以太网技术基础
计算机三级《网络技术》基础知识：以太网
计算机三级《网络技术》基础知识：以太网2015计算机三级《网络技术》基础知识：以太网1.以太网的发展1976年7月，Bob在ALOHA网络的基础上，提出总线型局域网的设计思想，并提出冲突检测、载波侦听与随机后退延迟算法，将这种局域网命名为以太网(Ethernet)。
以太网的核心技术是：介质访问控制方法CDMA/CD.这种方法解决了多结点共享公用总线的问题。
早期以太网的传输介质是同轴电缆，后用双绞线，再后用光纤。
2.以太网的帧结构与工作流程(1)以太网数据发送流程冲突：多个站点同时利用总线发送数据，导致数据接收不正确。
总线网没有控制中心，如果一个站点发送数据帧，以广播方式通过总线发送，每一个站点都能收到数据帧，其它站点也可以同时发送，因此冲突不可避免。
CSMA/CD发送流程可简单概括为：先听后发，边听边发，冲突停止，延迟重发。
实现公共传输介质的控制策略，需要解决的问题是：载波侦听，冲突检测，冲突后的处理方法。
(a)载波侦听结点利用总线发送数据时，首先侦听总线是否空闲，以太网规定发送数据采用曼彻斯特编码。
判断总线是否空闲可以判断总线上是否有电平跳变。
不发生跳变总线空闲。
此时如果有结点已准备好发送数据，可以启动发送。
(b)冲突检测方法载波侦听不能完全消除冲突，原因是数字信号是以一定的速率传输的。
例如：结点A发送数据帧时，离他1000m距离的结点在一定的时间延迟后才能收到数据帧，此时间段内如果B也发送数据，造成冲突。
从物理层上看，冲突时多个信号叠加，导致波形不同于任何结点的波形信号。
解决方案：结点A发送数据前，先发送侦听信号，如果侦听信号在最大距离传输时间2倍时，没有冲突信号出现，结点A肯定取得总线的访问权。
冲突信号的延迟时间=2*D/V。
其中：D是结点到最远结点的距离，V表示信号传输速度，信号往返的时间为延迟时间。
进行冲突检测的方法有两种：比较法和编码违例法。
比较法：将发送信号波形与从总线上接收的信号比较，如果不同说明有冲突。
《以太网交换基础》课件
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复杂性
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云计算
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课件
网络交换技术是现代计算机网络的核心，本课件将详细介绍以太网交换的基
础知识、原理和应用。
以太网交换基础介绍
了解计算机网络的基本概念和传输介质，掌握以太网交换的定义和作用。
以太网交换的原理和概念
1
MAC 地址
2
帧转发和过滤
3
无碰撞传输
了解 MAC 地址的作用和
掌握交换器利用 MAC 地
介绍交换器的管理接口，
讲解交换器的基本配置，
探索交换器的监控功能和
如控制台端口、Web 管理
如端口速度和双工模式。
故障排除方法，如端口监
界面和远程管理。
控和链路聚合的故障排查。
以太网交换的优缺点和应用
优点
缺点
应用场景
•
高速数据传输
•
网络安全性
•
企业局域网
•
低成本
•
广播风暴
•
数据中心
•
灵活性和可扩展性
10/100 交换机
高速交换机
软件定义网络（SDN）
回顾以太网交换器从最初的
介绍10GbE、40GbE和
展望SDN对以太网交换技术
10/100Mbps到后来的千兆交
100GbE等高速以太网交换技
的前景和变革。
换技术的演进。
术的发展。
以太网交换器的配置和管理
1
交换器管理接口
2
交换器配置
换器如何通
结构，理解以太网数据帧
址表进行帧转发和过滤的
过隔离链路和广播域实现
和帧头中的源 MAC 和目
过程。
以太网技术和组网规范
以太网模块和功能 以太网层次结构
以太网层次结构主要对应于OSI层次结构中的数据链路层和物理层。其层次结构如图2-5所示。
图2-5 以太网层次结构
数据链路层的功能有： 提供一个或多个SAP； 发送时将数据组装成带MAC地址和差错检测的帧，进行同步、定界及透明传输； 接收时拆卸帧，执行MAC地址识别（寻址）和差错检测； 管理链路上的通信，进行流量控制，差错控制。 局域网的数据链路层与传统的OSI中数据链路层也有区别： 局域网链路支持多重访问，支持成组地址和广播； 支持MAC介质访问控制功能； 提供某些网络层的功能，如网络服务访问点SAP、多路复用、流量控制、差错控制。 MAC子层功能： 成帧/拆帧； 实现、维护MAC协议； 位差错检测，寻址等。
传输媒体（也称网络介质）：100BASE-T 标准允许包括四个不同的物理层规范，第一个物理层规范支持2对5类UTP或1类STP，第二个物理层规范支持4对3/4/5类UTP，第三个物理层规范支持单模或多模光缆，第四个物理层规范支持2对3/4/5类UTP。100BASE-T根据使用物理层传输媒体的不同类型，分为100BaseTX、100BaseT4、100BaseFX和100BaseT2四种。
按照数据链路层控制来分，有以太网卡、令牌环网卡、ATM网卡等，它们在数据链路控制、寻址、帧结构等方面不同。
以太网采用CSMA/CD(载波侦听多路访问/冲突检测)控制技术。在OSI七层协议中主要定义了物理层和数据链路层的工作方式。二者之间有标准的接口(例如MII，GMII等)来传递数据和控制。
1
2
3
向高层提供SAP（服务访问点）； 建立/释放逻辑连接； 差错控制； 帧序号处理； 提供某些网络层功能等。
LLC子层功能：
以太网基础知识试题解析
以太网基础知识试题解析一、选择题1. 以太网的帧结构中，目的地址和源地址各占多少字节？A. 2字节B. 4字节C. 6字节D. 8字节答案：C解析：以太网帧结构中，目的地址和源地址各占6字节，分别用于标识帧的接收者和发送者。
2. 以太网使用的传输介质是什么？A. 光纤B. 双绞线C. 同轴电缆D. 无线信号答案：B解析：以太网最常用的传输介质是双绞线，它包括了多种类型，如Cat5、Cat6等，适用于不同的速率和距离。
二、填空题1. 以太网的最小帧长为_____字节，最大帧长为_____字节。
答案：64，1518解析：以太网规定最小帧长为64字节，这是为了确保网络的可靠性，防止帧过短导致冲突。
最大帧长为1518字节，这是为了确保网络的有效性，防止帧过长导致传输效率降低。
2. 以太网的冲突检测机制发生在帧的_____阶段。
答案：发送解析：以太网采用CSMA/CD（载波侦听多路访问/冲突检测）机制，冲突检测发生在帧的发送阶段。
当两个或多个设备同时发送数据时，它们会检测到冲突，并停止发送，等待随机时间后再次尝试。
三、简答题1. 以太网的MAC地址是什么？它有什么作用？解析：以太网的MAC地址是网络接口卡（NIC）的唯一标识符，由6个字节组成。
它的作用是确保以太网帧能够正确地在网络中传输，每个设备都有一个全球唯一的MAC地址，用于标识发送和接收帧的设备。
2. 以太网的全双工和半双工有什么区别？解析：全双工是指设备可以在发送数据的同时接收数据，而半双工则是指设备在同一时间内只能发送或接收数据。
全双工模式下，通信效率更高，因为它允许双向同时通信，而半双工模式下，通信效率较低，因为它需要交替进行发送和接收。
四、计算题1. 如果一个以太网帧的数据字段长度为1000字节，计算该帧的总长度。
解析：以太网帧的总长度包括目的地址（6字节）、源地址（6字节）、类型/长度字段（2字节）、数据字段（1000字节）、校验和（4字节）。
计算机网络技术04 以太网基础
网络技术专业学科带头
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人
（2）交换式以太网的优点
交换式以太网采用与传统的共享式以太网相同的介 质访问控制方法（CSMA/CD）、帧格式、包长度、 差错检测和控制、信息管理和控制。
网络技术专业学科带头
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人
·1000Base-SX：采用直径50um或62.5um的多模光纤，传 输距离为220-550m。
·1000Base-LX：采用直径9um或10um的单模光纤，传输 距离可达3km。
·1000Base-T：与10Base-T、100Base-TX完全兼容，可保护
用户在5类UTP布线系统上的投网资络技。术专业学科带头
（3）千兆以太网
千兆以太网（Gigabit Ethernet）技术包括IEEE802.3z和IEEE 802.3ab两个标准，IEEE802.3z规定了光纤和短距离铜缆连接 标准，IEEE802.3ab规定了5类双绞线连接标准。
千兆以太网术不改变传统以太网的桌面应用、操作系统，可 兼容10M或100M以太网。升级到千兆以太网不必改变网络应 用程序、网管部件和网络操作系统，能够最大程度地保护投 资。为了减少64Bytes长数据帧之间的碰撞，千兆以太网支持 的传输距离更短。
·10GBASE-ER和10GBASE-EW：主要支持超长 波单模光纤，最大传输距离40km。
·10GBASE-LX4：采用波分复用技术，在单对光
缆上以四倍光波长发送信号，设计目标是针对300m
的多模光纤模式或10km的网单络技模术专光业学纤科带模头 式。
工业以太网基础及应用三(PROFINET技术)
工业以太网基础及应用模块三 PROFINET技术任务一 PROFINET 技术概述【学习目标】1、认识PROFINET网络技术。
2、了解PROFINET网络实现实时与等式实时的技术原理。
【相关知识】PROFINET由PROFIBUS国际组织（PROFIBUS International，PI）推出，是新一代基于工业以太网技术的自动化总线标准。
PROFINET为自动化通信领域提供了一个完整的网络解决方案，囊括了诸如实时以太网、运动控制、分布式自动化、故障安全以及网络安全等当前自动化领域的热点话题，并且，作为跨供应商的技术，可以完全兼容工业以太网和现有的现场总线（如PROFIBUS）技术，保护现有投资。
作为一个开发的通讯系统，PROFINET基于国际标准（IEEE 802.3，802.3u标准），并且满足特殊的网络部件的工业要求。
未来借助于PROFINET,以太网将能够完成来自运动控制系统，以及网络上现场设备的硬实时要求。
交换机制PROFINET 使用交换以太网作为访问方式。
它由点对点的连接组成。
全部设备都通过点对点连接直接连接其它设备（只连接一个设备）。
交换机允许在两个方向（发送和接收）同时进行通信。
因此，可以提供200 Mbps 的网络性能，相当于快速以太网带宽(100 Mbps) 的2 倍。
通过强制要求PROFINET 采用交换技术，PROFINET 实现了无冲突数据传输。
SIMATIC 交换机利用两种机制满足PROFINET 的实时性要求：“直通”和“存储转发”。
这些交换机制的优点：无需要帧的节点或网络区域不需处理与它们无关的数据。
其带来的空闲网络性能可供其它设备使用。
与传统解决方案不同的是，该解决方案利用交换机制实现了不同网段内部的并行通信，并因而提高了有效带宽。
基于PROFINET的实时通信实时通信实时通信用于将分布式I/O站点连接到控制器，从而利用总线传递传感器和执行器的信号状态。
PROFINET提供两种等级的实时通讯。
实时以太网POWERLINK技术基础
实时以太网POWERLINK技术基础摘要：开源实时通信技术Ethernet POWERLINK是一项在标准以太网介质上，用于解决工业控制及数据采集领域数据传输实时性的最新技术。
本文介绍它的基本原理、相关特性如冗余、直接交叉通信、拓扑结构、安全性设计，并定义其物理层与介质等内容。
关键词：实时性、直接交叉通信、冗余技术、安全技术、时隙管理、多路复用、主从结构、NMT、SDO,PDO1.工业实时以太网技术1.1为什么以太网得到发展？以太网实在上世纪70年代后期就已经被开发的网络通信技术，不像其它系统，从那时到现在以太网的开发从没间断，许多公司进行了大量的投资，以太网技术现在在全世界已经拥有巨大的共享知识积累并在全世界分布。
以太网是一个电缆基础的数据网络技术，它用于本地数据网络LAN，他能够使本地的所有设备数据可以互联，例如，计算机、打印机的数据采用相同的数据帧格式，只是最开始，传统意义的LAN 类型是受制于一个独立的建筑的，以太网技术现在已经可以互联远程单元的设备了。
以太网标准定义了一个电缆和连接器类型，比特信号在传输层的处理细节，以及特定包的格式和协议，参照OSI模型，以太网定义物理层和数据链路层，以太网或多或少包括IEEE802.3，自90年代以来，它逐渐成为了最为广泛使用的LAN技术，并取代其它LAN标准例如令牌环网、以及曾经的工业和工厂网络技术ARCNET，以及在特定应用环境应用的FDDI，以太网可以作为其它网络协议的基础协议如：AppleTalk,DECnet,IPX/SPX,或者TCP/IP。
1.2 CSMA/CD及它带来什么影响？CSMA/CD机制运行原理通俗的讲，以太网是依照共享介质机制来运行的，这意味着，在任意给定时间，所有的网络节点可以向其它节点发送和接收其它节点的信号，每个设备被赋予了一个独立的MAC地址（介质访问控制），它确保了所有网络节点的确定标识，为了防止两个节点同时发送数据而导致数据碰撞，以太网使用CSMA/CD机制（载波侦听访问/碰撞检测），即，每个节点侦听网络，如果它发现网络上没有信号正在传输它就可以发送，然而，某个节点仍然会导致不同节点的并发信号丢失，在这种情况下，碰撞检测阻止该节点的发送，在一个任意的间隔过后，节点尝试一个新的数据发送，数据传输没有数据丢失，但是，这会影响速度。
第4章 以太网接入技术
② DIX Ethernet V2标准的MAC帧格式
· TCP/IP体系经常使用DIX Ethernet V2 标准的MAC帧格式，此时局域网参考模型
中的链路层不再划分LLC子层，即链路层
只有MAC子层。
· DIX Ethernet V2标准的MAC帧格式
如图4-6所示。
· DIX Ethernet V2标准的MAC帧格式由
第 4章 以太网接入技术
· 本章介绍以太网接入技术，主要内容 包括： ● 以太网技术基础 ● 以太网接入技术的基本概念 ● 以太网接入技术的管理
4.1
以太网技术基础
4.2
以太网接入技术基本概念
4.3
以太网接入技术的管理
4.1 以太网技术基础
4.1.1 传统以太网
1、传统以太网的概念
· 以太网(Ethernet)是总线形局域网的一
组成，分配给这两部分的位数随地址类（
A类、B类、C类等）的不同而不同。
网络地址用于路由选择，而主机地址
用于在网络或子网内部寻找一个单独的主 机。
我们可以把“个人电脑”比作“一台 电话”，那么“IP地址”就相当于“电话 号码”，而Internet中的路由器，就相当于 电信局的“程控式交换机”。
同时使用IP地址和MAC地址主要原因
种典型应用，它是美国施乐(Xerox)公司于
1975年研制成功的。
· 传统以太网具有以下典型的特征：
●
采用灵活的无连接的工作方式；
●
●
Байду номын сангаас
采用曼彻斯特编码作为线路传输码型；
传统以太网属于共享式局域网，即传输 共享式局域网要进行介质访问控制，以
介质作为各站点共享的资源；
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目的地址在MAC地址表中
MAC address table E0: E2: E1: E3: 0260.8c01.1111 0260.8c01.2222 0260.8c01.3333 0260.8c01.4444
A
B
0260.8c01.1111
E0
C
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X X
E1
0260.8c01.3333
D
E3
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E0
E1
0260.8c01.3333
C
E2
E3
D
0260.8c01.2222
0260.8c01.4444
• Station A sends a frame to Station C • Switch caches station A MAC address to port E0 by learning the source address of data frames • The frame from station A to station C is flooded out to all ports except port E0 (unknown unicasts are flooded) Page 20
0260.8c01.2222
Station A sends a frame to station C Destination is known, frame is not flooded
Page 22
地址学习与转发
MAC地址的学习与老化
含某一源MAC地址的帧进入交 换机的瞬间，交换机学习到该 MAC地址，并开始进入老化周期；
Switch ASIC
L2FDB
二层交换引擎
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二层交换机工作模型
应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 链路层 物理层 链路层 物理层 链路层 物理层
应用层 表示层 会话层
S witch
传输层 网络层 链路层 物理层
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二层以太网交换机的基本工作过程
检测从端口接收的数据包的源和目的地的MAC（介质访问层） 地址
与系统内部的动态查找表进行搜索，将数据包发送给相应的目 的端口，如果数据包的源地址不在地址表中，则自动学习；如 果数据包的目的地址不在地址表中，则作为Unknown数据包 处理。
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以太网交换机的几个重要概念
存储转发：
从接收端口接收数据包，将其存储在缓存中并进行CRC检查，对错误包进 行处理后再从相应的端口发送出去。
冲突域
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交换机
交换机是一种基于MAC地址识别，能完成封装转发数据包功能 的网络设备。
交换机可以“学习” MAC 地址，并把其存放在内部地址 表中，通过在数据帧的始发者和目标接收者之间建立临时的 交换路径，使数据帧直接由源地址到达目的地址。
交换机可以检查每一个收到的数据包，并对数据包进行相应的 处理，减少误包和错包的出现 避免了冲突的发生
以太网技术基础
编制 刘 俊 审核 代谢寅 版本 V2.0
课程目标
了解以太网的几个发展阶段 熟悉二层交换的基本原理 了解VLAN的定义及其结构和作用
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课程内容
以太网的发展
二层交换的基本原理
VLAN(802.1Q)
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以太网基本概念
“以太网”是Ethernet的中译名，是在二十世纪七十年代由施乐 （Xerox）公司的Palo Alto研究中心（PARC）开发的,是一种广泛使 用的局域网技术 以太网是由IEEE 802.3标准来规定的 传输介质
当两台计算机同时发送数据时，会产生冲突。因此，同一时刻只允许一 台计算机发送数据，效率较低。
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共享式以太网
网络中所有主机的收发都依赖于同一套物理介质，即共享介质 。 同一时刻只能有一台主机在发送，各主机通过遵循CSMA/CD 规则来保证网络的正常通讯。
发送
监听
监听
监听
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交换机A 交换机B
端口汇聚的的机制，如基于MAC地址 VLAN汇聚与业务汇聚
条件： 1.各分离的链路速率相同； 2.各分离的链路必须是全 双工链路； 3.各分离的链路两端参数 一致，比如流量控制；
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流量控制与优先级
流量控制：(IEEE 802.3x ) 数据接收端发现接收缓冲区快用 完，向对端发送PAUSE帧； 对端接收到PAUSE帧后暂停发送， 暂停时间由PAUSE帧指定 如果在PAUSE指定的时间内数据 处理完，则发送延迟为0的PAUSE 帧，对方收到后马上恢复发送。 SDH侧的流控 优先级：(IEEE 802.1p) 在转发处理中(The Forwarding Process)， 出端口对经入口规则过滤后的帧按优先级排成 不同的队列，高优先级队列的帧将被优先转发； (优先级的映射、FCS的重计算)
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基于源MAC进行地址学习
A PORT1 PORT2 PORT4 B PORT3 D
C
L2 Switch
使用MAC地址自动学习和老化机制对 MAC地址表进行维护。
MAC地址· MACA MACB
端口号 1 3
MACC MACD
2 4
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二层交换机工作原理
接收网段上的所有数据帧； 利用接收数据帧中的源MAC地址来建立MAC地址表（源地址自 学习），使用地址老化机制进行地址表维护；
在MAC地址表中查找数据帧中的目的MAC地址，如果找到就将 该数据帧发送到相应的端口（不包括源端口）；如果找不到，就 向所有的端口泛洪（不包括源端口 ）； 向所有端口泛洪广播帧和组播帧（不包括源端口 ）。
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地址学习
MAC address table
A
B
0260.8c01.1111
后续每一个含相同源MAC地址 的帧进入交换机后都重新刷新 MAC地址表，并重新开始老化周 期； 进入老化周期后，若在整个周 期内都没有含相同源MAC地址的 帧进入，则该MAC地址将从MAC 地址表中删除，发往该地址的帧 将被以泛洪（Flood）处理
针对帧的源MAC地址 MAC地址表深度/MAC地址表学习速度
交换式以太网
扩展了网络带宽。 分割了网络冲突域，使得网络冲突被限制在最小的范围内。 交换机作为更加智能的交换设备，能够提供更多用户所要求的功能 ：优先级、虚拟网、远程检测……
发送
接收
发送
交换矩阵
Page 7
接收
以太网技术的进一步发展
以太网速度的迅速提高 从10Mbps向100Mbps、1000Mbps过渡，并进一步向 10000Mbps过渡。 VLAN技术使得以太网的应用日趋灵活。 优先级，组播，三层交换，P-VLAN，S-VLAN... 传输技术的迅猛发展使得以太网技术从局域网走向广域网。 Ethernet Over SDH，QinQ...
E0
E2
E1
E3
0260.8c01.3333
C
D
0260.8c01.2222
0260.8c01.4444
• Initial MAC address table is empty
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地址学习（续）
MAC address table E0: 0260.8c01.1111
A B
二元组（端口号，MAC地址）
地址学习（续）
MAC address table E0: 0260.8c01.1111 E3: 0260.8c01.4444
A
B
0260.8c01.1111
E0 E2
E1 E3.8c01.2222
0260.8c01.4444
• Station D sends a frame to station C • Switch caches station D MAC address to port E3 by learning the source Address of data frames • The frame from station D to station C is flooded out to all ports except port E3 (unknown unicasts are flooded) Page 21
1
2
3
A
10.21.24.44
B
C
10.21.8.8
跨网段的PING过程?
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以太网交换机的主要功能
交换机的主要功能包括物理编址、监测网络拓扑结构、错误 校验、数据转发等。
目前交换机还具备了一些新的功能。
流量控制能力 (IEEE 802.3x) VLAN（ IEEE 802.1Q） 端口汇聚Trunking（ IEEE 802.3ad） 生成树STP(IEEE 802.1D) 组播IGMP SNOOPING
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课程内容
以太网的发展
二层交换的基本原理
VLAN(802.1Q)
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集线器
相当于一个多口的中继器或一条共享的总线
集线器是物理层的设备，它对发来的信号不作任何逻辑处理。
集线器的功能主要有两个：
将每个端口接收到的信号放大后发给其它所有的端口，以此来扩展 网络的直径； 适应结构化布线的需要。
直通方式：
获取包的目的地址后即进行相应转发
地址学习：
交换机自动的读取数据包的源MAC地址，然后将数据包的输入端口号和 源MAC地址一起写入端口-地址对应表中。
包过滤：
包过滤是交换机的重要功能之一，交换机接收到数据包后，检测数据包的 长度、校验和等信息，将非法的和校验和错误的数据包丢弃，不再发送。