以太网技术

以太网技术 中国电信接入网维护及装维技能竞赛教材编写小组编制 目录 TOC \o "1-3" \h \z \u 第1章 以太网概述 3 1.1 以太网起源 3 1.2 以太网发展及 3 1.2.1 以太网发展简史 3 1.2.2 共享式以太网传输介质 4 1.2.3 标准以太网 4 1.2.4 快速以太网 5 1.2.5 千兆以太网 6 1.2.6 万兆以太网 7 第2章 LAN原理 8 2.1 以太网基本技术 8 2.1.1 半双工 CSMA/CD 8 2.1.2 以太网的物理介质 8 2.1.3 全双工以太网和以太网交换机 9 2.1.4 自动协商 9 2.1.5 1000M 以太网和 10G 以太网 9 2.1.6 以太网的应用 10 2.2 以太网物理层及相关设备 10 2.2.1 物理层系列标准 10 2.2.2 100BASE-TX物理层 11 2.2.3 自动协商 12 2.2.4 集线器 13 2.3 数据链路层 14 2.3.1 数据链路层特点 14 2.3.2 以太网链路层的分层结构 14 2.3.3 MAC 子层 14 2.3.4 LLC子层 16 第3章 VLAN原理 18 3.1 VLAN的概念 18 3.2 VLAN 的划分方式 18 3.2.1 基于端口的VLAN 18 3.2.2 基于MAC地址的VLAN 19 3.2.3 基于第三层协议的VLAN 19 3.2.4 基于组播组的VLAN 20 3.2.5 基于IP地址影射的VLAN 20 3.2.6 基于策略的VLAN 20 3.3 交换机间链路 20 3.3.1 802.1Q帧格式 21 3.3.2 数据帧在不同类型端口之间的转发 22 3.3.3 VLAN的配置 22 3.4 Isolate-user-VLAN技术 23 第4章 LAN组网介绍 24 4.1 IP网络结构 24 4.2 数据网络的分层结构－组网模型 24 4.3 宽带接入组网结构 25 4.4 LAN典型组网应用 25 第5章三层交换基本原理 26 5.1三层交换原理概述 26 5.2三层交换的特点 26 5.3三层交换的应用 27 5.4三层交换的转发机制及结构 27 第1章 以太网概述 1.1 以太网起源 以太网最初是由Xerox公司开发的一种基带局域网技术，使用同轴电缆作为网络媒体，采用载波多路访问和冲突检测（CSMA/CD）机制,数据传输速率达到10Mbps。 以太网被用来满足非持续性网络数据传输的需要，而IEEE 802.3规范则是基于最初的以太网技术于1980年制定。以太网版本2.0由Digital Equipment Corporation、Intel和Xerox三家公司联合开发，与IEEE 802.3规范相互兼容。 1.2​ 以太网发展及标准协议 1.2.1 以太网发展简史 以太网发展简史： ​ 1973年， Xerox公司提出以太网技术并实现之，最初以太网数率只有2.94Mbps ​ 1980年， Digital Equipment Corporation ，Intel，Xerox，三家联合推出10Mbps DIX以太网标准 ​ 1995年，IEEE正式通过了802.3u快速以太网标准 ​ 1998年，IEEE802.3z千兆以太网标准正式发布 ​ 1999年，发布IEEE802.3ab标准，即1000BASE-T标准 ​ 2002年7月18日，IEEE通过了802.3ae，即10Gbit/s以太网，又称为万兆以太网，它包括了10GBASE-R,10GBASE-W,10GBASE-LX4三种物理接口标准。 ​ 2004年3月，IEEE批准铜缆10G以太网标准802.3ak，新标准将作为10GBASE-CX4实施，提供双轴电缆上的10Gbps的速率 1.2.2 共享式以太网传输介质 在共享式以太网之时，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。 ​ 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） 在共享式以太网中，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，其中介质可靠性差是共享式以太网的主要问题。 ​ 介质可靠性差 ​ 冲突严重 ​ 广播泛滥 ​ 无任何安全性 1.2.3 标准以太网 标准以太网（10Mbit/s）通常只定位在网络的接入层，新一代多媒体、影像和数据库产品很容易将10Mbit/s运行的以太网的带宽吞没。10Mbit/s的以太网可以实现100m距离的连接。 模型分类 网络定位 接入层 最终用户和接入层交换机之间的连接 汇聚层 通常不使用 核心层 通常不使用 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； ​ 制作简单； ​ 收发使用不同的线缆； ​ 逻辑拓扑依旧是总线的，但物理拓扑变为星形； IEEE802.3 线缆 名称 电缆 最大区间长度 10BASE-5 粗同轴电缆 500m 10BASE-2 细同轴电缆 200m 10BASE-T 双绞线 100m 10BASE-F 光纤 2000m 1.2.4 快速以太网 数据传输速率为100Mbps的快速以太网是一种高速局域网技术，能够为桌面用户以及服务器或者服务器集群等提供更高的网络带宽。IEEE为快速以太网制订的标准为IEEE802.3u。 对目前已经建好的标准以太网进行升级的最佳就是将网络的速度从10Mbit/s增加到100Mbit/s，用户所需付出的升级费用极低，只需将原有的10M集线器或者以太网交换机升级成快速以太网交换机，用户更换一块100Mbit/s的网卡即可。 快速以太网的应用范围较广，可以直接用作接入层设备和汇聚层设备之间的连接链路，连接各个以太网段的数据流总和。快速以太网也可以用来提供汇聚层和核心层之间的连接，在这种应用当中，通常采用端口捆绑（Port aggregation）技术，提供更高的带宽。许多实际运行的网络均存在众多的客户机试图访问同一台服务器的情况，从而在服务器和以太网之间产生瓶颈，为了增强服务器的访问性能，可以通过快速以太网连接以保证快速的访问速度。 快速以太网标准是IEEE802.3u，可以使用现有的UTP或者光缆介质。但比之标准以太网，它的数据传输速率由10Mbit/s提高到100Mbit/s。同时，快速以太网也支持标准以太网10Mbit/s的工作方式，做到了良好的向下兼容性。 快速以太网（100Mbit/s）的网络定位 模型分类 网络定位 接入层 为高性能的PC机和工作站提供100Mbit/s的接入 汇聚层 提供接入层和汇聚层的连接，提供汇聚层到核心层的连接，提供高速服务器的连接 核心层 提供交换设备间的连接 快速以太网传输距离 技术标准 线缆类型 传输距离 100BaseTX EIA/TIA 5类（UTP）非屏蔽双绞线2对 100m 100BaseT4 EIA/TIA 3、4、5类（UTP）非屏蔽双绞线4对 100m 100BaseFX 多模光纤（MMF）线缆 550m-2km 单模光纤（SMF）线缆 2km-15km 1.2.5 千兆以太网 千兆以太网是对IEEE802.3以太网标准的扩展，在基于以太网协议的基础之上，将快速以太网的传输速率100Mbps提高了10倍，达到了1Gbps。标准为IEEE802.3z（光纤与铜缆）和IEEE802.3ab（双绞线）。 许多汇聚层的以太网交换机均提供千兆接口，用于连接其他的交换机，组成更大的网络，许多支持堆叠功能的以太网交换机也是采用千兆接口实现堆叠功能的。所谓堆叠，是指通过软硬件的支持，将一组交换机连接起来作为一个对象加以控制的方式，通常有菊花链模式和星型模式。其最大优点在于可实现简单的本地管理，但由于是一种非标准技术，通常不支持各个厂家交换机的混合堆叠。 某些高性能的UNIX或者视频点播服务器很容易具有上百兆的带宽需求，在这种情况下，采用千兆以太网进行连接是非常好的选择。对于高性能服务器比较集中的场合，通常也会需要使用千兆以太网交换机进行网络互连。 千兆以太网是建立在以太网协议之上的，但它的数据传输速率是快速以太网的10倍，达到1000Mbit/s，由于千兆以太网使用的协议遵从许多原始的以太网规范，所以，客户可以应用现有的知识和技术进行安装、管理和维护千兆以太网。 千兆（1000Mbit/s）以太网网络定位 模型分类 网络定位 接入层 一般不使用 汇聚层 提供接入层和汇聚层设备间的高速连接 核心层 提供汇聚层和高速服务器的高速连接，提供核心设备间的高速互联 千兆以太网使用1000BASE-X（8B/10B）编码可支持三种介质： ​ 光纤（单模和多模）； ​ 使用4对线的5类UTP（1000BASE-T）； ​ 特殊的两对线STP电缆（也称为短铜跳线Short Copper Jumper） 1000BASE-X支持三种光纤： ​ 50um多模光纤 ​ 62.5um多模光纤 ​ 9/10um单模光纤 1000BASE-X支持两种用于激光驱动器的光波长： ​ 短波（850nm，称为1000BASE-SX） ​ 长波（1300nm，称为1000BASE-LX） 千兆以太网传输距离 技术标准 线缆类型 传输距离 1000BaseT 铜质EIA/TIA5类（UTP）非屏蔽双绞线4对 100m 1000BaseCX 铜质屏蔽双绞线 25m 1000BaseSX 多模光纤，50/62.5um光纤，使用波长为850nm的激光 550m/275m 1000BaseLX 单模光纤，9um光纤，使用波长为1300nm的激光 2km-15km IEEE802.3z的线缆标准如下： ​ 1000BaseLX是一种使用长波激光作信号源的网络介质技术，在收发器上配置波长为1270-1355nm（一般为1300nm）的激光，既可以驱动多模光纤，也可以驱动单模光纤。 ​ 1000BaseSX是一种使用短波激光作为信号源的网络介质技术，收发器上所配置的波长为770-860nm（一般为800nm）的激光传输器不支持单模光纤，只能驱动多模光纤。 ​ 1000BaseCX使用的一种特殊规格的高质量平衡双绞线对的屏蔽铜缆，最长有效距离为25米，使用9芯D型连接器连接电缆。 IEEE802.3ab的线缆标准如下： 1000BaseT是一种使用5类UTP作为网络传输介质的千兆以太网技术，最长有效距离与100BASETX一样可以达到100米。用户可以采用这种技术在原有的快速以太网系统中实现从100Mbps到1000Mbps的平滑升级。 1.2.6 万兆以太网 已经开始部署，预计未来将有大规模的应用，标准为IEEE802.3ae。其只有全双工模式。万兆以太网创造了一些新的概念，例如光物理媒体相关子层(PDM)。 第2章 LAN原理 2.1 以太网基本技术 2.1.1 半双工 CSMA/CD 根据以太网的最初设计目标，计算机和其他数字设备是通过一条共享的物理线路连接起来的。这样被连接的计算机和数字设备必须采用一种半双工的方式来访问该物理线路，而且还必须有一种冲突检测和避免的机制，来避免多个设备在同一时刻抢占线路的情况，这种机制就是所谓的CSMA/CD（带碰撞检测的载波监听多路访问）。 CSMA/CD 的工作过程是这样的：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。这时候如果有另外一个设备同时也发送数据，这两个设备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。 发送干扰脉冲的目的是为了通知其他设备，特别是跟自己在同一个时刻发送数据的设备，线路上已经产生了碰撞。检测到碰撞后等待的时间也是随机的，不过逐渐在增大。 2.1.2 以太网的物理介质 刚开始的时候，以太网是运行在同轴电缆上面的，通过复杂的连接器把计算机和终端连接到该电缆上，然后还必须经过一些相关的电信号处理，才能使用。这样的结构相对复杂，而且效率上不是很理想，只能适合于半双工通信（因为只有一条线路）。到了 1990 年，出现了基于双绞线介质的 10BAST-T以太网，这是以太网历史上一次最重要的革命。 10BAST-T 得以实施，主要归功于多端口中继器和结构化电话布线。多端口中继器就是目前所谓的 HUB，终端设备通过双绞线连接到HUB上，利用HUB 内部的一条共享总线进行互相通信。物理上这种结构是星形的，但实际上还是沿用了 CSMA/CD 的访问机制，因为 HUB 内部是通过一条内部总线把许多终端连接起来的。 10BAST-T 以太网技术使用了四对双绞线来传输数据，一对双绞线用来发送，另外一对用来接收。之所以使用一对双绞线来分别进行收发，主要是电气特性上的考虑，发送数据的时候，在一条线路上发送通常的电信号，而在另外一条线路上发送跟通常电信号极性相反的信号，这样可以消除线路上的电磁干扰。 后来又出现了 100M 的以太网，即所谓的快速以太网。快速以太网在数据链路层上跟 10M 以太网没有区别，不过在物理层上提高了传输的速率，而且引入了更多的物理层介质，比如光纤，同轴电缆等。运行在两对双绞线上的100M以太网称为100BAST-TX，运行在光纤上的100M以太网则为100BASE-FX，还有运行在四对双绞线上的 100BAST-T4 等。所有这些物理介质都是沿用了 CSMA/CD 的访问方式，工作在半双工模式下。 2.1.3 全双工以太网和以太网交换机 把双绞线作为以太网的传输介质不但提高了灵活性和降低了成本，而且引入了一种高效的运行模式——全双工模式。所谓全双工，就是数据的发送和接收可以同时进行，互不干扰。传统的网络设备 HUB 是不支持全双工的，因为 HUB 的内部是一条总线，数据接收和发送都是在该总线上进行，没有办法进行全双工通信，因此，要实现全双工通信，必须引入一种新的设备，即现在的交换机。 交换机跟HUB的外观相同，都是一个多端口设备，每个端口可以连接终端设备和其他多端口设备。但在交换机内部就不是一条共享总线了，而是一个数字交叉网络，该数字交叉网络能把各个终端进行暂时的连接，互相独立的传输数据，而且交换机还为每个端口设置了缓冲区，可以暂时缓存终端发送过来的数据，等资源空闲之后再进行交换。正是交换机的出现，使以太网技术由原来的 10M/100M 共享结构转变为 20M/200M 独占带宽的结构，大大提高了效率，而且可以在交换机上施加一些软件策略，来实现附加的服务，比如 VLAN（虚拟局域网），优先级，冗余链路等，这些技术增加了业务的丰富性，是以太网技术的灵魂所在，也是本文的重点内容。 2.1.4 自动协商 从上面的介绍可以看出，在实际中，以太网的运行有许多种组合，比如双工模式可以选择全双工和半双工，速率可以选择10M，100M，物理介质可以选择五类双绞线和三类双绞线等。这样丰富的如果对每个终端设备都进行手工配置，必然是一项繁杂而且不可维护的工作。于是，为了应付这样多种多样的运行模式，自动协商应运而生。 自动协商的主要功能就是使物理链路两端的设备自动通过交互信息，自动选择一种运行模式来运行。自动协商是建立在双绞线以太网的一种低层机制上的，它只对双绞线以太网有效。自动协商的内容主要包括双工模式，运行速率，流量控制等内容，一旦协商通过，链路两端的设备就锁定在这样一种运行模式下，直到重新引导设备或重新插拔电缆。 2.1.5 1000M 以太网和 10G 以太网 随着计算机技术的不断发展，一些新兴的应用逐渐显现，比如大型的分布式数据库和高速的视频图象传输等。这些应用需要大量的带宽，传统的快速以太网（100M）已经不能满足要求，这时候迫切再次提高以太网的运行速度，提高到 1000M 是最直接的，即所谓的千兆以太网。 千兆以太网的数据链路层基本上沿用了传统的以太网的链路层（只在半双工运行模式下，与传统以太网的链路层稍微有不同），这样可以很好的保护了投资。但在物理层上做了改变（为了在物理介质上传送高达 1000M 的数据比特，千兆以太网沿用了光纤通道的技术），对目前来说，千兆以太网只能用光纤作为物理传输介质，但基于同轴电缆和五类双绞线的千兆以太网正在研制当中，估计不久的将来会投入使用。 千兆以太网技术现在已经完全成熟并大量投入使用，主要应用在数据网络的骨干位置，也应用于连接一些高端的数据库服务器。正在研究当中的 10G 以太网也已经初具雏形，到能够商用的地步还有一段时间，但可以预计，在不久的将来，1000M 以太网和 10G 以太网将象现在的 10M 以太网和快速以太网一样普遍。 2.1.6 以太网的应用 以太网设计的初衷，就是把一些计算机联系起来进行文件共享和数据库记录的传输。到目前为止，在计算机互连这个领域，以太网仍然是最活跃的技术，但已经不再局限于这个领域，在其他一些领域，以太网也大显身手，表现不俗。下面是以太网的主要应用领域： 计算机互连：这是以太网技术的主要目标，也是最成熟的应用范围。最开始的时候，许多计算机通过同轴电缆连接起来，互相访问共享的目录，或访问在同一个物理网段上的文件服务器，各个计算机（不论是服务器还是客户机）在网络上的地位相同。随着应用的发展，这种平等的结构逐渐不适应实际的需要，因为网络上的大部分流量都是客户机跟服务器之间的，这种流量模型必然在服务器上形成瓶径。当全双工以太网和以太网交换机引入以太网之后，这种情况有所改变，取代的是把服务器连接到以太网交换机的一个告诉端口（100M）上，把其他客户机连接到以太网交换机的低速端口上，这样就暂缓了瓶径的形成。现代的操作系统提供分布式服务和数据仓库服务，基于这些操作系统的服务器除了跟客户机通信之外，还要跟其他服务器交换大量的信息进行数据的同步，这样传统的 100M 快速以太网就不能满足要求了，于是 1000M 以太网应运而生。 高速网络设备之间互连：随着 INTERNET 的不断发展，一些传统的网络设备，比如路由器，之间的带宽已经不能满足要求，需要更高更有效率的互连技术来连接这些网络设备构成 INTERNET 的骨干，1000M 以太网成了首选的技术。传统的 100M 也可以应用在这些场合，因为这些100M 的快速以太网链路可以经过聚合，形成快速以太网通道，速度可以达到100M——1000M的范围。 城域网中用户接入的手段：用户通过以太网技术接入城域网，实现上网，文件下载，视频点播等业务，已经变得越来越流行。之所以用以太网作为城域网的接入手段，是因为现在的计算机都支持以太网卡，这样对用户来说，不用更改任何软件和硬件配置就可以正常上网。 可以看出，以太网技术已经覆盖了网络的方方面面，从骨干网到接入网，从计算机网络到工业应用，无处不见以太网的影子。 2.2 以太网物理层及相关设备 根据ISO的OSI七层参考模型，物理层规定了两个设之间的物理接口，以及该接口的电气特性，规程特性，机械特性等内容，以太网的物理层也不外部这些内容，它主要的功能是提供一种物理层面的标准，各个厂家只要按照这个标准生产网络设备就可以进行互通。下面从介绍这些物理层标准开始，来分析一下以太网的物理层基础结构。 2.2.1 物理层系列标准 从以太网诞生到目前为止，成熟应用的以太网物理层标准主要有以下几种： ​ 10BASE2 ​ 10BASE5 ​ 10BASE-T ​ 100BASE-TX ​ 100BASE-T2 ​ 100BASE-T4 ​ 100BASE-FX ​ 1000BASE-SX ​ 1000BASE-LX ​ 1000BASE-CX ​ 1000BASE-TX 在这些标准中，前面的10，100，1000分别代表运行速率；中间的BASE指传输的信号是基带方式；TX，T2，T4，FX，SX，LX，CX 等应用于双绞线以太网和光纤以太网，含义如下： ​ 100BASE-TX：运行在两对五类双绞线上的快速以太网； ​ 100BASE-T4：运行在四对三类双绞线上的快速以太网； ​ 100BASE-T2：运行在 2 对三类双绞线上的快速以太网； ​ 100BASE-FX：运行在光纤上的快速以太网，光纤类型可以是单模也可以是多模； ​ 1000BASE-SX：运行在多模光纤上的 1000M 以太网，S 指发出的光信号是长波长的形式； ​ 1000BASE-LX：运行在单模光纤上的 1000M 以太网，L 指发出的光信号是短波长的形式； ​ 1000BASE-CX：运行在同轴电缆上的 1000M 以太网。 在这些标准中，10BASE2，10BASE5 是同轴电缆的物理标准，现在已经基本被淘汰，10BASE-T 和 100BASE-TX 都是运行在五类双绞线上的以太网标准，所不同的是线路上信号的传输速率不同，10BASE-T 只能以 10M 的速度工作，而 100BASE-TX 则以 100M 的速度工作，其他方面没有什么两样。100BASE-T2，100BASE-T4 现在很少用，所以我们这里只选择比较有代表性的 100BASE-TX 进行叙述，其他的比如 1000M 以太网的技术在后边的章节中再进行讲述。 2.2.2 100BASE-TX物理层 100BASE-TX 是运行在两对五类双绞线上的快速以太网物理层技术，它除了规定运行的介质是五类或更高类双绞线外，还规定了设备之间的接口以及电平信号等。该标准规定设备和链路之间的接口采用 RJ-45 水晶头，电瓶采用+5V 和-5V 交替的形式。RJ-45 接口如下： 五类双绞线的 8 跟线压入水晶头的 8 个线槽中，这样可以很容易的插入网络设备的网卡。 实际上，在进行数据的传输时仅仅用了五类双绞线的两对（四根）线，其中一对作为数据接收线，一对作为数据发送线，在进行数据接收和发送的时候，在一对线上传输极性相反的信号，这样可以避免互相干扰。需要注意的是，在连接两个相同的网络设备时（比如网卡），需要把线序进行交叉，因为线路两端的设备（比如网卡）的收发顺序是相同的，而两端设备要进行直接连接，其收发必须进行交叉，于是，必须在线路上进行交叉才能达到目的，如 图所示： 但在跟不同类型的网络设备互连，比如终端计算机跟 HUB 或以太网交换机连接时，却不需要这样，因为这些网络设备的接口上已经做了交叉，也就是说，这些设备的网络接口跟普通计算机的收发顺序是不一致的，因而只要把五类双绞线直接按照原来顺序压入水晶头，就可以把两端的设备正常连接。 跟传统的同轴电缆不同的是，100BAST-TX（10BASE-T）的数据发送和数据接收使用了不同的线对，做到了分离，这样就隐含着一种全新的运做方式：全双工方式。在这种方式下，数据可以同时接收和发送而互不干扰，这样可以大大提高效率，不过这需要中间设备的支持，现在的以太网交换机就是这样一种设备。 2.2.3 自动协商 在基于双绞线的以太网上，可以存在许多种不同的运做模式，在速度上有10M，100M 不等，在双工模式上有全双工和半双工等，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。于是，人们提出了自动协商技术来解决这种矛盾。需要注意的是，自动协商只运行在基于双绞线的以太网上，是一种物理层的概念。 自动协商建立在一种低层的以太网机制上。在双绞线链路上，如果没有数据传输，链路并不是一直在空闲，而是不断的互相发送一种频率相对较低的脉冲信号（称为普通链路脉冲，NLP）（如上图所示），任何具有双绞线接口的以太网卡都应该能识别这种信号。需要注意的是，如果在这些 NLP 之间在插入一些（一般是 16 个）更小的脉冲（这些脉冲称为快速链路脉冲，FLP），两端设备应该也能识别。于是，我们可以使用这些快速链路脉冲来进行少量的数据传输，来达到自动协商的目的。 在设备的网卡中有一个配置寄存器，该寄存器内部保留了该网卡能够支持的工作模式，比如该网卡可以支持 100M 和 10M 模式下运行，则把相应的寄存器内容置位。在网卡加电后，如果允许自动协商，则网卡就把自己的配置寄存器内容读出来，编码后通过 FLP 发送出去（如下图所示）。 发送的同时，可以接收对端发送挂过来的自动协商数据。接收到对方发送的自动协商数据后，跟自己的配置寄存器比较，选择自己支持的且一般情况下最优的组合投入运行。比如自己支持全双工模式和 100M 的速率，对端也支持该配置，则选择的运行模式就是 100M 全双工，如果对端只支持全双工模式和 10M 的能力，则运行模式就定为全双工 10M 模式。如果两端支持的能力集合不相交，则协商不通过，两端设备不能通信。 一旦协商通过，网卡就把该链路置为激活状态，可以传输数据了，如果不能协商通过，则该链路不能使用，不能再进行数据传输。如果两端的设备有一端不支持自动协商，则支持自动协商的一端选择选择一种默认的方式工作，一般情况下是 10M 半双工模式。 注意： 如果链路两端的设备有一端不支持自动协商，则支持自动协商的设备选择一种默认的工作方式，比如 10M 半双工模式运行。这时可能影响了效率，因为不支持自动协商的设备可能支持 100M 全双工。这时，我们可以禁止自动协商，并手工指定两端设备的运行模式，以增强效率。 2.2.4 集线器 当用双绞线把终端设备进行互连时，需要一个中间设备来进行集中，这个设备就是集线器，所谓的 HUB。HUB 的外观就是一个多口的黑盒子，每个接口可以连接一个终端设备。这样多个设备（比如，12 个等）可以通过 HUB连接在一起，组成一个星形的网络。需要注意的是，网络在物理上是星形结构的，但在 HUB 内部还是使用了共享总线的技术，采用 CSMA/CD 技术进行交互。 HUB 可以根据接口的特点进行区分，分为 I 类 HUB 和 II 类 HUB。这两类HUB 在内部工作模式上没有区别，但因为提供的接口不同而使用于不同的场合。I 类 HUB 只提供一种类型的物理接口，比如只提供五类双绞线接口或只提供三类双绞线接口，或者只提供光纤接口等，而 II 类 HUB 则可以提供多种不同类型的接口，可以在一个 II 类 HUB 上集成五类双绞线接口和光纤接口等。实际中应用最多的是 I 类 HUB。 传统的 HUB 都是运行在半双工模式下的，但有一些应用需要在全双工模式下运行，于是人们开发了一种运行在全双工模式下的 HUB，即所谓全双工HUB。这种 HUB 的内部结构还是一条总线，各个终端共享这条总线进行数据交互，所不同的是，全双工 HUB 在每个接口上预增加了一个缓冲区，如果总线繁忙，终端发送的数据可以暂存在缓冲区里面，等总线空闲之后，再进行传输。连接在全双工 HUB 上的终端设备工作在全双工模式下。 2.3 数据链路层 2.3.1 数据链路层特点 按照 ISO 的 OSI 七层参考模型，互连的各个系统把各个网络功能分七个层次实现，各个层次之间相互独立，互不干扰。这样就可以实现最大限度的开放和灵活性，设备厂家只要按照层次之间的接口生产设备，就可以做到互通。因此，这个七层模型是高效权威的，而且目前大多数网络技术都是参照这个模型进行设计和开发的。 但在以太网体系结构中，七层模型中层次之间互相独立的规则就不适用了，因为开始的时候，以太网采用了一种共享介质的方式来进行数据通信，而不是传统的全双工通信，随着设备的发展，以太网中又引入了全双工模式的通信，在这样两种通信模式并存的情况下，在进行层次间的严格划分就不容易了。 在前面讲述的内容中曾经提到，针对不同的双工模式，提供不同的介质访问，在半双工模式下采用的是 CSMA/CD 的访问方式，而在全双工模式下则可以直接进行收发，不用预先判断链路的忙闲状态。这里需要注意的是，在以太网中，半双工和全双工是物理层的概念，而针对物理层的双工模式提供不同访问方式则是数据链路层的概念，这样就形成了以太网的一个重要特点：数据链路层和物理层是相关的。 2.3.2 以太网链路层的分层结构 在上面的介绍中知道，以太网的物理层和数据链路层是相关的，针对物理层的不同工作模式（全双工和半双工），需要提供特定的数据链路层来访问。这样导致了数据链路层和物理层有很大的相关性，给设计和应用带来了一些不便。 为了避免这种不便，一些组织和厂家提出了另外一种方式，就是把数据链路层再进行分层，分为逻辑链路控制子层（LLC）和媒体访问控制子层（MAC）。这样不同的物理层对应不同的 MAC 子层，LLC 子层则可以完全独立。这样从一定程度上提高了独立性，方便了实现。下面的图示显示了这样的结构： 2.3.3 MAC 子层 MAC 子层是物理层相关的，也就是说，不同的物理层有不同的 MAC 子层来进行访问，比如物理层是工作在半双工模式的双绞线，则相应的 MAC 子层为半双工 MAC，如果物理层是令牌环，则有令牌环 MAC 来进行访问。在以太网中，主要存在两种 MAC：半双工 MAC 和全双工 MAC，分别针对物理层运行模式是半双工和全双工时提供访问。需要注意的，这两种 MAC 都是集成在网卡中的，网卡初始化的时候一般进行自动协商，根据自动协商的结果决定运行模式，然后根据运行模式选择相应的访问 MAC。 1、半双工 MAC 子层 当物理层运行在半双工模式下时，数据链路层使用半双工 MAC 进行访问。半双工 MAC 跟物理层之间至少存在六种信号进行通信，如下图所示： 具体工作过程是这样的：当链路层有数据要发送的时候，首先检查链路空闲信号（物理层通过该信号来报告给数据链路层链路是否空闲），如果链路空闲，则通过指示信号给物理层一个指示，告诉物理层要发送数据，然后把数据一个字节一个字节的送到数据线上（数据线是一组 8 位的信号线）。这时候如果物理层检测到了冲突（即有另外一个终端同时发送数据），则通过冲突检测指示信号给 MAC 子层一个指示，告诉 MAC 子层线路上发生了碰撞。这时候，MAC 子层马上停止数据的发送，并发送一连串干扰信号，达到让网络上所有的设备都知道产生冲突的目的。等待一段时间后，MAC层再次检查链路空闲信号，进行数据发送。 如果物理层接收到了数据，则通过数据接收指示来告诉MAC子层自己接收到了数据，然后把数据放到接收数据线上（跟发送数据线一样，也是8位组信号线），传给 MAC 子层。 从上面的分析中，可以看出这六种信号是： ​ 数据发送线，一个 8 位组信号线； ​ 数据接收线，一个 8 位组信号线； ​ 链路空闲信号：一个指示位，指示链路是否空闲； ​ 冲突检测信号：一个指示位，物理层使用该信号向 MAC 子层报告冲突发生； ​ 发送数据指示：MAC 子层要传输数据时通过该信号告诉物理层； ​ 接收数据指示：物理层接收到数据后通过该信号告诉 MAC 子层。 2、全双工MAC子层 全双工 MAC 子层相对半双工 MAC 子层简单，因为它不需要检测链路的空闲与忙的状态，所以就去除了上面的链路空闲信号和冲突检测信号。其工作过程如下： 当 MAC 子层有数据要发送的时候，通过数据发送指示告诉物理层，然后把数据一个字节一个字节的通过数据发送线发送出去。如果物理层检测到了数据到达，则通过接收指示信号告诉链路层，自己接收到了数据，然后通过接收数据线把数据传到 MAC 子层。 提示： 数据链路层跟物理层之间交换数据的时候（不是控制信号），是按字节进行的，这从接收数据和发送数据的信号线根数可以看出来。 3、MAC 地址和数据帧的收发 除了完成物理链路的访问以外，MAC 子层还负责完成下列任务： ​ 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； ​ 链路级的数据传输：从上层（LLC 子层）接收数据，附加上MAC地址和控制信息后把数据发送到物理链路上；在这个过程中搀杂了校验等功能。 为了进行站点标识，在 MAC 子层保留了一个唯一的站点MAC地址，来区分该站点。MAC 地址是一个 48 比特的数字，分为下面几种类别： ​ 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里面的； ​ 广播 MAC 地址：这是一个通用的MAC地址，用来表示网络上的所有终端设备； ​ 组播 MAC 地址：这是一个逻辑的 MAC 地址，来代表网络上的一组终端。它的特点是最左边一个字节的第一比特为 1。 上层要发送数据的时候，把数据提交给 MAC 子层，MAC 子层有自己的缓冲区，把上层提交给自己的数据进行缓存，然后增加上目的 MAC 地址和自己的 MAC 地址（源 MAC 地址），计算出数据帧的长度，形成下列格式的数据包： 在这个图中，DMAC 代表目的终端的 MAC 地址，SMAC 代表源 MAC 地址，而 LENGTH/TYPE 字段则根据值的不同有不同的含义：当 LENGHT/TYPE > 1500 时，代表该数据帧的类型（比如上层协议类型），当 LENGTH/TYPE < 1500 时，代表该数据帧的长度。DATA/PAD 则是具体的数据，因为以太网数据帧的最小长度必须大于 64 字节（根据半双工模式下最大距离计算获得的），所以如果数据长度加上帧头不足 64 字节，需要在数据部分增加填充内容。FCS 则是帧校验字段，来判断该数据帧是否出错。 上面介绍了数据的发送过程，下面说一下数据接收过程： 在计算机的网卡中维护一张接收地址列表，每当计算机网卡接收到一个数据帧之后，就把数据帧的目的 MAC 地址提取出来，跟列表中的条目进行比较，只要有一项匹配，则接收该数据帧，若无任何匹配的项目，则丢弃该数据帧。在这张接收地址列表中至少有下面两项： ​ 计算机网卡的 MAC 地址：该地址固化在网卡的 ROM 里面； ​ 广播 MAC 地址：该地址代表网络上的所有主机。 如果上层应用程序加入一个组播组，则该应用程序会通知网络层，然后网络层通知数据链路层，数据链路层根据应用程序加入的组播组形成一个组播MAC 地址，并把该组播 MAC 地址加入接收地址列表，这样当有针对该组的数据帧的时候，MAC子层就接收该数据帧并向上层发送。 2.3.4 LLC子层 在上面的介绍中提到了MAC子层形成的一个帧结构，其中有一个字段是LENGTH/TYPE。这个字段的长度是 2 字节，根据取值的范围有不同的含义，在小于或等于 1500 的情况下，该值代表数据帧数据部分的长度，但当大于1500 的时候，则代表该帧的数据部分的类型，比如该数据帧是哪个上层协议（比如 IP，IPX，DECNet，NETBEUI 等）的数据单元等。 当LENGTH/TYPE取值大于1500的时候，MAC子层可以根据LENGTY/TYPE的值直接把数据帧提交给上层协议，这时候就没有必要实现LLC子层。这种结构便是目前比较流行的 ETHERNET_II，大部分计算机都支持这种结构。注意，这种结构下数据链路层可以不实现 LLC子层，而仅仅包含一个MAC子层。 根据LENGTH/TYPE字段的取值，来把接收到的数据帧提交给上层协议模块，是这样进行的：每个上层协议都提供了一个回调函数，这个回调函数在数据链路层是可见的而且可以调用的，这样当数据链路层接收到一个数据帧之后，根据数据帧里的LENGTH/TYPE字段的取值来判断相应的协议模块，然后调用相应协议的回调函数（把数据帧的数据部分作为参数），该回调函数执行的结果就是把数据帧的数据部分挂到上层协议的接收队列中，然后给上层协议发送一个消息，告诉上层协议有一个数据包到来，然后返回，其他的事情就有上层协议来做了。 上面介绍的都是ETHERNET_II的内容，就是当LENGTH/TYPE字段大于1500 的时候的情况。现在来讨论一下当LENGTH/TYPE小于或等于1500的情况，这种类型就是所谓的 ETHERNET_SNAP，是802.3委员会制定的标准，虽然目前应用不是很广泛，但是作为一种很有特色的标准，将来必会大行其道。 ETHERNET_SNAP 除了定义传统的链路层服务之外，还增加了一些其他有用的特性，比如定义了下面三种类型的点到点传输服务： ​ 无连接的数据包传输服务：目前的以太网实现就是这种服务； ​ 面向连接的可靠的数据传输服务：预先建立连接再传输数据，数据在传输过程中可靠性得到保证； ​ 无连接的带确认的数据传输服务：该类型的数据传输服务不需要建立连接，但它在数据的传输中增加了确认机制，使可靠性大大增加。 这些服务都是在 LLC 子层中实现的，下面是 LLC 子层的帧格式： 可以看出，该数据帧的结构在 MAC 子层上是保持统一的，但 MAC 子层数据帧的 LENGTH/TYPE 字段现在已经完全成了 LENGTH，指示 MAC 数据帧数据部分的长度，然后在数据部分增加了一个LLC头，这个头由DSAP（目的服务访问点），SSAP（源服务访问点）和控制字段组成。上面讲述的三种服务就是通过这三个字段完成的。下面通过一个例子来说明SSAP和DSAP的应用，假设终端系统 A 和终端系统 B 要使用面向连接的可靠的数据传输服务来进行一次数据传输，这时候会发生如下过程： 1、终端系统 A 给终端系统 B 发送一个数据帧，请求建立一个面向连接的可靠连接； 2、终端系统 B 接收到以后，判断自己的资源是否够用（即是否建立了太多的连接），如果够用，则返回一个确认，该确认中包含了识别该连接的SAP 值； 3、终端系统 A 接收到回应后，知道终端系统 B 已经在本地建立了跟自己的连接，于是终端系统 A 也开辟一个 SAP 值，来表示该连接，并发一个确认给终端系统 B，于是该连接建立； 4、终端系统 A 的 LLC 子层把自己要传送的数据进行封装（封装成 LLC 子层的帧格式），其中 DSAP 字节填写的是终端 B 返回的 SAP，SSAP字节填写的是自己开辟的 SAP，然后发给 MAC 子层，MAC 子层加上MAC 地址和 LENGTH 字段之后，发送到数据链路上； 5、终端系统 B 的 MAC 子层接收到该数据帧之后，提交给 LLC 子层，LLC子层根据 DSAP 字段判断出该数据帧属于的连接，然后根据该连接的类型（可靠的连接还是无连接，或者带确认的无连接）进行相应的校验和确认，只有通过这些校验和确认后，才向更上层发送； 6、数据传输完毕之后，终端系统 A 给终端系统 B 发送一个数据帧来告诉终端系统 B 拆除连接，于是通信结束。 这些功能都是在 LLC 子层实现的，通过这个例子，读者应该对 LLC 的功能有了一个了解，也应该把 LLC 子层和 MAC 子层的界面分清楚，当然，这些LLC 子层的功能对网络层都是透明的。细心的读者可能已经看出一个问题：就是 LLC 子层根据什么内容来把数据帧提交给网络层？在 ETHERNET_II中，是通过 LENGTH/TYPE 字段来区分上层协议的，其实，在 LLC 子层的帧结构的数据部分中，也包含一个 TYPE 字段，该字段在上面的图中没有画出来，LLC 子层就是根据这个字段来把数据帧发送给上层协议的。 第3章 VLAN原理 3.1 VLAN的概念 以太网交换机一般有十几个或几十个端口，默认情况下，连接到这些端口的计算机能够无阻隔的进行二层通信。但有些情况下，人们希望某些端口上的计算机不能被其他端口上的计算机访问，这时候采用这种默认的工作方式就不行了，我们需要引入这样一种功能：可以把交换机上任意数目的端口进行组合，这些组合的端口成为一个封闭的系统，连接到该封闭系统的计算机可以通信，但跟不在该端口集合内的其他端口上的计算机，则无法进行二层通信。这个组合的概念便是 VLAN（虚拟局域网）。 3.2 VLAN 的划分方式 按照上面的概念，VLAN 是交换机上的一个集合，该集合的元素就是端口。我们用一个整数来表示该集合，这样当在交换机上创建一个集合后，就面临一个问题：怎样为该集合确定其中的元素（端口）？下面是确定元素的最重要的几种方式。 3.2.1 基于端口的VLAN 最简单，也是最直接的方式就是手工指定，也就是说，一旦在交换机上创建一个 VLAN，我们可以手工指定该 VLAN 包含哪些端口。在该方式下，我们只要在交换机上进行一些简单的配置就可以了。这种方式是最直接的，也是最容易理解的。 3.2.2 基于MAC地址的VLAN 在基于端口的 VLAN 方式下，我们在交换机上进行了设置，来决定 VLAN包含那些端口。但有些情况下，我们希望把终端系统进行分类，使它们属于指定的 VLAN。这时候，我们可以手工建立终端系统的标识跟 VLAN之间的关系。在以太网上，MAC地址可以唯一的标识一个终端系统，于是，我们就建立 MAC地址跟VLAN之间的对应关系。 交换机仅仅根据这个 MAC 地址跟 VLAN 之间的对应关系，不能创建VLAN跟端口的对应关系，我们于是联想到交换机内部的另外一个关系：MAC地址跟端口之间的关系（也就是 CAM 表，交换机根据该表格进行数据帧的转发）。根据这样两个关系，交换机可以创建 VLAN 跟端口号之间的对应关系了，具体过程如下： 1、交换机把手工创建的 MAC 地址跟 VLAN 号之间的对应关系下载到本地； 2、从该对应关系中读出一行，如果该行对应的VLAN不存在，则创建该VLAN，然后以 MAC 地址为索引依据，到 CAM 表中查找对应的端口号，把找到的端口号加入刚刚创建的 VLAN； 3、若读出的该行所包含的VLAN已经存在，则仅仅依据MAC地址查询CAM 表，把找到的端口号加入已经存在的 VLAN 里面； 4、重复这个过程，直到该对应关系扫描完毕。 上面的过程存在一个问题：交换机的CAM表是通过学习获得的，如果交换机在根据 MAC地址查找相应的CAM表时，该MAC地址不存在怎么办？这并不说明该MAC地址对应的计算机不存在，有可能交换机还没有学习到该计算机的MAC地址。这种情况下，我们可以采用下面的步骤： 1、在交换机上做配置，告诉交换机哪些端口是基于 MAC地址的VLAN的。也就是说，这些交换机端口上如果连接了一个终端，这个终端的MAC地址出现在手工创建的MAC地址跟VLAN对应关系表里，则该端口就加入相应的VLAN。其他没有配置的端口即使连接了满足条件的终端（也就是说，该终端的MAC地址出现在手工创建的那张表里），也不会被加入相应的VLAN。这样做，主要是效率上的考虑。 2、交换机每学习到一个MAC地址，就用该MAC地址为索引到MAC地址跟VLAN对应关系里查找相应的VLAN号，找到相应的VLAN后，创建相应的VLAN，把学习到该MAC 地址的端口加入刚刚创建的VLAN。这样的过程一直延续，最终的结果是创建了VLAN ID 和 MAC 地址对应列表中出现的所有VLAN。 3.2.3 基于第三层协议的VLAN 有些情况下，人们往往对网络做一些限制，让网络上的终端系统只运行一种网络协议，比如，在一个有大量 NOVELL 服务器的网络上，可能只存在 IPX协议，这样做的目的主要是节省资源，因为如果运行其他的路由协议，一些服务进程会跟所有运行的协议绑定，这样该服务就会通过该协议对应的广播地址（比如，IP 协议的广播地址是 255.255.255.255）发送通告消息，以表明自己的存在。这样必然产生大量的广播包，严重浪费资源。 在这些情况下，人们可以根据运行的协议不同来划分 VLAN。在该种方式下，只要告诉交换机，上层协议跟 VLAN 之间的对应关系即可，比如，我们把所有运行 IPX 的计算机都划分到 VLAN100 里面，只要告诉交换机（通过命令行的方式）IPX 和 VLAN100 的对应关系即可。完成这样的配置之后，交换机就进行下列工作： 1、交换机检查每个端口上接收到的数据帧，判断该数据帧的类型字段，如果该类型字段是 IPX，则马上把接收到该数据帧的端口加入VLAN100中； 2、如果从端口上接收到的数据帧的协议类型字段不是 IPX，则根据通常的步骤进行转发。 这个过程延续下来，交换机就会把所有接收到 IPX 包的端口加入VLAN100里面。 3.2.4 基于组播组的VLAN 在前面介绍交换机的时候，，曾经介绍了交换机对组播数据帧的转发方式，交换机内部维护一个组播转发表，该表的内容是一个组播地址和一个接口列表，该表是根据一些二层组播协议建立的，比如 IGMP 窥探，CGMP，GMRP等。 我们很容易的想到，我们可以把某个组播地址对应的接口列表划分到一个VLAN 里面。在该种模式下，我们需要做的就是在交换机上给出组播 MAC地址和 VLAN 的对应关系，比如，我们给出组播 MAC 地址 01010E1E8E98对应 VLAN100，于是交换机马上创建 VLAN100，根据给出的组播地址查询组播 CAM 表，把找到的接口列表中的所有接口都划分到 VLAN100 里面。 3.2.5 基于IP地址影射的VLAN 该种VLAN的含义很容易理解，只许需要在交换机上配置一个IP网段跟VLAN的对应关系即可。完成如下配置后，交换机开始做如下工作： 1、在每个端口上监听接收到的数据帧，判断该数据帧的协议类型，如果不是 IP，则按正常的转发方式转发，否则转下一步处理； 2、如果该数据帧是IP数据帧，则进一步检查该数据帧的源IP地址，看该IP地址是否落在配置的 IP 地址段范围内。如果是，则把刚接收到该数据帧的接口加入到指定的VLAN中。 3.2.6 基于策略的VLAN 这是最复杂的一种VLAN划分方式，也是最灵活的划分方式。在该种方式下，可以定义一定的策略（所谓策略，就是一些限制条件），交换机对每个接口进行检查，凡是满足策略的接口都会添加到该组策略对应的 VLAN 中。 这种VLAN的定义方式十分灵活，但效率不是很高，因为交换机需要检查每个接口，判断该接口是否满足配置的策略，对策略的匹配是一项很耗时的工作。 3.3 交换机间链路 在上面的介绍中，我们可以看出，所有创建的 VLAN 都是集中在一个交换机上的，但实际中往往有这样的情况，就是一个物理的 VLAN，可能跨越了多个交换机。在一个交换机的情况下，一个 VLAN 端口接收到的数据可以根据交换机内部的一张 VLAN 和端口对应表来确定该 VLAN 所有的端口，因而一个VLAN的数据在同一个交换机上不可能被错误转发到另外一个VLAN当中。但是跨越交换机的时候就不是这样了，假设有两个 VLAN 和两个交换机，分别记做VLANA 和VLANB，SWITCHA和SWITCHB，其中VLANA和VLANB 分别跨越了两个交换机，即 SWITCHA 和SWITCHB上既有VLANA的端口，也有 VLANB 的端口。在这种情况下，假如 SWITCHA 上VLANA的一个端口接收到了一个广播数据帧，SWITCHA 除了往自己上面所有属于VLANA的端口广播该数据帧以外，还必须通过SWITCHA和SWITCHB之间的一条链路来传播该广播数据帧。如果SWITCHB 接收到了该广播数据帧，SWITCHB 就不知道把该数据帧发往哪个 VLAN 的端口，因为该广播数据帧中不包含任何 VLAN 有关信息。 在这种情况下，我们可以在发给另外一个交换机的数据帧上附加VLAN信息来区分数据帧所属的 VLAN，这便是我们下面介绍的802.1Q（简称1Q）帧格式。 3.3.1 802.1Q帧格式 传统的以太网数据帧格式是不包含VLAN信息的，无法用这种传统的以太网数据帧来传送 VLAN 信息，我们要想让跨越交换机的VLAN能正常工作，必须重新提出一种帧格式，该帧格式与传统以太网帧格式不同的是，包含了VLAN 信息，这便是有名的802.1Q 帧格式。 下面是802.1Q帧格式的结构： 可以看出，该帧格式跟传统以太网帧格式不同的是，在传统的以太网帧格式的类型/长度字段前面，附加了一个4字节的额外部