《路由交換技術(shù)與應(yīng)用》課件第10章

第10章以太網(wǎng)交換技術(shù)10.1以太網(wǎng)發(fā)展歷史及現(xiàn)狀10.2以太網(wǎng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)10.3以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)10.4MAC地址10.5傳統(tǒng)以太網(wǎng)的基本概念10.6透明橋的工作原理10.7透明橋的功能10.8廣播、組播和目的MAC地址未知幀的轉(zhuǎn)發(fā)10.9轉(zhuǎn)發(fā)/過濾流程10.10傳統(tǒng)以太網(wǎng)與交換式以太網(wǎng)的比較10.11三層交換機的配置小結(jié)

主要內(nèi)容：

以太網(wǎng)發(fā)展歷史及現(xiàn)狀

以太網(wǎng)交換機工作原理

中興交換機數(shù)據(jù)配置

以太網(wǎng)是在20世紀(jì)70年代由Xerox公司PaloAlto研究中心推出的。由于介質(zhì)技術(shù)的發(fā)展，Xerox可以將許多機器相互連接，形成巨型打印機，這就是以太網(wǎng)的原型，如圖10-1所示。后來，Xerox公司推出了帶寬為2Mb/s的以太網(wǎng)，又和Intel和DEC公司合作推出了帶寬為10Mb/s的以太網(wǎng)，這就是通常所稱的以太網(wǎng)Ⅱ或以太網(wǎng)DIX(Digital、Intel和Xerox)。10.1以太網(wǎng)發(fā)展歷史及現(xiàn)狀I(lǐng)EEE(電氣和電子工程師協(xié)會)下屬的802委員會制定了一系列局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，其中以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)(IEEE802.3)與由Intel、Digital和Xerox推出的以太網(wǎng)Ⅱ非常相似。

隨著以太網(wǎng)技術(shù)的不斷進步與帶寬的提升，目前在很多情況下以太網(wǎng)成為了局域網(wǎng)的代名詞。

圖10-1以太網(wǎng)的原型

國際電氣和電子工程師協(xié)會(IEEE)在1980年2月組成了一個802委員會，并由其制定了一系列局域網(wǎng)方面的標(biāo)準(zhǔn)，其中：

(1)

IEEE802.3為以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)；

(2)

IEEE802.2為LLC(邏輯鏈路控制)標(biāo)準(zhǔn)；

(3)

IEEE802.3u為100Mb/s以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)；

(4)

IEEE802.3z為1000Mb/s以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)；

(5)

IEEE802.3ab為1000Mb/s以太網(wǎng)運行在雙絞線上的標(biāo)準(zhǔn)。10.2以太網(wǎng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)在局域網(wǎng)技術(shù)中的主要應(yīng)用有三種：

(1)以太網(wǎng)/IEEE802.3：采用同軸電纜作為網(wǎng)絡(luò)媒體，傳輸速率達到10Mb/s；

(2)

100Mb/s以太網(wǎng)：又稱為快速以太網(wǎng)，采用雙絞線作為網(wǎng)絡(luò)媒體，傳輸速率達到100Mb/s；

(3)

1000Mb/s以太網(wǎng)：又稱為千兆以太網(wǎng)，采用光纜或雙絞線作為網(wǎng)絡(luò)媒體，傳輸速率達到1000Mb/s(1Gb/s)。

以太網(wǎng)以其高度靈活，相對簡單，易于實現(xiàn)的特點，成為當(dāng)今最重要的一種局域網(wǎng)建網(wǎng)技術(shù)。雖然其它網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也曾經(jīng)被認為可以取代以太網(wǎng)的地位，但是絕大多數(shù)的網(wǎng)絡(luò)管理人員仍然把以太網(wǎng)作為首選的網(wǎng)絡(luò)解決方案。為了使以太網(wǎng)更加完善，解決所面臨的各種問題和局限，一些業(yè)界主導(dǎo)廠商和標(biāo)準(zhǔn)制定組織不斷地對以太網(wǎng)規(guī)范做出修訂和改進。也許，有的人會認為以太網(wǎng)的擴展性能相對較差，但是以太網(wǎng)所采用的傳輸機制仍然是目前網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾A(chǔ)。

以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)如圖10-2所示。10.3以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)

圖10-2以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)

前導(dǎo)(Preamble)：一個交替由0和1組成的7個8位位組(Octet)模式被用作同步。

幀定界符開始(StartofFrameDelimiter)：特殊模式10101011表示幀的開始。

目的地址(DestinationAddress)：若第一位是0，這個字段指定了一個特定站點。若是1，該目的地址是一組地址，幀被發(fā)往由該地址規(guī)定的預(yù)先定義的一組地址中的所有站點。每個站點的接口知道它自己的組地址，當(dāng)它見到這個組地址時會做出響應(yīng)。若所有的位均為1，該幀將被廣播至所有的站點。源地址(SourceAddress)：說明一個幀來自哪兒。

數(shù)據(jù)長度字段(DataLengthField)：說明在數(shù)據(jù)和填充字段里8位字節(jié)數(shù)目。

數(shù)據(jù)字段(DataField)：上層數(shù)據(jù)。

填充字段(PadField)：數(shù)據(jù)字段必須至少是46個8位字節(jié)(或許更多)。若沒有足夠的數(shù)據(jù)，額外的8位位組被添加(填充)到數(shù)據(jù)中以補足差額。

幀校驗序列(FrameCheckSequence)：使用32位循環(huán)冗余校驗碼的錯誤檢驗。

如圖10-3所示，MAC地址有48bit，它可以轉(zhuǎn)換成12位的十六進制數(shù)，這個數(shù)分成3組，每組有4個數(shù)字，中間以點分開。MAC地址有時也稱為點分十六進制數(shù)。它一般燒入NIC(網(wǎng)絡(luò)接口控制器)中。為了確保MAC地址的唯一性，IEEE對這些地址進行管理。每個地址由兩部分組成，分別是供應(yīng)商代碼和序列號。10.4MAC地址供應(yīng)商代碼代表NIC制造商的名稱，它占用MAC的前6位十六進制數(shù)字，即24位二進制數(shù)字。序列號由設(shè)備供應(yīng)商管理，它占用剩余的6位地址，即最后的24位二進制數(shù)字。如果設(shè)備供應(yīng)商用完了所有的序列號，他必須申請另外的供應(yīng)商代碼。目前ZTE的GAR產(chǎn)品MAC地址前六位為00d0d0。

圖10-3MAC地址結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)以太網(wǎng)使用CSMA/CD(CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection，帶有沖突監(jiān)測的載波偵聽多址訪問)，如圖10-4所示。我們可以將CSMA/CD比做一種文雅的交談。在這種交談方式中，如果有人想闡述觀點，他應(yīng)該先聽聽是否有其他人在說話(即載波偵聽)，如果這時有人在說話，他應(yīng)該耐心地等待，直到對方結(jié)束說話，然后他才可以開始發(fā)表意見。10.5傳統(tǒng)以太網(wǎng)的基本概念有一種情況，有可能兩個人在同一時間都想開始說話，那會出現(xiàn)什么樣的情況呢？顯然，如果兩個人同時說話，這時很難辨別出每個人都在說什么。但是，在文雅的交談方式中，當(dāng)兩個人同時開始說話時，雙方都會發(fā)現(xiàn)他們在同一時間開始講話(即沖突檢測)，這時說話立即終止，隨機地過了一段時間后，說話才開始。說話時，由第一個開始說話的人來對交談進行控制，而第二個開始說話的人將不得不等待，直到第一個人說完，然后他才能開始說話。

圖10-4以太網(wǎng)使用CSMA/CD以太網(wǎng)的工作方式與上面的方式相同。首先，以太網(wǎng)網(wǎng)段上需要進行數(shù)據(jù)傳送的節(jié)點對導(dǎo)線進行監(jiān)聽，這個過程稱為CSMA/CD的載波偵聽。如果這時有另外的節(jié)點正在傳送數(shù)據(jù)，監(jiān)聽節(jié)點將不得不等待，直到傳送節(jié)點的傳送任務(wù)結(jié)束。如果某時恰好有兩個工作站同時準(zhǔn)備傳送數(shù)據(jù)，以太網(wǎng)網(wǎng)段將發(fā)出“沖突”信號。這時，節(jié)點上所有的工作站都將檢測到?jīng)_突信號，因為此時導(dǎo)線上的電壓超出了標(biāo)準(zhǔn)電壓。沖突產(chǎn)生后，這兩個節(jié)點都將立即發(fā)出擁塞信號，以確保每個工作站都檢測到這時以太網(wǎng)上已產(chǎn)生沖突；然后，網(wǎng)絡(luò)進行恢復(fù)，在恢復(fù)的過程中，導(dǎo)線上將不傳送數(shù)據(jù)。當(dāng)兩個節(jié)點將擁塞信號傳送完，并過了一段隨機時間后，這兩個節(jié)點便開始啟動隨機計時器。第一個隨機計時器到期的工作站將首先對導(dǎo)線進行監(jiān)聽，當(dāng)它監(jiān)聽到?jīng)]有任何信息在傳輸時，便開始傳輸數(shù)據(jù)。當(dāng)?shù)诙€工作站隨機計時器到期后，也對導(dǎo)線進行監(jiān)聽，當(dāng)監(jiān)聽到第一個工作站已經(jīng)開始傳輸數(shù)據(jù)后，就只好等待了。

在CSMA/CD方式下，在一個時間段，只有一個節(jié)點能夠在導(dǎo)線上傳送數(shù)據(jù)。如果其他節(jié)點想傳送數(shù)據(jù)，則必須等到正在傳輸?shù)墓?jié)點的數(shù)據(jù)傳送結(jié)束后才能開始傳輸數(shù)據(jù)。以太網(wǎng)之所以稱做共享介質(zhì)，就是因為節(jié)點共享同一傳輸介質(zhì)這一事實。

在以太網(wǎng)中，作出轉(zhuǎn)發(fā)決定的過程稱為透明橋接。如圖10-5所示。透明的含義為：首先，連接在網(wǎng)橋上的終端設(shè)備并不知道所連接的是共享媒介還是交換設(shè)備，即設(shè)備對終端用戶來說是透明的，其次，透明橋?qū)ζ滢D(zhuǎn)發(fā)的幀結(jié)構(gòu)不做任何改動與處理(VLAN的trunk線路除外)。10.6透明橋的工作原理

圖10-5透明橋接(交換機有著透明橋相同的特點)

透明網(wǎng)橋如圖10-6所示。

10.7透明橋的功能圖10-6透明網(wǎng)橋透明網(wǎng)橋有如下三個主要功能：

(1)地址學(xué)習(xí)功能；

(2)轉(zhuǎn)發(fā)和過濾功能；

(3)環(huán)路避免功能。

通常透明網(wǎng)橋的三個主要功能都被使用，它們在網(wǎng)絡(luò)中是同時起作用的。而以太網(wǎng)交換機執(zhí)行與透明橋相同的三個主要功能。

網(wǎng)橋基于目標(biāo)MAC(介質(zhì)訪問控制)地址作出轉(zhuǎn)發(fā)決定。所以它必須“獲取”MAC地址的位置，這樣才能準(zhǔn)確地作出轉(zhuǎn)發(fā)決定。當(dāng)網(wǎng)橋與物理網(wǎng)段連接時，如圖10-7所示，它會對它監(jiān)測到的所有幀進行檢查。網(wǎng)橋讀取幀的源MAC地址字段后與接收端口關(guān)聯(lián)并記錄到MAC地址表中。由于MAC地址表是保存在交換機的內(nèi)存之中的，所以當(dāng)交換機啟動時，MAC地址表是空的。

圖10-7透明網(wǎng)橋(1)此時工作站A給工作站C發(fā)送了一個單播數(shù)據(jù)幀，如圖10-8所示，交換機通過E0口收到了這個數(shù)據(jù)幀，讀取出幀的源MAC地址后將工作站A的MAC地址與端口E0關(guān)聯(lián)，記錄到MAC地址表中。

由于此時這個幀的目的MAC地址對交換機來說是未知的，為了讓這個幀能夠到達目的地，交換機執(zhí)行洪泛的操作，即從除了進入端口外的所有其他端口轉(zhuǎn)發(fā)。

圖10-8透明網(wǎng)橋(2)

——小提示：

目的MAC地址未知的情況下交換機將洪泛數(shù)據(jù)幀。

工作站D發(fā)送一個幀給工作站C時，如圖10-9所示，交換機執(zhí)行相同的操作，通過這個過程交換機學(xué)習(xí)到了工作站D的MAC地址并與端口E3關(guān)聯(lián)并記錄到MAC地址表中。

圖10-9透明網(wǎng)橋(3)由于此時這個幀的目的MAC地址對交換機來說仍然是未知的，為了讓這個幀能夠到達目的地，交換機仍然執(zhí)行洪泛的操作，即從除了進入端口外所有其他端口轉(zhuǎn)發(fā)。

所有的工作站都發(fā)送過數(shù)據(jù)幀后，交換機學(xué)習(xí)到了所有的工作站的MAC地址與端口的對應(yīng)關(guān)系并記錄到MAC地址表中。

此時工作站A給工作站C發(fā)送了一個單播數(shù)據(jù)幀，如圖10-10所示，交換機檢查到了此幀的目的MAC地址已經(jīng)存在于MAC地址表中，并和E2端口相關(guān)聯(lián)，交換機將此幀直接向E2端口轉(zhuǎn)發(fā)，即做轉(zhuǎn)發(fā)決定。

對其他的端口并不轉(zhuǎn)發(fā)此數(shù)據(jù)幀，即做所謂的過濾操作。

圖10-10透明網(wǎng)橋(4)

某工作站發(fā)出數(shù)據(jù)幀，交換機檢測到目的MAC地址為廣播、組播或目的MAC地址未知(交換機轉(zhuǎn)發(fā)表中無此MAC地址)時，交換機將對此幀做洪泛的操作，即從除了進入端口外的所有其他端口轉(zhuǎn)發(fā)，如圖10-11所示。10.8廣播、組播和目的MAC地址未知幀的轉(zhuǎn)發(fā)

圖10-11數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)

——小提示：

如果交換機支持IGMP監(jiān)聽等支持組播的功能，交換機將不再采用洪泛的方式轉(zhuǎn)發(fā)組播數(shù)據(jù)幀。

轉(zhuǎn)發(fā)/過濾流程如圖10-12所示。10.9轉(zhuǎn)發(fā)/過濾流程

圖10-12轉(zhuǎn)發(fā)/過濾流程交換機在某端口接收到一個數(shù)據(jù)幀后的處理流程如下：

交換機首先判斷此數(shù)據(jù)幀的目的MAC地址是否為廣播或組播地址，如果是，即進行洪泛操作。

如果目的MAC地址不是廣播或組播地址而是去往某設(shè)備的單播地址，則交換機在MAC地址表中查找此地址；如果此地址是未知的，則也將按照洪泛的方式進行轉(zhuǎn)發(fā)。

如果目的地址是單播地址，并且已經(jīng)存在于交換機的MAC地址表中，交換機將把數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)至此目的MAC地址關(guān)聯(lián)的端口。

傳統(tǒng)以太網(wǎng)(采用HUB連接)與交換式以太網(wǎng)(采用Switch)的比較如圖10-13所示。

HUB(集線器)只對信號做簡單的再生與放大，所有設(shè)備共享一個傳輸介質(zhì)，設(shè)備必須遵循CSMA/CD方式進行通信。使用HUB連接的傳統(tǒng)共享式以太網(wǎng)中所有工作站處于同一個沖突域和同一個廣播域之中。10.10傳統(tǒng)以太網(wǎng)與交換式以太網(wǎng)的比較

圖10-13傳統(tǒng)以太網(wǎng)與交換式以太網(wǎng)的比較交換機根據(jù)MAC地址轉(zhuǎn)發(fā)或過濾數(shù)據(jù)幀，隔離了沖突域，工作在數(shù)據(jù)鏈路層。所以交換機每個端口都是單獨的沖突域。

如果工作站直接連接到交換機的端口，則此工作站獨享帶寬。

但是由于交換機對目的地址為廣播的數(shù)據(jù)幀做洪泛的操作，廣播幀會被轉(zhuǎn)發(fā)到所有端口，所以所有通過交換機連接的工作站都處于同一個廣播域之中。

我們將以中興的ZXR103928(簡稱3928)為例介紹常見三層交換機的實用技術(shù)。3928可以提供固定的24個100BASE-TX以太網(wǎng)端口，所有端口支持自適應(yīng)功能，并支持MDI/MDIX自動識別功能，交換機連接設(shè)備時可以任意使用平行線或交叉線。3928的背面還提供GE光電組合的擴展模塊，用戶可以根據(jù)實際需要靈活選擇端口的電口屬性或光口屬性。3928正面的右方提供配置管理用的Console口。3928前后面板圖如圖10-14所示。10.11三層交換機的配置

圖10-143928前后面板圖10.11.1三層交換機配置基礎(chǔ)

三層交換機的管理方式主要有串口連接的超級終端方式和Telnet的遠程登錄方式。如果使用Telnet方式管理3928的話，需要預(yù)先通過串口配置IP地址、子網(wǎng)掩碼等參數(shù)。我們以串口連接的超級終端方式配置為例來講述建立配置的過程。

將3928正面的Console口通過配置線連接到PC的串口上，打開“超級終端”程序，創(chuàng)建新的連接并作如圖10-15所示的配置。

ZXR103928命令模式如表10-1所示。

圖10-15超級終端的配置

表10-1ZXR103928命令模式

續(xù)表

續(xù)表

ZXR103928有眾多命令模式，表10-1只是列出了常用的一些。為方便用戶對交換機進行配置和管理，ZXR103928根據(jù)功能和權(quán)限將命令分配到不同的模式下，一條命令只有在特定的模式下才能執(zhí)行。在任何命令模式下輸入問號(?)，都可以查看該模式下允許使用的命令。退出各種命令模式的方法如下：