以太网交换机基础培训教材Word文档格式.docx

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1以太网概述

以太网是在70年代初期由Xerox公司PaloAlto研究中心推出的。

1979年Xerox、Intel和DEC公司正式发布了DIX版本的以太网规范，1983年IEEE802.3标准正式发布。

初期的以太网是基于同轴电缆的，到八十年代末期基于双绞线的以太网完成了标准化工作，即我们常说的10BASE-T。

随着市场的推动，以太网的发展越来越迅速，应用也越来越广泛。

下面简单列一下以太网的发展历程：

✧70年代初，以太网产生；

✧1929年，DEC、Intel、Xerox成立联盟，推出DIX以太网规范；

✧1980年，IEEE成立了802.3工作组；

✧1983年，第一个IEEE802.3标准通过并正式发布

✧通过80年代的应用，10Mb/s以太网基本发展成熟

✧1990年，基于双绞线介质的10BASE-T标准和IEEE802.1D网桥标准发布

✧90年代，LAN交换机出现，逐步淘汰共享式网桥

✧1992年，出现了100Mb/s快速以太网

✧通过100BASE-T标准（IEEE802.3u）

✧全双工以太网（IEEE97）

✧千兆以太网开始迅速发展（96）

✧1000Mb/s千兆以太网标准问世（IEEE802.3z/ab）

✧IEEE802.1Q和802.1P标准出现（98）

✧10GE以太网工作组成立（IEEE802.3ae）

2以太网的基础知识

以太网是一种能够使计算机进行相互传递信息的介质，它利用二进制位形成一个个的字节，这些字节然后组合成一帧帧的数据。

帧有一个起点，我们称之为帧头；

也有终点，我们称之为作帧尾。

以太网由许多物理网段组合而成，每个网段包括一些导线和与导线相连的网络设备。

以太网上有很多网络设备，每个设备都会接收到各种各样的帧信息。

那么，设备怎样才能知道帧是否是直接对它进行访问呢？

其实，在每个帧报头中，都包含有一个目地介质访问控制地址（MAC）和一个源MAC地址，目的MAC地址就可以告诉网络设备帧是否是对它进行直接访问。

如果设备发现帧的目的MAC地址与自己的MAC不匹配，设备将对不处理该帧。

2.1MAC地址

MAC地址有48位，它可以转换成12位的十六进制数，参见图1。

这个数分成三组，每组有四个数字，中间以点分开。

MAC地址有时也称为点分十六进制数。

为了确保MAC地址的唯一性，IEEE对这些地址进行管理。

每个地址由两部分组成，分别是供应商代码和序列号。

供应商代码代表NIC（网络接口卡）制造商的名称，它占用MAC的前六位12进制数字，即24位二进制数字。

序列号由供

应商管理，它占用剩余的6位地址，或最后的24位二进制数字。

图1MAC地址

从实际使用的角度看，以太网的MAC地址可以分为三类，分别是单播地址、多播地址、广播地

址：

•单播地址：

第一字节最低位为0，00e0.fc00.0006。

用于网段中两个特定设备之间的通信，可以作为以太网帧的源和目的MAC地址；

•多播地址：

第一字节最低位为1，01e0.fc00.0006。

用于网段中一个设备和其他多个设备通信，只能作为以太网帧的目的MAC；

•广播地址：

48位全1，ffff.ffff.ffff。

用于网段中一个设备和其他所有设备通信，只能作为以太网帧的目的MAC。

2.2以太网帧的帧格式

对MAC地址有一个基本认识后，我们有必要进一步了解以太网帧的帧格式是怎么样的？

有哪几

种常用的帧格式？

下图就是目前常用几种以太网帧格式。

图2常用的以太网帧格式

2.2.1以太网Ⅱ

帧头的作用是标识封装在帧中的第3层信息包的类型。

以太网Ⅱ使用类型字段，其长度为2个字节。

这种帧格式是目前最常用的以太网帧格式。

2.2.2带有802.2逻辑链路控制的IEEE802.3

IEEE基于原始的以太网Ⅱ帧来设计自己的以太网帧类型。

IEEE802.3的以太网帧报头和以太网Ⅱ的帧报头非常相似，不过其类型字段的长度有所变化，它增加了一个称作逻辑链路控制（LLC）的字段。

LLC用来识别信息包中使用的第3层协议。

LLC报头或IEEE报头都包含DSAP（destinationserviceaccesspoint，目的服务访问点）、SSAP（sourceserviceaccesspoint，源服务访问点）和控制字段。

DSAP和SSAP合并后就可标识第3层协议的类型。

2.2.3IEEE802.3子网访问协议（以太网SNAP）

80年代中期，以太网非常流行，IEEE担心它将使用完所有的DSAP和SSAP编码，所以就定义了一种新的帧格式。

这种帧格式称为以太网子网访问协议，有时候也称为以太网SNAP。

这种格式的帧报头以“AA”取代DSAP和SSAP。

在DSAP和SSAP字段中出现“AA”时，帧是一个以太网SNAP帧。

这时，第3层协议将在OUI（Organizationaluniqueidentifier，组织唯一标识）字段后的类型字段中表示。

QUI是一个6位的十六进制数，它可以唯一地标识一个组织。

IEEE对QUI进行赋值。

2.2.4Novell以太网

Novell以太网帧类型只适用于IPX通信。

Novell以前没有考虑IPX将附属于其他第3层协议。

所以，也就没有必要用字段来识别第3层协议。

如果你运行的是Novell网络，就可以使用IPX。

Novell以太网帧格式以一个长度字段来取代类型字段，与前面的IEEE的做法一样。

不过长字段后没有LLC字段。

2.3CSMA/CD

以太网使用CSMA/CD（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection，带有冲突监测的载波侦听多址访问）。

我们可以将CSMA/CD比做一种文雅的交谈。

在这种交谈方式中，如果有人想阐述观点，他应该先听听是否有其他人在说话（即载波侦听）。

如果这时有人在说话，他应该耐心地等待，直到对方结束说话，然后他才可以开始发表意见。

另外，有可能两个人在同一时间都想开始说话，那会出现什么样的情况呢？

显然，如果两个人同时说话，这时很难辨别出每个人都在说什么。

但是，在文雅的交谈方式中，当两个人同时开始说话时，双方都会发现他们在同一时间开始讲话（即冲突检测），这时说话立即终止。

随机地过了一段时间后（回退），说话才开始。

说话时，由第一个开始说话的人来对交谈进行控制，而第二个开始说话的人将不得不等待，直到第一个人说完，然后他才能开始说话。

除计算机以外，以太网的工作方式与上面的方式相同。

首先，以太网网段上需要进行数据传送的节点对导线进行监听，这个过程称为CSMA/CD的载波侦听。

如果，这时有另外的节点正在传送数据，监听节点将不得不等待，直到传送节点的传送任务结束。

如果某时恰好有两个工作站同时准备传送数据，以太网网段将发出“冲突”信号。

这时，节点上所有的工作站都将检测到冲突信号，因为，这时导线上的电压超出了标准电压。

冲突产生后，这两个节点都将立即发出拥塞信号，以确保每个工作站都检测到这时以太网上已产生冲突，导线上的带宽为0Mb/s。

然后，网络进行恢复，在恢复的过程中，导线上将不传送数据。

在这一过程中，不属于产生冲突的网段上的节点也要等到冲突结束后才能传送数据。

当两个节点将拥塞信号传送完，并过了一段随机时间后，这两个节点便开始将信号恢复到零位。

第一个达到零位的工作站将首先对导线进行监听，当它监听到没有任何信息在传输时，便开始传输数据。

当第二个工作站恢复到零位后，也对导线进行监听，当监听到第一个工作站已经开始传输数据后，就只好等待了。

注意实际上，随机的时间是通过一种算法产生的，这种算法在IEEE802.3标准CSMA/CD文档第55页可以找到。

在CSMA/CD方式下，在一个时间段，只有一个节点能够在导线上传送数据。

如果其他节点想传送数据，必须等到正在传输的节点的数据传送结束后才能开始传输数据。

以太网之所以称作共享介质就是因为节点共享同一根导线这一事实。

2.4冲突域和广播域

我们知道，当以太网发生冲突的时候，网络要进行恢复（即处于回退阶段），此时网络上将不能传送任何数据。

因此，冲突的产生降低了以太网导线的带宽，而且这种情况是不可避免的。

所以，当导线上的节点越来越多后，冲突的数量将会增加。

在以太网网段上放置的最大的节点数将取决于传输在导线上的信息类型。

显而易见的解决方法是限制以太网导线上的节点。

这个过程通常称为物理分段。

物理网段实际上是连接在同一导线上的所有工作站的集合，也就是说，和另一个节点有可能产生冲突的所有工作站被看作是同一个物理网段。

经常描述物理网段的另一个词是冲突域，这两种说法指的是同一个意思。

由于各种各样的原因，网络操作系统（NOS）使用了广播。

TCP/IP使用广播从IP地址中解析MAC地址，还使用广播通过RIP协议进行宣告。

因此，广播存在于所有的网络上，如果不对它们进行适当的维护和控制，它们便会充斥于整个网络，产生大量的网络通信。

前面已经介绍过，广播的目标地址为ffff.ffff.ffff，这个地址将使所有工作站处理该帧。

因此，广播不仅消耗了带宽，限制了用户获取实际数据的带宽，而且也降低了用户工作站的处理效率。

在这种情况下，所有能够接收其他广播的节点被划分为同一个逻辑网段，也称为广播域。

一般来说，逻辑网段定义了第三层网络，如IP子网等。

2.5以太网的典型设备-HUB

在局域网（LAN-LocalAreaNetwork）中，每个工作站都通过某种传输介质连接到网络上。

一般情况下，服务器不会有很多网络接口卡（NIC）。

因此，不可能将所有的工作站都连接到服务器上。

因此，局域网中会使用HUB，这是网络中很常用的设备。

HUB是一种典型的采用以太网CSMA/CD机制的设备，其主要作用是：

•被用作网络设备的集中点

•放大信号

•无路径检测或交换

从HUB的作用可以看出，HUB对所连接的LAN只做信号的中继，工作在网络的物理层，连接在HUB上的所有物理设备相当于连接在同一根导线上，都处于同一个冲突域和广播域，参见图3。

因此，在网络设备很多的情况下，设备之间的冲突将会很严重，并且导致广播泛滥，严重影响网络地性能。

图3由HUB组成的网络

2.6全双工以太网

当两个以太网节点通过10baseT的电缆直接连接时，导线类似于图4。

在这种情况下，数据可以通过两种独立的路径传输和接收。

由于只存在两个节点，也就没有总线，所以就可以在同一时间对信息进行双向传输，而不会发生冲突。

在这种情况下，以太网称为全双工以太网。

为了实现全双工以太网，两个节点必须通过10baseT直接连接，而且NIC必须支持全双工。

图4全双工以太网

3二层交换机的基本原理

3.1二层交换机

顾名思义，所谓二层交换机，其进行转发的依据就是以太网帧的二层信息，即MAC地址且是帧的目的MAC地址。

交换机接收到一个以太网帧后，然后根据该帧的目的MAC，把报文从正确的端口转发出去，该过程称为二层交换，对应的设备称为二层交换机。

在这里稍微提一下，在二层交换机之前用于二层交换机的设备是透明网桥，它和二层交换机的最大区别就是：

透明网桥只有两个端口，而交换机的端口数目远远超过两个。

目前的交换机都采用硬件来实现其转发过程，该器件一般称为ASIC（ApplicationSpecificIntegratedCircuit），也俗称为交换引擎。

对于二层交换机来说，ASIC将维护一张二层转发表L2FDB（Layer2forwardingdatabase）。

表项的主要内容是MAC地址和交换机端口的对应关系。

图5即为二层交换机结构示意图。

图5二层交换机结构示意图

下面就详细了解一下二层交换机的转发过程，以图6为例进行说明。

交换机从端口1接收到一个以太网帧，其转发流程如下：

•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；

•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向交换机所有端口转发；

•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；

•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。

图6二层交换机的转发流程

现在我们来分析一下使用交换机构成的网络，其冲突域和广播域是怎样的？

性能如何？

由于以太网发生冲突是在网络的第一层，而交换机工作在网络的第二层即链路层，参见图7。

图7二层交换机工作在链路层

因此，二层交换机将网络的冲突域限制在了交换机的端口内（参见图8），也就是给网络划分成了若干个物理网段，每个端口一个物理网段，大大地减少了冲突对网络带来的影响，改善了网络的性能。

图8交换机的冲突域和广播域

然后，我们也必须要看到，交换机虽然可以有效地的限制冲突的发生，但对于广播无能为力。

对于大量的交换机构成的扁平网络（参见图9）而言，广播对网络性能的影响是显而易见的。

广播消耗了大量的网络带宽；

网络的安全性差，任何两台主机之间都可以相互访问。

图9由二层交换机构成的扁平网络

3.2支持VLAN的二层交换机

路由器基于第3层报头、目标IP寻址作出转发决定，不能对广播进行转发。

所以通过路由器可以限制广播的转发，形成更多的广播域或逻辑网段。

当然，路由器可以对网络进行物理分段，方式与交换机和网桥相同。

虽然，路由器能达到限制以太网广播域的作用，但其有一定的限制：

1）路由器成本较高；

2）路由器端口数目较少，一般不能满足二层网络的应用。

为此，在二层交换机中引入了VLAN的概念。

3.2.1VLAN的概念

我们知道，IEEE802.3给出了LAN/MAN参考模型（表1所示），LAN（LocalAreaNetwork）协议包括了OSI七层模型的低三层：

物理层、数据链路层和网络层。

其中，数据链路层又分为逻辑链路控制层（LLC）和媒体接入控制层（MAC）。

表1.LAN/MAN参考模型

OSI七层模型

IEEE802LAN/MAN参考模型

网络层

网间互联

数据链路层

逻辑链路控制层（LLC）

媒体接入控制层（MAC）

物理层

那么什么是VLAN呢？

VLAN-VirtualLocalAreaNetwork，称为虚拟局域网，是将一组位于不同物理网段上的工作站和服务器从逻辑上划分成不同的逻辑网段，在功能和操作上与传统LAN基本相同，可以提供一定范围内终端系统的互联和传输。

那么，使用VLAN能带来什么优点？

（1）限制了网络中的广播

一般交换机不能过滤局域网广播报文，因此在大型交换局域网环境中造成广播量拥塞，对网络带宽造成了的极大浪费。

用户不得已用路由器分割他们的网络，此时路由器的作用是广播的“防火墙”。

VLAN的主要优点之一是：

支持VLAN的LAN交换机可以有效地用于控制广播流量，广播流量仅仅在VLAN内被复制，而不是整个交换机，从而提供了类似路由器的广播“防火墙”功能。

（2）虚拟工作组

使用VLAN的另一个目的就是建立虚拟工作站模型。

当企业级的VLAN建成之后，某一部门或分支机构的职员可以在虚拟工作组模式下共享同一个“局域网”。

这样绝大多数的网络都限制在VLAN广播域内部了。

当部门内的某一个成员移动的另一个网络位置时，他所使用的工作站不需要做任何改动。

相反，一个用户改变不用移动他的工作站就可以调整到另一个部门去，网络管理者只需要在控制台上进行简单的操作就可以了。

VLAN的这种功能使人们以前曾设想过的动态网络组织结构成了为可能，并在一定程度上大大推动了交叉工作组的形成。

这就引出了虚拟工作组的定义。

对一个公司而言，经常会针对某一个具体的开发项目临时组建一个由各部门的技术人员组成的工作组，他们可能分别来自经营部，网络部，技术服务等。

有了VLAN，小组内的成员不用再集中到一个办公室了。

他们只要坐在自己的计算机旁就可以了解到其它合作者的开放情况。

另外，VLAN为我们带来了巨大的灵活性。

当有实际需要时，一个虚拟工作组可以应运而生。

当项目结束后，虚拟工作组又可以随之消失。

这样，无论是对用户还是对网络管理者来说，VLAN都是十分吸引人了。

（3）安全性

由于配置了VLAN后，一个VLAN的数据包不会发送到另一个VLAN，这样，其他VLAN的用户的网络上是收不到任何该VLAN的数据包，从而就确保了该VLAN的信息不会被其他VLAN的人窃听，从而实现了信息的保密

（4）减少移动和改变的代价

即所说的动态管理网络，也就是当一个用户从一个位置移动到另一个位置是，他的网络属性不需要重新配置，而是动态的完成，这种动态管理网络给网络管理者和使用者都带来了极大的好处，一个用户，无论他到哪里，他都能不做任何修改地接入网络，这种前景是非常美好的。

当然，并不是所有的VLAN划分方法都能做到这一点。

3.2.2VLAN的划分

（1）根据端口定义

许多VLAN设备制造商都利用交换机的端口来划分VLAN成员，被设定的端口都在同一个广播域中。

如图10，交换机上的端口被划分成了“工程部”、“市场部”、“销售部”三个VLAN。

这样可以允许VLAN内部各端口之间的通信。

图10基于端口VLAN的划分

按交换机端口来划分VLAN成员，其配置过程简单明了。

因此迄今为止，这仍然是最常用的一种方式。

但是，这种方式不允许多个VLAN共享一个物理网段或交换机端口，而且，如果某一个用户从一个端口所在的虚拟局域网移动到另一个端口所在的虚拟局域网，网络管理者需要重新进行配置，这对于拥有众多移动用户的网络来说是难以实现的。

（2）根据MAC地址划分VLAN

这种划分VLAN的方法是根据每个主机的MAC地址来划分，即对每个MAC地址的主机都配置他属于哪个组。

这种划分VLAN的方法的最大优点就是当用户物理位置移动时，即从一个交换机换到其他的交换机时，VLAN不用重新配置，所以，可以认为这种根据MAC地址的划分方法是基于用户的VLAN，这种方法的缺点是初始化时，所有的用户都必须进行配置，如果有几百个甚至上千个用户的话，配置是非常累的。

而且这种划分的方法也导致了交换机执行效率的降低，因为在每一个交换机的端口都可能存在很多个VLAN组的成员，这样就无法限制广播包了。

另外，对于使用笔记本电脑的用户来说，他们的网卡可能经常更换，这样，VLAN就必须不停的配置。

（3）根据网络层划分VLAN

这种划分VLAN的方法是根据每个主机的网络层地址或协议类型（如果支持多协议）划分的，虽然这种划分方法可能是根据网络地址，比如IP地址，但它不是路由，不要与网络层的路由混淆。

它虽然查看每个数据包的IP地址，但由于不是路由，所以，没有RIP，OSPF等路由协议，而是根据生成树算法进行桥交换，

这种方法的优点是用户的物理位置改变了，不需要重新配置他所属的VLAN，而且可以根据协议类型来划分VLAN，这对网络管理者来说很重要，还有，这种方法不需要附加的帧标签来识别VLAN，这样可以减少网络的通信量。

这种方法的缺点是效率，因为检查每一个数据包的网络层地址是很费时的（相对于前面两种方法），一般的交换机芯片都可以自动检查网络上数据包的以太网帧头，但要让芯片能检查IP帧头，需要更高的技术，同时也更费时。

当然，这也跟各个厂商的实现方法有关。

（4）IP组播作为VLAN

IP组播实际上也是一种VLAN的定义，即认为一个组播组就是一个VLAN，这种划分的方法将VLAN扩大到了广域网，因此这种方法具有更大的灵活性，而且也很容易通过路由器进行扩展，当然这种方