以太网交换技术(教案第2章)

第二章：以太网交换技术2.1以太网技术发展概述2.2以太网交换工作原理2.3以太网交换的方式和实现结构2.4以太网交换器的组网应用2.5以太网发展其它技术第2章：重点与难点1、透明网桥、以太网交换原理和生成树算法2、以太网全双工端口、聚合、10G以太网技术特点3、**以太网交换特性、以太网交换机组网应用重点理解：主要了解：1、以太网交换方式的实现结构，2、链路聚合协议LCAP的基本思想3、10G以太网的PHY类型和表达4、共享以太网向交换以太网发展过程2.1以太网技术发展概述1975年XeroxPARC（施乐PaloAltoResearchCenter）推出第1个2.94Mb/s的基带总线局域网，以Ethernet命名；范冰冰:由于90年代后期，实际只存在Ethernet市场，即令牌环退出，所以LLC在网卡接口中基本被省略，只剩MAC层。1980年DEC、Intel和Xerox提出了10Mb/sEthernet厂家规范DIXV1，1982年修改为DIXV2；1983年IEEE802工作组；制定了第1个Ethernet工业标准IEEE802.3，它和DIXV2只在帧结构上有微小差别（在传统头部后插入8字节IEEELLC/SNAP附加头部，总长度不变），虽然2者兼容，但实际上使用最初格式。2.1.1以太网技术发展在802.3Ethernet标准下，从10base/T（早期10base/2、5），到90年代中开始，出现了100base/TX、100base/FX、1000base/SX、1000base/LX；以太网实现技术向高速和长距离发展；目前还出现了1000base/T，万兆（10G）的以太网，不久将出现40G以太网；802.11无线Ethernet可能有更广阔的发展前景。受限于厂家的商业竞争中，IEEE802工作组没有能制订最佳LAN标准，而分别制定了Ethernet802.4与802.5（令牌环网）标准；同时制定802.2定义了在透明标准的LLC；实现不同LAN、FDDI的互连。1、基于CSMA/CD的实现技术，核心是媒介共享、插孔广播发送和碰撞检测处理，特点：简单、成本低和易推广；2.1.3以太网特点和发展：2、网络速度始终高于同时代的其它技术和实际应用需求；5、从企业级应用向运营商服务网络。3、以太网技术和传统电信网技术不断产生深刻的融合；4、从开始的局域网向城域网和广域网发展；范冰冰:Ethernet在企业网中采用了较高的带宽富裕，简化（或称解决）用户碰撞和协调管理，如修大路，无规则。但这样的技术基础，在公众网大用户的应用中（服务质量、可管理性、计费等）面临许多新问题。怎样理解早期以太网交换机制和一般网络不同？怎样理解以太网碰撞和后果？2.1.3传统以太网技术的缺陷1、有效带宽窄。共享域带宽W，受到共享（冲突碰撞）域的限制，实际的带宽取决于系统环境的工作站点数N，每站平均带宽为W/N；大流量的应用和实时音像服务受限。2、覆盖范围。传统CSMA/CD机制使覆盖范围受限。3、安全机制。共享域以太网帧的广播机制，给数据侦听截取提供便利，存在较大安全性问题。4、可管理性。缺乏可运营性（认证、服务质量QoS等）和可管理性（计费、带宽控制支持）等。基本思路：交换器/机的端口之间通常是隔离的，但许可条件下（可控制）也可以建立端口间数据传递、组播或广播；即建立一种交换机制，克服共享广播机制与碰撞；2.2.1以太网交换概述2.2以太网交换工作原理范冰冰:交换Ethernet主要解决共享广播和碰撞：建立按地址的、独享的数据通信（电信方法）。Hub的系统带宽为10M/100M，每站平均带宽1/N；交换器系统带宽为N*10M/100M，每站带宽10M/100M。HUB共享型Hub交换器端口之间直接物理连接交换矩阵端口之间可控逻辑连接1、交换器/机端口可以连接一台计算机（站点），也可以连接一个网段，交换器与Hub混用的结构；2、交换器/机端口速率10/100M，当N端口时，系统最大（理论）带宽是N*10/100M，有时又表述为N/2*10/100M，为什么？3、在端口半双工通信方式时，实际仍是CSMA/CD碰撞域；当端口全双工通信方式时，实际已不存在CSMA/CD碰撞域，只是沿用了以太网的接口和帧标准。交换以太网特点：以太网中继器和网桥是早期扩展LAN的主要方法。2.2.2以太网网桥LAN1LAN2远程桥接LAN碰撞域是限制LAN范围和性能，为什么？怎么办？分割多个网段，形成多个碰撞域，实现LAN范围带宽扩展。LAN1LAN2B1B2LAN3①透明网桥体系和基本功能由802.1D定义。②网桥工作流程主要包括如下：地址自学习（形成端口/地址表）、根据目的地址DA完成帧的转发和过滤、广播帧。范冰冰:何谓“透明”：当不同网段通过网桥连接后，不需做任何处理，就可工作。透明网桥功能网桥网桥1121311121423212224251LAN111121314端口号MAC地址2LAN22122232425范冰冰:地址自学习是根据LAN上网桥端口侦听到的帧中的源地址，或其它端口帧接收，记录到相应端口的地址栏目中形成端口-地址表。332313LAN33132网桥端口—地址表透明网桥的帧广播网桥网桥11213S1214广播帧：1、以太网正常广播（组播），网桥全部转发。32313网桥2DA关机？关机帧广播？2、多网桥（交换器）网络中的帧转发广播3、加电时（端口地址表空），自学习阶段的广播，引起广播风暴，加速完善地址表。怎么会加速？网桥存在问题①大型闭合网络中，帧广播的无限循环；网桥1LAN1LAN2AB网桥2在以上最简单的闭环网络中，当A向B发帧时，如B关机，在网桥1和网桥2端口/地址表中没有B，端口B1、B2又重新把帧广播到LAN1，则形成无限循环广播。（理论一般原理到可能的情况分析处理！）B1B2网桥1LAN1LAN2AB网桥2B11t1t2B21当A向B发帧时，假设t1t2，B先后收到2帧；②地址记录出错，无法正常转发工作；LAN2BB11B21A端口号MAC地址网桥1端口—地址表当B11收到B21端口转发的源A到目的B的帧是，把LAN2上转发帧的源地址A记载到LAN2地址表中，同样B21也如此，这样网桥1、2误认为A在LAN2网段中，B到A的帧永远不转发了。大型网桥存在什么问题，解决方法？生成树算法（SpanningTreeAlgorithm)图论基本思想：任何一个连接图，总存在一棵不含任何回路但保持原图所有连接的树；LAN1LAN2LAN3LAN4××生成树算法思想：找到一条可以把帧广播到所有网段（的计算机）上的途径，但又不引起广播循环的方法。体会数学在计算方法中的应用!如图中在切断任一个×点都形成遍历所有网段，但不循环的途径3、在每个LAN上BPDU帧指明距离最短的为指定桥（距离相等取MAC编号小的桥），只允许通过指定桥向其连接LAN（除根端口的LAN外）转发BPDU帧，其它桥被堵塞；从而避免循环转发。1、找出以太网MAC地址最小的网桥端口作为根桥，算法计算开始点，向它所连接的所有LAN广播BPDU帧（桥协议数据单元，专门交换桥信息特殊帧）。2、每当一个网桥收到一个BPDU帧时，并回复一个BPDU帧说明它和根桥距离。4、生成树建立后，为了能对网络拓扑结构变化及时反映，各网桥周期地交换BPDU。桥协议和生成树算法原理：算法依据数学原理而设计的可执行程序，重要点初始起点和结束点的处理！。生成树算法图例演示（SpanningTreeAlgorithm)LAN1LAN2LAN3LAN4桥根LAN5××指定桥指定桥桥生成树算法在以太网普遍采用，解决思想数学基础是什么？计算机中数学问题还有在哪里？举1-2例。2.2.3以太网网桥和交换比较80中后期，为了扩展局域网，网桥被大量使用，网桥将LAN分割成不同的网段，限制了共享冲撞域，但转发广播帧，所以存在广播风暴问题。在小规模网桥连接的网络上广播是合理，但在大型网络中的广播实际是不能容忍的，为什么？所以网桥连接的LAN规模不能太大，一般不多于几十个。网桥连接的网络的生成树算法是线性的处理，即视网络是一个平等的网状结构，但实际大型网络是分层结构的网络。网桥的可扩展性限制是根本的问题：广播风暴：由于环路导致广播在网段内大量复制、传播，导致网络性能下降，甚至瘫痪。广播风暴是由于网络拓扑的设计问题，或其他原因广播风暴爆发后，网络中传输的全部是广播包，计算机处理的也全部都是广播包，正常的数据包无法得到转发和处理。拔掉网线或关掉交换机后，广播风暴得到扼制，从而恢复正常通讯。网桥普遍使用发展，及另一方面IC技术发展，使网桥产品向多端口（4、8、16、24），实际上多端口网桥就是基本的以太网交换机（器）。以太网交换的基本功能仍是：帧转发、帧过滤、SpanningTreeAlgorithm；但由于更多的端口，使以太网交换机演变为一种多网桥同时工作设备，更多网段独立工作，进一步减小了碰撞域（实际上端口/终端部署，彻底消除了碰撞域），使系统带宽大大得到提高，但并不能完全抑制广播数据。以太网交换在继承了网桥的基本功能外，发展了VLAN、链路聚合等、端口全双工、接入认证等新功能，成为真正交换设备。2.3以太网交换的方式和实现结构2.3.1以太网交换的方式1、基于端口的静态交换。123456789101112如上图（1、10）、（4、6）、（5、11）端口之间交换，通过交换机的管理软件配置而成，相当于可人工处理的硬件连接器（多端口网桥），在最早期端口交换机产品中使用。交换方式是端口间怎样实现按需的数据交换的方法。2、基于MAC地址的动态交换。123456789101112动态交换基于网桥原理，根据MAC源/目的地址，通过自学习的端口/地址表，形成端口间的一次帧交换连接和转递，然后通道自动关闭，是目前使用方式。1、存储转发方式：可靠、延时大、交换速度低。1、串并转换，帧缓存和检验CRCAB3、串并转换，帧缓存和CRC检验2、查端口地址表2、穿通交换方式：硬件方式直接取出目的地址，查表传递，收端CRC检验纠错，出错重发；快速。取目的地址3、碎片丢弃方式：输入帧的512bit后，完全采用穿通交换方式进行处理；如512bit帧碎片丢弃；1、2折中方式。理解以太网交换实际快速实现的方法？2.3.2以太网交换实现结构1、软件实现结构：利用CPU和RAM软件计算环境完成输入缓存、查表和输出，灵活，但速度低（特别端口多、数据量大时），无法实现交换机堆叠和广播。2、交换矩阵结构：当输入目的地址查表确定输出端口后，通过硬件输入/输出矩阵实现输入/出端口直连；但在多对一环境下，需要增加输入/出缓冲，和排队优先机制。产品主流结构，但堆叠和广播实现较难，需要附加处理。3、共享存储交换结构：所有数据直接输入共享存储器中（而不是端口缓存），并直接从共享存储器输出到端口；对大量交换数据，需要专门交换引擎，但管理、堆叠和广播实现较易。4、总线交换：总线时分复用，处理各输入帧，类似电路交换原理，性能好，复杂、成本高。2.4以太网交换的应用2.4.1以太网交换机特性1、端口/地址表大小。端口/地址空间（如8192，8K）决定各端口可连接的站数。2、体系结构。ASIC、CICS（复杂指令系统）、RISC（精简指令系统）。CICS和RISC体系是基于ROM固化指令工作，ASIC是全硬件实现；各有利弊。3、背板（交换或传输）速率。无阻塞模式下，交换机背板传输数据的速率。如64口10BaseT交换机，最大32交叉连接，背板传输率32*10M=320Mbps,64口广播时640Mbps。4、端口能力：10/100MBaseT自适应端口；支持1G（1000MBaseT、GBIC)端口或其它类型端口能力。5、全双工端口。6、Jabber（超长帧）处理：Jabber是长度超过1518Byte的以太帧，一般由错误引起，Jabber处理是指把超长帧转化为正常帧能力。7、协议支持：生成树算法、端口认证、MAC地址绑定等。9、管理：管理界面、远程、SNMPV2/3、其它管理功能（接入带