以太网和交换机基础讲解

以太网基础
以太网发展
1982年IEEE802.3标准的出现，标志着以太网技术标准的 起步。802.3标准规定以太网是以10Mbps的速度运行， 采用CSMA/CD)介质存取控制（简称为MAC）协议在共 享介质上传输数据的技术 此时，以太网的组网设备基本采用HUB集线器 （10M/Half Duplex），它是一种共享式的设备 所谓Half-Duplex半双工，即数据的收发使用相同的信道， 收发不能同时进行，效率较低
单播 PC1单播S1SW3交换机基础
交换机的环路问题（续）
某些情况下，可能会出现冗余环路；PC1访问PC2时，来 看看会出现什么问题 广播 无论SW有没有PC2的MAC表项，广播包会在环路中无 限转发，而且没有类似TTL的机制的控制，就形成了广播风 暴
SW2 PC2 广播 PC1 广播
HUB Switch Router
当组网设备为HUB、 SW、RT是，冲突域 分别是多少个？
以太网基础
域的概念（续）
广播域 接收同样广播消息的节点的集合。许多设备都极易产生广 播，所以如果不维护，就会消耗大量的带宽，降低网络的 效率。广播域被认为是OSI中的第二层概念，所以象Hub， Switch等一，二层设备连接的节点被认为都是在同一个广 播域。而Router等第三层交换机则可以划分广播域，即可 以连接不同的广播域
以太网基础
以太网发展（续）
1995年，通过了IEEE802.3u规范，标志着以100Mbps的 速度运行的快速以太网时代的来临； 1998年，IEEE802.3z规范的通过，又使以太网达到了 1000Mbps，即1Gbps带宽； 2002年，又通过了IEEE802.3ae，标志着万兆以太网的 诞生 快速以太网FE、千兆以太网GE、万兆以太网TE 高速的以太网兼容较低速的网络
目录
概述
以太网基础 交换基本原理 ARP原理 实验与练习 小结
交换机基础
什么是以太网交换机？
交换机是一种基于MAC（网卡的硬件地址）识别，能完成 封装转发数据帧功能的网络设备 交换机的基本功能： MAC地址自动学习 根据MAC地址表进行数据帧的转发
交换机基础
以太网帧结构
以太网帧是交换机识别转发的基本单位，其基本结构如 何呢？ Src/Dst Address 源、目的MAC地址，表示该帧来自何方，去往何处； 合法长度为2或6Bytes，但应用中均为6Bytes Length/Type Code 如果该值≤1500，则表示payload载荷的长度；如果 ≥1536，则表示payload的协议类型 Payload 以太网帧承载的内容
以太网基础
介质/线缆（续）
双绞线 双绞线是现在最常见的传输介质，它由两条相互绝缘的铜 线组成。两根线绞接在一起可以防止其电磁感应在邻近线 对中产生干扰信号。 双绞线有屏蔽（shielded）和非屏蔽（Unshielded）双 绞线UTP两种，根据性能又可分为5类、6类和7类 应用最普遍的是5类非屏蔽双绞线，其频率带宽为100MHz， 传输距离一般为100米左右
交换机基础
什么是以太网交换机？（续）
根据MAC表进行转发 由于VLAN和组播等内容对交换机的工作流程会产生较 大影响，请在后续的相关中再次比对此流程
交换机基础
什么是以太网交换机？（续）
根据MAC表进行转发
收到Frame
MAC表中有 源地址？ Yes 对应端口 相同？ Yes
No
加入MAC表 MAC+Port
以太网基础
域的概念
冲突域 冲突域：连接在同一导线上的所有工作站的集合，或者以 太网上竞争同一带宽的节点集合。这个域代表了冲突在其 中发生并传播的区域，这个区域可以被认为是共享段。在 OSI模型中，冲突域是第一层的概念，连接同一冲突域的设 备有Hub，Reperter或者其他进行简单复制信号的设备。
以太网基础
介质/线缆（续）
光导纤维 光导纤维是软而细的、利用内部全反射原理来传导光束的 传输介质，有单模和多模之分（模Mode，入射角） 光纤为圆柱状，由3个同心部分组成：纤芯、包层和护套， 每一路光纤包括收、发两根光纤组成 与同轴电缆比较，光纤可提供极宽的频带且功率损耗小、 传输距离长（2公里以上，最高可达100公里以上）、传输 速率高（可达数千Mbps）、抗干扰性强，是构建安全性 网络的理想选择
目录
概述
以太网基础 交换基本原理 ARP原理 实验与练习 小结
以太网基础
CSMA/CD
CSMA/CD－Carrier Sense Multiple Access /Collision Detect，载波侦听多路访问/冲突检测 发送流程 Host1发送数据，先侦听媒体，看是否有信号传输 媒体有信号传输，则继续侦听 媒体空闲，则发送数据，侦听继续进行 发送的数据与侦听的不一致，则说明有冲突，立即终 止发送，等待一段时间之后重新发送；如果完全一致， 则说明发送正常。
交换机基础
以太网帧结构（续）
了解辅助参数，可以加深对数据链路层工作原理的认识； 也可以协助我们计算线速情况的pps 10*(10^6)/[8*(64+12+8)]=14880pps 注意，路由器不能使用这种算法，考虑一下为什么？
交换机基础
什么是以太网交换机？（续）
MAC地址自动学习 某端口收到以太网帧时，先检查其源MAC地址，如 果交换机的MAC表中没有该内容，就立即添加，主要 会包括MAC地址和对应的端口编号 注：暂不讨论VLAN的情况
交换机基础
什么是以太网交换机？（续）
根据MAC表进行转发 交换机需要转发某以太网数据帧时，先提取其目的 MAC地址并于MAC地址表进行比对： 在MAC中有相应的表项，且对应的端口与接收端口 不同，就转发到对应的端口 在MAC中有相应的表项，但对应的端口与接收端口相 同，则直接丢弃 如果目的地址是广播（全“1”），则广播到所有的其 他端口（该帧的接收端口除外） 如果没有匹配项，同上
以太网基础
CSMA/CD（续）
发送流程 每次发生冲突时，需要等待的时间是按照“指数退避” 法则来确定的，比如第一次冲突时，需要等待4秒，而第 二次冲突时，则需要等待4/2=2秒，依次类推，这样可以 尽量减少冲突重复发生的概率
Host2
Host3
?
Host1
以太网基础
CSMA/CD
CSMA/CD－Carrier Sense Multiple Access /Collision Detect，载波侦听多路访问/冲突检测 接收流程 每个结点都会监听媒体，如果有信号传输，则收集信 息，得到帧；通过判断其目的MAC地址来决定是丢弃还 是进行下一步处理 对于具有组地址或者广播地址的帧，则提交下一步处理
SW1
SW3
交换机基础
交换机的环路问题（续）
生成树协议Spanning-tree 为了解决、避免广播风暴问题，我们引入STP协议来避免 环路问题，STP可以保证交换机在逻辑上以树型连接，从 而避免了冗余环路 常见的STP协议有SSTP、RSTP、PVST、MSTP等，详情请参 阅STP一章
以太网基础
以太网发展（续）
1990年，为了提高网络带宽，一种能同时提供多条传输 路径的以太网设备出现了，这就是以太网交换机，它标 志着以太网从共享时代进入了交换时代。以太网交换机 是一个多端口网络设备，不仅将竞争信道的端口数减少 到2个，还支持在几个端口同时传输数据 尽管提供了更高的带宽，并减少了竞争，但还是参照 CSMA/CD为基本原理 交换机通过查询MAC地址表，以带宽独享的方式进行数 据转发，大大减少了冲突现象的发生，提高了效率
交换机基础
以太网帧结构（续）
注意：Payload的最小有效值为46Bytes，最大是 1500Bytes，所以太网帧的长度有效值为64~1518 Bytes
交换机基础
以太网帧结构（续）
除了Eth帧头外，还需要了解其他的附属信息 Inter Packet Gap 帧间隙，用于控制不同帧之间的发送、接收间隔 Preamble 7Bytes前导字段，由连续的1010组成，用于同步 SFD SFD=10101011，表示帧开始指示符；EFD类似 FCS 4Bytes CRC校验位，用于验证帧是否完整正确
概述
什么是局域网和以太网（续）
以太网是在 20 世纪 70 年代研制开发的一种基带局域网 技术，使用同轴电缆作为网络媒体，采用载波多路访问和 冲突检测（CSMA/CD）机制，数据传输速率达到 10Mbps。现在的以太网更多的被用来指各种采用 CSMA/CD技术的局域网 以太网的基本特征是采用CSMA/CD的共享访问方案，即 多个工作站都连接在一条总线上，所有的工作站都不断向 总线上发出监听信号，但在同一时刻只能有一个工作站在 总线上进行传输，而其它工作站必须等待其传输结束后再 开始自己的传输
交换机基础
交换机的环路问题
某些情况下，可能会出现冗余环路；PC1访问PC2时，来 看看会出现什么问题 单播 开始，各个SW都没有PC2的MAC表项，所以数据包转 发时，都是以 “广播”进行的，这样就造成了不必要的带 宽浪费 同时还会造成MAC地址学习混乱
SW2 PC2
单
单 播
播
Switch P1 PC1 P2 PC2
Port 1 2 3 4
MAC
交换机基础
什么是以太网交换机？（续）
MAC地址自动学习 由于交换机自身也有一些端口，每个端口都会固化一 个MAC地址，这些信息对于本交换机而言是已知的， 无须学习，所以他们的类型为“静态” MAC地址表实际上还与VLAN的划分有关，详情请参 阅VLAN基础一章 组播的MAC地址是比较特殊的，请参阅组播一章