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1、Ethernet,Network Fundamentals Chapter 9,9. Ethernet,Ethernet 是当前使用最广泛的LAN 技术,Objectives,描述Ethernet 发展,解释Ethernet 的演变过程 解释Ethernet Frame的各个字段 描述Ethernet protocol使用的media access control method的功能和特性 描述Ethernet Physical 和Data Link layer的功能 比较 Ethernet 中 hubs 和 switches 解释地址解释协议(ARP, Address Resolution
2、Protocol),9. Ethernet,9.1 Overview of Ethernet 以太网概述 9.2 Ethernet - Communication through the LAN 以太网:通过LAN的通讯 9.3 The Ethernet Frame 以太帧 9.4 Ethernet Media Address Control 以太网介质访问控制 9.5 Ethernet Physical Layer 以太网物理层 9.6 Hubs and Switches 集线器和交换机 9.7 Address Resolution Protocol(ARP) 地址解析协议,9.1 Over
3、view of Ethernet,9.1.1 Ethernet - Standards and Implementation 以太网:标准和实施 9.1.2 Ethernet - Layer 1 and Layer 2 以太网:第一层和第二层 9.1.3 Logical Link Control - Connecting to the Upper Layers 逻辑链路控制:连接到上层 9.1.4 MAC - Getting Data to the Media MAC:获取到介质的数据 9.1.5 Physical Implementations of Ethernet 以太网的物理实现,9.
4、1.1 Ethernet - Standards and Implementation,Ethernet 工作在 OSI model 的 Data Link layer和 Physical layer.,9.1.2 Ethernet - Layer 1 and Layer 2,9.1.3 Logical Link Control - Connecting to the Upper Layers,Ethernet 将Data Link layer 分为两个子层: Logical Link Control (LLC) 和 Media Access Control (MAC). Data Link
5、layer 通过 LLC 与上层通讯,9.1.4 MAC - Getting Data to the Media,Media Access Control 通过NIC这样的硬件完成任务. Ethernet MAC sublayer 有两个主要的任务 Data Encapsulation Media Access Control,9.1.5 Physical Implementations of Ethernet,以太网取得成功的重要因素: 维护简单容易 能很好的融合新科技 可靠性 安装和升级成本低廉,9.2 Ethernet - Communication through the LAN,9.
6、2.1 Historic Ethernet 以太网的历史回顾 9.2.2 Historic Collision Management 以太网冲突管理 9.2.3 Moving to 1 Gbps and Beyond 发展到1 Gbps 以上速度,9.2.1 Historic Ethernet,以太网技术基础最早起步于 1970 年,用于通过夏威夷群岛之间共享的无线电频率发送信息。 该协定规定,未经确认的发送在短时间等待后需要重新发送。以这种方式共用介质的技术后来通过以太网的形式应用到有线技术领域。,载波侦听多路访问冲突检测(CSMA/CD),以太网支持在一个共享总线拓扑中相互连接的多台计算机
7、。,9.2.1 Historic Ethernet,1970s初 University of Hawaii研究CSMA/CD . 1973 Xerox 开发了first Ethernet system(共享当时世界上唯一的激光打印机,速度2.94Mbps) 1982 Digital, Intel 和Xerox 共同发布了Ethernet v2.0 . 1985 IEEE 发布与Ethernet 兼容 的802.3 规范 1980s Ethernet 使用粗缆(thick coaxial cable)速率10 Mbps,最大距离 2公里. 1995年6月 IEEE802.3u(100-Mbps
8、Ethernet) 1998年6月 IEEE802.3z (1000-Mbps Ethernet) 1999年6月 IEEE 802.3ab (1000Base-T),9.2.1 Historic Ethernet,先有以太网,后有IEEE802.3。 1976年,Xerox公司在ALOHA系统中增加了载波侦听之后,在一个14M电缆上连接了100多台计算机,其传输速率为2.94M bps,它采用CSMA/CD介质访问控制方法。该系统被称为以太网(Ethernet)。 1980年,Xerox, DEC, Intel共同提交了Ethernet蓝皮书,制定了10M bps的CSMA /CD 以太网标
9、准。随后,IEEE 802小组成立。 IEEE定义了采用CSMA/CD技术的802.3局域网标准,速率从1M到10M bps.而Ethernet只是其中的一个特定产品而已 当Ethernet 需要扩充,增加一个new medium 或者能力, IEEE 就对802.3 standard发布一个新的补充. 新的补充在802.3的基础上增加一个或者两个字母比如 802.3u .,9.2.1 Historic Ethernet,9.2.1 Historic Ethernet,所有的IEEE标准都与最初的 Ethernet标准兼容. 本质上 Ethernet和 IEEE 802.3 是相同的.任何 E
10、thernet NIC均可以 transmit 和receive Ethernet 和 802.3 frames. 使用CSMA/CD 技术的就叫Ethernet. Q0001 Ethernet提供了一个可升级的网络,可以将一个旧的 coax 10-Mbps NIC 换成100-Mbps NIC, 或者10-Gbps Ethernet光纤链路 . Network 的 bandwidth 需求越来越大,不需花时间去改变以太网技术的底层架构,换个NIC就可以使bandwidth满足要求 . Today, Ethernet 这个术语 经常被使用.,9.2.1 Historic Ethernet,10
11、BASE2 10BASE5 10BASE-T 100BASE-TX 100BASE-FX,UTP,fiber,当Ethernet 需要扩充,增加一个new medium 或者capability, IEEE 就对802.3 standard发布一个新的补充. 新的补充在802.3的基础上增加一个或者两个字母比如 802.3u .,9.2.1 Historic Ethernet,早期Ethernet 的环境是多个computer 在一个shared bus topology. 采用粗缆(Thicknet , 10BASE5) 和细缆( Thinnet ,10BASE2). UTP cables
12、10BASE-T HUB,9.2.2 Historic Collision Management,传统Ethernet 10BASE-T 半双工 冲突(collisions),9.2.2 Historic Collision Management,当前 Ethernet 100BASE-TX 全双工 冲突减少 1Gbps,9.2.3 Moving to 1 Gbps and Beyond,VoIP和多媒体服务需要100 Mbps 或更高速率的Ethernet. Gigabit Ethernet 可以提供1000 Mbps (1 Gbps) 或更高的速率,9.2.3 Moving to 1 Gb
13、ps and Beyond,Ethernet 技术广泛用于城域网(MAN,Metropolitan Area Network),9.3 The Ethernet Frame,9.3.1 The Frame - Encapsulating the Packet 帧:封装数据包 9.3.2 The Ethernet MAC Address 以太网介质访问控制地址 9.3.3 Hexadecimal Numbering and Addressing 十六进制计数和编址 9.3.4 Another Layer of Addressing 另一个编址层 9.3.5 Ethernet Unicast,Mu
14、lticast & Broadcast 以太网单播、组播和广播,9.3.1 The Frame - Encapsulating the Packet,The Frame Encapsulating the Packet,9.3.1 The Frame - Encapsulating the Packet,Frame Check Sequence (FCS),9.3.2 The Ethernet MAC Address,9.3.2 The Ethernet MAC Address,bus topology,shared media,使用MAC address确定Ethernet network
15、源和目的address,9.3.2 The Ethernet MAC Address,48 bits 长度,用12个16进制数表示. 一个MAC地址对应一台PC就像一把房门钥匙对应一个房间.,9.3.3 Hexadecimal Numbering and Addressing,Hexadecimal Numbering and Addressing,9.3.3 Hexadecimal Numbering and Addressing,用ipcongfig /all 检查MAC,9.3.4 Another Layer of Addressing,Q0178,9.3.5 Ethernet Unic
16、ast, Multicast & Broadcast,Ethernet Unicast Active,9.3.5 Ethernet Unicast, Multicast & Broadcast,Ethernet Multicast,Dest IP 224.0.0.10 active,9.3.5 Ethernet Unicast, Multicast & Broadcast,Ethernet Broadcast,Dest MAC FF-FF-FF-FF-FF-FF Dest IP 192.168.1.255 active,9.4 Ethernet Media Address Control,9.
17、4.1 Media Address Control in Ethernet 以太网的介质访问控制 9.4.2 CAMA/CD - the Process 载波侦听多路访问冲突检测的过程 9.4.3 Ethernet Timing 以太网的定时 9.4.4 Interframe Spacing and Backoff 帧间距和回退,9.4.1 Media Address Control in Ethernet,载波侦听多路访问冲突检测 (CSMA/CD, Carrier Sense Multiple Access Collision Detection),9.4.2 CAMA/CD - the
18、Process,Ethernet 是一个共享介质的 broadcast technology .使用CSMA/CD 访问方法。 q0002 载波监听(Carrier Sense) 站点在为发送帧而访问传输信道之前,首先监听信道有无载波,若有载波,说明已有用户在使用信道,则不发送帧以避免冲突。 多路访问(Multiple Access) 在共享环境中同一时间会有多个用户同时访问网络 冲突检测( collision detect ),9.4.2 CAMA/CD - the Process,9.4.2 CAMA/CD - the Process,Carrier Sense Multiple Acce
19、ss with Collision Detection,9.4.2 CAMA/CD - the Process,Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection,9.4.2 CAMA/CD - the Process,Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection active,9.4.3 Ethernet Timing,电信号在电缆上传输有延时 (latency) 和传播 (travel)时间 当hub将Bits从一个port转发到另一个port 也会有latency时间
20、,9.4.3 Ethernet Timing,吞吐量速度为 10 Mbps 及以下的 Ethernet 使用异步通讯。 发送设备先传输64 bits定时同步信息(前导码),然后发送frame 接收设备使用8 bytes定时信息将接收电路与输入数据进行同步,然后丢弃这 8 个字节,100 Mbps 和更高的速率是同步(synchronous). 不需要定时信息,但为了兼容仍然保留“前导码”和“帧首定界符 (SFD)” 。,9.4.3 Ethernet Timing,将Bits发送到medium 并侦听到它都需要一定的时间。这段时间称为 Bits 时间。在 10-Mbps Ethernet 中,M
21、AC 层上发送一个 Bits 需要 100 毫微秒 (nS);在 100 Mbps Ethernet 中,发送相同比特需要 10 nS;而在 1000 Mbps 中,只需要 1 nS。出于粗略估计,使用每毫微秒 20.3 厘米(8 英寸)来计算 UTP 电缆中的传播延时。结果是:100 米的 UTP 电缆,10BASE-T 信号在 5 个 Bits 时间内可以传输完。 为使 CSMA/CD Ethernet正常工作,发送设备必须可以获知冲突才能完成最小frame 的传送。速度为 100 Mbps 时,设备定时基本不能支持 100 米的电缆。速度为 1000 Mbps 时,需要进行特殊调整,因为
22、在第一个 Bits 到达第一个 100 米 UTP 电缆之前,最小 frame 应该差不多已经全部发送。因此, 10Gbps Ethernet不支持半双工模式。,9.4.3 Ethernet Timing,碰撞槽时间 (Slot time):信号在某个Ethernet网络段中相距,最远的两个节点之间往返传输所需要的最长时间.在同一网段。,两个节点之间的距离越远,则slot time 越长,9.4.3 Ethernet Timing,tA、tB等于通信路径的长度除以信号传输速度 只有当冲突信号从发生点返回到A站时,A站才停止发送数据,最坏情况发生在非常靠近B站的情况下,此时 Slot time
23、ts= tA+tB,B,A,10111001 11001010 11110000 00111010,9.4.4 Interframe Spacing and Backoff,帧间距(interframe spacing):两个连续的帧之间的距离。前一帧的FCS 字段的最后一位到后一帧的导言的第一位 . 当一个帧已经发送完毕, 在Ethernet的任一站点发送下一个帧之前至少需要等待96 bit-times.这个间隙被设计用来处理前面的帧和为处理下一帧做准备.,9.4.4 Interframe Spacing and Backoff,只要一检测到冲突,发送设备就会发送一个 32 位堵塞(jam)
24、信号以强调该冲突。这可确保 LAN 中的所有设备都能检测到冲突。,jam信号最常见的数据样式是简单地重复 1, 0, 1, 0 样式,与前导码相同。,9.4.4 Interframe Spacing and Backoff,当冲突发生后所有站点将让电缆变得安静(等待一个帧间距). 发生冲突的站点在试图重传冲突帧之前,必须等待更长的时间.为了防止更多的冲突,等待时间被设计为任意值, 这将导致slot time的增加. 如果MAC layer 经过16次努力也不能发送帧,它将产生一个错误信息给network layer.,9.5 Ethernet Physical Layer,9.5.1 Over
25、view of Ethernet Physical Layer 以太网物理层概述 9.5.2 10 and 100 Mbps Ethernet 9.5.3 1000 Mbps Ethernet 9.5.4 Ethernet - Future Options 以太网:未来的选择,9.5.1 Overview of Ethernet Physical Layer,Ethernet Type,9.5.2 10 and 100 Mbps Ethernet,10 Mbps Ethernet 被认为是传统的以太网,使用物理星型拓扑。 Ethernet 10BASE-T 链路长度在 100 米以内都不需要集
26、线器或中继器。,9.5.2 10 and 100 Mbps Ethernet,100 Mbps Ethernet也称为快速Ethernet ,可以使用双绞线铜缆或光纤介质来实现。最常见的 100 Mbps Ethernet有: 使用 5 类或更高规格 UTP 电缆的 100BASE-TX 使用光缆的 100BASE-FX,9.5.3 1000 Mbps Ethernet,1000 Mbps Ethernet 标准的开发产生了 UTP 铜缆、单模光缆和多模光缆的规格。 在 1000 Mbps Ethernet 中,传送相同Bits的data所需的时间,是 100 Mbps 网络和 10 Mbps
27、 网络的几分之一。由于信号传送的时间更短,bits更容易产生杂信,因此定时非常关键。性能问题取决于网络适配器或接口改变电平的速度,以及 100 米外的接收网卡或接口检测电压改变的可靠程度。 在这些速度更快的 Ethernet 中,data的编码和解码更为复杂。 1000 Mbps Ethernet 采用两个单独的编码步骤。当代码用于表示二进制 bits 流时,数据发送的效率更高。对数据进行编码可以实现同步、提高带宽利用效率以及改进信噪比特征,9.5.3 1000 Mbps Ethernet,1000BASE-T Ethernet,要解决的问题是如何使发送端的NIC很快改变电压级别,接收端的NI
28、C能检测出电压级别 每对线125 Mbps,四对线500 Mbps全双工1000 Mbps.,9.5.3 1000 Mbps Ethernet,与 UTP 相比,光纤1000 Mbps Ethernet - 1000BASE-SX 和 1000BASE-LX 有以下优势:无杂信、体积小,并且无需中继的距离远,带宽高。 所有 1000BASE-SX 和 1000BASE-LX 版本都支持通过两股光缆以 1250 Mbps 的速度进行全双工二进制发送。发送编码基于 8B/10B 编码方案。,9.5.4 Ethernet - Future Options,1 Gigabit 广泛使用, 10-Gig
29、abit 已进入实用阶段,正在开发40, 100, 160Gbps standards.,9.6 Hubs and Switches,9.6.1 Legacy Ethernet - Using Hubs 传统以太网:使用集线器 9.6.2 Ethernet Switches 以太网使用交换机 9.6.3 Switches Selective Forwarding 交换机:选择性转发 9.6.4 Ethernet - Comparing Hubs and Switches 以太网:比较集线器和交换机,9.6.1 Legacy Ethernet - Using Hubs,9.6.1 Legacy
30、Ethernet - Using Hubs,9.6.1 Legacy Ethernet - Using Hubs,扩展网络后增加冲突,9.6.2 Ethernet Switches,分割冲突,9.6.2 Ethernet Switches,多个口 共享带宽,交换机 在内部建立虚电路使每个口 共享带宽,9.6.2 Ethernet Switches,每个设备独享带宽,9.6.2 Ethernet Switches,9.6.3 Switches Selective Forwarding,在存储转发交换模式, switch 接收输入的frame, 检查FSC, 然后将frame转发到合适的目的节点端
31、口。 基于目的MAC地址转发数据,构筑MAC地址表。,9.6.3 Switches Selective Forwarding,Ethernet LAN switches 有5个基本操作: 获取(Learning) :通过学习,构筑MAC地址表 过期(Aging):通过使用时间戳,将老化的MAC地去掉 泛洪(Flooding):如果交换机不知道目的端口就将frame发送给所有的端口。此时使用广播 MAC address. 选择性转发(Selective Forwarding):交换机的主要功能。检查 frame的目的MAC 地址并转发它到合适的port. 过滤(Filtering):不转发而丢弃
32、就叫过滤。FSC有错误或者出于安全考虑,9.6.3 Switches Selective Forwarding,LAN switch使用存储转发 active 接收frame 检查FSC是否有错误 没有错误,转发,9.6.3 Switches Selective Forwarding,交换的主要过程: 学习 泛洪 选择转发,9.6.3 Switches Selective Forwarding,初始状态 switches 的MAC地址表是空的,9.6.3 Switches Selective Forwarding,主机1 发送数据给主机2,frame 中包含源和目的的MAC地址,9.6.3 S
33、witches Selective Forwarding,switch 从frame中读源MAC地址,将它保存,9.6.3 Switches Selective Forwarding,MAC地址表中没有目的地址主机2, switch发送Flooding,只有主机2接收,其他主机丢弃,9.6.3 Switches Selective Forwarding,主机2 发送数据给主机1,frame 中包含源和目的MAC地址,9.6.3 Switches Selective Forwarding,switch 从frame中读源MAC(主机2 )地址,将它保存,9.6.3 Switches Select
34、ive Forwarding,由于主机1的MAC地址已经保存在MAC地址表中, switch 直接发送。,9.6.4 Ethernet - Comparing Hubs and Switches,active,9.7 Address Resolution Protocol(ARP),9.7.1 The ARP Process - Mapping IP to MAC Addresses ARP的过程:将IP地址映射到MAC地址 9.7.2 The ARP Process - Destinations outside the Local Network ARP的过程:目的主机在本地网络外 9.7.
35、3 The ARP Process Removing Address Mapping ARP的过程:删除地址映射 9.7.4 ARP Broadcasts Issues ARP广播:问题,9.7.1 The ARP Process - Mapping IP to MAC Addresses,Send Data to a device,ARP table in host,RAM,arp,ARP operation,ARP Table: ?,ARP operation: ARP request,ARP operation: Checking,That is my IP,ARP operation:
36、 ARP reply,ARP operation: Caching,ARP Table: A.B.C.7.8.9 10.0.2.9,ARP: Destination local,ARP: Destination not local,9.7.2 The ARP Process - Destinations outside the Local Network,9.7.2 The ARP Process - Destinations outside the Local Network,9.7.2 The ARP Process - Destinations outside the Local Net
37、work,9.7.2 The ARP Process - Destinations outside the Local Network,9.7.2 The ARP Process - Destinations outside the Local Network,9.7.2 The ARP Process - Destinations outside the Local Network,Proxy ARP,代理(Proxy) ARP 是 ARP的变异. 在这种情况, source host 没有配置 default gateway 、 default gateway 配置不正确、subnet m
38、ark配置不正确.,ARP Reply,9.7.2 The ARP Process - Destinations outside the Local Network,主机A的MASK 配置不正确 Router 将担当 Proxy ARP的 工作它会将主机C 和主机D的MAC 告诉主机A,9.7.3 The ARP Process - Removing Address Mapping,一些Windows OS保存ARP cache 2分钟. 如果该条ARP信息又一次使用,保存时间将延长到10分钟 arp 命令,9.7.4 ARP Broadcasts Issues,ARP请求要被所有本地网的设备
39、接收,会影响网络性能 ARP 欺骗, ARP 中毒, 是一种攻击者通过发送错误 MAC 地址的假 ARP 请求技术,Summary,Ethernet 是一种高效并且得到广泛采用的 TCP/IP 网络访问 protocol 。 其常用的frame 结构已经通过一系列 media technologies (包括铜缆和光缆)得到实现,成为当今最普及的 LAN protocol 作为 IEEE 802.2/3 标准的一种, Ethernet frame 提供 MAC 编址和错误检测功能。早期的 Ethernet 采用shared media technology ,必须通过 CSMA/CD 机制来管理多台设备对介质的使用。本地网络中的HUB换成switches 后,半双工链路中的 frame 冲突机率明显减少。但当前及未来的以太网版本在本质上是全双工通信链路,不需要如此详细地管理 media 竞争。 Ethernet 提供第 2层的 unicast, multicast, and broadcast communications 。 Ethernet 使用 Address Resolution Protocol 来确定目的设备的 MAC 地址,并针对已知的网络层地址映射它们,Summary,Protocol,
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