正文之前

忘了把后面的丟上來了喇伯。。其實考完之后我就放飛自我了拨与。稻据。寫了一篇體系結(jié)構(gòu)的論文總結(jié)，然后正在寫分布式系統(tǒng)的讀書報告，想哭澳砻酢４以摺！

正文

以太網(wǎng)

• 1975年純ALOHA原始ethernet：<u>單工競爭系統(tǒng)</u>今缚，基本思想：
  • 無連接算柳，先說后聽，想發(fā)就發(fā)姓言，錯了重發(fā)瞬项；
  • 對數(shù)據(jù)幀不編號，不要求對方發(fā)回確認何荚；不可靠交付囱淋，盡力而為
  • 建立在近距離、信道出錯概率小-->局域網(wǎng)餐塘，出錯由高層重發(fā)
• 隨機接入?yún)f(xié)議
  • Time sloted ALHOA妥衣；Aloha;Taking turns
  • CSMA（載波偵聽多路訪問）：先聽后說+指數(shù)退避
    * 1持續(xù)CSMA卵惦、非持續(xù)CSMA辆沦、P持續(xù)CSMA
  • CSMA/CD：多點接入、載波監(jiān)聽条篷、碰撞檢測
    * 信道效率 傳送距離越短需纳，發(fā)送幀時T0越長芦倒，效率越高
• 以太網(wǎng)優(yōu)勢
  • 可擴展（10M—10G），靈活（多種媒介候齿、全/半雙工熙暴、共享/交換）， 便宜慌盯、易于安裝使用、穩(wěn)健性好掂器。

以太網(wǎng)卡與MAC地址模式

• 網(wǎng)卡功能
  • 數(shù)據(jù)的封裝與解封
  • 鏈路管理：CSMA/CD
  • Bit的編碼與解碼
• MAC地址
  • Unicast:單播幀地址,僅對某個網(wǎng)卡
  • Broadcast:廣播幀地址,僅對某個子網(wǎng)
  • Multicast:多播幀地址,組地址
  • 雜收模式：Promiscuous mode:接收總線上所有的可 能接收的幀

高速局域網(wǎng)

快速以太網(wǎng)100 Mbps

• 對10 Mbps 802.3 LAN的改進
  • 局域網(wǎng)發(fā)展史上重要里程碑
• Fast Ethernet標(biāo)準(zhǔn)
  • 1995年亚皂，IEEE通過802.3u標(biāo)準(zhǔn)，實際上是802.3的 一個補充国瓮。原有的幀格式灭必、接口、規(guī)程不變乃摹，只是 將每比特時間從100ns縮短為10ns禁漓。

100Base-TX/F

• 100Base-TX
  • 使用<u>2對</u>5類平衡雙絞線或150?屏蔽平衡電纜，1對 to the hub孵睬，1對 from the hub播歼，全雙工；
  • 5類雙絞線使用125 MHz的信號掰读；
  • 4B/5B編碼秘狞，5個時鐘周期發(fā)送4個比特叭莫，物理層與FDDI兼容，比特率 為 125 * 4/5 = 100 Mbps烁试；
• 100Base-FX
  • 使用2根多模光纖雇初，全雙工
• 100Base-T4 和 100Base-TX 統(tǒng)稱 100Base-T
• 兩種類型的HUB
  • 共享式 HUB，一個沖突域减响，工作方式與802.3相同靖诗，CSMA/CD，二進 制指數(shù)后退算法支示，半雙工 …
  • 交換式HUB呻畸，輸入幀被緩存，一個端口構(gòu)成一個沖突域悼院。

1000Mbps以太網(wǎng)

• 工作方式
  • IEEE 802.3定義的10M/100M以太網(wǎng)一致的CSMA/CD幀格式和MAC層協(xié)議
  • 以太網(wǎng)交換機（全雙工模式）中的千兆端口不能采用共享信道方式訪 問介質(zhì)伤为，不使用 CSMA/CD 協(xié)議,而只能采用專用信道方式.
  • 在專用信道方式下，數(shù)據(jù)的收/發(fā)能夠不受干擾地同步進行.
  • 在半雙工方式下仍使用 CSMA/CD 協(xié)議
  • 物理層采用已有光纖通道技術(shù)据途；
• PAUSE協(xié)議
  • 規(guī)范發(fā)展完善了PAUSE協(xié)議绞愚，不采用CSMA/CD協(xié)議完成全雙工操作。
  • 該協(xié)議采用不均勻流量控制方法最先應(yīng)用于100M以太網(wǎng)中颖医。
• 流控
  • 利用802.3定義的Pause控制幀進行流量控制位衩，要求發(fā)送數(shù)據(jù)節(jié)點暫停 數(shù)據(jù)發(fā)送，避免緩沖區(qū)溢出造成的丟包熔萧。
  • 只有在全雙工時糖驴，才支持Pause流控，半雙工時不支持流控佛致。

萬兆（10Gbps）以太網(wǎng)

• 2002.6月正式發(fā)布802.3ae 10GE標(biāo)準(zhǔn)
  • 只全雙工贮缕，不支持單工和半雙工，也不采用CSMA/CD
  • 不持自協(xié)商俺榆；提供廣域網(wǎng)物理層接口感昼。
• 長距離(40-50KM)網(wǎng)絡(luò)
  • 擴展了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋區(qū)域，且標(biāo)準(zhǔn)簡化罐脊。
  • 支持<u>現(xiàn)存的大量SONET網(wǎng)絡(luò)兼容</u>
• 兩種物理層技術(shù)：
  • 局域網(wǎng)物理層LAN PHY定嗓；10.000Gbps精確10G；
  • 廣域網(wǎng)物理層WAN PHY萍桌；OC-192宵溅，異步SONET/SDH
  • 與10M/100M/1000Mbps幀格式完全相同；

交換機

• 以太網(wǎng)可以是一組直連的主機
• 以太網(wǎng)也可以通過網(wǎng)橋上炎、集線器恃逻、交換機這些 連接設(shè)備進行擴展

以太網(wǎng)的連接設(shè)備

• 集線器（HUB）:物理層互連設(shè)備
  • 1進多出，相同速率，無幀緩沖/線 障隔離辛块，使用方便
  • 帶寬受限 畔派，廣播風(fēng)暴 ，單工傳輸 润绵，通信效率低
• 交換機（Switch）：鏈路層互連設(shè)備
  • 依幀頭信息轉(zhuǎn)發(fā)以太幀线椰；
  • 實現(xiàn)方法
    • 直接交換方式
    • 存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式
    • 改進直接交換方式。

• 廣播域與沖突域
  • 同時共享同一廣播幀的計算機子網(wǎng)
  • 同時共享同一傳播媒介的計算機子網(wǎng)

虛擬局域網(wǎng)

• 不依賴三層交換尘盼，通過虛擬局域網(wǎng)VLAN憨愉，可以將 同一交換機或者多個交換機的廣播域劃分多個廣 播域
• 每個虛擬局域網(wǎng)一個廣播域

交換機-自學(xué)習(xí)功能

交換機采用的是 Datagram (or connectionless) model，每個幀擁有完整地址卿捎，然后通過一個轉(zhuǎn)發(fā)表來確定幀發(fā)往哪個端口

最簡單的情況： 右邊的轉(zhuǎn)發(fā)表是可以通過交換機學(xué)習(xí)自動得到的

交換機生成樹協(xié)議

• 交換機的自學(xué)習(xí)機制可以工作良 好配紫，但是一旦交換機連接存在環(huán) 路，會造成嚴重后果
• B1, B4, and B6 form a loop
• 當(dāng)交換機之間存在多條活動鏈路 時午阵，容易形成環(huán)路躺孝，導(dǎo)致轉(zhuǎn)發(fā)表 的不正確與不穩(wěn)定，并且還會導(dǎo) 致重復(fù)的數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中傳遞底桂， 引起廣播風(fēng)暴植袍，使網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定

• 為了防止交換機之間由于多條活動鏈路而導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)故 障，必須將多余的鏈路置于非活動狀態(tài)籽懦，即不轉(zhuǎn)發(fā)用戶 數(shù)據(jù)包于个，而只留下單條鏈路作為網(wǎng)絡(luò)通信。
• 要實現(xiàn)此功能暮顺，需要依靠生成樹協(xié)議（Spanning Tree Protocol）來完成厅篓，STP將交換網(wǎng)絡(luò)中任何兩個點之間 的多余鏈路置于Blocking（關(guān)閉）狀態(tài)，而只留一條活 動鏈路捶码，當(dāng)使用中的活動鏈路失效時羽氮，立即啟用被 Block的鏈路，以此來提供網(wǎng)絡(luò)的冗余效果宙项。

• 去掉環(huán)路的方法：所有交換機按照樹的方式進行連通
• STP的核心思想是網(wǎng)絡(luò)中選出一臺交換機做為核心交換機乏苦，STP稱其為 Root，也就是根尤筐，功能相當(dāng)于hub-spoke網(wǎng)絡(luò)中的Hub。
• 其它不是Root的交換機則需要留出一條活動鏈路去往根交換機洞就，因為只要普通交換機到根是通的盆繁，到其它交換機也就是通的。

• 只有在一個廣播能夠到達的范圍內(nèi)旬蟋，才需要進行相同的STP計算與選舉 油昂，<u>也就是一個廣播域內(nèi)獨立選舉STP</u>
• 下圖中網(wǎng)絡(luò)被路由器分割成兩個廣播域，所以在兩個網(wǎng)段中，需要進 行獨立的STP計算與選舉

• 交換機之間選舉根交換機（Root）

  • 一個廣播域內(nèi)只能選舉一臺根交換機冕碟。Birdge-ID中優(yōu)先級最高（即數(shù) 字最欣雇铩）的為根交換機，優(yōu)先級范圍為0-65535安寺，如果優(yōu)先級相同厕妖，則 MAC地址小的為根交換機。

• 交換機端口之間選舉根端口（Root Port）

  • 所有非根交換機都要選舉根端口挑庶，選舉規(guī)則為到根交換機的Path Cost 值最小的鏈路言秸。

• 非根交換機選擇指定端口(Designated Port)

  • 簡單地理解為每條連接交換機的物理線路的兩個端口（屬于不同交換機）中，有一個要被選舉為指定端口迎捺。選舉規(guī)則和選舉根端口一樣举畸， 即：到根交換機的Path Cost值最小的鏈路，如果多條鏈路到達根交換機的Path Cost值相同凳枝，則選舉上一跳交換機Bridge-ID最小的鏈路抄沮。

• 剩余端口狀態(tài)為Blocking

  • 在STP選出根交換機，根端口以及指定端口后岖瑰，其它所有 端口全部為Blocking狀態(tài)叛买，為了防止環(huán)路，所有 Blocking端口只有在根端口或指定端口失效锭环、拓撲改變 的時候才會被啟用聪全。

  • 一個端口，在STP中只能處于一種角色辅辩，不可能是兩種角色

交換機生成樹協(xié)議-選舉

• BPDU（Bridge Protocol Data Unit） 交換機間用BPDU報文來選舉难礼，目的地址為layer 2 multicast address 01:80:C2:00:00:00.：

  • Protocol ID 固定為0。
  • Version：0為802.1d玫锋，1為802.1w蛾茉，2為 802.1s。
  • Message type：0為普通BPDU撩鹿，80為TCN谦炬。
  • Flags字段：802.1d時只用到0位和7位，都和 TCN相關(guān)节沦，TCN的ACK報文里0位置1键思，TC報文里 7位置1。
  • Root ID甫贯，Cost of path吼鳞，Bridge ID，Port ID：用于選舉叫搁。

• Path cost計算

  • 每個交換機會把自己鏈路的代價加上接收到的鄰居交換機的Path Cost赔桌，得到總的Path Cost供炎。

選舉過程

1. 當(dāng)交換機打開的時候，所有的端口都處于Listening狀態(tài)疾党，每個交換 機都會認為自己是根交換機（Root ID為自己）音诫，然后都每隔兩秒就 向外發(fā)送一次自己的BPDU。
2. 如果收到的BPDU的Bridge ID比自己的小雪位，則停止轉(zhuǎn)發(fā)自己的BPDU 竭钝，開始轉(zhuǎn)發(fā)更優(yōu)的BPDU，如果比自己的Bridge ID大或者和自己的 Bridge ID相等茧泪，則丟棄該BPDU蜓氨。
3. 持續(xù)15s（轉(zhuǎn)發(fā)延遲）等到BPDU擴散完畢之后，開始各種端口的選舉 队伟，這時候每個BID最小的交換機成了根交換機穴吹，各個交換機通過收到 的BPDU來確定根端口和指定端口。剩下的成為非指定端口嗜侮，轉(zhuǎn)到 blocking狀態(tài)港令。然后進入learning狀態(tài)
4. 進入Learning狀態(tài)之后，填寫MAC地址表锈颗，經(jīng)過15s（轉(zhuǎn)發(fā)延遲）之 后進入Forwarding狀態(tài)顷霹。
5. 進入Forwarding狀態(tài)之后，開始轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)击吱，并且同時接受轉(zhuǎn)發(fā)來自于根的BPDU（Root ID為根交換機）淋淀，維護拓撲。這時只有根交換機發(fā)BPDU覆醇，其他交換機都只是轉(zhuǎn)發(fā)BPDU朵纷。
6. 當(dāng)一個新的交換機加入的時候，端口狀態(tài)是Learning永脓，新的交換機認為自己是根交換機開始發(fā)送BPDU袍辞，也接收對端的BPDU，然后進行進一步的競選常摧。
7. 若競選成功搅吁，則網(wǎng)絡(luò)拓撲就重新變化了，若競選失敗則計算根端口指定端口和非指定端口落午。（30s可以完成）

第二種類型的BPDU包：Topology Change Notification(TCN) BPDU

1. 當(dāng)一臺交換機檢測到拓撲變化后,它就可以發(fā)送TCN給root bridge,注 意TCN是通過root port向root bridge方向發(fā)出的.
2. 當(dāng)交換機從它的designate port接收到TCN類BPDU時,它必須為其做轉(zhuǎn) 發(fā),從它自已的root port上發(fā)送出去TCN類型的BPDU包,這樣一級一級 地傳到root bridge后,TCN的任務(wù)才算完成.
3. 在以上的過程中,無論是哪臺交換機從它的designate port上收到了 TCN類型的BPDU包,它都必須給一個回復(fù),必須從designate port上發(fā) 出TCA位被置1的normal configuration BPDU包
4. 那么當(dāng)TCN傳遍全網(wǎng),直至到達ROOT BRIDGE后,root bridge也要做出 一種回應(yīng),它會發(fā)出一個正常的configuration BPDU包,當(dāng)然會有一些 不同,就是包內(nèi)的TC字段會被置1,TC即topology change,表示發(fā)現(xiàn)拓 撲變化谎懦。
5. 這個包會被所有交換機轉(zhuǎn)發(fā),同樣的TC位會置1,直至傳遍全網(wǎng),所有交 換機都得知拓撲變化為止，原來轉(zhuǎn)發(fā)表作廢溃斋，重新開始選舉党瓮。

重點思考

• 如何加快STP的選舉速度？
• 如何根據(jù)VLAN虛擬局域網(wǎng)進行優(yōu)化盐类？

正文之后

氣Ｄ椤！在跳！分布式系統(tǒng)好難扒固选！Ｃ睢瓷翻！