1、 1999,Cisco Systems,IICND2-1第十章第十章层层2交换技术交换技术 1999,Cisco Systems,IICND16-2Part.1 以太网交换机基础以太网交换机基础 1999,Cisco Systems,IICND16-3什么是以太网什么是以太网计算机网络分计算机网络分2 2类：采用点到点连接的网络和采类：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用广播信道的网络。以太网就是一种典型的广播网络。网络。以太网由施乐公司以太网由施乐公司PARCPARC研究中心于研究中心于19731973年年5 5月月2222日首次提出，经过不断的发展和创新，已
2、成为世日首次提出，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。界上最流行的局域网技术。1999,Cisco Systems,IICND16-4以太网与以太网与CSMA/CDCSMA/CD是广播式以太网共享传输介质的理论基础。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：规定一个想传输数据的节点必须执行以下步骤：1.监视信道直到其空闲；监视信道直到其空闲；2.传输数据，并监视信道是否有冲突发生；传输数据，并监视信道是否有冲突发生；3.如果检测到冲突发生，则停止传输并发出一个冲突信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
3、便其它节点知道网络上有冲突，再等号到网络上，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。待一个随机的时间，然后回到第一步。1999,Cisco Systems,IICND16-5以太网络与以太网络与802.3标准标准IEEE 802.3IEEE 802.3标准规定了以太网的物理层和数据链路层的标准规定了以太网的物理层和数据链路层的MACMAC子层。子层。IEEE 802.3IEEE 802.3规定的以太网物理层：规定的以太网物理层：10 10BASE-5 BASE-5 使用粗同轴电缆，最大传输距离为使用粗同轴电缆，最大传输距离为500500m m；1010BASE-2
4、BASE-2 使用细同轴电缆，最大传输距离为使用细同轴电缆，最大传输距离为200m200m；1010BASE-T BASE-T 使用非屏蔽双绞线，最大传输距离为使用非屏蔽双绞线，最大传输距离为100100m m；1010BASE-F BASE-F 使用光缆，最大传输距离为使用光缆，最大传输距离为20002000m m；1999,Cisco Systems,IICND16-6以太网络与以太网络与802.2标准标准逻辑链路控制层逻辑链路控制层LLCIEEE 802.2IEEE 802.2规定的以太网链路层之规定的以太网链路层之LLCLLC子层（子层（802.2802.2帧格式）：帧格式）：LLCM
5、AC数据链路层数据链路层网络层网络层物理层物理层MAC头头 LLC头头数据包数据包MAC校验和校验和LLC头头数据包数据包比特流比特流数据包数据包注意：注意：IEEE802.2 LLCIEEE802.2 LLC逻辑链路控制子层隐藏了各种逻辑链路控制子层隐藏了各种802802网络（如网络（如802.3802.3、802.4802.4、802.5802.5、802.11802.11等等）之间的差别，向网络层提供了一个统一的格等等）之间的差别，向网络层提供了一个统一的格式和接口。式和接口。1999,Cisco Systems,IICND16-73种常用的种常用的802.3连接方式连接方式1、10Ba
6、se-5：总线型结构，使用粗缆和收发器连总线型结构，使用粗缆和收发器连接主机。接主机。2、10Base-2：总线型结构，使用细缆和无源总线型结构，使用细缆和无源BNC T型接头连接主机。型接头连接主机。3、10Base-T：总线型（或星型）结构，双绞线和总线型（或星型）结构，双绞线和集线器连接主机。集线器连接主机。1999,Cisco Systems,IICND16-8局域网分段局域网分段冲突域冲突域：广播域广播域：局域网分段局域网分段：影响局域网性能的两个常见问题是：影响局域网性能的两个常见问题是过高的冲过高的冲突和过多的广播突和过多的广播。“分段分段”将网络分割成较小的段。网桥将网络分割成
7、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、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。可以划分更小的广播域。1999,Cisco Systems,IICND16-9局域网分段设备局域网分段设备设备设备OSIOSI层层分隔冲分隔冲突域突域分隔广分隔广播域播域备注备注HUBHUB物理层物理层不不不不网桥网桥数据链数据链路层路层是是不不每个端口是单独每个端口是单独的冲突域的冲突域交换机交换机数据链数据链路层路层是是不不实际上是多端口实际上是多端口网桥，
8、每个端口网桥，每个端口是单独的冲突域是单独的冲突域路由器路由器网络层网络层是是是是每个端口是单独每个端口是单独的广播域的广播域 1999,Cisco Systems,IICND16-10 地址学习地址学习生成转发表生成转发表 帧的转发帧的转发/过滤过滤 环路防止环路防止交换机的三个功能交换机的三个功能 1999,Cisco Systems,IICND16-11交换机的地址学习交换机的地址学习 最初开机时最初开机时MAC地址表是空的地址表是空的 1900 1900 最大最大macmac地址表可存地址表可存10241024个个.一旦地址表满一旦地址表满,就会洪泛所有到新就会洪泛所有到新MACMAC
9、地址的帧，直到现存地址的帧，直到现存地址条目老化地址条目老化为止为止.MacMac地址表条目默认老化时间是地址表条目默认老化时间是300300秒，以下命令可改变老化时间秒，以下命令可改变老化时间:wg_sw_a(config)#macwg_sw_a(config)#mac-address-table aging-time?-address-table aging-time?Aging time value Aging time valueMAC地址表地址表0260.8c01.11110260.8c01.22220260.8c01.33330260.8c01.4444E0E1E2E3ABCD 1
10、999,Cisco Systems,IICND16-12交换机的地址学习交换机的地址学习 主机主机A发送数据帧给主机发送数据帧给主机C 交换机通过学习数据帧的源交换机通过学习数据帧的源MAC地址，记录下主机地址，记录下主机A的的MAC地址地址 对应端口对应端口E0 该数据帧转发到除端口该数据帧转发到除端口E0以外的其它所有端口以外的其它所有端口(不清楚目标主机的不清楚目标主机的单点传送用单点传送用泛洪方式泛洪方式)0260.8c01.11110260.8c01.22220260.8c01.33330260.8c01.4444E0:0260.8c01.1111E0E1E2E3DCBAMAC地址表
11、地址表 1999,Cisco Systems,IICND16-13交换机的地址学习交换机的地址学习 主机主机D发送数据帧给主机发送数据帧给主机C 交换机通过学习数据帧的源交换机通过学习数据帧的源MAC地址，记录下主机地址，记录下主机D的的MAC地址对应地址对应端口端口E3 该数据帧转发到除端口该数据帧转发到除端口E3以外的其它所有端口以外的其它所有端口(不清楚目标主机的单点不清楚目标主机的单点传送用泛洪方式传送用泛洪方式)0260.8c01.11110260.8c01.22220260.8c01.33330260.8c01.4444E0:0260.8c01.1111E3:0260.8c01.4
12、444E0E1E2E3DCABMAC地址表地址表 1999,Cisco Systems,IICND16-14交换机如何过滤帧交换机如何过滤帧 交换机交换机A发送数据帧给主机发送数据帧给主机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E0:0260.8c01.1111E2:0260.8c01.2222E1:0260.8c01.3333E3:0260.8c01.44440260.8c01.11110260.8c01.22220260.8c01.33330260.8c01.4444E0E1E2E3XXDCABMAC地址表地址表 1999,Cisco
13、 Systems,IICND16-15 主机主机D发送广播帧或多点帧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广播帧或多点帧泛洪到除源端口外的所有端口0260.8c01.11110260.8c01.22220260.8c01.33330260.8c01.4444E0E1E2E3DCABE0:0260.8c01.1111E2:0260.8c01.2222E1:0260.8c01.3333E3:0260.8c01.4444广播帧和多点传送帧广播帧和多点传送帧MAC地址表地址表 1999,Cisco Systems,IICND16-16 2002,Cisco Systems,Inc
14、.All rights reserved.16Patr.2 生成树协议生成树协议 1999,Cisco Systems,IICND16-17冗余网络拓扑冗余网络拓扑 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地址表不稳定的问题网段网段 1网段网段 2服务器服务器/主机主机 X路由器路由器 Y 1999,Cisco Systems,IICND16-18交换机交换机 A交换机交换机 B主机主机 X 发送一广播信息发送一广播信息广播风暴广播风暴服务器服务器/
15、主机主机 X路由器路由器 Y网段网段2网段网段1广播帧广播帧 1999,Cisco Systems,IICND16-19广播风暴广播风暴交换机交换机 A交换机交换机 B主机主机 X 发送一广播信息发送一广播信息服务器服务器/主机主机 X路由器路由器 Y广播帧广播帧网段网段2网段网段1 1999,Cisco Systems,IICND16-20交换机不停地发出广播信息交换机不停地发出广播信息广播风暴广播风暴交换机交换机 A交换机交换机 B服务器服务器/主机主机 X路由器路由器 Y网段网段2网段网段1广播帧广播帧 1999,Cisco Systems,IICND16-21重复帧重复帧 主机主机X发
16、关一单点帧给路由器发关一单点帧给路由器Y 路由器路由器Y的的MAC地址还没有被交换机地址还没有被交换机A和和B学习到学习到交换机交换机 A交换机交换机 B服务器服务器/主机主机 X路由器路由器 Y单点帧单点帧网段网段1网段网段2 1999,Cisco Systems,IICND16-22 主机主机X发送一单点帧给路由器发送一单点帧给路由器Y 路由器路由器Y的的MAC地址还没有被交换机地址还没有被交换机A和和B学习到学习到 路由器路由器Y会收到同一帧的两个拷贝会收到同一帧的两个拷贝重复帧重复帧交换机交换机 A交换机交换机 B服务器服务器/主机主机 X路由器路由器 Y单点帧单点帧单点帧单点帧单点帧
17、单点帧网段网段1网段网段2 1999,Cisco Systems,IICND16-23 主机主机X发送一单点帧给路由器发送一单点帧给路由器Y 路由器路由器Y的的MAC地址还没有被交换机地址还没有被交换机A和和B学习到学习到 交换机交换机A和和B都学习到主机都学习到主机X的的MAC地址对应端口地址对应端口0端口端口 0端口端口1端口端口0端口端口1MACMAC地址表不稳定地址表不稳定交换机交换机 A交换机交换机 B服务器服务器/主机主机 X路由器路由器 Y单点帧单点帧单点帧单点帧网段网段1网段网段2 1999,Cisco Systems,IICND16-24 主机主机X发送一单点帧给路由器发送一
18、单点帧给路由器Y 路由器路由器Y的的MAC地址还没有被交换机地址还没有被交换机A和和B学习到学习到 交换机交换机A和和B都学习到主机都学习到主机X的的MAC地址对应端口地址对应端口0 到路由器到路由器Y的数据帧在交换机的数据帧在交换机A和和B上会泛洪处理上会泛洪处理 交换机交换机A和和B都错误学习到主机都错误学习到主机X的的MAC地址对应端口地址对应端口 1MACMAC地址表不稳定地址表不稳定端口端口 0端口端口1端口端口0端口端口1交换机交换机 A交换机交换机 B服务器服务器/主机主机 X路由器路由器 Y网段网段1网段网段2单点帧单点帧单点帧单点帧 1999,Cisco Systems,II
19、CND16-25 更复杂的拓扑结构可能导致多重回路更复杂的拓扑结构可能导致多重回路 在第在第2层没有能够防止这种回路的机制层没有能够防止这种回路的机制服务器服务器/主机主机工作站工作站回路回路回路回路回路回路多重回路问题多重回路问题广播帧广播帧 1999,Cisco Systems,IICND16-26回路的解决办法回路的解决办法:生成树协议生成树协议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中产生回路 阻塞阻塞x 1999,Cisco Systems,IICND16-27 每个网络只能
20、有一个根桥，根桥具有最低的桥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（每个非根桥只能有一个根端口（RP），通过根端口到），通过根端口到达根桥所花代价最低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桥所花代价最低 根桥上的所有端口都是指派端口（根桥上的所有端口都是指派端口（DP）x指派端口指派端口(F)根端口根端口(F)指派端口指派端口(F)非指派端口非指派端口(B)根桥根桥非根桥非根桥SW XSW Y100baseT 10baseT生成树运作生成树运作 1999,Cisco Sys
21、tems,IICND16-28交换机交换机 Y缺省的优先级缺省的优先级 32768(8000 十六进制十六进制)MAC 0c0022222222交接机交接机 X缺省的优先级缺省的优先级 32768(8000 十六进制十六进制)MAC 0c0011111111 BPDUBPDU=Bridge protocol data unit(缺省地每缺省地每2秒发送秒发送BPDU数据，其中携带桥数据，其中携带桥ID)桥桥ID（桥识别码）（桥识别码）=桥优先级桥优先级+桥桥MAC地址地址根桥根桥=有最低桥有最低桥ID的桥的桥例中，例中，哪个交换机的桥哪个交换机的桥ID最低最低?根桥的选择根桥的选择 1999,
22、Cisco Systems,IICND16-29交接机交接机 Y缺省的优先级缺省的优先级 32768MAC 0c0022222222交换机交换机 X缺省的优先级缺省的优先级 32768 MAC 0c0011111111Root bridgex端口端口 0端口端口1端口端口0端口端口1100baseT10baseT 指派端口指派端口(F)根端口根端口(F)非指派端口非指派端口(B)指派端口指派端口(F)端口状态端口状态1.每个非根桥有且仅有一个根端口，其余为非指派端口。选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，代择根端口的原则是比较各端口
23、到达根桥的路径代价值，代价最小的端口为根端口。价最小的端口为根端口。2.根端口根端口RP和指派端口和指派端口DP一般处于一般处于forwarding状态，非指状态，非指派派NDP一般是一般是blocked状态状态 1999,Cisco Systems,IICND16-30连接速率连接速率代价代价(修订的修订的 IEEE 规范规范)代价代价(旧旧IEEE 规范规范)-10 Gbps 21-1 Gbps41-100 Mbps1910-10 Mbps100100路径代价路径代价 1999,Cisco Systems,IICND16-31交换机交换机YMAC 0c0022222222缺省的优先级缺省的
24、优先级 32768交换机交换机XMAC 0c0011111111缺省的优先级缺省的优先级 32768 端口端口0端口端口1端口端口 0端口端口1交换机交换机 ZMac 0c0011110000缺省的优先级缺省的优先级 32768端口端口 0请指出请指出:根桥？根桥？指派端口、非指派端口和根端口指派端口、非指派端口和根端口?各端口分别是转发还是阻塞状态各端口分别是转发还是阻塞状态?100baseT100baseT生成树生成树 1999,Cisco Systems,IICND16-32端口端口 0 100baseT100baseT指派端口指派端口(F)根端口根端口(F)非指派端口非指派端口(B)指
25、派端口指派端口(F)根端口根端口(F)请指出请指出:根桥根桥 指派端口、非指派端口和根端口指派端口、非指派端口和根端口?各端口分别是转发还是阻塞状态各端口分别是转发还是阻塞状态?生成树生成树交换机交换机YMAC 0c0022222222缺省的优先级缺省的优先级 32768交换机交换机XMAC 0c0011111111缺省的优先级缺省的优先级 32768 端口端口0端口端口1端口端口 0端口端口1交换机交换机 ZMac 0c0011110000缺省的优先级缺省的优先级 32768 1999,Cisco Systems,IICND16-33交换机交换机YMAC 0c0022222222缺省的优先级
26、缺省的优先级 32768交换机交换机 XMAC 0c0011111111缺省的优先级缺省的优先级 32768 端口端口 0端口端口 1端口端口0端口端口110baseTx100baseTRoot Bridge指派端口指派端口根端口根端口(F)非指派端口非指派端口(阻塞阻塞)指派端口指派端口生成树重新生成生成树重新生成 1999,Cisco Systems,IICND16-34交换机交换机YMAC 0c0022222222缺省优先级缺省优先级 32768交换机交换机 XMAC 0c0011111111缺省优先级缺省优先级 32768 端口端口 0端口端口 1端口端口 0端口端口110baseTx
27、100baseTRoot Bridge指派端口指派端口根端口根端口(F)非指派端口非指派端口(阻塞阻塞)指派端口指派端口BPDUxMAXAGEx生成树重新生成生成树重新生成1.1.Switch Y Switch Y 在最多在最多2020秒后会发现从秒后会发现从 Switch X Switch X 来的来的 BPDU BPDU 信信号消失，于是就重新计算号消失，于是就重新计算 STP STP。2.2.网络恢复后，网络恢复后，Switch Y Switch Y 将会是根桥，将会是根桥，而且它的所有端口而且它的所有端口都会处于转发状态都会处于转发状态(Designated port)。1999,Ci
28、sco Systems,IICND16-35 2002,Cisco Systems,Inc.All rights reserved.35Part.3 桥接和交换桥接和交换 1999,Cisco Systems,IICND16-36基于软件实现基于软件实现每个桥只能有一个生成树每个桥只能有一个生成树每个桥通常最多到每个桥通常最多到16个端口个端口桥桥基于硬件实现基于硬件实现(ASIC)每个交换机可以有多个生成树每个交换机可以有多个生成树有更多的端口有更多的端口交换机交换机桥与交换机的比较桥与交换机的比较 1999,Cisco Systems,IICND16-37帧交换帧交换直通转发直通转发Cut
29、-through交换机检测到目标地址后交换机检测到目标地址后即转发帧即转发帧Frame交换机一确定帧的目的交换机一确定帧的目的MACMAC地址和正确的端口号，就立即将地址和正确的端口号，就立即将帧转发出去。通常情况下，大约在收到帧头帧转发出去。通常情况下，大约在收到帧头1414个字节个字节左右左右就开始转发。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，但它连小于固定的延迟时间，但它连小于6464字节的帧以及一些坏帧也字节的帧以及一些坏帧也一块儿转发，可能浪费带宽。一块儿转发，可能浪费带宽。1999,Cisco Systems,IICN
30、D16-38帧交换帧交换存储转发存储转发Store and forward完整地收到帧并检查无错完整地收到帧并检查无错后才转发后才转发直通转发直通转发交换机检测到目标地址后交换机检测到目标地址后即转发帧即转发帧FrameFrameFrameFrame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CRCCRC校验、确定目校验、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发往目的地。好处是能够抛弃小于6464字节的帧以及其
31、他任何受损的帧，这样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。完整的帧。1999,Cisco Systems,IICND16-39Frame无碎片转发无碎片转发 Fragment free(直通转发的修订版直通转发的修订版)Cat1900 的缺省模式的缺省模式(modified cut-through)交换机检测到帧的前交换机检测到帧的前64字节后即转发字节后即转发FrameFrameFrameFrame帧交换帧交换存储转发存储转发Store and forwa
32、rd完整地收到帧并检查无错完整地收到帧并检查无错后才转发后才转发直通转发直通转发交换机检测到目标地址后交换机检测到目标地址后即转发帧即转发帧 1999,Cisco Systems,IICND16-40多层交换多层交换1.1.第第2 2层交换：本质上是多端口的透明桥接，但比传统桥接增层交换：本质上是多端口的透明桥接，但比传统桥接增加了加了存储转发存储转发外的两种转发交换方式。外的两种转发交换方式。2 2层交换机比桥增加层交换机比桥增加了了VLANVLAN功能，同一交换机可以当作多个独立的桥使用，在分功能，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。割冲突域的同时，分隔广播
33、域。2.2.第第3 3层交换：类似于路由，根据目的层交换：类似于路由，根据目的IPIP来转发帧，同时改变来转发帧，同时改变帧中的帧中的MACMAC地址，减少生存期地址，减少生存期TTLTTL域，执行一次帧检测。但域，执行一次帧检测。但3 3层交换机使用层交换机使用ASICASIC来实现，传统路由器使用通用微处理器和来实现，传统路由器使用通用微处理器和软件来实现。软件来实现。CiscoCisco实现了实现了“一次路由，交换多次一次路由，交换多次”的快捷的快捷交换方式。交换方式。3.3.第第4 4层交换：即交换机的层交换：即交换机的ASICASIC硬件可以识别第硬件可以识别第4 4层的传输控制层的
34、传输控制协议协议TCPTCP和用户数据报协议和用户数据报协议UDPUDP，并且使用不同的服务层次来并且使用不同的服务层次来区分应用。也就是说，可以一次完成基于区分应用。也就是说，可以一次完成基于MACMAC地址、地址、IPIP地址地址和上层应用端口号在内的复杂路由与交换功能。和上层应用端口号在内的复杂路由与交换功能。1999,Cisco Systems,IICND16-41半双工半双工(CSMA/CD)单向数据传送单向数据传送 冲突可能性高冲突可能性高 用集线器连接用集线器连接 交换机交换机集线器集线器双工综述双工综述集线器永远工作在半双工集线器永远工作在半双工有冲突的环境只能使用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无冲突的环境可以使用全双工 1999,Cisco Systems,IICND16-42全双工全双工 只能用于点对点只能用于点对点 连接到特定的端口连接到特定的端口 两端均须支持全双工两端均须支持全双工 无冲突无冲突 冲突检测电路关闭冲突检测电路关闭双工综述双工综述半双工半双工(CSMA/CD)单向数据传送单向数据传送 冲突可能性高冲突可能性高 用集线器连接用集线器连接 交换机交换机集线器集线器
