第十章层2交换技术ppt课件.ppt

第十章 层2交换技术,Part.1 以太网交换机基础,什么是以太网,计算机网络分2类：采用点到点连接的网络和采用广播信道的网络。以太网就是一种典型的广播网络。 以太网由施乐公司PARC研究中心于1973年5月22日首次提出，经过不断的发展和创新，已成为世界上最流行的局域网技术。,以太网与CSMA/CD,CSMA/CD是广播式以太网共享传输介质的理论基础。 CSMA/CD规定一个想传输数据的节点必须执行以下步骤： 监视信道直到其空闲； 传输数据，并监视信道是否有冲突发生； 如果检测到冲突发生，则停止传输并发出一个冲突信号到网络上，以便其它节点知道网络上有冲突，再等待一个随机的时间，然后回到第一步。,以太网络与802.3标准,IEEE 802.3标准规定了以太网的物理层和数据链路层的MAC子层。 IEEE 802.3规定的以太网物理层： 10BASE-5 使用粗同轴电缆，最大传输距离为500m； 10BASE-2 使用细同轴电缆，最大传输距离为200m； 10BASE-T 使用非屏蔽双绞线，最大传输距离为100m； 10BASE-F 使用光缆，最大传输距离为2000m；,以太网络与802.2标准 逻辑链路控制层LLC,IEEE 802.2规定的以太网链路层之LLC子层（802.2帧格式）：,LLC,MAC,数据链路层,网络层,物理层,比特流,数据包,注意：IEEE802.2 LLC逻辑链路控制子层隐藏了各种802网络（如802.3、802.4、802.5、802.11等等）之间的差别，向网络层提供了一个统一的格式和接口。,3种常用的802.3连接方式,1、10Base-5：总线型结构，使用粗缆和收发器连接主机。 2、10Base-2：总线型结构，使用细缆和无源BNC T型接头连接主机。 3、10Base-T：总线型（或星型）结构，双绞线和集线器连接主机。,局域网分段,冲突域： 广播域： 局域网分段：影响局域网性能的两个常见问题是过高的冲突和过多的广播。“分段”将网络分割成较小的段。网桥、交换机和路由器通过将冲突域分割成较小的部分，从而降低对带宽的竞争，减少冲突。路由器还有一个好处，它可以划分更小的广播域。,局域网分段设备,地址学习生成转发表 帧的转发/过滤 环路防止,交换机的三个功能,交换机的地址学习,最初开机时MAC地址表是空的 1900 最大mac地址表可存1024个. 一旦地址表满, 就会洪泛所有到新MAC地址的帧，直到现存地址条目老化为止. Mac地址表条目默认老化时间是300秒，以下命令可改变老化时间: wg_sw_a(config)#mac-address-table aging-time ? Aging time value,MAC地址表,0260.8c01.1111,0260.8c01.2222,0260.8c01.3333,0260.8c01.4444,E0,E1,E2,E3,A,B,C,D,交换机的地址学习,主机A发送数据帧给主机C 交换机通过学习数据帧的源MAC地址，记录下主机A的MAC地址 对应端口E0 该数据帧转发到除端口E0以外的其它所有端口 (不清楚目标主机的单点传送用泛洪方式),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,交换机的地址学习,主机D发送数据帧给主机C 交换机通过学习数据帧的源MAC地址，记录下主机D的MAC地址对应端口E3 该数据帧转发到除端口E3以外的其它所有端口 (不清楚目标主机的单点传送用泛洪方式),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,交换机如何过滤帧,交换机A发送数据帧给主机C 在地址表中有目标主机，数据帧不会泛洪而直接转发,E0: 0260.8c01.1111,E2: 0260.8c01.2222,E1: 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,主机D发送广播帧或多点帧 广播帧或多点帧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: 0260.8c01.4444,广播帧和多点传送帧,MAC地址表,© 2002, Cisco Systems, Inc. All rights reserved.,16,Patr.2 生成树协议,冗余网络拓扑,冗余拓扑消除了由于单点故障所引致的网络不通问题 冗余拓扑却带来了广播风暴、重复帧和MAC地址表不稳定的问题,网段 1,网段 2,服务器/主机 X,路由器 Y,交换机 A,交换机 B,主机 X 发送一广播信息,广播风暴,服务器/主机 X,路由器 Y,网段2,网段1,广播帧,广播风暴,交换机 A,交换机 B,主机 X 发送一广播信息,服务器/主机 X,路由器 Y,广播帧,网段2,网段1,交换机不停地发出广播信息,广播风暴,交换机 A,交换机 B,服务器/主机 X,路由器 Y,网段2,网段1,广播帧,重复帧,主机X发关一单点帧给路由器Y 路由器Y的MAC地址还没有被交换机A和B学习到,交换机 A,交换机 B,服务器/主机 X,路由器 Y,单点帧,网段1,网段2,主机X发送一单点帧给路由器Y 路由器Y的MAC地址还没有被交换机A和B学习到 路由器Y会收到同一帧的两个拷贝,重复帧,交换机 A,交换机 B,服务器/主机 X,路由器 Y,单点帧,单点帧,单点帧,网段1,网段2,主机X发送一单点帧给路由器Y 路由器Y的MAC地址还没有被交换机A和B学习到 交换机A和B都学习到主机X的MAC地址对应端口0,端口 0,端口1,端口0,端口1,MAC地址表不稳定,交换机 A,交换机 B,服务器/主机 X,路由器 Y,单点帧,单点帧,网段1,网段2,主机X发送一单点帧给路由器Y 路由器Y的MAC地址还没有被交换机A和B学习到 交换机A和B都学习到主机X的MAC地址对应端口0 到路由器Y的数据帧在交换机A和B上会泛洪处理 交换机A和B都错误学习到主机X的MAC地址对应端口 1,MAC地址表不稳定,端口 0,端口1,端口0,端口1,交换机 A,交换机 B,服务器/主机 X,路由器 Y,网段1,网段2,单点帧,单点帧,更复杂的拓扑结构可能导致多重回路 在第2层没有能够防止这种回路的机制,服务器/主机,工作站,回路,回路,回路,多重回路问题,广播帧,回路的解决办法: 生成树协议 Spanning-Tree Protocol,将某些端口置于阻塞状态就能防止冗余结构的网络拓扑中产生回路,阻塞,x,每个网络只能有一个根桥，根桥具有最低的桥ID 每个非根桥只能有一个根端口（RP），通过根端口到达根桥所花代价最低 每个网段只能有一个指派端口，通过指派端口到达根桥所花代价最低 根桥上的所有端口都是指派端口（DP）,x,指派端口(F),根端口(F),指派端口(F),非指派端口(B),根桥,非根桥,SW X,SW Y,100baseT,10baseT,生成树运作,交换机 Y 缺省的优先级 32768 (8000 十六进制) MAC 0c0022222222,交接机 X 缺省的优先级 32768 (8000 十六进制) MAC 0c0011111111,BPDU,BPDU = Bridge protocol data unit (缺省地每2秒发送BPDU数据，其中携带桥ID) 桥ID（桥识别码）= 桥优先级 + 桥MAC地址 根桥 = 有最低桥ID的桥 例中， 哪个交换机的桥ID最低?,根桥的选择,交接机 Y 缺省的优先级 32768 MAC 0c0022222222,交换机 X 缺省的优先级 32768 MAC 0c0011111111,Root 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),端口状态,每个非根桥有且仅有一个根端口，其余为非指派端口。选择根端口的原则是比较各端口到达根桥的路径代价值，代价最小的端口为根端口。 根端口RP和指派端口DP一般处于forwarding状态，非指派NDP一般是blocked状态,连接速率 代价(修订的 IEEE 规范) 代价(旧IEEE 规范) - 10 Gbps 2 1 - 1 Gbps 4 1 - 100 Mbps 19 10 - 10 Mbps 100 100,路径代价,交换机Y MAC 0c0022222222 缺省的优先级 32768,交换机X MAC 0c0011111111 缺省的优先级 32768,端口0,端口1,端口 0,端口1,交换机 Z Mac 0c0011110000 缺省的优先级 32768,端口 0,请指出: 根桥？ 指派端口、非指派端口和根端口? 各端口分别是转发还是阻塞状态?,100baseT,100baseT,生成树,端口 0,100baseT,100baseT,指派端口(F),根端口 (F),非指派端口 (B),指派端口 (F),根端口 (F),请指出: 根桥 指派端口、非指派端口和根端口? 各端口分别是转发还是阻塞状态?,生成树,交换机Y MAC 0c0022222222 缺省的优先级 32768,交换机X MAC 0c0011111111 缺省的优先级 32768,端口0,端口1,端口 0,端口1,交换机 Z Mac 0c0011110000 缺省的优先级 32768,生成树重新生成,生成树重新生成,Switch Y 在最多20秒后会发现从 Switch X 来的 BPDU 信号消失，于是就重新计算 STP 。 网络恢复后， Switch Y 将会是根桥， 而且它的所有端口都会处于转发状态(Designated port)。,© 2002, Cisco Systems, Inc. All rights reserved.,35,Part.3 桥接和交换,基于软件实现 每个桥只能有一个生成树 每个桥通常最多到16个端口,桥,基于硬件实现(ASIC) 每个交换机可以有多个生成树 有更多的端口,交换机,桥与交换机的比较,帧交换,直通转发Cut-through 交换机检测到目标地址后即转发帧,Frame,交换机一确定帧的目的MAC地址和正确的端口号，就立即将帧转发出去。通常情况下，大约在收到帧头14个字节左右就开始转发。这使得直通法比存储转发法具有更小且相对固定的延迟时间，但它连小于64字节的帧以及一些坏帧也一块儿转发，可能浪费带宽。,帧交换,存储转发Store and forward 完整地收到帧并检查无错后才转发,直通转发 交换机检测到目标地址后即转发帧,Frame,Frame,Frame,Frame,交换机将帧向目的端口转发之前要先收到完整的帧并进行CRC校验、确定目的地址。交换机将整个帧存储在内存缓冲区中，直到它获得有效资源才将其发往目的地。好处是能够抛弃小于64字节的帧以及其他任何受损的帧，这样可以节约带宽。缺点是延迟较大且不固定，因为它在转发之前要收到并处理完整的帧。,Frame,无碎片转发 Fragment free (直通转发的修订版)Cat1900 的缺省模式 (modified cut-through) 交换机检测到帧的前64字节后即转发,Frame,Frame,Frame,帧交换,存储转发Store and forward 完整地收到帧并检查无错后才转发,直通转发 交换机检测到目标地址后即转发帧,多层交换,第2层交换：本质上是多端口的透明桥接，但比传统桥接增加了存储转发外的两种转发交换方式。2层交换机比桥增加了VLAN功能，同一交换机可以当作多个独立的桥使用，在分割冲突域的同时，分隔广播域。 第3层交换：类似于路由，根据目的IP来转发帧，同时改变帧中的MAC地址，减少生存期TTL域，执行一次帧检测。但3层交换机使用ASIC来实现，传统路由器使用通用微处理器和软件来实现。Cisco实现了“一次路由，交换多次”的快捷交换方式。 第4层交换：即交换机的ASIC硬件可以识别第4层的传输控制协议TCP和用户数据报协议UDP，并且使用不同的服务层次来区分应用。也就是说，可以一次完成基于MAC地址、IP地址和上层应用端口号在内的复杂路由与交换功能。,半双工 (CSMA/CD) 单向数据传送 冲突可能性高 用集线器连接,双工综述,集线器永远工作在半双工 有冲突的环境只能使用半双工 无冲突的环境可以使用全双工,全双工 只能用于点对点 连接到特定的端口 两端均须支持全双工 无冲突 冲突检测电路关闭,双工综述,半双工 (CSMA/CD) 单向数据传送 冲突可能性高 用集线器连接,交换机,集线器,