华为数通原理参考教材卷一(交换、广域网和路由).doc

特性描述 局域网与城域网接入
表格目录

目 录
1 以太网 1-1
1.1 以太网的起源 1-2
1.2 以太网的物理层 1-2
1.2.1 以太网的线缆标准简介 1-2
1.2.2 CSMA/CD 1-4
1.2.3 最小帧长与最大传输距离 1-5
1.2.4 以太网的双工模式 1-5
1.2.5 以太网的自动协商 1-6
1.2.6 HUB 1-7
1.3 以太网的数据链路层 1-9
1.3.1 以太网链路层的分层结构 1-9
1.3.2 MAC子层 1-9
1.3.3 以太网帧结构 1-11
1.3.4 LLC子层 1-13
1.3.5 以太网交换机 1-13
1.4 以太网的发展 1-15
1.4.1 共享式以太网 1-15
1.4.2 交换式以太网 1-15
1.4.3 1000M以太网和10G以太网 1-16
1.5 以太网的应用 1-17
1.5.1 计算机互连 1-17
1.5.2 高速网络设备之间互连 1-17
1.5.3 城域网中用户接入的手段 1-17
1.6 参考资料清单 1-17
2 VLAN 2-19
2.1 VLAN简介 2-20
2.1.1 VLAN的引入 2-20
2.1.2 VLAN的划分 2-22
2.1.3 VLAN帧格式 2-23
2.1.4 VLAN的基本概念 2-24
2.2 VLAN内通信过程 2-26
2.2.1 VLAN基本通信原理 2-26
2.2.2 VLAN跨越交换机通信原理 2-27
2.3 VLAN间通信原理 2-29
2.3.1 二层交换机＋路由器 2-29
2.3.2 三层交换机 2-29
2.4 VLAN Aggregation 2-30
2.4.1 VLAN aggregation原理 2-30
2.4.2 VLAN aggregation的优点 2-31
2.5 VLAN Stacking 2-31
2.6 VLAN Mapping 2-31
2.7 VLAN Damping 2-32
2.8 VLAN的应用 2-33
2.8.1 基于端口的VLAN划分 2-33
2.8.2 VLAN Trunk的应用 2-33
2.8.3 VLAN间互通应用 2-34
2.8.4 VLAN Aggregation的应用 2-35
2.9 参考资料清单 2-36
3 MSTP 3-37
3.1 MSTP的引入 3-38
3.1.1 STP 3-38
3.1.2 RSTP 3-38
3.1.3 MSTP 3-39
3.1.4 三种生成树协议的比较 3-40
3.2 MSTP的基本概念 3-41
3.2.1 MSTP的网络层次 3-41
3.2.2 MSTP网络 3-42
3.2.3 MST Region 3-43
3.2.4 MSTI 3-45
3.2.5 端口角色 3-45
3.2.6 端口状态 3-48
3.3 MSTP报文格式 3-48
3.4 MSTP的拓扑计算 3-52
3.4.1 优先级向量 3-52
3.4.2 CIST的计算 3-54
3.4.3 MSTI的计算 3-54
3.4.4 生成树算法实现 3-54
3.4.5 MSTP对拓扑变化的处理 3-55
3.5 MSTP的快速收敛机制 3-55
3.5.1 Proposal/Agreement机制 3-55
3.5.2 根端口快速切换机制 3-56
3.5.3 边缘端口 3-56
3.6 MSTP的保护功能 3-56
3.6.1 BPDU保护 3-57
3.6.2 Root保护 3-57
3.6.3 环路保护 3-57
3.7 BPDU TUNNEL 3-57
3.8 MSTP的应用 3-58
3.8.1 MSTP的典型应用 3-59
3.8.2 BPDU TUNNEL的应用 3-59
3.9 参考资料清单 3-60
4 PPP和MP 4-60
4.1 PPP和MP简介 4-62
4.1.1 PPP的引入 4-62
4.1.2 PPP的简介 4-63
4.1.3 PPP的基本构架 4-63
4.1.4 PPP报文格式 4-64
4.1.5 MP简介 4-67
4.2 PPP的运行过程 4-67
4.2.1 PPP的协商过程 4-68
4.2.2 PPP的PAP验证协议 4-70
4.2.3 PPP的CHAP验证协议 4-74
4.3 PPP的报文压缩 4-79
4.4 MP的实现方式 4-79
4.4.1 MP-group 4-79
4.4.2 虚拟接口模板VT（Virtual-Template） 4-79
4.5 MP的协商过程 4-80
4.6 参考资料清单 4-80
5 PPPoE 5-81
5.1 PPPoE简介 5-82
5.1.1 PPPoE的引入 5-82
5.1.2 PPPoE简介 5-82
5.1.3 PPPoE的数据帧 5-83
5.2 Discovery阶段 5-84
5.2.1 Discovery阶段简介 5-84
5.2.2 PADI数据包 5-89
5.2.3 PADO数据包 5-89
5.2.4 PADR数据包 5-90
5.2.5 PADS数据包 5-90
5.2.6 PADT数据包 5-90
5.3 PPP会话阶段 5-91
5.4 PPPoE注意事项 5-91
5.4.1 LCP方面 5-92
5.4.2 安全方面 5-92
5.4.3 其它方面 5-92
5.5 PPPoE的应用 5-93
5.6 参考资料清单 5-93
6 HDLC 6-94
6.1 HDLC简介 6-95
6.1.1 数据链路控制协议 6-95
6.1.2 HDLC的引入 6-95
6.1.3 HDLC的特点 6-96
6.2 HDLC的操作方式 6-96
6.2.1 HDLC操作方式简介 6-96
6.2.2 HDLC常用的操作方式 6-97
6.3 HDLC的帧格式 6-98
6.4 HDLC的帧类型 6-99
6.4.1 控制字段帧格式 6-100
6.4.2 信息帧 6-100
6.4.3 监控帧 6-100
6.4.4 无编号帧 6-101
6.5 HDLC的应用特点 6-101
6.5.1 应用场合 6-102
6.5.2 传输效率 6-102
6.5.3 传输可靠性 6-102
6.5.4 数据透明性 6-102
6.5.5 信息传输格式 6-102
6.5.6 链路控制 6-102
6.6 参考资料清单 6-102
7 帧中继 7-103
7.1 帧中继简介 7-104
7.1.1 帧中继的引入 7-104
7.1.2 帧中继协议简介 7-106
7.1.3 帧中继基本概念 7-107
7.1.4 MFR 7-110
7.2 帧中继在路由器协议栈中的位置 7-111
7.2.1 帧中继在整个软件体系结构中的位置 7-111
7.2.2 帧中继软件结构 7-111
7.3 帧中继帧格式 7-113
7.4 帧中继LMI协议 7-115
7.4.1 LMI协议简介 7-115
7.4.2 Q.933附录A 7-115
7.5 InARP协议介绍 7-119
7.6 帧中继子接口 7-121
7.6.1 帧中继子接口的引入 7-121
7.6.2 帧中继子接口的简介 7-122
7.7 帧中继接入 7-122
7.8 帧中继PVC交换 7-123
7.9 帧中继交换PVC备份 7-124
7.9.1 帧中继交换PVC备份的应用 7-124
7.9.2 帧中继交换PVC备份的实现 7-124
7.10 帧中继压缩 7-125
7.10.1 FRF.9压缩 7-126
7.10.2 帧中继IP头压缩 7-127
7.11 帧中继QoS 7-127
7.12 多链路帧中继捆绑（MFR） 7-129
7.13 参考资料清单 7-130
8 ATM 8-131
8.1 ATM简介 8-132
8.1.1 传统的交换技术 8-132
8.1.2 ATM协议简介 8-133
8.1.3 ATM的特点 8-133
8.1.4 ATM的发展和现状 8-135
8.2 ATM层次结构 8-135
8.3 ATM物理层 8-136
8.3.1 物理介质子层 8-137
8.3.2 传输汇聚子层 8-142
8.4 ATM层 8-142
8.4.1 ATM层的基本功能 8-143
8.4.2 ATM虚链路 8-143
8.4.3 VPI/VCI 8-144
8.4.4 ATM信元的转发 8-145
8.4.5 ATM信元头格式 8-145
8.4.6 ATM的网络接口 8-147
8.4.7 ATM OAM 8-148
8.5 ATM适配层 8-149
8.5.1 AAL的层次和作用 8-149
8.5.2 AAL类型 8-150
8.6 ATM地址和多协议封装 8-151
8.6.1 ATM地址 8-151
8.6.2 通过AAL5的多协议封装 8-152
8.7 ATM应用 8-155
8.7.1 IPoA 8-155
8.7.2 IPoEoA 8-156
8.7.3 PPPoA 8-157
8.7.4 PPPoEoA 8-159
8.8 参考资料清单 8-160
9 IP路由概述 9-161
9.1 路由概述 9-162
9.1.1 路由器 9-162
9.1.2 路由协议和被路由协议 9-162
9.1.3 路由表和FIB表 9-163
9.2 路由协议概述 9-166
9.2.1 静态路由与动态路由 9-167
9.2.2 动态路由协议的分类 9-167
9.2.3 路由协议及路由优先级 9-168
9.2.4 负载分担与路由备份 9-169
9.2.5 路由信息的共享 9-171
9.3 静态路由 9-171
9.3.1 静态路由的组成 9-171
9.3.2 静态路由的应用 9-172
9.4 缺省路由 9-174
10 RIP 10-175
10.1 RIP概述 10-176
10.1.1 RIP的版本 10-176
10.1.2 RIP对IPv6的支持 10-176
10.2 RIP原理简介 10-177
10.2.1 RIP的路由数据库 10-177
10.2.2 RIP定时器 10-177
10.3 RIP的报文格式 10-178
10.3.1 1RIP-1的报文格式 10-178
10.3.2 RIP-2的报文格式 10-179
10.3.3 RIP-2的验证报文格式 10-180
10.4 RIPng的报文格式 10-181
10.4.1 基本格式 10-181
10.4.2 RTE的格式 10-182
10.5 RIP协议的工作过程 10-184
10.5.1 RIP运行和路由计算的过程 10-184
10.5.2 RIP发送请求报文和响应报文 10-186
10.5.3 RIP报文的认证 10-186
10.5.4 RIPng报文处理过程 10-186
10.6 RIP的高级特性 10-187
10.6.1 路由聚合 10-187
10.6.2 触发更新 10-189
10.6.3 防止路由环路 10-189
10.6.4 多实例支持 10-191
10.7 参考信息 10-191
11 OSPF 11-192
11.1 OSPF概述 11-193
11.2 OSPF的基本概念 11-193
11.2.1 OSPF路由的计算过程 11-193
11.2.2 路由器ID号 11-194
11.2.3 OSPF的协议报文 11-194
11.2.4 LSA的类型 11-194
11.3 OSPF的报文格式 11-195
11.3.1 报文头格式 11-195
11.3.2 Hello报文 11-196
11.3.3 DD报文 11-197
11.3.4 LSR报文 11-199
11.3.5 LSU报文 11-199
11.3.6 LSAck报文 11-200
11.4 OSPF的LSA类型 11-201
11.4.1 LSA头部信息 11-201
11.4.2 Router LSA 11-202
11.4.3 Network LSA 11-203
11.4.4 Summary LSA 11-204
11.4.5 AS-External LSA 11-206
11.5 OSPF的区域 11-207
11.5.1 OSPF区域的划分 11-207
11.5.2 骨干区域 11-208
11.5.3 虚连接 11-208
11.5.4 Stub区域 11-209
11.5.5 NSSA区域 11-209
11.5.6 各区域特性 11-210
11.6 路由器的类型 11-211
11.6.1 路由器的分类 11-211
11.6.2 路由聚合 11-212
11.6.3 路由类型 11-212
11.7 OSPF的网络类型 11-213
11.7.1 OSPF支持的网络类型 11-213
11.7.2 DR和BDR 11-213
11.7.3 DR/BDR的选举过程 11-214
11.7.4 NBMA网络的配置原则 11-215
11.8 OSPF的邻接关系 11-215
11.8.1 邻居和邻接 11-215
11.8.2 邻接关系的建立过程 11-215
11.9 缺省路由 11-220
11.9.1 OSPF发布缺省路由的基本原则 11-220
11.9.2 不同区域缺省路由的发布 11-220
11.10 OSPFv3 11-221
11.10.1 OSPFv3概述 11-221
11.10.2 OSPFv3的协议报文 11-222
11.10.3 OSPFv3的LSA类型 11-222
11.11 VRP支持的OSPF其他特性 11-223
11.11.1 多进程 11-223
11.11.2 验证功能 11-223
11.11.3 热备份和Graceful Restart 11-223
11.11.4 OSPF TE与DS-TE 11-224
11.11.5 IGP Shortcut和邻接转发Forwarding Adjacency 11-224
11.11.6 OSPF VPN多实例 11-224
11.11.7 OSPF伪连接 11-225
11.12 参考信息 11-225
12 IS-IS 12-226
12.1 IS-IS基本概念 12-227
12.1.1 IS-IS地址结构 12-227
12.1.2 IS-IS协议地址结构 12-228
12.2 IS-IS的PDU格式 12-230
12.2.1 PDU头格式 12-230
12.2.2 通用报头格式 12-230
12.2.3 Hello报文格式 12-232
12.2.4 LSP报文格式 12-233
12.2.5 SNP格式 12-235
12.2.6 CLV 12-237
12.3 IS-IS区域 12-238
12.3.1 两级结构 12-238
12.3.2 接口的Level级别 12-240
12.3.3 路由渗透 12-240
12.4 IS-IS的网络类型 12-241
12.4.1 网络类型 12-241
12.4.2 DIS和伪节点 12-242
12.5 IS-IS邻接关系的建立 12-242
12.5.1 广播链路邻接关系的建立 12-243
12.5.2 点到点链路邻接关系的建立 12-244
12.5.3 IS-IS邻接关系建立的基本原则 12-244
12.6 IS-IS的LSP交互过程 12-244
12.6.1 LSP 12-244
12.6.2 IS-IS数据库在广播链路上的同步过程 12-246
12.6.3 IS-IS数据库在点到点链路上的同步过程 12-247
12.6.4 Mesh Group 12-248
12.7 IS-IS对IPv6的支持 12-248
12.8 VRP支持的IS-IS其他特性 12-249
12.8.1 多实例和多进程 12-249
12.8.2 热备份 12-249
12.8.3 IS-IS TE 12-249
12.8.4 管理标记 12-249
12.8.5 LSP分片扩展 12-250
12.8.6 动态主机名交换机制 12-250
12.8.7 IS-IS快速收敛 12-251
12.8.8 BFD for IS-IS 12-252
12.9 参考资料清单 12-252
13 BGP 13-254
13.1 BGP简介 13-255
13.1.1 BGP概述 13-255
13.1.2 BGP应用场景 13-257
13.1.3 BGP处理过程 13-257
13.1.4 BGP消息 13-258
13.1.5 BGP邻居状态机 13-264
13.2 BGP属性 13-264
13.2.1 BGP属性的分类 13-264
13.2.2 Origin属性 13-265
13.2.3 AS_Path属性 13-265
13.2.4 Next_Hop属性 13-269
13.2.5 MED 13-271
13.2.6 Local_Pref属性 13-272
13.2.7 Community属性 13-273
13.2.8 其它属性 13-274
13.3 BGP的选路规则 13-275
13.3.1 BGP选择路由的策略 13-275
13.3.2 应用BGP负载分担时的选路策略 13-276
13.3.3 BGP发布路由的策略 13-276
13.3.4 IBGP和IGP同步 13-277
13.4 大规模BGP网络所遇到的问题 13-277
13.4.1 路由聚合 13-277
13.4.2 对等体组 13-278
13.4.3 团体 13-278
13.4.4 路由反射器 13-278
13.4.5 联盟 13-283
13.4.6 BGP衰减 13-284
13.5 MP-BGP 13-285
13.5.1 MP-BGP概述 13-285
13.5.2 MP-BGP的扩展属性 13-286
13.6 BGP Accounting 13-289
13.7 参考资料清单 13-289
14 路由策略 14-290
14.1 路由策略简介 14-291
14.1.1 路由策略 14-291
14.1.2 路由策略与策略路由的区别 14-291
14.2 过滤器 14-292
14.2.1 简介 14-292
14.2.2 过滤器的比较 14-293
14.3 地址前缀列表 14-294
14.3.1 地址前缀列表的组成 14-294
14.3.2 地址前缀列表的匹配规则 14-295
14.3.3 地址前缀列表的应用 14-296
14.4 Route-Policy 14-297
14.4.1 Route-Policy的组成 14-297
14.4.2 Route-Policy的匹配规则 14-298
14.4.3 Route-Policy应用简介 14-300
14.4.4 应用路由策略过滤特定路由 14-302
14.4.5 应用路由策略实现OSPF透传 14-304
14.5 路由FRR 14-305
14.5.1 路由FRR简介 14-305
14.5.2 路由FRR实现 14-305
14.5.3 路由FRR分类 14-306
14.5.4 路由FRR应用 14-306

文档版本 01 (2006-12-08)
华为技术有限公司
14-307

插图目录
图1-1 脉冲插入示意图 1-7
图1-2 HUB工作模型 1-8
图1-3 HUB的工作原理图 1-8
图1-4 以太网链路层的分层结构 1-9
图1-5 Ethernet_II的帧结构 1-11
图1-6 IEEE802.3的帧结构 1-12
图1-7 以太网交换机内部结构示意图 1-14

表格目录
表1-1 10兆以太网线缆标准 1-3
表1-2 快速兆以太网线缆标准 1-3
表1-3 千兆以太网线缆标准 1-4

特性描述 局域网与城域网接入
14 路由策略

1 以太网
关于本章
本章描述内容如下表所示。
标题
内容
1.1 以太网的
介绍了以太网的起源。
1.2 以太网的物理层
介绍了以太网物理层的线缆、设备和技术等。
1.3 以太网的数据链路层
介绍了以太网数据链路层的技术、设备等。
1.4 以太网的发展
介绍了以太网的发展过程。
1.5 以太网的应用
介绍了以太网的组网应用。
1.6 参考资料清单
列出以太网涉及的系列标准。

1.1 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（Digital Equipment Corporation）、Intel和Xerox组成的DIX（DEC-Intel-Xerox）联盟开发并于1982年发布的10 Mb/s的以太网标准。而IEEE 802.3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RFC 894定义，IEEE802.3网络的IP数据报文封装由RFC 1042定义。当今最常使用的封装格式是RFC894定义的格式，通常称为Ethernet II或者Ethernet DIX。

为区别两种帧，本文以Ethernet II称呼RFC 894定义的以太帧，以IEEE802.3称呼RFC 1042定义的以太帧。
1.2 以太网的物理层
本节包含以下内容：
l 以太网的线缆标准简介
l CSMA/CD
l 最小帧长与最大传输距离
l 以太网的双工模式
l 以太网的自动协商
l HUB
1.2.1 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：
l 10BASE-2
l 10BASE-5
l 10BASE-T
l 10BASE-F
l 100BASE-T4
l 100BASE-TX
l 100BASE-FX
l 1000BASE-SX
l 1000BASE-LX
l 1000BASE-CX
l 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，线缆类型如表1-1所示。
表1-1 10兆以太网线缆标准
名称
电缆
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（Fast Ethernet），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表1-2所示。
表1-2 快速兆以太网线缆标准
名称
线缆
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表1-3所示。
表1-3 千兆以太网线缆标准
名称
线缆
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。
1.2.2 CSMA/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（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection）。
我们可以从以下三点来理解CSMA/CD：
l 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。
l 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。
l 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：
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。
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。
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。
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。
1.2.3 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。
1.2.4 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：
l 任意时刻只能接收数据或者发送数据。
l 采用CSMA/CD访问机制。
l 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：
l 同一时刻可以接收和发送数据。
l 最大吞吐量达双倍速率。
l 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。
1.2.5 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：
l 百兆以太网标准：IEEE 802.3u
IEEE 802.3u规范将自协商作为可选功能。
l 千兆以太网标准：IEEE 802.3z
IEEE 802.3z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（Fast Link Pulse），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。如图1-4所示。
图1-4 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：
l 1000M全双工
l 1000M半双工
l 100M全双工
l 100M半双工
l 10M全双工
l 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。
1.2.6 HUB
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工作模型如图1-5所示。
图1-5 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。
图1-6 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。
l 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。
l 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。
1.3 以太网的数据链路层
本节介绍以下内容：
l 以太网链路层的分层结构
l MAC子层
l 以太网帧结构
l LLC子层
l 以太网交换机
1.3.1 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：
l 在半双工模式下采用的是CSMA/CD的访问方式。
l 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。如图1-7所示。
图1-7 以太网链路层的分层结构

1.3.2 MAC子层
MAC子层的功能简介
MAC（Media Access Control）子层负责完成下列任务：
l 提供物理链路的访问。
l 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。
l 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：
l 半双工MAC：物理层运行模式是半双工时提供访问。
l 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（Organizationally Unique Identifier）。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：
l 物理MAC地址
这种类型的MAC地址唯一的标识了以太