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以太网技术
以太网技术
中国电信接入网维护及装维技能竞赛教材编写小组编制
目录
第1章以太网概述3
1.1以太网起源3
1.2以太网发展及标准协议3
1.2.1以太网发展简史3
1.2.2共享式以太网传输介质4
1.2.3标准以太网4
1.2.4快速以太网5
1.2.5千兆以太网6
1.2.6万兆以太网7
第2章LAN原理8
2.1以太网基本技术8
2.1.1半双工CSMA/CD8
2.1.2以太网的物理介质8
2.1.3全双工以太网和以太网交换机9
2.1.4自动协商9
2.1.51000M以太网和10G以太网9
2.1.6以太网的应用10
2.2以太网物理层及相关设备10
2.2.1物理层系列标准10
2.2.2100BASE-TX物理层11
2.2.3自动协商12
2.2.4集线器13
2.3数据链路层14
2.3.1数据链路层特点14
2.3.2以太网链路层的分层结构14
2.3.3MAC子层14
2.3.4LLC子层16
第3章VLAN原理18
3.1VLAN的概念18
3.2VLAN的划分方式18
3.2.1基于端口的VLAN18
3.2.2基于MAC地址的VLAN19
3.2.3基于第三层协议的VLAN19
3.2.4基于组播组的VLAN20
3.2.5基于IP地址影射的VLAN20
3.2.6基于策略的VLAN20
3.3交换机间链路20
3.3.1802.1Q帧格式21
3.3.2数据帧在不同类型端口之间的转发22
3.3.3VLAN的配置22
3.4Isolate-user-VLAN技术23
第4章LAN组网介绍24
4.1IP网络结构24
4.2数据网络的分层结构－组网模型24
4.3宽带接入组网结构25
4.4LAN典型组网应用25
第5章三层交换基本原理26
5.1三层交换原理概述26
5.2三层交换的特点26
5.3三层交换的应用27
5.4三层交换的转发机制及结构27
第1章以太网概述
1.1以太网起源
以太网最初是由Xerox公司开发的一种基带局域网技术，使用同轴电缆作为网络媒体，采用载波多路访问和冲突检测（CSMA/CD）机制,数据传输速率达到10Mbps。
以太网被设计用来满足非持续性网络数据传输的需要，而IEEE802.3规范则是基于最初的以太网技术于1980年制定。
以太网版本2.0由DigitalEquipmentCorporation、Intel和Xerox三家公司联合开发，与IEEE802.3规范相互兼容。
1.2以太网发展及标准协议
1.2.1以太网发展简史
以太网发展简史：
✧1973年，Xerox公司提出以太网技术并实现之，最初以太网数率只有2.94Mbps
✧1980年，DigitalEquipmentCorporation，Intel，Xerox，三家联合推出10MbpsDIX以太网标准
✧1995年，IEEE正式通过了802.3u快速以太网标准
✧1998年，IEEE802.3z千兆以太网标准正式发布
✧1999年，发布IEEE802.3ab标准，即1000BASE-T标准
✧2002年7月18日，IEEE通过了802.3ae，即10Gbit/s以太网，又称为万兆以太网，它包括了10GBASE-R,10GBASE-W,10GBASE-LX4三种物理接口标准。
✧2004年3月，IEEE批准铜缆10G以太网标准802.3ak，新标准将作为10GBASE-CX4实施，提供双轴电缆上的10Gbps的速率
1.2.2共享式以太网传输介质
在共享式以太网之时，使用一种称为抽头的设备建立与同轴电缆的连接。
须用特殊的工具在同轴电缆里挖一个小洞，然后将抽头接入。
此项工作存在一定的风险：
因为任何疏忽，都有可能使电缆的中心导体与屏蔽层短接，导致这个网络段的崩溃。
同轴电缆的致命缺陷是：
电缆上的设备是串连的，单点的故障可以导致这个网络的崩溃。
✧10Base5：
粗同轴电缆（5代表电缆的字段长度是500米）
✧10Base2：
细同轴电缆（2代表电缆的字段长度是200米）
在共享式以太网中，所有的主机都以平等的地位连接到同轴电缆上，但如果以太网中主机数目较多，则存在以下严重问题，其中介质可靠性差是共享式以太网的主要问题。
✧介质可靠性差
✧冲突严重
✧广播泛滥
✧无任何安全性
1.2.3标准以太网
标准以太网（10Mbit/s）通常只定位在网络的接入层，新一代多媒体、影像和数据库产品很容易将10Mbit/s运行的以太网的带宽吞没。
10Mbit/s的以太网可以实现100m距离的连接。
模型分类
网络定位
接入层
最终用户和接入层交换机之间的连接
汇聚层
通常不使用
核心层
通常不使用
80年代末期，非屏蔽双绞线（UTP）出现，并迅速得到广泛的应用。
UTP的巨大优势在于：
✧价格低廉；
✧制作简单；
✧收发使用不同的线缆；
✧逻辑拓扑依旧是总线的，但物理拓扑变为星形；
IEEE802.3线缆
名称
电缆
最大区间长度
10BASE-5
粗同轴电缆
500m
10BASE-2
细同轴电缆
200m
10BASE-T
双绞线
100m
10BASE-F
光纤
2000m
1.2.4快速以太网
数据传输速率为100Mbps的快速以太网是一种高速局域网技术，能够为桌面用户以及服务器或者服务器集群等提供更高的网络带宽。
IEEE为快速以太网制订的标准为IEEE802.3u。
对目前已经建好的标准以太网进行升级的最佳方案就是将网络的速度从10Mbit/s增加到100Mbit/s，用户所需付出的升级费用极低，只需将原有的10M集线器或者以太网交换机升级成快速以太网交换机，用户更换一块100Mbit/s的网卡即可。
快速以太网的应用范围较广，可以直接用作接入层设备和汇聚层设备之间的连接链路，连接各个以太网段的数据流总和。
快速以太网也可以用来提供汇聚层和核心层之间的连接，在这种应用当中，通常采用端口捆绑（Portaggregation）技术，提供更高的带宽。
许多实际运行的网络均存在众多的客户机试图访问同一台服务器的情况，从而在服务器和以太网之间产生瓶颈，为了增强服务器的访问性能，可以通过快速以太网连接以保证快速的访问速度。
快速以太网标准是IEEE802.3u，可以使用现有的UTP或者光缆介质。
但比之标准以太网，它的数据传输速率由10Mbit/s提高到100Mbit/s。
同时，快速以太网也支持标准以太网10Mbit/s的工作方式，做到了良好的向下兼容性。
快速以太网（100Mbit/s）的网络定位
模型分类
网络定位
接入层
为高性能的PC机和工作站提供100Mbit/s的接入
汇聚层
提供接入层和汇聚层的连接，提供汇聚层到核心层的连接，提供高速服务器的连接
核心层
提供交换设备间的连接
快速以太网传输距离
技术标准
线缆类型
传输距离
100BaseTX
EIA/TIA5类（UTP）非屏蔽双绞线2对
100m
100BaseT4
EIA/TIA3、4、5类（UTP）非屏蔽双绞线4对
100m
100BaseFX
多模光纤（MMF）线缆
550m-2km
单模光纤（SMF）线缆
2km-15km
1.2.5千兆以太网
千兆以太网是对IEEE802.3以太网标准的扩展，在基于以太网协议的基础之上，将快速以太网的传输速率100Mbps提高了10倍，达到了1Gbps。
标准为IEEE802.3z（光纤与铜缆）和IEEE802.3ab（双绞线）。
许多汇聚层的以太网交换机均提供千兆接口，用于连接其他的交换机，组成更大的网络，许多支持堆叠功能的以太网交换机也是采用千兆接口实现堆叠功能的。
所谓堆叠，是指通过软硬件的支持，将一组交换机连接起来作为一个对象加以控制的方式，通常有菊花链模式和星型模式。
其最大优点在于可实现简单的本地管理，但由于是一种非标准技术，通常不支持各个厂家交换机的混合堆叠。
某些高性能的UNIX或者视频点播服务器很容易具有上百兆的带宽需求，在这种情况下，采用千兆以太网进行连接是非常好的选择。
对于高性能服务器比较集中的场合，通常也会需要使用千兆以太网交换机进行网络互连。
千兆以太网是建立在以太网协议之上的，但它的数据传输速率是快速以太网的10倍，达到1000Mbit/s，由于千兆以太网使用的协议遵从许多原始的以太网规范，所以，客户可以应用现有的知识和技术进行安装、管理和维护千兆以太网。
千兆（1000Mbit/s）以太网网络定位
模型分类
网络定位
接入层
一般不使用
汇聚层
提供接入层和汇聚层设备间的高速连接
核心层
提供汇聚层和高速服务器的高速连接，提供核心设备间的高速互联
千兆以太网使用1000BASE-X（8B/10B）编码可支持三种介质：
✧光纤（单模和多模）；
✧使用4对线的5类UTP（1000BASE-T）；
✧特殊的两对线STP电缆（也称为短铜跳线ShortCopperJumper）
1000BASE-X支持三种光纤：
✧50um多模光纤
✧62.5um多模光纤
✧9/10um单模光纤
1000BASE-X支持两种用于激光驱动器的光波长：
✧短波（850nm，称为1000BASE-SX）
✧长波（1300nm，称为1000BASE-LX）
千兆以太网传输距离
技术标准
线缆类型
传输距离
1000BaseT
铜质EIA/TIA5类（UTP）非屏蔽双绞线4对
100m
1000BaseCX
铜质屏蔽双绞线
25m
1000BaseSX
多模光纤，50/62.5um光纤，使用波长为850nm的激光
550m/275m
1000BaseLX
单模光纤，9um光纤，使用波长为1300nm的激光
2km-15km
IEEE802.3z的线缆标准如下：
✧1000BaseLX是一种使用长波激光作信号源的网络介质技术，在收发器上配置波长为1270-1355nm（一般为1300nm）的激光，既可以驱动多模光纤，也可以驱动单模光纤。
✧1000BaseSX是一种使用短波激光作为信号源的网络介质技术，收发器上所配置的波长为770-860nm（一般为800nm）的激光传输器不支持单模光纤，只能驱动多模光纤。
✧1000BaseCX使用的一种特殊规格的高质量平衡双绞线对的屏蔽铜缆，最长有效距离为25米，使用9芯D型连接器连接电缆。
IEEE802.3ab的线缆标准如下：
1000BaseT是一种使用5类UTP作为网络传输介质的千兆以太网技术，最长有效距离与100BASETX一样可以达到100米。
用户可以采用这种技术在原有的快速以太网系统中实现从100Mbps到1000Mbps的平滑升级。
1.2.6万兆以太网
已经开始部署，预计未来将有大规模的应用，标准为IEEE802.3ae。
其只有全双工模式。
万兆以太网创造了一些新的概念，例如光物理媒体相关子层（PDM）。
第2章LAN原理
2.1以太网基本技术
2.1.1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）。
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。
2.1.2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跟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。
所有这些物理介质都是沿用了CSMA/CD的访问方式，工作在半双工模式下。
2.1.3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，这些技术增加了业务的丰富性，是以太网技术的灵魂所在，也是本文的重点内容。
2.1.4自动协商
从上面的介绍可以看出，在实际中，以太网的运行有许多种组合，比如双工模式可以选择全双工和半双工，速率可以选择10M，100M，物理介质可以选择五类双绞线和三类双绞线等。
这样丰富的如果对每个终端设备都进行手工配置，必然是一项繁杂而且不可维护的工作。
于是，为了应付这样多种多样的运行模式，自动协商应运而生。
自动协商的主要功能就是使物理链路两端的设备自动通过交互信息，自动选择一种运行模式来运行。
自动协商是建立在双绞线以太网的一种低层机制上的，它只对双绞线以太网有效。
自动协商的内容主要包括双工模式，运行速率，流量控制等内容，一旦协商通过，链路两端的设备就锁定在这样一种运行模式下，直到重新引导设备或重新插拔电缆。
2.1.51000M以太网和10G以太网
随着计算机技术的不断发展，一些新兴的应用逐渐显现，比如大型的分布式数据库和高速的视频图象传输等。
这些应用需要大量的带宽，传统的快速以太网（100M）已经不能满足要求，这时候迫切再次提高以太网的运行速度，提高到1000M是最直接的，即所谓的千兆以太网。
千兆以太网的数据链路层基本上沿用了传统的以太网的链路层（只在半双工运行模式下，与传统以太网的链路层稍微有不同），这样可以很好的保护了投资。
但在物理层上做了改变（为了在物理介质上传送高达1000M的数据比特，千兆以太网沿用了光纤通道的技术），对目前来说，千兆以太网只能用光纤作为物理传输介质，但基于同轴电缆和五类双绞线的千兆以太网正在研制当中，估计不久的将来会投入使用。
千兆以太网技术现在已经完全成熟并大量投入使用，主要应用在数据网络的骨干位置，也应用于连接一些高端的数据库服务器。
正在研究当中的10G以太网也已经初具雏形，到能够商用的地步还有一段时间，但可以预计，在不久的将来，1000M以太网和10G以太网将象现在的10M以太网和快速以太网一样普遍。
2.1.6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：
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告诉端口（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。
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。
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。
2.2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部这些内容，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。
2.2.1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：
✧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；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：
✧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；
✧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；
✧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；
✧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；
✧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。
2.2.2100BASE-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，电瓶采用+5V和-5V交替的形式。
RJ-45接口如下：
五类双绞线的8跟线压入水晶头的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。
需要注意的是，在连接两个相同的网络设备时（比如网卡），需要把线序进行交叉，因为线路两端的设备（比如网卡）的收发顺序是相同的，而两端设备要进行直接连接，其收发必须进行交叉，于是，必须在线路上进行交叉才能达到目的，如
图所示：
但在跟不同类型的网络设备互连，比如终端计算机跟HUB或以太网交换机连接时，却不需要这样，因为这些网络设备的接口上已经做了交叉，也就是说，这些设备的网络接口跟普通计算机的收发顺序是不一致的，因而只要把五类双绞线直接按照原来顺序压入水晶头，就可以把两端的设备正常连接。
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：
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。
2.2.3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
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