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DA000002以太网技术原理ISSUE30
课程DA000004
以太网技术原理
ISSUE3.0
目录
第1章以太网的基本概念1
1.1以太网的MAC地址2
1.2以太网帧结构3
1.3以太网原理---CSMA/CD6
1.4最小帧长与最大传输距离7
1.5共享式以太网传输介质8
1.6共享式以太网的缺点9
第2章HUB和L2交换机出现10
2.1从同轴电缆到双绞线10
2.2传统以太网连接设备HUB11
2.3所有的HUB都是半双工的12
2.4冲突域13
2.5由HUB组建以太网的实质14
2.6L2工作模型15
2.7基于源地址学习16
2.8基于目的地址转发17
2.9最小帧长与最大传输距离18
2.10正确答案19
2.11正确答案20
2.12三种交换模式21
2.13全双工简述22
2.14正确答案23
2.15自动协商实现基础24
2.16编码支持能力25
2.17协商原则26
2.18编码支持能力27
2.19全双工和L2交换机的缺点28
第3章VLAN和L3交换机出现29
3.1VLAN的起源——基于端口分组29
3.2VLAN技术的有点和缺点30
3.3解决办法
(一)31
3.4解决办法
(二)32
3.5(L2+路由器)模式的缺陷33
3.6解决办法(三)34
3.7什么是三层交换机35
3.8路由器与交换机的接口36
3.9选择二层交换或三层交换37
3.10三层交换机的应用38
3.11低端的路由器和L3的区别39
3.12二个问题40
3.13L3交换机41
第4章GE/10GE以太网出现42
4.1千兆以太网物理层―8B10B编码42
4.2代码组43
4.3有序集和数据封装44
4.4千兆以太网有序集示例45
4.5GE对以太网技术的深远影响46
4.6三层交换机47
4.7大型L3与GSR的融合趋势48
第1章以太网的基本概念
“以太网”一词是指以CSMA/CD作为MAC算法的一类LAN。
1973年,位于加利福尼亚PaloAlto的Xerox公司提出并实现了最初的以太网。
RobertMetcalfe博士被公认为以太网之父,他研制的实验室原型系统运行速度是2.94兆字节每秒(3Mb/s)。
这个实验性以太网(在Xerox公司中被称为“X-Wire”)用在了Xerox公司早期的一些产品中,包括世界上第一台配备网络功能、带有图形用户接口的个人工作站[1]—XeroxAlto。
Xerox没能成功地将Alto或3Mb/s以太网商品化。
这两项实验性技术几乎完全保留在Xerox公司内部,没有向外部传播。
1979年,Xerox与DEC公司(DigitalEquipmentCorporation)联合起来,致力于以太网技术的标准化和商品化,并促进该项技术在网络产品中的应用。
这是一个很理想的组合:
Xerox有专利和技术,而DEC是当时最大的网络计算机供应商。
为了能确保容易地将商品化以太网集成到廉价芯片中,在Xerox的要求下,Intel公司也加入了这个联盟,负责提供这方面的指导。
由它们组成的DEC-Intel-Xerox(DIX)三驾马车,1980年9月开发并发布了10Mb/s版的以太网标准[DIX80]。
这个标准所支持的唯一一种物理介质是粗同轴电缆。
1982年,发布了该标准的第2版。
这一版以太网对信令做了略微修改,并增加了网络管理功能。
1.1以太网的MAC地址
MAC地址有48位,但它通常被表示为12位的点分十六进制数。
MAC地址全球唯一,由IEEE对这些地址进行管理和分配。
每个地址由两部分组成,分别是供应商代码和序列号。
其中前24位二进制代表该供应商代码。
剩下的24位由厂商自己分配。
如果48位全是1,则表明该地址是广播地址。
2.如果第8位是1,则表示该地址是组播地址。
在目的地址中,地址的第8位表明该帧将要发送给单个站点还是一组站点。
在源地址中,第1位必须为0。
(因为一个帧是不会从一组站点发出的)
站地址要唯一确定是至关重要的,一个帧的目的地不能是模糊的。
地址的唯一性可以是:
局限于本网络内,保证地址在某个特定LAN中是唯一的,但不能保证在相互连接的LAN中是唯一的。
当使用局部唯一地址时,要求网络管理员对地址进行分配全局的。
保证地址在所有的LAN中,在任何时间,以及对于所有的技术都是唯一的,这是一个强大的机制,因为:
(1)使网络管理员不必为地址分配而烦恼;
(2)使得站点可以在LAN之间移动,而不必重新分配地址;
(3)可以实现数据链路网桥/交换机。
全局唯一地址以块为单位进行分配,地址块由IEEE管理。
一个组织(一般是制造商)从IEEE获得唯一的地址块(称为一个组织的唯一标识符,OrganizationallyUniqueIdentifier,OUI),并可用该地址块创建224(16777216)个设备。
那么保证该地址块中地址(最后3个字节)的唯一性就是制造商的责任。
地址中的第2位指示该地址是全局唯一还是局部唯一。
除了个别情况,历史上以太网一直使用全局唯一地址。
1.2以太网帧结构
在这个图中,DMAC代表目的终端的MAC地址,SMAC代表源MAC地址,而LENGTH/TYPE字段则根据值的不同有不同的含义:
当LENGHT/TYPE>1500时,代表该数据帧的类型(比如上层协议类型),当LENGTH/TYPE<1500时,代表该数据帧的长度。
DATA/PAD则是具体的数据,因为以太网数据帧的最小长度必须不小于64字节(根据半双工模式下最大距离计算获得的),所以如果数据长度加上帧头不足64字节,需要在数据部分增加填充内容。
FCS则是帧校验字段,来判断该数据帧是否出错。
上面介绍了数据的发送过程,下面说一下数据接收过程:
在计算机的网卡中维护一张接收地址列表,每当计算机网卡接收到一个数据帧之后,就把数据帧的目的MAC地址提取出来,跟列表中的条目进行比较,只要有一项匹配,则接收该数据帧,若无任何匹配的项目,则丢弃该数据帧。
在这张接收地址列表中至少有下面两项:
计算机网卡的MAC地址:
该地址固化在网卡的ROM里面;
广播MAC地址:
该地址代表网络上的所有主机。
如果上层应用程序加入一个组播组,则该应用程序会通知网络层,然后网络层通知数据链路层,数据链路层根据应用程序加入的组播组形成一个组播MAC地址,并把该组播MAC地址加入接收地址列表,这样当有针对该组的数据帧的时候,MAC子层就接收该数据帧并向上层发送。
这个组播过程在以后会详细讲解。
在上面的介绍中提到了MAC子层形成的一个帧结构,其中有一个字段是LENGTH/TYPE。
这个字段的长度是2字节,根据取值的范围有不同的含义,在小于或等于1500的情况下,该值代表数据帧数据部分的长度,但当大于1500的时候,则代表该帧的数据部分的类型,比如该数据帧是哪个上层协议(比如IP,IPX,NETBEUI等)的数据单元等。
当LENGTH/TYPE取值大于1500的时候,MAC子层可以根据LENGTY/TYPE的值直接把数据帧提交给上层协议,这时候就没有必要实现LLC子层。
这种结构便是目前比较流行的ETHERNET_II,大部分计算机都支持这种结构。
注意,这种结构下数据链路层可以不实现LLC子层,而仅仅包含一个MAC子层。
根据LENGTH/TYPE字段的取值,来把接收到的数据帧提交给上层协议模块,是这样进行的:
每个上层协议都提供了一个回调函数,这个回调函数在数据链路层是可见的而且可以调用的,这样当数据链路层接收到一个数据帧之后,根据数据帧里的LENGTH/TYPE字段的取值来判断相应的协议模块,然后调用相应协议的回调函数(把数据帧的数据部分作为参数),该回调函数执行的结果就是把数据帧的数据部分挂到上层协议的接收队列中,然后给上层协议发送一个消息,告诉上层协议有一个数据包到来,然后返回,其他的事情就有上层协议来做了。
当LENGTH/TYPE小于或等于1500的情况,这种类型就是所谓的ETHERNET_SNAP,是802.3委员会制定的标准,虽然目前应用不是很广泛,但是是一种很有特色的标准。
ETHERNET_SNAP除了定义传统的链路层服务之外,还增加了一些其他有用的特性,比如定义了下面三种类型的点到点传输服务:
●无连接的数据包传输服务:
目前的以太网实现就是这种服务;
●面向连接的可靠的数据传输服务:
预先建立连接再传输数据,数据在传输过程中可靠性得到保证;
●无连接的带确认的数据传输服务:
该类型的数据传输服务不需要建立连接,但它在数据的传输中增加了确认机制,使可靠性大大增加。
这些服务都是在LLC子层中实现的,下面是LLC子层的帧格式:
图1-1LLC子层格式
可以看出,该数据帧的结构在MAC子层上是保持统一的,但MAC子层数据帧的LENGTH/TYPE字段现在已经完全成了LENGTH,指示MAC数据帧数据部分的长度,然后在数据部分增加了一个LLC头,这个头由DSAP(目的服务访问点),SSAP(源服务访问点)和控制字段组成。
上面讲述的三种服务就是通过这三个字段完成的。
下面通过一个例子来说明SSAP和DSAP的应用,假设终端系统A和终端系统B要使用面向连接的可靠的数据传输服务来进行一次数据传输,这时候会发生如下过程:
(4)终端系统A给终端系统B发送一个数据帧,请求建立一个面向连接的可靠连接;
(5)终端系统B接收到以后,判断自己的资源是否够用(即是否建立了太多的连接),如果够用,则返回一个确认,该确认中包含了识别该连接的SAP值;
(6)终端系统A接收到回应后,知道终端系统B已经在本地建立了跟自己的连接,于是终端系统A也开辟一个SAP值,来表示该连接,并发一个确认给终端系统B,于是该连接建立;
(7)终端系统A的LLC子层把自己要传送的数据进行封装(封装成LLC子层的帧格式),其中DSAP字节填写的是终端B返回的SAP,SSAP字节填写的是自己开辟的SAP,然后发给MAC子层,MAC子层加上MAC地址和LENGTH字段之后,发送到数据链路上;
(8)终端系统B的MAC子层接收到该数据帧之后,提交给LLC子层,LLC子层根据DSAP字段判断出该数据帧属于的连接,然后根据该连接的类型(可靠的连接还是无连接,或者带确认的无连接)进行相应的校验和确认,只有通过这些校验和确认后,才向更上层发送;
(9)数据传输完毕之后,终端系统A给终端系统B发送一个数据帧来告诉终端系统B拆除连接,于是通信结束。
这些功能都是在LLC子层实现的,通过这个例子,我们应该对LLC的功能有了一个了解,也应该把LLC子层和MAC子层的界面分清楚,当然,这些LLC子层的功能对网络层都是透明的。
问题:
就是LLC子层根据什么内容来把数据帧提交给网络层?
在ETHERNET_II中,是通过LENGTH/TYPE字段来区分上层协议的,其实,在LLC子层的帧结构的数据部分中,也包含一个TYPE字段,该字段在上面的图中没有画出来,LLC子层就是根据这个字段来把数据帧发送给上层协议的。
1.3以太网原理---CSMA/CD
CSMA/CD—载波侦听多路访问/冲突检测,是一种在共享介质条件下多点通讯的有效手段,其基本规则如下:
(10)若介质空闲,传输;否则,转2);
(11)若介质忙,一直监听到信道空闲,然后立即传输;
(12)若在传输中测得冲突,则发出一个短小的人为干扰(jamming)信号,使得所有站点都知道发生了冲突并停止传输;
(13)发完人为干扰信号,等待一段随机的时间后,再次试图传输,回到1)重新开始。
总之,我们可以从三点来理解CSMA/CD:
1.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。
2.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。
3.CD:
冲突检测。
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。
1.4最小帧长与最大传输距离
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。
高层协议要保证这个域至少包含46字节。
最小帧长(64字节):
由最大传输距离和冲突检测机制共同决定。
那么规定最小帧长是为了避免这种情况发生:
某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一个站点。
而站点认为线路空闲而发送数据,导致冲突。
如果实际数据不足46个字节,则高层协议必须执行某些(未指定)填充算法。
数据域长度的上限是任意的,但已经被设置为1500字节。
对于是否增大以太网帧的最大长度,以及对信道访问和帧出错率的影响有许多赞同或反对的意见。
但是,1500字节最大长度的真正原因是1979年(10Mb/s以太网正在设计之中)的内存成本以及低成本的LAN控制器的缓冲区要求。
对于进一步的详细信息,参阅[SEIF91]。
1.5共享式以太网传输介质
在刚萌芽时期的以太网是共享式以太网,当时存在常见几种传输介质:
10Base5:
粗同轴电缆(5代表电缆的字段长度是500米)
10Base2:
细同轴电缆(2代表电缆的字段长度是200米)
但是在共享式以太网之时,使用一种称为抽头的设备建立与同轴电缆的连接。
须用特殊的工具在同轴电缆里挖一个小洞,然后将抽头接入。
此项工作存在一定的风险:
因为任何疏忽,都有可能使电缆的中心导体与屏蔽层短接,导致这个网络段的崩溃。
同轴电缆的致命缺陷是:
电缆上的设备是串连的,单点的故障可以导致这个网络的崩溃。
1.6共享式以太网的缺点
在共享式以太网中,所有的主机都以平等的地位连接到同轴电缆上,但如果以太网中主机数目较多,则存在以下严重问题:
(14)介质可靠性差
(15)冲突严重
(16)广播泛滥
(17)无任何安全性
实际上,LAN的最初概念是提供一种方法,允许多台设备共享一个公共通信信道。
20世纪80年代,在底层通信技术没有任何变化的情况下,计算能力特别是桌面机的计算能力有了巨大的进步。
到了90年代,10Mb/s信道又变成通信的制约因素。
由于计算能力(加上接入LAN的计算机数量)的增长,通信信道的利用率也增加了,信道有时甚至会发生拥塞。
这又表明制约性能的主要因素是通信信道,而不是接入的计算机。
在这种情况下,增加LAN容量可以改善用户端的性能。
为达到这个目的,可以增加LAN的数据传输率,或者对网络进行分段。
也就是说,把拥有大量设备的单个LAN变成几个拥有少量设备的小规模LAN,网络分段增加了网络的总容量。
LAN分段传统上由网桥来实现。
第2章
HUB和L2交换机出现
2.1从同轴电缆到双绞线
上面我们讲了由于共享式以太网主要的问题是介质的可靠性太差,故在80年代末期,非屏蔽双绞线(UTP)出现,并迅速得到广泛的应用。
相比较早期所用的介质,UTP的巨大优势在于:
(18)价格低廉,只有同轴电缆的几分之一
(19)制作简单,成功率高
(20)收发使用不同的线缆,为实现全双工奠定了物质基础
(21)逻辑拓扑依旧是总线的,但物理拓扑变为星形,使单段线缆的故障不会影响到这个网络。
2.2传统以太网连接设备HUB
从共享式以太网发展到交换式以太网过渡时期,出现了中继器和集线器两种互连的网络设备。
这两种设备基本原理都一样,那么单独讲解一下集线器。
其实集线器(HUB)和中继器都是物理层上的连接设备,那为什么这样说呢?
接下去我们共同来学习一下集线器的工作原理。
2.3所有的HUB都是半双工的
其实集线器(HUB)工作原理很简单:
从任何一个接口收到的数据帧(不管是单播还是广播)不加选择地转发给其它的任何端口(除接收的那个端口外)。
故可以这样说集线器(HUB)和中继器仅仅改变了以太网的物理拓扑,如此而已。
2.4冲突域
总而言之,集线器(HUB)和中继器对所连接的LAN只做信号的中继。
在这里我们需定义一下冲突域和广播域的概念。
冲突域:
共享相同的信息通道的站点的集合。
广播域:
某站点发出的广播,都能收到这些站点的集合。
所以集线器(HUB)和中继器既不能隔离广播域也不能隔离冲突域。
2.5由HUB组建以太网的实质
从上面的所讲的内容中,我们可以知道由集线器(HUB)和中继器组建以太网的实质是依然是一种共享式以太网,故共享式以太网所具有的弊端它基本上都有。
仍然存在以下缺陷:
(22)冲突严重
(23)广播泛滥
(24)无任何安全性
2.6L2工作模型
既然集线器(HUB)存在以上问题,我们一起来看看以太网交换机。
以太网交换机是我们现在组建以太网的必备的设备。
接下去讲讲以太网交换机(另称多端口网桥)。
相比较HUB而言,交换机是工作在数据链路层的设备。
为什么这么说呢?
主要是以太网交换机或者网桥需要完成三个基本功能:
(25)MAC地址学习;
(26)转发和过滤决定;
(27)环路的避免。
在这个课程里,我们主要学习前二。
至于第三点,我们单独会用一章来讲。
2.7基于源地址学习
先看一下MAC地址学习。
网桥转发数据帧是基于MAC地址表.而MAC地址表是网桥基于源MAC地址学习得到的。
常见2层交换机的MAC地址表是由MAC地址和交换机的端口建立的映射关系的。
这里我们需要强调的是:
网桥侦听数据帧的源地址,交换机每个端口都监听接收到的数据帧源地址。
初始化时,交换机的MAC地址表是空。
下面我们举个例子来说明。
如图所示:
站点A要发一个帧给站点D;交换机从端口1接收到这个帧,首先查看目的MAC地址,再查看交换机里cache的MAC地址表,但这时候的MAC地址表是空的,那交换机会这么做呢?
把这个数据帧向任何端口转发出去(除接收这个帧的端口1),在这时还要查看这个帧源MAC地址,把端口1和站点A的MAC建立映射关系(这个帧的源MAC地址就是站点A物理地址)。
这样依次类推,每个站点都跟所直接连接的端口建立好映射关系,从而形成一张MAC地表。
2.8基于目的地址转发
在这张胶片里,我们讲一下交换机的第二个基本功能;
查MAC转发表处理转发
对于表中不包含的地址,通过广播的方式转发;
使用地址自动学习和老化机制进行地址表维护。
一般不对帧格式进行修改(VLAN要对帧格式进行修改,打上TAG标签)
2.9二层交换机原理
我们在这里总结一下:
(28)接收网段上的所有数据帧;
(29)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;
(30)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,如果找不到,就向所有的端口发送(除接收这数据帧的端口);
(31)向所有端口转发广播帧和多播帧。
2.10正确答案
正确答案:
(32)接收网段上的所有数据帧;
(33)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。
(34)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,就向所有的端口发送(不包括源端口);
(35)向所有端口转发广播帧和多播帧(不包括源端口)。
2.11正确答案
从这个端口接收的报文,肯定被这个端口所在的网段已知,所以没有必要从这个端口再发送一遍。
不仅仅是没有必要的问题,而是一定不能再发送,因为这样一个报文会在网段中出现两次。
造成严重错误
2.12三种交换模式
那么交换机对接收来的数据帧会采用什么样的交换模式?
到目前为止,仅有三种交换模式:
(36)直通模式;
●交换机接收到目的地址即开始转发过程。
●优点:
延迟小;
●缺点:
交换机不能检查出数据帧的错误;
(37)储存转发模式;
●交换机将全部内容接收才开始转发过程。
●优点:
交换机检查出数据帧的错误,不会有错帧;
●缺点:
延迟大;
(38)帧自由模式;
●交换机接收完数据包的前64字节(一个最短帧长度),然后根据头信息查表转发。
●优点:
结合了直通模式和储存转发模式的优点;
●缺点:
延迟介于直通模式和储存转发模式之间;
2.13全双工简述
在有交换机取代了集线器来组建以太网后,以太网由共享式跳跃到交换式,可以说以太网技术又前进了一大步。
但不仅仅在此,而且传输数据帧的效率大大提高了。
用全双工代替了半双工。
(39)实现全双工的物质保证:
支持全双工的网卡芯片+收发线路完全分离物理介质+点到点的连接(HUB都是半双工的)。
(40)全双工对以太网技术的影响
最大吞吐量达到双倍速率;
从根本上解决了以太网的冲突问题,以太网从此告别CSMA/CD。
(41)支持全双工的设备
最近10年制造的网卡、L2、路由器,HUB除外。
2.14自动协商
在基于双绞线的以太网上,可以存在许多种不同的运做模式,在速度上有10M,100M不等,在双工模式上有全双工和半双工等,如果对每个接入网络的设备进行配置,则必然是一项很繁重的工作,而且不容易维护。
于是,人们提出了自动协商技术来解决这种矛盾。
2.15自动协商实现基础
自动协商建立在一种底层的以太网机制上。
在双绞线链路上,如果没有数据传输,链路并不是一直在空闲,而是不断的互相发送一种频率相对较低的脉冲信号(称为普通链路脉冲,NLP)(如上图所示),任何具有双绞线接口的以太网卡都应该能识别这种信号。
需要注意的是,如果再插入一些(一般是16个)更小的脉冲(这些脉冲称为快速链路脉冲,FLP),两端设备应该也能识别。
于是,我们可以使用这些快速链路脉冲来进行少量的数据传输,来达到自动协商的目的。
2.16编码支持能力
在设备的网卡中有一个配置寄存器,该寄存器内部保留了该网卡能够支持的工作模式,比如该网卡可以支持100M和10M模式下运行,则把相应的寄存器内容置位。
在网卡加电后,如果允许自动协商,则网卡就把自己的配置寄存器内容读出来,编码后发送出去(如上图所示)。
发送的同时,可以接收对端发送过来的自动协商数据。
接收到对方发送的自动协商数据后,跟自己的配置寄存器比较,选择自己支持的且一般情况下最优的组合投入运行。
比如自己支持全双工模式和100M的速率,对端也支持该配置,则选择的运行模式就是100M全双工,如果对端只支持全双工模式和10M的能力,则运行模式就定为全双工10M模式。
如果两端支持的能力集合不相交,则协商不通过,两端设备不能通信。
2.17协商原则
一旦协商通过,网卡就把该链路置为激活状态,可以传输数据了,如果不能协商通过,则该链路不能使用,不能再进行数据传输。
如果两端的设备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。
注意:
如果链路两端的设备有一端不支持自动协商,则支持自动协商的设备选择一种默认的工作方式,比如10M半双工模式运行。
这时可能影响了效率,因为不支持自动协商的设备可能支持100M全双工。
这时,我们可以禁止自动协商,并手工指定两端设备的运行模式,以增强效率。
2.18编码支持能力
前面我们已经学习了什么是冲突域和广播域,另外集线器既不能
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