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1、计算机网络第 3 章 数据链路层第 3 章 数据链路层3.1 使用点对点信道的数据链路层3.1.1 数据链路和帧3.1.2 三个基本问题3.2 点对点协议 PPP3.2.1 PPP 协议的主要特点3.2.2 PPP 协议的帧格式3.2.3 PPP 协议的工作状态第 3 章 数据链路层（续）3.3 使用广播信道的数据链路层3.3.1 局域网的数据链路层3.3.2 CSMA/CD 协议3.4 使用广播信道的以太网 3.4.1 使用集线器的星形拓扑 3.4.2 以太网的 MAC 层第 3 章 数据链路层（续）3.5 扩展的以太网3.5.1 在物理层扩展以太网3.5.2 在数据链路层扩展以太网3.6
2、高速以太网 3.6.1 几种高速以太网 3.6.2 使用高速以太网进行宽带接入 数据链路层数据链路层使用的信道主要有以下两种类型：o点对点信道。这种信道使用一对一的点对点通信方式。o广播信道。这种信道使用一对多的广播通信方式，因此过程比较复杂。广播信道上连接的主机很多，因此必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机的数据发送。数据链路层的简单模型局域网广域网主机 H1主机 H2路由器 R1路由器 R2路由器 R3电话网局域网主机 H1 向 H2 发送数据链路层应用层运输层网络层物理层链路层应用层运输层网络层物理层链路层网络层物理层链路层网络层物理层链路层网络层物理层R1R2R3H1H2从层次上来
3、看数据的流动数据链路层的简单模型( 续）局域网广域网主机 H1主机 H2路由器 R1路由器 R2路由器 R3电话网局域网主机 H1 向 H2 发送数据链路层应用层运输层网络层物理层链路层应用层运输层网络层物理层链路层网络层物理层链路层网络层物理层链路层网络层物理层R1R2R3H1H2仅从数据链路层观察帧的流动数据链路层功能 数据链路层最主要的功能可归结为以下几点。o（1）结点A的数据链路层把网络层交下来的IP数据报封装成帧。o（2）结点A把封装好的帧发送给结点B的数据链路层。o（3）若结点B的数据链路层收到的帧无差错，则从收到的帧中提取出IP数据报上交给上面的网络层；否则丢弃这个帧。IP 数据
4、报1010 0110帧取出数据链路层网络层链路结点 A结点 B物理层数据链路层结点 A结点 B帧(a)(b)发送帧接收链路IP 数据报1010 0110帧装入数据链路层传送的是帧3.1 使用点对点信道的数据链路层3.1.1 数据链路和帧 o链路(link)是一条无源的点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换结点。n一条链路只是一条通路的一个组成部分。o数据链路(data link) 除了物理线路外，还必须有通信协议来控制这些数据的传输。若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。n现在最常用的方法是使用适配器（即网卡）来实现这些协议的硬件和软件。n一般的适配器都包括了数据链路层
5、和物理层这两层的功能。 数据链路层像个数字管道 o常常在两个对等的数据链路层之间画出一个数字管道，而在这条数字管道上传输的数据单位是帧。o早期的数据通信协议曾叫作通信规程(procedure)。因此在数据链路层，规程和协议是同义语。 结点结点帧帧3.1.2 三个基本问题 (1) 封装成帧(2) 透明传输(3) 差错控制 1. 封装成帧o每一种链路层协议都规定了帧的数据部分的长度上限最大传送单元 MTU (Maximum Transfer Unit)。 帧结束帧首部IP 数据报帧的数据部分帧尾部 MTU数据链路层的帧长从这里开始发送帧开始q帧定界（开始与结束）帧定界（开始与结束） q地址字段（用
6、于寻址）地址字段（用于寻址） q帧类型（或长度帧类型（或长度/ /控制）字段控制）字段q数据数据q帧校验字段（差错控制）帧校验字段（差错控制）帧的开始帧的开始地址地址帧类型或长度帧类型或长度数据数据帧校验帧校验帧的结束帧的结束上图只是帧的一般组成，不同的数据链路层协议所规定的帧格式可能会与其存在微小的区别。用控制字符进行帧定界的方法举例用控制字符进行帧定界的方法举例o透明传输数据链路层协议允许所传送的数据可具有任意形式的比特组合。 2. 透明传输数据部分恰好出现与数据部分恰好出现与EOTEOT一样的代码一样的代码解决办法o1、采用转义字符o2、比特插入转义字符o当数据中出现字符“SOH”或“E
7、OT”时将其转换为另一字符，而这个字符不会被解释为控制字符的。这种方法称为字节插入。如：数据出现的控制字符经字节插入后发送时的字符SOHESC xEOTESC yESCESC z上述控制字符称为转义字符。思考：为什么ESC也要进行转换举例o当数据中出现SOH和EOT时增加转义字符。3. 差错检测o在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比率称为误码率 BER (Bit Error Rate)。o为了保证数据传输的可靠性，在计算机网络传输数据时，必须采用各种差错检测措施。o在数据链路层传送的帧中，广泛使用了循环冗余检验 CRC 的检错技术。 循环冗余检验CRC的原理 发送在前数据000（n
8、 位）除法器FCS（n 位）得出余数发送方数据FCS除法器余数（n 位）得出余数接收方数据FCS（n 位）若余数为 0 则接受；否则丢弃。（n 位）应当注意 o仅用循环冗余检验 CRC 差错检测技术只能做到无差错接受(accept)。o“无差错接受”是指：“凡是接受的帧（即不包括丢弃的帧），我们都能以非常接近于 1 的概率认为这些帧在传输过程中没有产生差错”。o也就是说：“凡是接收端数据链路层接受的帧都没有传输差错”（有差错的帧就丢弃而不接受）。o要做到“可靠传输”（即发送什么就收到什么）就必须再加上确认和重传机制。 3.2 点对点协议 PPP 3.2.1 PPP 协议的特点 o现在全世界使用
9、得最多的数据链路层协议是点对点协议 PPP (Point-to-Point Protocol)。o用户使用拨号电话线接入因特网时，一般都是使用 PPP 协议。 用户到 ISP 的链路使用 PPP 协议 用户至因特网已向因特网管理机构申请到一批 IP 地址ISP接入网PPP 协议PPP 协议最主要的特点 o简单o封装成帧 o透明传输 o支持多种网络层协议 o多种类型链路 o差错检测（不纠正差错） PPP 协议不需要的功能o纠错 o流量控制 o序号 PPP 协议的组成 o PPP 协议有三个组成部分 n一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法。n链路控制协议 LCP (Link Control P
10、rotocol):用于建立、配置和测试数据链路连接。n网络控制协议 NCP (Network Control Protocol):用于支持不同的网络层协议。 3.2.2 PPP 协议的帧格式o标志字段 F = 01111110。o地址字段 A 只置为 11111111。但地址字段实际上并不起作用。o控制字段 C 通常置为 00000011。oPPP 是面向字节的，所有的 PPP 帧的长度都是整数字节。 PPP 协议的帧格式oPPP 有一个 2 个字节的协议字段。n当协议字段为 00000000 00100001 时，PPP 帧的信息字段就是IP 数据报。n若为 11000000 0010000
11、1, 则信息字段是 PPP 链路控制数据。n若为 10000000 00100001，则表示这是网络控制数据。 IP 数据报1211字节12不超过 1500 字节PPP 帧先发送FACFCSF协议信 息 部 分首部尾部透明传输问题 o当 PPP 用在同步传输链路时，协议规定采用硬件来完成比特填充。 o当 PPP 用在异步传输时，就使用一种特殊的字符填充法。 字符填充 o将信息字段中出现的每一个 F 标志的前面插入转义字符 01111101 。 o若信息字段中出现一个转义字符 01111101 , 则在其后插入 01011101。o若信息字段中出现 ASCII 码的控制字符（即数值小于 0010
12、0000 的字符），则在该字符前面要加入一个 01111101 字节，同时将该字符的编码按一定的规则加以改变。 零比特填充 oPPP 协议用在 SONET/SDH 链路时，是使用同步传输（一连串的比特连续传送）。这时 PPP 协议采用零比特填充方法来实现透明传输。o在发送端，只要发现有 5 个连续 1，则立即填入一个 0。接收端对帧中的比特流进行扫描。每当发现 5 个连续1时，就把这 5 个连续 1 后的一个 0 删除， 0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 00 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 00 1 0 0 1 1 1 1 1 0
13、 1 0 0 0 1 0 1 0信息字段中出现了和标志字段 F 完全一样的 8 比特组合发送端在 5 个连 1 之后填入 0 比特再发送出去在接收端把 5 个连 1之后的 0 比特删除会被误认为是标志字段 F 发送端填入 0 比特接收端删除填入的 0 比特零比特填充 3.2.3 PPP 协议的工作状态 使用使用PPPPPP协议的状态图协议的状态图3.3 使用广播信道的数据链路层3.3.1 局域网的数据链路层 o局域网最主要的特点是：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。 o局域网具有如下的一些主要优点：n具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网。局域网上的主机可共享连接在局域网上
14、的各种硬件和软件资源。 n便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活调整和改变。n提高了系统的可靠性、可用性和残存性。从功能的角度来看，局域网特点：共享传输信道。地理范围有限，用户个数有限。传输速率高。误码率低。多采用分布式控制和广播式通信。从网络的体系结构和传输控制规程来看，局域网也有自己的特点 o低层协议简单。o不单独设立网络层。o采用多种媒体访问控制技术。局域网的拓扑 匹配电阻集线器干线耦合器总线网星形网树形网 环形网传统以太网以太网的两个标准 oDIX Ethernet V2 是世界上第一个局域网产品（以太网）的规约。oIEEE 的 802.3 标准。oDIX Ethernet V
15、2 标准与 IEEE 的 802.3 标准只有很小的差别，因此可以将 802.3 局域网简称为“以太网”。o严格说来，“以太网”应当是指符合 DIX Ethernet V2 标准的局域网 数据链路层的两个子层 o为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，802 委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层：n逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control)子层n媒体接入控制 MAC (Medium Access Control)子层。o与接入到传输媒体有关的内容都放在 MAC子层，而 LLC 子层则与传输媒体无关，不管采用何种协议的局域网对 LLC 子层来说都是透明的 媒体接入
16、基本概念1)媒体接入：节点使用通信信道称为媒体接入；2)冲突：在同一信道中，如果有两个或多个站同时发送数据，则信号在信道中发生碰撞，导致数据发送失败，这种现象称为冲突；3)媒体接入协议：为了避免信道冲突，决定由哪个站先用信道的协议称为媒体接入协议；4) 媒体接入子层：数据链路层中专用来解决信道分配的协议层称为媒体接入子层（MAC）。媒体共享技术o静态划分信道n频分复用n时分复用n波分复用n码分复用 o动态媒体接入控制（多点接入）n随机接入。例如，以太网。n受控接入 ，如多点线路探询(polling)，或称为轮询。例如，令牌环。 媒体接入控制方法要解决的问题媒体接入控制方法要解决的问题(1)(1
17、)该哪个结点发送数据？该哪个结点发送数据？(2)(2)发送时会不会出现冲突？发送时会不会出现冲突？(3)(3)出现冲突怎么办？出现冲突怎么办？o最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。当初认为这样的连接方法既简单又可靠，因为总线上没有有源器件。 CSMA/CD 协议 B向 D发送数据 C D A E匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号）匹配电阻不接受不接受不接受接受B只有 D 接受B 发送的数据为了通信的简便以太网采取了两种重要的措施 o采用较为灵活的无连接的工作方式，即不必先建立连接就可以直接发送数据。 o以太网对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。n这样做的理由是局域网信道的
18、质量很好，因信道质量产生差错的概率是很小的。 总线结构与冲突总线结构与冲突载波监听多点接入/碰撞检测 CSMA/CD o“多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。o“载波监听”是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。 o“碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞。 电磁波在总线上的有限传播速率的影响 o当某个站监听到总线是空闲时，也可能总线并非真正是空闲的。 oA 向 B 发出的信息
19、，要经过一定的时间后才能传送到 B。oB 若在 A 发送的信息到达 B 之前发送自己的帧(因为这时 B 的载波监听检测不到 A 所发送的信息)，则必然要在某个时间和 A 发送的帧发生碰撞。o碰撞的结果是两个帧都变得无用。 1 kmABt碰撞t = 2 A 检测到发生碰撞 t = B 发送数据B 检测到发生碰撞 t = t = 0单程端到端传播时延记为 1 kmABt碰撞t = B 检测到信道空闲发送数据t = / 2发生碰撞t = 2 A 检测到发生碰撞 t = B 发送数据B 检测到发生碰撞 t = ABABAB t = 0 A 检测到信道空闲发送数据ABt = 0t = B 检测到发生碰撞
20、停止发送STOPt = 2 A 检测到发生碰撞STOPAB单程端到端传播时延记为 争用期o最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间 2 （两倍的端到端往返时延）就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。o以太网的端到端往返时延 2 称为争用期，或碰撞窗口。o经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。 二进制指数类型退避算法 (truncated binary exponential type)o发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟（退避）一个随机时间才能再发送数据。n确定基本退避时间，一般是取为争用期 2。n定义重传次数 k ，k 10，即 k = Min重传次数, 1
21、0n从整数集合0,1, (2k 1)中随机地取出一个数，记为 r。重传所需的时延就是 r 倍的基本退避时间。n当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。 争用期的长度 o以太网取 51.2 s 为争用期的长度。o对于 10 Mb/s 以太网，在争用期内可发送512 bit，即 64 字节。o以太网在发送数据时，若前 64 字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。 最短有效帧长 o如果发生冲突，就一定是在发送的前 64 字节之内。 o由于一检测到冲突就立即中止发送，这时已经发送出去的数据一定小于 64 字节。 o以太网规定了最短有效帧长为 64 字节，凡长度小于 64 字节的
22、帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。 强化碰撞 o当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时：n立即停止发送数据；n再继续发送若干比特的人为干扰信号(jamming signal)，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。 数据帧干扰信号 TJ人为干扰信号 ABTBt B 发送数据A 检测到冲突开始冲突信道占用时间A 发送数据B 也能够检测到冲突，并立即停止发送数据帧，接着就发送干扰信号。这里为了简单起见，只画出 A 发送干扰信号的情况。CSMA/CDCSMA/CD的流程图的流程图媒体忙？媒体忙？发送帧发送帧冲突？冲突？发送完？发送完？发送发送JamJam堵塞信号堵塞信号 N16?N16?YesYesN
23、oNoNoNoYesYes发送成功发送成功YesYes发送失败发送失败NoNo延迟随机时间延迟随机时间NoNoYesYes发送帧发送帧碰撞次数碰撞次数N+N+CSMA/CDCSMA/CD的发送流程可以概括为的发送流程可以概括为u 先听后发先听后发 u 边听边发边听边发u 冲突停止冲突停止u 延迟重发延迟重发 重要特性o使用 CSMA/CD 协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信（半双工通信）。o每个站在发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。 o这种发送的不确定性使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率。 适配器的作用 o网络接口板又称为通信适配器(adapt
24、er)或网络接口卡 NIC (Network Interface Card)，或“网卡”。 o适配器的重要功能：n进行串行/并行转换。n对数据进行缓存。n在计算机的操作系统安装设备驱动程序。n实现以太网协议。 计算机通过适配器和局域网进行通信 硬件地址至局域网适配器（网卡）串行通信CPU 和存储器生成发送的数据处理收到的数据把帧发送到局域网从局域网接收帧计算机IP 地址并行通信传统以太网的连接方法传统以太网的连接方法 o传统以太网可使用的传输媒体有四种：传统以太网可使用的传输媒体有四种：n铜缆（粗缆或细缆）n铜线（双绞线）n光缆o这样，以太网就有四种不同的物理层。这样，以太网就有四种不同的物理
25、层。 10BASE5粗缆10BASE2细缆10BASE-T双绞线10BASE-F光缆以太网媒体接入控制 MAC数据率（数据率（MbpsMbps）基带或宽带基带或宽带段最大长度（百米）段最大长度（百米）10 Base 510 Base 53.4 使用广播信道的以太网3.4.1 使用集线器的星形拓扑 o现在的以太网都采用星形拓扑，其中心是集线器。每个站需要用两对无屏蔽双绞线（做在一根电缆内），分别用于发送和接收。双绞线的两端使用 RJ-45 插头。由于集线器使用了大规模集成电路芯片，因此集线器的可靠性很高。o星形以太网 10BASE-T 的 “10”代表 10 Mb/s 的数据率，BASE 表示连
26、接线上的信号是基带信号，T 代表双绞线。o由于双绞线电缆的以太网价格便宜而使用方便，使粗缆以太网和细缆以太网都已成为历史，并已从市场上消失了。使用集线器的双绞线以太网 集线器两对双绞线站点RJ-45 插头o10/100 Mbps10/100 Mbps速率；后者被称为速率；后者被称为 “快速快速ethernetethernet”o各节点都连接到集线器上各节点都连接到集线器上 “星型拓扑结构星型拓扑结构”；在节点和适配器间最大距离为在节点和适配器间最大距离为100100米米集线器的一些特点 o集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线的工作，因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行。 o使用集线器的以
27、太网在逻辑上仍是一个总线网，各工作站使用的还是 CSMA/CD 协议，并共享逻辑上的总线。 o集线器很像一个多端口的转发器，工作在物理层。 具有三个端口的集线器具有三个端口的集线器 集线器网卡工作站网卡工作站网卡工作站双绞线3.4.2 以太网的 MAC 层1. MAC 层的硬件地址 o在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或 MAC 地址。 o802 标准所说的“地址”严格地讲应当是每一个站的“名字”或标识符。 o但鉴于大家都早已习惯了将这种 48 位二进制的“名字”称为“地址”，所以本书也采用这种习惯用法，尽管这种说法并不太严格。71在局域网中的每一个适配器都有一个唯一的在局域网中的每一个适配
28、器都有一个唯一的LANLAN地址地址广播地址广播地址 = =FF-FF-FF-FF-FF-FFFF-FF-FF-FF-FF-FF= = 适配器（网卡）适配器（网卡）1A-2F-BB-76-09-AD1A-2F-BB-76-09-AD58-23-D7-FA-20-B058-23-D7-FA-20-B00C-C4-11-6F-E3-980C-C4-11-6F-E3-9871-65-F7-2B-08-5371-65-F7-2B-08-53 LAN LAN(wired or(wired orwireless)wireless)网卡检查 MAC 地址 o网卡从网络上每收到一个 MAC 帧就首先用硬件检查
29、 MAC 帧中的 MAC 地址.n如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他的处理。n否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。o“发往本站的帧”包括以下三种帧： n单播(unicast)帧（一对一）n广播(broadcast)帧（一对全体）n多播(multicast)帧（一对多）2. MAC 帧的格式 o常用的以太网MAC帧格式有两种标准 ：nDIX Ethernet V2 标准nIEEE 的 802.3 标准o最常用的 MAC 帧是以太网 V2 的格式。MAC 帧帧字节6624IP 层物理层物理层目的地址目的地址源地址源地址长度长度/类型类型FCSMAC 层层10101010101010 101
30、01010101010101011前同步码前同步码帧开始帧开始定界符定界符7 字节字节1 字节字节8 字节插入插入数数 据据MAC 子层IP 层层LLC 子层802.2LLC 帧当长度/类型字段表示长度时 802.3MAC 帧以太网以太网 V2 MAC 帧帧这种 802.3 + 802.2 帧已经较少使用目的地址目的地址源地址源地址类型类型数数 据据FCS6624字节46 150043 1497111DSAP SSAP111 控制控制 数数 据据字节DSAPSSAP控制控制IP 数据报数据报IP 数据报MAC 帧物理层物理层MAC 层层IP 层层以太网以太网 V2 MAC 帧帧目的地址目的地址
31、源地址源地址类型类型数数 据据FCS6624字节字节46 1500IP 数据报以太网以太网 V2 V2 的的 MAC MAC 帧格式帧格式目的地址字段 6 字节MAC 帧物理层物理层MAC 层层IP 层层以太网以太网 V2 MAC 帧帧目的地址目的地址源地址源地址类型类型数数 据据FCS6624字节字节46 1500IP 数据报以太网以太网 V2 V2 的的 MAC MAC 帧格式帧格式源地址字段 6 字节MAC 帧物理层物理层MAC 层层IP 层层以太网以太网 V2 MAC 帧帧目的地址目的地址源地址源地址类型类型数数 据据FCS6624字节字节46 1500IP 数据报以太网以太网 V2
32、V2 的的 MAC MAC 帧格式帧格式类型字段 2 字节类型字段用来标志上一层使用的是什么协议，以便把收到的 MAC 帧的数据上交给上一层的这个协议。 MAC 帧物理层物理层MAC 层层IP 层层以太网以太网 V2 MAC 帧帧目的地址目的地址源地址源地址类型类型数数 据据FCS6624字节字节46 1500IP 数据报以太网以太网 V2 V2 的的 MAC MAC 帧格式帧格式数据字段 46 1500 字节数据字段的正式名称是 MAC 客户数据字段最小长度 64 字节 18 字节的首部和尾部 = 数据字段的最小长度 MAC 帧物理层物理层MAC 层层IP 层层以太网以太网 V2 MAC 帧
33、帧目的地址目的地址源地址源地址类型类型数数 据据FCS6624字节字节46 1500IP 数据报以太网以太网 V2 V2 的的 MAC MAC 帧格式帧格式FCS 字段 4 字节当传输媒体的误码率为 1108 时，MAC 子层可使未检测到的差错小于 11014。 当数据字段的长度小于 46 字节时，应在数据字段的后面加入整数字节的填充字段，以保证以太网的 MAC 帧长不小于 64 字节。 MAC 帧物理层物理层MAC 层层IP 层层以太网以太网 V2 MAC 帧帧目的地址目的地址源地址源地址类型类型数数 据据FCS6624字节字节46 1500IP 数据报以太网以太网 V2 V2 的的 MAC
34、 MAC 帧格式帧格式10101010101010 10101010101010101011前同步码前同步码帧开始帧开始定界符定界符7 字节字节1 字节字节8 字节插插入入在帧的前面插入的 8 字节中的第一个字段共 7 个字节，是前同步码，用来迅速实现 MAC 帧的比特同步。第二个字段是帧开始定界符，表示后面的信息就是MAC 帧。 为了达到比特同步，在传输媒体上实际传送的要比 MAC 帧还多 8 个字节o帧的长度不是整数个字节；o用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错；o数据字段的长度不在 46 1500 字节之间。o对于检查出的无效 MAC 帧就简单地丢弃。以太网不负责重传丢弃的帧。 无效的
35、 MAC 帧 o主机使用光纤和一对光纤调制解调器连接到集线器 3.5 扩展的局域网3.5.1 在物理层扩展局域网 以太网集线器光纤光纤调制解调器光纤调制解调器o用多个集线器可连成更大的局域网 3.5 扩展的局域网3.5.1 在物理层扩展局域网 三个独立的碰撞域一系二系三系碰撞域碰撞域碰撞域通过一个主干集线器把各系的以太网连接起来 一系三系二系主干集线器一个更大的碰撞域碰撞域o优点n使原来属于不同碰撞域的局域网上的计算机能够进行跨碰撞域的通信。n扩大了局域网覆盖的地理范围。o缺点n碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。n如果不同的碰撞域使用不同的数据率，那么就不能用集线器将它们互连起来。 用集线器
36、扩展局域网 o在数据链路层扩展局域网是使用网桥。o网桥工作在数据链路层，它根据 MAC 帧的目的地址对收到的帧进行转发。o网桥具有过滤帧的功能。当网桥收到一个帧时，并不是向所有的端口转发此帧，而是先检查此帧的目的 MAC 地址，然后再确定将该帧转发到哪一个端口 3.5.2 在数据链路层扩展局域网 网桥的内部结构网桥的内部结构 站表端口管理 软件网桥协议 实体端口 1端口 2缓存网段 B网段 A111222站地址 端口网桥网桥(1) 接收帧接收帧(2) 缓存缓存(3) 查表查表(4) 过滤和转发。丢弃过滤和转发。丢弃发往同发往同LAN的帧；否则的帧；否则转发到相应端口转发到相应端口(5)逆向学习
37、。逆向学习。端口端口 1端口端口 2丢弃还是转发丢弃还是转发ADataBADataC丢弃丢弃转发转发透明网桥是一种即插即用设备 o只要把网桥接入局域网，不用人工配置转发表网桥就能工作。o网桥依靠转发表来转发帧，也就是网桥中的转发表在网桥开始加电工作后，能够自学习算法，自动建立起自己的转发表（不必人工介入）。o这样的网桥也叫做透明网桥，因为以太网上的站点都看不见已接在以太网上的网桥。 o若从 A 发出的帧从接口 x 进入了某网桥，那么从这个接口出发沿相反方向一定可把一个帧传送到 A。o网桥每收到一个帧，就记下其源地址和进入网桥的接口，作为转发表中的一个项目。o在建立转发表时是把帧首部中的源地址写
38、在“地址”这一栏的下面。o在转发帧时，则是根据收到的帧首部中的目的地址来转发的。这时就把在“地址”栏下面已经记下的源地址当作目的地址，而把记下的进入接口当作转发接口。网桥应当按照以下自学习算法处理收到的帧和建立转发表 地址 接口转发表的建立过程举例B2B1ABCDEF1212地址 接口B 1B AA BA 1F CF 2A BA 1F CF 2o在网桥的转发表中写入的信息除了地址和接口外，还有帧进入该网桥的时间。o这是因为以太网的拓扑可能经常会发生变化，站点也可能会更换适配器（这就改变了站点的地址）。另外，以太网上的工作站并非总是接通电源的。o把每个帧到达网桥的时间登记下来，就可以在转发表中只
39、保留网络拓扑的最新状态信息。这样就使得网桥中的转发表能反映当前网络的最新拓扑状态。 网桥在转发表中登记以下三个信息 网桥的自学习和转发帧的步骤归纳 o网桥收到一帧后先进行自学习。查找转发表中与收到帧的源地址有无相匹配的项目。如没有，就在转发表中增加一个项目（源地址、进入的接口和时间）。如有，则把原有的项目进行更新。o转发帧。查找转发表中与收到帧的目的地址有无相匹配的项目。n如没有，则通过所有其他接口（但进入网桥的接口除外）按进行转发。n如有，则按转发表中给出的接口进行转发。n若转发表中给出的接口就是该帧进入网桥的接口，则应丢弃这个帧（因为这时不需要经过网桥进行转发）。o这是为了避免产生转发的帧
40、在网络中不断地兜圈子。 透明网桥使用了生成树算法 局域网 2局域网 1网桥 2网桥 1 AF不停地兜圈子A 发出的帧F1网桥 1 转发的帧F2网桥 2 转发的帧网络资源白白消耗了o互连在一起的网桥在进行彼此通信后，就能找出原来的网络拓扑的一个子集。在这个子集里，整个连通的网络中不存在回路，即在任何两个站之间只有一条路径。 o为了避免产生转发的帧在网络中不断地兜圈子。o为了得出能够反映网络拓扑发生变化时的生成树，在生成树上的根网桥每隔一段时间还要对生成树的拓扑进行更新。 生成树的得出o过滤通信量。 o扩大了物理范围。o提高了可靠性。o可互连不同物理层、不同 MAC 子层和不同速率（如10 Mb/
41、s 和 100 Mb/s 以太网）的局域网。 使用网桥带来的好处 下面同网桥连接起来较大的以太网具有三个隔离开的碰撞域。 B2B1碰撞域碰撞域碰撞域ABCDEFo存储转发增加了时延。 o在MAC 子层并没有流量控制功能。 o具有不同 MAC 子层的网段桥接在一起时时延更大。o网桥只适合于用户数不太多(不超过几百个)和通信量不太大的局域网，否则有时还会因传播过多的广播信息而产生网络拥塞。这就是所谓的广播风暴。 使用网桥带来的缺点 o集线器在转发帧时，不对传输媒体进行检测。o网桥在转发帧之前必须执行 CSMA/CD 算法。n若在发送过程中出现碰撞，就必须停止发送和进行退避。n在这一点上网桥的接口很
42、像一个网卡。但网桥却没有网卡。 o由于网桥没有网卡，因此网桥并不改变它转发的帧的源地址。 网桥和集线器（或转发器）不同 o1990 年问世的交换式集线器(switching hub)，可明显地提高局域网的性能。o交换式集线器常称为以太网交换机(switch)或第二层交换机（表明此交换机工作在数据链路层）。o以太网交换机通常都有十几个接口（或端口）。因此，以太网交换机实质上就是一个多接口的网桥，可见交换机工作在数据链路层。2. 多接口网桥以太网交换机 o以太网交换机的每个接口都直接与主机相连，并且一般都工作在全双工方式。o交换机能同时连通许多对的接口，使每一对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样
43、，进行无碰撞地传输数据。 o以太网交换机由于使用了专用的交换结构芯片，其交换速率就较高。 以太网交换机的特点o对于普通 10 Mb/s 的共享式以太网，若共有 N 个用户，则每个用户占有的平均带宽只有总带宽(10 Mb/s)的 N 分之一。o使用以太网交换机时，虽然在每个接口到主机的带宽还是 10 Mb/s，但由于一个用户在通信时是独占而不是和其他网络用户共享传输媒体的带宽，因此对于拥有 N 对接口的交换机的总容量为 N10 Mb/s。这正是交换机的最大优点。 独占传输媒体的带宽 用以太网交换机扩展局域网 集线器集线器集线器一系三系二系10BASE-T至因特网100 Mb/s100 Mb/s1
44、00 Mb/s万维网服务器电子邮件 服务器以太网交换机路由器o虚拟局域网 VLAN 是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组。n这些网段具有某些共同的需求。n每一个 VLAN 的帧都有一个明确的标识符，指明发送这个帧的工作站是属于哪一个 VLAN。o虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务，而并不是一种新型局域网。 利用以太网交换机可以很方便地实现虚拟局域网 以太网交换机A4B1以太网交换机VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太网交换机以太网交换机三个虚拟局域网: VLAN1, VLAN2 和 VLAN3以太网交换机A4B1以太网交换机VLAN3C3B3V
45、LAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太网交换机以太网交换机三个虚拟局域网 VLAN1, VLAN2和 VLAN3 的构成 当 B1 向 VLAN2 工作组内成员发送数据时，工作站 B2 和 B3 将会收到广播的信息。以太网交换机A4B1以太网交换机VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太网交换机以太网交换机三个虚拟局域网 VLAN1, VLAN2和 VLAN3 的构成 B1 发送数据时，工作站 A1, A2 和 C1都不会收到 B1 发出的广播信息。 以太网交换机A4B1以太网交换机VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太网交换机以太
46、网交换机三个虚拟局域网 VLAN1, VLAN2和 VLAN3 的构成 虚拟局域网限制了接收广播信息的工作站数，使得网络不会因传播过多的广播信息(即“广播风暴”)而引起性能恶化。 o虚拟局域网协议允许在以太网的帧格式中插入一个 4 字节的标识符，称为 VLAN 标记(tag)，用来指明发送该帧的工作站属于哪一个虚拟局域网。 虚拟局域网使用的以太网帧格式 802.3MAC 帧字节66246 15004MAC 帧目地地址源地址长度/类型数 据FCS长度/类型 = 802.1Q 标记类型 标记控制信息 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 VID 2 字节2 字节插入 4
47、字节的 VLAN 标记4用户优先级CFI3.6.1 几种高速以太网1. 快速以太网o速率达到或超过 100 Mb/s 的以太网称为高速以太网。o在双绞线上传送 100 Mb/s 基带信号的星型拓扑以太网，仍使用 IEEE 802.3 的CSMA/CD 协议。100BASE-T 以太网又称为快速以太网(Fast Ethernet)。 100BASE-T 以太网的特点o可在全双工方式下工作而无冲突发生。此时就不使用 CSMA/CD 协议。oMAC 帧格式仍然是 802.3 标准规定的。o保持最短帧长不变，但将一个网段的最大电缆长度减小到 100 m。三种不同的物理层标准 o100BASE-TXn使
48、用 2 对 UTP 5 类线或屏蔽双绞线 STP。 o100BASE-FX n使用 2 对光纤。 o100BASE-T4n使用 4 对 UTP 3 类线或 5 类线。 2. 吉比特以太网o允许在 1 Gb/s 下全双工和半双工两种方式工作。o使用 802.3 协议规定的帧格式。o在半双工方式下使用 CSMA/CD 协议（全双工方式不需要使用 CSMA/CD 协议）。o与 10BASE-T 和 100BASE-T 技术向后兼容。吉比特以太网的物理层 o1000BASE-X 可使用光纤和铜线传输 。o1000BASE-T 使用铜线传输 。吉比特以太网组网方法吉比特以太网组网方法 在吉比特以太网组网
49、方法中，如何合理地在吉比特以太网组网方法中，如何合理地分配网络带是很重要的，需要根据具体网络的规分配网络带是很重要的，需要根据具体网络的规模与布局，来选择合适的两级或三级网络结构。模与布局，来选择合适的两级或三级网络结构。下图是典型的吉比特以太网组网方法示意图。下图是典型的吉比特以太网组网方法示意图。设计吉比特以太网时，需要注意的问题设计吉比特以太网时，需要注意的问题(1) (1) 一般在网络主干部分需要使用性能很好的千兆以太网主一般在网络主干部分需要使用性能很好的千兆以太网主干交换机，以解决应用中的主干网络带宽的瓶颈问题。干交换机，以解决应用中的主干网络带宽的瓶颈问题。(2) (2) 在网络
50、支干部分考虑使用性能较低一些的千兆以太网支在网络支干部分考虑使用性能较低一些的千兆以太网支干交换机，以满足实际应用对网络带宽的需要。干交换机，以满足实际应用对网络带宽的需要。(3) (3) 在楼层或部门一级，根据实际需要选择在楼层或部门一级，根据实际需要选择100 Mbps100 Mbps集线器集线器或以太网交换机或以太网交换机(4) (4) 用户端使用用户端使用10 Mbps10 Mbps或或100 Mbps100 Mbps以太网卡，将工作站连以太网卡，将工作站连接到接到100Mbps100Mbps集线器或以太网交换机上。集线器或以太网交换机上。3. 10 吉比特以太网o10 吉比特以太网与