第5章:以太網

Ethernet第一學期：網絡簡介IntroductiontoNetworks學習目標描述以太網子層的操作。識別以太網幀的主要字段。描述以太網MAC地址的用途和特征。比較MAC地址和IP地址的作用。描述ARP的用途。解釋ARP請求如何影響網絡和主機性能。解釋基本的交換概念。比較固定配置和模塊化交換機。配置第3層交換機。第5章以太網5.0簡介5.1以太網協議5.2地址解析協議5.3LAN交換機5.4總結5.1以太網協議

EthernetProtocol以太網工作原理

LLC和MAC子層以太網–使用最廣泛的LAN技術

在數據鏈路層和物理層運行

是IEEE802.2和802.3標準中定義的一系列網絡技術支持的數據帶寬包括10、100、1000、10,000、40,000和100,000Mbps(100Gbps)以太網標準

–定義第2層協議和第1層技術

依靠數據鏈路層的兩個單獨子層運行-邏輯鏈路控制(LLC)和MAC子層。以太網工作原理

LLC和MAC子層以太網工作原理

LLC和MAC子層以太網工作原理

LLC和MAC子層LLC處理上層和下層之間的通信獲取網絡協議數據并加入控制信息，以幫助將數據包傳送到目的地

MAC構成數據鏈路層的較低子層由硬件實施，通常在計算機網卡中實施兩項主要職責：

數據封裝

介質訪問控制以太網工作原理

MAC子層以太網工作原理

MAC子層數據封裝發送前的幀組裝和收到幀時的幀解析MAC層向網絡層PDU添加報頭和報尾提供三個主要功能幀定界–確定構成幀的一組位，并對發送節點與接收節點進行同步尋址–幀中加入的每個以太網幀頭都含有物理地址（MAC地址），使幀能夠傳送到目的節點錯誤檢測–每個以太網幀都包含幀尾，其中含有幀內容的循環冗余校驗(CRC)以太網工作原理

MAC子層介質訪問控制負責在介質上放置幀和從介質上移除幀與物理層直接通信如果單個介質上的多個設備同時嘗試轉發數據，則數據將發生沖突，導致數據損壞或不可用。以太網通過使用載波偵聽多路訪問(CSMA)技術提供一種方法來控制節點共享訪問的方式。以太網工作原理

介質訪問控制載波偵聽多路訪問

(CSMA)過程用于首先檢測介質是否正在傳送信號如果未檢測到載波信號，則設備開始傳輸數據如果兩臺設備同時傳輸-

數據沖突以太網工作原理

介質訪問控制兩種常用方法為：載波偵聽多路訪問/沖突檢測

(CSMA/CD)設備監控介質中是否存在數據信號若無數據信號，則表示介質處于空閑狀態，設備可傳輸數據如果隨后檢測到另一設備此時正在進行傳輸，所有設備將停止發送并在稍后重試雖然以太網絡在設計時要求使用CSMA/CD技術，但使用現在的中間設備，并不會發生沖突而且CSMA/CD所采用的過程也毫無必要以太網工作原理

介質訪問控制CSMA/沖突避免(CSMA/CA)設備會檢查介質中是否存在數據信號-如果介質空閑，則設備將通過它想要使用的介質發送通知然后，設備開始發送數據。由802.11無線網絡技術使用以太網工作原理

MAC地址：以太網身份第2層以太網MAC地址是一種表示為12個十六進制數字的48位二進制值。IEEE

要求廠商遵守兩條簡單的規定：必須使用該供應商分配的OUI作為前3個字節OUI相同的所有MAC地址的最后3個字節必須分配唯一的值以太網工作原理

幀處理以太網工作原理

幀處理為工作站、服務器、打印機、交換機和路由器分配的MAC地址

MAC地址示例：

00-05-9A-3C-78-00、

00:05:9A:3C:78:00,或

0005.9A3C.7800將消息轉發到以太網絡，向數據包中添加報頭信息

，包含源MAC地址和目的MAC地址每個網卡都會查看信息，以確定幀中的目的MAC地址是否與設備RAM中存儲的物理MAC地址匹配：如果不匹配，則設備將丟棄此幀如果與幀中的目的MAC匹配，則網卡會將幀向上傳送到OSI層進行解封處理以太網幀屬性

以太網封裝以太網的早期版本速度非常慢，只有

10Mbps現在的運行速度已經超過每秒10千兆（吉比特）以太網幀結構向第3層PDU添加幀頭和幀尾來封裝所發送的報文以太網幀屬性

以太網幀大小以太網II標準和IEEE802.3標準將最小的幀定義為64個字節，最大的幀定義為1518個字節長度小于64個字節將被視為“沖突碎片”或“殘幀”。如果發送的幀小于最小值或者大于最大值，接收設備將會丟棄該幀

在物理層，不同版本的以太網用于在介質中檢測和放置數據的方法不同以太網幀屬性

以太網幀大小該圖顯示了802.1QVLAN標記中所包含的字段。以太網幀屬性

以太網幀簡介前導碼和幀首定界符字段用于同步發送設備與接收設備長度/類型字段定義幀的數據字段的確切長度/描述實施的協議數據和填充位字段包含來自更高層的封裝數據（IPv4數據包）以太網MAC

MAC地址和十六進制以太網MAC

MAC地址表示方式以太網MAC

單播MAC地址以太網MAC

廣播MAC地址在以太網中，廣播MAC地址長48位，全部為1，以十六進制顯示時則為FF-FF-FF-FF-FF-FF.以太網MAC

組播MAC地址組播MAC地址是一個特殊的十六進制數值，以01-00-5E開頭。MAC和IP

MAC和IPMAC地址該地址不會改變

類似于人的名字稱為物理地址，因為實際分配給主機的網卡

IP地址類似于人的住址

以主機的實際位置為基礎稱為邏輯地址，因為是按邏輯分配的由網絡管理員分配給每臺主機計算機要實現通信，同時需要物理MAC地址和邏輯IP地址

以太網MAC

端到端連接、MAC和IP以太網MAC

端到端連接、MAC和IP5.2地址解析協議

AddressResolutionProtocolARP

ARP簡介ARP的用途–發送節點需要一種方法來查找給定以太網鏈路的目的設備的MAC地址ARP協議提供兩項基本功能：將IPv4地址解析為MAC地址維護映射表ARP

ARP的功能ARP表

–用于查找映射至目的IPv4地址的數據鏈路層地址當節點從介質收到幀時，可將源IP和MAC地址記錄為ARP表中的映射ARP請求

–發送到以太網LAN中所有設備的第2層廣播與廣播中的IP地址匹配的節點將會作出應答如果沒有設備相應ARP請求，就無法創建幀，所以會丟棄數據包可以在ARP表中輸入靜態映射條目，但這種情況很少見

ARP

ARP工作原理ARP

ARP工作原理ARP

ARP工作原理ARP

ARP工作原理ARP

ARP工作原理ARP

ARP在遠程通信中的作用如果目的IPv4主機在本地網絡上，幀將使用此設備的MAC地址作為目的MAC地址如果目的IPv4主機不在本地網絡上，則源主機將使用ARP過程來確定網關路由器接口的MAC地址如果網關條目不在表中，則使用ARP請求來檢索與路由器接口的IP地址關聯的MAC地址ARP

ARP在遠程通信中的作用ARP

ARP在遠程通信中的作用ARP

ARP在遠程通信中的作用ARP

刪除ARP表中的條目ARP緩存定時器將會刪除在指定時間段內未使用的ARP條目也可以使用命令來手動刪除

ARP表中的全部或部分條目arp

–d命令ARP

網絡設備上的ARP表ARP問題

ARP為什么會引起問題ARP問題

解決ARP問題5.3

LAN交換機

LANSwitches交換

交換機端口基本組成第2層LAN交換機在大多數以太網絡中，將終端設備連接到中央中間設備只根據MAC地址執行交換和過濾建立一張MAC地址表，使用該表作出轉發決策依靠路由器來傳遞IP子網之間的數據交換

交換機MAC地址表交換

交換機MAC地址表交換

雙工設置CiscoCatalyst交換機支持三種雙工設置：full

選項設置全雙工模式half選項設置半雙工模式

auto選項設置雙工模式自行協商

對于快速以太網和10/100/1000

端口，默認為auto當10/100/1000端口設置為10Mb/s或100Mb/s時，它們可在半雙工或全雙工模式下工作，而當設置為1,000Mb/s時，它們只能以全雙工模式工作。交換

雙工設置交換

自動MDIX在運行CiscoIOSR12.2(18)或更高版本的交換機上，默認啟用auto-MDIX功能。

CiscoIOS12.1(14)EA1和12.2(18)SE之間的版本默認禁用auto-MDIX功能。交換

思科交換機上的幀轉發方法在過去，交換機使用兩種方法來進行網絡端口之間的數據交換：

存儲轉發交換

直通交換

(快速轉發和免分片)64byte交換

交換機上的內存緩沖固定或模塊化

固定配置與模塊化配置在選擇交換機時，了解可用交換機的主要功能是非常重要的。例如：PoE轉發速率端口密度固定或模塊化

固定配置與模塊化配置固定配置交換機模塊化配置交換機可堆疊配置交換機固定或模塊化

固定配置思科交換機固定或模塊化

模塊化配置思科交換機固定或模塊化

思科交換機插槽的模塊選項第3層交換

第2層交換與第3層交換第3層交換

思科快速轉發兩個主要組件：轉發信息庫

(FIB)概念上與路由表類似網絡設備使用該查詢表在思科快速轉發操作過程中根據目的地作出交換決策在網絡中出現更改時進行更新并包含當時的所有已知路由鄰接表維護所有FIB條目的第2層下一跳地址第3層交換

思科快速轉發第3層交換

第3層接口的類型第3層接口的主要類型包括：交換機虛擬接口(SVI)

–交換機上與虛擬局域網(VLAN)關聯的邏輯接口。路由端口

–第3層交換機上充當路由器端口的物理端口。通過將接口置于第3層模式下使用noswitchport接口配置命令配置路由端口。第3層EtherChannel

–思科設備上與一系列路由端口相關聯的邏輯接口第3層交換

第3層接口的類型交換機虛擬接口第3層交換

配置第3層交換機上的路由端口總結以太網是目前使用最廣泛的LAN技術。以太網標準定義第2層協議和第1層技術。

以太網幀結構向第3層PDU添加幀頭和幀尾來封裝所發送的報文。作為IEEE802.2/3標準的一種實現形式，以太網幀提供MAC尋址和錯誤檢測功能。本地網絡中的集線器換成交換機后，半雙工鏈路中的幀沖突幾率明顯減少