计算机网络原理第3章 数据链路层 （超全知识点+例题）

目录

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

1.  封装成帧

 2.  透明传输

3.差错控制

3.2  点对点协议 PPP

3.2.1  PPP 协议的特点

 1. PPP 协议应满足的需求

2. PPP 协议不需要的功能

3.  PPP 协议的组成

3.2.2   PPP 协议的帧格式

 3.2.3   PPP 协议的工作状态

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

1. 媒体共享技术

2.以太网的两个标准   

3. 数据链路层的两个子层

4. 适配器的作用

3.3.2  CSMA/CD 协议

（1）以太网的广播方式发送

（2）以太网采取了两种重要的措施

 （3）CSMA/CD协议

3.3.3  使用集线器的星形拓扑

星形网 10BASE-T 10 Mbps,BaseBand,100Meter,双绞线

集线器的一些特点

3.3.4  以太网的信道利用率

 参数 α

 信道利用率的最大值 Smax

3.3.5  以太网的 MAC 层

1.  MAC 层的硬件地址

2. 适配器检查 MAC 地址

3. MAC 帧的格式

4. 以太网 V2 MAC 帧

 5. IEEE 802.3 MAC 帧格式

6. 无效的 MAC 帧

3.4  扩展的以太网

3.4.1  在物理层扩展以太网

1.使用光纤扩展

 2. 使用集线器扩展

3.4.2  在数据链路层扩展以太网

 1. 以太网交换机的特点

2. 以太网交换机的优点

3. 以太网交换机的交换方式

4. 以太网交换机的自学习功能

 5. 从总线以太网到星形以太网

6. 广播风暴

3.4.3  虚拟局域网

1. 虚拟局域网VLAN

2. 虚拟局域网使用的以太网帧格式

3.5  高速以太网

3.5.1  100BASE-T 以太网

100BASE-T 以太网的特点

100VG-AnyLAN技术(补充)

3.5.2  吉比特以太网

吉比特以太网的物理层

 半双工方式工作的吉比特以太网

载波延伸

 分组突发

 全双工方式工作的吉比特以太网

3.5.3  10吉比特以太网 (10GE) 和更快的以太网

 端到端的以太网传输

3.5.4  使用以太网进行宽带接入

例题讲解

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3.1  使用点对点信道的数据链路层

数据链路层使用的信道：点对点信道、广播信道

3.1.1  数据链路和帧

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。 一条链路只是一条通路的一个组成部分。

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（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。

① 数据链路=链路+通信协议 

② 数据链路层传送的是帧

3.1.2  三个基本问题

数据链路层的封装过程与其他层封装过程有何不同？

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，然后就构成了一个帧。

确定帧的界限，首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界。  

用控制字符进行帧定界的方法：SOH、EOT

 2.  透明传输

如果数据中的某个字节的二进制代码和 SOH 或 EOT 一样，数据链路层会错误地“找到帧的边界”。

解决透明传输问题：字节填充 (byte stuffing) 或字符填充 (character stuffing)

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” ;

如果转义字符也出现在数据当中，那么应在转义字符前面插入一个转义字符 ESC;     

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; 

接收端的数据链路层在将数据送往网络层之前删除插入的转义字符。

3.差错控制

① 数据通信中接收端收到的二进制数位（或称为码元）和发送端实际发送的二进制数位不一致;

② 衡量一个信道质量的重要参数是误码率：

        通常用10的负若干次方来标志信道的误码率Pe；在一条话频线路中，误码率若为10-5，则意味着平均十万位中有一位出错;  差错控制最常用的方法是差错控制编码;

③ 什么是差错检测与校正：

        在一个实用的通信系统中一定要能发现（检测）这种差错   并采用措施纠正（校正），把差错控制在所能允许的尽可能小的范围内 。

④ 差错控制编码的原理：

        信息位：要发送的数据

        冗余位：在向信道发送之前，先按照某种关系加上一定的冗余位

        发送与接收的过程： 发送时：信息位+冗余位构成码字发送；

        接收时：收到码字后查看信息位和冗余位，并检查它们之间的关系（校验过程），以发现传            输过程中是否有差错发生。

⑤ 衡量编码性能的参数：编码效率R、判定规律

 

⑥ 差错控制编码分类：检错码、纠错码

⑦ 常用的简单差错控制编码：奇偶校验码、循环冗余检验CRC

 

 ⑧ 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 。 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。  

接收端对收到的每一帧进行 CRC 检验：

(1) 若得出的余数 R = 0，则判定这个帧没有差错，就接受(accept)。

(2) 若余数 R ≠ 0，则判定这个帧有差错，就丢弃。 但这种检测方法并不能确定究竟是哪一个或哪几个比特出现了差错。 只要经过严格的挑选，并使用位数足够多的除数 P，那么出现检测不到的差错的概率就很小很小。

⑨ 生成多项式

 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(accept)。 “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”。 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）。 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

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)。 用户使用拨号电话线接入互联网时， 用户计算机和 ISP 进行通信时所使用的数据链路层协议就是 PPP 协议。 PPP 协议在1994年就已成为互联网的正式标准。

 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，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

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

 □ PPP 有一个 2 个字节的协议字段。

        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 链路控制数据。

        若为 0x8021，则表示这是网络控制数据。

 □ PPP 是面向字节的，所有的 PPP 帧的长度都是整数字节。

 □ 透明传输问题：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（和 HDLC 的做法一样）。 当 PPP 用在异步传输时，就使用一种特殊的字符填充法。

① 零比特填充（同步）：在发送端，只要发现有 5 个连续 1，则立即填入一个 0

② 字符填充（异步）：将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)

                                    若信息字段中出现 0x7D 的字节, 则将其转变成为 2 字节序列(0x7D, 0x5D)

 □  不提供使用序号和确认的可靠传输：PPP 协议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。

 3.2.3   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，并建立一条物理连接。

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一些 PPP 参数，并进行网络层配置，NCP 给新接入的 PC 机分配一个临时的 IP 地址，使 PC 机成为因特网上的一个主机。

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。

可见，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。

 

 HDLC概述：高级数据链路控制（简称HDLC），是一个在同步网上传输数据、面向比特的数据链路层协议，它是由国际标准化组织（ISO）根据IBM公司的SDLC（协议扩展开发而成的。

数据链路的配置和数据传送方式 ：主站，次站，复合站，非平衡配置，平衡配置 ；命令，响应。

HDLC的帧结构

：

 地址字段A：

        非平衡方式传送数据时，地址字段总是写入次站地址

        平衡方式，地址字段总是填入确认站的地址

        全1地址：广播方式

   

监督帧S

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

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。

局域网具有如下主要优点：

        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。

1. 媒体共享技术

静态划分信道：频分复用 、时分复用、 波分复用 、码分复用

动态媒体接入控制（多点接入） ： 随机接入、 受控接入 ，如多点线路探询 (polling)，或轮询。   

2.以太网的两个标准   

美国施乐公司(Xerox)的Palo Alto研究中心于1975年研制成功，当时的数据率为2.94Mb/s,以无源的电缆作为总线，传输介质称为以太。

1981年施乐公司与数字设备公司及Intel公司合作，联合提出了以太网规约。

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”。

严格说来，“以太网”应当是指符合 DIX Ethernet V2 标准的局域网 。 

3. 数据链路层的两个子层

为了使数据链路层能更好适应多种局域网标准，802 委员会将局域网的数据链路层拆成两个子层： 逻辑链路控制 LLC 子层、媒体接入控制 MAC 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

4. 适配器的作用

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” 。

 网卡通信需要解决的问题

3.3.2  CSMA/CD 协议

广播信道和点对点信道在发送数据时的区别是什么？

（1）以太网的广播方式发送

        总线上的每一个工作的计算机都能检测到 B 发送的数据信号。

        由于只有计算机 D 的地址与数据帧首部写入的地址一致，因此只有 D 才接收这个数据帧。

        其他所有的计算机（A, C 和 E）都检测到不是发送给它们的数据帧，因此就丢弃这个数据帧而不能够收下来。 具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。  

（2）以太网采取了两种重要的措施

 ①  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。 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。 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。

 以太网提供的服务 ：以太网提供的服务是不可靠交付，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。  

② 以太网发送的数据都使用曼彻斯特(Manchester)编码

 （3）CSMA/CD协议

CSMA/CD 含义：载波监听多点接入 / 碰撞检测

“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。

“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。

总线上并没有“载波” ，“载波监听”就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号。

 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 2δ （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 2δ  称为争用期，或碰撞窗口。 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。

争用期的长度：以太网取 51.2 us 为争用期的长度。对于 10 Mb/s 以太网，在争用期内可发送512 bit，即 64 字节。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。 争用期也可以称为512比特时间，表示发送512比特所需要的时间。  

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。

二进制指数类型退避算法：发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟一个随机时间再发送数据。

 强化碰撞：当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时

(1) 立即停止发送数据；

(2) 再继续发送若干比特的人为干扰信号 ，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。

帧间最小间隔  ：帧间最小间隔为 9.6 us，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 us 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。

 

3.3.3  使用集线器的星形拓扑

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。

这种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)  

星形网 10BASE-T 10 Mbps,BaseBand,100Meter,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。

集线器使用了大规模集成电路芯片，因此这样的硬件设备的可靠性已大大提高了。

这种 10 Mb/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。

10BASE-T 双绞线以太网的出现，是局域网发展史上的一个非常重要的里程碑，它为以太网在局域网中的统治地位奠定了牢固的基础。 从此以太网的拓扑就从总线形变为更加方便的星形网络，而以太网也就在局域网中占据了统治地位。  

集线器的一些特点

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以太网运行。

使用集线器的以太网在逻辑上是总线网，各工作站使用 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。

任意两台计算机间可以经过最多4只HUB、最多5段双绞线.

 

3.3.4  以太网的信道利用率

 参数 α

 信道利用率的最大值 Smax

3.3.5  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。

802 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。

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 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。

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，称为扩展唯一标识符，必须保证生产出的适配器没有重复地址。

2. 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，不再进行其他的处理。

“发往本站的帧”包括以下三种帧：

        单播(unicast)帧（一对一）

        广播(broadcast)帧（一对全体）（全1）

        多播(multicast)帧（一对多）（I/G比特为1）

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。 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。

3. MAC 帧的格式

常用的以太网MAC帧格式有两种标准 ： DIX Ethernet V2 标准、 IEEE 的 802.3 标准

4. 以太网 V2 MAC 帧

 在帧的前面插入（硬件生成）的 8 字节中，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 1 个字节是帧开始定界符，表示后面的信息就是 MAC 帧。

目的地址字段 6 字节

源地址字段 6 字节

类型字段2字节，用来标志上一层使用的协议， 以便把收到的 MAC 帧的数据交给上一层的协议

数据字段 46 ~ 1500 字节，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）                              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。

FCS 字段 4 字节

 5. IEEE 802.3 MAC 帧格式

与以太网V2 MAC 帧格式相似，区别在于：

(1) 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”。

(2) 当“长度/类型”字段值小于 0x0600 ，数据字段必须装入上面逻辑链路控制 LLC 子层的 LLC 帧。

现在市场上流行的都是以太网V2 的 MAC 帧，但大家也常常称为 IEEE 802.3 标准的 MAC 帧。

6. 无效的 MAC 帧

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。

3.4  扩展的以太网

3.4.1  在物理层扩展以太网

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

使用多个集线器可连成更大的、多级星形结构的以太网。 例如，一个学院的三个系各有一个 10BASE-T 以太网，可通过一个主干集线器把各系的以太网连接起来，成为一个更大的以太网。

优点：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。

           扩大了局域网覆盖的地理范围。

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。

3.4.2  在数据链路层扩展以太网

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。

 1. 以太网交换机的特点

① 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。

② 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。

③ 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。

④ 相互通信的主机都是独占传输媒体，无碰撞地传输数据。

⑤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。

⑥ 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。

⑦ 以太网交换机使用专用的交换结构芯片，用硬件转发转发速率要比使用软件转发的网桥快很多

2. 以太网交换机的优点

① 用户独享带宽，增加了总容量。 对于普通 10 Mbit/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 Mbit/s)的 N 分之一。 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 Mbit/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 个接口的交换机的总容量为 N10 Mbit/s。

② 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、适配器都不需要做改动

③ 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。

3. 以太网交换机的交换方式

① 存储转发方式 ：把整个数据帧先缓存后再进行处理。

② 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，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。

③ 交换机和集线器（或转发器）不同：集线器在转发帧时，不对传输媒体进行检测；交换机在转发帧之前必须执行 CSMA/CD 算法；若在发送过程中出现碰撞，就必须停止发送和进行退避。

4. 以太网交换机的自学习功能

以太网交换机运行自学习算法自动维护交换表。

开始时，以太网交换机里面的交换表是空的。

按照以下自学习算法 处理收到的帧和建立转发表：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。 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。 在建立转发表时是把帧首部中的源地址写在“地址”这一栏的下面。 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。

交换机自学习和转发帧的步骤归纳：

交换机收到一帧后先进行自学习，查找交换表中与收到帧的源地址有无相匹配的项目；               如没有，就在交换表中增加一个项目（源地址、进入的接口和有效时间）；                                  如有，则把原有的项目进行更新（进入的接口或有效时间）。

转发帧：查找交换表中与收到帧的目的地址有无相匹配的项目；                                                   如没有，则向所有其他接口（进入的接口除外）转发；                                                                 如有，则按交换表中给出的接口进行转发；                                                                                   若交换表中接口就是进入交换机的接口，则应丢弃这个帧（因为不需要经过交换机进行转发）

交换机使用了生成树协议：增加冗余链路时，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。

假定开始时，交换机 #1 和 #2 的交换表是空的，主机 A 通过接口交换机 #1 向主机 B 发送一帧。

按交换机自学习和转发方法，该帧的某个走向如下：

离开交换机 #1 的接口 3 → 交换机 #2 的接口 1 → 接口 2 → 交换机 #1 的接口 4 → 接口 3 → 交换机 #2 的接口 1 →……。这样就无限制地循环兜圈子下去，白白消耗了网络资源。

 

IEEE 802.1D 标准制定了一个生成树协议 STP  (Spanning Tree Protocol)。 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，即在任何两个站之间只有一条路径。 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。  

用以太网交换机扩展局域网

 

 5. 从总线以太网到星形以太网

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。

总线以太网使用 CSMA/CD 协议，以半双工方式工作。

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，而是以全双工方式工作。但仍然采用以太网的帧结构。

6. 广播风暴

对于单播帧，集线器和交换机的处理方式有什么不同？

① 普通集线器的所有端口会广播单播帧及广播帧

② 交换机的所有端口不会广播单播帧，但所有端口会广播广播帧

如果一个LAN使用多个交换机，连接很多的计算机及服务器，则多个服务器频繁发送广播帧，每个广播帧会经过多个交换机及普通集线器而到达每个计算机，从而造成广播风暴，是网络崩溃。

3.4.3  虚拟局域网

1. 虚拟局域网VLAN

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

虚拟局域网 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。

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。

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。

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。

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。

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。

2. 虚拟局域网使用的以太网帧格式

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计算机属于哪一个虚拟局域网。

插入 VLAN 标记得出的帧称为 802.1Q 帧 或 带标记的以太网帧。

3.5  高速以太网

3.5.1  100BASE-T 以太网

速率达到或超过 100 Mbit/s 的以太网称为高速以太网。

100BASE-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。 100BASE-T 以太网又称为快速以太网 (Fast Ethernet)。

100BASE-T 以太网的特点

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。 帧间时间间隔从原来的 9.6 us 改为现在的 0.96 us。    

争用期为多少？    5.12 us

100VG-AnyLAN技术(补充)

使用集线器的100Mb/s,标准是802.12,可支持802.3,802.5数据帧

工作原理：根据需求优先级采用循环仲裁过程来管理网络的结点

物理层：采用4对非屏蔽双绞线（分别是3、4、5类）采用5B6B编码来传输。

3.5.2  吉比特以太网

允许在 1 Gbit/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，全双工方式不使用 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  (Fiber Channel)。

 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)

载波延伸

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。 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。

 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。这样就形成可一串分组的突发，直到达到 1500 字节或稍多一些为止。

 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（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  10吉比特以太网 (10GE) 和更快的以太网

10 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：

与 10 Mbit/s、100 Mbit/s 和 1 Gbit/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。

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。    

 端到端的以太网传输

3.5.4  使用以太网进行宽带接入

IEEE 在 2001 年初成立了 802.3 EFM 工作组，专门研究高速以太网的宽带接入技术问题。

以太网宽带接入具有以下特点：

        可以提供双向的宽带通信。

        可以根据用户对带宽的需求灵活地进行带宽升级。

        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。

例题讲解