计算机网络 数据链路层

1，数据链路层的几个共同问题

1，数据链路和帧

• “链路”不等于“数据链路”
• 链路（link）就是从一个节点到相邻节点的一段物理线路（有线或无线），而中间没有任何其他的交换节点。
• 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
  • 现在最常用的方法是使用适配器（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。
• 链路也可分为物理链路和逻辑链路
  • 物理链路就是上面所说的链路。
  • 逻辑链路就是上面的数据链路。是物理链路加上必要的通信协议。
• 早期的数据通信协议曾叫做通信规程（procedure）。在数据链路层，规程和协议是同义词。
• 数据链路层传输的是帧。
• 数据链路层把网络层交下来的数据构成帧发送到链路上，以及把接收到的帧中的数据取出并上交给网络层。网络层协议数据单元就是IP数据报（或简称为数据报，分组或包）。

2，使用点对点信道的数据链路层

• 点对点信道的数据链路层在进行通信时的主要步骤如下：
  1. 节点A的数据链路层把网络层交下来的IP数据报添加首部和尾部封装成帧。
  2. 节点A把封装好的帧发送给节点B的数据链路层。
  3. 若节点B的数据链路层收到的帧无差错，则从收到的帧中取出IP数据报交给上面的网络层；否则丢弃这个帧。
• 数据链路层不必考虑物理层如何实现比特流传输的细节。

3，三个基本问题

• 数据链路层协议有许多种，但有三个基本问题是共同的。三个基本问题是：
  • 封装成帧
  • 透明传输
  • 差错控制

1，封装成帧

• 封装成帧（framing）就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部，这样就构成了一个帧。接收端在收到物理层上交的比特流后，就能根据首部和尾部的标记，从收到的比特流中识别帧的开始和结束。

• 在帧的数据部分的前面和后面分别添加上首部和尾部，构成了一个完整的帧。这样的帧就是数据链路层的数据传输单元。

• 一个帧的帧长等于帧的数据部分加上帧首部和帧尾部的长度。首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界（确定帧的界限）。首部和尾部还包括许多必要的控制信息。

• 为了提高帧的传输效率，应当使帧的数据部分长度尽可能地大于首部和尾部的长度。但是，每一种链路层协议都规定了所能传送的帧的数据部分长度上限—最大传送单元MTU（Maximum Transfer Unit）
  

• 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。

• 控制字符SOH（Start Of Header）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）表示帧的结束。
  

2，透明传输

• 当传送的帧是用文本文件组成的帧时（文本文件中的字符都是从键盘上输入的），其数据部分显然不会出现像SOH或EOT这样的帧定界控制字符。可见不管从键盘上输入什么字符都可以放在这样的帧中传输过去，因此这样的传输就是透明传输。

• 如果数据中的某个字节的二进制代码恰好和SOH或EOT这种控制字符一样，数据链路层就会错误地“找到帧的边界”，把部分帧收下（误以为是个完整的帧），而把剩下的那部分数据丢弃（这部分找不到帧定界控制字符SOH）。
  

• “透明“是一个很重要的术语。它表示：某一个实际存在的事物看起来却好像不存在一样。

• 为了解决透明传输问题，就必须设法使数据中可能出现的控制字符”SOH“和”EOT“在接收端不被解释为控制字符。具体的方法是：发送端的数据链路层在数据中出现控制字符”SOH“或”EOT“的前面插入一个转义字符”ESC“（其十六进制编码是1B，二进制是00011011）。而在接收端的数据链路层在把数据送往网络层之前删除这个插入的转义字符。这种方法称为字节填充（byte stuffing）或字符填充（character stuffing）。如果转义字符也出现在数据当中，那么解决方法任然是在转义字符的前面插入一个转义字符。因此，当接收端收到连续的两个转义字符时，就删除其中前面的一个。
  

3，差错控制

• 比特在传输过程中可能会产生差错：1可能会变成0，而0也可能会变成1。这就叫做比特差错。比特差错是传输差错中的一种。
• 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）。如，误码率为$$10^{-10}$$时，表示平均每传送$$10^{10}$$个比特就会出现一个比特的差错。**误码率与信噪比有很大的关系。如果设法提高信噪比，就可以使误码率减小。**实际的通信链路并非是理想的，它不可能使误码率下降到零。
• 为了保证数据传输的可靠性，在计算机网络传输数据时，必须采用差错检测措施。目前在数据链路层广泛使用了循环冗余检验CRC（Cyclic Redundancy Check）的检错技术。

1，循环冗余检验原理

• 在发送端，把数据划分为组，假定每组k个比特。现假定待传送的数据M=101001（k=6）。CRC运算就是在数据M的后面添加供差错检测用的n位冗余码，然后构成一个帧发送出去，一共发送（k+n）位。
• 在接收端把接收到的数据以帧为单位进行CRC检验：把收到的每一个帧都除以同样的除数P（模2运算），然后检查得到的余数R。
  1. 若得出的余数R=0，则判定这个帧没有差错，就接受（accept）。
  2. 若得出的余数R≠0，则判定这个帧有差错，就丢弃。

2，冗余码的计算

• 用二进制的模2运算进行$$2^n$$乘M的运算，这相当于在M后面添加n个0。
• 得到的$$(k+n)$$位的数除以事先选定好的长度为$$(n+1)$$位的除数P，得出商是Q而余数是R，余数R比除数P少1位，即R是n位。
• 将余数R作为冗余码拼接在数据M后面，一起发送出去。
• 这种为了进行检错而添加的冗余码常称为帧检验序列FCS（Frame Check Sequence）。

3，帧检验序列FCS

• 在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列FCS（Frame Check Sequence）
• 循环冗余检验CRC和帧检验序列FCS并不等同
  • CRC是一种常用的检错方法，而FCS是添加在数据后面的冗余码。
  • FCS可以用CRC这种方法得出，但CRC并非用来获得FCS的唯一方法。

4，注意

• 仅用循环冗余检验CRC差错检测技术只能做到无差错接受。即：“凡是接收端数据链路层接受的帧，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”。接收端丢弃的帧虽然曾收到了，但最终还是因为有差错被丢弃，即没有被接收。以上所述的可以近似表述为“凡是接收端数据链路层接受的帧均无差错”。

• 单纯使用CRC差错检测技术不能实现“无差错传输”或“可靠传输”。

• 应当明确，“无比特差错”与“无传输差错”是不同的概念。

• 在数据链路层使用CRC检验，能够实现无比特差错的传输，但这还不是可靠传输。

• 要做到“无差错传输”就必须再加上确认和重传机制。

• 本章介绍的数据链路层协议都不是可靠传输的协议。

2，点对点协议PPP

1，PPP协议的特点

• 对于点对点的链路，目前使用的最广泛的数据链路层协议是点对点协议PPP（Point-to——Point Protocol）。
• PPP协议在1994年就已成为互联网的正式标准。
• 互联网用户通常都要连接到某个ISP才能接入到互联网。PPP协议就是用户计算机和ISP进行通信时所使用的数据链路层协议。如下
  

1，PPP协议应满足的需求

• 简单—这是首要的要求。

• 封装成帧—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—能够在同一条物理线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，并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。

• 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—必须提供一种方法来协商使用数据压缩算法。

2，PPP协议不需要的功能

• 纠错
• 流量控制
• 序号
• 多点线路
• 半双工或单工链路

3，PPP协议的组成

• PPP协议有三个组成部分：
  • 一个将IP数据报封装到串行链路的方法。
  • 一个用来建立，配置和测试数据链路连接的链路控制协议LCP（Link Control Protocol）。
  • 一套网络控制协议NCP（Network Control Protocol）。

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四个字段和两个字段。

• 首部的第一个字段和尾部的第二个字段都是标志字段F（Flag），规定为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)。标志字段表示一个帧的开始或结束。因此标志字段就是PPP的定界符。连续两帧之间只需要用一个标志字段。如果出现连续两个标志字段，就表示这是一个空帧，应当丢弃。

• 首部中的地址字段A规定为0xFF，控制字段C规定为0x03。这两个字段实际上并没有携带PPP帧的信息。
  

• PPP首部的第四个字段是2字节的协议字段。当协议字段为0x0021时，PPP帧的信息字段就是IP数据报。若为0xC021，则信息字段是PPP链路控制协议LCP的数据。

• 信息字段的长度是可变的，不超过1500字节。

• 尾部中的第一个字段（2字节）是使用CRC的帧检验序列FCS。

2，字节填充

• 当信息字段中出现和标志字段一样的比特（0x7E）组合时，就必须采取一些措施使这种形式上和标志字段一样的比特组合不出现在信息字段中。
• 当PPP使用异步传输时，它把转义字符定义为0x7D（即01111101），并使用字节填充，填充方法如下：
  • 把信息字段中出现的每一个0x7E字节转变为2字节序列（0x7D，0x5E）。
  • 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转变为2字节序列（0x7D，0x5D）。
  • 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，同时该字符的编码加以改变。
    

3，零比特填充

• PPP协议用在SONET/SDH链路时，使用同步传输（一连串的比特连续传送）而不是异步传输（逐个字符地传送）。在此情况下，PPP协议采用零比特填充方法来实现透明传输。
• 在发送端，先扫描整个信息字段（通常用硬件实现，但也可用软件实现，只是会慢些）。只要发现有5个连续1，则立即填入一个0。因此经过这种零比特填充后的数据，就可以保证在信息字段中不会出现6个连续1。接收端在收到一个帧时，先找到标志字段F以确认一个帧的边界，接着再用硬件对其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，以还原成原来的信息比特流。这样就保证了透明传输：在所传送的数据比特流中可以传送任意组合的比特流，而不会引起对帧边界的错误判断。
  

4，不提供使用序号和确认的可靠传输

• PPP协议之所以不使用序号和确认机制是出于以下的考虑：
  1. 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。
  2. 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。
  3. 帧检验序列FCS字段可保证无差错接受。

3，PPP协议的工作状态

• 当用户拨号接入ISP后，就建立了一条从用户个人电脑到ISP的物理连接。这时，用户个人电脑向ISP发送一系列的链路控制协议LCP分组（封装成多个PPP帧），以便建立LCP连接。这些分组及其响应选择了将要使用的一些PPP参数。接着还要进行网络层配置，网络控制协议NCP给新接入的用户个人电脑分配了一个临时的IP地址。这样，用户个人电脑就成为互联网上的一个有IP地址的主机了。

• 当用户通信完毕时，NCP释放网络连接，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。

• PPP协议的状态图如下
  

  • PPP链路的起始和终止状态永远是图中的“链路静止”（Link Dead）状态，这时在用户个人电脑和ISP的路由器之间并不存在物理层的连接。
  • 当用户电脑通过调制解调器呼叫路由器时，路由器就能够检测到调制解调器发出的载波信号。在双方建立了物理层连接后，PPP就进入“链路建立”（Link Establish）状态，其目的是建立链路层的LCP连接。
  • 这时LCP开始协商一些配置选项，即发送LCP的配置请求帧（Configure-Request）。这是一个PPP帧，其协议字段置为LCP对应的代码，而信息字段包含特定的配置请求。链路的另一端可以发送以下几种响应中的一种：
    • 配置确认帧（Configure-Ack）：所有选项都接受。
    • 配置否认帧（Configure-Nak）：所有选项都理解但不能接受。
    • 配置拒绝帧（Configure-Reject）：选项有的无法识别或不能接受，需要协商。
  • 协商结束后双方就建立了LCP链路，接着就进入“鉴别”（Authenticate）状态。在这一状态，只允许传送LCP协议的分组，鉴别协议的分组以及监测链路质量的分组。若使用口令鉴别协议PAP（Password Authentication Protocol），则需要发起通信的一方发送身份标识符和口令。系统可允许用户重试若干次。如果需要有更好的安全性，则可使用更加复杂的口令握手鉴别协议CHAP（Challenge-Handshake Authentication Protocol）。若鉴别身份失败，则转到“链路终止”（Link Terminate）状态。若鉴别成功，则进入“网络层协议”（Network-Layer Protocol）状态。
  • 在“网络层协议”状态，PPP链路两端的网络控制协议NCP根据网络层的不同协议互相交换网络层特定的网络控制分组。
  • 如果在PPP链路上运行的是IP协议，则对PPP链路的每一端配置IP协议模块（如分配IP地址）时就要使用NCP中支持IP的协议—IP控制协议IPCP（IP Control Protocol）。IPCP分组也封装成PPP帧（其中的协议字段为0x8021）在PPP链路上传送。在低速链路上运行时，双方还可以协商使用压缩的TCP和IP首部，以减少在链路上发送的比特数。
  • 当网络层配置完毕后，链路就进入可进行数据通信的“链路打开”（Link Open）状态。链路的两个PPP端点可以彼此向对方发送分组。两个PPP端点还可发送回送请求LCP分组（Echo-Request）和回送回答LCP分组（Echo-Reply），以检查链路的状态。
  • 数据传输结束后，可以由链路的一端发出终止请求LCP分组（Terminate-Request）请求终止链路连接，在收到对方发来的终止确认LCP分组（Terminate-Ack）后，转到“链路终止”状态。如果链路出现故障，也会从“链路打开”状态转到“链路终止”状态。当调制解调器的载波停止后，则回到“链路静止”状态。

3，使用广播信道的数据链路层

1，局域网的数据链路层

• 局域网最主要的特点是：

  • 网络为一个单位所拥有。
  • 地理范围和站点数目均有限。

• 局域网具有如下的一些优点：

  • 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。
  • 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。
  • 提高了系统的可靠性（reliability），可用性（availability）和生存性（survivability）。

• 局域网按网络拓扑进行分类。
  

• 局域网的传输媒体:

  • 双绞线
  • 光纤

• 注：局域网工作的层次跨越了数据链路层和物理层。

• 共享信道要着重考虑的一个问题就是如何使众多用户能够合理而方便地共享通信媒体资源。在技术上有两种方法。

  • 静态划分信道：用户只要分配到信道就不会和其他用户发生冲突。这种划分信道的方法代价较高，不适合局域网使用。常用的信道划分技术如下
    • 频分复用
    • 时分复用
    • 波分复用
    • 码分复用
  • 动态媒体接入控制：又称为多点接入（multiple access），特点是信道并非在用户通信时固定分配给用户。分为以下两类：
    • 随机接入：特点是所有的用户可随机地发送信息。但如果恰巧有两个或更多地用户在同一时刻发送信息，那么在共享媒体上就要产生碰撞，使得这些用户的发送都失败。
    • 受控接入：特点是用户不能随机地发送信息而必须服从一定地控制。典型代表有分散控制地令牌环局域网和集中控制地多点线路探询（polling），或称为轮询。

1，以太网的两个主要标准

• DIX Ethernet V2是世界上第一个局域网产品（以太网）的规约。
• IEEE 802.3是第一个IEEE的以太网标准。
• DIX Ethernet 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”。
• 严格讲，“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

• 为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，IEEE 802委员会就把局域网的数据链路层拆成两个子层：
  • 逻辑链路控制LLC（Logical Link Control）子层。
  • 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。
• 现在802委员会指定的逻辑链路控制子层LLC（即802.2标准）的作用已经不大了。很多厂商生产的适配器上就仅装有MAC协议而没有LLC协议。

2，适配器的作用

• 计算机与外界局域网的连接是通过适配器（adapter）。
• 网络接口板又称为通信适配器（adapter）或网络接口卡NIC（Network Interface Card），或“网卡”。
• 适配器的重要功能：
  • 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，适配器的一个重要功能就是要进行数据串行和并行传输的转换。
  • 网络上的数据率和计算机总线上的数据率并不相同，因此在适配器中必须有对数据进行缓冲的存储芯片。
  • 在主板上插入适配器时，还必须把管理该适配器的设备驱动程序安装在计算机的操作系统中。
  • 适配器还要能够实现以太网协议。
• 适配器实现的功能包含了数据链路层及物理层两个层次的功能。
• 适配器在接收和发送各种帧时，不使用计算机的CPU。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，并交付协议栈中的网络层。当计算机要发送IP数据报时，就由协议栈把IP数据报向下交给适配器，组装成帧后发送到局域网。
  

2，CSMA/CD协议

• 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。

• 总线的特点是：当一台计算机发送数据时，总线上的所有计算机都能够检测到这个数据。这种就是广播通信方式。但并不总是要在局域网中进行一对多的广播通信。为了在总线上实现一对一的通信，可以使每一台计算机的适配器都拥有一个与其他适配器都不同的地址。在发送数据帧时，在帧的首部写明接收站的地址。仅当数据帧中的目的地址与适配器ROM中存放的硬件地址一致时，该适配器才能接收这个数据帧。适配器对不是发送给自己的数据帧就丢弃。这样，具有广播特性的总线上就实现了一对一的通信。
  

• 总线的缺点：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。即在同一时间只能允许一台计算机发送数据。那么如何避免同时发送产生的碰撞？采用CSMA/CD载波监听多点接入/碰撞检测（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）。
  

1，为简便通信，以太网采取的两种措施

第一种

• 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。
  • 这样做可以使以太网工作起来非常简单，而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。
• 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一个重传的帧，而是当作一个新的数据帧来发送。

第二种

• 以太网发送的数据都使用曼彻斯特（Manchester）编码的信号。

  

2，CSMA/CD协议介绍

• CSMA/CD含义：载波监听多点接入/碰撞检测（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）
• “多点接入”表明这是总线型网络，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”就是不管在想要发送数据之前，还是在发送数据之中，每个站都必须不停地检测信道。在发送前检测信道，是为了避免冲突。如果检测出已经有其他站在发送，则本站就暂时不要发送数据。在发送中检测信道，是为了及时发现如果有其他站也在发送，就立即中断本站的发送。这就称为碰撞检测。
• “碰撞检测”是适配器边发送数据边检测信道上的信号电压的变化情况。当两个或几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压变化幅度将会增大（互相叠加）。当适配器检测到的信号电压变化幅度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 。所谓“碰撞”就是产生了冲突。因此“碰撞检测“也称为”冲突检测“。
• 检测到碰撞后，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来。因此，任何一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，其适配器就要立即停止发送，免得继续进行无效的发送，白白浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送。
  

1，为什么要进行碰撞检测？因为信号传播时延对载波监听产生了影响

• 在使用CSMA/CD协议时，一个站不可能同时进行发送和接收（但必须边发送边监听信道）。因此使用CSMA/CD协议的以太网不可能进行全双工通信而只能进行双向交替通信（半双工通信）。
• 争用期
  • 最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间$$2\tau$$(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。
  • 以太网的端到端往返时延$$2\tau$$称为争用期（contention period），或碰撞窗口（collision window）。
  • 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。

2，截断二进制指数退避（truncated binary exponential backoff）

• 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。
  • 基本退避时间取为争用期$$2\tau$$。
  • 从整数集合$$[0,1,...,(2^k-1)]$$中随机取出一个数，记为$$r$$。重传所需的时延就是$$r$$倍的基本退避时间。
  • 参数$$k$$按下面的公式计算$$k=Min[重传次数,10]$$
  • 当$$k\le 10$$时，参数k等于重传次数。
  • 当重传达16次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。

3，10Mbit/s以太网争用期的长度

• 10Mbit/s以太网取51.2μs为争用期的长度。
• 对于10Mbit/s以太网，在争用期内可发送512bit，即64字节。这意味着：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。

4，最短有效帧长

• 如果发生冲突，就一定是在发送的前64字节之内。
• 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。
• 以太网规定了最短有效帧长为64字节，凡长度小于64字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。

5，覆盖范围

• 在10Mbit/s以太网51.2μs的争用期内，信号能传输多远的距离？
• 以太网上最大的端到端单程时延必须小于争用期的一半（即25.6μs），这相当于以太网的最大端到端长度约为5km。

6，人为干扰信号

• 当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时，除立即停止发送数据外，还要再继续发送32或48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。

7，CSMA/CD协议要点归纳

3，使用集线器的星形拓扑

• 传统以太网最初使用的是粗同轴电缆，后来演变到使用比较便宜的细同轴电缆，最后发展为使用更便宜灵活的双绞线。
  

• 这种以太网采用星形拓扑，在星形的中心增加了一种可靠性非常高的设备，叫做集线器（hub）。
  

• 10BASE-T的标准802.3i。“10”代表10Mbit/s的数据率，BASE表示连接线上的信号是基带信号，T代表双绞线。

1，星形以太网10BASE-T特点

• 使用无屏蔽双绞线，采用星形拓扑。
• 每个站使用两对双绞线，分别用于发送和接收。
  • 双绞线能够传送高速数据的主要措施是把绞合度做的非常精准。这样不仅可使特性抗阻均匀以减少失真，而且大大减少了电磁波辐射和无线电频率的干扰。在多对双绞线的电缆中，还要使用更加复杂的绞合方法。
• 双绞线的两端使用RJ-45插头。
• 集线器使用大规模集成电路芯片，因此集线器的可靠性提高。
• 10BASE-T的通信距离稍短，每个站到集线器的距离不超过100m。

2，集线器的特点

• 使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各站共享逻辑上的总线，使用的还是CSMA/CD协议，并且在同一时刻至多只允许一个站发送数据。
• 集线器很像一个多端口的转发器。
• 集线器工作在物理层，它的每个端口仅仅简单地转发比特。不进行碰撞检测。若两个端口同时有信号输入（即发生碰撞），那么所有的端口都将收不到正确的帧。
• 集线器采用了专门的芯片，进行自适应串音回波抵消。这样就可使端口转发出去的较强信号不致对该端口接收到的较弱信号产生干扰（这种干扰即近端串音）。每个比特在转发之前还要进行再生整形并重新定时。

4，以太网的MAC层

1，MAC层的硬件地址

• 在局域网中，硬件地址又称为物理地址或MAC地址。

• IEEE 802标准为局域网规定了一种48位的全球地址（一般简称为“地址”），这就是局域网上的每一台计算机中固化在适配器的ROM中的地址。

• 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。

• IEEE 802标准规定MAC地址字段可采用6字节（48位）或2字节（16位）这两种中的一种。

• IEEE的注册管理机构RA（Registration Authority）负责向厂家分配地址字段6个字节中的前三个字节（即高位24位），称为组织唯一标识符OUI（Organizationally Unique Identifier）。

• 地址字段6个字节中的后三个字节（即低位24位）由厂家自行指派，称为扩展标识符（extended identifier），必须保证生产出的适配器没有重复地址。
  

• 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。（扩展的唯一标识符，Extended Unique Identifier，EUI）。

• 生产适配器时，6字节的MAC地址已经被固化在适配器的ROM，因此，MAC地址也叫做硬件地址（hardware address)或物理地址。

• “MAC地址”实际上就是适配器地址或适配器标识符EUI-48。

1，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，此时，IEEE只分配地址字段前三个字节中的23位。
• 当I/G位分别为0和1时，一个地址块可分别生成$$2^{23}$$个单个站地址和$$2^{23}$$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。

2，全球管理和本地管理

• IEEE把地址字段第一字节的最低位第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。

3，适配器检查MAC地址

• 当适配器从网络上每收到一个MAC帧就先用硬件检查MAC帧中的目的地址。
  • 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。
• “发往本站的帧”包括以下三种帧：
  • 单播（unicast）帧（一对一），即收到的帧的MAC地址与本站的MAC地址相同。
  • 广播（broadcast）帧（一对全体），即发送给本局域网上所有站点的帧。
  • 多播（multicast）帧（一对多），即发送给本局域网上一部分站点的帧。
• 所有的适配器都至少能够识别前两种帧，即单播和广播地址。有的适配器可用编程方法识别多播地址。只有目的地址才能使用广播地址和多播地址。
• 以太网适配器还可设置为一种特殊的工作方式，即混杂方式（promiscuous mode）。工作在混杂方式的适配器只要“听到”有帧在以太网上传输就都悄悄接收下来，而不管这些帧发往那个站。

2，MAC帧的格式

• 常见的以太网MAC帧格式有两种标准：
  • DIX Ethernet V2标准（最常用）
  • IEEE的802.3标准

1，以太网V2的MAC帧格式

• 以太网V2的MAC帧较为简单，由五个字段组成：前两个字段分别为6字节长的目的地址和源地址字段。第三个字段是2字节的类型字段，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。第四个字段是数据字段，其长度在46到1500字节之间（46字节是这样得出的：最小长度64字节减去18字节的首部和尾部就得出数据字段的最小长度）。当数据字段的长度小于46字节时，MAC子层就会在数据字段的后面加入一个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。最后一个字段是4字节的帧检验序列FCS（使用CRC检验）。
• 当传输媒体的误码率为$$1\ast 10^{-8}$$时，MAC子层可使未检测到的差错小于$$1\ast 10^{-14}$$。FCS检验的范围就是整个的MAC帧，从目的地址开始到FCS为止的这五个字段，但不包括物理层插入的8字节的前同步码和帧开始定界符。
• 在以太网V2的MAC帧格式中，其首部并没有一个帧长度（或数据长度）字段。那么，MAC子层又怎样知道从接收到的以太网帧中取出多少字节的数据交付上一层协议呢？
  • 曼彻斯特编码的一个重要特点就是：在曼切斯特编码的每一个码元（不管码元是1或0）的正中间一定有一次电压的转换（既不发送1，也不发送0）。因此，发送方网络适配器的接口上的电压也就不再变化了。这样，接收方就可以很容易地找到以太网帧的结束位置。在这个位置往前数4字节（FCS字段长度是4字节），就能确定数据字段的结束位置。
• 在传输媒体上实际传送的要比MAC帧还多8个字节。这是因为当一个站在刚开始接收MAC帧时，由于适配器的时钟尚未与到达的比特流达成同步，因此MAC帧的最前面的若干位就无法接收，结果使整个MAC成为无用的帧。为了接收端迅速实现位同步，从MAC子层向下传到物理层时还要在帧的前面插入8个字节（由硬件生成），它有两个字段构成。第一个字段是7个字节的前同步码（1和0交替码），它的作用是使接收端的适配器在接收MAC帧时能够迅速调整其时钟频率，使它和发送端的时钟同步，也就是“实现位同步”（位同步就是比特同步的意思）。第二个字段是帧开始定界符，定义为10101011.它的前六位的作用和前同步码一样，最后的两个连续的1就是告诉接收端适配器：“MAC帧的信息马上就要来了，请适配器注意接收”。MAC帧的FCS字段的检验范围不包括前同步码和帧开始定界符。
• 在以太网上传送数据时是以帧为单位传送的。以太网在传送帧时，各帧之间还必须有一定的间隙。因此，接收端只要找到帧开始定界符，其后面的连续到达的比特流就都属于同一个MAC帧。可见以太网不需要使用帧结束定界符，也不需要使用字节插入来保证透明传输。

2，无效的MAC帧

• 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。
• 收到的帧的MAC客户数据字段的长度不在46~1500字节之间。考虑到MAC帧首部和尾部的长度共有18字节，可以得出有效的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。

3，IEEE 802.3 MAC帧格式与以太网V2 MAC帧格式的区别

• IEEE 802.3规定的MAC帧的第三个字段是“长度/类型”。
  • 当这个字段值大于0x0600时（相当于十进制的1536），就表示“类型”。这样的帧和以太网V2 MAC帧完全一样。
  • 当这个字段值小于0x0600时才表示“长度”。
• 当“长度/类型”字段值小于0x0600时，数据字段必须装入上面的逻辑链路控制LLC子层的LLC帧。
• 在802.3标准的文档中，MAC帧的帧格式包括了8字节的前同步码和帧开始定界符。

4，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。

4，扩展的以太网

1，在物理层扩展以太网

• 以太网上的主机之间的距离不能太远（如，10BASE-T以太网的两台主机之间的距离不超过200m），否则主机发送的信号经过铜线的传输就会衰减到使CSMA/CD协议无法正常工作。

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。
• 由于光纤带来的时延很小，并且带宽很宽，因此使用这种方式可以很容易地使主机和几公里外的集线器相连接。
  

2，使用集线器扩展

• 将多个以太网段连成更大的，多级星形结构的以太网。
  

• 使用集线器扩展的优缺点

  • 优点：
    • 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。
    • 扩大了以太网的覆盖的地理范围。
  • 缺点：
    • 碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。
    • 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。

• 碰撞域（collision domain，又称为冲突域），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。即在任一时刻，在每一个碰撞域中只能有一个站在发送数据。

• 碰撞域越大，发生碰撞的概率越高。
  

2，在数据链路层扩展以太网

1，使用网桥（了解）

• 网桥（bridge）对收到的帧根据其MAC帧的目的地址进行转发和过滤。
• 当网桥收到一个帧时，并不是向所有的端口转发此帧，而是根据此帧的目的MAC地址，查找网桥中的地址表，然后确定将该帧转发到那个端口，或者是把它丢弃。
  

2，以太网交换机

• 1990年问世的交换式集线器（switching hub），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。
  

1，以太网交换机的特点

• 以太网交换机实质上就是一个多端口的网桥。
  • 通常有十几个或更多的接口。
• 以太网交换机的每个端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。
• 以太网交换机具有并行性。
  • 能同时连通多对端口，使多对主机能同时通信。
• 相互通信的主机都独占传输媒体，无碰撞地传输数据（以太网交换机的每个接口都是一个碰撞域）。
• 以太网交换机的端口有存储器，能在输出端口繁忙时把到来的帧进行缓存。
• 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。
• 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。
• 用户独享带宽，增加了总容量。
  

2，以太网交换机的交换方式

• 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
  • 接收到帧的同时就立即按数据帧的目的MAC地址决定该帧的转发端口，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，如，当需要进行线路速率匹配，协议转换或差错检测时。

3，以太网交换机的自学习功能

• 下图中的以太网交换机有4个端口，各连接一台计算机，其MAC地址分别为A，B，C和D。交换表最重要的就是两个项目：目的MAC地址和转发端口。一开始，以太网交换机里面的交换表是空的。
  

• 假定A先向B发送一帧，从端口1进入到交换机。交换机收到帧后，先查找交换表。现在表中没有B的地址。于是，交换机把此帧的源地址A和端口1写入交换表中，并向除端口1以外的所有端口广播这个帧。

• 广播发送可以保证让B收到这个帧，而C和D在收到帧后，因目的地址不匹配将丢弃此帧。这一过程也称为过滤。

• 由于在交换表中写入了项目（A，1），因此以后不管从那个端口收到帧，只要其目的地址是A，就把收到的帧从端口1转发出去送交A。

• 接下来假定B通过端口3向A发送一帧。交换机查找转发表，发现交换表中的MAC地址有A，表明凡是发给A的帧（即目的地址为A的帧）都应从端口1转发。显然，现在应直接把收到的帧从端口1转发给A，没有必要再广播收到的帧。交换表这时用源地址B写入一个项目（B，3），表明今后如有发送给B的帧，应从端口3转发。

• 其他依此类推。。。。。。

• 考虑到有时可能要在交换机的端口更换主机，或者主机要更换其网络适配器，这就需要及时更换交换表的项目。为此，当交换表中写入一个项目时就记下当时的时间，只要超过预先设定的时间（比如300秒），该项目就自动被删除。用这样的方法保证交换表中的数据都符合当前网络的实际状况。即上图交换表实际上是三列，即MAC地址，端口和写入时间。

• 以太网交换机的这种自学习方式使得以太网交换机能够即插即用，不必人工进行配置。
  

4，回路

• 有时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。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。
  

• 为了解决这个问题，IEEE的802.1D标准制定了一个生成树协议STP（Spanning Tree Protocol）。其要点就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，虚拟局域网

• 虚拟局域网VLAN（Virtual LAN）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属于哪一个VLAN。

• 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。

• 1988年IEEE批准了802.3ac标准，标准定义了以太网的帧格式的扩展，以便支持虚拟局域网。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，如下，称为VLAN标签（tag），用来指明发送该帧的计算机属于哪一个虚拟局域网。插入VLAN标签的帧称为802.1Q帧。
  

• VLAN标签字段的长度是4字节

  • 前两个字节总是设置为0x8100（即二进制的10000001 00000000），称为IEEE 802.1Q标签类型。
  • 后两个字节中，前面4位实际上并没有什么作用，后面的12位是该虚拟局域网VLAN标识符VID（VLAN ID），它唯一地标志了802.1Q帧属于哪一个VLAN。12位的VID可识别4096个不同的VLAN。插入VLAN标签后，802.1Q帧最后的帧检验序列FCS必须重新计算。

1，虚拟局域网优点

• 改善了性能。
• 简化了管理。
• 降低了成本。
• 改善了安全性。

2，划分虚拟局域网的方法

• 基于交换机端口

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

• 基于计算机网卡的MAC地址

• 根据用户计算机的MAC地址划分虚拟局域网

  • 属于在第二层划分虚拟局域网的方法
  • 允许用户移动
  • 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，则需要重新配置VLAN。
    

• 基于协议类型

  • 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。
  • 属于在第二层划分虚拟局域网的方法。
    

• 基于IP子网地址

  • 根据以太网帧中的第三个字段“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。
  • 属于在第三层划分虚拟局域网的方法。
    

• 基于高层应用或服务

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

5，高速以太网

1，100BASE-T以太网

• 100BASE-T是在双绞线上传送100Mbit/s基带信号的星形拓扑以太网，使用802.3的CSMA/CD协议，又称为快速以太网（Fast Ethernet）。

• 1995年IEEE把100BASE-T的快速以太网定为正式标准，代号为IEEE 802.3u。

• 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。

• 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100米。

• 帧间时间间隔从原来的9.6μs改为现在的0.96μs。

• 100Mbit/s以太网的三种不同的物理层标准。

  名称	媒体	网段最大长度	特点
  100BASE-TX	铜缆	100m	两对UTP 5类线或屏蔽双绞线STP
  100BASE-T4	铜缆	100m	4对UTP3类线或5类线
  100BASE-FX	光缆	2000m	两根光纤，发送和接收各一根

  • 标准中将100BASE-TX和100BASE-FX合在一起称为100BASE-X。
  • 100BASE-T4使用4对UTP3类线或5类线时，使用3对线同时传送数据（每一对线以$$33\frac{1}{33}$$Mbit/s的速率传送数据），用1对线作为碰撞检测的接收信道。

2，吉比特以太网

• 吉比特以太网的标准IEEE 802.3z有以下几个特点：

  • 允许在1Gbit/s下以全双工和半双工两种方式工作。
  • 使用IEEE 802.3协议规定的帧格式。
  • 在半双工方式下使用CSMA/CD协议，而在全双工方式下不使用CSMA/CD协议。
  • 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。

• 吉比特以太网的物理层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（Fibre Channel）。

• 吉比特以太网物理层标准

  名称	媒体	网段最大长度	特点
  1000BASE-SX	光缆	550m	多模光纤（50和62.5μm）
  1000BASE-LX	光缆	5000m	单模光纤（10μm）多模光纤（50和62.5μm）
  1000BASE-CX	铜缆	25m	使用2对屏蔽双绞线电缆STP
  1000BASE-T	铜缆	100m	使用4对UTP5类线

1，半双工方式工作的吉比特以太网

• 吉比特以太网工作在半双工方式时，就必须进行碰撞检测。
• 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。
  • 载波延伸（carrier extension）
  • 分组突发（packet bursting）

1，载波延伸

• 使最短帧长仍为64字节（这样可以保证兼容性），同时将争用期增大为512字节。
• 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，要把所填充的特殊字段删除后才向高层交付。
  

2，分组突发

• 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。这样就形成一串分组的突发，直到达到1500字节或稍多一些为止。
  

2，全双工方式工作的吉比特以太网

• 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。

3，10吉比特以太网（10GbE）和更快的以太网

• 10GbE并非把吉比特以太网的速率简单地提高10倍，其主要特点有：
  • 与10Mbit/s，100Mbit/s和1Gbit/s以太网的帧格式完全相同。
  • 保留了802.3标准规定的以太网最小和最大帧长，便于升级。
  • 不再使用铜线而只使用光纤作为传输媒体。
  • 只工作在全双工方式，因而没有争用问题，也不使用CSMA/CD协议。

1，10GbE的物理层标准

名称	媒体	网段最大长度	特点
10GBASE-SR	光缆	300m	多模光纤（0.85μm）
10GBASE-LR	光缆	10km	单模光纤（1.3μm）
10GBASE-ER	光缆	40km	单模光纤（1.5μm）
10GBASE-CX4	铜缆	15m	使用4对双芯同轴电缆（twinax）
10GBASE-T	铜缆	100m	使用4对6A类UTP双绞线

2，40GbE/100GbE的物理层标准

物理层	40GbE	100GbE
在背板上传输至少超过1m	40GBASE-KR4
在铜缆上传输至少超过7m	40GBASE-CR4	100GBASE-CR10
在多模光纤上传输至少100m	40GBASE-SR4	100GBASE-SR10，*100GBASE-SR4
在单模光纤上传输至少10km	40GBASE-LR4	100GBASE-LR4
在单模光纤上传输至少40km	*40GBASE-ER4	100GBASE-ER4

• 40GbE/100GbE以太网工作在全双工的传输方式。并且任然保持了以太网的帧格式以及802.3标准规定的以太网最小和最大帧长。100GbE在使用单模光纤传输时，仍然可以达到40km的传输距离，但这需要波分复用。

3，端到端的以太网传输

• 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。使用这种工作方式的好处有：
  • 技术成熟。
  • 互操作性很好。
  • 在广域网中使用以太网时价格便宜。
  • 采用统一的以太网帧格式，简化了操作和管理。

4，使用以太网进行宽带接入

• 以太网宽带接入具有以下特点：
  • 可以提供双向的宽带通信。
  • 可以根据用户对宽带的需求灵活地进行宽带升级。
  • 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。
  • 但是不支持用户身份鉴别。
• 存在的问题：
  • 以太网的帧格式标准中，在地址字段部分并没有用户名字段，也没有让用户键入密码来鉴别用户身份的过程。如果网络运营商要利用以太网接入到互联网，就必须解决这个问题。解决方案PPPoE。

1，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。
• 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。
• 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，使用RJ-45和5类线进行连接的，并且也是使用PPPoE弹出的窗口进行拨号连接的。