第5讲:计算机网络故障诊断与排除以太网络故障诊断与排除2016-12课件.ppt
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1、黎连业计算机网络故障诊断与排除计算机网络故障诊断与排除中科院计算所计算机职业技能培训中心中科院计算所计算机职业技能培训中心 计算机网络故障诊断与排除计算机网络故障诊断与排除讲座教材讲座教材 计算机网络故障诊断与排除计算机网络故障诊断与排除第第 3 3 版版 清华大学清华大学出版社出版社( 2016.12 ) 第第5讲:讲:以太网络故障诊断与排除以太网络故障诊断与排除 当今以太网络互连环境是复杂的,主要原因是:现代的互连网络要求支持更广泛的应用,包括数据、语音、视频及它们的集成传输;网络带宽的需求不断增长;从十兆、百兆向千兆、万兆推进;以太网络故障的重点是:碰撞、以太网络帧、网络性能等。本章重点
2、介绍以下内容:以太网络基础知识;以太网络故障诊断概述;以太网络信息帧碰撞;以太网络帧校验序列故障诊断与排除;网络性能降低时的诊断与排除;节点失去网络连接时的诊断与排除;以太网中常见的故障诊断与排除5.1 以太网络基础知识以太网络基础知识5.1.1 IEEE 802.3标准 IEEE(Institute of Electrical and Electronic Engineers)遵循ISO/OSI参考模型的原则,解决最低两层 物理层和数据链路层的功能及与网络层的接口服务、网际互联有关的高层功能,但把数据链路层分为逻辑链路控制(LLC)子层、介质访问控制(MAC)子层,使数据链路功能中与硬件有关
3、的部分和与硬件无关的部分分开,降低研制互联不同类型物理传输接口数据设备的费用。IEEE 802标准内容如表5-1所示。 在IEEE 802众多标准中,最具有代表性的局域网络标准为802.3、802.4和802.5。其中802.3为以太网,802.4为令牌总线网,802.5为IBM令牌环网。w IEEE 802标准与OSI协议的对应关系如图5-1所示。 5.1.2 IEEE 802.3与以太网的关系1. 以太网的类型 以太网是局域网家族的一员,它包括以下3种主要类型:w 以太网和IEEE 802.3 标准局域网,速率为10Mbps,传输介质为同轴电缆; w 100Mbps以太网 快速以太网,速率
4、为100Mbps,传输介质为双绞线; w 1000-Mbps以太网 千兆级的以太网,速率为1000Mbps,传输介质为光纤和双绞线。w (4)10000Mbps以太网。10000Mbps(万兆)以太网,速率为10000Mbps,传输介质为为光纤和双绞线。万兆以太网标准可分为的三类规范: 基于光纤的局域网万兆以太网规范; 基于双绞线(或铜线)的局域网万兆以太网规范; 基于光纤的广域网万兆以太网规范。(5)100000Mbps以太网。100000Mbps(十万兆)以太网,速率为100000Mbps,十万兆以太网是为超高速接入网,十万兆以太网是为了核心交换,同时为服务器连接所做的优化。十万兆以太网包
5、括40 GBit/s和100 GBit/s。1)40 GBit/s: 仅支持双工工操作 保存使用802.3 MAC的框架格式; 保存802.3信息帧格式 ; 支持40 Gbit/s的MAC数据传输率; 提供支持40 Gbit/s操作的物理层規格。2)100 GBit/s: 仅支持双工工操作 保存使用802.3 MAC的框架格式; 保存802.3信息帧格式 ; 支持40 Gbit/s的MAC数据传输率; 提供支持40 Gbit/s操作的物理层規格。 2. 以太网和IEEE 802.3w 以太网是Xerox 公司发明的基带LAN标准,它采用带冲突检测的载波监听多路访问协议(CSMA/CD),速率为
6、10Mbps,传输介质为同轴电缆。以太网是在20世纪70年代为解决网络中零散的和偶然的堵塞开发的,而IEEE 802.3标准是在最初的以太网技术基础上于1980年开发成功的。现在,以太网一词泛指所有采用CSMA/CD协议的局域网。以太网2.0版由数字设备公司(Digital Equipment Corp)、Intel公司和Xerox公司联合开发,它与IEEE 802.3兼容。w 以太网和IEEE 802.3通常由接口卡(网卡)或主电路板上的电路实现。以太网电缆协议规定用收发器电缆连到网络物理设备上。收发器执行物理层的大部分功能,其中包括冲突检测。收发器电缆将收发器连接到工作站上。 (1) 以太
7、网和IEEE 802.3的工作原理 w 在基于广播的以太网中,所有的工作站都可以收到发送到网上的信息帧。每个工作站都确认该信息帧是否是发送给自己的。一旦确认是发给自己的,就将它发送到高一级的协议层。w 在采用CSMA/CD传输介质访问的以太网中,任何一个CSMA/CD LAN工作站在任何一时刻都可以访问网络。发送数据前,工作站要侦听网络是否堵塞,只有检测到网络空闲时,工作站才能发送数据。w 在基于竞争的以太网中,只要网络空闲,任一工作站均可发送数据。当两个工作站发现网络空闲而同时发出数据时,就发生冲突。这时,两个传送操作都遭到破坏,工作站必须在一定时间后重发。何时重发由延时算法决定。 (2)
8、以太网和IEEE 802.3服务的差别 尽管以太网与IEEE 802.3标准有很多相似之处,但也存在一定的差别。以太网提供的服务对应于OSI参考模型的第1层和第2层,而IEEE 802.3提供的服务对应于OSI参考模型的第1层和第2层的信道访问部分(即第2层的一部分)。IEEE 802.3没有定义逻辑链路控制协议,但定义了几个不同的物理层,而以太网只定义了一个。以太网和IEEE 802.3与OSI参考模型的对应关系如图5-2所示。 下面对以太网和IEEE 802.3的帧域做几点说明。 帧头:由0和1组成,告诉接收站一个帧到了。在以太网帧中,还包含一个与IEEE 802.3帧开始分隔符(SOF)
9、等价的字节。 帧开始分隔符:用以同步局域网中所有工作站对帧的接收,它以两个连续的1结尾。以太网中明确定义了帧开始分隔符。 源地址和目标地址:它们的前3个字节由IEEE指定,后3个字节则由以太网和IEEE 802.3的开发者指定。源地址总是单节点地址,目标地址可以只指向一个节点,也可以指向多个或所有节点。 类型(以太网):指定了以太网处理完毕后用以接收数据的上层协议类型。 长度(IEEE 802.3):指定了数据帧的字节数。 数据(以太网):在物理层和数据链路层处理完毕后,帧中的数据被发送到由类型域指定的上一协议层。尽管以太网标准2.0版没有定义任何填充的方法(与IEEE 802.3相反),但仍
10、希望数据长度至少达到46字节。 数据(IEEE 802.3):物理层和数据链路层处理完毕后,帧中的数据被发送到由其自身指定的上一协议层。如果帧中数据不足64字节,则要插入填充字节,以保证64字节的帧长度。 帧校验序列(FCS):该校验串由发送设备生成,其中含有一个4字节的循环冗余校验值,接收设备通过对它的重新计算,检测帧是否被破坏。 5.1.3 802.3以太网帧和地址格式 1. 规范地址格式w 以太网/802.3(以及802.4,令牌总线)设备以最低位在前的顺序发送字节,而802.5(令牌环)和FDDI采用的是最高位在前的顺序。这个差别相对而言不是那么重要,但是根据规定,目的地址域中是单目地
11、址还是多目地址将由线路上的第一位指明,而不是由地址的最高位或最低位指明。因此,以太网中的多目地址在802.5或FDDI中就有可能不是一个多目地址。这将导致相当程度上的混淆,以及在互操作性方面的问题,此外在网桥、路由器和交换机设备中也将导致更大的复杂性,因为它们将不得不在两种规范之间进行转换。w 为了降低这种混淆性,人们使用了一种规范地址格式,这种格式使用十六进制表示法,并且采用最低位在前的顺序。例如,地址c4-34-56-88-9a-bc 就不是一个多目地址,因为第1个字节的最低位(c4的二进制为1100 0100)是0。其存储方式如图5-5和图5-6所示。 2. 2.0版以太网帧格式w 2.
12、0版以太网帧格式保留大多数网络中广为使用的形式。从以太网最初出现直到1998年,以太网类型域是由Xerox负责维护的,它起到了协议复用域的作用。在1998年,IEEE 802接替Xerox对以太网类型域进行维护。w 该两字节域携带的协议标识信息使得发送设备可以指明它使用的协议,接收设备也可以用它来判断自己是否理解这样一个协议。由于该域长度为16位,所以有足够空间来支持大量的协议。w 为了防止以太网类型值与有效的802.3长度值(两者由同一域携带)相互冲突,有效以太网类型值由0600h开始。与之相对应的长度值为1536字节,该值在作为802.3帧长度值时是非法的。这样,802.3和以太网设备就可
13、以共存。w 在802.3采纳以太网协议之前,有一些早期的协议被赋予了低于0600h范围的以太网类型值,但是随后这些协议要么废弃了,要么就被重新分配了值。 3. IEEE 802.3帧格式(LLC)w 802.2定义了逻辑链路控制(LLC)包头,其目的是使协议信息的交换能够不依赖于底层的MAC技术。虽然这是一个好主意,但结果却不那么完美。服务访问点(SAP)被定义成用来指明目的和源协议类型,同时提供了为不同机器上的同一协议赋予不同编号的灵活性。由于目的SAP(DSAP)和源SAP(SSAP)都只有一个字节,所以这种灵活性是以可以支持的协议数目为代价的。由于保留了单个/组和局部/全局位而将SAP域
14、减少到了6位,所以可支持的协议数目又进一步减少。这些少量的全局SAP的分配由IEEE 802负责维护。w LLC包头内还包括了控制域,用于传递LLC类型和其他信息。LLC类型1几乎专门用于以太网LAN,表示一种“数据报”服务。LLC类型2用于面向连接的服务。LLC类型3用于半可靠服务。 4. 802.3 SNAP封装帧格式w 对全局维护SAP地址模式的SNAP(子网访问协议)扩展是用于支持大量协议需求的。通过使用一个全局维护的SAP值(AAh),那些没有分配全局SAP值(从IEEE 802那里)的协议可以用跟在LLC 包头域后面的5个字节来扩展协议类型域。w 这样就要求将DSAP和SSAP置成
15、全局分配值AAh,用以表明使用了SNAP SAP扩展,此外还要将控制域置03h(指明“无编号信息”,即只是一个数据报)。SNAP扩展的头3个字节被置为分配给以太网制造商的唯一共4位OUI值,余下的2字节用于携带以太网类型信息。5.2 以太网络故障诊断概述 5.2.1 以太网络故障查找的步骤 以太网络故障查找应以确定以太网络的故障点,恢复网络的正常运行为目的。以太网络的故障查找可分为5个步骤: 1收集所有可以收集到的有价值的信息,分析故障的现象; 2 将故障定位到某一特定的网段,或者是单一独立功能组(模块),也可以是某一用户; 3确认是特定的硬件故障还是软件故障;4定位与修复故障;5验证故障的排
16、除, 恢复网络的正常运行。 以太网络故障查找应分网段查找, 先把故障细分或隔离在一个网段上, 从靠近问题的站点入手,分析用户的情况描述,确认故障的现象,排除与修复故障。 以太网络故障查找应注意的事项 由于以太网络的拓扑结构是抛开网络电缆的物理连接来讨论网络系统连接形式的,其形式主要有总线结构、星形结构、环形结构、树形结构、网状结构和分布式结构等。所以某个特定的故障会以不同的方式显示出来,故障查找应注意: 1沿拓扑结构和网段做测试 故障是否只影响该工作站(本地故障)还是会影响其它站点(全局故障)? 故障发生在电缆?网卡?驱动软件? 噪声环境? 接地循环?工作站设置不正确?2要提高测试质量 检查电
17、缆连接(RJ45头、BNC头、工作站); 检查链路层(碰撞问题、帧级错误、负荷过重); 利用专业监测工具。5.3 以太网络信息帧碰撞w以太网络网络发生故障主要表现在碰撞上。w所谓碰撞就是两个站点同时发送信息帧。因为在发送站和接收站之间有不同的连接电缆类型以及各种互连设备,每个网络的构成也未必全部符合所规定的技术指标,也并非所有设备工作都不正常,所以在各种碰撞之间是有微细差别的。我们对这些区别进行以下的详细分析。w如果碰撞很早就被发送站所发现,那么在非正常的帧中就不可能出现SFD(帧起始标志符)。很多网络的监测工具观测不到发生在前同步信号(SFD发送之前)的碰撞。因为这些仪器依赖于以太网的蕊片将
18、信息送至协议层。w在以太网正常工作时,网卡的物理层在没有收到SFD之前并不将任何数据送入数据链路层。特殊的硬件设计(例如Fluke的网络测试仪LAN Meter)才能观察到SFD之前的信号。w一旦发送站发现了碰撞后就会发出一个32比特长的“Jam”(阻塞)信号,在标准中并没有规定阻塞信号是什么样子(只要它不产生一个与它发送信号中的FCS相应的信号即可)。所以大多数网卡只用一个简单的10MHz的时钟信号。如果这个时钟信号比信息发送的早并正好将帧首部分替换,则发送站地址和接收站的地址可能被转换成一样的值。例如全是5。中继器在一个口发现有碰撞后会向其它口发送阻塞信号从而保持所有站都能查到碰撞。对于发
19、生碰撞的原因如表5-1所示,并对表5-1作出叙述。w表5-1 发生碰撞的原因 1. 帧检测序列(FCS)w一个帧中的FCS错误也称为CRC错误。一般帧首的信息是正确的(如地址等),但接收站累加和与帧尾的FCS不相符。单一站的FCS数目过大, 常常表明网卡有问题或软件驱动有问题,如果FCS的错误与多个站点相关则可能是电缆故障,网卡驱动故障,集线器接口故障或噪声的影响。2.短帧(Short Frame)w 一个帧比有效的最短帧(72字节)还小而FCS是正常的则为短帧。某些网络协议分析仪和网络监测仪称之为帧不全(Runts),但这不准确。一般来说你看不见短帧。虽然他们的出现不一定会造成网络故障。短帧
20、的最可能原因就是网卡故障,表现为设置错误或网卡驱动文件损坏。3.帧不全(Runts)w很多网络协议分析仪和网络监测仪都记录Runts。不幸的是Runt一词不是标准的词,即不同产品有不同的含意。“不全”可以是任何长度短于法定帧长的帧,它包括了局部,远端或前端碰撞,也可以是FCS是好的或坏的短帧。4.帧过长(Jabber)w帧过长在802.3标准中定义为比标准的最大长度(1518 Bytes)还要长的帧,但没有说明其FCS是好还是坏。所以一般很难发现帧过长。造成帧过长的可能原因有坏的网卡,网卡中的驱动文件损坏,电缆故障或接地问题等。5.长帧(Long Frame)w比标准最长(1518 Bytes
21、)还长的帧,但FCS是有效的帧称为长帧。其可能的原因是软件设置有问题或网卡驱动文件损坏。6.定位错误(Alignment Error)w该错误是指传送的信息没能以8位字节结尾。换言之,它可以正常地对二进制文件形成完整的字节组,但又多于了几个比特(Bit)(或小于8)。这种错误的通常原因是由于碰撞并且是坏的FCS。7.幻象(Ghosts)w这是由Fluke公司所定义的一类错误。它表示足够大的能量(噪声)出现在电缆中但看起来就好象一个帧,但它没有正常的SFD。而且其长度应大于72Bytes长,否则就属于碰撞。因为其特殊性,所以特别重要的是要注意到测试是在哪一网段中进行的。w某些类型的噪声使某网段上
22、的节点(站点)受骗,使它们认为好象是收到了帧。然而,所感觉的帧从未来到,所以没有数据进入网卡进行处理。过了一会,这种感觉停止,网卡可以发送自己的数据。不同网络接口对此反应不同,没有标准来定义网卡如何以及何时对噪声做出反应。中继器有时会将这种信号送入另一段网络。w幻象造成的现象是网络变慢而又没有明显的原因。文件服务器几乎是空闲,网络监测设备也会报告网络的使用率很低而用户确报怨网络特别慢或完全不工作。这处现象可能是局部的,即很大部分的网络工作正常而某部分却很慢或完全停止工作。w大地环路和其他连线问题是该故障的最常见原因。幻象会使中继器相信这是一个有效信号并将其传送至下一个网段。这再次转发的幻象好象
23、是一个压缩的信号模戒一个非常长的前同步信号。8. 碰撞w大多数网络监测设备不能发现这种问题,其原因是一个,因为它们不能识别前同步的碰撞,这些设备依赖于网卡中的蕊片来发现各种问题。根据事件发生的长度,Fluke公司的网(LAN Meter)会分析出是幻象噪声还是远端碰撞。w在碰撞以后剩余的信息帧的部分称为碎帧(Fragment)这是因为原来的帧已经被损坏而且不完整。根据碎帧的情况我们可以定义三种类型的碰撞。(1)本地碰撞(Local Collision)w本地碰撞如图5-7所示。 w 图5-7 本地碰撞图5-8 远端碰撞 w在同轴线的网中(10Base2和10Base5),信号沿电缆传输直至碰到
24、来自另一个节点的信号。这时波形会叠盖在一起。部分信号会相互抵消(减弱),而部分信号会相互迭加(加强)。而加强的信号部分的电压值会超过所允许的最高电平。这种过压的现象会被本段网的所有节点所观测到,称之为局部碰撞。在双绞线(UTP,10BaseT)网络中,一个站点仅当它在发送端(Tx)发出信号的同时在接收端(Rx)就收到信号时则发现有碰撞。w上述碰撞现象,称为本地碰撞。(2)远端碰撞w远端碰撞如图5-8所示。w如果碰撞发生在中继器的另一端,过压的现象在中继器的这一端就不会发现。在中继器这一侧所发现的是不完整的信息帧。这个缩短的信息帧的FCS将会报告有问题并且不会满足64个字节的帧最小要求。事实上,
25、通常是帧短的几乎整个帧首都看不见(含目的和源地址)。而且还会有“阻塞”的字符出现在缩短了的帧的最后4个8位(一组8个二进制位,有时不严格的称为字节)。w这种帧首缩短的帧称为远端碰撞。其关键的特征是不存在过压现象,帧的长度小于72个字节并且FCS是无效的。w因为10BaseT的集线器基本上是一个多口的中继器而且每个站点就象一个局部网段,所以在10BaseT中的碰撞几乎全是远端碰撞。(3)延迟碰撞w当碰撞发生在帧的前同步信号和前64个字节之后,而且是局部碰撞的现象时(有过压或同时发送和接收),也就是和局部碰撞一样只是发生的较晚一些,这种碰撞称延迟碰撞。一般它只在同轴线的网络(在10BaseT网中,
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