路由交換技術(shù)及應(yīng)用第4章--以太網(wǎng)交換技術(shù)課件

1、路由交換技術(shù)及應(yīng)用（第3版）孫秀英 主編史紅彥 副主編第4章 以太網(wǎng)交換技術(shù)學(xué)習(xí)目標(biāo)了解以太網(wǎng)的發(fā)展歷史；了解以太網(wǎng)常用的傳輸介質(zhì)；掌握以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)、MAC地址（重點）；理解共享以太網(wǎng)的工作過程（難點）；理解交換式以太網(wǎng)的工作原理（重點）。關(guān)鍵詞：局域網(wǎng) MAC地址 CSMA/CD地址學(xué)習(xí) 轉(zhuǎn)發(fā)/過濾4.1 局域網(wǎng)基礎(chǔ)4.1.1 局域網(wǎng)簡介 局域網(wǎng)（Local Area Network，LAN）即計算機局部區(qū)域網(wǎng)，它是在一個局部的地理范圍內(nèi)（通常網(wǎng)絡(luò)連接的范圍以幾千米為限）將各種計算機、外圍設(shè)備、數(shù)據(jù)庫等互相連接起來組成的計算機通信網(wǎng)。局域網(wǎng)除完成一站對另一站的通信外，還通過共享的通信媒體（如

2、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)或?qū)Ｓ脭?shù)據(jù)電路）與遠(yuǎn)方的局域網(wǎng)、數(shù)據(jù)庫或處理中心相連，構(gòu)成一個大范圍的信息處理系統(tǒng)。其用途主要是數(shù)據(jù)通信與資源共享，傳送數(shù)據(jù)、影像及語音。局域網(wǎng)的構(gòu)成組件可以是PC工作站、網(wǎng)絡(luò)適配卡、各類線路、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)及服務(wù)器等。 局域網(wǎng)技術(shù)主要對應(yīng)于OSI參考模型的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，TCP/IP協(xié)議族層次模型的網(wǎng)絡(luò)接口層。 由于局域網(wǎng)發(fā)展迅速，類型繁多，1980年2月，美國電氣和電子工程師學(xué)會（IEEE）成立802課題組，研究并制定了局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802。后來，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）經(jīng)過討論，建議將802標(biāo)準(zhǔn)定為局域網(wǎng)國際標(biāo)準(zhǔn)。 IEEE 802為局域網(wǎng)制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)，主要有如下1

3、2種。IEEE 802.1：描述局域網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。IEEE 802.2：定義邏輯鏈路控制（LLC）子層的功能與服務(wù)。IEEE 802.3：描述CSMA/CD總線式介質(zhì)訪問控制協(xié)議及相應(yīng)的物理層規(guī)范。IEEE 802.4：描述令牌總線（Token Bus）式介質(zhì)訪問控制協(xié)議及相應(yīng)的物理層規(guī)范。IEEE 802.5：描述令牌環(huán)（Token Ring）式介質(zhì)訪問控制協(xié)議及相應(yīng)的物理層規(guī)范。IEEE 802.6：描述市域網(wǎng)（MAN）的介質(zhì)訪問控制協(xié)議及相應(yīng)的物理層規(guī)范。IEEE 802.7：描述寬帶技術(shù)進(jìn)展。IEEE 802.8：描述光纖技術(shù)進(jìn)展。IEEE 802.9：描述語音和數(shù)據(jù)綜合局域網(wǎng)

4、技術(shù)。IEEE 802.10：描述局域網(wǎng)安全與解密問題。IEEE 802.11：描述無線局域網(wǎng)技術(shù)。IEEE 802.12：描述用于高速局域網(wǎng)的介質(zhì)訪問方法及相應(yīng)的物理層規(guī)范。 常見的局域網(wǎng)技術(shù)包括以太網(wǎng)（Ethernet）、令牌環(huán)、光纖分布式數(shù)據(jù)端口（Fiber Distributed Data Interface，F(xiàn)DDI）、無線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Network，WLAN）等，它們在拓?fù)?、傳輸介質(zhì)、傳輸速率、數(shù)據(jù)格式、控制機制等各方面都有許多不同。隨著以太網(wǎng)帶寬的不斷提高和可靠性的不斷提升，令牌環(huán)和FDDI的優(yōu)勢已不復(fù)存在，漸漸退出了局域網(wǎng)領(lǐng)域。而以太網(wǎng)由于其

5、具有開放、簡單、易于實現(xiàn)、易于部署等特性被廣泛應(yīng)用，迅速成為局域網(wǎng)中占統(tǒng)治地位的技術(shù)。另外，無線局域網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展也非常迅速，目前已經(jīng)進(jìn)入大規(guī)模安裝和普及階段。4.1.2 以太網(wǎng)的發(fā)展歷史 以太網(wǎng)是在20世紀(jì)70年代由Xerox公司PaloAlto研究中心推出的。以太網(wǎng)最初被設(shè)計為使多臺計算機通過一根共享的同軸電纜進(jìn)行通信的局域網(wǎng)技術(shù)，隨后又逐漸擴展到包括雙絞線在內(nèi)的多種共享介質(zhì)。由于任意時刻只有一臺計算機能發(fā)送數(shù)據(jù)，所以共享通信介質(zhì)的多臺計算機之間必須使用某種共同的沖突避免機制，以協(xié)調(diào)介質(zhì)的使用，以太網(wǎng)通常采用CSMA/CD機制檢測沖突。 從拓?fù)浞矫鎭砜?，最初的以太網(wǎng)使用同軸電纜形成總線拓?fù)洌?/p>

6、隨即又出現(xiàn)了用集線器實現(xiàn)的星形結(jié)構(gòu)共享式以太網(wǎng)、用網(wǎng)橋（Bridge）實現(xiàn)的橋接式以太網(wǎng)和用以太網(wǎng)交換機實現(xiàn)的交換式以太網(wǎng)。 以太網(wǎng)的發(fā)展如圖4-1所示，從早期10Mbit/s的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)、100Mbit/s的快速以太網(wǎng)、1Gbit/s的吉比特以太網(wǎng)，一直到10Gbit/s的萬兆以太網(wǎng)，以太網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展，并形成一系列標(biāo)準(zhǔn)，已成為局域網(wǎng)技術(shù)的主流。圖4-1 以太網(wǎng)的發(fā)展4.1.3 以太網(wǎng)常見傳輸介質(zhì) 適用于以太網(wǎng)的有線介質(zhì)主要有同軸電纜、雙絞線和光纖3類。1同軸電纜 同軸電纜由內(nèi)、外兩部分同軸線的導(dǎo)體組成，所以稱為同軸電纜。在同軸電纜中，內(nèi)導(dǎo)體是一根導(dǎo)線，外導(dǎo)體是圓柱面，兩者之間有填充物，外導(dǎo)

7、體能夠屏蔽外界電磁場對內(nèi)導(dǎo)體中信號的干擾。 同軸電纜既可以用于基帶傳輸，又可以用于寬帶傳輸?；鶐鬏敃r只傳輸一路信號，而寬帶傳輸時則可以同時傳輸多路信號。用于局域網(wǎng)的同軸電纜都是基帶同軸電纜。 處于萌芽時期的以太網(wǎng)一般都使用同軸電纜作為傳輸介質(zhì)，常見的類型如下。 10BASE5，俗稱粗纜，如圖4-2所示，其最大傳輸距離為500m。 圖4-2 10BASE5 10BASE2，俗稱細(xì)纜，如圖4-3所示，其最大傳輸距離為185m。圖4-3 10BASE22雙絞線 雙絞線（Twisted Pair Cable）有8芯，由絞合在一起的4對導(dǎo)線組成，如圖4-4所示。導(dǎo)線之間的絞合減少了導(dǎo)線相互之間的電磁干

8、擾，并具有抗外界電磁干擾的能力。圖4-4 雙絞線 雙絞線電纜可以分為屏蔽雙絞線（STP）和非屏蔽雙絞線（UTP）兩類，如圖4-5與圖4-6所示。屏蔽雙絞線外面環(huán)繞著一圈保護(hù)層，即屏蔽層，有效減小了影響信號傳輸?shù)碾姶鸥蓴_，但相應(yīng)增加了成本。非屏蔽雙絞線沒有保護(hù)層，易受電磁干擾，但成本較低。非屏蔽雙絞線廣泛用于星形拓?fù)涞囊蕴W(wǎng)。圖4-5 屏蔽雙絞線 圖4-6 非屏蔽雙絞線 雙絞線在制作過程中需要按照一定的標(biāo)準(zhǔn)排列線序，目前常用的線序標(biāo)準(zhǔn)為EIA/TIA568A和EIA/TIA568B，這兩種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了不同線芯與水晶頭管腳的對應(yīng)關(guān)系，如果定義管腳編號為18，則標(biāo)準(zhǔn)EIA/TIA568A的線序為白/綠

9、、綠、白/橙、藍(lán)、白/藍(lán)、橙、白/棕、棕，標(biāo)準(zhǔn)EIA/TIA568B的線序為白/橙、橙、白/綠、藍(lán)、白/藍(lán)、綠、白/棕、棕，如圖4-7所示。圖4-7 雙絞線標(biāo)準(zhǔn) 根據(jù)一根線纜兩端執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)是否一致，雙絞線可分為直連網(wǎng)線（兩端線序標(biāo)準(zhǔn)一致）和交叉網(wǎng)線（兩端線序標(biāo)準(zhǔn)不一致）。 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備端口分MDI（Medium Dependent Interface）和MDIX兩種。一般路由器的以太網(wǎng)端口、主機的NIC（Network Interface Card）端口類型為MDI，交換機的端口類型為MDI或MDIX，集線器的端口類型為MDIX。直連網(wǎng)線用于連接MDI和MDIX，交叉網(wǎng)線用于連接MDI和MDI或M

10、DIX和MDIX，如表4-1所示。 主 機路由器交換機DIX交換機MDIHub主機交叉交叉直連N/A直連路由器交叉交叉直連N/A直連交換機MDIX直連直連交叉直連交叉交換機MDIN/AN/A直連交叉直連Hub直連直連交叉直連交叉表4-1 設(shè)備連接方法3光纖 光纖的全稱為光導(dǎo)纖維，如圖4-8所示。對于計算機網(wǎng)絡(luò)而言，光纖具有無可比擬的優(yōu)勢。光纖由纖芯、包層及護(hù)套組成。纖芯由玻璃或塑料制成；包層則是玻璃材質(zhì)的，使光信號可以反射回去，沿著光纖傳輸；護(hù)套則由塑料制成，用于防止外界的傷害和干擾。圖4-8 光纖 根據(jù)光在光纖中的傳輸模式，光纖可分為單模光纖和多模光纖。單模光纖：纖芯較細(xì)，芯徑一般為9m或1

11、0m，只能傳輸一種模式的光。其色散很小，適用于遠(yuǎn)程通信。多模光纖：纖芯較粗，芯徑一般為50m或62.5m，可傳輸多種模式的光。其色散較大，一般用于短距離通信。4.2 以太網(wǎng)原理4.2.1 MAC地址 IEEE將局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層劃分為邏輯鏈路控制層（Logical Link Control，LLC）和介質(zhì)訪問控制層（Medium Access Control，MAC）兩個子層。 LLC子層實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層與硬件無關(guān)的功能，如流量控制、差錯恢復(fù)等；MAC子層提供LLC子層和物理層之間的端口，不同局域網(wǎng)的MAC層不同，LLC子層相同。 LLC子層負(fù)責(zé)識別協(xié)議類型，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，以便通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳

12、輸。為了區(qū)別網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)類型，實現(xiàn)多種協(xié)議復(fù)用鏈路，LLC用服務(wù)訪問點（Service Access Point，SAP）標(biāo)識上層協(xié)議。 LLC包括源服務(wù)訪問點（Source Service Access Point，SSAP）和目的服務(wù)訪問點（Destination Service Access Point，DSAP）兩個服務(wù)訪問點，分別用于標(biāo)識發(fā)送方和接收方的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。 MAC子層可以提供物理鏈路的訪問，提供鏈路級的站點標(biāo)識及數(shù)據(jù)傳輸。MAC子層用MAC地址來唯一標(biāo)識一個站點。MAC地址有48bit，通常轉(zhuǎn)換成12位的十六進(jìn)制數(shù)，有時也稱為點分十六進(jìn)制數(shù)。這個數(shù)分成3組，每組有4個數(shù)字，中

13、間以點分開，如00e0.fc0l.9942。它一般燒入NIC（網(wǎng)絡(luò)端口控制器）中。為了確保MAC地址的唯一性，IEEE對這些地址進(jìn)行管理。每個地址由兩部分組成，分別是供應(yīng)商代碼和序列號。供應(yīng)商代碼代表NIC制造商的名稱，它占用MAC的前六位十六進(jìn)制數(shù)字，即24bit二進(jìn)制數(shù)字。序列號由設(shè)備供應(yīng)商管理，它占用剩余的6位地址，即最后的24bit二進(jìn)制數(shù)字，如圖4-9所示。華為品牌網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的MAC地址的前六位十六進(jìn)制數(shù)是0 x00e0fc。圖4-9 MAC地址 在具體應(yīng)用中，常見的特殊MAC地址包括廣播MAC地址和多播MAC地址。如果48位全是1，則該地址是廣播MAC地址。如果第8位是1，則表示該地

14、址是多播MAC地址。在目的地址中，地址的第8位為1時表明該幀將要發(fā)送給一組站點，為0時表明該幀將要發(fā)送給單個站點。在源地址中，第8位必須為0，因為一個幀是不會從一組站點發(fā)出的。4.2.2 以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu) 在以太網(wǎng)的發(fā)展歷程中，以太網(wǎng)的幀格式出現(xiàn)過多個版本。不過，目前正在應(yīng)用中的幀格式為DIX（Dec、Intel、Xerox）的Ethernet_II幀格式和IEEE的IEEE 802.3幀格式。1Ethernet_II幀格式 Ethernet_II幀格式由DEC、Intel和Xerox在1982年公布，由Ethernet_I修訂而來。Ethernet_II幀格式如圖4-10所示。DMACSMACT

15、ypeData/PADCRC2B6B6B461500B4B圖4-10 Ethernet_II幀格式（1）DMAC（Destination MAC）是目的地址，確定幀的接收者。（2）SMAC（Source MAC）是源地址，標(biāo)識發(fā)送幀的工作站。（3）Type是類型字段，用于標(biāo)識數(shù)據(jù)字段中包含的高層協(xié)議，該字段取值大于1500。在以太網(wǎng)中，多種協(xié)議可以在局域網(wǎng)中同時共存。因此，在Ethernet_II的類型字段中設(shè)置相應(yīng)的十六進(jìn)制值可提供在局域網(wǎng)中支持多協(xié)議傳輸?shù)臋C制。類型字段取值為0800的幀代表IP幀。類型字段取值為0806的幀代表ARP幀。類型字段取值為8035的幀代表RARP幀。類型字段取

16、值為8137的幀代表IPX和SPX幀。（4）Data是數(shù)據(jù)字段，表明幀中封裝的具體數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)字段的最小長度必須為46B，以保證幀長至少為64B，這意味著傳輸1B信息也必須使用46B的數(shù)據(jù)字段。如果該字段的信息少于46B，該字段的其余部分也必須進(jìn)行填充。數(shù)據(jù)字段的最大長度為1500B。（5）CRC（Cyclic Redundancy Check）為循環(huán)冗余校驗字段，提供了一種錯誤檢測機制。每一個發(fā)送器都計算一個包括地址字段、類型字段和數(shù)據(jù)字段的CRC碼，然后將計算出的CRC碼填入4B的CRC字段。2IEEE 802.3幀格式 IEEE 802.3幀格式由Ethernet_II幀格式發(fā)展而來。它將

17、Ethernet_II幀的Type字段用Length字段取代，并且占用了Data字段的8B作為LLC字段和SNAP字段，如圖4-11所示。圖4-11 IEEE 802.3幀格式（1）Length字段定義了Data字段包含的字節(jié)數(shù)。該字段取值小于或等于1500（大于1500時的幀格式為Ethernet_II）。（2）LLC（Logical Link Control）字段由DSAP（目的服務(wù)訪問點）、SSAP（源服務(wù)訪問點）和CTRL字段組成。（3）SNAP（Sub-network Access Protocol）由Org Code（機構(gòu)代碼）和Type（類型）字段組成。Org Code的3個字節(jié)

18、都為0。Type字段的含義與Ethernet_II幀中的Type字段相同。 其他字段與Ethernet_II幀的字段含義相同。4.3 共享式以太網(wǎng)工作原理 同軸電纜是以太網(wǎng)發(fā)展初期所使用的連接線纜。通過同軸電纜連接起來的設(shè)備共享信道，即在每一個時刻，只能有一臺終端主機發(fā)送數(shù)據(jù)，其他終端處于偵聽狀態(tài)，不能夠發(fā)送數(shù)據(jù)。這種情況下，網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備共享同軸電纜的總線帶寬。早期的網(wǎng)絡(luò)都是通過集線器連接形成共享式以太網(wǎng)，每個時刻只能有一個端口在發(fā)送數(shù)據(jù)。集線器把從一個端口接收到的比特流從其他所有端口轉(zhuǎn)發(fā)出去，如圖4-12所示。 用集線器連接的所有站點處于一個沖突域之中，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有兩個或多個站點同時進(jìn)行數(shù)

19、據(jù)傳輸時，將會產(chǎn)生沖突。圖4-12 集線器工作過程示意圖 共享式以太網(wǎng)利用帶沖突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection，CSMA/CD）機制來檢測及避免沖突，工作過程如下。（1）發(fā)前先聽：發(fā)送數(shù)據(jù)前先檢測信道是否空閑。如果空閑，則立即發(fā)送；如果繁忙，則等待。（2）邊發(fā)邊聽：在發(fā)送數(shù)據(jù)的過程中，不斷檢測是否發(fā)生沖突。通過檢測線路上的信號是否穩(wěn)定判斷是否沖突。（3）遇沖退避：如果檢測到?jīng)_突，立即停止發(fā)送，等待一個隨機時間（稱為退避）。（4）重新嘗試：隨機時間結(jié)束后，重新發(fā)送嘗試。 由集線器和中繼器組建的以太網(wǎng)實質(zhì)是

20、一種傳統(tǒng)的共享式以太網(wǎng)，存在的缺陷包括沖突嚴(yán)重、廣播泛濫、無任何安全性。4.4 交換式以太網(wǎng)工作原理 交換式以太網(wǎng)的出現(xiàn)有效地解決了共享式以太網(wǎng)的缺陷，它大大減小了沖突域的范圍，顯著提升了網(wǎng)絡(luò)的性能，并加強了網(wǎng)絡(luò)的安全性。 目前在交換式以太網(wǎng)中經(jīng)常使用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是交換機和網(wǎng)橋，本書不嚴(yán)格區(qū)分交換機與網(wǎng)橋，因為從某種意義上說，交換機就是網(wǎng)橋。 交換機與集線器一樣同為具有多個端口的轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，在各個終端主機之間進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。但相對于集線器的單一沖突域，交換機通過隔離沖突域，使得終端主機可以獨占端口的帶寬，并實現(xiàn)全雙工通信，所以交換式以太網(wǎng)的交換效率大大高于共享式以太網(wǎng)。 交換機有3個主要功能，分別是

21、地址學(xué)習(xí)、轉(zhuǎn)發(fā)/過濾和環(huán)路避免。通常，交換機的3個主要功能在網(wǎng)絡(luò)中是同時起作用的。交換機內(nèi)維護(hù)著一張表，該表為MAC地址表，記錄了相連設(shè)備的MAC地址、端口號及所屬的VLAN ID之間的對應(yīng)關(guān)系，如圖4-13所示。 在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時，交換機根據(jù)報文中的目的MAC地址和VLAN ID查詢MAC地址表，快速定位出端口，從而減少廣播。 設(shè)備在轉(zhuǎn)發(fā)報文時，根據(jù)MAC地址表項信息，交換機會采取單播方式或廣播方式。當(dāng)MAC地址表中包含與報文目的MAC地址對應(yīng)的表項時，交換機采用單播方式直接將報文從該表項中的轉(zhuǎn)發(fā)出端口發(fā)送。當(dāng)設(shè)備收到的報文為廣播報文、多播報文或MAC地址表中沒有包含對應(yīng)報文目的MAC地址的表項

22、時，交換機將采取廣播方式將報文向除接收端口外同一VLAN內(nèi)的所有端口轉(zhuǎn)發(fā)。圖4-13 MAC地址表 交換機基于目標(biāo)MAC地址做出轉(zhuǎn)發(fā)決定，所以它必須獲取MAC地址的位置，這樣才能準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)交換機與物理網(wǎng)段連接時，它會對它監(jiān)測到的所有幀進(jìn)行檢查，如圖4-14所示，交換機讀取幀的源MAC地址字段后與接收端口關(guān)聯(lián)，并記錄到MAC地址表中。A：00d0.d001.1111C：00d0.d001.2222B：00d0.d001.3333D：00d0.d001.4444E0E1E2E3MAC 地址表圖4-14 交換機工作過程（1） 由于MAC地址表是保存在交換機的內(nèi)存之中的，所以當(dāng)交換機啟動時MAC地址表是空的。此時，若工作站A給工作站C發(fā)送一個單播數(shù)據(jù)幀，交換機會通過E0端口收到這個數(shù)據(jù)幀，讀取出幀的源MAC地址后將工作站A的MAC地址與E0端口關(guān)聯(lián)，并記錄到MAC地址表