沈鑫剡编著《路由和交换技术》(第2版)配套课件第1章

©2006工程兵工程学院计算机教研室路由和交换技术（第2版）第一章交换机和交换式以太网路由和交换技术第1章交换机和交换式以太网本章主要内容以太网概述；总线形以太网；网桥与冲突域分割；交换机转发方式和交换机结构；以太网标准。交换机和交换式以太网路由和交换技术1.1以太网概述本讲主要内容以太网日志；以太网体系结构；以太网拓扑结构；导致以太网成功的因素。交换机和交换式以太网路由和交换技术一、以太网日志1972年以太网诞生；1979年10Mb/s以太网规范发表；1982年PC以太网卡诞生；1986年双绞线以太网标准10BaseT诞生，同时催生布线系统；1990年以太网交换机面世；1992年100Mb/s以太网标准诞生；1996年1Gb/s以太网标准诞生；2002年10Gb/s以太网标准诞生；2010年以太网开始进入40Gb/s和100Gb/s时代。交换机和交换式以太网路由和交换技术两种以太网称呼是不同的，一是以太网，二是IEEE80.3局域网，由于IEEE802委员会定义了多种局域网，如环网和以太网，这些网络的MAC层并不相同，为了屏蔽MAC层的差异，定义了LLC层，这就是局域网的体系结构，后来，以太网一统天下，以太网就是局域网，就无需LLC层，这就是以太网体系结构。二、以太网体系结构局域网体系结构以太网体系结构IPover以太网以太网MAC子层LLC子层IPTCPUDP应用层物理层网络接口层IPover以太网以太网MAC层IPTCPUDP应用层物理层网络接口层交换机和交换式以太网路由和交换技术三、以太网拓扑结构拓扑（Topology）是拓扑学中研究由点、线组成几何图形的一种方法，用此方法可以把计算机网络看作是由一组结点和链路组成的几何图形，这些结点和链路所组成的几何图形就是网络的拓扑结构。交换机和交换式以太网路由和交换技术集线器三、以太网拓扑结构总线形星形环形树形网状形匹配阻抗星形级联容错性好，路由复杂，以太网须辅之生成树算法。以太网使用的拓扑结构,用集线器或交换机连接终端。可以隔离错误，实现综合布线。特定环网，容错性好最早的以太网特征采用总线形拓扑结构，用CSMA/CD作为争用总线的算法，物理层采用曼彻斯特编码的基带信号传输方式。简单，但一台终端出错，整个网络瘫痪。早期以太网使用的拓扑结构，采用总线争用算法，由链路层实现终端访问总线功能，因此称为媒体接入控制层（MAC）交换机和交换式以太网路由和交换技术四、导致以太网成功的因素从共享到交换；从同轴电缆到双绞线缆和光纤；从低速到高速；VLAN和三层交换技术。交换机和交换式以太网路由和交换技术1.2总线形以太网本讲主要内容总线形以太网结构与功能需求；总线形以太网各层功能；基带传输与曼彻斯特编码；MAC地址；MAC帧；CSMA/CD工作原理；CSMA/CD缺陷；集线器和星形以太网结构。交换机和交换式以太网路由和交换技术一、总线形以太网结构与功能需求匹配阻抗无中继器结构匹配阻抗中继器有中继器结构交换机和交换式以太网路由和交换技术一、总线形以太网结构与功能需求总线形以太网功能需求数据与信号之间相互转换的能力；检测总线是否空闲的能力；寻址能力；公平竞争总线的能力；数据封装成帧的能力；帧对界能力。交换机和交换式以太网路由和交换技术二、总线形以太网各层功能物理层功能使得总线空闲和传输数据的状态不同；能够完成将数据转换成信号，将信号还原成数据的过程；能够将经过总线传输的二进制位流分割成每一帧对应的一段二进制位流。交换机和交换式以太网路由和交换技术二、总线形以太网各层功能MAC层功能将数据封装成帧；具有寻址接收终端的功能；实现用于保证连接在总线上的终端公平竞争总线的机制。交换机和交换式以太网路由和交换技术三、基带传输和曼彻斯特编码什么叫基带传输？基带传输是指直接在电缆上传输表示二进制数0和1的数字信号的传输方式。基带传输需要解决什么问题？位同步，接收端如何确定每一位二进制数的宽度。如何解决位同步？发送端和接收端就每一位二进制数的宽度有着共识。发送端和接收端就每一位二进制数的值有着共识。接收端和发送端的发送时钟必须同频且同步。交换机和交换式以太网路由和交换技术0110100110100110100011010发送时钟发送数据发送信号同步接收时钟正确接收数据不同步接收时钟错误接收数据重新同步的接收时钟重新正确的接收数据累积误差导致一位数据被重复锁存两次。三、基带传输和曼彻斯特编码交换机和交换式以太网路由和交换技术少量误差不会导致接收出错，关键是误差不能累积。同步接收时钟指的是让接收时钟的跳变和数据一致。同步接收时钟的前提是数据包含发送时钟的跳变信息。曼彻斯特编码将每一位二进制数分成两部分，前半部分是数据的反码，后半部分是数据的原码，每一位数据中间发生跳变。接收端用该跳变同步接收时钟。如何同步接收时钟？三、基带传输和曼彻斯特编码交换机和交换式以太网路由和交换技术100101100101发送时钟发送数据曼切斯特编码原始接收时钟重新同步的接收时钟正确接收数据总线空闲状态用曼彻斯特编码同步接收时钟过程曼彻斯特编码携带的时钟信息不断同步接收时钟的上升沿。三、基带传输和曼彻斯特编码交换机和交换式以太网路由和交换技术曼彻斯特编码的每一数据都携带发送时钟信息，用于对接收时钟进行同步。一旦发送数据，总线电信号周期性跳变（载波），可以通过是否存在载波确定总线是否传输数据。基带信号变化速率（波特率）＝数据传输速率X2。三、基带传输和曼彻斯特编码交换机和交换式以太网路由和交换技术三、基带传输和曼彻斯特编码时钟周期发送时钟发送数据NRZ1100101NRZINRZ用两种固定的电平分别表示每一位二进制数的0和1。问题是，当二进制位流中出现连续的0或1时，由于对应的基带信号缺乏发送时钟信息，使得接收端无法同步接收时钟。交换机和交换式以太网路由和交换技术NRZI不是用两种固定的电平分别表示每一位二进制数的0和1，而是采用逢1跳变的编码方式。对于二进制数1，信号的开始位置发生一次跳变。对于二进制数0，信号维持原电平不变。NRZI编码的波特率等于数据的传输速率。但连续多位二进制数0对应的NRZI编码中仍然存在缺乏发送时钟信息的问题。三、基带传输和曼彻斯特编码交换机和交换式以太网路由和交换技术4B/5B编码用5位二进制数表示4位二进制数对应的24种组合，这5位二进制数称为5B编码。由于5位二进制数可以产生25个不同的5B编码，这些5B编码中选择符合以下条件的24个5B编码表示4位二进制数的24种不同的组合。5B编码中高位连续0的位数小于等于1；5B编码中低位连续0的位数小于等于2；5B编码中中间位连续0的位数小于等于2。三、基带传输和曼彻斯特编码交换机和交换式以太网路由和交换技术三、基带传输和曼彻斯特编码4位二进制数5B编码000011110000101001001010010001110011010001010010101011011001110011101111交换机和交换式以太网路由和交换技术三、基带传输和曼彻斯特编码4位二进制数5B编码100010010100110011101010110101110111110011010110111011111011100111111101交换机和交换式以太网路由和交换技术三、基带传输和曼彻斯特编码5B编码说明11111用于表示信道空闲的5B编码，帧间间隔一直发送该5B编码对应的NRZI编码。11000流开始分界符第一部分。10001流开始分界符第二部分。开始发送构成MAC帧的二进制位流前，先发送流开始分界符第一和第二部分。01101流结束分界符第一部分。00111流结束分界符第二部分。发送完构成MAC帧的二进制位流后，发送流结束分界符第一和第二部分。交换机和交换式以太网路由和交换技术四、MAC地址48位地址；高24位为企业标识符，低24位唯一标识企业产生的网卡；48位全1为广播地址；第一字节最低位（I/G）为0，表示是单播地址，为1是组播地址；第一字节次低位（G/L）为0，表示是局部地址，为1是全局地址。交换机和交换式以太网路由和交换技术五、MAC帧结构各字段含义：先导码：7字节10101010.帧开始分界符：1字节10101011.源和目的地址：48位MAC地址。类型：数据字段数据的类型。数据：通过以太网传输的信息。FCS:对传输过程中出现的错误进行检测。曼彻斯特编码和先导码、帧开始分界符解决MAC帧帧对界问题目的地址先导码帧开始分界符类型源地址数据FCS7166246～15004交换机和交换式以太网路由和交换技术由帧检验序列字段（FCS）对经过总线传输的MAC帧进行检验，出错丢弃，不重传。出错丢弃的MAC帧以太网不作处理，由高层协议负责解决。MAC帧的传输可靠性要求很高。类似平信服务。邮政系统就是以太网，而发送、接收信件者是高层协议。五、MAC帧结构交换机和交换式以太网路由和交换技术基带传输小结信号同步曼彻斯特编码分组交换网络MAC帧控制字段含义交换机和交换式以太网路由和交换技术曼彻斯特编码解决了位同步、帧对界和总线状态问题MAC帧结构解决了终端封装数据格式和终端寻址问题公平总线争用问题六、CSMA/CD工作原理信号识别和总线状态问题。寻址问题和数据封装问题。帧对界问题。公平争用总线问题。匹配阻抗任何两个终端之间的数据传输交换机和交换式以太网路由和交换技术CSMA/CD（算法）后退延迟算法捕获效应冲突域直径和最短帧长争用总线算法六、CSMA/CD工作原理交换机和交换式以太网路由和交换技术总线空闲才能发送数据。所以，发送前，先侦听总线是否有载波。由于信号传播需要时间（经过有线媒体传输电信号的速率是(2/3)c)，或许有两个终端同时检测到总线空闲，而发送数据。因此，发送过程中仍需监测冲突发生。如果两台终端同时检测到总线空闲，发送数据，必然导致冲突发生，延迟一段时间后再发送。六、CSMA/CD工作原理匹配阻抗CSMA/CD（载波侦听、多点接入/冲突检测）需要解决什么问题？交换机和交换式以太网路由和交换技术CSMA/CD工作流程发生冲突准备发送侦听信道是否忙？发送数据并继续侦听无冲突，继续发送，直至结束发送阻塞信号按后退策略延迟否是先听再讲总线无载波才能发送数据边听边讲一边发送数据，一边监测是否发生冲突退后再讲一旦发生冲突，延迟一段时间后，再重新发送，两个终端的延迟时间必须不同六、CSMA/CD工作原理交换机和交换式以太网路由和交换技术后退延迟算法要求：１．发生冲突后，某个终端的后退时间不同于其他终端，且小于其他终端。２．在符合１的情况下，后退时间尽可能短。３．能自动适应不同负荷。后退延迟算法六、CSMA/CD工作原理交换机和交换式以太网路由和交换技术①K为冲突次数。初始时K=0，每发生一次冲突，K就加1，但K不能超过10，因此，K＝MIN[冲突次数，10]。②从整数集合[0，1，…，2K-1]中随机选择某个整数r。③根据r，计算出后退时间T=rXt（t=51.2s）。④如果连续重传了16次都检测到冲突发生，则终止传输，并向高层协议报告。后退延迟算法匹配阻抗六、CSMA/CD工作原理交换机和交换式以太网路由和交换技术后退延迟算法实现功能随机选择尽量保证各个终端所选择的延迟时间不同。随着冲突次数的增加，不断加大随机数选择范围，使得不同终端选择相同延迟时间的概率减小，自动适应总线负荷。基本延迟时间差大于最远两端的传播时间。不能无穷次地重复冲突情况。后退延迟算法六、CSMA/CD工作原理交换机和交换式以太网路由和交换技术1．只适应轻负荷CSMA/CD算法是一种只适应轻负荷的算法，采用CSMA/CD算法的总线形以太网只适用于轻负荷应用环境。七、CSMA/CD缺陷交换机和交换式以太网路由和交换技术捕获效应02终端A终端B413670110101051：发生冲突后选择的随机整数3021冲突终端A和终端B同时发