内部技术培训--以太网交换

目录1 以太网的历史 (2)1.1 以太网的由来 (2)1.2 以太网的现状 (2)2 以太网技术介绍 (2)2.1 网络的7层模型以及INTERNET的5层模型 (2)2.2 IEEE802.3模型 (3)2.3 以太网的几个特性 (4)2.4 以太帧格式 (5)2.5 以太网的接口类型和传输距离 (6)3 以太网技术的相关设备 (7)4 L2/L3交换体系结构概述 (10)4.1 典型的L2/L3交换体系结构分析 (10)4.2 MAC层芯片的逻辑框图 (11)4.3 交换结构的分类 (12)4.4 一个单片L2/L3交换芯片解决方案 (13)5 L2交换原理 (14)5.1 以太网交换机的两种转发模式 (14)5.2 L2交换原理中关键的几张表 (15)5.3 L2交换原理 (15)5.4 以太帧的转发流程 (18)5.5 组播业务以及L2交换机的组播原理 (18)6 L2交换机的主要功能 (21)6.1 基本功能 (21)6.2 支持的协议 (22)6.3 QOS及流量控制功能 (22)6.4 网管功能 (22)7 L2/L3交换的软件框架 (23)8 L2协议介绍 (24)8.1 STP协议 (24)8.1.1 生成树的作用 (24)8.1.2 生成树协议的一些重要概念 (25)8.1.3 生成树的运行举例 (26)8.2 GARP协议 (29)8.2.1 GARP（Generic Attribute Registration Protocol）概述 (29)8.3 TRUNKING协议 (30)1以太网的历史1.1以太网的由来以太网是Xerox公司发明的基带LAN标准，它采用带冲突检测的载波监听多路访问协议（CSMA/CD），速率为10Mbps,传输介质为同轴电缆。

以太网是在七十年代为解决网络中零散的和偶然的堵塞开发的，而IEEE 802.3标准是在最初的以太网技术基础上于1980年开发成功的。

现在，以太网一词泛指所有采用CSMA/CD 协议的局域网。

以太网2.0版由数字设备公司（Digital Equipment Corp） Intel 公司和 Xerox公司联合开发，它与IEEE 802.3兼容。

尽管以太网与IEEE 802.3标准有很多相似之处，但也存在一定的差别。

以太网提供的服务对应于OSI参考模型的第一层和第二层，而IEEE802.3提供的服务对应的OSI参考模型的第一层和第二层的信道访问部分（即第二层的一部分）。

IEEE 802.3没有定义逻辑链路控制协议，但定义了几个不同物理层，而以太网只定义了一个。

另外IEEE802.3 的帧格式与以太网II的帧格式也不完全相同，现在的以太网设备一般都兼容这两种帧格式。

1.2以太网的现状从速率等级来看以太网技术经历了10M、100M、千兆和10G以太网4个阶段，目前千兆速率以下IEEE802.3都已经定义了相关的标准，10G以太网技术标准预计快要出台，但是目前已经有一些厂商推出了10G以太网设备，比如CISCO，Juniper等。

从应用角度来看，最初以太网技术用于局域网，主要是当时以太网的传输距离仅仅局限在几百米，随着以太网传输距离的扩大，特别是以太网的长距离光纤传输技术的出现，以太网技术应用的范围已经突破局域网的范围，以太网技术已经成为城域宽带接入的一种主要技术。

从技术融合角度来看，由于以太网技术的经济性和技术的简单性，非常方便承载IP业务，因此在数据业务与时分业务的融合中也扮演着非常重要的角色，目前已经有以太网OVER VDSL，以太网OVER SDH等几种技术。

2以太网技术介绍2.1网络的7层模型以及INTERNET的5层模型等。

TCP/IP协议本身是与数据链路层和物理层无关的，TCP/IP协议栈可以架构在以太网技术上，也可以是令牌环网。

2.2IEEE802.3模型下图是以太网技术与网络模型的关系：2.3以太网的几个特性1）以太网的广播特性：以太网属于广播网络，也就是处于同一个以太网的所有的工作站都可以收到其他工作站发送到网上的信息帧。

每个工作站都要确认该信息帧是否是发送给自己的，一旦确认是发给自己，就将它发送到高一层的协议层，否则就丢弃。

2）以太网的半双工和全双工传输特性半双工就是节点的发送和接收采用同一条传输线，这样同时只能是一个节点发送数据，其他节点处于接收状态，以太网处于半双工状态时，一个以太网段上允许有多个网络节点。

全双工就是节点的发送和接收是分开的两条传输线，全双工只限于两个网络节点之间，其中一个节点的发送连接另一个节点的接收。

Tx Tx3）CSMA/CD工作特性最初以太网技术传输时采用半双工方式，这样就有可能出现几个节点同时发送数据的情况，这就发生了冲突，在物理层面上来看就是冲突点的电平变成两个数据电平的和。

因此需要有一种技术来侦听网络是否空闲，是否允许某个节点发送数据，同时在发生冲突时能够检测到，以便重新发送该数据帧。

以太网技术采用了CSMA(载波侦听多路访问)/CD（冲突检测）技术。

在采用CSMA/CD传输介质访问的以太网中，任何一个CSMA/CD LAN工作站在任何一时刻都可以访问网络，发送数据前，工作站要侦听网络是否堵塞，只有检测到网络空闲时，工作站才能发送数据。

工作站在发送数据帧时需要等待一个时间片的时间，用来检测刚才发送出去的帧是否发生冲突，这个时间片的长度是根据位于最远的两个工作站发送的数据发生冲突被检测到所需要的时间得出的。

在基于竞争的以太网中，只要网络空闲，任一工作站均可发送数据，当两个工作站发现网络空闲而同时发出数据时，就发生冲突。

这时，两个传送操作都遭到破坏，工作站必须在一定时间后重发，何时重发由延时算法决定，以太网采用的是二进制指数退避算法。

每次退避的时间间隔的算法如下：对每个帧，当第一次发生冲突时设置参数L=2，退避间隔取1至L个时间片的一个随机数，当帧再次发生冲突时，参数L被翻倍。

对于全双工的情况由于接收和发送已经被分离开，因此肯定不会发生冲突，所以在全双工的情况下就不需要CSMA/CD的机制了。

2.4以太帧格式1）前导同步符由7个字节的前同步信号和一个分界符开始字节构成。

2）DA/SA总共48个Bits前3个字节代表供应商代码，后3个字节代表厂商序列号3）类型/长度：为类型时，表示是Ethernet II帧结构，类型取值大于1536，为长度时表示IEEE802.3帧结构4）数据区：为第三层协议，不支持VLAN标记时，长度为46－1514字节，支持VLAN标记时，由于增加了4个字节，长度为50-1518字节5）FCS：是帧校验6）TPID：标记协议标识符，2个字节，值位16进制的8100。

//一定是8100 ?7）TCI：标记控制信息，包括3个Bits的用户优先级（IEEE802.1P）,1Bits的规范格式标识符（CFI）,用于标识MAC地址是否规范，12Bits的VID,表示该帧所属的VLAN2.5以太网的接口类型和传输距离3 以太网技术的相关设备I] 一层设备：代表设备是HUB ，作用于7层网络模型的第1层，物理层，主要用于电信号的放大，以增加传输距离。

一层设备不存在交换。

以太网HUB 工作于半双工状态，HUB 连接的所有主机同时只能有一台主机发送以太帧，并且所有的主机都能够接收到这个帧，所有的端口处于同一个冲突域，整个HUB 的带宽是所有端口共享的，就是HUB 中速率最低的那个端口的容量。

现在有些HUB 也处理第二层的内容，但是它只是从物理信号中还原出以太帧，然后重新发送，因此它能够做到10/100M 自适应，但是所有的端口仍旧属于同一个冲突域。

冲突域：指在这么一个以太网区域，这个区域可能有一个或者多个工作站，但是这个区域内的工作站同时只能有一个工作站发送数据帧。

II]两层交换：代表设备是2层以太网交换机，作用于7层网络模型的第2层，数据链路层，它的基本原理是以数据链路层的地址作为数据帧在多个端口之间交换的判据，比如，对于以太网，采用以太网的数据链路层地址MAC地址为交换判据，构成了2层以太网交换机。

最初的2层以太网交换机相当于一个多端口的桥接器，它的主要作用就是隔离冲突域，以太网交换机的所有端口可以同时发送以太帧，交换机的带宽是所有端口独享的，因此交换机的带宽是所有端口的带宽的总和。

但是以太网交换机无法隔离广播域，所有的端口都属于同一个广播域，一台主机发送一个广播帧，以太网交换机会向所有的端口转发。

后来为了隔离广播域，出现了VLAN，一个交换机可以根据端口划分为几个VLAN，每个VLAN是一个广播域，属于不同VLAN的端口之间是不能通讯的，需要外接路由器进行VLAN间的通讯。

广播域：指在这么一个以太网区域，这个区域可能有一个或者多个工作站，如果这个区域内的某个工作站发送了一个广播帧（MAC地址为全F），区域内的其他工作站都应该能够接收到这个广播帧。

III]三层交换：代表设备路由器（一般称为路由）、多层交换机（指即支持2层交换又支持3层交换的交换机），作用于7层网络模型的第3层，网络层，它的基本原理是以网络层的地址作为数据包在多个端口之间交换的判据，比如对于INTERNET网络，采用网络层IP的地址作为交换的判据。

路由器的每个端口称为路由器的一个接口，每个接口属于不同的子网，路由器的作用就是在这些子网间转发IP包，路由器的作用是隔离广播域以及在不同种类的网络中交换IP包，比如路由器的接口有以太网接口、令牌环接口、ISDN的接口、DDN的接口。

L2/L3层交换机将L2交换和L3路由功能综合在一起，并且L3路由功能一般采用硬件转发方式，L3的转发效率比较高。

L2/L3交换机的路由模块与路由器不一样，连接的是虚接口，这些虚接口与VLAN 是一一对应的。

IV] 四层至七层交换：代表设备流量均衡交换机，或者应用层交换机，以目的IP 地址加上TCP/UDP 协议即其端口号作为转发判据，称为4层交换，有一些甚至能够根据应用层协议的特征作为转发判据，比如HTTP 协议的COOKIE 等。

4 L2/L3交换体系结构概述4.1 典型的L2/L3交换体系结构分析目前的L2/L3交换芯片一般采用分布式交换的体系结构，主要包括：CPU（带管理的交L2交换机L2/L3交换机换机）或者EEPROM（不带管理的交换机）、交换结构、MAC芯片、物理层芯片几个部分，如果是提供光口还需要光模块。

其中的核心是MAC芯片，实现了MAC源地址学习和L2层以太帧转发，以及流量控制功能，如果是L3芯片，则在MAC层芯片中还有路由模块。

所有的2层地址学习、2层转发和3层路由都是分散在各个MAC芯片中完成的。

虽然地址学习是分散在各个芯片中完成的，但是系统中的所有MAC芯片会通过内部通讯协议通过交换结构互相交换地址学习信息，使得整个系统中的地址学习表是统一的。