以太网协议介绍

以太网是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准，该标准定义了在局域网中采用的电缆类型和信号处理方法。

以太网是建立在CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）机制上的广播型网络。

早期的以太网：

冲突的产生是限制以太网性能的重要因素，早起以太网设备如Hub集线器是物理层设备，不能隔绝冲突，限制了网络性能。

交换机组网：

交换机作为一种能隔绝冲突的二层网络设备，极大提高了网络性能，并替代了HUB。但交换机对网络中的广播数据流量不做任何限制，也影响了网络性能。

冲突域

冲突域是指连接在同一共享介质上的所有节点的集合，冲突域内所有节点竞争同一带宽，一个节点发出的报文（无论是单播、组播、广播），其余节点都可以收到。

在传统以太网中，同一个介质上的多个节点共享链路带宽，争用链路，这样就会发生冲突。同一介质上的节点越多，冲突发生的概率越大。

交换机不同的接口发送和接收数据独立，各接口属于不同的冲突域，有效隔离了网络层物理层冲突域。

在共享网络中，以太网使用CSMA/CD技术，避免冲突问题。CSMA/CD过程基本如下：

• 终端设备不停的检测共享线路的状态，如果线路空闲发送数据，不空闲则一直等待。
• 如果有另外一个设备同时发送数据，两个设备发送数据必然冲突，导致线路上的信号不稳定。
• 终端设备检测到不稳定之后，停止发送自己的数据。
• 终端设备发送一连串干扰脉冲，然后等待一段时间之后再进行发送数据。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，线路上已经产生了冲突。

CSMA/CD的工作原理可以总结为：先听后发，边发边听，冲突停发，随机延迟后重发。

广播域

广播报文所能到达的整个访问范围称为二层广播域，简称广播域，同一广播域内的主机都能收到广播报文。

1. 在传统的以太网中，同一介质上的多个节点共享链路，一台设备发出的广播报文，所有设备都会收到。
2. 交换机对广播报文会向所有的接口都转发，所以交换机的所有接口连接的节点属于一个广播域

全1MAC地址FF-FF-FF-FF-FF-FF为广播地址，所有地址都会处理目的地址为广播地址的数据帧。

组播MAC地址：除广播地址外，第8bit为1的MAC地址为组播MAC地址（例如01-00-00-00-00-00），用来代表LAN上的一组终端。

以太网帧介绍

以太网技术所使用的帧称为以太网帧，或简称以太帧。

以太帧的格式有两个标准：Ethernet_II格式和IEEE 802.3格式。

数据帧的总长度为64-1518字节，以太网口的最大传输单元是1500字节，即MTU=1500B

什么是MAC地址

48bit，6Byte，12位16进制数字组成。

1个十六进制代表4个二进制数

比如1122-3344-AABB

其中1122代表16个二进制数。

MAC地址在网络中唯一标识一个网卡，每个网卡都需要并拥有唯一的一个MAC地址。

一块网卡的MAC地址是具有全球唯一性的

MAC地址如同每个人都有身份证号码来标识自己一样，每块网卡也拥有一个用来标识自己的号码，即MAC地址。

MAC地址是在IEEE 802标准中定义并规范的，凡是符合IEEE 802标准的以太网卡，都必须有一个MAC地址，用MAC地址来定义网络设备的位置，不同网卡，MAC地址不同。

IP地址vsMAC地址

IP地址的作用是标识网络中的一个节点，可以通过IP地址进行不同网段的数据访问。

MAC地址的作用是唯一标识一个网卡，可以通过MAC地址进行相同网段的数据访问。

有了IP地址，为什么还要有MAC地址？

主要原因有，IP地址是根据网络拓扑结构分配的，MAC地址是根据制造商分配的，若路由选择建立在设备制造商的基础上，方案是不行的；当存在两层寻址时，设备更灵活，易于移动和维修。

MAC地址构成以及分类

OUI （Organizationally Unique Identifier）：厂商代码，由IEEE分配，3 Byte，24 bit。

制造商分配：3Byte，24 bit

OUI+制造商分配（24bit+24bit=48bit）

MAC地址分为3种类型：

• 单播MAC地址：也称物理MAC地址，这种类型的MAC地址唯一标识以太网上的终端，为全球唯一硬件地址。可以作为源目地址。
• 广播MAC地址：FF-FF-FF-FF-FF-FF。用来表示局域网上的所有终端设备。
• 组播MAC地址：除了广播地址外，第8bit为1（01-00-00-00-00-00），表示局域网上的一组终端。组播MAC地址不能作为源MAC地址，只能作为目的MAC地址。

交换机MAC地址表学习过程：通过源MAC学习，根据目的MAC进行转发

源MAC地址不可能是广播或者组播帧

如何区分MAC地址是单播还是组播？

1、单播以太帧的第8位不可能是1，组播以太帧的第8位是1；

2、例如MAC地址：1111-ACED-2345，或者12-11-33-44-AA-BB，第8位为奇数的话就是组播帧，偶数就是单播帧。

交换机的3种数据帧处理行为

交换机对于从传输介质进入某一端口的帧的处理行为一共有3种：

泛洪、转发、丢弃

局域网上的帧可以通过三种方式发送：

1.单播以太帧，从单一源发送到单一目。

2.广播以太帧：从单一源发送所有目的主机，会产生大量流量，影响网络性能。当需要网络中的所有主机都能接收相同信息并处理的情况下，通常使用广播方式。

3.组播以太帧：从单一源到一组主机，比广播更高效。可以理解为选择性的广播。当需要网络中的一组主机接收相同信息，并且其他主机不受影响的情况下通常使用组播方式。

组播和广播的区别：

交换机收到组播帧和广播帧都会泛洪出去，接收端对于广播帧必须无条件接收；而接收端对于组播帧，会先去看一下是否加入到该组里，比如OSPF使用的组播地址，一台路由器收到组播帧后，因为加入到组播里了，会查看该组播地址；如果没有加入到组里，则不会接收。  

以太网交换机介绍

园区网典型架构：接入层、汇聚层、核心层。

以太网二层交换机：距离终端用户最近的，用于终端接入园区网的，接入层的交换机一般称为二层交换机。

以太网三层交换机：不同局域网之间通信需要路由器来完成，但路由器成本较高、转发性能低，接口数量少，所以出现了三层交换机。

交换机的工作原理：

二层交换机工作在数据链路层，它对数据帧的转发是建立在MAC地址基础之上的。交换机的不同接口发送和接受数据是独立的，各接口属于不同的冲突域，因此有效的隔离了网络中的冲突域。

二层交换机通过学习源以太网数据帧的源MAC地址来维护MAC地址的对应关系（MAC地址表），通过其目的MAC地址来查找MAC地址表决定向哪个接口转发。

MAC地址表：每台交换机中有一个MAC地址表，存放了MAC地址与交换机端口编号之间的映射关系。

交换机转发数据帧时，根据数据帧的目的MAC地址查询MAC地址表，如果MAC地址表中存在该MAC地址，则直接通过出接口转发；如果不存在，交换机将采取泛洪方式除接收接口外的所有接口发送该报文。

交换机的三种数据帧处理行为

交换机会通过传输介质进入其端口的每一个帧都进行转发操作。交换机的基本作用就是转发数据帧。

泛洪：交换机把从某一个端口进来的帧通过所有端口转发出去（所有端口是指除了这个帧进入交换机的那个端口以为的所有端口）

转发：交换机把某一个端口进来的帧通过另一个端口转发出去。（另一个端口不能是这个帧进入交换机的那个端口）

丢弃：交换机把某一端口进来的帧直接丢弃。

泛洪

如果进入到交换机的某个端口的帧是一个单播帧，交换机会去MAC地址表查目的MAC。如果查不到这个MAC地址，则交换机对该帧泛洪。发送ARP请求报文，以广播帧的方式去请求目的MAC地址。

如果是广播帧，交换机不会去查MAC地址表，会直接转发。

转发

如果进入交换机端口的帧是单播帧，交换机会通过MAC地址表查目的MAC，如果查到了MAC地址表，比较这个MAC地址在MAC地址表中，对应的端口是不是这个帧进入交换机端口的编号。如果不是，则执行转发。

比如，主机1去访问主机2，交换机1号口，会学习到目的MAC地址，那么交换机查表，目的MAC地址不是MAC地址表中进入该帧的端口，那么就会转发。

丢弃

如果进入交换机端口的帧是单播帧，交换机通过MAC地址表查目的MAC，如果查到了MAC地址表，比较这个MAC地址在MAC地址表中，对应的端口是不是这个帧进入交换机端口的那个编号。如果是，则执行丢弃。

比如，主机1去访问主机2，交换机1查MAC地址表没有目的MAC，则泛洪，当交换机2收到这个数据帧时，查看MAC地址表，发现目的MAC在MAC地址表中，对应的端口是这个数据帧进入交换机端口的编号，那么交换机2会丢弃。

交换机的MAC地址学习

初始情况，交换机不知道连接主机的MAC地址，所以MAC地址表为空。

假如主机1给主机2发数据，会封装数据帧，包含自己的源IP和MAC，目的IP和MAC，交换机收到后，MAC地址表没有对应表项，则对该“未知单播帧”进行泛洪。

同时，交换机对收到数据帧的源MAC和对应端口编号记录在MAC地址表中。

交换机所有端口连接的主机都会收到该数据帧，但是只有主机2会处理（因为目的MAC是主机2）。

主机2也会回复数据帧给1，也是单播数据帧。

交换机收到该单播数据帧，会查看自己的MAC地址表，发现有对应表项，且收到该帧的端口与目的MAC地址所在端口不一致，则转发。

同时，交换机将收到的数据帧的源MAC地址记录到MAC地址表中。

MAC地址表中动态学习的表有生存周期，MAC地址到达生存周期扔得不到更新将被删除，称为老化时间，华为S系列交换机老化时间缺省值为300秒。

同网段数据通信全过程

1、初始状态，所有设备缓存为空。

2、PC1给PC2发送ARP请求报文，请求目的MAC地址；

     并把PC1的MAC地址和对应端口记录下来；

    交换机收到数据帧后，查表没有对应表项，则向非接收端口泛洪；

3、PC2收到APR请求报文后，发现是找自己，则给PC1回应1个单播帧；

4、交换机收到后，会把PC2的MAC地址和对应端口记录下来；

    并根据目的MAC查表，发现是PC1的，有对应表项，则从其端口转发出去。