1.2 以太网基本概念及原理

课程 BA000007 以太网技术 ISSUE1.0

Huawei Technologies

BA000007 以太网技术 ISSUE1.0

目 录

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课程说明 ....................................................................................................................................... 1

课程介绍 .......................................................................................................................................1 课程目标 .......................................................................................................................................1

第1章 概述 ................................................................................................................................... 2

1.1 以太网技术起源 ......................................................................................................................2 1.2 以太网的设计目标 ..................................................................................................................3 1.3 以太网基本技术 ......................................................................................................................3

1.3.1 半双工CSMA/CD .......................................................................................................3 1.3.2 以太网的物理介质 .......................................................................................................4 1.3.3 全双工以太网和以太网交换机 .....................................................................................4 1.3.4 以太网的应用 ...............................................................................................................5 1.4 以太网物理层及相关设备 .......................................................................................................6

1.4.1 物理层系列标准 ...........................................................................................................6 1.4.2 100BASE-TX物理层 ...................................................................................................7 1.4.3 自动协商 ......................................................................................................................8 1.4.4 集线器 ..........................................................................................................................9 1.5 物理层总结 .......................................................................................................................... 10

第2章 数据链路层 ..................................................................................................................... 11

2.1 数据链路层特点 ................................................................................................................... 11 2.2 以太网链路层的分层结构 .................................................................................................... 11 2.3 MAC子层 ............................................................................................................................ 12

2.3.1 半双工MAC子层 ...................................................................................................... 12 2.3.2 全双工MAC子层 ..................................................................................................... 13 2.3.3 MAC地址和数据帧的收发 ........................................................................................ 14 2.4 LLC子层 ............................................................................................................................. 15 2.5 以太网数据链路层总结 ........................................................................................................ 17

第3章 以太网交换机 ................................................................................................................. 18

3.1 以太网交换机体系结构 ........................................................................................................ 18 3.2 以太网交换机工作过程 ........................................................................................................ 19

第4章 VLAN基本概念 ............................................................................................................... 21

4.1 VLAN的划分方式 ................................................................................................................ 21

4.1.1 基于端口的VLAN .................................................................................................... 21 4.1.2 基于MAC地址的VLAN .......................................................................................... 21

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4.2 交换机间链路 ...................................................................................................................... 22

4.2.1 802.1Q帧格式 .......................................................................................................... 23 4.2.2 数据帧在不同类型端口之间的转发 ........................................................................... 24 4.2.3 VLAN在交换机上的配置 .......................................................................................... 25 4.3 以太网的QoS保证 ............................................................................................................. 25

第5章 千兆以太网 ...................................................................................................................... 27

5.1 千兆以太网基本概念 ........................................................................................................... 27

5.1.1 8B10B编码............................................................................................................... 27 5.1.2 有序集 ....................................................................................................................... 27 5.1.3 数据的封装 ............................................................................................................... 28 5.2 千兆以太网自动协商内容 .................................................................................................... 29

5.2.1 双工模式 .................................................................................................................. 29 5.2.2 流量控制 .................................................................................................................. 29 5.2.3 运行速率 ................................................................................................................... 30 5.3 千兆以太网自动协商过程 .................................................................................................... 30

5.3.1 功能编码 ................................................................................................................... 30 5.4 千兆以太网案例分析 ........................................................................................................... 31

第6章 二层组播 ......................................................................................................................... 33

6.1 二层组播基本概念 ............................................................................................................... 33

6.1.1 组播MAC地址 ......................................................................................................... 33 6.1.2 MAC层数据帧的接收 ............................................................................................... 34 6.1.3 组播转发表 ............................................................................................................... 34 6.2 二层组播协议 ...................................................................................................................... 35

6.2.1 IGMP协议 ................................................................................................................ 35 6.2.2 GMRP协议............................................................................................................... 37 6.3 总结 ..................................................................................................................................... 37

第7章 生成树协议 ..................................................................................................................... 39

7.1 广播风暴 .............................................................................................................................. 39 7.2 生成树协议基本概念 ........................................................................................................... 40

7.2.2 根交换机 ................................................................................................................... 40 7.2.3 交换机标识和交换机优先级 ..................................................................................... 40 7.2.4 端口成本和端口优先级 ............................................................................................ 41 7.2.5 根端口 ...................................................................................................................... 41 7.2.6 指定交换机和指定端口 ............................................................................................ 41 7.3 生成树协议的运行过程 ........................................................................................................ 42

附录 缩略词表 ............................................................................................................................ 44

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课程说明

课程介绍

课程目标

课程说明

本课程是宽带网络产品工程师培训的公共课程。

本课程较全面的介绍了以太网的相关知识，包括以太网的物理层、数据链路层、VLAN、千兆以太网、生成树协议等等。?

完成本课程学习，学员能够：

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了解以太网物理层的工作过程了解二层组播协议和生成树协议的工作过程掌握802.1Q帧格式和各个字段的含义

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掌握以太网口自协商的原理。

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第1章 概述

第1章 概述

自从1946年第一台数字计算机问世到现在，经历了半个多世纪的时间。在这半个世纪的里程中，计算机技术的发展大体经历了三个成熟的阶段：第一个阶段是大型机时代，典型的是运行UNIX操作系统的大型计算机，该机器带很多终端，每个用户占用一个终端，大型机采用分时的技术为每个终端轮流服务，在用户看来自己单独享用了一个完整的计算机，这种体系结构主要用于科研机构来进行大量的数学运算。第二个阶段是客户服务器阶段，也就是所谓的C/S结构。最有代表性的是NOVELL公司的NetWare操作系统，这个系统分为服务器和客户机两部分，服务器软件安装在一台性能比较高的服务器上，客户机软件则安装在工作中终端上（一般是基于DOS操作系统的PC机），这些服务器和客户机通过网络连接起来，达到文件和数据库共享的目的，后来的WINDOWS NT也是基于这样的体系结构，但是在软件上引入了一些分布式的处理体系。第三个阶段，也就是目前所处的阶段，是网络阶段。这个阶段的特点是，计算机之间的互连越来越复杂，不但互连的速度有很大提高（达到100M），而且在地理位置上也跨越了地域，通过高速专线把处于不同城市，甚至是不同国家的计算机网络连接起来。这样复杂的网络对网络设备提出了很高的要求。

从上面的分析可以看出，在第二和第三阶段中，必须有一种技术来把本地的许多计算机连接起来。这种技术就是所谓的局域网技术。到目前为止，存在许多种局域网技术，比如令牌环，令牌总线，以太网等等。在这些技术当中，以太网技术以其简明，高效的特点逐渐占据了主导地位。

1.1 以太网技术起源

以太网技术起源于一个实验网络，该实验网络的目的是把几台个人计算机以3M的速率连接起来。由于该实验网络的成功建立和突出表现，引起了DEC，Intel，Xerox三家公司的注意，这三家公司借助该实验网络的经验，最终在1980年发布了第一个以太网协议标准建议书。该建议书的核心思想是在一个10M带宽的共享物理介质上，把最多1024个计算机和其他数字设备进行连接，当然，这些设备之间的距离不能太大（最大2.5公里）。

之后，以太网技术在1980年建议书的基础上逐渐成熟和完善，并逐渐占据了局域网的主导地位。

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第1章 概述

1.2 以太网的设计目标

开始的时候，以太网设计建议书提出了以太网设计的基本目标，即所谓的功能特性。在后来的应用中对这些目标进行了不断的补充和完善，最终形成了一个成熟的体系。主要包含以下几点：

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简明性。这是以太网技术最大的特点，正是因为简明性为将来的统治地位奠定了基础；

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低成本。成本不要太高，一般的单位能够有能力购买需要的部件来组建网络；

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兼容性。不应该对网络层实现施加任何限制，即以太网的所有功能都在数据链路层实现；

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寻址灵活。应该有一种机制来确定网络中的一台计算机，全部计算机或一组计算机；

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公平。各个终端应该公平的享有带宽；

高速。当时来说，10M的速率已经是个天文数字了，所以把以太网的共享总线带宽设计为10M；

? ?

分层结构。数据链路层协议不应该随物理介质的不同而变化；

全双工。随着以太网技术的发展，共享介质技术（即半双工）已经逐渐不能满足需求，需要效率更高的全双工技术；

?

差错控制。该技术应该能够发现传输中的错误并进行纠正，如果不能纠正，则丢弃接收到的数据；

? ?

速度灵活性。不应该局限在10M的速率上，应该能适应不同的速率； 优先级。网络设备应该能对一些关键性的业务提供优先可靠的传输。

这些功能目标有的是必须实现的，比如简明，低成本，寻址灵活等，有的则根据需要实现，比如优先级等，但在今天的以太网设备中，这些可选的性能目标都已经实现。

1.3 以太网基本技术

1.3.1 半双工CSMA/CD

根据以太网的最初设计目标，计算机和其他数字设备是通过一条共享的物理线路连接起来的。这样被连接的计算机和数字设备必须采用一种半双工的方式来访问该物理线路，而且还必须有一种冲突检测和避免的机制，来避免多个设备在同一时刻抢占线路的情况，这种机制就是所谓的CSMA/CD（带碰撞检测的载波监听多路访问）。

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第1章 概述

CSMA/CD的工作过程是这样的：终端设备不停的检测共享线路的状态，只有在空闲的时候才发送数据，如果线路不空闲则一直等待。这时候如果有另外一个设备同时也发送数据，这两个设备发送的数据必然产生碰撞，导致线路上的信号不稳定，终端设备检测到这种不稳定之后，马上停止发送自己的数据，然后再发送一连串干扰脉冲，然后等待一段时间之后再进行发送。 发送干扰脉冲的目的是为了通知其他设备，特别是跟自己在同一个时刻发送数据的设备，线路上已经产生了碰撞。检测到碰撞后等待的时间也是随机的，不过逐渐在增大。

1.3.2 以太网的物理介质

刚开始的时候，以太网是运行在同轴电缆上面的，通过复杂的连接器把计算机和终端连接到该电缆上，然后还必须经过一些相关的电信号处理，才能使用。这样的结构相对复杂，而且效率上不是很理想，只能适合于半双工通信（因为只有一条线路）。到了1990年，出现了基于双绞线介质的10BAST-T以太网，这是以太网历史上一次最重要的革命。

10BAST-T得以实施，主要归功于多端口中继器和结构化电话布线。多端口中继器就是目前所谓的HUB，终端设备通过双绞线连接到HUB上，利用HUB内部的一条共享总线进行互相通信。物理上这种结构是星形的，但实际上还是沿用了CSMA/CD的访问机制，因为HUB内部是通过一条内部总线把许多终端连接起来的。

10BAST-T以太网技术使用了四对双绞线来传输数据，一对双绞线用来发送，另外一对用来接收。之所以使用一对双绞线来分别进行收发，主要是电气特性上的考虑，发送数据的时候，在一条线路上发送通常的电信号，而在另外一条线路上发送与通常电信号极性相反的信号，这样可以消除线路上的电磁干扰。

后来又出现了100M的以太网，即所谓的快速以太网。快速以太网在数据链路层上跟10M以太网没有区别，不过在物理层上提高了传输的速率，而且引入了更多的物理层介质，比如光纤，同轴电缆等。运行在两对双绞线上的100M以太网称为100BAST-TX，运行在光纤上的100M以太网则为100BASE-FX，还有运行在四对双绞线上的100BAST-T4等。

1.3.3 全双工以太网和以太网交换机

把双绞线作为以太网的传输介质不但提高了灵活性和降低了成本，而且引入了一种高效的运行模式——全双工模式。所谓全双工，就是数据的发送和接收可以同时进行，互不干扰。传统的网络设备HUB是不支持全双工的，因为HUB的内部是一条总线，数据接收和发送都是在该总线上进行，没有办法进

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第1章 概述

行全双工通信，因此，要实现全双工通信，必须引入一种新的设备，即现在的交换机。

交换机跟HUB的外观相同，都是一个多端口设备，每个端口可以连接终端设备和其他多端口设备。但在交换机内部就不是一条共享总线了，而是一个数字交叉网络，该数字交叉网络能把各个终端进行暂时的连接，互相独立的传输数据，而且交换机还为每个端口设置了缓冲区，可以暂时缓存终端发送过来的数据，等资源空闲之后再进行交换。正是交换机的出现，使以太网技术由原来的10M/100M共享结构转变为20M/200M独占带宽的结构，大大提高了效率，而且可以在交换机上施加一些软件策略，来实现附加的服务，比如VLAN（虚拟局域网），优先级，冗余链路等。

1.3.4 以太网的应用

以太网设计的初衷，就是把一些计算机联系起来进行文件共享和数据库记录的传输。到目前为止，在计算机互连这个领域，以太网仍然是最活跃的技术，但已经不再局限于这个领域，在其他一些领域，以太网也大显身手，表现不俗。下面是以太网的主要应用领域：

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计算机互连：这是以太网技术的主要目标，也是最成熟的应用范围。最开始的时候，许多计算机通过同轴电缆连接起来，互相访问共享的目录，或访问在同一个物理网段上的文件服务器，各个计算机（不论是服务器还是客户机）在网络上的地位相同。随着应用的发展，这种平等的结构逐渐不适应实际的需要，因为网络上的大部分流量都是客户机跟服务器之间的，这种流量模型必然在服务器上形成瓶径。当全双工以太网和以太网交换机引入以太网之后，这种情况有所改变，取代的是把服务器连接到以太网交换机的一个高速端口（100M）上，把其他客户机连接到以太网交换机的低速端口上，这样就暂缓了瓶径的形成。现代的操作系统提供分布式服务和数据仓库服务，基于这些操作系统的服务器除了跟客户机通信之外，还要跟其他服务器交换大量的信息进行数据的同步，这样传统的100M快速以太网就不能满足要求了，于是1000M以太网应运而生。

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高速网络设备之间互连：随着INTERNET的不断发展，一些传统的网络设备，比如路由器，之间的带宽已经不能满足要求，需要更高更有效率的互连技术来连接这些网络设备构成INTERNET的骨干，1000M以太网成了首选的技术。传统的100M也可以应用在这些场合，因为这些100M的快速以太网链路可以经过聚合，形成快速以太网通道，速度可以达到100M——1000M的范围。

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第1章 概述

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城域网中用户接入的手段：用户通过以太网技术接入城域网，实现上网，文件下载，视频点播等业务，已经变得越来越流行。之所以用以太网作为城域网的接入手段，是因为现在的计算机都支持以太网卡，这样对用户来说，不用更改任何软件和硬件配置就可以正常上网。

可以看出，以太网技术已经覆盖了网络的方方面面，从骨干网到接入网，从计算机网络到工业应用，无处不见以太网的影子。

1.4 以太网物理层及相关设备

根据ISO的OSI七层参考模型，物理层规定了两个设备之间的物理接口，以及该接口的电气特性，规程特性，机械特性等内容，以太网的物理层也不外乎这些内容，它主要的功能是提供一种物理层面的标准，各个厂家只要按照这个标准生产网络设备就可以进行互通。下面从介绍这些物理层标准开始，来分析一下以太网的物理层基础结构。

1.4.1 物理层系列标准

从以太网诞生到目前为止，成熟应用的以太网物理层标准主要有以下几种：

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10BASE2 10BASE5 10BASE-T 100BASE-TX 100BASE-T2 100BASE-T4 100BASE-FX 1000BASE-SX 1000BASE-LX 1000BASE-CX 1000BASE-TX?

在这些标准中，前面的10，100，1000分别代表运行速率；中间的BASE指传输的信号是基带方式；后边的2，5分别代表最大距离；TX，T2，T4，FX，SX，LX，CX等应用于双绞线以太网和光纤以太网，含义如下：

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100BASE-TX：运行在两对五类双绞线上的快速以太网； 100BASE-T4：运行在四对三类双绞线上的快速以太网； 100BASE-T2：运行在2对三类双绞线上的快速以太网；

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第1章 概述

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100BASE-FX：运行在光纤上的快速以太网，光纤类型可以是单模也可以是多模；

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1000BASE-SX：运行在多模光纤上的1000M以太网，S指发出的光信号是长波长的形式；

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1000BASE-LX：运行在单模光纤上的1000M以太网，L指发出的光信号是短波长的形式；

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1000BASE-CX：运行在同轴电缆上的1000M以太网。

在这些标准中，10BASE2，10BASE5是同轴电缆的物理标准，现在已经基本被淘汰，10BASE-T和100BASE-TX都是运行在五类双绞线上的以太网标准，所不同的是线路上信号的传输速率不同，10BASE-T只能以10M的速度工作，而100BASE-TX则以100M的速度工作，其他方面没有什么两样。100BASE-T2，100BASE-T4现在很少用，所以我们这里只选择比较有代表性的100BASE-TX进行叙述，其他的比如1000M以太网的技术在后边的章节中再进行讲述。

1.4.2 100BASE-TX物理层

100BASE-TX是运行在两对五类双绞线上的快速以太网物理层技术，它除了规定运行的介质是五类或更高类双绞线外，还规定了设备之间的接口以及电平信号等。该标准规定设备和链路之间的接口采用RJ-45水晶头，电平采用+5V和-5V交替的形式。

五类双绞线的8根线压入水晶头的8个线槽中，这样可以很容易的插入网络设备的网卡。

实际上，在进行数据的传输时仅仅用了五类双绞线的两对（四根）线，其中

RecvRecvSendSend

图1-1 100BASE-TX物理层示意图

一对作为数据接收线，一对作为数据发送线，在进行数据接收和发送的时候，在一对线上传输极性相反的信号，这样可以避免互相干扰。

跟传统的同轴电缆不同的是，100BAST-TX（10BASE-T）的数据发送和数据接收使用了不同的线对，做到了分离，这样就隐含着一种全新的运做方式：

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第1章 概述

全双工方式。在这种方式下，数据可以同时接收和发送而互不干扰，这样可以大大提高效率，不过这需要中间设备的支持，现在的以太网交换机就是这样一种设备。

1.4.3 自动协商

在基于双绞线的以太网上，可以存在许多种不同的运做模式，在速度上有10M，100M不等，在双工模式上有全双工和半双工等，如果对每个接入网络的设备进行配置，则必然是一项很繁重的工作，而且不容易维护。于是，人们提出了自动协商技术来解决这种矛盾。

16ms每个大脉冲插入16小脉冲

图1-2 普通链路脉冲

自动协商建立在一种底层的以太网机制上。在双绞线链路上，如果没有数据传输，链路并不是一直在空闲，而是不断的互相发送一种频率相对较低的脉冲信号（称为普通链路脉冲，NLP）（如上图所示），任何具有双绞线接口的以太网卡都应该能识别这种信号。需要注意的是，如果再插入一些（一般是16个）更小的脉冲（这些脉冲称为快速链路脉冲，FLP），两端设备应该也能识别。于是，我们可以使用这些快速链路脉冲来进行少量的数据传输，来达到自动协商的目的。

在设备的网卡中有一个配置寄存器，该寄存器内部保留了该网卡能够支持的工作模式，比如该网卡可以支持100M和10M模式下运行，则把相应的寄存器内容置位。在网卡加电后，如果允许自动协商，则网卡就把自己的配置寄存器内容读出来，编码后发送出去（如下图所示）。

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第1章 概述

1.4.4 集线器运行速率双工模式流量控制…...101001010111000101001101010101…...

图1-3 编码发送

发送的同时，可以接收对端发送过来的自动协商数据。接收到对方发送的自动协商数据后，跟自己的配置寄存器比较，选择自己支持的且一般情况下最优的组合投入运行。比如自己支持全双工模式和100M的速率，对端也支持该配置，则选择的运行模式就是100M全双工，如果对端只支持全双工模式和10M的能力，则运行模式就定为全双工10M模式。如果两端支持的能力集合不相交，则协商不通过，两端设备不能通信。

一旦协商通过，网卡就把该链路置为激活状态，可以传输数据了，如果不能协商通过，则该链路不能使用，不能再进行数据传输。如果两端的设备有一端不支持自动协商，则支持自动协商的一端选择一种默认的方式工作，一般情况下是10M半双工模式。 ??注意：?

如果链路两端的设备有一端不支持自动协商，则支持自动协商的设备选择一种默认的工作方式，比如10M半双工模式运行。这时可能影响了效率，因为不支持自动协商的设备可能支持100M全双工。这时，我们可以禁止自动协商，并手工指定两端设备的运行模式，以增强效率。?

当用双绞线把终端设备进行互连时，需要一个中间设备来进行集中，这个设备就是集线器，所谓的HUB。HUB一般是一个多端口的盒式设备，每个接口可以连接一个终端设备。这样多个设备（比如，12个等）可以通过HUB连接

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第1章 概述

在一起，组成一个星形的网络。需要注意的是，网络在物理上是星形结构的，但在HUB内部还是使用了共享总线的技术，采用CSMA/CD技术进行交互。 HUB可以根据接口的特点进行区分，分为I类HUB和II类HUB。这两类HUB在内部工作模式上没有区别，但因为提供的接口不同而使用于不同的场合。I类HUB只提供一种类型的物理接口，比如只提供五类双绞线接口或只提供三类双绞线接口，或者只提供光纤接口等，而II类HUB则可以提供多种不同类型的接口，可以在一个II类HUB上集成五类双绞线接口和光纤接口等。实际中应用最多的是I类HUB。

传统的HUB都是运行在半双工模式下的，但有一些应用需要在全双工模式下运行，于是人们开发了一种运行在全双工模式下的HUB，即所谓全双工HUB。这种HUB的内部结构还是一条总线，各个终端共享这条总线进行数据交互，所不同的是，全双工HUB在每个接口上预增加了一个缓冲区，如果总线繁忙，终端发送的数据可以暂存在缓冲区里面，等总线空闲之后，再进行传输。连接在全双工HUB上的终端设备工作在全双工模式下。

1.5 物理层总结

到此为止，以太网物理层的一些基础概念已经介绍完毕，在上面介绍的概念中，主要有下面这些需要引起重视（概述中的一些概念也在这里提起）：

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各种物理层标准：10BASE2，10BASE5，10BASE-T，100BASE-TX，100BASE-FX，100BASE-T2，100BASE-T4，1000BASE-CX，1000BASE-SX，1000BASE-LX，1000BASE-TX等物理层标准的含义，100BAST-TX（10BASE-T）的物理层结构，包括接口特性等；

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通过双绞线连接同类型的设备和不同类型的设备：在两种情况下的线序情况，以及为什么这样；

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自动协商：自动协商的基本概念，实现机理，协商内容等，以及支持自动协商和不支持自动协商设备之间的交互情况；

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CSMA/CD访问方式：运行在半双工模式下的设备采用这种方式访问链路，解释这种访问方式的过程以及碰撞避免机制；

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全双工以太网：全双工以太网得以实现的基础，以及其优点等； HUB：I类HUB和II类HUB的概念，全双工HUB的工作机理。

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第2章 数据链路层

第2章 数据链路层

前面的部分讲述了物理层的一些基础概念，在这些概念的基础上，我们再来详细看一下数据链路层的概念。

2.1 数据链路层特点

按照ISO的OSI七层参考模型，互连的各个系统把各个网络功能分七个层次实现，各个层次之间相互独立，互不干扰。这样就可以实现最大限度的开放和灵活性，设备厂家只要按照层次之间的接口生产设备，就可以做到互通。因此，这个七层模型是高效权威的，而且目前大多数网络技术都是参照这个模型进行设计和开发的。

但在以太网体系结构中，七层模型中层次之间互相独立的规则就不适用了，因为开始的时候，以太网采用了一种共享介质的方式来进行数据通信，而不是传统的全双工通信，随着设备的发展，以太网中又引入了全双工模式的通信，在这样两种通信模式并存的情况下，在进行层次间的严格划分就不容易了。

在前面讲述的内容中曾经提到，针对不同的双工模式，提供不同的介质访问方法，在半双工模式下采用的是CSMA/CD的访问方式，而在全双工模式下则可以直接进行收发，不用预先判断链路的忙闲状态。这里需要注意的是，在以太网中，半双工和全双工是物理层的概念，而针对物理层的双工模式提供不同访问方式则是数据链路层的概念，这样就形成了以太网的一个重要特点：数据链路层和物理层是相关的。理解了这个概念，以后的学习中就相对明白了。

2.2 以太网链路层的分层结构

在上面的介绍中知道，以太网的物理层和数据链路层是相关的，针对物理层的不同工作模式（全双工和半双工），需要提供特定的数据链路层来访问。这样导致了数据链路层和物理层有很大的相关性，给设计和应用带来了一些不便。

为了避免这种不便，一些组织和厂家提出了另外一种方式，就是把数据链路层再进行分层，分为逻辑链路控制子层（LLC）和媒体访问控制子层（MAC）。这样不同的物理层对应不同的MAC子层，LLC子层则可以完全独立。这样从一定程度上提高了独立性，方便了实现。

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第2章 数据链路层

网络层数据链路层物理层LLC子层MAC子层

图2-4 数据链路层

2.3 MAC子层

MAC子层是物理层相关的，也就是说，不同的物理层有不同的MAC子层来进行访问，比如物理层是工作在半双工模式的双绞线，则相应的MAC子层为半双工MAC，如果物理层是令牌环，则有令牌环MAC来进行访问。在以太网中，主要存在两种MAC：半双工MAC和全双工MAC，分别针对物理层运行模式是半双工和全双工时提供访问。需要注意的，这两种MAC都是集成在网卡中的，网卡初始化的时候一般进行自动协商，根据自动协商的结果决定运行模式，然后根据运行模式选择相应的访问MAC。

2.3.1 半双工MAC子层

当物理层运行在半双工模式下时，数据链路层使用半双工MAC进行访问。半双工MAC跟物理层之间至少存在六种信号进行通信，如下图所示：

HalfDuplexMACPhysical_Layer数据线指示信号冲突和检测信号

图2-5 MAC对物理层的访问

具体工作过程是这样的：当链路层有数据要发送的时候，首先检查链路空闲信号（物理层通过该信号来报告给数据链路层链路是否空闲），如果链路空闲，则通过指示信号给物理层一个指示，告诉物理层要发送数据，然后把数据一个字节一个字节的送到数据线上（数据线是一组8位的信号线）。这时

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第2章 数据链路层

候如果物理层检测到了冲突（即有另外一个终端同时发送数据），则通过冲突检测指示信号给MAC子层一个指示，告诉MAC子层线路上发生了碰撞。这时候，MAC子层马上停止数据的发送，并发送一连串干扰信号，达到让网络上所有的设备都知道产生冲突的目的。等待一段时间后，MAC层再次检查链路空闲信号，进行数据发送。

如果物理层接收到了数据，则通过数据接收指示来告诉MAC子层自己接收到了数据，然后把数据放到接收数据线上（跟发送数据线一样，也是8位组信号线），传给MAC子层。

从上面的分析中，可以看出这六种信号是： ? 数据发送线，一个8位组信号线； ? 数据接收线，一个8位组信号线；

? 链路空闲信号：一个指示位，指示链路是否空闲；

? 冲突检测信号：一个指示位，物理层使用该信号向MAC子层报告冲突发

生；

? 发送数据指示：MAC子层要传输数据时通过该信号告诉物理层； ? 接收数据指示：物理层接收到数据后通过该信号告诉MAC子层。 ??提示：?

MAC子层一般是在一块ASIC芯片上实现，该ASIC芯片通过引脚跟物理层连接，每个引脚为一个信号线，这些信号线组成了一些功能信号，上面提到的这六种信号就是功能信号中的一部分。

2.3.2 全双工MAC子层

全双工MAC子层相对半双工MAC子层简单，因为它不需要检测链路的空闲与忙的状态，所以就去除了上面的链路空闲信号和冲突检测信号。其工作过程如下：

当MAC子层有数据要发送的时候，通过数据发送指示告诉物理层，然后把数据一个字节一个字节的通过数据发送线发送出去。如果物理层检测到了数据到达，则通过接收指示信号告诉链路层，自己接收到了数据，然后通过接收数据线把数据传到MAC子层。

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第2章 数据链路层

??提示：?

数据链路层跟物理层之间交换数据的时候（不是控制信号），是按字节进行的，这从接收数据和发送数据的信号线根数可以看出来。

2.3.3 MAC地址和数据帧的收发

除了完成物理链路的访问以外，MAC子层还负责完成下列任务：

? 链路级的站点标识：在数据链路层识别网络上的各个站点。也就是说，在

该层次保留了一个站点地址（就是所谓的MAC地址），来标识网络上的唯一一个站点；

? 链路级的数据传输：从上层（LLC子层）接收数据，附加上MAC地址和

控制信息后把数据发送到物理链路上；在这个过程中搀杂了校验等功能。 为了进行站点标识，在MAC子层保留了一个唯一的站点MAC地址，来区分该站点。MAC地址是一个48比特的数字，分为下面几种类别：

?

物理MAC地址：这种类型的MAC地址唯一的标识了以太网上的一个终端（比如网卡等），实际上这样的地址是固化在硬件里面的；

?

广播MAC地址：这是一个通用的MAC地址，用来表示网络上的所有终端设备；

?

组播MAC地址：这是一个逻辑的MAC地址，来代表网络上的一组终端。它的特点是最左边一个字节的第一比特（低比特位）为1。

上层要发送数据的时候，把数据提交给MAC子层，MAC子层有自己的缓冲区，把上层提交给自己的数据进行缓存，然后增加上目的MAC地址和自己的MAC地址（源MAC地址），计算出数据帧的长度，形成下列格式的数据包：

DMACSMACLength/TDATA/PAD图2-6 以太网帧格式

FCS 在这个图中，DMAC代表目的终端的MAC地址，SMAC代表源MAC地址，而LENGTH/TYPE字段则根据值的不同有不同的含义：当LENGHT/TYPE > 1500时，代表该数据帧的类型（比如上层协议类型），当LENGTH/TYPE < 1500时，代表该数据帧的长度。DATA/PAD则是具体的数据，因为以太网数据帧的最小长度必须不小于64字节（根据半双工模式下最大距离计算获得

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第2章 数据链路层

的），所以如果数据长度加上帧头不足64字节，需要在数据部分增加填充内容。FCS则是帧校验字段，来判断该数据帧是否出错。 上面介绍了数据的发送过程，下面说一下数据接收过程：

在计算机的网卡中维护一张接收地址列表，每当计算机网卡接收到一个数据帧之后，就把数据帧的目的MAC地址提取出来，跟列表中的条目进行比较，只要有一项匹配，则接收该数据帧，若无任何匹配的项目，则丢弃该数据帧。在这张接收地址列表中至少有下面两项：

1． 计算机网卡的MAC地址：该地址固化在网卡的ROM里面； 2． 广播MAC地址：该地址代表网络上的所有主机。

如果上层应用程序加入一个组播组，则该应用程序会通知网络层，然后网络层通知数据链路层，数据链路层根据应用程序加入的组播组形成一个组播MAC地址，并把该组播MAC地址加入接收地址列表，这样当有针对该组的数据帧的时候，MAC子层就接收该数据帧并向上层发送。这个组播过程在以后会详细讲解。

2.4 LLC子层

在上面的介绍中提到了MAC子层形成的一个帧结构，其中有一个字段是LENGTH/TYPE。这个字段的长度是2字节，根据取值的范围有不同的含义，在小于或等于1500的情况下，该值代表数据帧数据部分的长度，但当大于1500的时候，则代表该帧的数据部分的类型，比如该数据帧是哪个上层协议（比如IP，IPX，NETBEUI等）的数据单元等。

当LENGTH/TYPE取值大于1500的时候，MAC子层可以根据LENGTY/TYPE的值直接把数据帧提交给上层协议，这时候就没有必要实现LLC子层。这种结构便是目前比较流行的ETHERNET_II，大部分计算机都支持这种结构。注意，这种结构下数据链路层可以不实现LLC子层，而仅仅包含一个MAC子层。

根据LENGTH/TYPE字段的取值，来把接收到的数据帧提交给上层协议模块，是这样进行的：每个上层协议都提供了一个回调函数，这个回调函数在数据链路层是可见的而且可以调用的，这样当数据链路层接收到一个数据帧之后，根据数据帧里的LENGTH/TYPE字段的取值来判断相应的协议模块，然后调用相应协议的回调函数（把数据帧的数据部分作为参数），该回调函数执行的结果就是把数据帧的数据部分挂到上层协议的接收队列中，然后给上层协议发送一个消息，告诉上层协议有一个数据包到来，然后返回，其他的事情就有上层协议来做了。

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第2章 数据链路层

当LENGTH/TYPE小于或等于1500的情况，这种类型就是所谓的ETHERNET_SNAP，是802.3委员会制定的标准，虽然目前应用不是很广泛，但是是一种很有特色的标准。

ETHERNET_SNAP除了定义传统的链路层服务之外，还增加了一些其他有用的特性，比如定义了下面三种类型的点到点传输服务：

? ?

无连接的数据包传输服务：目前的以太网实现就是这种服务；

面向连接的可靠的数据传输服务：预先建立连接再传输数据，数据在传输过程中可靠性得到保证；

?

无连接的带确认的数据传输服务：该类型的数据传输服务不需要建立连接，但它在数据的传输中增加了确认机制，使可靠性大大增加。

这些服务都是在LLC子层中实现的，下面是LLC子层的帧格式：

DSAP8bitDMACSMACSSAP8bitLengthControl8/16bitLLCDATA/FCSIEEE802.3帧结构图2-7 LLC子层格式

可以看出，该数据帧的结构在MAC子层上是保持统一的，但MAC子层数据帧的LENGTH/TYPE字段现在已经完全成了LENGTH，指示MAC数据帧数据部分的长度，然后在数据部分增加了一个LLC头，这个头由DSAP（目的服务访问点），SSAP（源服务访问点）和控制字段组成。上面讲述的三种服务就是通过这三个字段完成的。下面通过一个例子来说明SSAP和DSAP的应用，假设终端系统A和终端系统B要使用面向连接的可靠的数据传输服务来进行一次数据传输，这时候会发生如下过程：

1． 终端系统A给终端系统B发送一个数据帧，请求建立一个面向连接的可

靠连接；

2． 终端系统B接收到以后，判断自己的资源是否够用（即是否建立了太多的

连接），如果够用，则返回一个确认，该确认中包含了识别该连接的SAP值；

3． 终端系统A接收到回应后，知道终端系统B已经在本地建立了跟自己的

连接，于是终端系统A也开辟一个SAP值，来表示该连接，并发一个确认给终端系统B，于是该连接建立；

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第2章 数据链路层

4． 终端系统A的LLC子层把自己要传送的数据进行封装（封装成LLC子层

的帧格式），其中DSAP字节填写的是终端B返回的SAP，SSAP字节填写的是自己开辟的SAP，然后发给MAC子层，MAC子层加上MAC地址和LENGTH字段之后，发送到数据链路上；

5． 终端系统B的MAC子层接收到该数据帧之后，提交给LLC子层，LLC子

层根据DSAP字段判断出该数据帧属于的连接，然后根据该连接的类型（可靠的连接还是无连接，或者带确认的无连接）进行相应的校验和确认，只有通过这些校验和确认后，才向更上层发送；

6． 数据传输完毕之后，终端系统A给终端系统B发送一个数据帧来告诉终

端系统B拆除连接，于是通信结束。

这些功能都是在LLC子层实现的，通过这个例子，我们应该对LLC的功能有了一个了解，也应该把LLC子层和MAC子层的界面分清楚，当然，这些LLC子层的功能对网络层都是透明的。问题：就是LLC子层根据什么内容来把数据帧提交给网络层？在ETHERNET_II中，是通过LENGTH/TYPE字段来区分上层协议的，其实，在LLC子层的帧结构的数据部分中，也包含一个TYPE字段，该字段在上面的图中没有画出来，LLC子层就是根据这个字段来把数据帧发送给上层协议的。

2.5 以太网数据链路层总结

到此为止，数据链路层的一些标准和协议已经解释完了，下面列出该部分的一些主要内容，这些内容是最基础的：

1． 跟物理层相关是以太网的数据链路层的最大特点；

2． 按照802.3标准，数据链路层分为两个子层：LLC子层和MAC子层； 3． 针对不同的物理拓扑结构和双工工作模式，提供不同的MAC子层来进行

访问；

4． 基于双绞线的半双工MAC子层； 5． 基于双绞线的全双工MAC子层；

6． 三种类型的MAC地址和MAC数据帧的收发过程； 7． LLC子层提供的三种服务及其建立方式；

8． LLC子层帧结构，以及帧结构中SSAP和DSAP字段的含义。

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第3章 以太网交换机

第3章 以太网交换机

在以太网物理层内容的介绍中，介绍了一种网络设备—集线器（HUB），该设备工作在物理层，同样，在数据链路层也有一种网络设备，就是本章介绍的以太网交换机。

在以太网的发展历史上曾经出现了一种称为网桥的设备，该设备的功能是连接两个物理拓扑不同的网络，比如以太网和令牌环网，网桥在这两个网络中完成地址翻译，通信中继等功能，使得网络层看来，物理上不同的两个网络是一个逻辑的网络。其实网桥也是工作在数据链路层上的，随着以太网技术的发展，连接两个异种网络的机会越来越少，于是，网桥正被以太网交换机逐渐代替。

下面从以太网交换机的体系结构出发，来分析一下以太网交换机的工作过程，性能特点，以及一些提高性能的应用，比如快速以太网通道等。

3.1 以太网交换机体系结构

从外观上看，以太网交换机跟HUB差不多，但端口的数目可能比HUB要多（一般情况下是24个或更多）。但在内部结构上却比HUB复杂得多，HUB内部实际上是一条共享的总线，各个端口共享该总线进行CSMA/CD方式的通信，但以太网交换机内部可能也是一条总线，但该总线带宽要比HUB内部的总线高得多，足以让全部端口互相同时通信而没有阻塞。性能更高的交换机内部可能是一个交换网络，该网络完成任意端口之间的两两交换。

高速背板总线接收缓冲区发送缓冲区……...RX TXRX TX物理接口

图3-8 以太网交换机的内部结构示意图

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第3章 以太网交换机

上图是一个以太网交换机的内部结构示意图，由图可以看出以太网交换机使用一条高速背板总线把各个端口连接起来。实际上，这个背板总线可能是一个高性能的数字交叉网络。注意的是，各个端口针对接收线路和发送线路，各有一个缓冲队列，当数据从终端设备发往交换机的时候，发出的数据暂存在交换机的接收队列中，然后进行下一步处理。如果交换机要把接收的数据发送给某一终端，这时候，交换机把要发送的数据发往该接收终端所在端口的发送队列，然后再发送到接收终端，如果终端忙，则一直存储在发送队列中。

其实，对每个接口的发送队列结构进行更改可以实现服务质量功能。比如，我们为每个接口设计不止一个发送队列，假设设置三个，则可以对这三个队列进行优先级划分，分成低，中，高三个优先级，然后根据数据帧的优先级字段（在以后介绍VLAN的时候将讲述），把数据帧放到相应的优先级队列中。在传输的时候，可以优先传输优先级高的队列，等高优先级队列内没有数据了，再传送优先级低的队列，依次类推。也可以实现一些其他的调度策略，比如WFQ（基于优先级的加权公平队列）等调度技术。

交换机跟HUB的最大区别就是能做到接口到接口的转发。比如接收到一个数据帧以后，交换机会根据数据帧头中的目的MAC地址，发送到适当的端口，而HUB则不然，它把接收到的数据帧向所有端口转发。交换机之所以能做到根据MAC地址进行选择端口，完全依赖内部的一个重要的数据结构：CAM表。交换机接收到一个数据帧，依靠该数据帧的目的MAC地址来查找CAM表，查找的结果是一个或一组端口，根据查找的结构，把数据包送到相应端口的发送队列。

CAM表包含下面几项内容：

? ? ?

MAC地址 一个或一组端口号

如果交换机上划分了VLAN，还包括VLAN ID

交换机根据接收到的数据帧的目的MAC地址，来查找该表格，根据找到的端口号，把数据帧发送出去。注意，上面一个MAC地址可能对应多个端口，这样的MAC地址一般是组播MAC地址，其中每个端口上连接一个组播组的成员，这些内容在组播部分中将详细讲述，在这里我们要有个印象。

3.2 以太网交换机工作过程

上面提到了一个重要的数据结构CAM表，该表包含了交换机用来转发数据帧所涉及到的一些信息，对于交换机怎样依据这个表格进行数据帧的交换，上面部分已经讲明白了。但这又产生一个问题：这个CAM表是怎样生成的呢？其实，这个表格可以通过两种途径生成：

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第3章 以太网交换机

1． 手工加入：通过配置命令的形式告诉交换机MAC地址和端口的对应； 2． 交换机动态学习获得：交换机通过查看接收的每个数据帧来学习该表。 手工生成该表很简单，不过配置起来会占用大量的时间，所以通常情况下是交换机自动获得的。下面我们分析一下交换机是怎么获得这个CAM表的。首先提出交换机转发数据帧的基本规则：

? ?

交换机查CAM表，如果查找到结果，根据查找结果进行转发； 如果交换机在CAM表中查找不到结果，则根据配置进行处理，通常情况下是向所有的端口发送该数据帧，在发送数据帧的同时，学习到一条CAM表项。

开始的时候，交换机的CAM表是空的，当交换机接收到第一个数据帧的时候，查找CAM表失败，于是向所有端口转发该数据帧，在转发数据帧的同时，交换机把接收到的数据帧的源MAC地址和接收端口进行关联，形成一项记录，填写到CAM表中，这个过程就是学习的过程。

学习过程持续一段时间之后，交换机基本上把所有端口跟相应端口下终端设备的MAC地址都学习到了，于是进入稳定的转发状态，这时候，对于接收到的数据帧，总能在CAM表中查找到一个结果，于是数据帧的发送是点对点的，达到了理想的状态。

交换机还为每个CAM表项提供了一个定时器，该定时器从一个初始值开始递减，每当使用了一次该表项（接收到了一个数据帧，查找CAM表后用该项转发），定时器被重新设置。如果长时间没有使用该CAM表的转发项，则定时器递减到零，于是该CAM表项被删除。

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第4章 VLAN基本概念

第4章 VLAN基本概念

以太网交换机一般有十几个或几十个端口，默认情况下，连接到这些端口的计算机能够无阻隔的进行二层通信。但有些情况下，人们希望某些端口上的计算机不能被其他端口上的计算机访问，这时候采用这种默认的工作方式就不行了，我们需要引入这样一种功能：可以把交换机上任意数目的端口进行组合，这些组合的端口成为一个封闭的系统，连接到该封闭系统的计算机可以通信，但跟不在该端口集合内的其他端口上的计算机，则无法进行二层通信。这个概念便是VLAN（虚拟局域网）。

4.1 VLAN的划分方式

按照上面的概念，VLAN是交换机上的一个集合，该集合的元素就是端口。我们用一个整数来表示该集合，这样当在交换机上创建一个集合后，就面临一个问题：怎样为该集合确定其中的元素（端口）？下面是确定元素的最重要的几种方式：

4.1.1 基于端口的VLAN

最简单，也是最直接的方式就是手工指定，也就是说，一旦在交换机上创建一个VLAN，我们可以手工指定该VLAN包含哪些端口。在该方式下，我们只要在交换机上进行一些简单的配置就可以了。这种方式是最直接的，也是最容易理解的。

4.1.2 基于MAC地址的VLAN

在基于端口的VLAN方式下，我们在交换机上进行了设置，来决定VLAN包含那些端口。但有些情况下，我们希望把终端系统进行分类，使它们属于指定的VLAN。这时候，我们可以手工建立终端系统的标识跟VLAN之间的关系。在以太网上，MAC地址可以唯一的标识一个终端系统，于是，我们就建立MAC地址跟VLAN之间的对应关系。

交换机仅仅根据这个MAC地址跟VLAN之间的对应关系，不能创建VLAN与端口的对应关系，我们于是联想到交换机内部的另外一个关系：MAC地址与端口之间的关系（也就是CAM表，交换机根据该表格进行数据帧的转发）。根据这样两个关系，交换机可以创建VLAN与端口号之间的对应关系了，具体过程如下：

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第4章 VLAN基本概念

1． 交换机把手工创建的MAC地址跟VLAN号之间的对应关系下载到本地； 2． 从该对应关系中读出一行，如果该行对应的VLAN不存在，则创建该

VLAN，然后以MAC地址为索引依据，到CAM表中查找对应的端口号，把找到的端口号加入刚刚创建的VLAN；

3． 若读出的该行所包含的 VLAN已经存在，则仅仅依据MAC地址查询CAM

表，把找到的端口号加入已经存在的VLAN里面； 4． 重复这个过程，直到该对应关系扫描完毕。

我们可以看出，上面的过程存在一个问题：交换机的CAM表是通过学习获得的，如果交换机在根据MAC地址查找相应的CAM表时，该MAC地址不存在怎么办？这并不说明该MAC地址对应的计算机不存在，有可能交换机还没有学习到该计算机的MAC地址。这种情况下，我们可以采用下面的步骤： 1． 在交换机上做配置，告诉交换机哪些端口是基于MAC地址的VLAN的。

也就是说，这些交换机端口上如果连接了一个终端，这个终端的MAC地址出现在手工创建的MAC地址跟VLAN对应关系表里，则该端口就加入相应的VLAN。其他没有配置的端口即使连接了满足条件的终端（也就是说，该终端的MAC地址出现在手工创建的那张表里），也不会被加入相应的VLAN。这样做，主要是效率上的考虑；

2． 交换机每学习到一个MAC地址，就用该MAC地址为索引到MAC地址跟

VLAN对应关系里查找相应的VLAN号，找到相应的VLAN后，创建相应的VLAN，把学习到该MAC地址的端口加入刚刚创建的VLAN。 这样的过程一直延续，最终的结果是创建了VLAN ID和MAC地址对应列表中出现的所有VLAN。

4.2 交换机间链路

在上面的介绍中，我们可以看出，所有创建的VLAN都是集中在一个交换机上的，但实际中往往有这样的情况，就是一个物理的VLAN，可能跨越了多个交换机。在一个交换机的情况下，一个VLAN端口接收到的数据可以根据交换机内部的一张VLAN和端口对应表来确定该VLAN所有的端口，因而一个VLAN的数据在同一个交换机上不可能被错误转发到另外一个VLAN当中。但是跨越交换机的时候就不是这样了，假设有两个VLAN和两个交换机，分别记做VLANA和VLANB，SWITCHA和SWITCHB，其中VLANA和VLANB分别跨越了两个交换机，即SWITCHA和SWITCHB上既有VLANA的端口，也有VLANB的端口。在这种情况下，假如SWITCHA上VLANA的一个端口接收到了一个广播数据帧，SWITCHA除了往自己上面所有属于VLANA的端口广播该数据帧以外，还必须通过SWITCHA和SWITCHB之间的一条链路

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第6章 二层组播

第6章 二层组播

6.1 二层组播基本概念

在前面以太网交换机的章节中，我们曾提到二层组播的概念。在本章中，我们详细介绍一下二层组播的一些基础概念。

至于为什么采用组播的形式发送数据而不采用广播的形式，其好处不言而喻，我们这里不赘述。需要说明一点的是，这里仅仅提到二层组播，还有三层组播，即所谓的IP组播。所谓二层组播，即数据报的转发是面向二层的，根据组播MAC地址来决定数据报的转发方向，而三层组播，则根据三层组播地址，即组播IP地址来进行数据报的转发。

6.1.1 组播MAC地址

在上面我们提到了组播MAC地址的概念，所谓组播MAC地址，是一类逻辑的MAC地址，该MAC地址代表一个组播组，所有属于该组的成员都接收以该组对应的组播MAC地址为目的地址的数据帧。

注意的是，组播MAC地址是一个逻辑的MAC地址，也就是说，在网络上，没有一个设备的MAC地址是一个组播MAC地址。组播MAC地址跟单播MAC地址（物理MAC地址）的区别是，组播MAC地址六个字节中，最高字节（第六字节）的最低位为1，而单播MAC地址则为0，如下图所示：

组播MAC地址，第六个字节的第一位为1xxxxx1xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx

xxxxx0xxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxxx单播MAC地址，第六个字节的第一位为0图6-12 MAC地址

为了更进一步了解组播的概念，我们先从MAC层的数据帧接收过程说起。

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第6章 二层组播

6.1.2 MAC层数据帧的接收

在网卡的内部保留一张接收地址列表（可以理解为一个可读写的随机存储器），其中至少有两个MAC地址，即网卡的物理MAC地址和全1的广播MAC地址。每当计算机想接收一个多播数据，也就是说要加入一个多播组，那么上层软件会给网络层一个通知，网络层做完自己的处理后，也会发一个通知给数据链路层，于是，数据链路层根据网络层想加入的组播组的组地址（一般是一个组播的IP地址），根据一定的规则影射为一个组播的MAC地址，然后把该MAC地址加入接收地址列表。

每当数据链路层接收到一个数据帧的时候，就提取该数据帧的帧头，找出目的MAC地址，跟接收地址列表中的地址项目比较，在比较完整个接收地址列表之前，如果遇到一个地址，跟该数据帧的目的MAC地址是相同的，于是停止比较，接收该数据帧，并把该数据帧放到上层协议对应的接收队列中；如果比较完整个接收列表也没有找到一个匹配的MAC地址，则丢弃该数据帧。 现假设接收到的数据帧是发给自己的单播数据帧，于是该数据帧的目的MAC地址就是自己的硬件地址。数据链路层接收到该数据帧，跟接收列表中的地址比较，第一次比较就会通过，因为接收地址列表中的第一个MAC地址就是自己的硬件地址。所以在任何情况下，发给自己的数据帧一定能接收下来； 假设接收到的数据帧是一个广播数据帧，则在比较的时候，最后一项是匹配的，因为接收地址列表中肯定包含一个广播的MAC地址，这样就保证了任何广播数据报都会被正确接收；

假设上层软件想接收组播组G的数据，经过一番影射到数据链路层之后，数据链路层会在自己的接收数据列表中添加一项组播组G对应的MAC地址，假设为MAC_G，当计算机接收到一个数据帧，该数据帧的目的地址为MAC_G的时候，该数据帧会被接收并传递到上层，因为接收列表中有一项MAC_G记录。

6.1.3 组播转发表

在前面交换机的转发方式课程中讲述到，交换机在转发组播数据包的时候，也是根据一个转发表来进行的，但跟单播转发表不同的是，该组播转发表对应的出口不是一个元素，而是一组元素，即一个出口列表。在转发数据的时候，交换机根据组播数据帧的目的组播地址查找组播转发表，如果在组播转发表中查不到相应的转发项，则把该组播数据帧当做广播数据帧处理，向所有端口上转发该数据帧（如果实现了VLAN，则仅仅向接收端口所属同一个VLAN的端口上转发）；如果能查找到一个结果，则结果肯定是一个接口列表，于是，交换机把这个组播数据报复制成许多份，每份提交到一个出接口，从而完成数据的交换。

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第6章 二层组播

需要注意的是，这个组播转发项不象单播那样，是通过学习的方式获得的（在处理单播数据的时候，交换机每转发一个数据帧，会进行相应的学习过程，学习到一个单播转发项），而是通过一些二层的组播协议获得的，这些流行的组播协议有IGMP窥探，GMRP等。下面部分详细解释每一种二层组播协议。

6.2 二层组播协议

上面我们提到，用于转发组播数据帧的组播转发项不是通过学习获得的，而是通过一些其他的组播协议，比如IGMP窥探，GMRP等协议获得的。至于为什么不能通过学习获得，是因为学习过程是分析一个数据帧的源地址，但组播地址在任何情况下不可能出现在源地址的位置（因为组播MAC地址是一个逻辑的MAC地址，网络上没有一个终端的MAC地址是一个组播MAC地址）。

下面我们分析二层组播协议，这些协议在构建组播网络的时候，有不可替代的重要地位。尤其是将来的流媒体应用会很广泛，在这种情况下，二层的组播将是必然的要求。

6.2.1 IGMP协议

在讲述IGMP窥探之前，先看一下IGMP协议，理解了IGMP协议，IGMP窥探就很容易了。

一般情况下，组播数据是从路由器的上游流下来的，而组播的接收端一般位于路由器的下游，典型的情况是，路由器通过一个以太网口连接企业网，另外通过一个串口连接INTERNET。组播数据源，比如流媒体服务器一般位于INTERNET上，组播数据流通过路由器到达企业网上的数据接收端。这种情况下，流媒体服务器是长时间工作的，也就是说，一天24小时，一周7天都在不停的发送媒体流信息，相当于电视频道。但企业网络中的数据接收端却不是这样，只有有限的时间接收端才接收数据，其他时间都是不接收数据的。这样，在企业网上没有数据接收端的时候，如果路由器也把大量的媒体流信息发到企业网内部，必然会浪费大量的资源，理想的情况是，如果企业网上没有数据接收端，则路由器就不转发媒体流，但如果只要有一个接收端，路由器就必须把媒体流引入企业网。这样必须有一种机制来保证路由器对企网上的数据接收端有一个清楚的了解，什么时候网络上有数据接收端，什么时候没有数据接收端，这种机制就是IGMP协议。

从上面的分析中，我们可以看出IGMP协议是数据接收端和路由器之间的交互协议，数据接收端使用该协议来通知路由器，自己是否想接收组播数据流。如果想接收的话，接收哪个组播组的数据流。

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第6章 二层组播

一般情况下，存在两种类型的IGMP消息（IGMP V1）：组成员报告和组成员查询，其中组成员报告消息由计算机发出，用来告诉路由器，自己想加入某个组播组，而组成员查询消息则由路由器发出，用来查询网络上是否存在相应组的成员。一个指导性的原则是，只要网络上有组播组的数据接收端，不管该接收端的数量是多少，路由器必须把该组播组的数据转发到网络上。 IGMP消息也是通过组播地址发出的，在IGMP加入消息中，该组播地址（IGMP消息的目的地址）就是该计算机想加入的组播组的组地址。比如，计算机想加入224.0.0.2这个组播组，则该计算机发出的IGMP加入消息的目的IP地址就是224.0.0.2。这样当路由器接收到该组播消息后，就知道网络上有一个主机，该主机想接收到组播组224.0.0.2的数据，于是，每当从上游接收到目的地址是该组地址的数据的时候，就把该数据包向企业网上转发。 还有一类消息就是组播组成员查询消息。在IGMP协议第一版中，没有规定主机的离开消息，即如果一个主机不想接收某一组播组的数据了，它也不会通过某种消息通知路由器，而是静悄悄的离开该组播组。这样如果路由器不采取某种措施来掌握网络上组播组接收端的数目情况，就会产生问题，假设网络上所有的主机都不想接收组播数据了，根据IGMP协议第一版，这些主机不会通知路由器，而是不做任何处理。这样路由器不知道这些这些原来接收组播数据的主机现在已经不接收数据了，而且还以为网络上有一大批的接收端，于是仍源源不断的发送组播数据，这样必然浪费带宽。而引入了组成员查询消息后，路由器可以每隔一段时间发出该消息，用来查询网络上还有没有主机在接收组播数据。注意的是，该查询消息跟成员加入消息一样，采用的目的IP地址也是查询的组的组播IP地址。假设路由器想查询245.2.2.1这样一个组播组是否还有成员，发出的查询消息的目的IP地址就是245.2.2.1。当网络上接收该组播组数据的成员接收到这个查询消息后，就发出一个响应，该响应还是一个组播组成员加入消息。这样只要路由器接收到一个这样的响应，它就知道网络上必然还有终端在接收数据，于是不能停止转发。但路由器发出查询消息后，一段时间内没有接收到任何响应，它就判断网络上没有了数据接收端，于是停止转发组播数据。

到此为止，IGMP协议的一些细节已经介绍完毕，接下来介绍IGMP窥探。需要注意的是，IGMP协议是三层协议，而IGMP窥则是二层组播协议，但它利利用了IGMP的三层特性。注意，IGMP协议是运行在交换机上的一种协议，它使用该协议来形成转发组播数据的组播转发表。 下面是启动了IGMP窥探的交换机工作过程：

1． 交换机从每个端口上监听接收到的数据帧，如果是单播数据帧就按照通常

的转发方式进行转发，是组播数据帧则进行下一步处理；

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第6章 二层组播

2． 如果接收到的数据帧是组播数据帧，则分析该组播数据帧的协议类型字

段，看是否是IP协议，如果不是，则按照通常的方式转发（这时候可能查询组播转发表转发，如果没有查到结果，则向所有端口上转发）； 3． 如果是IP协议数据，则进一步判断该数据是不是一个IGMP加入消息

IGMP查询消息。如果不是，则进行通常的组播数据发送，否则转下一步； 4． 如果是一个IGMP加入或查询消息，则该交换机就可以判断，在接收到该

数据帧的端口上一定连接一个组播数据接收端，该接收端想接收IGMP加入消息中目的地址所在的组播组数据。于是，交换机就检查组播转发项，看对应的组播MAC地址有没有在组播转发项中出现。如果出现了，则把接收到该数据帧的接口加入组播转发项对应的接口集合，如果没有出现，说明该组播转发项还没有创建，于是创建一个组播转发项，该转发项的组播地址是IGMP消息的目的IP地址的影射MAC地址，接口列表初始化为接收到该数据帧的接口，接下来继续按照通常的过程转发该数据帧。 到此为止，IGMP窥探的具体工作过程已经明了，可以看出，这种协议最大的一个缺点就是效率较低，交换机需要分析每个组播数据帧，看该数据帧是否是组播数据帧，如果是，继续看是否是IP数据帧，如果是，继续看是否是IGMP加入消息等等。

6.2.2 GMRP协议

当主机不支持IGMP协议的时候就无法实现窥探。我们考虑能不能开发一种专门的针对组播的协议，该协议可以高效的完成其他组播协议完成的任务。 这就是GMRP（General Multicast Register Protocol，通用组播注册协议）协议。该协议需要计算机网卡和交换机一起工作，因此需要计算机网卡的支持。由于该协议是一个较新的协议，故大多数网卡都没有支持，但作为一种标准的协议，将来的网络设备都会支持。

该协议的运行过程很简单，想接收组播数据的计算机只要告诉连接的交换机，它想接收哪个组的组播数据即可。交换机接收到通知后，就创建相应的组播转发项，把接收到组播请求的端口加入组播转发项中。当计算机不再想接收组播数据了，只简单的告诉交换机就可以了，交换机接收到通知后，就从组播转发项中把相应的端口删除掉。

6.3 总结

到此为止，二层组播的一些基础概念就讲解完了，在这些内容中，组播MAC地址，组播和单播数据的接收过程以及三种组播协议是重点。这些内容也是

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第6章 二层组播

学习后续内容（比如三层组播路由协议）的基础，在实际中，这些组播概念也是应用得最多的。

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第7章 生成树协议

第7章 生成树协议

现在的大型网络设计一般都采用分层结构，即分为核心层，汇聚层和访问层三个层次，其中核心层使用核心的设备，比如高端以太网交换机承担，汇聚层采用一些中低端的交换机担当，而接入层则一般采用低端交换机来负责，这样，汇聚层完成接入层业务的汇聚，然后送到骨干层上传输。

为了保证冗余特性，汇聚层交换机或接入层交换机一般通过两条以上的链路跟上层连接，而骨干层各个设备之间也不是单一的链路，而是组成一个全网状结构或一个半网状结构。不论何种结构，核心层交换机之间的链路肯定多于一条。在这些冗余链路的环境中，就会产生很多问题，最典型的是广播风暴。

7.1 广播风暴

考虑下面的网络结构：

图7-13 环路

在该网络中，汇聚层交换机通过两条链路分别跟核心层的两个核心交换机连接。这样可以做到充分的冗余，比如，当其中一条链路出现问题，还有另外一条链路做备用。但如果转发广播数据报，会产生严重问题：假设PC机发出了一个广播数据帧，汇聚层交换机接收到以后，会通过两个上行的端口转发。核心层接收到这个广播数据帧之后，会互相转发，这样下来，必然造成广播数据帧在整个网络上来回震荡，造成网络的瘫痪，这就是所谓的广播风暴。 在这种情况下，我们必须引入一种机制来避免这种危险，这种机制就是生成树协议。

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第7章 生成树协议

7.2 生成树协议基本概念

生成树协议的关键是其几个基本概念，理解了这些基本概念，其运行过程也就明了了。下面结合图形来具体说明几个概念。

交换机优先级端口成本端口优先级根交换机根端口指定交换机指定端口交换机标识

图7-14 生成树协议概念示意图

7.2.2 根交换机

生成树协议的运做结果是生成一棵无环树，既然是一棵无环树，必然存在一个树根。这个树根是由选举产生的，选举出来当做树根的交换机就是根交换机。

选举出根交换机以后，其他交换机就以根交换机为依据来建立自己的转发拓扑。每个交换机的转发拓扑组合起来，就形成了一棵树。

7.2.3 交换机标识和交换机优先级

交换机标识用来唯一表示网络上的一台交换机。该标识是由两部分组成的，第一部分是2字节的优先级，该优先级说明了在选举根交换机的时候交换机的优先程度，接下来是六字节的MAC地址，该MAC地址就是交换机的MAC地址。这样的组合就保证了交换机的标识唯一性，即使优先级相同，但每个交换机有唯一的MAC地址，这样就可以保证了交换机标识的唯一性。 交换机标识是选举根交换机的唯一依据。在选举根交换机的时候，各个交换机比较其他交换机的标识，具有最低标识的交换机被选中。

可以看出，在比较交换机的标识的时候，起决定作用的是2个字节的优先级。因为这两个字节位于标识的高位部分。当优先级相同的时候，交换机的MAC地址才起作用。所以，在实际中，只要更改交换机的优先级就可以轻松控制根交换机的选举。

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第7章 生成树协议

7.2.4 端口成本和端口优先级

生成树协议的最终运行结果表现在交换机上，就是闭塞一些冗余的端口，打开一些端口进行转发。当打开的端口坏掉了，则把闭塞的端口再打开，做到备用。这样就面临一个问题：怎样选择闭塞的端口？

一个显著的想法就是，选择带宽最高的端口进行转发，其他带宽较低的统统闭塞。这样就端口成本便是这样一个选择依据，一般情况下，端口成本就是端口带宽的正比例反映，但这个端口成本是可以配置的，就是说，你可以手工指定端口的成本，而不管实际的带宽如何。这样完全是出于策略的考虑。 但存在一种情况，就是两个端口有同样的带宽。这样的情况下，我们就需要用到另外一个参数——端口优先级了。该参数指定，当端口成本相同的时候，优先级高的端口优先闭塞，优先级最低的端口进行转发。这样就保证了转发端口的唯一性。默认情况下，所有端口的优先级是相同的，这样为了打破僵局，交换机会参考端口号（端口号在交换机上有唯一性），端口号最低的端口优先进行转发。

7.2.5 根端口

顾名思义，根端口就是通向根的端口。交换机运行生成树协议，最终形成一棵转发树，每个交换机都通过一个且仅仅一个端口连接到这棵树的根，这个端口就是根端口。

7.2.6 指定交换机和指定端口

一个交换机选择出根端口以后，并不是把其他端口都堵塞，而且还必须选出一个指定端口。该端口的目的是转发下游数据（所谓下游，是针对根而言的）。考虑上图中最下面的一个冲突域，该冲突域可能通过一个HUB连接了很多计算机，这个冲突域跟右边的一个交换机连接，这时候，如果右边的交换机选择出根端口之后，把其他所有端口都闭塞，则该冲突域就不能把自己的数据转发出去。因此，右边的交换机还必须把连接该冲突域的端口打开，来转发该冲突域内的通信。

可以看出，在上图中这个冲突域连接了两个交换机，通过什么样的规则选择其中的一个交换机端口作为指定端口呢？还是端口成本。两个交换机比较从对方到根的成本，选择成本小的作为指定端口，其他端口闭塞。

到此为止，生成树协议的一些基本概念就介绍完了，下面看一下生成树协议的运行过程。

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第7章 生成树协议

7.3 生成树协议的运行过程

生成树协议运行过程分几个过程：

1． 选择根交换机：交换机启动的时候，向各个端口发送BPDU（桥接协议数

据单元），该数据帧的目的MAC地址是一个保留的组播MAC地址，这样就保证了以太网上所有的交换机都可以接收到该数据帧。BPDU包含下列内容：发送交换机的标识，发送端口的成本，根交换机的标识（初始化为自己），到根交换机的成本等等。这样交换机接收到其他交换机发送的BPDU后，跟自己进行比较，看交换机标识是否比自己小。如果是，则选择它为根交换机，这样长时间的选择，最终网络中的交换机会达成共识，选择某个交换机为根交换机（该交换机的标识最低）；

2． 选择根端口：交换机从接收到的BPDU中可以计算出自己哪个端口到根交

换机最近（成本最低），成本最低的端口被选定为根端口，并转换到转发状态；

3． 选择指定端口和指定交换机：选择出根端口之后，交换机会向所有其他未

阻塞端口（所谓阻塞，是由于物理链路没有起来或手工关闭）发送从根端口接收到的BPDU。不过发送的时候，把BPDU进行修改，把其中的发送交换机标识填写成自己的标识，到根交换机的成本改为端口成本加上根端口到根交换机的成本，比如，根端口到根交换机的成本为100，而某个端口的成本为20，则从该端口把BPDU发送出去后，相应的到根交换机的成本就转换为120。在发送的同时，也可能从其他交换机接收到BPDU，这时候就把自己刚才发送的 BPDU同接收到的BPDU比较，看哪个距离根比较近（成本低），如果自己的成本低，则该端口跳转到转发状态，也就是说，该端口成为相应冲突域的指定端口，而该交换机就是相应冲突域的指定交换机。而刚才发送BPDU的交换机因为发现自己到根的成本高，就会阻塞该端口。

为了更好的理解指定端口和指定交换机的选择，考虑下面的网络图形：

交换机A 交换机B

冲突域A图7-15 根端口选择示意图

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第7章 生成树协议

交换机A和交换机B选择出根端口后，就分别向冲突域A转发从根端口接收到的BPDU。该BPDU在转发的时候会进行修改，假设交换机A连接冲突域A的端口的成本是10，交换机B连接冲突域A的端口成本是20，交换机A从根端口到根的成本和交换机B从根端口到根的成本都是100，则交换机A在发送BPDU的时候，BPDU中到根的成本修改为110（100 + 10），交换机B在发送BPDU的时候，BPDU中到根的成本修改为120（100 + 20）。 这样交换机A和交换机B分别接收到对方的BPDU。在交换机A接收到交换机B的BPDU的时候，把BPDU中的端口成本（120）提取出来，跟刚才自己发送的BPDU中的端口成（110）本比较，发现比自己刚才发送的成本要高，于是交换机A就把连接冲突域A的端口转换到转发状态，成为该冲突域的指定交换机，相应的，交换机A成为该冲突域的指定交换机。但交换机B接收到交换机A的BPDU后，比较两个BPDU（自己发出去的和接收到的）到根交换机的成本，发现比自己的低，于是，交换机B就把连接到冲突域A的端口置为阻塞状态。这样就完成了指定端口和指定交换机的选择。

上述几个步骤完成之后，各个交换机就停留在了一个稳定的转发状态，进行通常的数据转发。

需要注意的是，运行生成树协议的交换机的各个端口会经历几个状态，刚开机的时候是阻塞状态，这种状态下只能接收和发送BPDU，这样做的目的是因为刚开始的时候没有形成一棵无环的转发树，可能存在环路问题。但BPDU是一个组播数据帧，不会发生广播风暴。相互发送BPDU，选择出根交换机，选择出根端口和指定交换机等，这样就形成了一棵无环的转发树。但这时候为了避免其他交换机还没有完成生成树协议的计算，于是交换机的端口还需要经历一个学习的状态，在该状态下，端口可以接收数据包，并进行学习过程（形成CAM表），但不做转发。当学习过程结束后，交换机端口才真正转换到转发状态，这种状态下才能进行正常的数据转发。

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附录 缩略词表

CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection GMRP General Multicast Register Protocol

ISO International Standardization Organization

LLC Logical Link Control MAC Media Access Control OSI Open System Interconnection PDU Protocol data unit QOS Quality of Service

VLAN

Virtual Local Area Network

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附录 缩略词表

载波侦听与冲突检测 通用组播注册协议 国际标准化组织 逻辑链路控制子层 媒体访问控制子层 开放式系统互连模型 协议数据单元 服务质量保证 虚拟局域网

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/k35x.html