--Metro 产品培训系列

1. --Metro产品培训系列 以太网基础知识 华为文档，未经许可不得扩散

2. 课程目标 • ◎ 了解以太网起源和基本技术 • ◎ 理解以太网数据链路层及以太网帧格式 • ◎ 理解以太网交换机的实现方法 • ◎ 理解VLAN的含义及应用 • ◎ 了解生成树的实现方式 • ◎ 了解组播的实现方式 经过该课程后，学员应该掌握以下内容： 华为文档，未经许可不得扩散

3. 以太网社会发展简史 • ★ 以太网起源（原始社会） • ★ HUB出现（奴隶社会） • ★ L2出现（封建社会） • ★ VLAN出现（资本主义社会） • ★ L3出现（社会主义社会） • ★ GE/10GE 出现（共产主义社会） 为什么不把R3（路由器）做为一个社会阶段呢？ 华为文档，未经许可不得扩散

4. ★ 原始社会 以太网起源 1、以太网起源和目标 2、以太网基本技术－CSMA/CD 3、以太网基本技术－物理介质（同轴电缆） 华为文档，未经许可不得扩散

5. 概述 一、OSI七层模型 编程思想，对等层通信，各层技术独立，各层设备独立 二、计算机网络的发展/广域网和局域网协议 1、 1960’s – 1970’s，大型机阶段-简单连接 2、 1970’s – 1980’s，客户服务器阶段-基于网络的连接-LAN 3、 1980’s – 至今，网络阶段-网络互接-WAN/MAN/LAN 在第二和第三阶段中，必须有一种技术来把本地的许多计算机连接起来。这种技术就是所谓的局域网技术。 三、以太网的地位 属于局域网的范畴，定义的是物理层和数据链路层。 华为文档，未经许可不得扩散

6. 应用层 7 表示层 6 会话层 5 传输层 4 网络层 3 数据链路层 2 物理层 1 OSI七层模型 提供应用程序间通信 处理数据格式、数据加密等 建立、维护和管理会话 建立主机端到端连接 寻址和路由选择 提供介质访问、链路管理等 比特流传输 华为文档，未经许可不得扩散

7. 以太网起源和目标 以太网起源： 起源于Xerox公司的一个实验网，该实验网络的目的是把几台个人计算机以3M的速率连接起来。由于该实验网络的突出表现，DEC，Intel，Xerox三家公司最终在1980年发布了第一个以太网协议标准建议书。 该建议书的核心思想是：在一个10M带宽的共享物理介质上，把最多1024个计算机和其他数字设备进行连接，当然，这些设备之间的距离不能太大（最大2.5公里）。 华为文档，未经许可不得扩散

8. 以太网起源和目标 以太网的目标： • 简明和成本低 • 兼容性：对网络层协议的兼容性。 • 寻址灵活：应该有一种机制来确定网络中的一台计算机、全部计 算机或一组计算机－MAC地址。 • 公平高速：各个终端应该公平的享有带宽－CSMA/CD，高速－数据链路层－无连接，尽力传送-“best－effort” 华为文档，未经许可不得扩散

9. 以太网的MAC地址 • MAC地址有48位，但它通常被表示为12位的点分十六进制数。 • MAC地址举例：00.e0.fc.39.80.34 • MAC地址全球唯一，由IEEE对这些地址进行管理和分配。每个地址由两部分 • 组成，分别是供应商代码和序列号。其中前24位二进制代表该供应商代码。剩下 • 的24位由厂商自己分配。 • 例如华为设备的MAC的前24位就是00.e0.fc • 如果48位全是1，则表明该地址是广播地址。 • 如果第8位是1，则表示该地址是组播地址。 华为文档，未经许可不得扩散

10. 以太网基本技术－CSMA/CD • CS：载波侦听。 在发送数据之前进行监听，以确保线路空闲，减少冲突的机会。 • MA：多址访问。 每个站点发送的数据，可以同时被多个站点接收。 • CD：冲突检测。 边发送边检测，发现冲突就停止发送，然后延迟一个随机时间之后继续发送。 冲突的检测： 由于两个站点同时发送信号，经过叠加后，会使线路上电压的摆动值超过正常值一倍。据此可判断冲突的产生。 华为文档，未经许可不得扩散

11. 以太网基本技术－CSMA/CD 共享介质的灵魂－CSMA/CD（带碰撞检测的载波监听多路访问）原理： 1、终端设备不停的检测共享线路的状态，只有在空闲的时候才发送数据， 如果线路不空闲则一直等待。 2、发送过程中，若其他设备也同时发送数据，则其发送 的数据必然产生 碰撞，导致线路上的信号不稳定，终端设备检测到这种不稳定之后， 马上停止发送自己的数据，然后再发送一连串干扰脉冲，然后等待一段 时间之后再进行发送。 缺点：带宽窄，冲突检测机制，传输时间必须大于延迟时间导致物理长度 限制－51.2us的冲突检测窗口，1位在2500m，加上四个中继器的往返时间。 帧长最小字 节数64，刚好512位。 华为文档，未经许可不得扩散

12. 最小帧长与最大传输距离 • 最大传输距离：通常由线路质量、信号衰减程度等因素决定。 • 最小帧长（64字节）：由最大传输距离和冲突检测机制共同决定。 • 规定最小帧长是为了避免这种情况发生：某站点已经将一个数据包的最后一个BIT发送完毕，但这个报文的第一个BIT还没有传送到距离很远的一个站点。而站点认为线路空闲而发送数据，导致冲突。 以太网通信的原则： 同一时刻只能有一台主机在发送，但可以有多台主机 同时接收——广播；如果一个以太网报文被完全发送出去 则在链路上肯定不会发生冲突，即理论上不再需要发送第 二次。 华为文档，未经许可不得扩散

13. 古老的传输介质 • 10Base5：粗同轴电缆（5代表电缆的字段长度是500米） • 10Base2：细同轴电缆（2代表电缆的字段长度是200米） 在上古时代，人们使用一种称为抽头的设备建立与同轴电缆的连接。须用特殊的工具在同轴电缆里挖一个小洞，然后将抽头接入。此项工作存在一定的风险：因为任何疏忽，都有可能使电缆的中心导体与屏蔽层短接，导致这个网络段的崩溃。同轴电缆的致命缺陷是：电缆上的设备是串连的，单点的故障可以导致这个网络的崩溃。 华为文档，未经许可不得扩散

14. 原始社会的主要矛盾 • 原始社会中没有阶级关系，所有的主机都以平等的地位连接到 • 同轴电缆上，但如果以太网中主机数目较多，则存在以下严重 • 问题：♀ 介质可靠性差♀ 冲突严重♀ 广播泛滥♀ 无任何安全性 其中介质可靠性差是原始社会的主要社会矛盾。 华为文档，未经许可不得扩散

15. ★ 奴隶社会 HUB的出现 1、以太网基本技术－物理介质（双绞线） 2、以太网基本技术－全双工 3、HUB的工作原理 4、以太网基本技术－自协商 华为文档，未经许可不得扩散

16. 物理介质－从同轴电缆到双绞线 • 80年代末期，非屏蔽双绞线（UTP）出现，并迅速得到广泛的应用。UTP的巨大优势在于： • 价格低廉，只有同轴电缆的几分之一 • 制作简单，成功率高 • 收发使用不同的线缆，为实现全双工奠定了物质基础 • 逻辑拓扑依旧是总线的，但物理拓扑变为星形，使单段线缆的故障不会影响到这个网络。 10BASE-T:采用电话双绞线的IEEE 802.3 10Mb/s物理层规格 华为文档，未经许可不得扩散

17. 以太网基本技术－全双工以太网 全双工以太网： 1990年，基于双绞线介质的10BAST-T以太网，这是以太网历史上一次最重要的革命。 提高灵活性和降低了成本，而且引入全双工模式。 全双工的出现，加大了带宽利用率，使走出了CSMA/CD的模式。 华为文档，未经许可不得扩散

18. HUB工作模型 • HUB设备工作模型： 仅仅是物理上的连接设备 华为文档，未经许可不得扩散

19. HUB工作原理 • HUB设备工作原理： 所有的HUB都是半双工的 HUB仅仅改变了以太网的物理拓扑 华为文档，未经许可不得扩散

20. HUB基本特点和面临的问题 HUB的特点： 1、在物理上是星形结构的，逻辑上为总线结构，各网卡采用CSMA/CD技术对其总线进行访问，扩展共享介质局域网。 2、 HUB根据提供的接口不同，可以分为I类和II类。传统HUB仅支持半双工，根据型号不同，速率有10M/100M。目前使用最多的是10M半双工的。 面临的问题： 冲突域：在网络中，数据分组传播，产生冲突的区域。 HUB扩展了冲突域的范围，但是不能对业务流量进行过滤，如果网络过大，影响了网络性能，必须对冲突域进行分段。 华为文档，未经许可不得扩散

21. HUB的冲突域 HUB对所连接的LAN只做信号的中继，所有的物理设备构成了一个冲突域 华为文档，未经许可不得扩散

22. 以太网基本技术－自协商 以太网的接口速率有10M和100M（后继出现1000M、10G），端口模式有半双工（后继出现全双工），如果对每个接入网络的设备进行配置，则必然是一项很繁重的工作，而且不容易维护 ，怎么办？ 华为文档，未经许可不得扩散

23. 以太网基本技术－自协商 自协商的基础：一种底层的以太网机制。 16ms 每个大脉冲插入16小脉冲 …… 使用1ms的脉冲来携带自动协商信息。 华为文档，未经许可不得扩散

24. 运行速率 流量控制 双工模式 …... 以太网基本技术－自协商 编码支持能力： 系统建立链路连接时候，首先检 测自动协商标志，如果允许，则从 配置寄存器读出支持模式标志，编 码后通过空闲脉冲发送出去。发送 出去的编码格式称为基页。 如果接收到对方的基页，则跟自己发送的基页比较，找出支持能力 的交集，选取最优组合运行。 101001010111000101001101010101…... 为什么对接时一端自协商，一端固定模式会有问题？ 华为文档，未经许可不得扩散

25. HUB （奴隶社会）的主要矛盾 • 从奴隶社会开始，以太网中第一次出现了阶级的概念：统治阶级和被统治 • 阶级。被统治阶级通常是生产者（主机），网络中的流量只要由生产者产 • 生。统治阶级通常指网络中的连接和交换设备（HUB），虽然他们不从事 • 生产劳动，但却对劳动果实有分配权。 • 奴隶社会存在如下社会矛盾： • ♀ 冲突严重 • ♀ 广播泛滥 • ♀ 无任何安全性 其中冲突严重是奴隶社会的主要社会矛盾，当时的社会生产力非常低下。 华为文档，未经许可不得扩散

26. 总结与思考 LAN Switch 如图：各PC机安装了10/100M自适应网卡，交换机支持10/100M自动协商，HUB为10M，请问： 1、PC-A和交换机之间工作在什么方式？ 2、PC-B和HUB之间工作在什么方式？ 3、HUB和交换机之间工作在什么方式？ PC-A HUB PC-C PC-B 华为文档，未经许可不得扩散

27. ★ 封建社会 L2的出现 1、以太网数据链路层功能结构 2、MAC子层和全、半双工实现 3、以太网基本帧结构 4、L2的基本工作原理 5、STP（生成树）的基本思想 华为文档，未经许可不得扩散

28. 应用层 7 表示层 6 会话层 5 传输层 4 网络层 3 数据链路层 2 物理层 1 以太网数据链路层－概述 提供应用程序间通信 处理数据格式、数据加密等 建立、维护和管理会话 建立主机端到端连接 寻址和路由选择 提供介质访问、链路管理等 比特流传输 华为文档，未经许可不得扩散

29. 网络层 LLC子层 数据链路层 MAC子层 物理层 数据链路层－概述 IEEE802.2/3，对数据链路层的定义，分为LLC（逻辑链路控制）子层和MAC（介质访问控制）子层。对于以太网标准，数据链路层仅指MAC子层。 广义上，MAC子层协议根据对介质访问方式的不同，可以分为确定性的（轮流）和非确定性的（先到先服务FCFS）。确定性MAC协议有令牌环（Token Ring）和光纤分布数据接口（FDDI）两种；非确定性MAC协议，主要是以太网的CSMA/CD协议。 华为文档，未经许可不得扩散

30. EthernetMAC HalfDuplexMAC FullDuplexMAC 以太网数据链路层－功能结构 和OSI标准的层与层的独立关系不同，以太网数据链路层和物理层息 息相关，随着以太网物理层从共享介质到全双工的发展，MAC子层也 从半双工模式发展到全双工模式。 • 针对不同的物理介质提供不同的MAC层面来访问。 • 针对不同的双工模式，Ethernet划分为半双工MAC和全双工MAC。 华为文档，未经许可不得扩散

31. 数据链路层－MAC子层/主要功能 MAC层的功能： 1、物理层的访问，和物理层配合实现。 2、链路级的站点标识：在数据链路层识别网络上的各个站点。也就是说，在该层次保留了一个站点地址（就是所谓的MAC地址），来标识网络上的唯一一个站点； 3、链路级的数据传输：从上层（网络层/LLC子层）接收数据，附加上MAC地址和控制信息后，形成MAC帧，把数据发送到物理链路上；在这个过程中搀杂了FCS校验等功能。 华为文档，未经许可不得扩散

32. 数据链路层－MAC子层/半双工MAC 半双工MAC跟物理层之间至少有六种信号： • 接收数据线 • 发送数据线 • 接收数据指示 • 发送数据指示 • 载波侦听 • 冲突发生检测 HalfDuplexMAC Physical_Layer 数据线 指示信号 冲突和检测信号 华为文档，未经许可不得扩散

33. 数据链路层－MAC子层/全双工MAC 全双工MAC跟物理层之间至少有四种信号： • 接收数据线 • 发送数据线 • 接收数据指示 • 发送数据指示 FullDuplexMAC Physical_Layer 数据线 指示信号 华为文档，未经许可不得扩散

34. 数据链路层－MAC子层/MAC地址 MAC地址是一个（）比特的数字。 1、物理MAC地址：这种类型的MAC地址唯一的标识了以太网上的一个终端（比如网卡等），实际上这样的地址是固化在硬件ROM里面的； 2、广播MAC地址是（） 3、组播MAC地址（），这是一个（）﹤逻辑or物理﹥的MAC地址。 例如：00-10-a4-ab-21-ca是（）类型的MAC地址？ 10-80-00-3d-44-3a是（）类型的MAC地址？ 华为文档，未经许可不得扩散

35. 几种主要的以太网帧结构 华为文档，未经许可不得扩散

36. Length/Type值 含义 Ethernet_II Type > 1500 Length <= 1500 代表了该帧的类型 代表了该帧的长度 IEEE的802.3 数据链路层－以太网帧结构 关于Length/Type，对于Ethernet_II，它的值通常为0x0800（表示后面数据为IP）。目前我们大部分计算机网卡只支持这种帧结构。 华为文档，未经许可不得扩散

37. 64到1518字节 Ethernet_II帧结构 PRE: 先导字节, 7个10101010 SFD: 帧开始标志, 10101011 华为文档，未经许可不得扩散

38. Ethernet_II帧结构 华为文档，未经许可不得扩散

39. 总结与思考 1、以太网帧结构的查看： 答：通过Sniffer软件，可以查看数据帧格式，比较全面的了解各层数据的关系，非常有利于理解目前的帧结构。 2、以太网和IEEE802.3区别： 答：802.3在以太网标准基础上形成。 以太网，物理层，以太网只定义10M-50欧同轴电缆，包括物理层、数据链路层的全部内容。 802.3，物理层，定义多种媒质，速率1－10M，包括物理层和数据链路层的MAC子层，而LLC子层在802 .2里面定义。 另，二者数据帧格式不同，什么地方不同？ 华为文档，未经许可不得扩散

40. 以太网交换机－概述 HUB带来冲突域的不断扩大，超过200台严重影响了网络性能，必须采用其他设备对冲突域进行分段，对其流量进行过滤。 历史上出现过，网桥－通过MAC地址进行流量过滤，另也可以连接两个异构网，比如以太网和令牌环网，网桥在这两个网络中完成地址翻译，通信中继等功能。 随后出现了交换机，相当于多端口的的网桥。目前，随着以太网的发展，以太网交换机大行其道。 华为文档，未经许可不得扩散

41. 以太网交换机－基础知识 HUB和以太网交换机的区别： 1、HUB工作在物理层，以太网交换机工作在数据链路层。 2、HUB－半双工/所有端口的广播，效率低。以太网交换机－全双工/通过MAC地址的学习和转发，限制了冲突域，却扩大了广播域。 交换机让用户通过虚拟线路并行通信并是网络段处于无冲突的环境。 华为文档，未经许可不得扩散

42. Port-1 Port-2 Port-3 PCA-1234.ABCD.0001 PCB-1234.ABCD.0002 PCC-1234.ABCD.0003 出口集合 MAC {port1} {port2} {port3} . . 1234.ABCD.0001 1234.ABCD.0002 1234.ADCB.0003 . . 以太网交换机－工作过程 1、基于源端口的学习： 交换机内部维护的CAM表（Content－addressable memorg）： 华为文档，未经许可不得扩散

43. 以太网交换机－工作过程 交换机学习/转发数据帧的基本规则： 1、交换机查CAM表，如果查找到结果，根据查找结果进行转发（不包括源端口）； 2、如果交换机在CAM表中查找不到结果，则根据配置进行处理，通常情况下是向所有的端口（不包括源端口）发送该数据帧，在发送数据帧的同时，学习到一条CAM表项。 3、向所有端口（不包括源端口）转发多播帧和组播帧。 4、交换机一般不对帧格式进行修改。 交换机的基于源端口的学习： 开始的时候，交换机的CAM表是空的，当交换机接收到第一个数据帧的时候，查找CAM表失败，于是向所有端口（不包括源端口）转发该数据帧，在转发数据帧的同时，交换机把接收到的数据帧的源MAC地址和接收端口进行关联，形成一项记录，填写到CAM表中，这个过程就是学习的过程。 华为文档，未经许可不得扩散

44. Port-1 Port-2 Port-3 PCA-1234.ABCD.0001 PCB-1234.ABCD.0002 PCC-1234.ABCD.0003 MAC 出口集合 {port1} {port2} {port3} . . 1234.ABCD.0001 1234.ABCD.0002 1234.ADCB.0003 . . 以太网交换机－工作过程 2、基于宿端口的转发 交换机接收到数据帧后，根据目的 地址查询CAM，找到出口后，把 数据包从该出口集合发送出去。 华为文档，未经许可不得扩散

45. 以太网交换机－工作过程/老化时间 交换机还为每个CAM表项提供了一个定时器，该定时器从一个初始值开始递减，每当使用了一次该表项（接收到了一个数据帧，查找CAM表后用该项转发），定时器被重新设置。如果长时间没有使用该CAM表的转发项，则定时器递减到零，于是该CAM表项被删除。－－此定时器的时间就是老化时间，通常缺省为5分钟。 我司设备的CAM表容量：SS42/61ET1V2－8K 华为文档，未经许可不得扩散

46. 以太网交换机－交换方式 1、存储转发 工作过程： 交换机把接收到的整个数据帧缓存，检查数据包长度，进行CRC校验然后查询CAM，进行转发。 特点： 提高了可靠性，可以让数据包提前滤掉，但速度上有折扣。 我司METRO设备就是采用这种方式。 华为文档，未经许可不得扩散

47. 以太网交换机－交换方式 2、直通方式 工作过程： 交换机接收数据帧的时候，只要接收完帧头信息，发上查询CAM表，根据结果直接转发。 特点： 大大 提高了转发速度，但可能转发一些错误数据包。 华为文档，未经许可不得扩散

48. 以太网交换机－交换方式 3、碎片隔离 工作过程： 交换机接收完数据帧的前64个字节（一个最短帧的长度），然后根据头信息，查CAM表进行转发。 特点： 滤掉了一些碎片，结合了前两种的优点。 华为文档，未经许可不得扩散

49. 二层交换机硬件结构 L2的转发完全由硬件通过ASIC实现，以低廉的价格 实现了线速的转发 还有强大的背板总线做支撑。 华为文档，未经许可不得扩散

50. 全双工就是解放生产力！ 实现全双工的物质保证： 支持全双工的网卡芯片＋收发线路完全分离物理介质＋点到点的连接（HUB都是半双工的）。 全双工对以太网技术的影响 最大吞吐量达到双倍速率； 从根本上解决了以太网的冲突问题，以太网从此告别CSMA/CD。 支持全双工的设备 最近10年制造的网卡、L2、路由器，HUB除外。 华为文档，未经许可不得扩散