以太网交换技术 教案
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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
交换方式是端口间怎样实现按需的数据交换的方法& 1、基于端口的静态交换&
1234 56
7 8 9 10 1112
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&
31
32
端口号 MAC地址
1 LAN1 2 LAN2 3 LAN3
11 12 13 14 21 22 23 24 25 31 32
网桥端口—地址表
透明网桥的帧广播
广播帧: 1、以太网正常广播组播;网桥全部转发&
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?
大型网桥存在什么问题;解决方法?
生成树算法Spanning Tree Algorithm
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;
LAN1
LAN2 ×
LAN3
×
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
LAN4
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
2、基于MAC地址的动态交换&
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&
3、串并转 换;帧缓存和 CRC检验
取目的
地址
A
1234 56
1、串并转 换;帧缓存 和检验CRC
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&
网桥的可扩展性限制是根本的问题:
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&
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 1G1000MBaseT、GBIC端口或其它类型端口能力&
PC PC PC
1、交换机发展端口 密度高,价格低
8-24口交换机
Hub
PC Hub
2、通常Hub应用已 不多,但受用户增 加和布线限制还可 以使用。
PC PC
PC PC PC
2、部门级交换应用
当几个群组结合到更大部门时网络环境考虑分层: 接入层和汇聚层的网络环境&
根据需 求100M 或1G
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&
2、查端口地址表
7 8 9 10 1112 B
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
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 &
2.1.3 以太网特点和发展:
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、网络速度始终高于同时代的其它技术和实际应用需求;
受限于厂家的商业竞争中;IEEE 802工作组没有能制 订最佳LAN标准;而分别制定了Ethernet 802.4 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&
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;
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; 5、从企业级应用向运营商服务网络&
怎样理解以太网碰撞和后果? 怎样理解早期以太网交换机制和一般网络不同?
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&
S
12
1 网网桥桥1 2
网桥2
D
13
14
3
31
32
A
关机帧广播?
关机?
网桥存在问题
①大型闭合网络中;帧广播的无限循环;
A LAN1
B1
网桥1
B
网桥2 B2 LAN2
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
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&
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Spanning Tree Algorithm
LAN1
×
LAN2 桥根
指定桥
×
LAN3 LAN4
指定桥
LAN5
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&
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、 Spanning Tree Algorithm;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&
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&
8、Cache高速缓冲区: 端口或共享高速缓存区大小&
9、管理: 管理界面、远程、SNMPV2/3、其它管理 功能接入带宽、访问控制&
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&
2.2 以太网交换工作原理 2.2.1 以太网交换概述
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地址记录出错;无法正常转发工作;
端口号 MAC地址 LAN2 B B11 B21 A
网桥1端口—地址表Leabharlann A LAN1B11
网桥1
t1
B
t2
网桥2 LAN2
B21
当A向B发帧时;假设t1>t2;B先后收到2帧;
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&
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
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&
2.2.2 以太网网桥
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&
LAN1
LAN2
1980年DEC、Intel和Xerox提出了10Mb/s Ethernet 厂家规范DIX V1;1982年修改为DIX V2;
1983年IEEE 802工作组;制定了第1个 Ethernet工业 标准 IEEE 802.3;它和DIX V2只在帧结构上有微小差 别在传统头部后插入8字节IEEE LLC/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&
桥协议和生成树算法原理:
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&
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&
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
2.1.1 以太网技术发展
1975年Xerox PARC施乐Palo Alto Research Center推出第 1个2.94Mb/s的基带总线局域网;以Ethernet命名;
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&
LAN3
B1
B2
LAN1
远程桥接
LAN2
以太网中继器和网桥是早期扩展LAN的主要方法&
透明网桥功能
①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&
11
12
13
14
1 网网桥桥12
3
21
22
25
23 24
端口之间直 接物理连接
HUB
交换矩阵
端口之间可 控逻辑连接
共享型Hub
交换器
交换以太网特点:
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?
10、堆叠功能:扩展交换端口时2台或多台交换机联合&
11、VLAN功能&交换机灵活分组方法;下面章节介绍&
2.4.2 以太网交换机组网应用
1、 群组级交换应用
群组级交换应用通常是指一个办公室环境应用的网络; 一般规模小于20PC桌面;具有少量的办公室服务器;一 般OA、业务和上网环境&
Server
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
重点理解: 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
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
交换方式是端口间怎样实现按需的数据交换的方法& 1、基于端口的静态交换&
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7 8 9 10 1112
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&
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端口号 MAC地址
1 LAN1 2 LAN2 3 LAN3
11 12 13 14 21 22 23 24 25 31 32
网桥端口—地址表
透明网桥的帧广播
广播帧: 1、以太网正常广播组播;网桥全部转发&
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?
大型网桥存在什么问题;解决方法?
生成树算法Spanning Tree Algorithm
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;
LAN1
LAN2 ×
LAN3
×
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
LAN4
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
2、基于MAC地址的动态交换&
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&
3、串并转 换;帧缓存和 CRC检验
取目的
地址
A
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1、串并转 换;帧缓存 和检验CRC
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&
网桥的可扩展性限制是根本的问题:
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&
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 1G1000MBaseT、GBIC端口或其它类型端口能力&
PC PC PC
1、交换机发展端口 密度高,价格低
8-24口交换机
Hub
PC Hub
2、通常Hub应用已 不多,但受用户增 加和布线限制还可 以使用。
PC PC
PC PC PC
2、部门级交换应用
当几个群组结合到更大部门时网络环境考虑分层: 接入层和汇聚层的网络环境&
根据需 求100M 或1G
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&
2、查端口地址表
7 8 9 10 1112 B
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
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 &
2.1.3 以太网特点和发展:
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、网络速度始终高于同时代的其它技术和实际应用需求;
受限于厂家的商业竞争中;IEEE 802工作组没有能制 订最佳LAN标准;而分别制定了Ethernet 802.4 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&
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;
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; 5、从企业级应用向运营商服务网络&
怎样理解以太网碰撞和后果? 怎样理解早期以太网交换机制和一般网络不同?
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&
S
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1 网网桥桥1 2
网桥2
D
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3
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32
A
关机帧广播?
关机?
网桥存在问题
①大型闭合网络中;帧广播的无限循环;
A LAN1
B1
网桥1
B
网桥2 B2 LAN2
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
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&
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Spanning Tree Algorithm
LAN1
×
LAN2 桥根
指定桥
×
LAN3 LAN4
指定桥
LAN5
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&
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、 Spanning Tree Algorithm;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&
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&
8、Cache高速缓冲区: 端口或共享高速缓存区大小&
9、管理: 管理界面、远程、SNMPV2/3、其它管理 功能接入带宽、访问控制&
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&
2.2 以太网交换工作原理 2.2.1 以太网交换概述
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地址记录出错;无法正常转发工作;
端口号 MAC地址 LAN2 B B11 B21 A
网桥1端口—地址表Leabharlann A LAN1B11
网桥1
t1
B
t2
网桥2 LAN2
B21
当A向B发帧时;假设t1>t2;B先后收到2帧;
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&
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
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&
2.2.2 以太网网桥
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&
LAN1
LAN2
1980年DEC、Intel和Xerox提出了10Mb/s Ethernet 厂家规范DIX V1;1982年修改为DIX V2;
1983年IEEE 802工作组;制定了第1个 Ethernet工业 标准 IEEE 802.3;它和DIX V2只在帧结构上有微小差 别在传统头部后插入8字节IEEE LLC/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&
桥协议和生成树算法原理:
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&
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&
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
2.1.1 以太网技术发展
1975年Xerox PARC施乐Palo Alto Research Center推出第 1个2.94Mb/s的基带总线局域网;以Ethernet命名;
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&
LAN3
B1
B2
LAN1
远程桥接
LAN2
以太网中继器和网桥是早期扩展LAN的主要方法&
透明网桥功能
①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&
11
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14
1 网网桥桥12
3
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23 24
端口之间直 接物理连接
HUB
交换矩阵
端口之间可 控逻辑连接
共享型Hub
交换器
交换以太网特点:
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?
10、堆叠功能:扩展交换端口时2台或多台交换机联合&
11、VLAN功能&交换机灵活分组方法;下面章节介绍&
2.4.2 以太网交换机组网应用
1、 群组级交换应用
群组级交换应用通常是指一个办公室环境应用的网络; 一般规模小于20PC桌面;具有少量的办公室服务器;一 般OA、业务和上网环境&
Server
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
重点理解: 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