以太网技术

CSMA/CD

CSMA/CD(载波侦听多路访问/冲突检测)-对总线型、星型和树型拓扑

基本原理:发送数据之前，先监听信道上是否有人在发送。若有，说明信道正忙，否则说明信道是空闲的，然后根据预定的策略决定：

（1）若信道空闲，是否立即发送。

（2）若信道忙，是否继续监听。

如果连续发生16次碰撞后，认为网络繁忙或故障，不再尝试发送。

二进制指数退避算法

（1）检测到冲突后，马上停止发送数据，并等待随机时间再发送数据

（2）等待的随机时间=2τ*Random[0,1，…2k-1]，其中2τ是基本退避时间，可以看作固定值512比特时间，Random表示随机函数，k=min[重传次数，10]。

如果重传12次后，k=min[12，10]=10，那么可能等待的时间是2τ*Random[0，1023]，一共有1024种可能

每次站点等待的时间都是随机数，故后一次退避时间不一定比前一次长。重传次数越多，退避窗口（即Random取值）越大，从而降低冲突概率。

以太网帧结构

前面7+1字节用于时钟同步，不算入帧长。
数据46-1500字节，不够至少填充到46字节。
校验位4字节，CRC循环冗余校验32位。
最小帧长64字节：6+6+2+46+4=64。
最大帧长1518字节：6+6+2+1500+4=1518

以太网报文封装

以太网物理层规范

命名规范

100BASET-100Mbps、基带传输、T-双绞线,F-光纤

STP屏蔽线、UTP非屏蔽线

100M快速以太网(802.3u)

1000M千兆以太网(802.3z、802.3ab)

10G万兆以太网(802.3ae)

万兆以太网基本应用于点到点线路，不再共享带宽，没有冲突检测，载波监听和多路访问技术也不再重要。万兆以太网和万兆以太网采用与传统以太网同样的帧结构。

VLAN技术

VLAN基础

虚拟局域网VLAN:根据管理功能、组织机构或应用类型对交换局域网进行分段而形成的逻辑网络。

交换机最多支持4094个VLAN，其中默认管理VLAN是VLAN 1，不能创建，也不能删除。

不同VLAN间通信需要经过三层设备，常见的三层设备有路由器、三层交换机、防火墙等

中继器和集线器都是一个冲突域，交换机的一个接口为一个冲突域，一个VLAN为一个广播域

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。

解决机制：CSMA/CD

中继器和集线器都是一个冲突域，交换机的一个接口为一个冲突域

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。
交换机同一VLAN的所有接口连接的节点属于一个广播域，路由器每个接口是一个广播域。

VLAN划分

静态划分VLAN：基于交换机端口。

动态划分VLAN：基于MAC地址、基于策略、基于网络层协议、基于网络层地址。

VLAN作用

（1）控制网络流量。一个VLAN 内部的通信（包括广播通信）不会转发到其他VLAN 中去，从而有助于控制广播风暴，减小冲突域，提高网络带宽的利用率。

（2）提高网络的安全性。可以通过配置VLAN 之间的路由来提供广播过滤、安全和流量控制等功能。不同VLAN 之间的通信受到限制，提高了企业网络的安全性。

（3）灵活的网络管理。VLAN 机制使得工作组可以突破地理位置的限制而根据管理功能来划分。如果根据MAC 地址划分VLAN，用户可以在任何地方接入交换网络，实现移动办公。

802.1Q标签

TPID（标签协议标识）：固定取值为0x8100，表明这是一个携带802.1Q标签的帧
PRI（优先级）：指明帧的优先级。0-7，表示8种优先级，提供有差别的转发服务。
CFI（标准格式指示）：在以太网环境中，这个字段始终为0。
VLAM ID(VLAN标识)：标志了以太网帧属于哪一个VLAN有效取值范围是1 ~ 4094。

交换机端口类型

Access接口：只能传送单个VLAN数据，一般用于连接PC/摄像头等终端。
Trunk接口：能传送多个VLAN数据，一般用于交换机之间互联。
Hybrid接口：混合接口，包含access和trunk属性。
QinQ：双层标签，一般用于运营商城域网

VLAN技术扩展

QinQ：也叫Stacked VLAN 或Double VLAN，该标准出自IEEE 802.1ad，它将用户私网VLAN Tag封装在公网VLAN Tag中，使报文带着两层VLAN Tag穿越运营商的骨干网络。可用VLAN=4094*4094

VxLAN（Virtual eXtensible Local Area Network，虚拟扩展局域网）主要应用于数据中心，满足多租户隔离和虚拟机迁移需求。

1）扩展虚拟网络数量：VxLAN用24bit表示VNI（VxLAN Network Identifier,虚拟网络标识符），可表示1600万个虚拟网络，满足数据中心海量租户隔离的需求。
2）通过定义UDP封装，实现大二层网络，满足数据中心虚拟机迁移需求

SuperVLAN：也叫VLAN聚合（aggrtgate-vlan），可以节省IP地址，同时满足业务隔离的需求。传统网络中一个VLAN对应一个子网，由于每个子网都有网络地址、广播地址，还需要分配Vlanif网关地址，存在较大地址浪费。SuperVLAN技术可以实现不同VLAN共享同一段IP地址，同时又能保证各个VLAN的隔离

MUX-VLAN（Multiplex VLAN）提供了一种通过VLAN进行网络资源控制的机制。
通过MUX-VLAN提供的二层流量隔离的机制可以实现企业内部员工之间互相通信，而企业外来访客之间的互访是隔离的。可以实现业务隔离，还能节省VLAN资源。

MUX-VLAN技术将VLAN分为：主VLAN和辅助VLAN(组VLAN、隔离VLAN)

（1）组VLAN内的端口，可以互通
（2）隔离VLAN内的端口，不可以互通
（3）任何辅助VLAN之间，不可以互通
（4）任何辅助VLAN ，都可以和主VLAN口互通
（5）每个主VLAN，最多只有1个隔离VLAN
（6）在配置MUX-VLAN时候，必须将成员端口启用MUX-VLAN功能

城域网以太网

（1）IEEE802.1ad，E-LAN技术是802.1Q的双层标记，打了两层VLAN标签，这种技术被定义为，也称为QinQ技术。

QinQ实际是把用户VLAN嵌套在运营商城域以太网VLAN中传送。

（2）IEEE802.1ah，也称为PBB，也叫MAC-IN-MAC技术。

以太环网技术

传统网络中解决二层环路问题的技术是生成树协议（Spanning Tree Protocol,STP），但STP收敛时间较长

专门定义了以太环网保护技术，比如RPR（Resilient Packet Ring,弹性分组环）、ERPS（Ethernet Ring Protection Switching,以太环网保护）和RRPP（Rapid Ring Protection Protocol,快速环网保护协议）等。

网关冗余技术

通过把几台路由设备联合组成一台虚拟的“路由设备”，使用一定的机制保证当主机的下一跳路由设备出现故障时，及时将业务切换到备份路由设备，从而保持通讯的连续性和可靠性。

基本概念

VRRP路由器：运行VRRP协议的路由器，如R1和R2

VRID：一个VRRP组（VRRP Group）由多台协同工作的路由器（的接口）组成，使用相同的VRID（VirtualRouter Identifier，虚拟路由器标识符）进行标识。

虚拟路由器：VRRP为每一个组抽象出一台虚拟“路由器”（Virtual Router），该路由器并非真实存在的物理设备，而是由VRRP虚拟出来的逻辑设备。

虚拟IP地址及虚拟MAC地址：虚拟路由器拥有自己的IP地址以及MAC地址，其中IP地址由网络管理员在配置VRRP时指定，一台虚拟路由器可以有一个或多个IP地址，通常情况下用户使用该地址作为网关地址。而虚拟MAC地址的格式是“0000-5e00-01xx”，其中xx为VRID

Master路由器：“Master路由器”在一个VRRP组中承担报文转发任务。在每一个VRRP组中，只有Master路由器才会响应针对虚拟IP地址的ARP Request。Master路由器会以一定的时间间隔周期性地发送VRRP报文，以便通知同一个VRRP组中的Backup路由器关于自己的存活情况。

Backup路由器：也被称为备份路由器。Backup路由器将会实时侦听Master路由器发送出来的VRRP报文，它随时准备接替Master路由器的工作。

Priority：优先级值是选举Master路由器和Backup路由器的依据，优先级取值范围0-255，值越大越优先，值相等则比较接口IP地址大小，大者优先

典型应用

VRRP负载分担通过创建多个虚拟路由器，每个物理路由器在不同的VRRP组中扮演不同的角色，不同虚拟路由器的Virtual lP作为不同的内网网关地址可以实现流量转发负载分担。

VRRP与MSTP结合应用：二层流量通过MSTP实现负载、三层流量通过VRRP实现负载（PS:可用堆叠+链路聚合替代）

VRRP监视上行端口：设备感知上行端口或者链路发生故障时，可主动降低VRRP优先级，从而保证上行链路正常的Backup设备能够通过选举切换为Master状态，指导报文转发。

VRRP与BFD联动通过配置VRRP与BFD联动，当Backup设备通过BFD感知故障发生之后，不再等待Master_Down_Timer计时器超时而会在BFD检测周期结束后立即切换VRRP状态，此时可以实现毫秒级的主备切换。

典型配置

广域网接入

PPP协议

PPP（Point to Point Protocol，点对点协议）协议是提供在点到点线路上传送网络层数据包的一种链路层协议。

PPP包括链路控制协议、网络层控制协议和认证协议（PAP和CHAP），

链路控制协议(Link Control Protocol，LCP)：用于建立、配置和测试数据链路连接。

网络控制协议（Network Control Protocol，NCP）：用于建立、配置不同网络层协议。

认证协议族PAP、CHAP、MS-CHAP：用于保证网络安全。

PPPoE协议

PPPoE（Point-to-Point Protocol over Ethernet）是一种将点对点协议（PPP）封装在以太网帧中的网络协议，主要用于宽带网络接入。

与传统的拨号连接相比，PPPoE在以太网上传输具有更高的效率和稳定性。

它通过一个隧道机制在局域网（LAN）和广域网（WAN）之间传递数据，使得网络操作者能够利用现有的以太网基础设施提供虚拟拨号服务。

HDLC协议

HDLC（High-Level Data Link Control，高级数据链路控制）是一种面向位（比特）同步的数据链路层控制协议。

通常使用CRC-16、CRC-32进行校验，帧边界（代表开始/结束）是01111110

比特填充技术：为了防止数据部分出现帧边界是“01111110”，让对方误以为传输结束，HDLC采用比特填充技术，当数据帧中出现连续的5个连续的1以后，就需要插入1个0，还原的时候出现连续5个1，就把后面的0去掉，比如“011 0111110 01”使用比特填充后是“011 0111110 001”

信息帧（Ｉ帧）：第一位为0，用于承载数据和控制。

 N（S）表示发送帧序号，N（R）表示下一个预期要接收帧的序号，N（R）=5，表示下一帧要接收5号帧。N（S）和N（R）均为3位二进制编码，可取值0～7。

监控帧（S帧）：前两位为10，监控帧用于差错控制和流量控制。

S帧控制字段的第三、四位为S帧类型编码，共有四种不同编码，含义如上表所示。

无编号帧（U帧）：控制字段中不包含编号N（S）和N（R），U帧用于提供对链路的建立、拆除以及多种控制功能，但是当要求提供不可靠的无连接服务时，它有时也可以承载数据。
需要知道SABME、UA、UI、DISC/RD和RESET都是无编号帧。

组播技术

组播应用场景︰网络协议通信和互联网直播等视频业务。

网络协议∶RIPv2(224.0.0.9)、OSPF(224.0.0.4和5)和VRRP(224.0.0.18)都使用组播进行信息交互。

视频业务:IPTV、网络直播等。

组播IP地址:224.0.0.0~239.255.255.255(D类)

组播MAC地址:0100.5e00.0000，根据组播IP地址可以自动生成组播MAC地址。

常见组播协议有:IGMP、PIM、MSDP、MBGP。

MPLS

多协议标签交换（Muti-Protocol Label Swtiching,MPLS）通过在数据链路层和网络层之间增加额外的MPLS标签，基于MPLS标签实现数据快速转发。早期MPLS主要想解决IP转发效率低的问题，但随着时代发展，路由器和交换机等网络设备都实现了硬件芯片转发，解决了传统网络转发效率的问题，导致MPLS技术“英雄无用武之地”，最后MPLS技术在虚拟专用网市场找到了一席之地。MPLS虚拟专用网可以解决广域网通信互联与业务隔离问题。MPLS TE (Tracffic Engineering )流量工程可以用于运营商骨干网，为重点业务提供保障。

MPLS通过LDP进行标签分发，标签操作主要有PUSH、SWAP和POP三种。
( 1 ) PUSH:指当IP报文进入MPLS域时，MPLS边界设备在报文二层首部和IP首部之间插入一个新标签;或者MPLS中间设备根据需要，在标签栈顶增加一个新的标签（即标签嵌套封装)。
( 2 )SWAP︰当报文在MPLS域内转发时，根据标签转发表，用下一跳分配的标签，替换MPLS报文的栈顶标签。

( 3 ) POP:当报文离开MPLS域时，将MPLS报文的标签去掉，或者在MPLS倒数第二跳的节点处去掉栈顶标签，减少标签栈中的标签数目。

QoS

服务质量(Quality of Service,QoS )是为指定的网络通信提供更好的服务能力，用来解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术。QoS包含集成服务体系结构(Integrated Service Architecture,IntServ)和区分服务（Differentiated Service,DiffServ )。

集成服务(IntServ)

集成服务(IntServ)把Internet服务分成以下3种类型∶
( 1)尽力而为的服务(Best-Effort Service )。尽最大的可能来发送报文对延时、可靠性等不提供任何保证。
(2)保障型服务(Guaranted Service)。对时延、带宽、抖动和丢包率等指标提供保障来满足应用程序的要求，如VoIP可预留10M带宽和要求不超过50ms的时延。【定量】
( 3)负载控制的服务(Controlled-load Service )。保证即使在网络过载( overload )的情况下，仍能对某些应用报文提供较好的服务质量，保证某些应用程序报文的低时延和低丢包率需求。【定性】

集成服务(（IntServ)通过4种技术来提供QoS传输机制:
(1)准入控制。对新的QoS通信流要进行资源预约，如果网络中的路由器确定没有足够的资源来保证所请求的QoS，则这个通信流就不会进入网络。
( 2）路由选择算法。可以基于不同的QoS参数（如时延、抖动等）来进行路由选择。

(3）排队规则。考虑不同通信流的不同需求而采用有效的排队规则。
(4）丢弃策略。在缓冲区耗尽而新的分组来到时要决定丢弃哪些分组以支持QoS传输。

集成服务( IntServ)使用资源预留协议（Resource Reservation Protocol , RSVP )，RSVP运行在从源端到目的端的每个设备上（接收方请求资源预留)。要求用户事先申请，声明想要什么样的服务，RSVP要把带宽、时延、抖动和丢包率等参数通知通路上的所有转发设备，以便建立端到端的QoS保障。集成服务模型对设备要求高，缺乏灵活性。集成服务模型从提出至今，没有在IP网络中商用。

区分服务(Diff-Serv）

区分服务(Diff-Serv）是一个多服务模型，它可以满足不同的QoS需求。与Int-Serv不同，它不需要通知网络为每个业务预留资源。DiffServ模型的基本思想是根据预先确定的规则对数据流进行分类(使用IP报头的服务类型字段），给不同类型流量确定不同优先级和操作。
具体操作为∶先对流量分类，然后把类别标记在报文头中，网络各节点只需要简地识别报文中的这些标记，进行相应的处理。即将网络中的流量分成多个类，不同的类采用不同的处理方式。

SDN

传统分布式网络架构
经典的IP网络是一个分布式的、对等控制的网络。每台网络设备存在独立的数据平台、控制平面和管理平面。设备的控制平面对等的交互路由协议，然后独立的生成数据平面指导报文转发。
经典IP网络的优势在于设备与协议解耦，厂家之间兼容性较好且故障场景下协议保证网络收敛。

传统网络问题
(1)网络厂商多，设备多，命令繁，部署维护难。需要额外增加网管软件、运维系统来辅助管理，而SDN的自动化功能可以解决这个问题。
(2)网络流量没法可视化，虽然通过增加网管软件、运维系统也能实现可视化，但SDN流量可视化与分析做得更好。
( 3)数据中心中计算、存储资源已经完成整合，但传统网络整合困难，SDN有助于实现网络虚拟化，完成资源整合。

SDN网络架构

SDN ( Software Defined Networking )即软件定义网络。是由斯坦福大学Clean Slate研究组提出的一种新型网络创新架构。其核心理念通过将网络设备控制平面与数据平面分离，从而实现了网络控制平面的集中控制，为网络应用的创新提供了良好的支撑。
SDN三个特征︰转控分离、集中控制和开放可编程接口。

SDN网络架构分为协同应用层、控制器层和设备层。不同层次之间通过开放接口连接，以控制器层为主要视角，有面向设备层的南向接口和面向协同应用层的北向接口。

OpenFlow是南向接口协议的一种，它定义了三种类型的消息，Controller-to-Switch、Asynchronous和Symmetric。每一种消息又包含了更多的子类型。

Controller-to-Switch

该消息由Controller发送。用于管理Switch和查询Switch的相关信息。

Asynchronous

该消息由Switch发起。当Switch状态发生改变时，发送该消息告诉Controller状态变化。

Symmetric

该消息没有固定发起方，可由Switch或者Controller发起。例如Hello、Echo、Error等。