第三章 数据链路层

第三章 计网—数据链路层

本章最重要的内容是:
(1)数据链路层的点对点信道和广播信道的特点，以及这两种信道所使用的协议(PPP协议以及CSMAlCD 协议)的特点。
(2) 数据链路层的三个基本问题:封装成帧、透明传输和差错检测。
(3) 以太网MAC 层的硬件地址。
(4) 适配器、转发器、集线器、网桥、以太网交换机的作用以及使用场合。

学习目标/重点：

• 数据链路层的功能：封装成帧

• • 为什么要封装成帧
  • CRC差错校验。这个要求掌握原理和计算。考试经常会有这个计算。
  • 数据的透明传输

• 数据链路层的两个实例：掌握两个不同信道的工作的方式，各自需要解决什么问题。

• • 点对点信道：PPP协议
  • 广播信道：CSMA/CD

• CSMA/CD的应用：以太网。掌握以太网的帧结构，以及以太网的常用组网设备：集线器和交换机。这两个设备各自什么场合使用。各自工作原理。

• • 集线器

  • 交换机以及交换机的应用实例：VLAN 虚拟局域网

---

3.1 使用点对点信道的数据链路层

3.1.1数据链路和帧概念

1.结点：主机、路由器

2…链路(link):

从一个结点到相邻结点的一段物理线路(有线或无线)，而中间没有任何其他的交换结点。也可以叫做网络中两个结点之间的物理通道(链路).

补充:链路的传输介质主要有双绞线、光纤和微波。分为有线链路、无线链路。

3.数据链路
网络中两个结点之间的逻辑通道，把实现控制数据传输协议的硬件和软件加到链路上就构成数据链路。

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。
一般的适配器都包括了数据链路层和物理层这两层的功能。

4.帧：点对点信道的数据链路层的协议数据单元.

在互联网中，网络层协议数据单元就是IP 数据报(或简称为数据报、分组包)。

5.注:早期的数据通信协议曾叫做通信规程。因此在数据链路层，规程和协议是同义语。

3.1.2 数据链路层功能

1. 封装成帧
2. 透明传输
3. 差错控制
4. 流量控制

3.1.3数据链路三个基本问题

封装成帧、透明传输和差错检测

封装成帧

1.为什么要封装成帧?

其本质就是提高传输效率

因为物理层的数据传输的不可靠，导致有时候会出现误码。比如有外界的干扰，低电压变成高电压。0有可能变成1。1也有可能变成0。

物理层只负责传输。有问题的数据不能直接交给高层去处理，比如应用程序。专家设计数据链路层负责检查收到的数据是否有差错。因此数据链路层的功能之一就是差错检测。

检测到有差错后，接收方一般都是直接丢掉。通知对方重新传输过数据。那对方需要重新发送过哪部分的数据？ 如果是比特流就很难操作了，只能把所有的比特流都传输过一遍。如果将比特流分成一个一个的帧就好办多了。只需要告诉对方重新发送过哪个帧（也就是出问题的数据块）就行了，其他部分就不用重新传输过了。因此数据封装成帧很重要。

2.封装成帧 (framing) 就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部，然后就构成了一个帧。

3.首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界。

4.帧的界定有两种：含字节填充的分界符法,含位填充的分界标志法

5.当数据是由可打印的 ASCII 码组成的文本文件时，帧定界可以使用特殊的帧定界符。
6.控制字符 SOH (Start Of Header,十六进制为01) 放在一帧的最前面，表示帧的首部开始。另一个控制字符 EOT (End Of Transmission十六进制为04) 表示帧的结束。如果数据中的某个字节的二进制代码恰好和 SOH 或 EOT 一样，数据链路层就会错误地“找到帧的边界”

透明传输

1.什么是透明传输:
无论什么样的比特组合的数据，都能够按照原样没有差错的通过这个数
据链路层。或者换句话说，对所传输的数据来说，这些数据就"看不
见”数据链路层有什么妨碍数据传输的东西。或者说，数据链路层对这些
数据来说是透明的。
2.两种常见方法实现透明传输
●转义字符:面向字节传输过程中，双方约定好的特殊字符或特殊约定作为
转义字符.

[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-g6lvsnuK-1586015470034)(assets/1585015375168.png)]

●比特填充:面向比特传输过程中，5个连续的“1”后添加一个“0”

差错检测

1.如果要实现差错检验，必须在发送数据的后面增加校验码，刮实现不了。校验码的值由校验方法决定。常用的校验方法:

(1)奇偶校验:简单,漏检率较高.

(2**)CRC循环冗余校验**:这个考试经常考。务必要会计算。

它的工作原理:
●是双方约定好-一个共同的除数，这个就是生成多项式。这个生成多项式很重要，最高位决定了校验码的位数。
x3+x2+ 1多项式转为1101 ,好方便后面的计算。
●发送方计算: (发送的数据+位数个0 ) /生成多项式，得到一个余数。
●开始计算。比如要发送的数据是: 101001， 生成多项式为x3+x2+ 1，则计算
: 101001000/ 1101 。一 定要记得加3个0。经常有同学忘记。
●除法过程记住是做异或运算:相同为0,不同为1.
得到余数: 001 .则这个就是校验码。3位,生成多项式决定的。值就是算出来
的余数。
●发送方发送数据+校验码。例如就是101001001.

●接收方 收到数据,做同样的操作 :接收到的数据/ 生成多项式。比

如101001001 / 1101。如果没有差错的话，则余数-定为0,如果中间有问题的

话，则余数不为0.

●漏检率有吗?有。所以一般网卡的生成多项式都是CRC- 16或者32。位数很多。这样就降低漏检率。但是比奇偶校验强多了。效率也多了。

---

3.2点对点协议ppp(Point-to Point Protocol)

对于点对点的链路，目前使用得最广泛的数据链路层协议是点对点协议 PPP (Point-to-Point Protocol)。

3.2.1 ppp协议的特点

简单说PPP特点:提供不可靠的数据报服务，检错，无纠错

1.ppp协议的功能

• 简单——这是首要的要求
• 封装成帧 一一必须规定特殊的字符作为帧定界符。
• 透明性 -------必须保证数据传输的透明性。
• 多种网络层协议 ---------能够在同- 条物理链路上同时支持多种网络层
  协议。
• 多种类型链路 --------能够在多种类型的链路 上运行。
• 差错检测 ------能够对接收端收到的帧进行检测 ,立即丢弃有差错
  的帧。
• 检测连接状态 --------能够及时自动检测出链路是否处于正常 工作状态。
  大传送单元
• 最大传送单元 -------必须对每一种类型的点对点链路设置最大传送单元MTU的标准默认值,促进各种实现之间的互操作性。
• 网络层地址协商 ------必须提供一种机制使通信的两个网络层实体能够
  通过协商知道或能够配置彼此的网络层地址。
• 数据压缩协商 ------必须提供- 种方法来协商使用数据压缩算法

2.ppp不需要的功能

• 纠错

• 流量控制

• 序号

• 多点线路

• 半双工或单工链路

补充:PPP 协议之所以不使用序号和确认机制是出于以下的考虑：

• 在数据链路层出现差错的概率不大时，使用比较简单的 PPP 协议较为合理。
• 在因特网环境下，PPP 的信息字段放入的数据是 IP 数据报。数据链路层的可靠传输并不能够保证网络层的传输也是可靠的。
• 帧检验序列 FCS 字段可保证无差错接受。

​

3.ppp协议的三个组成:

• 一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法。
• 链路控制协议 LCP (Link Control Protocol)。
• 网络控制协议 NCP (Network Control Protocol)

3.2.2 ppp协议的帧格式

1.各字段的意义

• PPP帧的首部和尾部分别为4个字段和2个字段。
• 标志字段F = 0x7E (符号"0x"表示后面的字符是用十六进制表示。十六进制的7E的二进制表示是01111110 )。
• 地址字段A只为0xFF。地址字段实际上并不起作用。
• 控制字段C通常置为0x03。
• PPP是面向字节(字符)的,所有的PPP帧的长度都是整数字节。
• 注意:ip数据报即信息部分不超过1500字节

2.透明传输问题

• 当 PPP 用在同步传输链路时，是面向位的，协议规定采用硬件来完成比特填充.

  

• 当 PPP 用在异步传输时，是面向字符的,就使用一种特殊的字节填充法。

• RFC 1662规定了如下所述的填充方法:
  (1)把信息字段中出现的每一个 0x7E字节转变成为2字节序列 (0x7D, 0x5E)。
  (2)若信息字段中出现-一个0x7D的字节(即出现了和转义字符一样的比特组合) ,则
  把0x7D转变成为2字节序列 (0x7D, 0x5D)。
  (3)若信息字段中出现ASCII码的控制字符( 即数值小于0x20的字符)，则在该字符前面要加入一个0x7D字节，同时将该字符的编码加以改变。

  例如，出现0x03 (在控制字符中是“传输结束" ETX)就要把它转变为2字节序列(0x7D, 0x23)。即0x03的从右到左的第六位加一.

3.补充同步与异步通信

• 在数字数据通信中，一个最基本的要求是发送端和接收端之间以某种方式保持位同步，只有保证了位同步才可能保证帧同步，所以接收端必须对它所接收的数据流中每一位进行正确的采样，才能确保数据接收的正确性，为此，通信双方必须遵循同一个通信规程，使用相同的位同步方式进行数据传输，根据通信规程所定义的位同步方式，可分为异步通信和同步通信两大类

• 异步通信是指发送方和接收方的采样时钟不是同一个，故名，以字
  符为单位的数据传输，常用的是ASCII字符集
  数据块以字符为单位，每个字符都要附加1位起始位和1位停止位作标
  志，以标记字符的开始和结束
  此外，还要附加1位奇偶校验位
  也称为群同步传输

• 异步通信必须指定的四个参数:
  ➢波特率
  ➢奇偶校验
  ➢字符长度

  ➢停止位长度

• 同步通信是指发送方和接收方的采样时钟是同一个,故名.
  通常发送方在发送数据的编码中包含时钟，而接收方则从数据流中提取时钟用以采样，所以说双方所用的时钟是同一个.
  根据同步通信规程，同步通信又分为面向字符的同步通信和面向bit流的同步通信.

3.2.3 ppp协议的工作状态

• 当用户拨号接入ISP时,路由器的调制解调器对拨号做出确认,并建立-条物理连接。

• PC机向路由器发送一系列的 LCP分组(封装成多个PPP帧)。

• 这些分组及其响应选择-些PPP数,并进行网络层配置, NCP给新接入

  的PC机分配个临时的IP地址,使PC机成为因特网上的一一个主机。

• 通信完毕时, NCP释放网络层连接,收回原来分配出去的IP地址。接着,

  LCP释放数据链路层连接。最后释放的是物理层的连接。

• 可观，PPP协议已不是纯粹的数据链路层的协议,它还包含了物理层和网络

  层的内容。

---

3.3 使用广播信道的数据链路层

广播信道可以进行一对多的通信,下面讨论的局域网使用的就是广播信道.

有多台计算机，共享一个信道，如何进行信道分配？即如何使众多用户能够合理而方便地共享

通信媒体资源。

这在技术上有两种方法:

1.静态划分:

• 在物理层使用的。比如已经学过的频分复用， 时分复用等等。但是这种

  方法代价比较高，一般用于主干网，不适用于局域网适用。

2.动态媒体接入控制:

• 受控接入:用户不能随机地发送信息必须服从一定的控制。这类的典型代表就是

  令牌环网和集中控制的多点线路探询(轮询)。不会产生冲突。使用少,不讨论.

• 随机接入:用户可随机的发送信息，因此有可能两个或更多的计算机在同一时刻

  发送信息，就要产生冲突。或者是碰撞。信号发生冲突也就是信号叠加。比如原

  来是5伏电压，两个信号叠加，变成10伏电压，那这个到底是比特1还是比特0?

  都不是。因此就会被丢弃。发生冲突后，用户的发送就意味着失败。因此，必须

  要有解决碰撞的协议。典型代表就是CSMA/CD (Carrier Sense Multiple

  Access with Collision Detection)

3.3.1局域网的数据链路层

1.简要介绍局域网

1. 局域网特点:网络为-个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限

2. 局域网优点:

   (1)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

   域网上的各种硬件和软件资源。

   (2) 便于系统的扩展和逐渐演变，各设备的位置可灵活调整和改变。

   (3) 提高了系统的可靠性(reliability) 、可用’性(avai1ability)和生存性(survivability) 0

3. 局域网分类(按照网络拓扑):星型网,环形网,总线网.

4. 局域网工作层次:数据链路层与物理层

5. 现在以太网几乎成为了局域网的同义词，因此本章从本节开始都是讨论以太网

   技术。本章从传统以太网速率10Mbit/s进行讨论.

2.以太网的两个标准

(1)以网的两个标准DIX Ethemet V2 与IEEE 的802.3 标准只有很小的差别，因此很多人也常把

802.3 局域网简称为"以太网" (此处也经常不严格区分它们，虽然严格说来，"以太网"应

当是指符合DIX Ethemet V2 标准的局域网)。

(2)IEEE 802 委员会就把局域网的数据链路层拆成两个子层，即逻辑链路控制LLC (Logical Link

Control)子层和媒体接入控制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，不管采用何种传输媒体和MAC 子层的局域网对LLC 子层来说都是透明的.(本章不讨论LLC子层)

3.适配器的作用

(1)适配器和局域网之间的通信是通过电缆或双绞线以串行传输方式进行的，而适配器和计算机

之间的通信则是通过计算机主板上的I/O 总线以并行传输方式进行的。

因此，适配器的一个重要功能就是要进行数据串行传输和并行传输的转换

(2)但适配器所实现的功能却包含了数据链路层及物理层这两个层次的功能。

(3)适配器本来是在主机箱内插入的一块网络接口板(网卡NIC),现在都嵌入在主板中

(4)适配器工作原理:适配器在接收和发送各种帧时，不使用计算机的CPU 。这时计算机中的CPU

可以处理其他任务。当适配器收到有差错的帧时，就把这个帧直接丢弃而不必通知计算机。当

适配器收到正确的帧时，它就使用中断来通知该计算机，并交付协议战中的网络层。

3.3.2 CSMA/CD协议(重难点)

1.协议来源

(1)广播信道能够实现一对多通信,那么如何在总线上广播信道上实现一对一通信.

• 最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。易于实现广播通信。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。

  

• 为了实现一对一通信,将接收站的硬件地址写入帧首部中的目的地址字段中。
  仅当数据帧中的目的地址与适配器的硬件地址-致时,才能接收这个数据帧。

  

• 总线也有缺点。若多台计算机或多个站点同时发送时,会产生发送碰撞或冲
  突，导致发送失败。

  

(2)为了通信的简便，以太网采取了两种重要的措施：

第一个举措:

• 采用较为灵活的无连接的工作方式不必先建立连接就可以直接发送数据。对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。这样做的理由是局域网信道的质量很好，因信道质量产生差错的概率是很小的。
• 但是以太网提供的服务是不可靠的交付,即尽最大努力的交付。当目的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个重传的帧,而是当作一个新的数据帧来发送。
• 总线在同一时间只能允许一台计算机发送数据，否则各计算机之间就会互相干扰.因此,为了解决碰撞,以太网采用了最简单的随机接入.
• 它使用的协议是CSMA/CD ，意思是载波监听多点接入/碰撞检测(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) 。

第二个举措:

• 以太网发送的数据都使用曼彻斯特(Manchester)编码的信号
• 

2.CSMA/CD协议的要点

1.协议名词理解:

注:协议的实质是"载波监听"和"碰撞检测"

• "多点接入"就是说明这是总线型网络，许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。

• 载波监听”是指每一个站在发送数据之前先要用电子技术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。

• "碰撞检测"(冲突检测)也就是"边发送边监听"，即适配器边发送数据边检测信道上的信号电压的变化情况，以便判断自己在发送数据时其他站是否也在发送数据.

  当几个站同时在总线上发送数据时,总线上的信号电压摆动值将会增大(互相叠加)。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。

  发生碰撞时,总线传输的信号严重失真,无法恢复出有用信息.因此,每个站点一旦检测到碰撞,要立即停止发送,免得继续浪费网络资源,然后等待一段随机时间之后再进行发送.

2.CSMA/CD 工作流程

3.协议计算相关

• 电磁波在1 km 电缆的传播时延约为5μs (这个数字应当记住)

• 使用CSMA/CD协议的以太网,只能进行**半双工通信,**即双向交替通信,因为不可能同时发和收.

• 在局域网的分析中，常把总线上的单程端到端传播时延记为τ(tao)

• 发送端A检测是否[碰撞时间最多是两倍的总线端到端的传播时延**(2τ(tao))，或总线的端到端往返传播时延.这个时间叫做争用期.也叫碰撞窗口**.过了争用期不碰撞才能确定这次发送不会碰撞

• 以太网的具有发送的不确定性。不能保证某一时候一定能把数据帧发送出去

• 以太网使用截断二进制指数退避(truncated binary exponential backoff)算法来确定碰撞后重传的时机.。见课本P88
  从离散整数集[0,1,…(2^k-1)]中随机取数x,则重新侦听因推后的时间为x倍的争用期(51.2微秒).注意,重传次数最大为10,不能超过十.当重传16次仍不成功,那么久丢弃帧.

  

• 凡长度小于最短帧64 字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧

  

  

4.动态退避

5.补充:

• 非坚持型监听算法

  （1）如果信道空闲，则发送消息，否则转（2）

  （2）如果信道忙，后退一个随机时间，转（1）

• 1—坚持型监听算法

  （1）如果信道空闲，发送消息，否则转（2）

  （2）如果信道忙，随时监听，一有空闲，发送消息

• P-坚持型监听算法

  （1）如果信道空闲，则有概率P发送消息，用（1-P）的概率延迟一个空闲单位。一个时间单位为τ(tao)

  （2）如果信道忙，随时监听，直到信道空闲，转（1）

  （3）延迟一个时间单位后，转（1）

3.3.3 使用集线器的星型拓扑

1.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。

2.采用双绞线的以太网采用星形拓扑，在星形的中心则增加了一种可靠性非常高的设备，叫做集线器 (hub)。

3.10base-T含义：

• l使用无屏蔽双绞线，采用星形拓扑。
• l每个站需要用两对双绞线，分别用于发送和接收。
• l双绞线的两端使用 RJ-45 插头。
• l集线器使用了大规模集成电路芯片，因此集线器的可靠性提高。
• l10BASE-T 的通信距离稍短，每个站到集线器的距离不超过 100m。
• l这种 10 Mbit/s 速率的无屏蔽双绞线星形网的出现，既降低了成本，又提高了可靠性。 具有很高的性价比。

4.集线器特点：

• 物理上的网络拓扑是星型，只能进行半双工。
• l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。
• l集线器很像一个多接口的转发器，工作在物理层。
• l集线器采用了专门的芯片，进行自适应串音回波抵消，减少了近端串音。

3.3.4以太网的信道利用率

1. l多个站在以太网上同时工作就可能会发生碰撞。当发生碰撞时，信道资源实际上是被浪费了，以太网总的信道利用率并不能达到 100%。
2. l假设争用期长度为 2t ，即端到端传播时延的两倍。检测到碰撞后不发送干扰信号。
3. l设帧长为 L (bit)，数据发送速率为 C (bit/s)，则帧的发送时间为 T0 = L/C (s)。

l4.注意到，成功发送一个帧需要占用信道的时间是T0+t (发送加传播时延)。

• l为提高利用率，以太网的参数 a 的值应当尽可能小些。
• l对以太网参数 a 的要求是：
• 1.当数据率一定时，以太网的连线的长度受到限制，否则 t 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。

3.3.5以太网的MAC层

重点：mac层硬件地址，mac帧结构

mac硬件地址

1.在局域网中，硬件地址又称为物理地址，因为生产适配器时，6 字节的 MAC 地址已被固化在适配器的ROM。或者叫 媒体接入控制MAC (Medium Access Control)地址，实际上就是适配器地址或适配器标识符 EUI-48。

2.请注意，如果连接在局域网上的主机或路由器安装有多个适配器，那么这样的主机或路由器就有多个“地址”。更准确些说，这种48 位“地址”应当是某个接口的标识符。

3.单站地址，组地址，广播地址

IEEE规定地址字段的第一字节的最低位为I/G位。I/G 表示Individual / Group.

• 当I/G位= 0时,地址字段表示一个单站地址。
• 当I/G位= 1时,表示组地址，用来进行多播(以前曾译为组播)。此时，IEEE 只分配地址字段前3 个字节中的23位。
• 当I/G位分别为0和1时, -一个地址块可分别生成2²³个单个站地址和2²³个组地址。
• 所有48位都为1时，为广播地址。只能作为目的地址使用。

4.全球管理和本地管理

IEEE把地址字段第一字节的最低第2位规定为G/L位,表示Global / Local。

• 当G/L位= 0时，是全球管理(保证在全球没有相同的地址)，厂商向IEEE购买的OUI都属于全球管理。|
• 当G/L位= 1时，是本地管理，这时用户可任意分配网络上的地址。

5.适配器检查mac地址。

（1）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，不再进行其他的处理。

（2）"发往本站的帧”包括以下三种帧:

• 1.单播(unicast)帧(-一对一)
• 2.广播(broadcast)帧(一对全体)
• 3.多播(multicast)帧(一对多)

（3）所有的适配器都至少能够识别前两种帧，即能够识别单播地址和广播地址。有的适配器可用编程方法识别多播地址。
（4）只有目的地址才能使用广播地址和多播地址。以混杂方式(promiscuous mode)工作的以太网适配器只要“听到”有帧在以太网.上传输就都接收下来。

2.mac帧格式

1.以太网两种标准，见上面，其中最常用的 MAC 帧是以太网V2 的格式。

• 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​
• 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(46字节)
• 在帧的前面插入更件生成)的8字节中第个字段共7个字节，是前同步码，用来迅速实现MAC帧的比特同步，第个字段1个字节是帧开始定界符，表示后面的信息就是MAC帧。因此，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

2.无效的mac帧

• 有效的 MAC 帧长度为 64 ~1518 字节之间。对于检查出的无效MAC 帧就简单地丢弃。以太网不负责重传丢弃的帧。
• 数据字段的长度与长度字段的值不一致；帧的长度不是整数个字节；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 字节之间的帧均无效。

3.IEEE 802.3 MAC 帧格式

​ 与上面标准中第三字段不同，这里是“长度、类型”，不过由于采用曼彻斯特编码，长度并没有必要说明，可以判断结束标志。

4.l帧间最小间隔为 9.6 μs，相当于 96 bit 的发送时间。一个站在检测到总线开始空闲后，还要等待 9.6 ms 才能再次发送数据。

---

3.4扩展的以太网

3.4.1 在物理层扩展的以太网（集线器3.3补充）

1.使用光纤扩展

• .主机使用光纤（通常是一对光纤）和一对光纤调制解调器连接到集线器。
• .很容易使主机和几公里以外的集线器相连接。
  

2.使用集线器扩展

1.定义：

将多个以太网段连成更大的、多级星形结构的以太网。

2.优点

• 1.使原来属于不同碰撞域的以太网上的计算机能够进行跨碰撞域的通信。
• 2.扩大了以太网覆盖的地理范围。

3.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连起来。

4.碰撞域（冲突域）

• l是指网络中一个站点发出的帧会与其他站点发出的帧产生碰撞或冲突的那部分网络。
• l碰撞域越大，发生碰撞的概率越高。

5.l广播域（broadcast domain）

指这样一部分网络，其中任何一台设备发出的广播通信都能被该部分网络中的所有其他设备所接收。

3.4.2 在数据链路层扩展的以太网（网桥、交换机）

1.扩展以太网更常用的方法是在数据链路层进行。早期使用网桥，现在使用以太网交换机。

2.网桥与以太网交换机

（1）网桥

l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和过滤。

l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，或把它丢弃。

（2）交换机

1990 年问世的交换式集线器 (switching hub) 可明显地提高以太网的性能。交换式集线器常称为以太网交换机 (switch) 或第二层交换机 (L2 switch)，强调这种交换机工作在数据链路层。

（3）交换机特点

• l以太网交换机实质上就是一个多接口的网桥。通常都有十几个或更多的接口。
• l每个接口都直接与一个单台主机或另一个以太网交换机相连，并且一般都工作在全双工方式。
• l以太网交换机具有并行性。能同时连通多对接口，使多对主机能同时通信。
• l相互通信的主机都是独占传输媒体，无碰撞地传输数据。以太网交换机的每个接口是一个碰撞域。不使用CSMA/CD
• l以太网交换机的接口有存储器，能在输出端口繁忙时把到来的帧进行缓存。
• l以太网交换机是一种即插即用设备，其内部的帧交换表（又称为地址表）是通过自学习算法自动地逐渐建立起来的。
• l以太网交换机使用了专用的交换结构芯片，用硬件转发，其转发速率要比使用软件转发的网桥快很多。
• l以太网交换机的性能远远超过普通的集线器，而且价格并不贵。

（4）以太网交换机优点

• l用户独享带宽，增加了总容量。
• l从共享总线以太网转到交换式以太网时，所有接入设备的软件和硬件、适配器等都不需要做任何改动。
• l以太网交换机一般都具有多种速率的接口，方便了各种不同情况的用户。

（5）以太网交换方式

存储转发方式：把整个数据帧先缓存后再进行处理。

直通 (cut-through) 方式

• •接收数据帧的同时就立即按数据帧的目的 MAC 地址决定该帧的转发接口，因而提高了帧的转发速度。
• •缺点是它不检查差错就直接将帧转发出去，因此有可能也将一些无效帧转发给其他的站。在某些情况下，仍需要采用基于软件的存储转发方式进行交换，例如，当需要进行线路速率匹配、协议转换或差错检测时。

（6）以太网交换机的自学习功能

l以太网交换机运行自学习算法自动维护交换表。

一个例子的过程：

理解自学习算法：开始交换表为空

自学习算法归纳

自学习算法存在的问题：

为了增加网络的可靠性，在使用以太网交换机组网时，往往会增加一些冗余的链路。在这种情况下，自学习的过程就可能导致以太网帧在网络的某个环路中无限制地兜圈子。即存在回路会耗费网络资源

（7）交换机使用生成树协议

• lIEEE 802.1D 标准制定了一个生成树协议 STP (Spanning Tree Protocol)。
• l其要点是：不改变网络的实际拓扑，但在逻辑上则切断某些链路，使得从一台主机到所有其他主机的路径是无环路的树状结构，从而消除了兜圈子现象。

3.总线以太网---->星形

（1）l早期，以太网采用无源的总线结构。现在，采用以太网交换机的星形结构成为以太网的首选拓扑。

• l总线以太网使用 CSMA/CD 协议，以半双工方式工作。
• l以太网交换机不使用共享总线，没有碰撞问题，因此不使用 CSMA/CD 协议，以全双工方式工作。但仍然采用以太网的帧结构。

（2）局域网存在的以下几个方面的问题：

• 1.扩展性
• 2.安全性
• 3.可管理性 等

（3）两种扩展网络的对比

• 总线以太网 和10Base_T 星形以太网：所有计算机都处于同一个碰撞域（或冲突域）中和同一个广播域中。
• 采用以太网交换机的星形以太网：每个接口都处于一个独立的碰撞域（或冲突域）中，但所有计算机都处于同一个广播域中。

3.4.3虚拟局域网

1.定义概念：

（1）l利用以太网交换机可以很方便地实现虚拟局域网 VLAN (Virtual LAN)。

（2）lIEEE 802.1Q 对虚拟局域网 VLAN 的定义：

• 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，而这些网段具有某些共同的需求。每一个 VLAN 的帧都有一个明确的标识符，指明发送这个帧的计算机是属于哪一个 VLAN。

（3）l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。

（4）l由于虚拟局域网是用户和网络资源的逻辑组合，因此可按照需要将有关设备和资源非常方便地重新组合，使用户从不同的服务器或数据库中存取所需的资源。

2.主要优点：

1.改善了性能

2.简化了管理

3.降低了成本

4.改善了安全性

3.划分虚拟局域网的方法

l基于交换机端口

• l最简单、也是最常用的方法。
• l属于在第一层划分虚拟局域网的方法。
• l缺点：不允许用户移动。
  

l基于计算机网卡的MAC地址

• l根据用户计算机的MAC地址划分虚拟局域网。

• l属于在第二层划分虚拟局域网的方法。

• l允许用户移动。

• l缺点：需要输入和管理大量的MAC地址。如果用户的MAC地址改变了，则需要管理员重新配置VLAN。

• 例如：

• MAC 地址	VLAN
  00-15-F5-CC-C8-14	10
  C0-AB-D5-00-18-F4	10
  C0-C5-18-DE-BC-E6	30

  ​

l基于协议类型

• l根据以太网帧的第三个字段“类型”字段确定该类型的协议属于哪一个虚拟局域网。
• l属于在第二层划分虚拟局域网的方法。

“类型”	VLAN
IP	10
IPX	30
……	…

l基于IP子网地址

• l根据以太网帧的第三个字段“类型”字段和IP分组首部中的源 IP 地址字段确定该 IP 分组属于哪一个虚拟局域网。
• l属于在第三层划分虚拟局域网的方法。

IP 子网	VLAN
192.168.1.0/24	10
192.168.2.0/24	30
……	…

l基于高层应用或服务

• l根据高层应用或服务、或者它们的组合划分虚拟局域网。
• l更加灵活，但更加复杂。

应用	VLAN
FTP （文件传输服务）	10
TELNET （远程终端）	30
……	…

---

4.vlan使用的以太网帧格式

• lIEEE 批准了 802.3ac 标准，该标准定义了以太网的帧格式的扩展，以支持虚拟局域网。
• l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)，用来指明该帧属于哪一个虚拟局域网。
• l插入VLAN标记得出的帧称为 802.1Q 帧或带标记的以太网帧。

**注意：**在不同位置使用的帧格式不同。

3.5 高速以太网

3.5.1 100BASE-T以太网

1.概念：

l速率达到或超过 100 Mbit/s 的以太网称为高速以太网。

l100BASE-T 在双绞线上传送 100 Mbit/s 基带信号的星形拓扑以太网，仍使用 IEEE 802.3 的 CSMA/CD 协议。

l100BASE-T 以太网又称为快速以太网 (Fast Ethernet)。

l1995 年IEEE已把 100BASE-T 的快速以太网定为正式标准，其代号为 IEEE 802.3u。

2.特点：

• l可在全双工方式下工作而无冲突发生。在全双工方式下工作时，不使用 CSMA/CD 协议。
• lMAC 帧格式仍然是 802.3 标准规定的。
• l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 米。
• l帧间时间间隔从原来的 9.6 ms 改为现在的 0.96 ms 。 减小10倍

3.100 Mbit/s 以太网的三种不同的物理层标准

l100BASE-TX

• 1.使用 2 对 UTP 5 类线 或 屏蔽双绞线 STP。
• 2.网段最大程度：100 米。

l100BASE-T4

• 1.使用 4 对 UTP 3 类线 或 5 类线。
• 2.网段最大程度：100 米。

l100BASE-FX

• 1.使用 2 对光纤。
• 2.网段最大程度：2000 米。

3.5.2 吉比特以太网

1.概念

• l允许在 1 Gbit/s 下以全双工和半双工两种方式工作。
• l使用 IEEE 802.3 协议规定的帧格式。
• l在半双工方式下使用 CSMA/CD 协议，全双工方式不使用 CSMA/CD 协议。
• l与 10BASE-T 和 100BASE-T 技术向后兼容。
• 吉比特以太网可用作现有网络的主干网，也可在高带宽（高速率）的应用场合中。

2.吉比特以太网的物理层

l使用两种成熟的技术：一种来自现有的以太网，另一种则是美国国家标准协会 ANSI 制定的光纤通道 FC (Fiber Channel)。

名称	媒体	网段最大长度	特点
1000BASE-SX	光缆	550 m	多模光纤（50 和 62.5 mm）
1000BASE-LX	光缆	5000 m	单模光纤（10 mm）多模光纤（50 和 62.5 mm）
1000BASE-CX	铜缆	25 m	使用 2 对屏蔽双绞线电缆 STP
1000BASE-T	铜缆	100 m	使用 4 对 UTP 5 类线

3.半双工方式工作的吉比特以太网

（1）l吉比特以太网工作在半双工方式时，就必须进行碰撞检测。

（2）l为保持 64 字节最小帧长度，以及 100 米的网段的最大长度，吉比特以太网增加了两个功能：1.载波延伸 (carrier extension)2.分组突发 (packet bursting)

（3）载波延伸：

• l使最短帧长仍为 64 字节（这样可以保持兼容性），同时将争用时间增大为 512 字节。
• l凡发送的 MAC 帧长不足 512 字节时，就用一些特殊字符填充在帧的后面，使MAC 帧的发送长度增大到 512 字节。接收端在收到以太网的 MAC 帧后，要将所填充的特殊字符删除后才向高层交付。
  

（4）分组突发

l当很多短帧要发送时，第一个短帧要采用载波延伸方法进行填充，随后的一些短帧则可一个接一个地发送，只需留有必要的帧间最小间隔即可。这样就形成可一串分组的突发，直到达到 1500 字节或稍多一些为止。

4.全双工–吉比特

l当吉比特以太网工作在全双工方式时（即通信双方可同时进行发送和接收数据），不使用载波延伸和分组突发。

3.5.3 吉比特以太网(10GE)和更快的以太网

1.概念

l10 吉比特以太网（10GE）并非把吉比特以太网的速率简单地提高到 10 倍，其主要特点有：

• 1.与 10 Mbit/s、100 Mbit/s 和 1 Gbit/s 以太网的帧格式完全相同。
• 2.保留了 802.3 标准规定的以太网最小和最大帧长，便于升级。
• 3.不再使用铜线而只使用光纤作为传输媒体。
• 4.只工作在全双工方式，因此没有争用问题，也不使用 CSMA/CD 协议。

2.端到端的以太网传输

l以太网的工作范围已经从局域网（校园网、企业网）扩大到城域网和广域网，从而实现了端到端的以太网传输。

l这种工作方式的好处有：

• 1.技术成熟；
• 2.互操作性很好；
• 3.在广域网中使用以太网时价格便宜；
• 4.采用统一的以太网帧格式，简化了操作和管理。

3.5.4 使用以太网进行宽带接入

1.特点

l以太网宽带接入具有以下特点：

1.可以提供双向的宽带通信。

2.可以根据用户对带宽的需求灵活地进行带宽升级。

3.可以实现端到端的以太网传输，中间不需要再进行帧格式的转换。这就提高了数据的传输效率且降低了传输的成本。

4.但是不支持用户身份鉴别。

2.PPPOE

• PPPoE (PPP over Ethernet) 的意思是“在以太网上运行 PPP”，它把 PPP 协议与以太网协议结合起来 —— 将 PPP 帧再封装到以太网中来传输。
• l现在的光纤宽带接入 FTTx 都要使用 PPPoE 的方式进行接入。在 PPPoE 弹出的窗口中键入在网络运营商购买的用户名和密码，就可以进行宽带上网了。
• l利用 ADSL 进行宽带上网时，从用户个人电脑到家中的 ADSL 调制解调器之间，也是使用 RJ-45 和 5 类线（即以太网使用的网线）进行连接的，并且也是使用 PPPoE 弹出的窗口进行拨号连接的。

本章重要概念

• 链路是从一个结点到相邻结点的一段物理线路，数据链路则是在链路的基础上增加了一些必要的硬件(如网络适配器)和软件(如协议的实现)。
• 数据链路层使用的信道主要有点对点信道和广播信道两种。
• 数据链路层传送的协议数据单元是帧。数据链路层的三个基本问题则是:封装成帧、透明传输和差错检测。
• 循环冗余检验CRC 是一种检错方法，而帧检验序列FCS 是添加在数据后面的冗余码。
• 点对点协议PPP 是数据链路层使用最多的一种协议，它的特点是:简单:只检测差错，而不是纠正差错;不使用序号，也不进行流量控制:可同时支持多种网络层协议。
• PPPoE 是为宽带上网的主机使用的链路层协议。
• 局域网的优点是:具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网:便于系统的扩展和逐渐演变;提高了系统的可靠性、可用性和生存性。
• 共享通信媒体资源的方法有二:一是静态划分信道(各种复用技术)，二是动态媒体接入控制，又称为多点接入(随机接入或受控接入)。
• IEEE 802 委员会曾把局域网的数据链路层拆成两个子层，即逻辑链路控制(LLC)子层(与传输媒体无关)和媒体接入控制(MAC)子层(与传输媒体有关)。但现在LLC 子层己成为历史。
• 计算机与外界局域网的通信要通过通信适配器(或网络适配器)，它又称为网络接口卡或网卡。计算机的硬件地址就在适配器的ROM 中。
• 以太网采用无连接的工作方式，对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。目的站收到有差错帧就把它丢弃，其他什么也不做。
• 以太网采用的协议是具有冲突检测的载波监昕多点接入CSMAlCD 。协议的要点是:发送前先监听，边发送边监昕，一旦发现总线上出现了碰撞，就立即停止发送。然后按照退避算法等待一段随机时间后再次发送。因此，每一个站在自己发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。以太网上各站点都平等地争用以太网信道。
• 传统的总线以太网基本上都是使用集线器的双绞线以太网。这种以太网在物理上是星形网，但在逻辑上则是总线形网。集线器工作在物理层，它的每个接口仅仅简单地转发比特，不进行碰撞检测。
• 以太网的硬件地址，即MAC 地址实际上就是适配器地址或适配器标识符，与主机所在的地点无关。源地址和目的地址都是48 位长。
• 以太网的适配器有过滤功能，它只接收单播帧、广播帧或多播帧。
• 使用集线器可以在物理层扩展以太网(扩展后的以太网仍然是一个网络)。
• 交换式集线器常称为以太网交换机或第二层交换机(工作在数据链路层)。它就是一个多接口的网桥，而每个接口都直接与某台单主机或另一个集线器相连，且工作在全双工方式。以太网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，无碰撞地传输数据。
  :封装成帧、透明传输和差错检测。
• 循环冗余检验CRC 是一种检错方法，而帧检验序列FCS 是添加在数据后面的冗余码。
• 点对点协议PPP 是数据链路层使用最多的一种协议，它的特点是:简单:只检测差错，而不是纠正差错;不使用序号，也不进行流量控制:可同时支持多种网络层协议。
• PPPoE 是为宽带上网的主机使用的链路层协议。
• 局域网的优点是:具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网:便于系统的扩展和逐渐演变;提高了系统的可靠性、可用性和生存性。
• 共享通信媒体资源的方法有二:一是静态划分信道(各种复用技术)，二是动态媒体接入控制，又称为多点接入(随机接入或受控接入)。
• IEEE 802 委员会曾把局域网的数据链路层拆成两个子层，即逻辑链路控制(LLC)子层(与传输媒体无关)和媒体接入控制(MAC)子层(与传输媒体有关)。但现在LLC 子层己成为历史。
• 计算机与外界局域网的通信要通过通信适配器(或网络适配器)，它又称为网络接口卡或网卡。计算机的硬件地址就在适配器的ROM 中。
• 以太网采用无连接的工作方式，对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。目的站收到有差错帧就把它丢弃，其他什么也不做。
• 以太网采用的协议是具有冲突检测的载波监昕多点接入CSMAlCD 。协议的要点是:发送前先监听，边发送边监昕，一旦发现总线上出现了碰撞，就立即停止发送。然后按照退避算法等待一段随机时间后再次发送。因此，每一个站在自己发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。以太网上各站点都平等地争用以太网信道。
• 传统的总线以太网基本上都是使用集线器的双绞线以太网。这种以太网在物理上是星形网，但在逻辑上则是总线形网。集线器工作在物理层，它的每个接口仅仅简单地转发比特，不进行碰撞检测。
• 以太网的硬件地址，即MAC 地址实际上就是适配器地址或适配器标识符，与主机所在的地点无关。源地址和目的地址都是48 位长。
• 以太网的适配器有过滤功能，它只接收单播帧、广播帧或多播帧。
• 使用集线器可以在物理层扩展以太网(扩展后的以太网仍然是一个网络)。
• 交换式集线器常称为以太网交换机或第二层交换机(工作在数据链路层)。它就是一个多接口的网桥，而每个接口都直接与某台单主机或另一个集线器相连，且工作在全双工方式。以太网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，无碰撞地传输数据。
• 高速以太网有100 Mbitls 的快速以太网、吉比特以太网和10 Gbitls 的10 吉比特以太网。最近还发展到100 吉比特以太网。在宽带接入技术中，也常使用高速以太网进行接入。