1、,教学大纲要求 1. 基本要求 （1）掌握以太网工作原理及IEEE 802.3协议。 （2）掌握以太网交换技术。 （3）掌握VLAN技术。 2. 重点、难点 重点：总线式和交换式以太网的工作原理、以太网的交换机制和交换结构。 难点：IEEE 802.3的媒质接入控制协议和以太网交换技术。 3. 说明以讲述局域网交换的概念和原理为主，适当介绍相关协议。,第9章 以太网交换,1,2,本章主要介绍以太网交换。首先介绍传统以太网和高速以太网的工作原理，然后重点讨论以太网交换的原理与技术 。,内容： 传统以太网和IEEE802标准 以太网的演进 以太网交换 虚拟局域网（VLAN）,关于以太网交换,3,9
2、.1 传统以太网和IEEE802标准,所谓传统以太网，指的是比特传输速率为10Mb/s的总线形局域网，其中采用CSMA/CD的媒质接入控制协议。,在20世纪80年代初成立了一个专门制订局域网和城域网标准的机构(IEEE802委员会)。通过该机构的工作，制订了局域网/城域网的协议体系结构及一整套具体协议，简称为IEEE802标准。,传统以太网,IEEE802标准,4,IEEE802标准,逻辑链路控制（LLC） 媒质接入控制（MAC）,IEEE802标准分为若干部分，每个部分都作为独立的文本公布。802.1概述体系结构，定义接口标准。802.2描述LLC协议。802.3至802.5分别描述三个有线
3、局域网的MAC层及物理层协议，即CSMA/CD总线、令牌总线(Token Bus)和令牌环(Token Ring)的技术规范。802.11给出了无线局域网(WLAN)的MAC层及物理层技术规范。,IEEE802协议体系与OSI参考模型的对应关系,数据 链路层,5,传统以太网工作原理,传统总线以太网的拓扑结构,一个站点发送信号，挂在总线上的其余站点均可收到，因而易于实现点对多点和广播通信。 当两个或两个以上的站点发送的信号发生重叠或部分重叠时，就会产生相互干扰，这种现象称为冲突或碰撞。 MAC协议主要就是为了解决这一问题。,6,传输信号码型：基带传输，Manchester码。,传输帧格式： 80
4、2.3 MAC帧格式,传统以太网工作原理（续）,7,传统以太网工作原理（续） CSMA/CD协议,以太网MAC层采用带冲突检测的载波监听 多址接入协议（CSMA/CD协议），这是一 种典型的共享信道随机多址接入技术。,CSMA/CD协议的帧发送操作步骤： （1）每个站点在发送MAC帧前，首先监测信道是否空闲。如果发现信道空闲，就立即发送；否则，继续监测信道。 （2）MAC帧发送后继续监测信道，并进行冲突检测。若在特定的时间（称为冲突窗口或争用期）内没有发现冲突，就继续发送直至将该帧发送完；若在冲突窗口内发现冲突，立即停止帧的发送，并转至步骤（3）。 （3）发送一个短（3248比特）的干扰信号，
5、以强化冲突，让网内所有的站点都知道发生了冲突并停止发送。然后，退避一段随机的时间（按二进制指数退避算法计算）后，重复步骤（1）。,8,具体的操作有：（1）地址识别：识别所有到达帧的目的地址，只接收目的地址（单地址或组地址）与本站地址相符的帧。（2）差错检测：对接收的帧进行CRC校验和帧格式的检查。（3）冲突碎片处理：删除任何小于64字节的帧。（4）上传信息：MAC层将接收数据帧的内容及状态信息传送给上一层。需要指出，上述协议中的载波监听、冲突检测都是在物理层实现的。冲突检测之所以能实现，是因为站点通过分接头能够实现双工工作，即每个站点在将信号发送到总线的同时，又可以从总线上接收信号。,传统以太
6、网工作原理（续）,帧的接收操作,9,9.2 以太网的演进,在传输媒质方面，由采用同轴电缆发展到采用双绞线和光纤等多种媒质；在拓扑结构方面，由原来的总线形网络发展到星形网络或总线形与星形混合网络；在传输速率方面，由10Mb/s提升到100Mb/s、1Gb/s甚至10Gb/s。,以太网的演进变化主要发生在物理层，MAC层的帧格式和CSMA/CD协议仍维持不变。以太网技术的每一步前进，都是“后向兼容”的，因而不会导致用户原有设备的废弃。,10,以太网的演进（续）,10BASE-T双绞线以太网（1990，802.3i）,集线器(HUB)是一个多端口的转发器，其功能是将任一端口输入的信号转发到所有其它端
7、口。,100Mb/s以太网（1995，802.3u） 又称为快速以太网（Fast Ethernet）。快速以太网中的集线器可以是共享媒质型的，也可以是交换式的。交换式集线器实际上是一台以太网交换机 。 1000Mb/s以太网（1996，802.3z） 10Gb/s以太网（2002，802.3ae）,11,9.3 以太网交换,交换式以太网可以明显地提高局域网的性能，交换机的各个端口可以并行、双向同时传输信息，能显著的增加网络带宽，减少冲突。它的主要优点是大大提高了网络的容量（带宽），由多站点共享10M/100M带宽变成每站点独占10M/100M带宽 。,交换式以太网的基本结构,在采用交换式情况下
8、，网络可以在全双工方式下工作而无冲突发生。因此，CSMA/CD协议是不起作用的。但这时仍然采用802.3标准规定的帧格式，所以仍叫做以太网。,冲突区,无冲突,12,以太网交换（续）,功能：以太网交换的基本功能是实现MAC帧的转发，所以又称为第二层交换。 组成：以太网交换机由输入输出端口、内部交换网络和交换控制器等组成。,各端口及连接它们的内部交换网络构成了转发部分，而交换控制器的主要任务是实现转发控制。,以太网交换机的基本结构,13,以太网交换（续）,在以太网交换机中，帧的转发方式主要有两种：直通转发和存储转发。这两种方式所采用的交换网络结构和帧的转发过程是不同的。,在直通方式下，为了适应高速
9、转发的需要，一般采用开关矩阵型的空分交换网络(Crossbar) ，不设帧缓存器。交换机的每个输入端口首先识别到达MAC帧的目的地址；然后查找转发表，以确定该帧的输出端口号；据此启动转发控制逻辑，建立输入与输出端口之间的交叉连接，将该帧从相应的端口发送出去；帧转发完毕后，即释放连接。,直通（Cut -through）方式,直通方式的优点是最大限度地减小了转发时延。,直通方式的缺点是交换机无法对出错的帧进行过滤；无法实现速率的转换。存在输出冲突而引起帧的丢失。,14,以太网交换（续）,存储转发(Store-and-forward)方式下，在交换网络中设置帧缓存器。下图示出在交叉点设缓存的NN交换
10、矩阵。,存储转发方式,MAC帧的存储转发流程： 1)从输入端口接收并暂存MAC帧。 2)对整个帧进行格式检查和CRC校验。若正确，则转到步骤3）；否则，转向步骤5）。 3)识别帧的目的地址DA，根据DA查找转发表。找到后，确定目的输出端口号，将该帧送入相应的缓存器；否则，广播此帧。 4)从各缓存器中按一定的规则调度输出各帧。 5) 删除错帧。,15,以太网交换（续）,帧 转 发 与 地 址 学 习 流 程,由于使用了帧缓存器，存储转发方式可以过滤掉一切错帧和冲突碎片；可以实现速率的转换；还可以解决交换网络内部和输出端口可能存在的冲突问题。因此，存储转发式交换机得到最广泛的应用。这种方式的不足是
11、存在着随机的存储转发时延。,16,以太网交换（续）,转发表：用于实现MAC帧的转发控制。其中每一表项包括一个站点的地址、与该站点直接连接的端口号和一个生存期计时器。地址自学习原理：当一个MAC帧从交换机的某一端口X到达时，交换机就知道该帧是从哪个端口进来的，帧的源地址字段给出了发送该帧的站点地址。交换机根据这两个信息可以得出：从端口X可以到达帧源地址字段所指定的站点，因此，交换机能够为该站点建立新的转发表表项。地址自学习流程：看上页流程图的右半部分。,17,9.4 虚拟局域网（VLAN）,VLAN是在LAN的网络物理拓扑基础上建立的一个或多个逻辑网络，即把一个LAN逻辑地分成若干个子网，子网之
12、间一般需要通过以太网交换机实现互通。这样，逻辑子网的功能与传统的物理子网（网段）相同，不同的是逻辑子网中的成员与其物理位置无关，可以位于不同的物理网段上。,交换式局域网构成的VLAN,四个以太网交换机 三个物理子网 三个VLAN,18,采用VLAN技术的好处,（1）提高管理效率 （2）控制广播数据 （3）增强安全性 （4）提高网络监控性能,VLAN技术给LAN的管理、安全及广播数据的抑制带来诸多好处。,虚拟局域网（续）,19,虚拟局域网（续）,为了保证VLAN的正常工作，每个以太网交换机必须知道其各个端口下的站点属于哪一个VLAN，也就是说每个站点要有相应的VLAN标记。在IEEE802.1Q
13、中定义了两种类型的VLAN标记。,（1）显式标记 （2）隐式标记,在MAC帧中不设VLAN标签。发送帧的站点属于哪一个VLAN，通过它所连接的交换机端口号、它的MAC地址或IP地址等隐含表示。,在以太网MAC帧的首部插入一个VLAN标识符，称为VLAN标签，用来标识发送该帧的站点属于哪一个VLAN。,虚拟局域网的标记方法,20,虚拟局域网（续）,虚拟局域网的划分,（1）按端口号划分VLAN （2）按MAC地址划分 （3）使用组播组 （4）按站点的IP子网地址划分,VLAN可以根据其站点所属的交换机端口号、MAC地址、IP地址等来划分。不同的划分方法有不同的优缺点。,21,虚拟局域网（续）,VLAN成员间通信,如果VLAN的各个成员位于同一以太网交换机的不同端口之下，则一般采用隐式VLAN标记方式就可实现VLAN成员之间的通信。,如果VLAN的各个成员位于不同以太网交换机的端口之下，则需要采用显式VLAN标记方式来实现VLAN成员之间的通信。,VLT 虚拟网主干,22,虚拟局域网（续）,VLAN间通信,一般情况下VLAN之间是不要求或不允许进行通信的。如果在VLAN间需要通信，则可以有如下方法。,（1）用以太网（第二层）交换机实现VLAN间通信。 （2）用第三层交换机实现VLAN间通信。 （3）用高层网关实现VLAN间通信。,谢谢大家!,23,
