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第2章：以太网交换技术详解

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1+X证书网络系统建设与运维(中级)第2章 网络交换技术v3.0

1+X证书网络系统建设与运维(中级)第2章 网络交换技术v3.0

第18页
2.1.4 交换机的基本设置
速率与双工模式
案例2-2：设置交换机端口的双工模式和速率
[Huawei]interface GigabitEthernet 0/0/1
关闭自动协商模式
[Huawei-GigabitEthernet0/0/1]undo negotiation auto
[Huawei-GigabitEthernet0/0/1]speed 100 [Huawei-GigabitEthernet0/0/1]duplex half
第11页
2.1.2 交换机简介
交换机数据帧的转发方式
广播：由于交换机的MAC地址表中没有记录这个数据帧的目的MAC地址，因此，它无法处理该
数据帧，于是，交换机只能将该数据帧从所有其他端口发送出去。
MAC地址映射表
端口号
MAC地址
E0
00-9A-CD-02-00-00
PC0 MAC:00-9A-CD-02-00-00
速率与双工模式
案例2-1：查看交换机端口当前的速率和双工模式
速率为 1000Mbit/s
全双工模式
[Huawei]display interface GigabitEthernet 0/0/1 GigabitEthernet0/0/1 current state : UP Line protocol current state : UP Description: Switch Port, Link-type : access(negotiated), PVID : 1, TPID : 8100(Hex), The Maximum Frame Length is 1600 IP Sending Frames' Format is PKTFMT_ETHNT_2, Hardware address is c81f-be462bd0 Current system time: 2060-01-14 15:29:53 Port Mode: COMMON COPPER Speed : 1000, Loopback: NONE Duplex: FULL, Negotiation: ENABLE ---省略部分显示内容 ---

以太网二层交换原理

以太网二层交换原理
PPP利用类似HDLC帧(RFC 1662) HDLC是非常老的技术 处理HDLC帧是基于比特流，要进行零比特的插入和抽取 耗费大量的 CPU或硬件资源且效率不高
PPP (RFC 1661) 封装 标 志 地 址 控 制 协 议 标 记 静 荷 填 充 域 F C S标 志
o 1 1 1 1 1 1 o 1 1 1 1 1 1 1 1 o o o o o o 1 1 1 或 2 字 节 可 变 可 变 2 / 4 字 节 o 1 1 1 1 1 1 o
网络号码为127.X.X.X，这样的网络号码用作本地软件回送测试（Loopback test）之用。 如：127.0.0.1
2019/10/20
10
IP路由
在路由器中，寻找一条将报文从信源机传往信宿机的传输 路径的过程，称之为寻径。在路由器中，寻径采用的是表驱动 的方式。
在 Internet 的各主机和网关上都包含一个路由表，指明去往 某信宿机的路径。在传送报文时，根据报文的目的地址，查找 路由表，得到一条去往目的地址的路径。
TB053001
以太网二层交换原理
ISSUE 1.0
2019/10/20
光网络产品课程开发室
1
学习目标
学习完本课程，您应该能够：
掌握以太网二层交换基本原理 掌握ET1二层交换基本原理
2019/10/20
2
参考资料
《SS61ET1S单板开局指导书》 《SS42ET1O单板开局指导书》
2019/10/20
Reverse Address Resolution Protocol Internet控制报文协议ICMP
Internet Control Message Protocol

以太网技术基本原理

以太网技术基本原理

以太网技术基本原理以太网是一种局域网技术，其基本原理是基于CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）协议，采用共享介质的方式实现各个终端设备之间的数据通信。

以下是以太网技术的基本原理的详细介绍。

1.CSMA/CD协议：CSMA/CD协议是以太网的核心协议，用于解决多个终端设备同时访问共享介质时产生的冲突问题。

其工作原理是，在发送数据之前，终端设备会先监听共享介质上是否有信号传输，如果没有，则可以开始发送自己的数据。

如果检测到有信号传输，表示介质正在被占用，终端设备会等待一段随机的时间后再次进行监听，以便选择合适的时机进行数据发送。

如果在发送数据的过程中，终端设备检测到介质上有冲突，就会终止发送并等待一段时间，再次检测介质是否被占用，然后重新开始发送数据。

通过这种方式，CSMA/CD协议可以有效地解决冲突问题，实现数据的可靠传输。

2.介质访问控制：以太网采用的是共享介质的方式，多个终端设备共享同一根传输介质。

为了保证每个终端设备的公平性和均衡性，以太网采用了介质访问控制机制。

具体来说，以太网将共享介质分割为多个时隙，并将每个时隙划分为一个最小的数据传输单元（称为“帧”）。

终端设备在进行数据传输之前，需要等待一个空闲的时隙，然后按照时隙进行数据发送。

这种介质访问控制机制能够有效地保证每个终端设备的公平访问权，并避免了数据传输的混乱和冲突。

3.MAC地址：以太网使用MAC（媒体访问控制）地址来唯一标识网络中的每个终端设备。

MAC地址是一个48位的全球唯一标识符，由6个字节组成。

其中前3个字节是由IEEE管理的组织唯一标识符（OUI），用于标识设备的生产厂商，后3个字节由设备厂商自行分配。

每个终端设备在生产时都会被分配一个唯一的MAC地址，以太网通过这个地址来确定数据应该发送到哪个设备。

4.帧格式：以太网的数据传输通过帧来进行，每个帧是一个完整的数据包。

以太网的帧格式包括了源MAC地址、目标MAC地址、协议类型和数据部分。

现代交换原理与技术第2章 交换技术基础

现代交换原理与技术第2章 交换技术基础
第2章
交换技术基础 目 录
交换节点的基本组成
交换网络、接口、控制系统、信令系统
交换单元及交换网络 信号数字化技术
模拟语音信号的数字化处理 图像与视频信号的数字化处理
信道共享与复用技术
空分复用 频分多路复用 时分多路复用
2017/7/11 1
第2章 交换技术基础 本章主要内容
通信过程中的信息业务量特性不同
统计表明，电话通信双方讲话的时间各占一半，即对于PCM话音 信号平均速率大约在32Kb/s,一般不会出现长时间信道中没有信 息传输；而数据通信量波动性较大。语音对时延比较敏感。宜采 用面向连接的交换技术。数据对带宽比较敏感，宜采用动态资源 分配技术，大多采用无连接的交换技术。
电话交换
电路交换（Circuit Switching），就是在两通信端之间建立一条专用 的（dedicated）实际路径。此路径由发送端开始，一站一站往目的 端串联起来。一旦建立两端之间的电路后，它将一直维持专用状态 （ 即他人无法使用），直到通信结束之后，这条专用路径才停止使用， 并让出供他人继续使用。目前的电话就是使用这种技术。
交换机的组成 交换单元的组成、描述交换单元外部性能的指标 交换单元的分类与几种典型的交换单元（开关阵列、T接线器 、S接线器） 交换网络的概念、作用，TST、STS交换网络的工作原理 模拟语音信号的数字化技术、图像与视频信号的数字化处理 信道共享与复用技术
空分复用 频分多路复用 时分多路复用
2017/7/11 7
2.1 引言
数据网络交换机
在计算机网络系统中，交换概念的提出是对于共享工备，HUB本身不能识 别目的地址，当同一局域网内的A主机给B主机传输数据时，数据包 在以HUB为架构的网络上是以广播方式传输的，由每一台终端通过验 证数据包头的地址信息来确定是否接收。也就是说，在这种工作方式 下，同一时刻网络上只能传输一组数据帧的通讯，如果发生碰撞还得 重试。这种方式就是共享网络带宽。 数据网络交换机拥有一条很高带宽的背部总线和内部交换矩阵。交换 机的所有的端口都挂接在这条背部总线上，控制电路收到数据包以后 ，处理端口会查找内存中的地址对照表以确定目的MAC（网卡的硬 件地址）的NIC（网卡）挂接在哪个端口上，通过内部交换矩阵迅速 将数据包传送到目的端口，目的MAC若不存在才广播到所有的端口 ，接收端口回应后交换机会“学习”新的地址，并把它添加入内部 MAC地址表中。

第二章 交换技术-路由与交换技术-袁天夫-清华大学出版社

第二章 交换技术-路由与交换技术-袁天夫-清华大学出版社

以太网的工作原理
以太网采用载波帧听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）的机制，解决多个 终端同时争用总线的机制，工作过程如下所述。
当以太网中的一台主机要传输数据时，它将按如下步骤进行： 1）监听信道上是否有信号在传输。如果有的话，表明信道处于忙状态，就 继续监听，直到信道空闲为止。 2）若没有监听到任何信号，就传输数据。 3）传输的时候继续监听，如发现冲突则执行退避算法，随机等待一段时间 后，重新执行步骤1（当冲突发生时，涉及冲突的计算机会发送一个拥塞序列， 以警告所有的节点）。 4）若未发现冲突则发送成功，所有计算机在试图再一次发送数据之前，必须 在最近一次发送后等待9.6微秒（以10Mbps运行）。
Novell Ethernet 帧格式
IEEE 802.3/802.2帧格式
新增的802.2 LLC首部包括两个服务访问点：源服务访问点（SSAP）和目标 服务访问点（DSAP）。它们用于标识以太网帧所携带的上层数据类型，如16进 制数0x06代表IP协议数据，16进制数0xE0代表Novell类型协议数据，16进制数 0xF0代表IBM NetBIOS类型协议数据等。 至设为0x03，指明采用无 连接服务的802.2无编号数据格式）。
2、100Mb/s以太网标准
1）100BASE-TX 100BASE-TX必须采用5类以上布线系统，和10BASE-T一样，它也只
用于以集线器或以太网交换机为组网设备的以太网中，网络设备之间、网 络设备和终端之间距离必须小于l00m。
2）100BASE-FX
100BASE-FX采用两根50/125μm或62.5/125Mm的多模光纤，分别用于发送和接 收数据，因此，支持全双工通信方式。如果两个100BASE-FX端口（通常情况 下，一个是以太网交换机端口，另一个是以太网交换机端口或网卡）以全 双工方式进行通信，它们之间的传输距离可达2km。

现代交换技术第2章 交换网络

现代交换技术第2章 交换网络

19
现代交换技术
第2章 交换网络
输出线
存：各个时隙的 入线标号 = “1”，接通：TSi时隙的入 线标号（如：1线）与 输出2线；
TSi时隙，对应存储 矩阵的第 i+1行 （交换信息，预先写入控制 存储器的行列交点）
（两张表）
20
现代交换技术
存：各个时隙的 入线标号
第2章 交换网络
10
现代交换技术
第2章 交换网络
2.2 交换控制单元
一、基于时分结构的典型交换单元 2、时间交换单元 举例：时隙内容A，要从输入时隙 i交换到输出时隙 j
输入控制方式：
... TSN-1 ...
i
帧 Tsi
(A)
用户信息存储器 0 ... TS0 ... TSN-1 ...
j
帧 TSj
(A)
...
时隙 时隙 时隙 时隙 ... TS0
标志 头1
TS0 话路1
标志 头0
TS0
标志 头2
TS0
标志 头0
...
话路0
本章后续部分将以时分复用电信号为对象，介绍一 些典型的交换单元及交换网络。
5
现代交换技术
第2章 交换网络
2.2 交换控制单元
交换单元的功能是在控制信号的作用下在入线和出 线之间为呼叫请求建立适当接续，将入线上的信息送到 出线上去。
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现代交换技术
第2章 交换网络
2.2 交换控制单元
一、基于时分结构的典型交换单元 3、共享总线型交换单元 由入线控制部件，出线控制部件和总线组成，如下图示。入线 控制部件负责接收入线信号并进行信号格式转换，进行信息缓冲存 储，将缓冲信息在适当时刻送到总线上；出线控制部件负责从总线 上检测出属于自己的信号并加以缓冲存储，将缓冲信息进行格式转 换并由出线送出；总线通常由多条数据线和控制线组成，数据线负 责在入线控制部件和出线控制部件之间传送信号，控制线负责控制 各入线控制部件获得时隙和将信息发送到总线上以及控制出线控制 部件读取属于自己的信息。

以太交换机基本技术

以太交换机基本技术

1. 交换机技术基础1.1.以太网简介以太网是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准，组建于七十年代早期。

Ethernet(以太网）是一种传输速率为10Mbps的常用局域网（LAN）标准。

在以太网中，所有计算机被连接一条同轴电缆上，采用具有冲突检测的载波感应多处访问（CSMA/CD）方法，采用竞争机制和总线拓朴结构。

基本上，以太网由共享传输媒体，如双绞线电缆或同轴电缆和多端口集线器、网桥或交换机构成。

在星型或总线型配置结构中，集线器/交换机/网桥通过电缆使得计算机、打印机和工作站彼此之间相互连接。

以太网系统由三个基本单元组成：●物理介质，用于传输计算机之间的以太网信号；●介质访问控制规则，嵌入在每个以太网接口处，从而使得计算机可以公平的使用共享以太网信道；●以太帧，由一组标准比特位构成，用于传输数据。

Ethernet 基本网络组成：●共享媒体和电缆：10BaseT（双绞线），10Base-2（同轴细缆），10Base-5（同轴粗缆）。

●转发器或集线器●网桥●交换机以太网协议：IEEE 802.3标准中提供了以太帧结构。

当前以太网支持光纤和双绞线媒体支持下的四种传输速率：●10 Mbps – 10Base-T Ethernet（802.3）●100 Mbps – Fast Ethernet（802.3u）●1000 Mbps – Gigabit Ethernet（802.3z)）●10 Gigabit Ethernet – IEEE 802.3ae1.2.以太网交换机简介以太网交换机，也称为交换式集线器，是简化（典型）的网桥，一般用于互连相同类型的LAN（例如：以太网/以太网的互连）。

工作在 OSI 网络参考模型的第二层上.以太网交换机，也称为交换式集线器，一般用于互连相同类型的LAN（例如：以太网/以太网的互连）。

作为局域网的主要连接设备，以太网交换机成为应用普及最快的网络设备之一。

随着交换技术的不断发展，以太网交换机的价格急剧下降，交换到桌面已是大势所趋。

以太网基础-Part2

以太网基础-Part2
– VLAN成员表：用户指定，但 是只能在一个VLAN中 – PVID：无需指定，PVID和端 口所在的VLAN一样 – VLAN输出tag表：输出始终 为untagged。
ACCESS PORT
我司VLAN的实现
Trunk口：trunk通常用以设备之间的互联， 在Trunk口中可以传递多个VLAN的数据流。 缺省情况下Trunk口在设备所创建的所有 VLAN中，但用户可以手工添加或者删除所 在的VLAN。 – VLAN成员表：用户指定，Trunk口可以 在多个VLAN中，缺省情况在设备所创建 的所有VLAN中。 – PVID：需要用户指定，指定方式为配置 端口的Native VLAN，如未指定，缺省为 1。 – VLAN输出tag表：如果输出报文是在端 口的Native vlan中，即untagged输出， 否则tag输出。
1 1 3 3
0 1
4
Tagged Vid =2
Tagged Vid =2
untagge d
VLAN应用
VLAN应用
VLAN的优点
– 控制网络的广播风暴
采用VLAN技术，可将某个交换端口划到某个VLAN中，而 一个VLAN的广播风暴不会影响其它VLAN的性能。
– 安全
由于VLAN 功能划分了多个广播域，不属于同一个VLAN 的端口将不能进行通信，增强了安全性。例如将学生和教 师用户划分到不同的VLAN中，学生则不能访问到教师网 络的资源。
VLAN分配
为了达到将一个物理网络划分成为多个逻辑网络的要 求，须要对端口接收到的数据报文指定VLAN ID(VID), 此功能即为报文的VLAN分配。 目前出现了多种VLAN分配技术，例如Port base VLAN ，protocol base VLAN，基于IP VLAN，基于流的 VLAN划分，但是目前主要应用的是Port base VLAN划 分。

交换式以太网组网技术

交换式以太网组网技术

存储转发
交换机首先存储整个数据帧，然 后根据MAC地址表进行转发。这 种方式可以避免风暴，但交换速 度较慢。
碎片丢弃
交换机在接收到小于一定长度 （如64字节）的数据帧时，直接 丢弃该帧。这种方式可以有效减 少网络中的小包流量，提高网络 性能。
03 交换式以太网的组网技术
CHAPTER
星型拓扑结构
交换式以太网组网技术
目录
CONTENTS
• 引言 • 交换式以太网的基本原理 • 交换式以太网的组网技术 • 交换式以太网的性能优化 • 交换式以太网的应用场景 • 总结与展望
01 引言
CHAPTER
交换式以太网的发展历程
01
02
03
起源
以太网技术起源于20世纪 70年代，最初是为了实现 简单、经济的局域网连接。
网状拓扑结构
总结词
网状拓扑结构是一种复杂的以太网组网 方式，其中节点之间有多条通信路径。
VS
详细描述
在网状拓扑结构中，节点之间有多条通信 路径，每个节点都可以直接或间接地与其 他节点通信。这种结构提供了高可用性和 灵活性，但需要复杂的配置和管理，同时 成本也较高。
04 交换式以太网的性能优化
CHAPTER
交换机通过学习源MAC地址，自动建立和维护MAC地址表。当 MAC地址发生变化时，地址表会自动更新。
去抖动处理
对于网络中的重复帧，交换机进行去抖动处理，确保只转发一次有 效帧。
交换式以太网的交换方式
直通交换
交换机在接收到数据帧时，立即 从相应的端口转发出去，不需要 存储整个数据帧。这种方式交换 速度快，但无法处理风暴。
前导码
用于同步，由7个字节的10101010和1个 字节的101010101组成。

以太网交换机技术原理

以太网交换机技术原理

以太网交换机技术原理以太网交换机的基本原理是通过多个以太网端口来接收和转发数据帧。

每个端口相当于一条通道，可以连接一个或多个计算机。

当一台计算机要发送数据时，它会将数据封装成数据帧，并将数据帧发送给交换机的一些端口。

交换机收到数据帧后，会读取其中的目标MAC地址，然后通过学习和转发的方式将数据帧发送给目标计算机。

交换机学习和转发数据帧的过程主要包括三个步骤：学习、过滤和转发。

学习：交换机收到数据帧后，会提取出数据帧中的源MAC地址，并将这个地址和收到这个数据帧的端口绑定在一起，形成一个表项。

这样，交换机就学会了源MAC地址所对应的端口。

如果收到的数据帧中的源MAC地址已经存在于之前的表项中，交换机会更新这个表项的时间戳。

学习的过程可以通过交换机的学习模块完成，该模块通常是一个CAM（Content-Addressable Memory）表。

过滤：交换机会检查数据帧的目标MAC地址，并与之前学习到的表项进行匹配。

如果目标MAC地址在表项中存在，则说明目标计算机直接连接在与该表项对应的端口上，交换机会直接转发数据帧到这个端口上。

如果目标MAC地址在表项中不存在，交换机会将数据帧广播到除了收到数据帧的端口之外的所有端口，这样可以确保数据帧能够传输到目标计算机。

转发：在进行广播之后，交换机会等待所有连接的计算机响应。

如果有计算机回应，交换机会将这个计算机的MAC地址和所在端口加入到学习表中，下一次发送该计算机的数据帧时可以直接转发到这个端口。

如果没有计算机回应，交换机会丢弃数据帧，避免网络拥堵。

除了学习和转发功能，以太网交换机还有一些其他的功能。

例如：虚拟局域网（VLAN）的实现，可以将交换机的端口划分为不同的虚拟局域网，实现隔离和安全性；链路聚合（Link Aggregation）的实现，可以将多个端口绑定在一起，提高带宽和冗余性；流控和管理功能，可以对流量进行限速和精细的管理等。

总结起来，以太网交换机的技术原理是通过学习和转发方式来实现计算机之间的数据交换，同时可以提供很多其他的功能来满足网络的需求。

《数据通信：路由交换技术》课件：交换技术与应用

《数据通信：路由交换技术》课件：交换技术与应用
PC D 的 MAC 地址 交换机查找MAC地址表 交换机将该帧做 “洪泛”
转发。
PC B回应一个帧给PC D 交换机从端口 E1 学习到
PC B的 MAC 地址
端口号 E0 E2 E3 E1
MAC地址 00d0-d001-1111 00d0-d001-2222 00d0-d001-4444 00d0-d001-3333
1
3
2
MAC1 MAC2
MAC3 MAC4
端口号
1 2 3 3
MAC地址
MAC1 MAC2 MAC3 MAC4
交换机工作原理
（1）地址学习 初始MAC地址表是空表
端ห้องสมุดไป่ตู้号
MAC地址
交换机工作原理
（1）地址学习 PC A 发送一个帧给 PC C 交换机从端口 E0 学习到
PC A 的 MAC 地址 交换机查找MAC地址表 交换机将该帧做 “洪泛”
一个特例，它标识了所有的网卡。
MAC地址用来识别一个以太网上的某个单独的设备或一组设备
以太网MAC地址
3.MAC地址的表示方法
单播MAC地址
组播MAC地址
广播MAC地址
第一种：每两位十六进制数1组（即1个字节)，一共6组，中间使用中划线连接。 第二种：每四位十六进制数1组（即2个字节)，一共3组，中间使用中划线连接。
70年代
80年代
90年代
92年
96年
2002年
共享式以太网工作原理
A
B
C
D
E
①如果中间的线路是共享的， 这条链路在同一时间由谁来 使用呢？如何来保证这些主 机能有序的使用共享线路， 不发生数据的冲突？
CSMA/CD机制

以太网交换技术

以太网交换技术
课程内容
主要内容：
●
●
● ●
以太网基础知识 以太网端口极其配置 二层转发原理 VLAN技术原理
以太网工作机制

CSMA/CD：载波侦听与冲突检测-carrier sense multiple access/collision detection
CS：载波侦听-发送之前的侦听，确保线路空闲，减少冲突机会。 MA：多址访问-每个站点发送的数据，可以被多个站点接收。 CD：冲突检测-边发送边检测，发现冲突后进行回退（引入冲突 域）。 回退：检测到冲突后的处理：发现冲突就停止发送，然后延迟一 个随机时间之后继续发送。
端口的链路类型（续）

Hybrid链路

与Trunk链路基本相同 主要区别在于，Trunk链路对于VLAN等于 PVID的报文，送出时将去掉tag，而Hybrid 可灵活配置去掉或者保留。
支持VLAN的交换机MAC学习方式

IVL流程 根据帧的VLAN ID查找MAC地址表，确定查找范围 根据目的MAC查找出端口 如果在MAC地址表中查找不到该目的MAC，则该报 文将通过广播的方式在该VLAN内所有端口转发 同时该以太网的源MAC将被学习到接收到报文的端 口上 MAC地址表通过老化机制更新 在转发的过程中不会对帧的内容进行修改
二层交换机的局限性



二层交换机将网段上的冲突域限制到了 端口级、但是无法限制广播域的大小。 端口间已经不存在冲突。但是广播域仍 然为整个LAN。 解决办法：

引入VLAN。
VALN的基本作用

相同VLAN内主机可以任意通信

二层交换 阻断广播包，减小广播域 提供了网络安全性 实现虚拟工作组 减少用户移动带来的管理工作量

网络互联技术与实践第2章交换机的端口配置讲解

网络互联技术与实践第2章交换机的端口配置讲解

2.2.1 交换机接口类型
2.光纤端口
（1）100Base-FX端口 （2）1000Base-SX端口
2.2.1 交换机接口类型
3. GBIC模块和插槽接口
GBIC（GigaStack Gigabit Interface Converter）是 一个通用的、低成本的千兆位以太网模块，可提供Cisco 交换机间的高速（1000Mbps）连接。
2.2.1 交换机接口类型
1. 双绞线端口
（这种端口是现在最常见的、应用最广泛、最廉价的端 口类型，在交换机上通常为RJ-45端口，将双绞线电缆的 RJ-45插头插入双绞线端口。
根据交换机速率不同，双绞线端口通常有10／ 100Mbps自适应（100Base－TX）双绞线端口、10／100 ／1000Mbps（1000Base－T）双绞线端口和10GBase-T 双绞线端口。这三种双绞线端口在外观上没有区别，必须 借助交换机上的端口标记才能区别。
4.SFP模块与插槽
SFP（Small Form-factor Pluggables）可以简单的理解 为GBIC的升级版本，同样能够提供高达1000Mbps的连 接。
2.2.1 交换机接口类型
5.10GE模块与插槽
（1）XENPAK模块 （2）X2模块及插槽。 （3）XFP模块及插槽。 （4）XPAK。
2.2.1 交换机接口类型
6.复用端口
有些级联端口虽然是独立、类型不同的两个端口，但是 这两个端口中只能使用其中的一个，不能同时用于连接 设备，这类端口称之为复用端口，其目的是为了提高网 络设备的可用性。
2.2.1 交换机接口类型
7. Tw1i.n2Gi相g转关换知模识块
TwinGig转换模块用于Cisco Catalyst 3560/3750-E系列 交换机。借助TwinGig转换模块可以将10 Gigabit Ethernet插槽转换成两个SFP插槽，实现双1000Mbps端 口连接。

以太网交换机工作原理

以太网交换机工作原理

以太网交换机工作原理
以太网交换机是一种网络设备，用于在局域网中传输数据。

它的工作原理是通过学习MAC地址和转发数据包来实现网络通信。

下面将详细介绍以太网交换机的工作原理。

首先，以太网交换机通过学习MAC地址来实现数据包的转发。

当一台计算机发送数据包到交换机时，交换机会学习该数据包中源MAC地址所对应的端口，然后将该地址和端口的对应关系存储在转发表中。

这样，当交换机收到目标MAC地址对应的数据包时，就能够根据转发表中的信息，直接将数据包发送到目标端口，而不是广播到所有端口。

其次，以太网交换机通过转发数据包来实现网络通信。

当交换机收到一个数据包时，它会首先检查数据包中的目标MAC地址。

如果目标MAC地址在转发表中有对应的端口信息，交换机就会将数据包直接转发到目标端口。

如果目标MAC地址不在转发表中，交换机就会将数据包广播到所有端口，以便获取目标MAC地址对应的端口信息。

此外，以太网交换机还支持虚拟局域网（VLAN）的功能。

VLAN
可以将一个物理局域网划分为多个逻辑局域网，不同的VLAN之间相互隔离，提高了网络的安全性和管理性。

交换机可以通过端口的划分来实现VLAN的功能，不同的端口可以属于不同的VLAN，从而实现不同VLAN之间的隔离通信。

总之，以太网交换机通过学习MAC地址和转发数据包来实现网络通信，同时支持VLAN的功能，提高了网络的安全性和管理性。

它是局域网中重要的网络设备，对于实现高效的数据传输和网络管理起着至关重要的作用。

2017最新自学考试计算机网络技术[02141]考点串讲

2017最新自学考试计算机网络技术[02141]考点串讲

第1章计算机网络技术概论第1节计算机网络的起源与发展计算机网络是以能够相互共享资源的方式互联起来的自治计算机系统的集合。

真正意义上的计算机网络的出现是以美国ARPANET的建成为标志的。

Internet是在ARPANET的基础上，将分布在世界各地的众多不同规模、不同类型的计算机网络连接起来而形成的大型互联网络，TCP/IP是其核心的框架协议。

ARPANET的贡献主要体现在以下几个方面：（1）完成了对计算机网络谔谔定义和分类方法的研究。

（2）提出了资源子网和通信子网的结构概念。

（3）提出并实现了分组交换技术。

（4）采用了层次结构的网络体系结构和研究方法。

（5）促进了TCP/IP模型的研究和应用。

（6）为Internet的形成和发展奠定了基础。

第2节计算机网络的分类根据网络的覆盖范围，计算机网络可以分为局域网、城域网、广域网、互联网。

与局域网的共享方式不同，广域网采用交换技术，通过若干相互连接的交换节点（称之为通信子网），将分布在各地的主机或局域网连接起来。

将世界各地的局域网和广域网通过一定的方式连接起来，使得海量的信息能在更广阔的范围传播，就构成了互联网。

计算机网络按照传输介质的类型可以分为有线网络和无线网络两种。

有线网络的传输介质主要包括双绞线、同轴电缆和光纤等。

目前常见的无线网有无线局域网、移动通信网和物联网等。

计算机网络按照其所有权性质的不同，可以分为公用网和专用网。

按照网络拓扑结构的分类，计算机网络可分为：（1）总线型网络。

（2）环形网络。

（3）星形网络。

（4）树形网络。

（5）网状网络。

从逻辑功能上将，计算机网络可以分为两部分：通信子网和资源子网。

按照在网络中传输数据所采用的不同技术，计算机网络可以分为广播式网络和点对点网络。

基于TCP/IP的Internet属于点对点式网络。

第3节计算机网络的硬件和软件设备根据设备的物理性质，计算机网络可以分为硬件设备和软件设备。

硬件设备主要包括计算机、服务器、交换机、路由器和通信介质等。

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2、基于MAC地址的动态交换。
动态交换基于网桥原理，根据MAC源/目的地址，通过 自学习的端口/地址表，形成端口间的一次帧交换连接 和转递，然后通道自动关闭，是目前使用方式。 1、存储转发方式：可靠、延时大、交换速度低。
取目的 地址
3、串并转 换，帧缓存 和CRC检验
1、串并转 换，帧缓存 和检验CRC
S 13 12 1 14 31
网桥 网桥 1
3
2
网桥2
D
32
A
关机帧广播？
关机？
网桥存在问题
①大型闭合网络中，帧广播的无限循环； 网桥1
A
B1
B
LAN1
网桥2
B2
LAN2
在以上最简单的闭环网络中，当A向B发帧时，如B 关机，在网桥1和网桥2端口/地址表中没有B，端口 B1、B2又重新把帧广播到LAN1，则形成无限循环 广播。（理论一般原理到可能的情况分析处理！）
2.2.2 以太网网桥
LAN碰撞域是限制LAN范围和性能，为什么？怎么办？ 分割多个网段，形成多个碰撞域，实现LAN范围带宽扩展。
LAN1 LAN2 LAN3
B1
B2
LAN1
远程桥接
LAN2
以太网中继器和网桥是早期扩展LAN的主要方法。
透明网桥功能
①透明网桥体系和基本功能由802.1D 定义。 ②网桥工作流程主要包括如下：地址自学习（形成端口/地 址表）、根据目的地址DA完成帧的转发和过滤、广播帧。
2.2 以太网交换工作原理
2.2.1 以太网交换概述
基本思路：交换器/机的端口之间通常是隔离的，但许 可条件下（可控制）也可以建立端口间数据传递、组 播或广播 ；即建立一种交换机制，克服共享广播机制 与碰撞；
端口之间直 接物理连接
HUB
端口之间可 控逻辑连接
交换矩阵
共享型Hub
交换器
交换以太网特点：
2.3.2 以太网交换实现结构
1、软件实现结构：利用CPU和RAM软件计算环境完 成输入缓存、查表和输出，灵活，但速度低（特别端 口多、数据量大时），无法实现交换机堆叠和广播。 2、交换矩阵结构：当输入目的地址查表确定输出端口 后，通过硬件输入/输出矩阵实现输入/出端口直连； 但在多对一环境下，需要增加输入/出缓冲，和排队优 先机制。产品主流结构，但堆叠和广播实现较难，需 要附加处理。 3、共享存储交换结构：所有数据直接输入共享存储器 中（而不是端口缓存），并直接从共享存储器输出到 端口；对大量交换数据，需要专门交换引擎，但管理、 堆叠和广播实现较易。
第二章：以太网交换技术 2.1 以太网技术发展概述 2.2 以太网交换工作原理 2.3 以太网交换的方式和实现结构 2.4 以太网交换器的组网应用 2.5 以太网发展其它技术
第2章：重点与难点
重点理解： 1、透明网桥、以太网交换原理和生成树算法 2、以太网全双工端口、聚合、10G以太网技术特点 3、**以太网交换特性、以太网交换机组网应用 主要了解： 1、以太网交换方式的实现结构，
2.3 以太网交换的方式和实现结构
2.3.1 以太网交换的方式
交换方式是端口间怎样实现按需的数据交换的方法。 1、基于端口的静态交换。
1 2 3 4 5 6
7 8 9 10 1112
如上图（1、10）、（4、6）、（5、11）端口之间 交换，通过交换机的管理软件配置而成，相当于可 人工处理的硬件连接器（多端口网桥），在最早期 端口交换机产品中使用。
②地址记录出错，无法正常转发工作；
B11
网桥1
端口号 MAC地址 LAN2 B B11 B21 A 网桥1端口—地址表 LAN1 A t1 t2 B
网桥2
B21
LAN2
当A向B发帧时，假设t1>t2，B先后收到2个帧； 当B11收到B21端口转发的源A到目的B的帧是，把LAN2 上转发帧的源地址A记载到LAN2地址表中，同样B21也如 此，这样网桥1、2误认为A在LAN2网段中，B到A的帧永 远不转发了。
2.4.2 以太网交换机组网应用
1、 群组级交换应用
群组级交换应用通常是指一个办公室环境应用的网络， 一般规模小于20PC桌面，具有少量的办公室服务器， 一般OA、业务和上网环境）。
1、交换器/机端口可以连接一台计算机（站点）， 也可以连接一个网段 ，交换器与Hub混用的结构； 2、交换器/机端口速率10/100M，当N端口时，系 统最大（理论）带宽是 N * 10/100M ，有时又表述 为N /2* 10/100M，为什么？ 3、在端口半双工通信方式时，实际仍是 CSMA/CD碰撞域；当端口全双工通信方式时，实 际已不存在CSMA/CD碰撞域，只是沿用了以太网 的接口和帧标准。
5、全双工端口。
6、Jabber（超长帧）处理： Jabber是长度超过 1518Byte 的以太帧，一般由错误引起， Jabber处理是 指把超长帧转化为正常帧能力。 7、协议支持： 生成树算法、端口认证、MAC地址绑 定等。 8、Cache高速缓冲区： 端口或共享高速缓存区大小。 9、管理： 管理界面、远程、SNMPV2/3、其它管理 功能（接入带宽、访问控制）。 10、堆叠功能：扩展交换端口时2台或多台交换机联合。 11、VLAN功能。交换机灵活分组方法，下面章节介绍。
桥协议和生成树算法原理：
1、找出以太网MAC地址最小的网桥端口作为根桥， 算法计算开始点，向它所连接的所有LAN广播BPDU 帧（桥协议数据单元，专门交换桥信息特殊帧）。 2、每当一个网桥收到一个BPDU帧时，并回复一个 BPDU帧说明它和根桥距离。 3、在每个LAN上BPDU帧指明距离最短的为指定桥 （距离相等取MAC编号小的桥），只允许通过指定 桥向其连接LAN（除根端口的LAN外）转发BPDU 帧，其它桥被堵塞；从而避免循环转发。 4、生成树建立后，为了能对网络拓扑结构变化及时 反映，各网桥周期地交换BPDU。 算法依据数学原理而设计的可执行程序，重要点初始起 点和结束点的处理！。
怎样理解以太网碰撞和后果？
怎样理解早期以太网交换机制和一般网络不同？
2.1.3 传统以太网技术的缺陷
1、有效带宽窄。共享域带宽W，受到共享（冲突碰撞） 域的限制，实际的带宽取决于系统环境的工作站点数N， 每站平均带宽为W /N；大流量的应用和实时音像服务 受限。 2、覆盖范围。传统CSMA/CD机制使覆盖范围受限。 3、安全机制。共享域以太网帧的广播机制，给数据 侦听截取提供便利，存在较大安全性问题。 4、可管理性。缺乏可运营性（认证、服务质量QoS等） 和可管理性（计费、带宽控制支持）等。
A
1 2 3 4 5 6
2、查端口地址表
2、穿通交换方式：硬件方 式直接取出目的地址，查 表传递，收端CRC检验纠 错，出错重发；快速。 3、碎片丢弃方式：输入帧的 512bit后，完全采用穿通交换 方式进行处理；如<512bit帧 碎片丢弃；1、2折中方式。
7 8 9 10 1112 B
理解以太网交换实际快速实现的方法？
网桥的可扩展性限制是根本的问题：
在小规模网桥连接的网络上广播是合理，但在大型 网络中的广播实际是不能容忍的，为什么？所以网 桥连接的LAN规模不能太大，一般不多于几十个。 网桥连接的网络的生成树算法是线性的处理，即视 网络是一个平等的网状结构，但实际大型网络是分 层结构的网络。
网桥普遍使用发展，及另一方面IC技术发展，使网 桥产品向多端口（4、8、16、24），实际上多端口 网桥就是基本的以太网交换机（器）。 以太网交换的基本功能仍是：帧转发、帧过滤、 Spanning Tree Algorithm；但由于更多的端口，使 以太网交换机演变为一种多网桥同时工作设备，更 多网段独立工作，进一步减小了碰撞域（实际上端 口/终端部署，彻底消除了碰撞域），使系统带宽大 大得到提高，但并不能完全抑制广播数据。 以太网交换在继承了网桥的基本功能外，发展了 VLAN、链路聚合等、端口全双工、接入认证等新 功能，成为真正交换设备。
2.1.3 以太网特点和发展：
1、基于CSMA/CD的实现技术，核心是媒介共享、插孔广播 发送和碰撞检测处理，特点：简单、成本低和易推广； 2、网络速度始终高于同时代的其它技术和实际应用需求； 3、以太网技术和传统电信网技术不断产生深刻的融合； 4、从开始的局域网向城域网和广域网发展； 5、从企业级应用向运营商服务网络。
大型网桥存在什么问题，解决方法？
生成树算法（Spanning Tree Algorithm)
图论基本思想：任何一个连接图，总存在一棵不含任何 回路，但保持原图所有连接的树；
LAN1
LAN2 × LAN4
如图中在切断任一 个×点都形成遍历 所有网段，但不循 环的途径 ×
LAN3
生成树算法思想：找到一条可以把帧广播到所有网 段（的计算机）上的途径，但又不引起广播循环的 方法。体会数学在计算方法中的应用!
生成树算法图例演示（Spanning Tree Algorithm)
LAN1
×
指定桥
指定桥
LAN2 桥根
×
LAN5
桥
LAN3 LAN4
生成树算法在以太网普遍采用，解决思想数学基础是什么？ 计算机中数学问题还有在哪里？举1-2例。
2.2.3 以太网网桥和交换比较
80中后期，为了扩展局域网，网桥被大量使用，网桥将 LAN分割成不同的网段，限制了共享冲撞域，但转发广 播帧，所以存在广播风暴问题。
2、链路聚合协议LCAP的基本思想
3、10G以太网的PHY类型和表达 4、共享以太网向交换以太网发展过程
2.1 以太网技术发展概述
2.1.1 以太网技术发展
1975年Xerox PARC（施乐Palo Alto Research Center）推 出第1个2.94Mb/s的基带总线局域网，以Ethernet命名； 1980年DEC、Intel和Xerox提出了10Mb/s Ethernet 厂家规范DIX V1，1982年修改为DIX V2； 1983年IEEE 802工作组；制定了第1个 Ethernet工业 标准 IEEE 802.3，它和DIX V2只在帧结构上有微小差 别（在传统头部后插入8字节IEEE LLC/SNAP附加头部， 总长度不变），虽然2者兼容，但实际上使用最初格式。