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1、目 录1以太网的历史31.1以太网的由来31.2以太网的现状32以太网技术介绍32.1网络的7层模型以及INTERNET的5层模型32.2IEEE802.3模型42.3以太网的几个特性52.4以太帧格式62.5以太网的接口类型和传输距离73以太网技术的相关设备84L2/L3交换体系结构概述114.1典型的L2/L3交换体系结构分析114.2MAC层芯片的逻辑框图124.3交换结构的分类134.4一个单片L2/L3交换芯片解决方案145L2交换原理155.1以太网交换机的两种转发模式155.2L2交换原理中关键的几张表165.3L2交换原理165.4以太帧的转发流程195.5组播业务以及L2交换
2、机的组播原理196L2交换机的主要功能226.1基本功能226.2支持的协议236.3QOS及流量控制功能236.4网管功能237L2/L3交换的软件框架248L2协议介绍258.1STP协议258.1.1生成树的作用258.1.2生成树协议的一些重要概念268.1.3生成树的运行举例278.2GARP协议308.2.1GARP（Generic Attribute Registration Protocol）概述308.3TRUNKING协议311 以太网的历史1.1 以太网的由来以太网是Xerox公司发明的基带LAN标准，它采用带冲突检测的载波监听多路访问协议（CSMA/CD），速率为10M
3、bps,传输介质为同轴电缆。以太网是在七十年代为解决网络中零散的和偶然的堵塞开发的，而IEEE 802.3标准是在最初的以太网技术基础上于1980年开发成功的。现在，以太网一词泛指所有采用CSMA/CD 协议的局域网。以太网2.0版由数字设备公司（Digital Equipment Corp） Intel 公司和 Xerox公司联合开发，它与IEEE 802.3兼容。 尽管以太网与IEEE 802.3标准有很多相似之处，但也存在一定的差别。以太网提供的服务对应于OSI参考模型的第一层和第二层，而IEEE802.3提供的服务对应的OSI参考模型的第一层和第二层的信道访问部分（即第二层的一部分）。
4、IEEE 802.3没有定义逻辑链路控制协议，但定义了几个不同物理层，而以太网只定义了一个。另外IEEE802.3 的帧格式与以太网II的帧格式也不完全相同，现在的以太网设备一般都兼容这两种帧格式。 1.2 以太网的现状从速率等级来看以太网技术经历了10M、100M、千兆和10G以太网4个阶段，目前千兆速率以下IEEE802.3都已经定义了相关的标准，10G以太网技术标准预计快要出台，但是目前已经有一些厂商推出了10G以太网设备，比如CISCO，Juniper等。从应用角度来看，最初以太网技术用于局域网，主要是当时以太网的传输距离仅仅局限在几百米，随着以太网传输距离的扩大，特别是以太网的长距离
5、光纤传输技术的出现，以太网技术应用的范围已经突破局域网的范围，以太网技术已经成为城域宽带接入的一种主要技术。从技术融合角度来看，由于以太网技术的经济性和技术的简单性，非常方便承载IP业务，因此在数据业务与时分业务的融合中也扮演着非常重要的角色，目前已经有以太网 OVER VDSL，以太网 OVER SDH等几种技术。2 以太网技术介绍2.1 网络的7层模型以及INTERNET的5层模型INTERNET层次INTERNET层次名称对应的OSI模型的层次5应用层（TELNET/SNMP等）应用层(7)4TCP/UDP传输层(4)3IP网络层(3)2数据链路层数据链路层(2)1物理层物理层(1)以太
6、网技术标准主要定义了数据链路层和物理层的规范。对等技术标准包括令牌环网等等。TCP/IP协议本身是与数据链路层和物理层无关的，TCP/IP协议栈可以架构在以太网技术上，也可以是令牌环网。2.2 IEEE802.3模型下图是以太网技术与网络模型的关系：2.3 以太网的几个特性1）以太网的广播特性：以太网属于广播网络，也就是处于同一个以太网的所有的工作站都可以收到其他工作站发送到网上的信息帧。每个工作站都要确认该信息帧是否是发送给自己的，一旦确认是发给自己，就将它发送到高一层的协议层，否则就丢弃。2）以太网的半双工和全双工传输特性半双工就是节点的发送和接收采用同一条传输线，这样同时只能是一个节点发
7、送数据，其他节点处于接收状态，以太网处于半双工状态时，一个以太网段上允许有多个网络节点。全双工就是节点的发送和接收是分开的两条传输线，全双工只限于两个网络节点之间，其中一个节点的发送连接另一个节点的接收。3）CSMA/CD工作特性最初以太网技术传输时采用半双工方式，这样就有可能出现几个节点同时发送数据的情况，这就发生了冲突，在物理层面上来看就是冲突点的电平变成两个数据电平的和。因此需要有一种技术来侦听网络是否空闲，是否允许某个节点发送数据，同时在发生冲突时能够检测到，以便重新发送该数据帧。以太网技术采用了CSMA(载波侦听多路访问)/CD（冲突检测）技术。在采用CSMA/CD传输介质访问的以太
8、网中，任何一个CSMA/CD LAN工作站在任何一时刻都可以访问网络，发送数据前，工作站要侦听网络是否堵塞，只有检测到网络空闲时，工作站才能发送数据。工作站在发送数据帧时需要等待一个时间片的时间，用来检测刚才发送出去的帧是否发生冲突，这个时间片的长度是根据位于最远的两个工作站发送的数据发生冲突被检测到所需要的时间得出的。在基于竞争的以太网中，只要网络空闲，任一工作站均可发送数据，当两个工作站发现网络空闲而同时发出数据时，就发生冲突。这时，两个传送操作都遭到破坏，工作站必须在一定时间后重发，何时重发由延时算法决定，以太网采用的是二进制指数退避算法。每次退避的时间间隔的算法如下：对每个帧，当第一次
9、发生冲突时设置参数L=2，退避间隔取1至L个时间片的一个随机数，当帧再次发生冲突时，参数L被翻倍。对于全双工的情况由于接收和发送已经被分离开，因此肯定不会发生冲突，所以在全双工的情况下就不需要CSMA/CD的机制了。2.4 以太帧格式1） 前导同步符由7个字节的前同步信号和一个分界符开始字节构成。2） DA/SA总共48个Bits前3个字节代表供应商代码，后3个字节代表厂商序列号3） 类型/长度：为类型时，表示是Ethernet II帧结构，类型取值大于1536，为长度时表示IEEE802.3帧结构4） 数据区：为第三层协议或者是填充位，如果不带TAG标记的帧，长度为461500字节，数据区最
10、小长度为46，如果没有小于46则需要填充位补充到46，以满足以太帧最短64字节的要求。如果是带TAG标记的帧则长度为421500。5） FCS：是帧校验6） TPID：标记协议标识符，2个字节，值位16进制的8100。7） TCI：标记控制信息，包括3个Bits的用户优先级（IEEE802.1P）,1Bits的规范格式标识符（CFI）,用于标识MAC地址是否规范，12Bits的VID,表示该帧所属的VLAN8） 以太帧的长度（不包括前导位），不支持VLAN标记时，为641518字节，支持VLAN标记时，由于增加了4个字节，为641522字节2.5 以太网的接口类型和传输距离标准号标准化时间速率
11、拓扑媒介网段的最长距离半双工全双工10Base-T 802.3i-199010Mb/s 星型2对100欧姆3类非屏蔽线100100100Base-TX 802.3u-1995100Mb/s星型2对100欧姆5类非屏蔽线100100100Base-FX 802.3u-1995100Mb/s星型一对光纤4122000100Base-T4 802.3u-1995100Mb/s星型4对100欧姆3类非屏蔽线100n/a1000Base-LX802.3z-19981Gb/s 星型1300nm长波:- 62.5um 多模光纤- 10um 单模光纤31631655050001000Base-SX802.3z
12、-19981Gb/s 星型850nm短波:- 62.5um 多模光纤2752751000Base-CX802.3z-19981Gb/s 星型特殊屏蔽的铜跳线25251000Base-T 802.3ab-19991Gb/s 星型4对100欧姆的5类线1001003 以太网技术的相关设备I 一层设备：代表设备是HUB，作用于7层网络模型的第1层，物理层，主要用于电信号的放大，以增加传输距离。一层设备不存在交换。以太网HUB工作于半双工状态，HUB连接的所有主机同时只能有一台主机发送以太帧，并且所有的主机都能够接收到这个帧，所有的端口处于同一个冲突域，整个HUB的带宽是所有端口共享的，就是HUB中速
13、率最低的那个端口的容量。现在有些HUB也处理第二层的内容，但是它只是从物理信号中还原出以太帧，然后重新发送，因此它能够做到10/100M自适应，但是所有的端口仍旧属于同一个冲突域。冲突域：指在这么一个以太网区域，这个区域可能有一个或者多个工作站，但是这个区域内的工作站同时只能有一个工作站发送数据帧。II 两层交换：代表设备是2层以太网交换机，作用于7层网络模型的第2层，数据链路层，它的基本原理是以数据链路层的地址作为数据帧在多个端口之间交换的判据，比如，对于以太网，采用以太网的数据链路层地址MAC地址为交换判据，构成了2层以太网交换机。最初的2层以太网交换机相当于一个多端口的桥接器，它的主要作
14、用就是隔离冲突域，以太网交换机的所有端口可以同时发送以太帧，交换机的带宽是所有端口独享的，因此交换机的带宽是所有端口的带宽的总和。但是以太网交换机无法隔离广播域，所有的端口都属于同一个广播域，一台主机发送一个广播帧，以太网交换机会向所有的端口转发。后来为了隔离广播域，出现了VLAN，一个交换机可以根据端口划分为几个VLAN，每个VLAN是一个广播域，属于不同VLAN的端口之间是不能通讯的，需要外接路由器进行VLAN间的通讯。广播域：指在这么一个以太网区域，这个区域可能有一个或者多个工作站，如果这个区域内的某个工作站发送了一个广播帧（MAC地址为全F），区域内的其他工作站都应该能够接收到这个广播
15、帧。III 三层交换：代表设备路由器（一般称为路由）、多层交换机（指即支持2层交换又支持3层交换的交换机），作用于7层网络模型的第3层，网络层，它的基本原理是以网络层的地址作为数据包在多个端口之间交换的判据，比如对于INTERNET网络，采用网络层IP的地址作为交换的判据。路由器的每个端口称为路由器的一个接口，每个接口属于不同的子网，路由器的作用就是在这些子网间转发IP包，路由器的作用是隔离广播域以及在不同种类的网络中交换IP包，比如路由器的接口有以太网接口、令牌环接口、ISDN的接口、DDN的接口。L2/L3层交换机将L2交换和L3路由功能综合在一起，并且L3路由功能一般采用硬件转发方式，L3的转发效率比较高。L2/L3交换机的路由模块与路由器不一样，连接的是虚接口，这些虚接口与VLAN是一一对应的。 L2交换机路由器 路 由 模 块L2/L3交换机VLAN1VLAN2IV 四层至七层交换：代表设备流量均衡交换机，或者应用层交换机，以目的IP地址加上TCP/UDP协议即其端口号作为转发判据，称为4层交换，有一些甚至能够根据应用层协议的特征作为转发判据，比如HTTP协议的COOKIE等。