以太网技术基础.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,Page,*,Page,*,以太网技术基础,编制 刘 俊,审核 代谢寅,版本,V2.0,课程目标,了解以太网的几个发展阶段,熟悉二层交换的基本原理,了解,VLAN,的定义及其结构和作用,课程内容,以太网的发展,二层交换的基本原理,VLAN(802.1Q),“,以太网,”,是,Ethernet,的中译名，是在二十世纪七十年代由施乐（,Xerox,）公司的,Palo Alto,研究中心（,PARC,）开发的,是一种广泛使用的局域网技术,以太网是由,IEEE 802.3,标准来规定的,传输介质,粗缆,细缆,双绞线,(UTP5,：直连,/,交叉）,光纤,无线,以太网基本概念,共享：,共享总线型以太网，同一网段上的计算机共享一条通信总线。,广播：,网段上的某一计算机发送的数据，会以广播方式发送出去，同一网段上的其它所有计算机都会接收到，但只有目的计算机才会处理这个数据。,冲突：,当两台计算机同时发送数据时，会产生冲突。因此，同一时刻只允许一台计算机发送数据，效率较低。,传统以太网基本特征,共享式以太网,网络中所有主机的收发都依赖于同一套物理介质，即共享介质。,同一时刻只能有一台主机在发送，各主机通过遵循,CSMA/CD,规则来保证网络的正常通讯。,发送,监听,监听,监听,交换式以太网,扩展了网络带宽。,分割了网络冲突域，使得网络冲突被限制在最小的范围内。,交换机作为更加智能的交换设备，能够提供更多用户所要求的功能：优先级、虚拟网、远程检测,交换矩阵,发送,发送,接收,接收,以太网技术的进一步发展,以太网速度的迅速提高,从,10Mbps,向,100Mbps,、,1000Mbps,过渡，并进一步向,10000Mbps,过渡。,VLAN,技术使得以太网的应用日趋灵活。,优先级，组播，三层交换，,P-VLAN,，,S-VLAN.,传输技术的迅猛发展使得以太网技术从局域网走向广域网。,Ethernet Over SDH,，,QinQ,.,课程内容,以太网的发展,二层交换的基本原理,VLAN(802.1Q),相当于一个多口的中继器或一条共享的总线,集线器是物理层的设备，它对发来的信号不作任何逻辑处理。,集线器的功能主要有两个：,将每个端口接收到的信号放大后发给其它所有的端口，以此来扩展网络的直径；,适应结构化布线的需要。,冲突域,集线器,交换机是一种基于,MAC,地址识别，能完成封装转发数据包功能的网络设备。,交换机可以,“,学习,”,MAC,地址，并把其存放在内部地址表中，通过在数据帧的始发者和目标接收者之间建立临时的交换路径，使数据帧直接由源地址到达目的地址。,交换机可以检查每一个收到的数据包，并对数据包进行相应的处理，减少误包和错包的出现,避免了冲突的发生,冲突域,冲突域,交换机,二层交换设备,ASIC-Application Specific Integrated Circuit,L2FDB,Layer 2 Forwarding Database,二层交换机工作模型,检测从端口接收的数据包的源和目的地的,MAC,（介质访问层）地址,与系统内部的动态查找表进行搜索，将数据包发送给相应的目的端口，如果数据包的源地址不在地址表中，则自动学习；如果数据包的目的地址不在地址表中，则作为,Unknown,数据包处理。,二层以太网交换机的基本工作过程,存储转发：,从接收端口接收数据包，将其存储在缓存中并进行,CRC,检查，对错误包进行处理后再从相应的端口发送出去。,直通方式：,获取包的目的地址后即进行相应转发,地址学习：,交换机自动的读取数据包的源,MAC,地址，然后将数据包的输入端口号和源,MAC,地址一起写入端口,-,地址对应表中。,包过滤：,包过滤是交换机的重要功能之一，交换机接收到数据包后，检测数据包的长度、校验和等信息，将非法的和校验和错误的数据包丢弃，不再发送。,以太网交换机的几个重要概念,通过目的,MAC,进行数据转发,MAC,地址,所在端口,MACA,1,MACB,1,MACC,2,MACD,2,MACD,MACA,.,端口1,MACD,MACA,.,端口2,二层交换机的操作,：,查MAC转发表处理转发,对于表中不包含的地址，通过,泛洪的方式转发,一般不对帧格式进行修改,基于源,MAC,进行地址学习,A,B,C,PORT1,PORT2,D,L2 Switch,MAC,地址,端口号,MACA,1,MACB,3,MACC,2,MACD,4,使用,MAC,地址自动学习和老化机制对,MAC,地址表进行维护。,PORT3,PORT4,二层交换机工作原理,接收网段上的所有数据帧,；,利用接收数据帧中的源MAC地址来建立MAC地址表（源地址自学习,），,使用地址老化机制进行地址表维护,；,在MAC地址表中查找数据帧中的目的MAC地址，如果找到就将该数据帧发送到相应的端口（不包括源端口,）；,如果找不到，就向所有的端,口泛洪（,不包括源端口,）；,向所有端口,泛洪广播帧和组播帧（,不包括源端口,）。,地址学习,Initial MAC address table is empty,MAC address table,0260.8c01.1111,0260.8c01.2222,0260.8c01.3333,0260.8c01.4444,E0,E1,E2,E3,A,B,C,D,Station A sends a frame to Station C,Switch caches station A MAC address to port E0 by learning the source address of data frames,The frame from station A to station C is flooded out to all ports except port E0(unknown unicasts are flooded),MAC address table,0260.8c01.1111,0260.8c01.2222,0260.8c01.3333,0260.8c01.4444,E0:0260.8c01.1111,E0,E1,E2,E3,D,C,B,A,地址学习（续）,二元组（端口号，,MAC,地址）,Station D sends a frame to station C,Switch caches station D MAC address to port E3 by learning the source Address of data frames,The frame from station D to station C is flooded out to all ports except port E3(unknown unicasts are flooded),MAC address table,0260.8c01.1111,0260.8c01.2222,0260.8c01.3333,0260.8c01.4444,E0:0260.8c01.1111,E3:0260.8c01.4444,E0,E1,E2E3,D,C,A,B,地址学习（续）,Station A sends a frame to station C,Destination is known,frame is not flooded,E0:0260.8c01.1111,E2:0260.8c01.2222,E1:0260.8c01.3333,E3:0260.8c01.4444,0260.8c01.1111,0260.8c01.2222,0260.8c01.3333,0260.8c01.4444,E0,E1,E2,E3,X,X,D,C,A,B,MAC address table,目的地址在,MAC,地址表中,地址学习与转发,MAC,地址的学习与老化,含某一源,MAC,地址的帧进入交换机的瞬间，交换机学习到该,MAC,地址，并开始进入老化周期；,针对帧的源,MAC,地址,MAC,地址表深度,/MAC,地址表学习速度,后续每一个含相同源,MAC,地址的帧进入交换机后都重新刷新,MAC,地址表，并重新开始老化周期；,进入老化周期后，若在整个周期内都没有含相同源,MAC,地址的帧进入，则该,MAC,地址将从,MAC,地址表中删除，发往该地址的帧将被以泛洪（,Flood,）处理,泛洪（,Flood,）：如果在,MAC,地址表中没有相应的匹配项,则在本广播域内向除接收端口外的所有端口广播该数据帧,泛洪操作广播的是普通数据帧而不是广播帧,地址学习与转发,MAC,地址表与数据帧的转发,将收到的广播帧，向广播域中除源端口外的其它所有端口转发,根据帧的宿,MAC,地址查找,MAC,地址表,不向源端口转发,MAC,表中找不到则向其它所有端口转发,收到组播帧，向广播域中除源端口外的属于组成员的其它所有端口转发,收到单播帧，若其目的,MAC,不在,MAC,地址表中，泛洪处理,收到单播帧，若（在,MAC,表中）其目的,MAC,与源,MAC,不在同一冲突域，向指定端口转发,收到单播帧，若（在,MAC,表中）其目的,MAC,与源,MAC,在同一冲突域，丢弃该帧,地址学习与转发,交换机,A,B,C,一个实例：,PING,过程,C,终端回应,ICMP,回应报文（单播）,(,交换机查找,MAC,表进行转发,),1,2,3,A,终端发送,ARP,请求报文（广播）,(,交换机从端口,1,学习到终端,A,的,MAC),C,终端回应,ARP,应答报文（单播）,(,交换机从端口,3,学习到终端,C,的,MAC,并根据上一步的学习结果进行转发,),A,终端发送,ICMP,请求报文（单播）,(,交换机查找,MAC,表进行转发,),10.21.24.44,10.21.8.8,（同一网段内）,跨网段的,PING,过程,?,交换机的主要功能包括物理编址、监测网络拓扑结构、错误校验、数据转发等。,目前交换机还具备了一些新的功能。,流量控制能力,(IEEE 802.3x),VLAN,（,IEEE 802.1Q,）,端口汇聚,Trunking,（,IEEE 802.3ad,）,生成树,STP(IEEE 802.1D),组播,IGMP SNOOPING,端口镜像,端口绑定,以太网交换机的主要功能,端口汇聚,端口汇聚（,TRUNK,）,交换机,A,交换机,B,通过配置软件的设置，将,2,个或多个物理端口组合在一起成为一条逻辑的路径，以增加在交换机和网络节点之间的带宽,主要功能就是将多个物理端口绑定为一个逻辑的通道，使其工作起来就像一个通道一样,具有链路冗余的作用，在网络出现故障或其他原因断开其中一条或多条链路时，剩下的链路还可以工作,端口汇聚的的机制，如基于,MAC,地址,VLAN,汇聚与业务汇聚,条件：,1.,各分离的链路速率相同；,2.,各分离的链路必须是全,双工链路；,3.,各分离的链路两端参数,一致，比如流量控制；,流量控制与优先级,在转发处理中,(The Forwarding Process),，出端口对经入口规则过滤后的帧按优先级排成不同的队列，高优先级队列的帧将被优先转发；,(,优先级的映射、,FCS,的重计算,),数据接收端发现接收缓冲区快用,完，向对端发送,PAUSE,帧；,对端接收到,PAUSE,帧后暂停发送，暂停时间由,PAUSE,帧指定,如果在,PAUSE,指定的时间内数据处理完，则发送延迟为,0,的,PAUSE,帧对方收到后马上恢复发送。,流量控制：,(IEEE 802.3x),优先级：,(IEEE 802.1p),Priority-Tagged Frame,3bit,8,个等级,SDH,侧的流控,PAUSE,帧,源,MAC,地址（,6,字节）,填充,校验信息（,4,字节）,类型,=X,88-08,操作码,=X,00-01,暂停时间（,2,字节）,X,01-80-C2-00-00-01,(,只针对全双工,),端口镜像与广播抑制,广播抑制：限制端口上允许通过的广播流量的大小当广播流量超过用户设置的值后系统将对广播流量作丢弃处理使广播所占的流量比例降低到合理的范围从而有效地抑制广播风暴避免网络拥塞保证网络业务的正常运行,有效性：全局,/,不同广播域,/,端口,类型：广播帧,/,不明地址帧,流量统计：绝对值,/,百分比,/,时间片流量,交换机的端口镜像功能，指可以将一个端口的流量自动复制到另一端口，供网络管理员在判断网络问题时对端口流量和内容进行实时分析。通过交换机的镜像端口，这些流量就可以被一个特殊的设备监控，对发现和修理故障有很大的帮助。交换机可以有专为镜像目的而设计的端口，许多交换机产品还提供了将任何一个端口配置成镜像端口的功能，某些交换机甚至支持同时有多对多的端口镜像。为了能使用网络分析仪或入侵检测系统,IDS,直接监控网络流量，所连接的交换机必须支持端口镜像,课程内容,以太网的发展,二层交换的基本原理,VLAN(802.1Q),VLAN,的基本概念,VLAN,（,Virtual Local Area Network,），是一种通过将局域网内的设备逻辑地而不是物理地划分成一个个网段从而实现虚拟工作组的技术。,IEEE,于,1999,年颁布了用以标准化,VLAN,实现方案的,IEEE 802.1Q,协议标准草案。,VLAN,技术允许网络管理者将一个物理的,LAN,逻辑地划分成不同的广播域（或称虚拟,LAN,，即,VLAN,），每一个,VLAN,都包含一组有着相同需求的计算机，由于,VLAN,是逻辑地而不是物理地划分，所以同一个,VLAN,内的各个计算机无须被放置在同一个物理空间里，即这些计算机不一定属于同一个物理,LAN,网段。,虚拟局域网,VLAN,是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组。,这些网段具有某些共同的需求。,每一个,VLAN,的帧都有一个明确的标识符，指明发送这个帧的工作站是属于哪一个,VLAN,。,虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务，而并不是一种新型局域网。,VLAN,的优势在于,VLAN,内部的广播和单播流量不会被转发到其它,VLAN,中，从而有助于控制网络流量、减少设备投资、简化网络管理、提高网络安全性。,以太网,交换机,A,4,B,1,以太网,交换机,VLAN,3,C,3,B,3,VLAN,1,VLAN,2,C,1,A,2,A1,A,3,C,2,B,2,以太网,交换机,以太网,交换机,三个虚拟局域网,VLAN1,VLAN2,和,VLAN3,的构成,以太网,交换机,A,4,B,1,以太网,交换机,VLAN,3,C,3,B,3,VLAN,1,VLAN,2,C,1,A,2,A,1,A,3,C,2,B,2,以太网,交换机,以太网,交换机,当,B,1,向,VLAN,2,工作组内成员发送数据时，,工作站,B,2,和,B,3,将会收到广播的信息。,以太网,交换机,A,4,B,1,以太网,交换机,VLAN,3,C,3,B,3,VLAN,1,VLAN,2,C,1,A,2,A,1,A,3,C,2,B,2,以太网,交换机,以太网,交换机,B1,发送数据时，工作站,A1,A2,和,C1,都不会收到,B1,发出的广播信息。,以太网,交换机,A,4,B,1,以太网,交换机,VLAN,3,C,3,B,3,VLAN,1,VLAN,2,C,1,A,2,A,1,A,3,C,2,B,2,以太网,交换机,以太网,交换机,虚拟局域网限制了接收广播信息的工作站数，使得网络,不会因传播过多的广播信息,(,即,“,广播风暴,”,),而引起性能恶化。,Switch A,Green,VLAN,Black,VLAN,Red,VLAN,Switch B,Green,VLAN,Black,VLAN,Red,VLAN,Each logical VLAN is like a separate physical bridge,VLANs can span across multiple switches,VLAN,的实现方法,VLAN,允许在同一个交换机上有多个分离的,LAN,，也允许跨交换机形成,VLAN,VLAN,的基本作用,Virtual Local Area Network,相同,VLAN,内主机可以任意通信,二层交换,不同,VLAN,内主机二层流量完全隔离,阻断广播包，减小广播域,提供了网络安全性,相同,VLAN,跨交换机通信,实现虚拟工作组,减少用户移动带来的管理工作量,VLAN,的划分方法,基于端口划分,基于,MAC,地址划分,基于协议划分,基于,IP,子网划分,基于端口的VLAN,主机,A,主机,B,主机,C,主机,D,以太网交换机,VLAN,表,端口,所属,VLAN,Port 1,VLAN 5,Port 2,VLAN 10,Port 7,VLAN 5,Port 10,VLAN 10,Port 1,Port 2,Port 7,Port 10,基于MAC,地址,的VLAN,VLAN,表,MAC,地址,所属,VLAN,MAC A,MAC B,MAC C,MAC D,VLAN 10,VLAN 5,VLAN 10,VLAN 5,MAC A,MAC B,MAC C,MAC D,主机,A,主机,B,主机,C,主机,D,以太网交换机,Port 1,Port 2,Port 7,Port 10,基于协议的,VLAN,VLAN,表,协议类型,所属,VLAN,IPX,协议,IP,协议,VLAN 5,VLAN 10,使用,IPX,协议,运行,IP,协议,使用,IPX,协议,运行,IP,协议,主机,A,主机,B,主机,C,主机,D,以太网交换机,Port 1,Port 2,Port 7,Port 10,基于子网的,VLAN,VLAN,表,IP,网络,所属,VLAN,IP 1.1.1.1/24,IP 1.1.2.1/24,VLAN 5,VLAN 10,1.1.1.5,1.1.2.88,1.1.1.8,1.1.2.99,主机,A,主机,B,主机,C,主机,D,以太网交换机,Port 1,Port 2,Port 7,Port 10,虚拟局域网协议允许在以太网的帧格式中插入一个,4,字节的标识符，称为,VLAN,标记,(tag),，用来指明发送该帧的工作站属于哪一个虚拟局域网。,802.3,MAC,帧,字节,6,6,2,46 1500,4,MAC,帧,目地地址,源地址,长度,/,类型,数 据,FCS,长度,/,类型,=802.1Q,标记类型 标记控制信息,1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 VID,2,字节,2,字节,插入,4,字节的,VLAN,标记,4,用户优先级,CFI,VLAN,的标记,VLAN,的帧格式,DA,SA,Type,Data,CRC,标准以太网帧,DA,SA,Type,Data,CRC,tag,TPID,Priority,CFI,VLAN ID,TCI,（标记控制信息）,带有,IEEE802.1Q,标记的以太网帧,标记协议标识,2,字节,3,比特,1,比特,12,比特,6,字节,6,字节,2,字节,46,1500,字节,4,字节,4,字节,图注：,tag,：,VLAN,标记，指明发送该帧的工作站属于哪一个,VLAN,TPID,：长度类型,802.1Q,标记类型，设置为,0 x8100,Priority,：用户优先级,CFI,：规范格式指示符,VID,：,VLAN,标识符,前同步码,目的地址,源地址,TAG,数据,FCS,前同步码,目的地址,源地址,长度,数据,FCS,长度,0 x8100,priority,CFI,VLAN ID,VLAN(802.1Q),封装格式（续）,VLAN,种类：,基于,port,的,VLAN,基于,MAC,地址的,VLAN,基于标识,Tag,的,VLAN,VLAN,和,LAN,之间的区别是数据帧的封装上的不同,增加了,Tag Header,相关协议,802.1Q,VLAN,实现虚拟工作组,Access Link,和,Trunk Link,接入链路,干道链路,Access,和,Trunk,链路,Access,链路,连接,Access,链路的交换机端口称为,Access,端口,帧在,Access,链路上转发不带,VLAN Tag,交换机,Access,端口接收到以太网帧后，按照端口所在,VLAN,加上,VLAN Tag,，然后进行转发,帧从,Access,端口发送出去，帧中的,VLAN Tag,会被去掉,Trunk,链路,连接,Trunk,链路的交换机端口称为,Trunk,端口,帧在,Trunk,链路上转发带,VLAN Tag,，因此允许多个,VLAN,的帧在,Trunk,链路上转发,交换机,Trunk,端口接收到以太网帧后，需要判断该,Trunk,端口是否允许帧中,VLAN ID,对应的,VLAN,通过。若允许，则进行转发；否则要直接丢弃该帧。如果在,Trunk,接口上收到没有,tag,的帧，将会打上,PVID,帧从,Trunk,端口发送出去，,VLAN Tag,一般不会被去掉,帧在网络通信中的变化,VLAN 2,VLAN 1,VLAN 1,VLAN 2,带有,VLAN 1,标签的以太网帧,带有,VLAN 2,标签的以太网帧,不带,VLAN,标签的,以太网帧,链路聚合是一种将多个物理连接作为一个逻辑连接。其优点在于可以将多个低速的链路集中为一个高速的链路。,如果连接两台交换机，必须两台相应端口都设置,Trunk,，否则会形成回路,Trunk,组在,VLAN,、,STP,功能中均当作一个端口,TRUNK,Trunk link,和,VLAN,VLAN 1,VLAN 2,VLAN 1,VLAN 3,VLAN 2,VLAN 1,VLAN 5,VLAN 5,VLAN 2,VLAN 5,广播报文发送,Trunk Link,支持,VLAN,二层交换机转发流程,-IVL,（独立式）,根据帧内,Tag Header,的,VLAN ID,查找,L2FDB,表，确定查找的范围；,根据目的,MAC,查找出端口，图中应该从端口,2,转发出去；,如果在,L2FDB,表中查找不到该目的,MAC,，则该报文将通过广播的方式在该,VLAN,内所有端口转发；,同时该以太网帧的源,MAC,将被学习到接收到报文的端口上，即端口,1,（,VLAN 2,）；,L2FDB,表中的,MAC,地址通过老化机制更新；,在转发的过程中，不会对帧的内容进行修改,支持,VLAN,二层交换机转发流程,-SVL,（共享式）,根据帧的目的,MAC,查,MAC,转发表,(,即,L2FDB),，查找相应的出端口。根据现有,L2FDB,表，报文应该从端口,2,发送出去；,判断出端口的,VLAN ID,和报文,Tag Header,内的,VLAN ID,是否匹配，匹配则转发，不匹配则丢弃；,如果在,L2FDB,表中查找不到该目的,MAC,，则判断出端口的,VLAN ID,和报文,Tag Header,内的,VLAN ID,是否匹配，不匹配直接丢弃；匹配则在该,VLAN,内广播；,L2FDB,表中,MAC,地址通过老化机制来更新；,在转发的过程中，不会对帧的内容进行修改,支持,VLAN,的交换机的广播域,/,冲突域,虚拟局域网,实例的讨论,1,隔离,局部的隔离划分思路,:,单一交换机内的隔离,虚拟局域网,实例的讨论,1,隔离,全局的网络划分思路,:,域的连续与边界的界定（推荐）,VLAN,封装开销对测试的影响,虚拟局域网,实例的讨论,2,串行,虚拟局域网,实例的讨论,2,串行,VLAN,封装开销对测试的影响,虚拟局域网,实例的讨论,3,并行,虚拟广域网,实例的讨论,4,关于,VMAN (Virtual Metropolitan Area Networks)4000,个,VLAN,4000,个,VLAN,4000,个,VLAN,4000,个,VLAN,4000,个,VLAN,4000,个,VLAN,非,VLAN,数据流,非,VLAN,数据流,虚拟广域网,实例的讨论,3,关于,VMAN (Virtual Metropolitan Area Networks),在原标准的,802.1Q,标签前再插入一层类似的标签（取端口,PVID,值）,插入,/,剥离最外层标签，实现对接入数据透明传送,(,堆栈,),解决了标准,802.1Q,中,VID,的范围限制,目的地址,源地址,VMAN,标签,VLAN,标签,类型,/,长度,数据区,CRC,可嵌套插入多层，深度只受所支持的最大帧长限制（,9624Bytes,）,二层交换网产生环路,对于广播报文，组播报文及未知,MAC,地址的单播报文的泛洪机制，导致了在二层网络中的环路。,环路的危害有二，一是广播风暴，二是,MAC,地址学习震荡。,LAN 1,LAN 2,1,1,1,1,2,2,2,3,3,3,X,Y,Z,FFFFFFFFFFFF,广播,FFFFFFFFFFFF,广播,FFFFFFFFFFFF,广播,网桥回路,网络回路的形成,使用,STP,避免二层网络环路,通过阻断冗余链路来消除桥接网络中可能存在的路径回环,当前活动路径发生故障时激活冗余备份链路恢复网络连通性,物理段,A,物理段,B,物理段,C,物理段,E,物理段,D,ROOT,B1,B2,B3,B4,目的是动态地发现拓扑结构的一个无回路子集（树），并且保证足够的连通度以使得每两个节点之间就存在一条路径,基本思想是生成,“,一棵树,”,，树的根是一个被称为根桥的交换机,从根网桥起，若某台交换机能够从两个以上的端口接收到数据包，则选出一个端口作为指定端口并将其它端口阻塞,提供了网络动态冗余切换机制、自动激活备份线路,相关协议,802.1D,STP,的功能,谢 谢！,