第10章 二层交换技术

2009,cisco copyright ICND+2第十章二层交换技术 2009,cisco copyright ICND+2本章目标通过本章的学习，您应该掌握以下内容 :l以太网的工作原理以及 CSMA/CD协议l以太网交换机的三个主要的功能l生成树的运行原理 2009,cisco copyright ICND+2什么是以太网以太网由施乐公司 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。 以太网是一种典型的广播网络。 2009,cisco copyright ICND+2以太网与 CSMA/CD CSMA/CD（ Carrier Sense Multiple Acess with Collision Detection） 即载波监听多路访问冲突检测，它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：1. 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；3. 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。这个随机时间依如下规则选定：如果数据包冲突了 n次（ n15,则放弃发送。 2009,cisco copyright ICND+2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。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； 2009,cisco copyright ICND+23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。 2009,cisco copyright ICND+2其他概念冲突域 ：带冲突检测的载波侦听多路访问 (CSMA/CD)以太网中的所有节点在任何需要的时候都可以发送数据，而 CSMA/CD网络却努力确保任一时刻只有一个节点发送数据。但是，两个节点却有可能同时发送数据，出现这种情况就会导致冲突。如果一个设备检测到冲突，它就停止发送，并将冲突情况通知其他节点。其他所有正在发送的节点得到通知后停止发送。 广播域 ：广播就是要发送到网段上的所有节点、而不是单个节点或一组节点的数据。要广播的节点将数据送到 MAC地址 0xFFFFFFFFFFFF， 就能实现上述目的。广播域由一组能够接收同组中所有其他节点发来的广播报文的节点构成。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。 2009,cisco copyright ICND+2局域网交换技术Hub冲突域Switch冲突域 1冲突域 2 2009,cisco copyright ICND+2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透明桥接 2009,cisco copyright ICND+2802.3 帧格式lPRE: 先导字节 , 7个 10101010 lSFD: 帧开始标志 , 10101011 lDA: 目的 MAC地址 SA: 源 MAC地址 lLEN: LLC帧长度lDATA: 数据字段lPAD: 填充字段lCRC: 校验字段7 1 6 6 2 2 or 3 4LLC 帧64到 1518字节字节 CRC PAD DATA LLC 控制信息 LEN SA DA SFD PRE 2009,cisco copyright ICND+2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。 2009,cisco copyright ICND+2帧交换存贮转发 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 FrameFrame 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。 2009,cisco copyright ICND+2直通转发 Cut-through交换机检测到目标地址后即转发帧Frame片断转发 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存贮转发 Store and forward完整地收到帧并检查无错后才转发FrameFrameFrame帧交换 2009,cisco copyright ICND+2多层交换1. 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。2. 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 “ 路由一次，交换多次 ” 的快捷交换方式。3. 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。 2009,cisco copyright ICND+2 地址学习 帧的转发 /过滤 环路防止交换机的三个功能 2009,cisco copyright ICND+2交换机如何学习主机的位置 最初开机时 MAC地址表是空的 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 valueMAC地址表0260.8c01.11110260.8c01.22220260.8c01.33330260.8c01.4444E0 E1E2 E3A BC D 2009,cisco copyright ICND+2交换机如何学习主机的位置 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 )0260.8c01.11110260.8c01.22220260.8c01.33330260.8c01.4444E0: 0260.8c01.1111E0 E1E2 E3 DCBAMAC地址表 2009,cisco copyright ICND+2交换机如何学习主机的位置 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 )0260.8c01.11110260.8c01.22220260.8c01.33330260.8c01.4444E0: 0260.8c01.1111E3: 0260.8c01.4444E0 E1E2 E3 DCA BMAC地址表 2009,cisco copyright ICND+2 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0260.8c01.11110260.8c01.22220260.8c01.33330260.8c01.4444E0 E1E2 E3 DCA BE0: 0260.8c01.1111E2: 0260.8c01.2222E1: 0260.8c01.3333E3: 0260.8c01.4444广播帧和多点传送帧MAC地址表 2009,cisco copyright ICND+2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 2009,cisco copyright ICND+2广播交换机 A 交换机 B主机 X 发送一广播信息广播风暴网段 1网段 2服务器 /主机 X 路由器 Y 2009,cisco copyright ICND+2广播广播风暴交换机 A 交换机 B主机 X 发送一广播信息网段 1网段 2服务器 /主机 X 路由器 Y 2009,cisco copyright ICND+2广播交换机不停地发出广播信息广播风暴交换机 A 交换机 B网段 1网段 2服务器 /主机 X 路由器 Y 2009,cisco copyright ICND+2重复帧单点帧 主机 X发一单点帧给路由器 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网段 1网段 2服务器 /主机 X 路由器 Y 2009,cisco copyright ICND+2单点帧 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单点帧单点帧重复帧交换机 A 交换机 B网段 1网段 2服务器 /主机 X 路由器 Y 2009,cisco copyright ICND+2单点帧 单点帧 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 1MAC地址表不稳定交换机 A 交换机 B网段 1网段 2服务器 /主机 X 路由器 Y 2009,cisco copyright ICND+2Unicast 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 1MAC地址表不稳定单点帧端口 0端口 1端口 0端口 1交换机 A 交换机 B网段 1网段 2服务器 /主机 X 路由器 Y 2009,cisco copyright ICND+2 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 2009,cisco copyright ICND+2回路的解决办法 : 生成树协议Spanning-