以太网交换技术教案第2章

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。
取目的 地址
3、串并转 换，帧缓存 和CRC检验
1、串并转 换，帧缓存 和检验CRC
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 × LAN4
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 ×
LAN3
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!
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； 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 。
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）。 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。
2.3.2 以太网交换实现结构
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。 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。
A
1 2 3 4 5 6
2、查端口地址表
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。 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。
7 8 9 10 1112 B
理解以太网交换实际快速实现的方法？
S 13 12 1 14 31
网桥 网桥 1
3
2
网桥2
D
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； 网桥1
A
B1
B
LAN1
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！）
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； 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。
11 13 12 1 14 31 端口号 1 LAN1 2 LAN2 MAC地址 11 12 13 14 21 22 23 24 25 21 22 23 32 24
网桥 网桥 12
3
25
网桥端口—地址表
3 LAN3
31 32
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？
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？ 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。
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 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
2.2.2 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 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。
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。
1 2 3 4 5 6
7 8ห้องสมุดไป่ตู้9 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。
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。 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。 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地址记录出错，无法正常转发工作；
B11
网桥1
端口号 MAC地址 LAN2 B B11 B21 A 网桥1端口—地址表 LAN1 A t1 t2 B
网桥2
B21
LAN2
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。 大型网桥存在什么问题，解决方法？
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。 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。
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
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1G （1000MBaseT、GBIC)端口或其它类型端口能力。
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；
端口之间直 接物理连接
HUB
端口之间可 控逻辑连接
交换矩阵
共享型Hub
交换器
交换以太网特点：
生成树算法图例演示（Spanning Tree Algorithm)
LAN1
×
指定桥
指定桥
LAN2 桥根
×
LAN5
桥
LAN3 LAN4
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。
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。
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； 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。
Hub
PC
8-24口交换机
Hub
PC PC PC
PC
PC
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）。
PC PC PC
Server
1、交换机发展端口 密度高，价格低
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。
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。 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！。