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杨 威 山西师范大学网络信息中心 yangw@sxtu

网络 工程设计与安装. （第 2 版 , 第 3 章）. 杨 威 山西师范大学网络信息中心 yangw@sxtu.edu.cn. 电子工业 出版社. 第 3 章高速局域网设计与安装.

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  1. 网络工程设计与安装 （第2版,第3章） 杨 威 山西师范大学网络信息中心 yangw@sxtu.edu.cn 电子工业出版社

  2. 第3章高速局域网设计与安装 • 知识目标：了解以太网通信原理，交换机原理、工作模式与分类。了解10Gbps以太网技术，多层交换技术,VLAN间的信息传递。基本掌握802.3规范与介质标准，以太网卡的功能结构，100Mbps/1Gbps技术，VLAN虚拟局域网的设计，交换机的性能与选型，以及无线局域网技术。掌握以太网卡安装与调试，交换机安装与调试，交换机连接技术，基于802.1Q协议的多层网络组建技术。 • 情感目标：亲历局域网组建需求分析的过程，获得网络组建设计的感性认识。关注身边的局域网使用的情景，关注以太网技术的演进，具有一定的价值判断能力和交流沟通能力。 • 技能目标：尝试、模仿局域网建构专家分析问题、解决问题的行为，能按照用户局域网络工程的需求，设计基本可行的局域网工程解决方案。能够安装、调试二层、三层交换机，以及简单的VLAN。

  3. 第3章高速局域网设计与安装 • 本章重点： • 以太网通信原理，802.3规范与介质标准 • 交换机原理、工作模式 • 1Gbps/10Gbps以太网技术 • VLAN设计，多层交换技术与VLAN间的信息传递 • 交换机之间的连接 • 交换机安装与调试 • 本章难点： • 1Gbps/10Gbps以太网技术 • 多层交换技术与VLAN间的信息传递

  4. 第3章高速局域网设计与安装 3.1 高速以太网技术概述 3.1.1 以太网技术发展 • 1973年， 2.98Mbps ，Xerox • 1980 年，10Mbps， Xerox 、Digital和Intel • 1983年，以太网技术（802.3）、令牌总线（802.4）、令牌环（802.5）共同成为局域网领域的三大标准 • 1995年，802.3u快速以太网标准 • 1998年，802.3z千兆以太网标准 • 2002年，IEEE通过了802.3ae万兆以太网标准

  5. 3.1.1 以太网技术发展 表3.1 IEEE 802.3 规范和布线介质标

  6. 3.1.1 以太网技术发展 IEEE802体系结构示意图 802.1A 体系结构 802.1D Bridge 802.2 LLC LLC 数据链路层 802.3 CSMA /CD 802.4 Token Bus 802.5 Token Ring 802.6 DQDB 802.8 FDDI …… MAC PHY 物理层

  7. 3.1.1 以太网技术发展 • 以太网的发展的主要原因： • 开放标准，获得众多服务提供商的支持 • 结构简单，管理方便，价格低廉 • 持续技术改进，满足用户不断增长的需求 • 网络可平滑升级，保护用户投资

  8. 3.1.2 以太网通信原理 • CSMA：载波监听多点访问 • CSMA/CD —带冲突检测的载波监听多点访问 • CSMA/CD的流程图 • Ethernet/802.3操作

  9. CSMA：载波监听多点访问 • 工作原理：发送前监听。每个站点在发送数据之前要监听信道上是否有数据在传送。若有，则此站不能发送，需等待一段时间后重试。 • 载波监听策略： •  非坚持CSMA：一旦监听到信道忙，就不再监听；延迟一个随机时间后再次监听。 •  坚持CSMA：监听到信道忙时，仍继续监听，直到信道空闲。 • 1-坚持CSMA：一听到信道空闲就立即发送数据 • p-坚持CSMA：听到信道空闲时，以概率p发送数据（以概率1-p延迟一段时间后再发送） • CSMA技术不能解决发送中出现的冲突现象。

  10. CSMA/CD可归结为四句话： • 发前先侦听，空闲即发送， • 边发边检测，冲突时退避。 CSMA/CD —带冲突检测的载波监听多点访问 • 工作原理：发送前先监听信道是否空闲，若空闲则立即发送数据。在发送时，边发边继续监听。若监听到冲突，则立即停止发送。等待一段随机时间（称为退避）以后，再重新尝试。

  11. 发送帧 Yes 媒体忙？ 延迟随机时间 No No Yes 发送帧 N≥16? No No 发送完？ 碰撞？ 发送失败 Yes Yes 碰撞次数N++ 发送成功 发送Jam CSMA/CD的流程图

  12. A A A Ethernet/802.3操作 • 每个站点都可以接收到所有来自其他站点的数据 • 为决定那个站点接收，需要寻址机制来标识目的站点 • 目的站点将该帧复制，其他站点则丢弃该帧 A B C A B C 终端电阻 (1)C 发现总线空闲 (2)C发送帧，目的地址为A A B C A B C (4)A复制该帧 (3)B 忽略该帧 信号由终端电阻吸收

  13. 3.1.3 100Mbps快速以太网技术 • 快速以太网体系结构

  14. 快速以太网系统组成 • 网络组成部分包括：网卡（外置或内置收发器），收发器（外置）与收发器电缆和光缆，集线器，双绞线及光缆媒体。 • 收发器称为光钎收发器，收发器与集线器连接的端口为UTP/RJ-45，采用光缆连接的两个收发器的端口为100BaseFX。所有媒体上均传输100Mbps的信息。

  15. 快速以太网自动协商 网卡和集线器的端口RJ-45上可能支持多种工作模式，可能是100BaseTX、T2或T4，也可能是10BaseT，还可能是全双工模式。因此当两个设备端口间进行连接时，为了达到逻辑上的互通，可以人工进行工作模式的配置。 对于设备所支持的工作模式必须进行自动协商的优先级排队。优先级别可定为7级，100baseT2全双工为最高优先级，100BaseTX全双工为第二优先级等。两个支持自动协商功能的设备，其端口间在UTP连接并进行加电后，首先就在端口间进行自动协商，协商的结果获得了两者所拥有的共同最佳工作模式。例如，如果双方都具有10BaseT和100BaseTX工作模式，则自动协商后，按共同的高优先级工作模式进行自动配置，最后端口间确定按100BaseTX工作模式进行工作。

  16. 快速以太网10/100Mbps自适应 • 端口间10Mbps与100Mbps传输率的自动匹配功能，或称为10Mbps/100Mbps自适应功能显然能满足以上的要求。 • 当一个原有的10BaseT系统欲过渡或升级到100BaseTX系统，并非所有的站都需要升级而置换成100BaseTX的网卡。 • 在过渡的系统中，一部分的站为了得到高带宽而置换成100Mbps网卡，而大部站可能仍处在10BaseT工作模式上。此时必须更换10BaseT集线器，而新的100BaseTX集线器的端口必须具有自动协商功能才能达到过渡的目的。 • 10Mbps/ 100Mbps自适应的处理过程就会发生在原有10BaseT网卡和新的100BaseTX集成器的端口间UTP上。

  17. 3.1.4 1Gbps以太网技术 1Gbps以太网技术的产生 • 1Gbps以太网在作为骨干网络时能够在不降低性能的前提下支持更多的网络分段和结点。首先它能够聚集下层交换机，提供超高速交换路径；其次，它能将主服务器资源与各分支设备连接，以解决现存的快速以太网转发的瓶颈问题。 • 网络主干上有了1Gbps以太网交换机的支持，可以把原来的100BaseT系统设备迁移到低层，这样主干上实现了无阻塞，低层又能分享到更多的带宽。 • 1Gbps以太网是10M/100Mbps以太网的自然“进化”，它不仅仅使系统增加了带宽，而且还带来了通信服务质量，这一切都是在低开销的条件下实现的。

  18. 1Gbps以太网体系结构和功能模块

  19. 1Gbps以太网按PHY层分类 • 1Gbps以太网由于PHY层上包括了众多的功能模块，其中包括两类编码/译译码方案，三种收发器方案，使用了三类媒体，支持全双工或半双工。综合各种PHY层上的功能，把它们归纳成两种实现技术；即1000BaseX和1000BaseT。 • 在同一个MAC子层下面的PHY层中包括了1000BaseX（8B/10B编码方式）和1000BaseT（非屏蔽铜线编码方式）两种技术； • 1000BaseX中又包括了1000BaseLX、1000BaseSX以及1000BaseCX，它们分别对应着相应的编码/译码技术、收发器和传输媒体。 • 1000BaseT的物理层功能与1000BaseX差别较大，有其相应的编码/译码技术、收发器及传输媒体。

  20. 帧护展技术 在半双工模式下，由于CSMA/CD机理的约束，产生了碰撞槽和碰撞域的概念。由于要在发送帧的同时能检测到媒体上发生的碰撞现象，就要求发送帧限定最小长度，在一定的传输率下，最小帧长度与碰撞域的地理范围成正比关系；即最小帧长度越长，则半双工模式的网络系统跨距越大。在10Mbps传输率情况下，802.3标准中定义最小帧长度为64字节，即512位数字信号长度。

  21. 帧突发技术 帧突发在千兆位以太网上是一种可选功能，它使一个主机（特别是服务器）一次能连续发送多个帧，如图3.13所示。当一个主机需要发送很多短帧时，该主机先试图发送第一帧，该帧可能是附加了扩展位的帧。一旦第一个帧发送成功，则具有帧突发功能的该主机就能够继续发送其他帧，直到帧突发的总长度达到1500字节为止。为了使得在帧突发过程中，媒体始终处在“忙状态”，必须在帧间的间隙时间中，发送站发送非“0”“1”数值符号，以避免其他站点在帧间隙时间中占领媒体而中断本站的帧突发过程。

  22. 3.1.5 10Gbps以太网技术 • 万兆以太网技术标准的体系结构 • 万兆以太网技术特点 • 万兆以太网的应用场合 • 万兆以太网的特点和部署建议

  23. 万兆以太网技术标准的体系结构

  24. 万兆以太网技术特点

  25. 万兆以太网的应用场合 10GE在城域网中的应用主要有两个方面： ① 直接采用10GE取代原来传输链路，作为城域网骨干。 ② 通过10GE 粗波分复用（CWDM）接口或WAN接口与城域网的传输设备相连接，充分利用已有的SDH或DWDM骨干传输资源。 对于城域网的应用，由于当前宽带业务并未广泛开展，人们对单端口10Gbps骨干网的带宽没有迫切需求，所以10Gbps以太网技术相对其他替代的链路层技术（如2.5G POS、捆绑的千兆以太网）并没有明显优势。Cisco、JUNIPER、华为和锐捷等公司已推出10G以太网交换机（依据802.3ae草案实现），目前在国内的应用处于发展阶段。 教育网的应用 数据中心出口的应用

  26. 万兆以太网的特点和部署建议 • 万兆以太网技术提供更加丰富的带宽和处理能力，能够有效地节约用户在链路上的投资，并保持以太网一贯的兼容性、简单易用和升级容易的特点。由于万兆以太网尚处于发展初期，还存在着一些问题和不足。首先，在价格方面，目前一个10GE端口的价格是GE端口的100倍左右，尤其是在带宽得不到充分利用的情况下，会造成投资的极大浪费。其次，万兆以太网继承了以太网一贯的弱QoS特点，如何进行有保障的区分业务承载的问题仍然没有解决，弹性分组环RPR、多协议标签交换MPLS等特性的支持尚不成熟。第三，10GE要求设备具有强大的处理能力，而目前业界有些厂商推出的10GE端口并达不到真正的线速处理，带宽优势大打折扣。 • 针对上述问题以及目前网络带宽需求不太迫切的现状，建议网络建设应侧重业务和性价比，网络核心仍采用2.5GPOS接口或GE Trunk方式，当万兆以太网在技术和成本方面得到重大进步之后，再平滑升级至万兆。 • 目前，城域网的问题不是缺少带宽，而是如何将城域网建设成为可管理、可运营并且可盈利的网络。所以，10Gbps以太网技术的应用将取决于宽带业务的开展。只有广泛开展宽带业务，如视频组播、高清晰度电视和实时游戏等，才能促使10Gbps以太网技术广泛应用，推动网络健康有序发展。

  27. 3.2交换机原理与分类 交换数据帧 交换技术的基本原理 构造维护交换地址表 存储转发模式 交换机工作模式 快速转发模式 自由分段模式 快速以太网交换机 10/100Mbps自适应交换机 千兆以太网交换机 万兆以太网交换机 交换机的分类

  28. 交换技术的基本原理 交换数据帧 的规则 （1）如果数据帧的目的MAC地址是广播地址或者组播地址，则向交换机所有端口转发（除数据帧来的端口）； （2）如果数据帧的目的地址是单播地址，但这个地址并不在交换机的地址表中，那么也会向所有的端口转发（除数据帧来的端口）； （3）如果数据帧的目的地址在交换机的地址表中，那么就根据地址表转发到相应的端口； （4）如果数据帧的目的地址与数据帧的源地址在一个网段上，它就会丢弃这个数据帧，交换也就不会发生。

  29. 交换机的运行方式 • 交换机具备两个基本的功能： • 基于MAC地址建立和维护交换表(类似于网桥表) • 将数据帧交换到连接到目的地的接口 • 交换机和网桥的区别 • 交换机的运行速度较快 • 通过微分段技术，交换机有创建虚拟局域网(VLANs)的能力 • 网桥中的数据交换通过软件实现；交换机则采用硬件来实现数据交换(叫做“交换结构”“switch fabric”)

  30. 三种交换方法 • 存储-转发 • 交换机接受整个数据帧，在转发到目的地之前，计算并校验数据帧末尾的CRC值 • 直通(Cut-through) • 快速转发交换—在接受并读取了数据帧的目的MAC地址后就开始转发数据帧 • 优点：降低延迟 • 缺点：会转发错误数据 • 自由分段交换—在转发数据帧之前，需要检查该数据帧是否是冲突的帧。通常由于某些网络要求数据帧必须大于64字节，因此，该方式下一般将过滤掉小于64字节的数据帧 • 优点：减少转发的错误数据帧 • 缺点：增加延迟

  31. 交换机的延迟 • 每个交换机增加21us的延迟 • 通过采用不同的交换方法会降低延迟 • 与存储-转发方法不同，交换机使用直通(cut-through)方式进行数据交换，即当交换机接收并读取到数据帧的目的MAC地址就开始转发数据帧

  32. LAN交换机如何学习地址 • 交换机动态的学习MAC地址并将它存在内容可寻址内存(CAM—content-addressable memory) • 每次交换机接收到一个数据帧后，向交换表中存放一个地址项，并且在该项上加上时间戳 • 当CAM中已有的相关地址的每个数据帧到达后，表中地址相关的项的时间戳将被更新 • 当地址的时间戳过期后，该项将从表中删除 • 上述更新办法将使得交换表维持在一个较小的规模

  33. 构造维护交换地址表 当然，在存放交换地址表项之前，交换机首先应该查找地址表中是否已经存在该源地址的匹配表项，仅当匹配表项不存在时才能存储该表项。每一条地址表项都有一个时间标记，用来指示该表项存储的时间周期。 地址表项每次被使用或者被查找时，表项的时间标记就会被更新。如果在一定的时间范围内地址表项仍然没有被引用，它就会从地址表中被移走。因此，交换地址表中所维护的是有效和精确的主机MAC地址与交换机端口对应信息。 • 交换机的交换地址表中，一条表项主要由一个主机MAC地址和该地址位于的交换机端口号组成。整张地址表的生成采用动态自学习的方法，即当交换机收到一个数据帧以后，将数据帧的源地址和输入端口记录在交换地址表中。 • 例如Cisco交换机，将交换地址表放置在内容可寻址存储器（CAM，Content Addressable Memory）中，因此也被称为CAM表。

  34. 地址学习 转发/过滤决定的过程 数据链路层交换(桥接) 的运行细节

  35. 采用软件实现 每个网桥有一个生成树 每个网桥一般不能多于16口 基于硬件实现(ASIC) 每个交换机内有多棵生成树 交换机可以有非常多的端口 桥接和交换的对比 桥接 交换

  36. 地址学习 MAC地址表 A B 0260.8c01.1111 0260.8c01.3333 E0 E1 E2 E3 C D 0260.8c01.2222 0260.8c01.4444 • 初始状态下，MAC地址表是空的

  37. FCS Preamble 0260.8c01.2222 0260.8c01.1111 Length Data 地址学习 MAC地址表 E0: 0260.8c01.1111 A B 0260.8c01.1111 0260.8c01.3333 E0 E1 C D E3 E2 0260.8c01.2222 0260.8c01.4444 • A站发送一帧数据到C站 • 交换机(网桥)通过学习数据帧中的源地址，发现A站的MAC地址是在E0端口所连接的网段上，将这个关系项纪录到地址表中 • A站到C站的这个数据帧将被发送到E1、E2、E3(未知目的地状况下的单播——unknown unicast)

  38. FCS Preamble 0260.8c01.4444 0260.8c01.2222 Length Data 地址学习 MAC地址表 E0: 0260.8c01.1111 E2: 0260.8c01.2222 A B 0260.8c01.1111 0260.8c01.3333 E0 E1 C D E2 E3 0260.8c01.2222 0260.8c01.4444 • C站发送一帧数据到D站 • 交换机(网桥)通过学习数据帧中的源地址，发现C站的MAC地址是在E2端口所连接的网段上，将这个关系项纪录到地址表中 • C站到D站的这个数据帧将被扩散发送到E0、E1、E3(未知目的地状况下的单播——unknown unicast)

  39. 交换机如何过滤数据帧 FCS Preamble 0260.8c01.2222 0260.8c01.1111 Length Data MAC地址表 E0: 0260.8c01.1111 E2: 0260.8c01.2222 A B E1: 0260.8c01.3333 E3: 0260.8c01.4444 0260.8c01.1111 0260.8c01.3333 E0 E1 X X D C E2 E3 0260.8c01.2222 0260.8c01.4444 • A站发送一帧数据到C站 • 目的地已知，数据帧不需要广播，则直接转发到E2端口的网段上

  40. 广播和组播地址 • 组播: 指向一组逻辑分组站点的特殊地址 01-XX-XX-XX-XX-XX • 广播: 用于和网络上所有节点通讯的地址 FF-FF-FF-FF-FF-FF

  41. 广播和组播数据帧 0260.8c01.1111 FCS Preamble FFFF.FFFF.FFFF Length Data MAC地址表 E0: 0260.8c01.1111 E2: 0260.8c01.2222 A B E1: 0260.8c01.3333 E3: 0260.8c01.4444 0260.8c01.1111 0260.8c01.3333 E0 E1 C D E2 E3 0260.8c01.2222 0260.8c01.4444 • D站发送一个广播或组播的数据帧 • 这些帧将被转发到E0、E1、E2端口所连的网络上

  42. LAN交换的特点 • 性能价格比较高；交换机仅比集线器贵3到5倍 • 可以创建虚拟线路 • 管理网络方面更加有弹性 • 减少冲突的数量 • 与802.3布线系统兼容

  43. 均衡交换 可能的瓶颈 • 均衡交换提供在相同带宽端口之间的交换连接 (10/10 Mbps或100/100 Mbps) • 在存取其他网段的服务器时会出现瓶颈

  44. 非均衡交换 • 定义—不同带宽端口之间的交换 • 在非均衡交换情况中，当服务器连接到大带宽端口时，出现服务器瓶颈的可能性大大降低了 (100 Mbps) • 非均衡交换需要交换机具有存储缓冲区

  45. 内存缓冲区 • 定义 • 在交换机中的内存区段，用来临时存放数据，这些数据最终将被交换到目的端口传输出去 • 两种类型 • 基于端口的内存缓冲 • 每个端口都有一个缓存区，在缓存区中有一个缓存数据队列 • 缓存数据存放在每个端口的缓存区队列中 • 队列中的每个缓存数据将按队列的先后次序进行转发 • 共享存储缓存 • 所有的端口共享共同的内存缓冲区 • 每个端口的缓存区的大小根据需要进行动态分配 • 在不改变数据报存放位置的情况下，可以在一个端口接收数据报的同时在另一个端口发送数据报

  46. 3.2.2 交换机的分类 • 快速以太网交换机 • 10/100Mbps自适应交换机 • 千兆以太网交换机 • 万千兆以太网交换机

  47. 3.3 局域网设备的性能与使用 • 集线器性能与使用 • 收发器性能与使用 • 网卡的功能与安装 • 交换机的性能 • 交换机的配置 • 交换机的选型

  48. 3.3.1 集线器性能与使用 • 集线器工作在OSI七层模型的物理层，不能提供冲突隔离作用，相当于一个多端口的中继器。

  49. 3.3.1 集线器性能与使用 数据在集线器 传输特性 数据在交换机 传输特性

  50. 3.3.2 收发器性能与使用 • 收发器是一种在数据传输中实现信号转换或介质转换的设备。 • 该设备工作在OSI七层模型的物理层，不能提供冲突隔离作用。 • 例如，将10Mbps同轴电缆转接为10MpbsUTP电缆的收发器，将100MpbsUTP转接为100Mpbs多模光缆，将1000Mpbs超五类UTP转换为1000Mpbs多模或单模光缆。

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