[信息与通信]5、交换机原理与STP.ppt

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1、相关知识,补充：网络基础知识,底层数据流,传输层,数据链路层,网络层,物理层,OSI 模型概述,主机间数据传输,会话层,表示层,应用层,一、OSI模型层次间的关系,严格对等层通信，对等层相同协议,上层数据,上层数据,TCP Header,IP Header,LLC Header,0101110101001000010,MAC Header,Segment 数据段,Packet 数据包,Bits 比特流,Frame 数据帧,PDU,二、数据封装,传输层,数据链路层,物理层,网络层,表示层,应用层,会话层,上层数据,上层数据,上层数据,上层数据,LLC Hdr + IP + TCP + 上层数据,

2、MAC Header,IP + TCP + 上层数据,LLC Header,TCP+ 上层数据,IP Header,上层数据,TCP Header,0101110101001000010,传输层,数据链路层,物理层,网络层,表示层,应用层,会话层,三、数据解封装,四、各层作用与设备 1、物理层,EIA/TIA-232 V.35,物理层,在设备间传递比特 定义电压，速率及线缆及针脚排列,物理层,所有的设备都处于同一个冲突域 所有的设备都处于同一个广播域 设备共享相同的带宽,Hubs：工作在物理层,冲突与与广播域,冲突域（物理分段）： 连接在同一导线上的所有工作站的集合 同一物理网段上所有节点的集

3、合 以太网上竞争同一带宽的节点集合。 这个域代表了冲突在其中发生并传播的区域，这个区域可以被认为是共享段。 广播域：接收同样广播消息的节点的集合。 如：在该集合中的任何一个节点传输一个广播帧，则所有其他能收到这个帧的节点都被认为是该广播帧的一部分。,终端越多，意味着冲突的机会就会越多 CSMA/CD,冲突,802.3 / 802.2 HDLC,EIA/TIA-232 V.35,2、数据链路层,数据链路层,组合比特成字节，字节成帧 使用MAC地址访问媒体 错误检测，通常不包括错误纠正,物理层,在设备间传递比特 定义电压，速率及线缆及针脚排列,数据,源地址,FCS,长度,目的地址,可变长度域,2,

4、6,6,4,00.d0.d0 xx.xx.xx,厂商自行分配,IEEE 分配的厂商代码,MAC 层 - 802.3,前导符,MAC Address,8,# 字节,MAC地址,每个网段都是一个单独的冲突域 所有的网段处于同一个广播域,数据链路层,OR,交换机/网桥:工作在数据链路层,每个网段都是一个单独的冲突域 广播包将被转发到所有的网段上,Memory,交换机,交换机工作原理,802.3 / 802.2 HDLC,EIA/TIA-232 V.35,IP IPX,3、网络层,网络层,提供路由器做路径选择所使用的逻辑地址与寻址方式,数据链路层,组合比特成字节，字节成帧 使用MAC地址访问媒体 错误

5、检测，通常不包括错误纠正,物理层,在设备间传递比特 定义电压，速率及线缆及针脚排列,网络层地址由两部分地址组成：网络地址和主机地址。网络地址是全局唯一的。,IP 地址,网络地址,主机地址,10.,8.2.48,逻辑地址,每个网段都是一个单独的冲突域； 每个网段都是一个单独的广播域,路由器：工作在网络层,TCP UDP SPX,802.3 / 802.2 HDLC,EIA/TIA-232 V.35,IP IPX,4、传输层,传输层,可靠或不可靠的数据传递 采用重传机制保证可靠传输,网络层,提供路由器做路径选择所使用的逻辑地址与寻址方式,数据链路层,组合比特成字节，字节成帧 使用MAC地址访问媒体

6、 错误检测，通常不包括错误纠正,物理层,在设备间传递比特 定义电压，速率及线缆及针脚排列,5、会话层,传输层,可靠或不可靠的数据传递 采用重传机制保证可靠传输,网络层,提供路由器做路径选择所使用的逻辑地址与寻址方式,数据链路层,组合比特成字节，字节成帧 使用MAC地址访问媒体 错误检测，通常不包括错误纠正,物理层,在设备间传递比特 定义电压，速率及线缆及针脚排列,保持不同应用进程独立,会话层,6、表示层,7、应用层,网络用户接口,应用层,集线器,网桥,交换机,路由器,冲突域的数量:,1 4 4 4,广播域的数量：,1 1 1 4,冲突域与广播域,6.1 以太网交换机的工作原理,一、交换机的功能

7、,地址学习 转发/过滤,1、地址学习,最开始的地址表是空的,MAC 地址表,A：00d0.d001.1111,C：00d0.d001.2222,B：00d0.d001.3333,D：00d0.d001.4444,E0,E1,E2,E3,Station A 发送一个帧（frame） 给 Station C 交换机从端口 E0 学习到 station A 的 MAC 地址 将该帧做 “洪泛（flooding）” 转发。,MAC 地址表,C：00d0.d001.2222,B：00d0.d001.3333,D：00d0.d001.4444,E0: 00d0.d001.1111,E0,E1,E2,E3,

8、1、地址学习,A：00d0.d001.1111,MAC 地址表,00d0.d001.1111,00d0.d001.2222,00d0.d001.3333,00d0.d001.4444,E0: 00d0.d001.1111,E3: 00d0.d001.4444,E0,E1,E2,E3,D,C,A,B,1、地址学习,Station D 发送一个帧（frame） 给 Station C 交换机从端口 E3 学习到 station D 的 MAC 地址 将该帧做 “洪泛（flooding）” 转发。,2、转发/过滤,Station A 发送一个帧（frame）给 station C 目标地址已经知道,

9、 不再 “洪泛” 发送，直接从 E2 端口发送出去。,E0: 00d0.d001.1111,E2: 00d0.d001.2222,E1: 00d0.d001.3333,E3: 00d0.d001.4444,A：00d0.d001.1111,C：00d0.d001.2222,B：00d0.d001.3333,D：00d0.d001.4444,E0,E1,E2,E3,X,X,MAC 地址表,交换机在某端口接收到一个数据帧后的处理流程：,数据帧到达端口,目的地址 是否为广播或组 播地址？,是否目的 MAC地址 已知,除进入端口外 所有端口 转发（洪泛）,根据MAC地址表 转发,YES,YES,NO,

10、NO,环路带来的问题,解决环路问题的方法,交换机的工作原理,Access Layer,Distribution Layer,SW 1,Link A,Link B,SW 2,保证网络的可靠性,Segment 1,Segment 2,Server/host X,Router Y,在冗余拓扑中，出现了环路（loop）,冗余拓扑,环路（loop）带来的问题： 广播风暴 帧的重复复制 交换机 MAC 地址表的不稳定,Segment 1,Segment 2,Server/host X,Router Y,Segment 1,Segment 2,Server/host X,Router Y,Broadcast

11、,Switch A,Switch B,Host X 发送一个广播帧,广播风暴,Segment 1,Segment 2,Server/host X,Router Y,Broadcast,Switch A,Switch B,Host X 发送一个广播帧,广播风暴,Segment 1,Segment 2,Server/host X,Router Y,Broadcast,交换机不断的转发该广播帧,Switch A,Switch B,广播风暴,Segment 1,Segment 2,Server/host X,Router Y,Unicast,Switch A,Switch B,复制出多个重复的帧,Ho

12、st X 发送一个单播帧到 Router Y 任何一台交换机都没有学到过Router Y的MAC地址,Segment 1,Segment 2,Server/host X,Router Y,Switch A,Switch B,复制出多个重复的帧,Host X 发送一个单播帧到 Router Y 任何一台交换机都没有学到过Router Y的MAC地址 Router Y 将收到两个完全一样的重复帧,Segment 1,Segment 2,Server/host X,Router Y,Unicast,Unicast,Switch A,Switch B,Port 0,Port 1,Port 0,Port

13、 1,MAC 地址表的不稳定,Host X发送一个单播帧到 Router Y 任何一台交换机都没有学到过Router X的MAC地址 Switch A 和 B 从各自的port 0学到Router X的MAC地址,Segment 1,Segment 2,Server/host X,Router Y,Unicast,Unicast,Switch A,Switch B,Port 0,Port 1,Port 0,Port 1,MAC 地址表的不稳定,任何一台交换机都没有学到过Router Y的MAC地址 该帧被洪泛（flooding）转发 Switch A 和 B 错误的从port 1学到Route

14、r X的MAC地址,环路问题,面对这么多的环路，怎么办？,Server/host,Workstations,Loop,Loop,Loop,环路带来的问题,解决环路问题的方法,交换机的工作原理,环路解决办法1：网络结构,BRAS,汇聚交换机： T160G/T64G/T40G,园区交换机： T40G/3228/3252/3206/ 3928/3952/3906等,GE,GE,FE/GE,IP城域网,以太汇聚层,用户接入层,驻地网,DSLAM： 8220/9210等,FE/GE,SR,PE,采用星型、树型结构组建交换网络，从根本上防范物理环路的产生,生成树协议能够发现并自动消除冗余网络拓扑中的环路。

15、保留一条最佳链路做转发链路，阻塞其它冗余链路，并且在网络拓扑结构发生变化的情况下，重新计算保证所有网段可达且无环路。,Block,x,环路解决办法2: 生成树协议 (Spanning-Tree Protocol),x,Designated port (F),Root port (F),Designated port (F),Nondesignated port (B),Root bridge,Nonroot bridge,100baseT,10baseT,Spanning-Tree 的运作,1.选出一个根桥Root（root bridge） 2.在一个链路上选出指定端口DP（designate

16、d port） 3.在非根网桥上选出根端口RP（root port) 4.未成为指定端口或根端口的端口被阻塞，即阻隔端口，Blocked(blocked port）。,A,B,Switch Y Default priority 32768 (8000 hex) MAC 0c0022222222,Switch X Default priority 32768 (8000 hex) MAC 0c0011111111,BPDU,网桥协议数据段（BPDU ）：默认每隔2秒发送 根网桥：拥有最小bridge ID的网桥 Bridge ID ：网桥优先级（Bridge priority）+ 网桥MAC地址

17、 在本例中，哪台交换机拥有最小的bridge ID?,STP 根的选择,STP 指定端口的选择,1.每个链路上有且只有一个指定端口（DP) 2.指定端口是到根桥最近的端口,100,100,10,10,从Switch D到Root的cost是 20,Switch C,Root,Switch A,Switch B,Switch D,根据线路的速度和线路的数量计算 可通过改变port cost 参数来调整 是到达根所需经过的所有连接的port cost的总和,Path Cost 的计算,Link Speed Cost (revised IEEE spec) Cost (previous IEEE s

18、pec) - 10 Gbps 2 1 1 Gbps 4 1 100 Mbps 19 10 10 Mbps 100 100,STP Path Cost,Switch Y MAC 0c0022222222 Default priority 32768,Switch X MAC 0c0011111111 Default priority 32768,Port 0,Port 1,Port 0,Port 1,Switch Z Mac 0c0011110000 Default priority 32768,Port 0,路径开销值相同时如何选择指定端口（DP）?,100baseT,100baseT,STP

19、 指定端口的选择,Port 1,根据Brige ID进行选举,STP 根端口的选择,1.每个非根桥上有且只有一个根端口（RP) 2.根端口是到根桥最近的端口,100,100,19,19,Path Cost to Root Is 38,Switch C,Root,Switch A,Switch B,Switch D,19,1/2,1/1,Path Cost to Root Is 38,STP 的RP选择,路径开销值相同时如何选择RP?,根据Port ID选举,BPDU 的交互有以下作用: 根网桥的选举 每个网段指定网桥的选举 将冗余路径的端口置为备用状态，消除回路 通报网络的改变 监控生成树的状

20、态,网桥协议数据段 (BPDU),启动时假设自己是根 Bridge ID = Root ID,根的选择,Listening,Forwarding,Learning,Blocking,Blocking堵塞 Listening监听 Learning 学习 Forwarding转发 Disabled (off)禁用,STP 的端口状态,Switch Y MAC 0c0022222222 Default priority 32768,Switch X MAC 0c0011111111 Default priority 32768,Port 0,Port 1,Port 0,Port 1,Switch Z

21、 Mac 0c0011110000 Default priority 32768,Port 0,哪个是根网桥? 哪些是指定端口、非指定端口和根端口? 哪些端口是forwarding端口，哪些是blocking端口?,100baseT,100baseT,Spanning-Tree,Port 1,Switch Y MAC 0c0022222222 Default priority 32768,Switch X MAC 0c0011111111 Default priority 32768,Port 0,Port 1,Port 0,Port 1,Switch Z Mac 0c0011110000 D

22、efault priority 32768,Port 0,100baseT,100baseT,Designated port (F),Root port (F),Nondesignated port (BLK),Designated port (F),Root port (F),Spanning-Tree,哪个是根网桥? 哪些是指定端口、非指定端口和根端口? 哪些端口是forwarding端口，哪些是blocking端口?,Port 1,Designated port (F),Spanning-Tree 的总结,1.每个二层网络中，选一个“根(root)”交换机 2.每个“非根”交换机上，只有

23、一个“根端口（root port)”。 3.每个网段（链接）有一个“指定端口（designated port）”。 4.非根交换机上的端口既不是指定端口又不是根端口的被阻塞。 5.非根交换机之间选择“指定端口（designated port）”时，要比较非根交换机的“桥ID（bridge id)”,ID最小的交换机所属端口会处于forward状态。 6.每个非根网桥上的“根端口（root port)”是到根网桥的“路径开销值 （path cost）” 来选择，选最低值。 7.非根交换机上多个端口之间比较时，port id 最小的处于forward状态。 8.“根(root)”交换机上与其它交换机相连的端口处于forward状态。,内容回顾,以太网交换机的工作原理 源地址学习 目的地址查找转发 环路引入的问题 广播风暴 地址表漂移 帧的重复复制 解决环路问题方法： 网络结构 生成树协议,