5、数据链路层2（计算机网络笔记）

四、以太网

4.1 概述

• DIX Ehternet V2是世界上第一个局域网产品（以太网）的规约

• IEEE的802.3标准
  DIX Ehternet V2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”。严格来说，“以太网”应当指符合DIX Ehternet V2标准的局域网。

• 以太网与数据链路层的两个子层
  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了两个子层：
  1、逻辑链路控制LLC（Logical Link Control）子层
  2、媒体接入控制MAC（Medium Access Control）子层
  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。由于TCP/IP体系经常使用的局域网是DIX Ehternet V2而不是802.3标准中的几种局域网，因此现在802委员会制定的逻辑链路控制子层LLC（即802.2标准）的作用已经不大了。很多厂商的适配器上就仅装有MAC协议而没有LLC协议。

• 以太网提供的服务
  以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。当接收站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，其他什么也不做。差错的纠正由高层来决定。如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但以太网并不知道这是一个重传的帧，而是当作一个新的数据帧来发送。

4.2 拓扑

• 星型拓扑
  传统以太网最初是使用粗同轴电缆，后来演进到使用比较便宜的细同轴电缆，最后发展为使用更便宜和更灵活的双绞线。不用电缆而使用无屏蔽双绞线。每个站需要用两对双绞线，分别用于发送和接收。这种以太网采用星型拓扑，在星型的中心则增加了一种可靠性非常高的设备，叫做集线器。

• 集线器的一些特点
  集线器是使用电子期间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。集线器使用了大规模继承电路芯片，因此这样的硬件设备的可靠性已大大提高了。使用集线器的以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。集线器很像一个多接口的转发器，工作在物理层。
  

  

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4.3 信道利用率

• 以太网的信道被占用的情况
  争用期长度为2τ，即端到端传播时延的两倍。检测到碰撞后不发送干扰信号。帧长为L（bit），数据发送速率为C（b/s），因而帧的发送时间为L/C=T0(s)。一个帧从开始发送，经可能发生的碰撞后，将再重传次数，到发送成功且信道转为空闲（即再经过时间τ使得信道上无信号在传播）时为止，是发送一帧所需的平均时间。
  

  

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• 信道利用率：参数a

  • 要提供以太网的信道利用率，就必须减小τ与T0之比。在以太网中定义了参数a，它是以太网单程端到端时延τ与帧的发送时间T0之比：a = τ/T0
  • a趋向于0表示一发生碰撞就能检测出来，并立即停止发送，因而信道利用率很高。
  • a越大，标明争用期所占的比例增大，每发生一次碰撞就浪费许多信道资源，使得信道利用率明显降低。
  • 对以太网参数的要求
    1、当数据率一定时，以太网的连线的长度收到限制，否则τ的数值会太大
    2、以太网的帧长不能太短，否则T0的值会太小，使a值太大。
  • 信道利用率的最大值
    1、在理想化情况下，以太网上的各站发送数据都不会产生碰撞（这显然已经不是CSMA/CD，而是需要使用一种特殊的调度方法），即总线一旦空闲就有某一个站立即发送数据。
    2、发送一帧占用线路的时间是T0+τ，而帧本身的发送时间是T0。于是我们可计算出理想情况下的极限信道利用率Smax为：Smax = T0/(T0 + τ) = 1/(1+a)。

4.4 MAC层

• MAC层的硬件地址（MAC地址）
  在局域网中，硬件地址又称物理地址，或MAC地址。802标准所说的“地址”严格来讲应当是每一个站的“名字”或标识符。但鉴于大家都早已习惯将这种48位“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。
  1、IEEE的注册管理机构RA负责向厂家分配地址字段的前三个字节（即高位24位）
  2、地址字段中的后三个字节（即低24位）由厂家自行指派，称为扩展标识符，必须保证生产出的适配器没有重复地址。
  3、一个地址块可以生成2^24个不同的地址。这种48位地址称为MAC-48，它的通用名称是EUI-48。
  4、“MAC地址”实际上就是适配器地址或适配器标识符EUI-48

• 适配器检查MAC地址
  适配器从网络上每收到一个MAC帧就首先用硬件检查MAC帧中的MAC地址。

  • 如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他的处理，否则就将此帧丢弃，不再进行其他处理。
  • 发往本站的帧包括一下三种帧：单播（unicast）帧（一对一）、广播（broadcast）帧（一对全体）、多播（multicast）帧（一对多）。

• MAC帧格式
  常用的以太网MAC帧格式有两种标准：DIX Ethernet V2标准和IEEE的802.3标准。最常用的MAC帧是以太网V2的格式。
  

  

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• 无效的MAC帧

  • 帧的长度不是整数字节；
  • 用收到的帧检验序列FCS查出有差错；
  • 数据字段的长度不在46~1500字节之间；
  • 有效的MAC帧长度为64~1518字节之间；对于检查出的无效MAC帧就简单丢弃，以太网不负责重传丢弃的帧。

• 帧间最小间隔
  帧间最小间隔为9.6μs，相当于96bit的发送时间。一个站在检测到总线开始空闲后，还要等待9.6μs才能再次发送数据。这样做是为了使刚刚收到数据帧的站的接收缓存来得及清理，做好接收下一帧的准备。

五、扩展以太网

5.1 在物理层扩展

• 主机使用光纤和一对光纤调制解调器连接到集线器，这样距离就可以扩展到几公里了。
• 用集线器扩展局域网的优点
  1、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。
  2、扩大了局域网覆盖的地理范围。
  3、使得网络中计算机数量增加，但是效率低。
• 用集线器扩展局域网的缺点
  1、碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高
  2、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联起来。

5.2 在数据链路层扩展

在数据链路层扩展局域网是使用网桥。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。网桥具有过滤的功能。当网桥收到一个帧时，并不是向所有的接口转发此帧，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接口。而网桥就是交换机的前身。用交换机连接的网络是全双工的。

5.3 优化以太网

最开始是集线器，之后是网桥，而现在是使用交换机。交换机基本不会产生冲突，端口带宽是独享的，而且较为安全，基于MAC地址转发，能够学习MAC地址表。

六、高速以太网

6.1 100BASE-T以太网

速率达到或超过100Mb/s的以太网称为高速以太网，在双绞线上传送100Mb/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以太网的物理层
  • 100BASE-TX：使用两对UTP 5类线或屏蔽双绞线STP
  • 100BASE-FX：使用两对光纤
  • 100BASE-T4：使用四对UTP 3类线或5类线。

6.2 100BASE-T特点

可以在全双工方式下工作而无冲突发生。因此，不使用CSMA/CD协议。MAC帧格式仍然是802.3标准规定的。保持最短帧长不变，但将一个网段的最大电缆长度减小到100m。帧间时间间隔从原来的9.6μs改为现在的0.96μs。

6.3 吉比特以太网

允许在1Gb/s下全双工和半双工两种方式下工作。使用802.3协议规定的帧格式。在半双工方式下使用CSMA/CD协议（全双工不使用）。与10BASE-T和100BASE-T技术向后兼容。当吉比特以太网工作在全双工方式时，不使用载波延伸和分组突发。

6.4 吉比特以太网的物理层

• 1000BASE-X基于光纤通道的物理层

• 1000BASE-SX：SX表示短波长，传输距离275或550m

• 1000BASE-LX：LX表示长波长，传输距离550或5000m

• 1000BASE-CX：CX表示铜线，传输距离25m

• 1000BASE-T
  使用四对5类线UTP

6.5 Cisco 建网三层模型

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