1、第十二章層2交換技術(shù),Part.1 以太網(wǎng)交換機(jī)基礎(chǔ),什么是以太網(wǎng),計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)分2類(lèi)：采用點(diǎn)到點(diǎn)連接的網(wǎng)絡(luò)和采用廣播信道的網(wǎng)絡(luò)。以太網(wǎng)就是一種典型的廣播網(wǎng)絡(luò)。 以太網(wǎng)由施樂(lè)公司PARC研究中心于1973年5月22日首次提出，經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展和創(chuàng)新，已成為世界上最流行的局域網(wǎng)技術(shù)。,以太網(wǎng)與CSMA/CD,CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Acess with Collision Detection）即載波監(jiān)聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)沖突檢測(cè)，它是廣播式以太網(wǎng)共享傳輸介質(zhì)的理論基礎(chǔ)。 CSMA/CD規(guī)定一個(gè)想傳輸數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)必須執(zhí)行以下步驟： 監(jiān)視信道直到其空閑； 傳輸數(shù)據(jù)，并監(jiān)視信道是

2、否有沖突發(fā)生； 如果檢測(cè)到?jīng)_突發(fā)生，則停止傳輸并發(fā)出一個(gè)沖突信號(hào)到網(wǎng)絡(luò)上，以便其它節(jié)點(diǎn)知道網(wǎng)絡(luò)上有沖突，再等待一個(gè)隨機(jī)的時(shí)間，然后回到第一步。這個(gè)隨機(jī)時(shí)間依如下規(guī)則選定：如果數(shù)據(jù)包沖突了n次（n15,則放棄發(fā)送。,以太網(wǎng)絡(luò)與802.3標(biāo)準(zhǔn),IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了以太網(wǎng)的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的MAC子層。 IEEE 802.3規(guī)定的以太網(wǎng)物理層： 10BASE-5 使用粗同軸電纜，最大傳輸距離為500m； 10BASE-2 使用細(xì)同軸電纜，最大傳輸距離為200m； 10BASE-T 使用非屏蔽雙絞線(xiàn)，最大傳輸距離為100m； 10BASE-F 使用光纜，最大傳輸距離為2000m；,以太網(wǎng)絡(luò)

3、與802.2標(biāo)準(zhǔn)邏輯鏈路控制層LLC,IEEE 802.2規(guī)定的以太網(wǎng)鏈路層之LLC子層（802.2幀格式）：,LLC,MAC,數(shù)據(jù)鏈路層,網(wǎng)絡(luò)層,物理層,比特流,數(shù)據(jù)包,注意：IEEE802.2 LLC邏輯鏈路控制子層隱藏了各種802網(wǎng)絡(luò)之間的差別，向網(wǎng)絡(luò)層提供了一個(gè)統(tǒng)一的格式和接口。,3種常用的802.3連接方式,1、10Base-5：總線(xiàn)型結(jié)構(gòu)，使用粗纜和收發(fā)器連接主機(jī)。 2、10Base-2：總線(xiàn)型結(jié)構(gòu)，使用細(xì)纜和無(wú)源BNC T型接頭連接主機(jī)。 3、10Base-T：總線(xiàn)型（或星型）結(jié)構(gòu)，雙絞線(xiàn)和集線(xiàn)器連接主機(jī)。,其他概念（1）,沖突域：帶沖突檢測(cè)的載波偵聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)(CSMA/CD)以

4、太網(wǎng)中的所有節(jié)點(diǎn)在任何需要的時(shí)候都可以發(fā)送數(shù)據(jù)，而CSMA/CD網(wǎng)絡(luò)卻努力確保任一時(shí)刻只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。但是，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)卻有可能同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，出現(xiàn)這種情況就會(huì)導(dǎo)致沖突。如果一個(gè)設(shè)備檢測(cè)到?jīng)_突，它就停止發(fā)送，并將沖突情況通知其他節(jié)點(diǎn)。其他所有正在發(fā)送的節(jié)點(diǎn)得到通知后停止發(fā)送。 廣播域：廣播就是要發(fā)送到網(wǎng)段上的所有節(jié)點(diǎn)、而不是單個(gè)節(jié)點(diǎn)或一組節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。要廣播的節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)送到MAC地址0 xFFFFFFFFFFFF，就能實(shí)現(xiàn)上述目的。廣播域由一組能夠接收同組中所有其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的廣播報(bào)文的節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。 局域網(wǎng)分段：影響局域網(wǎng)性能的兩個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題是過(guò)高的沖突和過(guò)多的廣播?！胺侄巍睂⒕W(wǎng)絡(luò)分割成較小的段。網(wǎng)橋

5、、交換機(jī)和路由器通過(guò)將沖突域分割成較小的部分，從而降低對(duì)帶寬的競(jìng)爭(zhēng)，減少?zèng)_突。路由器還有一個(gè)好處，它可以劃分更小的廣播域。,其他概念（2）,地址學(xué)習(xí) 幀的轉(zhuǎn)發(fā)/過(guò)濾 環(huán)路防止,交換機(jī)的三個(gè)功能,交換機(jī)如何學(xué)習(xí)主機(jī)的位置,最初開(kāi)機(jī)時(shí)MAC地址表是空的 1900 最大mac地址表可存1024個(gè). 一旦地址表滿(mǎn), 就會(huì)洪泛所有到新MAC地址的幀，直到現(xiàn)存地址條目老化為止. Mac地址表?xiàng)l目默認(rèn)老化時(shí)間是300秒，以下命令可改變老化時(shí)間: wg_sw_a(config)#mac-address-table aging-time ? Aging time value,MAC地址表,0260.8c01.1

6、111,0260.8c01.2222,0260.8c01.3333,0260.8c01.4444,E0,E1,E2,E3,A,B,C,D,交換機(jī)如何學(xué)習(xí)主機(jī)的位置,主機(jī)A發(fā)送數(shù)據(jù)幀給主機(jī)C 交換機(jī)通過(guò)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)幀的源MAC地址，記錄下主機(jī)A的MAC地址 對(duì)應(yīng)端口E0 該數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)到除端口E0以外的其它所有端口 (不清楚目標(biāo)主機(jī)的單點(diǎn)傳送用泛洪方式),0260.8c01.1111,0260.8c01.2222,0260.8c01.3333,0260.8c01.4444,E0: 0260.8c01.1111,E0,E1,E2,E3,D,C,B,A,MAC地址表,交換機(jī)如何學(xué)習(xí)主機(jī)的位置,主機(jī)D發(fā)送數(shù)

7、據(jù)幀給主機(jī)C 交換機(jī)通過(guò)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)幀的源MAC地址，記錄下主機(jī)D的MAC地址對(duì)應(yīng)端口E3 該數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)到除端口E3以外的其它所有端口 (不清楚目標(biāo)主機(jī)的單點(diǎn)傳送用泛洪方式),0260.8c01.1111,0260.8c01.2222,0260.8c01.3333,0260.8c01.4444,E0: 0260.8c01.1111,E3: 0260.8c01.4444,E0,E1,E2,E3,D,C,A,B,MAC地址表,交換機(jī)如何過(guò)濾幀,交換機(jī)A發(fā)送數(shù)據(jù)幀給主機(jī)C 在地址表中有目標(biāo)主機(jī)，數(shù)據(jù)幀不會(huì)泛洪而直接轉(zhuǎn)發(fā),E0: 0260.8c01.1111,E2: 0260.8c01.2222,E1:

8、0260.8c01.3333,E3: 0260.8c01.4444,0260.8c01.1111,0260.8c01.2222,0260.8c01.3333,0260.8c01.4444,E0,E1,E2,E3,X,X,D,C,A,B,MAC地址表,主機(jī)D發(fā)送廣播幀或多點(diǎn)幀 廣播幀或多點(diǎn)幀泛洪到除源端口外的所有端口,0260.8c01.1111,0260.8c01.2222,0260.8c01.3333,0260.8c01.4444,E0,E1,E2,E3,D,C,A,B,E0: 0260.8c01.1111,E2: 0260.8c01.2222,E1: 0260.8c01.3333,E3:

9、0260.8c01.4444,廣播幀和多點(diǎn)傳送幀,MAC地址表,Part.2 生成樹(shù)協(xié)議,冗余網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?冗余拓?fù)湎擞捎趩吸c(diǎn)故障所引致的網(wǎng)絡(luò)不通問(wèn)題 冗余拓?fù)鋮s帶來(lái)了廣播風(fēng)暴、重復(fù)幀和MAC地址表不穩(wěn)定的問(wèn)題,網(wǎng)段 1,網(wǎng)段 2,服務(wù)器/主機(jī) X,路由器 Y,廣播,交換機(jī) A,交換機(jī) B,主機(jī) X 發(fā)送一廣播信息,廣播風(fēng)暴,網(wǎng)段 1,網(wǎng)段 2,服務(wù)器/主機(jī) X,路由器 Y,廣播,廣播風(fēng)暴,交換機(jī) A,交換機(jī) B,主機(jī) X 發(fā)送一廣播信息,網(wǎng)段 1,網(wǎng)段 2,服務(wù)器/主機(jī) X,路由器 Y,廣播,交換機(jī)不停地發(fā)出廣播信息,廣播風(fēng)暴,交換機(jī) A,交換機(jī) B,網(wǎng)段 1,網(wǎng)段 2,服務(wù)器/主機(jī) X,路

10、由器 Y,重復(fù)幀,單點(diǎn)幀,主機(jī)X發(fā)關(guān)一單點(diǎn)幀給路由器Y 路由器Y的MAC地址還沒(méi)有被交換機(jī)A和B學(xué)習(xí)到,交換機(jī) A,交換機(jī) B,網(wǎng)段 1,網(wǎng)段 2,服務(wù)器/主機(jī) X,路由器 Y,主機(jī)X發(fā)送一單點(diǎn)幀給路由器Y 路由器Y的MAC地址還沒(méi)有被交換機(jī)A和B學(xué)習(xí)到 路由器Y會(huì)收到同一幀的兩個(gè)拷貝,重復(fù)幀,交換機(jī) A,交換機(jī) B,網(wǎng)段 1,網(wǎng)段 2,服務(wù)器/主機(jī) X,路由器 Y,單點(diǎn)幀,單點(diǎn)幀,主機(jī)X發(fā)送一單點(diǎn)幀給路由器Y 路由器Y的MAC地址還沒(méi)有被交換機(jī)A和B學(xué)習(xí)到 交換機(jī)A和B都學(xué)習(xí)到主機(jī)X的MAC地址對(duì)應(yīng)端口0,端口 0,端口1,端口0,端口1,MAC地址表不穩(wěn)定,交換機(jī) A,交換機(jī) B,網(wǎng)段 1

11、,網(wǎng)段 2,服務(wù)器/主機(jī) X,路由器 Y,Unicast,主機(jī)X發(fā)送一單點(diǎn)幀給路由器Y 路由器Y的MAC地址還沒(méi)有被交換機(jī)A和B學(xué)習(xí)到 交換機(jī)A和B都學(xué)習(xí)到主機(jī)X的MAC地址對(duì)應(yīng)端口0 到路由器Y的數(shù)據(jù)幀在交換機(jī)A和B上會(huì)泛洪處理 交換機(jī)A和B都錯(cuò)誤學(xué)習(xí)到主機(jī)X的MAC地址對(duì)應(yīng)端口 1,MAC地址表不穩(wěn)定,單點(diǎn)幀,端口 0,端口1,端口0,端口1,交換機(jī) A,交換機(jī) B,網(wǎng)段 1,網(wǎng)段 2,服務(wù)器/主機(jī) X,路由器 Y,更復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能導(dǎo)致多重回路 在第2層沒(méi)有能夠防止這種回路的機(jī)制,服務(wù)器/主機(jī),工作站,回路,回路,回路,多重回路問(wèn)題,回路的解決辦法: 生成樹(shù)協(xié)議Spanning-Tre

12、e Protocol,將某些端口置于阻塞狀態(tài)就能防止冗余結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲挟a(chǎn)生回路,阻塞,x,# 每個(gè)網(wǎng)絡(luò)只能有一個(gè)根橋，根橋具有最低的橋ID，根橋上的所有端口都是指派端口 每個(gè)非根橋只能有一個(gè)根端口，根端口到達(dá)根橋所花代價(jià)最低 每段只能有一個(gè)指派端口，指派端口到達(dá)根橋所花代價(jià)最低,x,指派端口(F),根端口(F),指派端口(F),非指派端口(B),根橋,非根橋,SW X,SW Y,100baseT,10baseT,生成樹(shù)運(yùn)作,交換機(jī) Y 缺省的優(yōu)先級(jí) 32768 (8000 十六進(jìn)制) MAC 0c0022222222,交接機(jī) X 缺省的優(yōu)先級(jí) 32768 (8000 十六進(jìn)制) MAC 0c

13、0011111111,BPDU,BPDU = Bridge protocol data unit （有配置BPDU和通知BPDU) (缺省地每2秒發(fā)送BPDU數(shù)據(jù)),多播地址發(fā)送。 根橋 = 有最低橋識(shí)別碼的橋（橋ID） 橋識(shí)別碼 = 橋優(yōu)先級(jí) + 橋MAC地址 路徑代價(jià)、端口ID等 例中， 哪個(gè)交換機(jī)的橋識(shí)別碼最低? 控制根橋：config)#spanning-tree vlan 1 priority 20480,Root Bridge的選擇,交接機(jī) Y 缺省的優(yōu)先級(jí) 32768 MAC 0c0022222222,交換機(jī) X 缺省的優(yōu)先級(jí) 32768 MAC 0c0011111111,Roo

14、t bridge,x,端口 0,端口1,端口0,端口1,100baseT,10baseT,指派端口(F),根端口 (F),非指派端口(B),指派端口(F),端口狀態(tài),每個(gè)非根橋有且僅有一個(gè)根端口forwarding ，根端口到達(dá)根橋所花代價(jià)優(yōu)先級(jí)MAC地址Port#最?。◤淖蟮接乙来伪容^） 根端口RP和指派端口DP一般處于forwarding狀態(tài)，非指派NDP一般是blocked狀態(tài),連接速率代價(jià)(修訂的 IEEE 規(guī)范) 代價(jià)(舊IEEE 規(guī)范) - 10 Gbps 21 1 Gbps41 100 Mbps1910 10 Mbps100100,路徑代價(jià),SW(config-if)#spann

15、ing-tree cost 10 SW(config-if)#spanning-tree port-priority 100,交換機(jī)Y MAC 0c0022222222 缺省的優(yōu)先級(jí) 32768,交換機(jī)X MAC 0c0011111111 缺省的優(yōu)先級(jí) 32768,端口0,端口1,端口 0,端口1,交換機(jī) Z Mac 0c0011110000 缺省的優(yōu)先級(jí) 32768,端口 0,請(qǐng)指出: 根橋 指派端口、非指派端口和根端口? 各端口分別是轉(zhuǎn)發(fā)還是阻塞狀態(tài)?,100baseT,100baseT,生成樹(shù),端口 0,100baseT,100baseT,指派端口(F),根端口 (F),非指派端口 (阻

16、塞),指派端口 (F),根端口 (F),請(qǐng)指出: 根橋 指派端口、非指派端口和根端口? 各端口分別是轉(zhuǎn)發(fā)還是阻塞狀態(tài)?,生成樹(shù),交換機(jī)Y MAC 0c0022222222 缺省的優(yōu)先級(jí) 32768,交換機(jī)X MAC 0c0011111111 缺省的優(yōu)先級(jí) 32768,端口0,端口1,端口 0,端口1,交換機(jī) Z Mac 0c0011110000 缺省的優(yōu)先級(jí) 32768,生成樹(shù)會(huì)將每個(gè)端口的狀態(tài)作以下變換:,生成樹(shù)端口狀態(tài),生成樹(shù)重新生成,生成樹(shù)重新生成,Switch Y 在最多20秒后會(huì)發(fā)現(xiàn)從 Switch X 來(lái)的 BPDU 信號(hào)消失，于是就重新計(jì)算 STP 。 網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后， Switch

17、 Y 將會(huì)是根橋， 而且它的所有單口都會(huì)處于轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)(Designated port)。,Part.3 橋接和交換,基于軟件實(shí)現(xiàn) 每個(gè)橋只能有一個(gè)生成樹(shù) 每個(gè)橋通常最多到16個(gè)端口,橋,基于硬件實(shí)現(xiàn)(ASIC) 每個(gè)交換機(jī)可以有多個(gè)生成樹(shù) 有更多的端口,交換機(jī),橋與交換機(jī)的比較,透明橋接,直通轉(zhuǎn)發(fā)Cut-through(伺機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)) 交換機(jī)檢測(cè)到目標(biāo)地址后即轉(zhuǎn)發(fā)幀,Frame,片斷轉(zhuǎn)發(fā) Fragment free (報(bào)片自由交換)(直通轉(zhuǎn)發(fā)的修訂版)Cat1900 的缺省模式 (modified cut-through) 交換機(jī)檢測(cè)到幀的前64字節(jié)后即轉(zhuǎn)發(fā),Frame,存貯轉(zhuǎn)發(fā)Store and

18、 forward 完整地收到幀并檢查無(wú)錯(cuò)后才轉(zhuǎn)發(fā),Frame,Frame,Frame,幀交換,幀交換,直通轉(zhuǎn)發(fā)Cut-through 交換機(jī)檢測(cè)到目標(biāo)地址后即轉(zhuǎn)發(fā)幀,Frame,交換機(jī)一確定幀的目的MAC地址和正確的端口號(hào)，就立即將幀轉(zhuǎn)發(fā)出去。通常情況下，大約在收到幀頭14個(gè)字節(jié)左右就開(kāi)始轉(zhuǎn)發(fā)。這使得直通法比存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)法具有更小且相對(duì)固定的延遲時(shí)間，但它連小于64字節(jié)的幀以及一些壞幀也一塊兒轉(zhuǎn)發(fā)，可能浪費(fèi)帶寬。,幀交換,存貯轉(zhuǎn)發(fā)Store and forward 完整地收到幀并檢查無(wú)錯(cuò)后才轉(zhuǎn)發(fā),直通轉(zhuǎn)發(fā) 交換機(jī)檢測(cè)到目標(biāo)地址后即轉(zhuǎn)發(fā)幀,Frame,Frame,Frame,Frame,交換機(jī)將幀向

19、目的端口轉(zhuǎn)發(fā)之前要先收到完整的幀并進(jìn)行CRC校驗(yàn)、確定目的地址。交換機(jī)將整個(gè)幀存儲(chǔ)在內(nèi)存緩沖區(qū)中，直到它獲得有效資源才將其發(fā)往目的地。好處是能夠拋棄小于64字節(jié)的幀以及其他任何受損的幀，這樣可以節(jié)約帶寬。缺點(diǎn)是延遲較大且不固定，因?yàn)樗谵D(zhuǎn)發(fā)之前要收到并處理完整的幀。,多層交換,第2層交換：本質(zhì)上是多端口的透明橋接，但比傳統(tǒng)橋接增加了存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)外的兩種轉(zhuǎn)發(fā)交換方式。2層交換機(jī)比橋增加了VLAN功能，同一交換機(jī)可以當(dāng)作多個(gè)獨(dú)立的橋使用，在分割沖突域的同時(shí)，分隔廣播域。 第3層交換：類(lèi)似于路由，根據(jù)目的IP來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)幀，同時(shí)改變幀中的MAC地址，減少生存期TTL域，執(zhí)行一次幀檢測(cè)。但3層交換機(jī)使用ASIC來(lái)實(shí)現(xiàn)，傳統(tǒng)路由器使用通用微處理器和軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。Cisco實(shí)現(xiàn)了“路由一次，交換多次”的快捷交換方式。 第4層交換：即交換機(jī)的ASIC硬件可以識(shí)別第4層的傳輸控制協(xié)議TCP和用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP，并且使用不同的服務(wù)層次來(lái)區(qū)分應(yīng)用。也就是說(shuō)，可以一次完成基于MAC地址、IP地址和上層應(yīng)用端口號(hào)在內(nèi)的復(fù)雜路由與交換功能。,半雙工 (CSMA/CD) 單向數(shù)據(jù)傳送 沖突可能性高 用集線(xiàn)器連接,交換機(jī),集線(xiàn)器,雙工綜述,集線(xiàn)器永遠(yuǎn)工作在半雙工 有沖突的環(huán)境只能使用半雙工 無(wú)沖突的環(huán)境可以使用全雙工,全雙工 只能