工业以太网的技术特性及关键技术研究

顾 阳 口尚群立 口余善恩 口高强

网络技术的迅速发展引发了自动控制领域的深刻技术变革，以现场总线和工业以太网技术为代表的控制网络技术是现代自动控制技术与信息网络技术相结合的产物，是下一代自动化设备的标志性技术，是改造传统工业的有力工具，也是信息化带动工业化的重点方向。目前网络控制技术正从传统的控制网络技术经由现场总线向现代控制网络的工业以太网技术方向发展 。

1 工业以太网的技术特性
1．1 工业以太网与商用以太网的主要区别工业以太网作为一种特殊的网络，直接面向生产过程和控制，肩负着工业生产运行一线测量与控制信息传输的特殊任务，并产生或引发物质或能量的运动和转换。因此，它通常应满足强实时性与确定性、高可靠性与安全性、工业现场恶劣环境的适应性、总线供电与本质安全等特殊要求。区别于商用以太网，工业以太网具有以下特性：

① 工业以太网传输的信息多为短帧信息，长度较短，且信息交换频繁；

② 工业以太网中周期与非周期信息同时存在，正常工作状态下，周期信息较多，而非周期信息较少；

③ 它的信息流向具有明显的方向性；

④ 其测量控制信息的传送有一定的顺序性；

⑤它的响应时间要求较严格，为毫秒甚至微秒级水平；

⑥应具有良好的环境适应性，即在高温、潮湿、振动、腐蚀、电磁干扰等工业环境中具有长时间、连续、可靠、完整地传送数据的能力，并能抗工业网的浪涌、跌落和尖
峰干扰；

⑦ 在可燃与易爆场合，工业以太网还应具备防爆性能。

1．2 工业以太网的主要技术特性

1)系统响应的实时性。

工业以太网是与工业现场测量控制设备相连接的一类特殊通信网络，控制网络中数据传输的及时性与系统响应的实时性是控制系统最基本的要求。在工业自动化控制中需要及时地传输现场过程信息和操作指令，要能够支持和完成实时信息的通信。这不仅要求工业以太网传输速度要快，而且响应也要快，即响应实时性要好。

2)网络传输的确定性。

即要保证以太网设备间的传输不能发生冲突或数据的碰撞，让不同设备对网络资源的使用合理有序化。以前，以太网被认为不能用于工业控制领域，这主要是因为以太网的CDMA／CD媒体访问方式不能保证网络(传输时间)的确定性，而现在随着以太网速率不断提高，加上确定性调度算法的研究突破，使网络负荷进一步减轻、碰撞减少，系统的
确定性已得到了很大的提高。

3)总线供电技术。

电气电子工程师协会于2003~6月批准了以太网供电PoE标准- IEEE802．3af。PoE技术是指对现有的以太网CAT一5布线基础架构不用作任何改动的情况下，借助于一根常规以太网线缆在传输数据的同时供应电力，从而保证该线缆在为以太网终端设备传输数据信号的同时，还能为此类设备提供直流供电。

4)要求极高的可靠性。

工业控制网络必须连续运行，它的任何中断和故障都可能造成停产，甚至引起设备和人身事故，因此必须具有极高的可靠性，具体表现在以下三个方面：

① 可使用性要好，网络自身不发生故障。

② 容错能力强，网络系统局部单元出现故障，不影响整个系统的正常工作。

③ 可维护性高，故障发生后能及时发现和及时处理，通过维修使网络及时恢复。

2 EPA关键技术研究
工业以太网EPA(Ethernet for PIant Automation)标准是我国第一个拥有自主知识产权的现场总线标准，并于2007年10月正式进入现场总线国际标准IEC61158(第四版)，成为被IEC承认的国际现场总线标准。

2．1 EPA 通信协议模型
参考ISO／OSI开放系统互连模型(ISO 7498)，EPA标准采用了其中的第一、二、三、四和七层，并在第七层之上增加第八层(即用户层)，共构~26层结构的通信模型。EPA通信协议模型” 参考如图1所示。

1)应用进程AP是在网络上为具体应用执行信息处理的元素，它是驻留在EPA设备中的分布式应用的组成部分。在EPA系统中，将所有的应用进程分为两类，即EPA功能块应用进程和非实时应用进程，他们可以在一个EPA系统中并行运行。

2)EPA应用访问实体描述通信对象、服务以及与上下层接口模型。它为组成一个功能块应用进程的所有功能块实例问的通信提供通信服务，这些服务包括域上载／下载服务、变量访问服务、事件管理服务等。

3)EPA系统管理实体用于管理EPA设备的通信活动，将EPA网络上的多个设备集成为一个协同工作的通信系统。它支持设备声明、设备识别、设备定位、地址分配、时间同步、EPA链接对象管理、即插即用等功能。

4)EPA套接字映射实体提供EPA应用访问实体以及EPA系统管理实体与UDP／IP软件实体之间的映射接口，同时具有报文优先发送管理、报文封装、响应信息返回、链路状况监视等功能。

5)EPA通信调度管理实体用于对EPA设备向网络上发送报文的调度管理。它采用分时发送机制，按预先组态的调度方案，对EPA设备向网络上发送的周期报文与非周期报文发送时间进行控制，以避免碰撞。

6)EPA管理信息库SMIB存放了系统管理实体、EPA通信调度管理实体和应用访问实体操作所需的信息，在SMIB 中，这些信息被组织为对象。如设备描述对象描述了设备位号、通信宏周期等信息，链接对象则描述了EPA应用访问实体服务所需要的访问路径信息等。可以简单理解为EPA网络主要分两个部分，即数据报文的封装／拆分过程和设备间的通信过程。设备间通信调度是EPA研究的一个关键点，目的是实现数据的实时有序通信，这主要是基于时间同步技术和确定性调度技术。

2．2 时间同步技术
EPA通信系统建立在时间同步基础之上，系统时间同步性能的高低直接影响到系统实时通信的质量。因此必须引入专门的机制来解决EPA通信的时间同步问题。目前，EPA系统支持SNTP和IEEE1588[ 精确时钟同步协议。SNTP是由NTP改编而来，为NTP的简化模型，主要用来同步因特网中的计算机时钟。IEEE1588(PTP)标准于2002~ 9月获得批准，并于2002年11月正式出版，该标准定义了一个适于在测量和自动化系统中使用的时钟同步协议。它采用软硬件配合的方式，最高可实现纳秒量级的超高精度的时钟同步，
高于其它网络时间同步协议的精度 】。为尽可能提高EPA实时通信系统的时间精度，一般采用IEEE1588标准来实现EPA通信系统的时钟同步。

2．2．1 PTP系统原理

PTP系统是一个典型的客户、服务器模式，在系统的运行过程中，主时钟充当服务器角色，每隔一段时间(2，4，8，⋯ ⋯ ，60 s)将本地时间发布到网络上；从时钟则充当客户端的角色，对主时钟发送来的时间信息进行接收、计算，同时不定时地进行线路传输延时的计算，以便根据网络情况进行精确的时钟同步。PrI’P协议基于同步数据包被传播和接收时的最精确的匹配时间，每个从时钟通过与主时钟交换同步报文而与主时钟达到同步。这个同步过程分为两个阶段：偏移测量阶段和延迟测量阶段。偏移测量阶段修正从时钟与主时钟之间的时间偏差。延迟测量阶段计算主、从时钟之间的报文传输延迟，之后调整从时钟的本地时间，目的是为了进一步提高PTP系统时钟同步精度。

2．2．2 PTP同步时钟系统的实现
PTP时钟系统的实现涉及到协议定义的若干数据结构、协议状态机的实现、最优主时钟的实现、从时钟本地时间调整等诸多要素，下面给出该协议的核心实现部分。

Default data set：该数据集定义本地时钟的继承特性，当时钟为原主时钟(GrandmasterClock)时数据集中的相应字段会被访问。

数据集定义如下：
typedef struct
{
UInteger8
clock_ communication_ technology；
Octet clock_ uuid_ field[6】；
UIntegerl 6 clock port_ field；
UInteger8 clock_
stratum ；
Octet clockjdentifier【4】；
Integerl6 clock_ variante；
BOOL clock_ followup_ capable；
BOOL preferred；
B00L initializable；
B00L external_ timing；
BOOL is_
boundary_
clock；
Integer8 syncjnterval；
Octet subdomain_ name【16】；
UInteger16 number_
ports；
UInteger16 numb er_
foreign_ records；
}Default_data_set；

主要字段含义说明如下：
1)clock_uuid』ield／／该域代表本地时钟的网卡的MAC地址，网卡的MAC地址理论上讲全球唯一，通常使用6字节(48 bit)来表示，比如：00—01一F4—11一C1—7B。
2)clock stratum／／该域描述任何一个时钟的记时精度，使用一个字节的空间，可取的值为0，1，2，3，4，255，其余的值保留。该域主要作为最优主时钟算法的一个输入参数，用于确定本地时钟是否能够充当主时钟的角色。如果该域取255，则本地时钟永远无法成为最优主时钟。
3)cl0ckjdent er／／当本地时钟是原主时钟时，该域代表本地时钟的标识符。
4)clock_variance／／该域代表原主时钟的时钟偏差，其初始值反映时钟的继承特性。
5)clock_．followup_capable／／该域表示本地时钟在发送了同步报文之后，是否可以发送Follow_up报文。
6)preferred／／该域表示本地时钟是否作为备选的原主时钟。如果该域的值为TRUE，表示本地时钟是备用主时钟集的成员，否则不是。
7)external_timing／／该域表示本地时钟是否可向时钟所处的同步域外的时钟发送同步信号，如果为TRUE则可以发送同步信号，否则不可以。
8)is-boundary_clock／／该域表示本地时钟是否是一个边界时钟，如果为TRUE则是一个边界时钟，否则不是。
9)sync_interval／／该域用来计算本地时钟发送同步报文的时间间隔，其值为2的幂指数，如果取1，则表示每2秒发送一个同步报文，以此类推。

2．3 EPA 确定性调度技术
2．3．1 EPA通信调度原理

EPA 标准规定由EPA 通信调度管理实体保证EPA报文传输的确定性，EPA通信调度管理实体用于对EPA设备向网络上发送报文的调度管理。EPA通信调度管理实体采用分时发送机制，按预先组态的调度方案，对EPA设备向网络上发送的周期报文与非周期报文发送时间进行控制，保证在任意时刻网络上都只有一个报文在传输，以避免碰撞，同时保证了EPA周期报文和优先级高的非周期报文优先发送，加强了实时性。
EPA通信调度管理实体(EPA_CSME)位于数据链路层与网络层之间，EPA_CSME负责对需要发送到网络上的各种数据进行合理调度。在数据发送流程中，其接收IP层传下来的数据并放入EPA CSME的调度缓冲区中，当到达周期时间或者非周期数据优先级轮到时再将数据写入到网卡驱动中，并将数据发送到网络上去。
为了避免网络数据通信过程中数据碰撞的发生，确保数据通信的实时性与确定性，EPA将网络时间分为两个阶段：周期时间和非周期时间。周期时间内所有设备按照分配好的时间片进行通信，非周期时间内按照数据帧优先级进行通信。这样可以保证网络上数据的可靠传输。第一阶段称为周期数据传输阶段 ，第二个阶段为非周期数据传输阶段 。阶段，依据组态，微网段内的所有设备依次访问网络介质。每个EPA现场设备所发送的周期信息包括两部分，一部分是周期信息部分，它主要是指需要按周期传输的测量控制信息，或功能块输入、输出更新数据。第二部分是以广播或多播方式发送的非周期信息声明部分，包括本地设备有无非周期信息发送、本地设备非周期信息优先级以及本地IP地址等信息。在一个周期中，不同设备发送周期信息的时间相对于宏周期的起始时间的偏移量是不同的，避免了有多个设备同时发送信息，从而避免了网络上发生冲突的可能。同时，每个设备发送周期信息在时间上具有确定性。
阶段，进行非周期数据报文的发送。非周期数据是指用于以非周期方式在两个通信伙伴之间传输的数据，如程序的上、下载数据，变量读写数据，事件通知，趋势报告等数据，以及诸如ARP、RARP、HTFP、FTP、T P、ICMP、IGMP等应用数据。非周期报文按其优先级高低、IP地址大小及时间有效方式发送。

2．3．2 通信调度算法设计
2．3．2．1 周期报文发送阶段
该阶段发送的数据一般为实时数据，周期数据的发送主要取决于时钟同步精度及定时器精度。当一个周期报文被送到EPA_CSME时，EPA_CSME将其放到周期报文循环队列，同时当本地设备的周期时间发送偏差到来时，EPA_CSME从周期报文队列里按顺序取出报文进行发送，最后发送非周期数据声明报文。
2．3．2．2 非周期报文发送阶段
每一个需要发送非周期数据报文的本地设备，必须检测网络上当前可以发送的非周期报文级别。如果网络上当前可发送的非周期报文级别高于本地设备的非周期报文级别，则本地设备必须等待高级别的非周期报文发送完毕后，才可获得网络介质的访问权限。此时本地设备必须进一步检测当前剩余的时间是否足够发送非周期报文，如果有足够的时问，则发送非周期数据报文，数据发送完成后，本地设备发送非周期结束声明报文，以释放对网络的占有权，这样网络上的其他设备才可获得网络的使用权。
在非周期报文发送算法中，笔者研究其在软件上的实现是采用基于报文优先级和在报文头结构中增加布尔变量的方法，布尔变量的两种状态分别表示不发送和待发送状态。EPA标准中的报文优先级~ SYg6级，从0到5，其中O表示最高的优先级。所有待发送的报文将布尔变量置为待发送状态，并按优先级别顺序排列，在侦测到网络非占用时，优先级别高的待发送报文即可发送。此方法在实验室试验中已成功应用。

3 结束语
工业以太网技术是当今自动化领域发展的热点之一。它的出现，标志着工业控制技术领域又一新时代的开始。EPA标准作为我国的工业以太网标准，也是我国迄今为止首个被国际标准化组织接收和发布的工业自动化标准，实现了我国工业自动化领域国际标准零的突破。考虑到EPA控制网络是未来的应用方向，而当前这项技术还没有得到真正的成熟应用，所以研究EPA通信的相关技术具有重要的现实意义。

一，以太网的接口和线缆

1，不同以太网标准的技术要求：传输介质与作用距离

2，直连与交叉线的选择：不同种接口（指MDI和MDI-X）选直连，同种接口选交叉，现在能自适应，但旧设备要注意

以太网接口标识：e，f，g

S口是serial接口的意思，也叫高速异步串口，主要是连接广域网的V.35线缆用的，说白了就是路由器和路由器连接时候用的，可以用命令设置带宽，一般也就在10M、8M左右。

F口是FastEthernet接口，叫快速以太网口，主要连接以太网（局域网）用的，说白了就是连接交换机或电脑用的，用普通的双绞线就可以连接，速率默认是100Mbps，可以用命令限速，但是不可能超过100Mbps。

E口是Ethernet接口，叫以太网接口，也是主要连接以太网（局域网）用的，也是用普通的双绞线就可以连接，速率默认是10Mbps，现在新型的设备上已经把这个接口淘汰了。

另外，路由器上还有一个必不可少的接口是Console口，叫控制口，这个接口是用来调试路由器的。

另外有的路由器还有AUX接口，也是控制接口；

G口，是千兆以太网接口，是连接以太网用的。

3，（1）网络设备接口分MDI (Medium Dependent Interface，终端到网络连接设备 )和MDI_X（交叉，终端到终端）两种。

（2）一般路由器的以太网接口、主机的网卡接口类型为MDI。交换机的接口类型可以为MDI或MDI_X。Hub(集线器)的接口类型为MDI_X。即：主机和路由器属于同种；交换机和Hub属于同种

（3）双绞线可以分为直连网线和交叉网线，直连网线用于连接MDI和MDI_X，交叉网线用于连接MDI和MDI，或者MDI_X和MDI_X。即：     直连用于不同种；交叉用于同种

2、以太网有哪几种介质？    

包括同轴电缆、双绞线和光纤。

以太网有哪几种速率？    

10M、100M、1000M、10G。

二，了解以太网端口的几项基本技术：

自协商--以太网速率提高而如何与原10M以太网设备兼容的问题（利旧问题）--常引起ping通问题

流量控制—处理与发送速率不对等—网络的可靠性

端口聚合：提高带宽和可靠性—设备的可靠性  

端口镜像：大流量数据的备份与监测—数据的可靠性

1，（1）自协商功能允许一个网络设备将自己所支持的工作模式信息传递给网络上的对端，并接受对方可能传递过来的相应信息

自协商功能完全由物理层芯片设计实现，简单地是通过上电后测试脉冲实现的因此并不使用专用数据报文或带来任何高层协议开销。

注意：只对双绞线T而言，对光纤通信不支持自协商，需手动配置两端速率/工作模式，如果光纤两端的配置不同，是不能通信的。（实验时需注意，ping不通的原因之一）

（2）以太网电接口有下面三种双工模式

全双工：端口同时发送和接收数据包

半双工：端口同一时刻只能发送数据包或接收数据包

自协商：端口双工状态由本端口和对端端口自动协商而定    

以太网光接口只能工作在全双工模式下

2，流量控制—处理与发送速率不对等（一般是交换机所具有的技术）

半双工—发送csma/cd协议的模拟（不是真正）冲突信号，从而使对方停下

全双工—不使用csma/cd协议，所以采用发送专门的pause帧，并用组播地址01-80-C2-00-00-01进行发送

3，（1）端口聚合：也称为端口捆绑、端口聚集或链路聚合。   端口聚合将多个接口聚合在一起形成1个汇聚组，以实现负载分担。从外面看起来，1个汇聚组好象就是1个接口 。多根链路合并为一根eth-trunk，提高流量负载分组和可靠性（同组成员彼此动态备份）

（2）端口聚合的优点：

第一，增加网络带宽。端口聚合可以将多个连接的接口捆绑成为一个逻辑端口，捆绑后的带宽是每个独立接口的带宽总和。当接口上的流量增加而成为限制网络性能的瓶颈时，采用支持该特性的交换机可以轻而易举地增加网络的带宽（例如，可以将2－4个100Mbit/s端口连接在一起组成一个200—400Mbit/s的连接）

第二，提高网络连接的可靠性。当主干网络以很高的速率连接时，一旦出现网络连接故障，将会导致大量的数据丢失。高速服务器以及主干网络连接必须保证绝对的可靠。采用端口聚合技术可以保障网络连接的可靠性。例如，将一根电缆错误地拔下来不会导致链路中断。也就是说，组成端口聚合的某一接口连接失败，网络数据将自动重定向到那些正常工作的连接上。这个过程非常快，只需要更改一个访问地址就可以了。然后，交换机将数据转到其他端口，该特性可以保证网络无间断地工作。

（3）端口聚合的限制条件

  端口聚合两端的物理参数必须保持一致 进行聚合的链路的数目 、进行聚合的链路的速率 、进行聚合的链路的双工方式  

  端口聚合两端的逻辑参数必须保持一致：同一个汇聚组中端口的基本配置必须保持一致，基本配置主要包括STP、QoS、VLAN、端口等相关配置

           STP配置一致，包括：端口的STP开启/关闭、与端口相连的链路属性（如点对点或非点对点）、STP优先级、路径开                 销、报文发送速率限制、是否环路保护、是否根保护、是否为边缘端口。

           QoS配置一致，包括：流量限速、优先级标记、缺省的802.1p优先级、带宽保证、拥塞避免、流重定向、流量统计等。

           VLAN配置一致，包括：接口上允许通过的VLAN、接口缺省VLAN ID。 接口配置一致，包括：接口的链路类型，如                     Trunk、Hybrid、Access属性。

4，端口镜像：端口镜像一般应用于流量观测和故障定位中，它把特定的业务数据复制一份，传送到监控设备，然后进行镜像数据分析。 端口镜像可以分为基于端口的镜像和基于流的镜像两种。大流量，如视频流量拷贝到其他端口

（1）基于端口的镜像是把被镜像端口的进出数据报文完全拷贝一份到镜像端口，进行流量观测或者故障定位

（2）基于流的镜像只对满足条件的数据流进行镜像。这些流可能具有相同的目地地址，端口号等，可根据需求灵活定义。

5，问题：

（1）什么是自协商技术？  

自协商技术是为了解决不同速率以太网设备之间的兼容性，协商内容包括端口的速度、双工模式等。

（2）半双工流量控制和全双工流量控制有什么区别？    

半双工流量控制使用反向压力（backpressure）方法，当网络拥塞时，交换机将插入“载波检测”或者强行制造一次冲突。    在全双工情况下，IEEE 802.3x规定了一种64字节的“PAUSE”MAC控制帧的格式。当端口发生阻塞时，交换机向信息源发送“PAUSE”帧，告诉信息源暂停一段时间再发送信息。

（3）端口汇聚和端口镜像有什么作用？    

端口汇聚可以提高链路带宽，实现流量负载分担，提高网络的可靠性； 端口镜像一般应用于流量观测和故障定位中，它把特定的业务数据复制一份，传送到监控设备，然后进行镜像数据分析。

三，VLAN技术原理和配置

可以先看这个:https://baijiahao.baidu.com/s?id=1628398215665219628&wfr=spider&for=pc

1，VLAN产生的原因：传统的以太网交换机在转发数据时，采用源地址学习的方式，自动学习各个端口连接的主机的MAC地址，形成转发表，然后依据此表进行以太网帧的转发，整个转发的过程自动完成，所有端口都可以互访，维护人员无法控制端口之间的转发。 该网络存在如下缺陷：

网络的安全性差。由于各个端口之间可以直接互访，增加了用户进行网络攻击的可能性。

网络效率低。用户可能收到大量不需要的报文，这些报文同时消耗网络带宽资源和客户主机CPU资源，例如不必要的广播报文。

业务扩展能力差。网络设备平等的对待每台主机的报文，无法实现有差别的服务，例如无法优先转发用于网络管理的以太网帧。

2，VLAN技术的目标：VLAN(Virtual Local Area Networks)技术把用户划分成多个逻辑的网络(group)，组内可以通信，组间不允许通信。二层转发的单播、组播、广播报文只能在组内转发，并且很容易地实现组成员的添加或删除。

3，通过标签管理实现VLAN：在现有的交换网络环境中，以太网的帧有两种格式： 没有加上VLAN标记的标准以太网帧（untagged frame）；有VLAN标记(VLANID)的以太网帧（tagged frame).支持VLAN技术的交换机，转发以太网帧时不再仅仅依据目的MAC地址，同时还要考虑该端口的VLAN配置情况，从而实现对二层转发的控制.

4,确定标签中的VLAN ID取值：

(1)基于端口：网络管理员给交换机的每个端口配置PVID，即Port VLAN ID，有些场合称为端口默认VLAN。如果收到的是untagged帧，则VLAN ID的取值为PVID。

(2)基于MAC地址：网络管理员配置好MAC地址和VLAN ID的映射关系表，如果收到的是untagged帧，则依据该表添加VLAN ID。

(3)基于协议：网络管理员配置好以太网帧中的协议域和VLAN ID的映射关系表，如果收到的是untagged帧，则依据该表添加VLAN ID。

(4)基于子网：根据报文中的IP地址信息，确定添加的VLAN ID。

(5)基于策略：安全性非常高，基于MAC地址+IP地址、MAC地址+IP地址+接口。成功划分VLAN后，可以达到禁止用户改变IP地址或MAC地址的目的。

注意1:所有以太网帧在交换机内都是以tagged frame的形式流动的，即某端口从本交换机其他端口收到的帧一定是tagged的。 但端口从对端设备收到的帧，可能是untagged或者是tagged的，如果收到的是tagged frame，则进入转发过程，如果该端口收到的是untagged frame，则必须加上标签。 简单地说从交换机内部收到的帧不需要加标签处理；从对端收到的可能需要加标签

注意2:设备同时支持多种方式时，一般情况下，优先使用顺序为：基于策略→基于MAC地址→基于子网→基于协议→基于端口。 基于端口划分VLAN的优先级最低，但是是最常用的VLAN划分方式。

5,交换机端口类型

引入VLAN功能后，交换机的接口被划分为三种类型Access接口、Trunk接口、Hybrid接口，及三种链路类型：access、trunk、hybrid。

(1)access类型只属于一个VLAN，一般用于连接计算机端口。

Access接口，用于连接主机，有如下特点：

 仅仅允许唯一的VLAN ID通过本接口，这个值与接口的PVID相同。

如果该接口收到的对端设备发送的帧是untagged，交换机将强制加上该接口的PVID。

Access接口发往对端设备的以太网帧永远是untagged frame。

很多型号的交换机默认接口类型是access，PVID默认是1，VLAN 1由系统创建，不能被删除。

(2)trunk类型可以允许多个vlan通过，可以接收和发送多个vlan的报文，一般用于交换机之间的端口。

(3)hybrid类型可以允许多个vlan通过，可以接受和发送多个vlan的报文，可以用于交换机之间连接，也可以用于连接用户计算机。

(3)Access端口的收发规则：不接收带标签的数据包，发出的数据包也是不带标签的

Trunk端口的收发规则：接收带标签的数据包，发出的数据包也是带标签

6,问题:1.交换机有哪几种端口类型？

答：access、trunk、hybrid。

2.Trunk端口发往对端设备的一定是tagged frame吗？

答：大多数情况下是tagged frame，但是如果待转发帧的VLAN ID与PVID值相同，则移除标签后转发。

四,VLAN路由

具体还是看这个:https://baijiahao.baidu.com/s?id=1628398215665219628&wfr=spider&for=pc

1,VLAN路由的原理：与真实的LAN类而不同，真实的只用路由器，VlAN的可以用三层交换机

 2,二层交换机和路由器在功能上的集成构成了三层交换机，三层交换机在功能上实现了VLAN的划分、VLAN内部的二层交换和VLAN间路由的功能。(这时相当于二层交换机+路由器=三层交换机,或者说是一个内置了路由软件的二层交换机)

3,VLAN路由的目的是什么？

答：VLAN的优点是可以隔离广播域，但这也引起另外一个问题，就是广播域之间如果需要通信的话，那怎么办呢？在这里就提出了VLAN路由的概念，目的就是为了实现不同VLAN间的相互通信

4.实现VLAN间的通信有多少种方法？

答：如果交换是普通的二层交换机的话，只能通过路由器配置单臂路由实现VLAN间的通信；但如果交换是三层交换机，可以通过配置三层VLAN接口实现VLAN间的通信。

 

五,1,STP概述:

(1)生成树产生的原因：透明网桥的自学习算法中的广播算法与冗余环路结合带来的广播风暴问题；同路由表类似的MAC表的不稳定收敛 (即环路引起的问题:广播风暴和MAC地址表不稳定)

(2)生成树协议STP的作用：消除环路/提供备份

(3)生成树协议STP的基本原理：以树形是连通的/无环路的最小子图

(4)STP协议中的几个基本概念和选取方法：根桥/根端口/指定端口/替换备份端口；选取优先级+MAC地址较小者（与DR中的IP地址不一样）--多个交换机相连时并非所有端口都是活动的)

2,生成树基本计算过程:STP协议中定义了根桥（Root Bridge）、根端口（Root Port）、指定端口（Designated Port）、路径开销（Path Cost）等概念。通过构造一棵树的方法达到裁剪冗余的环路的目的，同时实现链路备份和路径最优化。用于构造这棵树的算法称为生成树算法SPA（Spanning Tree Algorithm）。 为了计算生成树，交换机之间需要交换相关信息和参数，这些信息和参数被封装在配置BPDU（Configuration Bridge Protocol Data Unit）中，在交换机之间传递

生成树形成概述:1. 从所有的网桥（交换机是多端口的网桥）中选择一个作为根网桥；

                           2. 计算从本网桥到根网桥的最短路径；

                           3. 对每一个共享网段，选择距根桥最近的网桥作为指定网桥，负责该网段的数据转发；

                           4. 对每一个网桥，选择一个根端口。从根端口给出的路径是从本网桥到根网桥的最短路径；

                           5.选择除根端口以外的指定端口。

具体行为,自行百度

3,STP存在的问题

(1)临时环路问题

解决临时环路的方法是：在一个端口从不转发状态进入转发状态之前，需要等待一个足够长的时间，以使需要进入不转发状态的端口有足够时间完成生成树计算，并进入不转发状态。

(2)部分VLAN不能互通:

解决方法:多生成树协议MSTP

4,问题:

生成树协议如何在网络中计算出一棵无环的树？

在网络中选出一个根交换机，为每个非根交换机选择一个根端口，为每个网段选择一个指定端口，将既不是根端口也不是指定端口的端口设为阻塞状态。

生成树协议如何解决临时环路问题？

当一个端口从不转发状态转为转发状态之前，要经过两个Forward Delay间隔，以确保网络中其它交换机完成生成树计算。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

详解10G以太网结构、PMD接口及应用的相关知识

　　现在10Gbps的以太网标准已经由IEEE 802.3工作组于2000年正式制定，10G以太网仍使用与以往10Mbps和100Mbps以太网相同的形式，它允许直接升级到高速网络。目的是为了扩展802.3协议，使之能以10Gbps的速率传送数据；扩展以太网的应用范围，使之支持广域网连接。10G以太网继承并发扬了原有的IEEE 802.3协议，它仍使用IEEE 802.3以太网媒质访问控制（MAC，media access control）协议，与IEEE 802.3以太网具有相同的帧格式和帧长范围。
　　

　　10G以太网协议IEEE 802.3ae的结构模型图

　　10G以太网的PMD接口
　　
　　下表是10G以太网的PMD接口可以支持的介质类型和标准，不同的介质和标准支持的传输距离也不相同：
　　　

　　
　　10G以太网的应用
　　
　　10G以太网在局域网、城域网和广域网中都有着十分广阔的应用。
　　
　　1、局域网中的10G以太网
　　
　　以太网是高性能局域网环境中应用最广泛的技术，与千兆以太网一样，10G以太网同样支持单模或多模光纤。使用10G以太网可以使网络运营商更自由的选择数据中心的位置，并可以同时支持80 km以内的多个园区网。在数据中心，交换机和交换机、交换机和服务器之间可以使用成本较低的多模光纤作为10G网络主干。10G主干网构建好了后，运营商就可以提供视频流、医学图像等高带宽业务。下图是10G局域以太网的示例：
　　

　　
　　2、城域网/存储区域网中的10G以太网
　　
　　以太网具有低成本、广泛应用和后向 等特点。在城域以太网中，数据包可以从服务器端的以太网口输出、通过传输网络到铜缆、最后到达用户终端，中间无需对数据帧进行任何拆装或协议转换，整个城域范围都是以太网。10G以太网从功能上能保证这种无缝连接。在10G城域以太网中，服务器端和各端站之间的网络节点可以全部采用10G以太网交换设备，也可以采用支持DWDM技术的传输设备支持中间数据传输。
　　
　　3、广域网中的10G以太网
　　
　　10G以太网可以将互联网和一般网络通过SONET/SDH网络进行高速连接，由于10G以太网具有WAN网络端口，这种连接非常方便，且费用很低。需要注意的是，将10G以太网通过SONET/SDH网络连接到互联网时，同样需要考虑网络接入中的安全和管理等问题。
　　
　　10G以太网不仅具有较高的传输速率，其传输距离也大大提高了，它既可以支持单模光纤连接，也可以支持多模光纤连接，使用单模光纤连接的10G以太网传输距离可以达到80 km。总的来说，10G以太网技术基本继承了以太网、快速以太网及千兆位以太网技术，因此在用户普及率、使用方便性、网络互操作性及简易性上皆占有极大的优势。