1、HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedInternal DA040001 以太網技術原理 ISSUE 1.5HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 1我們知道局域網包含以太網,令牌環和令牌總線等等,這些技術當中以太網技術以其簡明高效的特點逐漸占據了主導地位HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 2學習完此課程，您將會：了解以太網的發展史掌握以太網的基本原理掌握以太網端口技術理解L2交換機和L3交換機的工作原

2、理HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 3第第2章章 以太網端口技術以太網端口技術第第3章章 以太網設備介紹以太網設備介紹HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 41.1 以太網起源及原理簡介以太網起源及原理簡介1.2 以太網發展及標準協議以太網發展及標準協議HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 5以太網的誕生l以太網最初是由Xerox公司開發的一種基帶局域網技術，使用同軸電纜作為網絡媒體，采用

3、載波多路訪問和沖突檢測（CSMA/CD）機制,數據傳輸速率達到10Mbps。 l以太網被設計用來滿足非持續性網絡數據傳輸的需要，而IEEE 802.3規范則是基于最初的以太網技術于1980年制定。以太網版本2.0由Digital Equipment Corporation、Intel和Xerox三家公司聯合開發，與IEEE 802.3規范相互兼容。HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 6沖突檢測：由于兩個站點同時發送信號，經過疊加后，會使線路上電壓的擺動值超過正常值一倍。據此可判斷沖突的產生。以太網原理-CSMA/CDlCS：

4、載波偵聽 在發送數據之前進行監聽，以確保線路空閑，減少沖突的機會。lMA：多址訪問 每個站點發送的數據，可以同時被多個站點接收。lCD：沖突檢測 邊發送邊檢測，發現沖突就停止發送，然后延遲一個隨機時間之后繼續發送。HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 7以太網幀結構Ethernet_IIDMACSMACLength/TDATA/PADFCSLength/Type值值含義含義Length/T 1500Length/T = 1500代表了該幀的類型代表了該幀的類型代表了該幀的長度代表了該幀的長度802.3HUAWEI TECHNO

5、LOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 8以太網的MAC地址lMAC地址有4 8位，但它通常被表示為12位的點分十六進制數。lMAC地址全球唯一，由 IEEE對這些地址進行管理和分配。每個地址由兩部分組成，分別是供應商代碼和序列號。其中前24位二進制代表該供應商代碼。剩下的24位由廠商自己分配。l如果48位全是1，則表明該地址是廣播地址。l如果第8位是1，則表示該地址是組播地址。00e0.fc39.8034HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 9最小幀長與最大傳輸距離l最大傳輸距離：通常

6、由線路質量、信號衰減程度等因素決定。l最小幀長（64字節）：由最大傳輸距離和沖突檢測機制共同決定。l規定最小幀長是為了避免這種情況發生：某站點已經將一個數據包的最后一個BIT發送完畢，但這個報文的第一個BIT還沒有傳送到距離很遠的一個站點。而站點認為線路空閑而發送數據，導致沖突。HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 101.1 以太網起源及原理簡介以太網起源及原理簡介1.2 以太網發展及標準協議以太網發展及標準協議HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 11萬兆

7、以太網出現lIEEE802.3 以太網標準lIEEE802.3u 100BASE-T快速以太網標準lIEEE802.3z/ab 1000Mb/s千兆以太網標準lIEEE802.3ae 10GE以太網標準70年代80年代90年代以太網產生10M以太網發展成熟共享式轉發LAN交換機100M快速以太網92年96年千兆以太網迅速發展2002年以太網發展簡史HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 12共享式以太網傳輸介質l在共享式以太網之時，使用一種稱為抽頭的設備建立與同軸電纜的連接。須用特殊的工具在同軸電纜里挖一個小洞，然后將抽頭接入。

8、此項工作存在一定的風險：因為任何疏忽，都有可能使電纜的中心導體與屏蔽層短接，導致這個網絡段的崩潰。同軸電纜的致命缺陷是：電纜上的設備是串連的，單點的故障可以導致這個網絡的崩潰。10Base5：粗同軸電纜（5代表電纜的字段長度是500米）10Base2：細同軸電纜（2代表電纜的字段長度是200米）HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 13其中介質可靠性差是共享式以太網的主要問題。共享式以太網的缺點l在共享式以太網中，所有的主機都以平等的地位連接到同軸電纜上，但如果以太網中主機數目較多，則存在以下嚴重問題：介質可靠性差沖突嚴重廣播

9、泛濫無任何安全性HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 14標準以太網l標準以太網（10Mbit/s）的網絡定位模型分類網絡定位接入層最終用戶和接入層交換機之間的連接匯聚層通常不使用核心層通常不使用HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 15IEEE802.3 線纜名稱電纜最大區間長度10BASE-5粗同軸電纜500m10BASE-2細同軸電纜200m10BASE-T雙絞線100m10BASE-F光纖2000mHUAWEI TECHNOLOGIES CO., LT

10、D.All rights reservedPage 16快速（100M）以太網l數據傳輸速率為100Mbps的快速以太網是一種高速局域網技術，能夠為桌面用戶以及服務器或者服務器集群等提供更高的網絡帶寬。 lIEEE為快速以太網制訂的標準為IEEE802.3uHUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 17快速以太網l快速以太網（100Mbit/s）的網絡定位模型分類網絡定位接入層為高性能的PC機和工作站提供100Mbit/s的接入匯聚層提供接入層和匯聚層的連接，提供匯聚層到核心層的連接，提供高速服務器的連接核心層提供交換設備間的連接

11、HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 18快速以太網傳輸距離技術標準線纜類型傳輸距離100BaseTXEIA/TIA5類（UTP）非屏蔽雙絞線2對100m100BaseT4EIA/TIA3、4、5類（UTP）非屏蔽雙絞線4對100m100BaseFX多模光纖（MMF）線纜550m-2km單模光纖（SMF）線纜2km-15kmHUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 19千兆以太網l千兆以太網是對IEEE802.3以太網標準的擴展，在基于以太網協議的基礎之上，將快速

12、以太網的傳輸速率100Mbps提高了10倍，達到了1 Gbps。 l標準為IEEE802.3z（光纖與銅纜）和IEEE802.3ab（雙絞線）HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 20千兆以太網l千兆（1000Mbit/s）以太網網絡定位模型分類網絡定位接入層一般不使用匯聚層提供接入層和匯聚層設備間的高速連接核心層提供匯聚層和高速服務器的高速連接，提供核心設備間的高速互聯HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 21千兆以太網傳輸距離技術標準線纜類型傳輸距離100

13、0BaseT銅質EIA/TIA5類（UTP）非屏蔽雙絞線4對100m1000BaseCX銅質屏蔽雙絞線（STP）25m1000BaseSX多模光纖，50/62.5um光纖，使用波長為850nm的激光550m/275m1000BaseLX單模光纖，9um光纖，使用波長為1300nm的激光2km-15kmHUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 22IEEE802.3z的線纜標準l1000BaseLX是一種使用長波激光作信號源的網絡介質技術，在收發器上配置波長為1270-1355nm（一般為1300nm）的激光，既可以驅動多模光纖，也

14、可以驅動單模光纖。l1000BaseSX是一種使用短波激光作為信號源的網絡介質技術，收發器上所配置的波長為770-860nm（一般為800nm）的激光傳輸器不支持單模光纖，只能驅動多模光纖。 l1000BaseCX使用的一種特殊規格的高質量平衡雙絞線對的屏蔽銅纜，最長有效距離為25米，使用9芯D型連接器連接電纜。HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 23IEEE802.3ab的線纜標準l1000BaseT是一種使用5類UTP作為網絡傳輸介質的千兆以太網技術，最長有效距離與100BASETX一樣可以達到100米。用戶可以采用這種

15、技術在原有的快速以太網系統中實現從100Mbps到1000Mbps的平滑升級。HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 24萬兆以太網l已經開始部署，預計未來將有大規模的應用l標準為IEEE802.3ael只有全雙工模式l創造了一些新的概念，例如光物理媒體相關子層(PDM)HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 25第第1章章 以太網技術發展史以太網技術發展史第第3章章 以太網設備介紹以太網設備介紹HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All r

16、ights reservedPage 262.1 自協商技術自協商技術2.2 自適應技術自適應技術2.3 流量控制流量控制HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 27自協商HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 28自協商基本頁信息HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 29自協商信號l整個報文按16ms間隔重復，直到自協商完成HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rig

17、hts reservedPage 30與沒有自協商機制的設備連接l不使用自協商機制會出現以下情況：無法實現端口的自動雙速配置功能(如10Mbit/s和100Mbit/s)無法確定雙工工作模式無法確定是否需要流量控制功能HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 31自協商優先級優先級順序工作方式A100BASE-TX全雙工B100BASE-T4C100BASE-TXD10BASE-T全雙工E10BASE-THUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 32光纖上的自協商l對

18、光纖以太網而言，得出的結論是：鏈路兩端的工作模式必須使用手工配置（速度、雙工模式、流控等），如果光纖兩端的配置不同，是不能正確通信的。l千兆以太網的自協商機制已經實現。HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 332.1 自協商技術自協商技術2.2 自適應技術自適應技術2.3 流量控制流量控制HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 34智能MDI/MDIXl不需要知道電纜另一端為MDI還是MDIX設備兩種電纜（普通、交叉）都可連接交換機、集線器或NIC設備l消除由于

19、電纜配錯引起的連接錯誤簡化10/100M網絡安裝維護，降低開銷Receive PairTransmit PairTransmit PairReceive PairTransmit PairReceive PairTransmit PairReceive Pair交叉網線交叉網線直連網線直連網線HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 352.1 自協商技術自協商技術2.2 自適應技術自適應技術2.3 流量控制流量控制HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 36流量控

20、制l當通過交換機一個端口的流量過大，超過了它的處理能力時，就會發生端口阻塞。流量控制的作用是防止在出現阻塞的情況下丟幀。l在半雙工方式下，流量控制是通過反壓（backpressure）技術實現的，模擬產生碰撞，使得信息源降低發送速度。l在全雙工方式下流量控制一般遵循IEEE 802.3x標準。HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 37半雙工流量控制HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 38全雙工流量控制lIEEE802.3x標準定義了一種新方法，在全雙工環境中

21、去實現流量控制。交換機產生一個PAUSE幀，PAUSE幀使用一個保留的組播地址：01-80-C2-00-00-01，將它發送給正在發送的站，發送站接收到該幀后，就會暫停或停止發送。lPAUSE幀利用了一個保留的組播地址，它不會被網橋和交換機所轉發，這樣，PAUSE幀不會產生附加信息量。HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 39全雙工流量控制lPAUSE功能的應用場合：一對終端 （簡單的兩點網絡）一個交換機和一個終端交換機和交換機之間的鏈路lPAUSE功能不解決下列問題：穩定狀態的網絡擁塞端到端流量控制比簡單的“停啟”更復雜的機

22、制HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 40第第1章章 以太網技術發展史以太網技術發展史第第2章章 以太網端口技術以太網端口技術HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 413.2 二層交換機的工作原理二層交換機的工作原理3.3 VLAN與三層交換機與三層交換機HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 42傳統以太網連接設備HUBlHub的工作模式注意：HUB僅僅是物理上的連接設備。應用層應用層表示層

23、表示層會話層會話層傳輸層傳輸層網絡層網絡層鏈路層鏈路層物理層物理層物理層物理層物理層物理層HUB應用層應用層表示層表示層會話層會話層傳輸層傳輸層網絡層網絡層鏈路層鏈路層物理層物理層HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 43所有的HUB都是半雙工的lHub的工作原理12345INOUTOUTOUTOUTHUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 44由HUB組建以太網的實質l實際上網絡中由HUB組建以太網實質是一種共享式以太網，存在共享式以太網的所有缺陷： 沖突嚴重；

24、 廣播泛濫； 無任何安全性。HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 453.1 Hub的工作原理的工作原理3.3 VLAN與三層交換機與三層交換機HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 46二層工作模式l網橋/二層以太網交換機的工作模式應用層應用層表示層表示層會話層會話層傳輸層傳輸層網絡層網絡層鏈路層鏈路層物理層物理層物理層物理層物理層物理層二層交換機應用層應用層表示層表示層會話層會話層傳輸層傳輸層網絡層網絡層鏈路層鏈路層物理層物理層鏈路層鏈路層鏈路層鏈路層HUA

25、WEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 47基于源地址學習l多播情況下，CAM表項的建立不是通過學習得到的，而是通過IGMP窺探，CGMP等協議獲得的。MAC地址地址所在端口所在端口MAC A1MAC B1MAC C2MAC D2分段1分段2ABCPORT1PORT2D 交換機典型應用交換機HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 48基于目的地址轉發MACD MACA.端口1MACDMACA.端口2MAC地址地址所在端口所在端口MACA1MACB1MACC2MACD2H

26、UAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 49二層交換機原理l接收網段上的所有數據幀；l利用接收數據幀中的源MAC地址來建立MAC地址表（源地址自學習），使用地址老化機制進行地址表維護；l在MAC地址表中查找數據幀中的目的MAC地址，如果找到就將該數據幀發送到相應的端口（不包括源端口）；如果找不到，就向所有的端口發送（不包括源端口）；l向所有端口轉發廣播幀和多播幀（不包括源端口）。HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 50三種交換模式l Cut-Through： 交

27、換機接收到目的地址即開始轉發過程 延遲小 交換機不檢測錯誤lStore-and-Forward： 交換機將全部內容接收才開始轉發過程 延遲大 交換機檢測錯誤，不會有錯包 lFrag-free： 交換機接收完數據包的前64字節（一個最短幀長度），然后根據頭信息查表轉發。 結合了直通方式和存儲轉發方式的優點。HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 51L2交換機的缺點lL2帶來了以太網技術的重大飛躍，徹底解決了困擾以太網的沖突問題，極大的改進了以太網的性能。并且以太網的安全性也有所提高。但以太網存在如下缺點：廣播泛濫安全性仍舊無法得

28、到有效的保證l其中廣播泛濫嚴重是L2以太網的主要缺點HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 523.1 Hub的工作原理的工作原理3.2 二層交換機的工作原理二層交換機的工作原理HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 53VLAN的起源基于端口分組l解決廣播泛濫問題的主導思想：將沒有互訪需求的主機隔離開交換機工程部市場部銷售部10.110.10.010.110.20.010.110.30.012985HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All

29、 rights reservedPage 54VLAN技術的優點和缺點lVLAN技術成功的解決了廣播問題，并且使以太網的安全性有了進一步的提高，此時的以太網技術趨于完美。l但VLAN技術也有缺點： 使用VLAN來劃分網絡后，網絡的效率提高不少，可是本來不需要相互訪問的兩個部門，現在又要少量的訪問需求，該怎么辦到呢？HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 55解決辦法（一）l使用路由器連接不同的VLAN前提：VLAN和IP子網間是一對一的關系缺點：每個VLAN需要占用一個路由器的接口；不同VLAN中的主機需配置不同的缺省網關工程部

30、VLAN市場部VLAN銷售部VLAN10.110.10.010.110.20.010.110.30.0交換機HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 56解決辦法（二）-單臂路由l使用支持VLAN屬性的路由器連接不同的VLAN前提：VLAN和IP子網間是一對一的關系工程部VLAN市場部VLAN銷售部VLAN10.110.10.010.110.20.010.110.30.0交換機HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 57（L2+路由器）模式的缺陷l需要多個設備，組網復雜；lVLAN間通信通過路由器完成；l路由器價格昂貴，速率較低。工程部VLAN市場部VLAN銷售部VLAN10.110.10.010.110.20.010.110.30.0交換機HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.All rights reservedPage 58解決辦法（三）l將路由器和交換機合成一個設備三層交換機前提：VLAN和IP子網間是一對一的關系SWITCH工程部VLAN市場部VLAN銷售部VLAN10.110.10.010.110.20.010.110.30.0HUAWEI TECHNOLOGI