使物理链路两端的设备通过交互信息自动选择同样的工作参数。
自动协商的内容主要包括双工模式、运行速率以及流控等参数。
一旦协商通过,链路两端的设备就锁定在同样的双工模式和运行速率。
从而解决双工和10M/100M速率自协商问题。
以太网速率双工自协商在如下标准中定义:
●百兆以太网标准:
IEEE802.3u
IEEE802.3u规范将自协商作为可选功能。
●千兆以太网标准:
IEEE802.3z
IEEE802.3z规范将自协商作为强制功能,所有设备必须遵循并且必须默认启用自协商。
自动协商原理
自动协商是建立在双绞线以太网的一种低层机制上的,它只对双绞线以太网有效。
在双绞线链路上,如果没有数据传输,链路并不是一直空闲,而是不断的互相发送一种频率较低的脉冲信号,任何具有双绞线接口的以太网卡都能识别这种信号。
如果再插入一些频率更低的脉冲,这些脉冲称为快速链路脉冲FLP(FastLinkPulse),两端设备也能识别。
于是,可以利用FLP进行少量的数据传输,达到自动协商的目的。
如表9-1989883969所示。
脉冲插入示意图
以太网速率双工链路自协商优先级别从高到低,顺序如下:
●1000M全双工
●1000M半双工
●100M全双工
●100M半双工
●10M全双工
●10M半双工
如果协商通过,网卡就把链路置为激活状态,可以开始传输数据了。
如果不能通过,则该链路不能使用。
如果有一端不支持自动协商,则支持自动协商的一端选择一种默认的方式工作,一般情况下是10M半双工模式。
自协商完全由物理层芯片设计实现,因此并不使用专用数据包或带来任何高层协议开销。
2.2.6HUB
HUB原理简介
当用双绞线把终端设备进行互连时,需要一个中间设备来进行集中,这个设备就是集线器HUB。
HUB是物理层的连接设备。
HUB工作模型如表9-1989883969所示。
HUB工作模型
HUB的外观就是一个多口的黑盒子,每个接口可以连接一个终端设备。
这样多个设备可以通过HUB连接在一起,组成一个星形的网络。
需要注意的是,由HUB连接的网络在物理上是星形结构的,但在HUB内部还是使用了共享总线的技术,采用CSMA/CD技术进行交互。
HUB的工作原理图
HUB分类
HUB可以根据接口的特点进行区分,分为I类HUB和II类HUB。
这两类HUB在内部工作模式上没有区别,但因为提供的接口不同而使用于不同的场合。
●I类HUB只提供一种类型的物理接口。
比如只提供五类双绞线接口或只提供三类双绞线接口,或者只提供光纤接口等。
●II类HUB则可以提供多种不同类型的接口,可以在一个II类HUB上集成五类双绞线接口和光纤接口等。
实际中应用最多的是I类HUB。
2.3以太网的数据链路层
本节介绍以下内容:
●以太网链路层的分层结构
●MAC子层
●以太网帧结构
●LLC子层
●以太网交换机
2.3.1以太网链路层的分层结构
在以太网中,针对不同的双工模式,提供不同的介质访问方法:
●在半双工模式下采用的是CSMA/CD的访问方式。
●而在全双工模式下则可以直接进行收发,不用预先判断链路的忙闲状态。
半双工和全双工是物理层的概念,而针对物理层的双工模式提供不同访问方式则是数据链路层的概念,这样就形成了以太网的一个重要特点:
数据链路层和物理层是相关的。
由于以太网的物理层和数据链路层是相关的,针对物理层的不同工作模式,需要提供特定的数据链路层来访问。
这给设计和应用带来了一些不便。
为此,一些组织和厂家提出把数据链路层再进行分层,分为逻辑链路控制子层(LLC)和媒体访问控制子层(MAC)。
这样不同的物理层对应不同的MAC子层,LLC子层则可以完全独立。
如表9-1989883969所示。
以太网链路层的分层结构
2.3.2MAC子层
MAC子层的功能简介
MAC(MediaAccessControl)子层负责完成下列任务:
●提供物理链路的访问。
●链路级的站点标识:
在数据链路层识别网络上的各个站点。
也就是说,在该层次保留了一个站点地址,即MAC地址,来标识网络上的唯一一个站点。
●链路级的数据传输:
从LLC子层接收数据,附加上MAC地址和控制信息后把数据发送到物理链路上;在这个过程中提供校验等功能。
物理链路访问功能
MAC子层是物理层相关的,也就是说,不同的物理层有不同的MAC子层来进行访问。
在以太网中,主要存在两种MAC:
●半双工MAC:
物理层运行模式是半双工时提供访问。
●全双工MAC:
物理层运行模式是全双工时提供访问。
这两种MAC都集成在网卡中,网卡初始化的时候一般进行自动协商,根据自动协商的结果决定运行模式,然后根据运行模式选择相应的访问MAC。
链路级的站点标识功能
为了进行站点标识,在MAC子层用MAC地址来唯一标识一个站点。
MAC地址由IEEE管理,以块为单位进行分配。
一个组织(一般是制造商)从IEEE获得唯一的地址块,称为一个组织的OUI(OrganizationallyUniqueIdentifier)。
获得OUI的组织可用该地址块为16777216个设备分配地址。
MAC地址有48Bit,但通常被表示为12Bit的点分十六进制数。
例如,48Bit的MAC地址0000000011100000111111001000000000110100,表示为12Bit点分十六进制就是00e0.fc39.8034。
每个MAC地址的前6Bit(点分十六进制)代表OUI,后6Bit由厂商自己分配。
例如,地址00e0.fc39.8034,前面的00e0.fc是IEEE分配给华为公司的OUI,后面的39.8034是由华为公司自己分配的地址编号。
MAC地址中的第2位指示该地址是全局唯一还是局部唯一。
以太网一直使用全局唯一地址。
MAC地址可分为下面几种类别:
●物理MAC地址
这种类型的MAC地址唯一的标识了以太网上的一个终端,这样的地址是固化在硬件(如网卡)里面的。
●广播MAC地址
这是一个通用的MAC地址,用来表示网络上的所有终端设备。
广播MAC地址48Bit全是1,如ffff.ffff.ffff。
●组播MAC地址
这是一个逻辑的MAC地址,用于代表网络上的一组终端。
组播MAC地址第8Bit是1,例如000000011011101100111010101110101011111010101000。
链路级的数据传输功能
数据的收发送过程如下:
表2-1当上层要发送数据的时候,把数据提交给MAC子层。
表2-2MAC子层把上层提交来的数据放入缓存区。
表2-3然后加上目的MAC地址和自己的MAC地址(源MAC地址),计算出数据帧的长度,形成以太网帧。
表2-4以太网帧根据目的MAC地址被发送到对端设备。
表2-5对端设备提取出帧的目的MAC地址,跟MAC地址表中的条目进行比较。
−只要有一项匹配,则接收该以太网帧。
−若无任何匹配的项目,则丢弃该以太网帧。
以上描述的是单播的情况。
如果上层应用程序加入一个组播组,数据链路层根据应用程序加入的组播组形成一个组播MAC地址,并把该组播MAC地址加入MAC地址表。
这样当有针对该组的数据帧的时候,MAC子层就接收该数据帧并向上层发送。
2.3.3以太网帧结构
Ethernet_II的帧结构
Ethernet_II的帧结构
Ethernet_II的帧中各字段说明如下:
●DMAC
DMAC(DestinationMAC)是目的地址。
DMAC确定帧的接收者。
●SMAC
SMAC(SourceMAC)是源地址。
SMAC字段标识发送帧的工作站。
●Type
两字节的类型字段用于标识数据字段中包含的高层协议,也就是说,该字段告诉接收设备如何解释数据字段。
在以太网中,多种协议可以在局域网中同时共存。
因此,在EthernetII的类型字段中设置相应的十六进制值提供了在局域网中支持多协议传输的机制。
−类型字段取值为0800的帧代表IP协议帧。
−类型字段取值为0806的帧代表ARP协议帧。
−类型字段取值为0835的帧代表RARP协议帧。
−类型字段取值为8137的帧代表IPX和SPX传输协议帧。
●Data
数据字段的最小长度必须为46字节以保证帧长至少为64字节,这意味着传输一字节信息也必须使用46字节的数据字段。
如果填入该字段的信息少于46字节,该字段的其余部分也必须进行填充。
数据字段的最大长度为1500字节。
●CRC
CRC(CyclicRedundancyCheck)循环冗余校验字段提供了一种错误检测机制。
每一个发送器都计算一个包括了地址字段、类型字段和数据字段的CRC码,然后将计算出的CRC码填入4字节的CRC字段。
IEEE802.3的帧结构
IEEE802.3的帧结构
如表9-1989883969所示,IEEE802.3帧格式类似于EthernetII帧,只是Ethernet_II帧的Type域被802.3帧的Length域取代,并且在Data字段前增加了LLC字段。
●Length
Length字段定义了Data字段包含的字节数。
●LLC
LLC(LogicalLinkControl)由目的服务访问点DSAP(DestinationServiceAccessPoint)、源服务访问点SSAP(SourceServiceAccessPoint)和Control字段组成。
其他字段请参见EthernetII的帧的字段说明。
IEEE802.3帧根据DSAP和SSAP字段的取值又可分为以下几类:
●当DSAP和SSAP都取特定值0xff时,802.3帧就变成了Netware-ETHERNET帧,用来承载NetWare类型的数据。
●当DSAP和SSAP都取特定值0xaa时,802.3帧就变成了ETHERNET_SNAP帧。
ETHERNET_SNAP帧可以用于传输多种协议。
因此,SNAP可以被看作一种扩展,它允许厂商创建自己的以太网传输协议。
ETHERNET_SNAP标准由IEEE802.1委员会制定,以保证IEEE802.3局域网和以太网之间的互操作性。
●DSAP和SSAP其他的取值均为纯IEEE802.3帧。
2.3.4LLC子层
在前文的介绍中提到了MAC子层形成的帧结构,包括IEEE802.3的帧和ETHERNET_II帧。
在ETHERNET_II帧中,由Type字段区分上层协议,这时候就没有必要实现LLC子层,仅包含一个MAC子层。
IEEE802.3帧中的LLC子层除了定义传统的链路层服务之外,还增加了一些其他有用的特性。
这些特性都由DSAP、SSAP和
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