網(wǎng)絡(luò)工程師教程 第三章 數(shù)據(jù)鏈路層課件

1、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（第 5 版）,數(shù)據(jù)鏈路層,數(shù)據(jù)鏈路層的簡(jiǎn)單模型,局域網(wǎng),廣域網(wǎng),主機(jī) H1,主機(jī) H2,路由器 R1,路由器 R2,路由器 R3,電話網(wǎng),局域網(wǎng),主機(jī) H1 向 H2 發(fā)送數(shù)據(jù),從層次上來(lái)看數(shù)據(jù)的流動(dòng),數(shù)據(jù)鏈路層的簡(jiǎn)單模型( 續(xù)）,局域網(wǎng),廣域網(wǎng),主機(jī) H1,主機(jī) H2,路由器 R1,路由器 R2,路由器 R3,電話網(wǎng),局域網(wǎng),主機(jī) H1 向 H2 發(fā)送數(shù)據(jù),鏈路層,應(yīng)用層,運(yùn)輸層,網(wǎng)絡(luò)層,物理層,鏈路層,應(yīng)用層,運(yùn)輸層,網(wǎng)絡(luò)層,物理層,鏈路層,網(wǎng)絡(luò)層,物理層,鏈路層,網(wǎng)絡(luò)層,物理層,鏈路層,網(wǎng)絡(luò)層,物理層,R1,R2,R3,H1,H2,僅從數(shù)據(jù)鏈路層觀察幀的流動(dòng),數(shù)據(jù)鏈路層,3.

2、1 使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信道的數(shù)據(jù)鏈路層 3.1.1 數(shù)據(jù)鏈路和幀 3.1.2 三個(gè)基本問(wèn)題 3.2 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議 PPP 3.2.1 PPP 協(xié)議的特點(diǎn) 3.2.2 PPP 協(xié)議的幀格式 3.2.3 PPP 協(xié)議的工作狀態(tài),數(shù)據(jù)鏈路層（續(xù)）,3.3 使用廣播信道的數(shù)據(jù)鏈路層 3.3.1 局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層 3.3.2 CSMA/CD 協(xié)議 3.4 使用廣播信道的以太網(wǎng) 3.4.1 使用集線器的星形拓?fù)?3.4.2 以太網(wǎng)的信道利用率 3.4.3 以太網(wǎng)的 MAC 層,數(shù)據(jù)鏈路層（續(xù)）,3.5 擴(kuò)展的以太網(wǎng) 3.5.1 在物理層擴(kuò)展以太網(wǎng) 3.5.2 在數(shù)據(jù)鏈路層擴(kuò)展以太網(wǎng) 3.6 高速以太網(wǎng) 3.6.1

3、 100BASE-T 以太網(wǎng) 3.6.2 吉比特以太網(wǎng) 3.6.3 10 吉比特以太網(wǎng) 3.6.4 使用高速以太網(wǎng)進(jìn)行寬帶接入 3.7 其他類型的高速局域網(wǎng)接口,數(shù)據(jù)鏈路層,數(shù)據(jù)鏈路層使用的信道主要有以下兩種類型： 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信道。這種信道使用一對(duì)一的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式。 廣播信道。這種信道使用一對(duì)多的廣播通信方式，因此過(guò)程比較復(fù)雜。廣播信道上連接的主機(jī)很多，因此必須使用專用的共享信道協(xié)議來(lái)協(xié)調(diào)這些主機(jī)的數(shù)據(jù)發(fā),3.1 使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信道的數(shù)據(jù)鏈路層3.1.1 數(shù)據(jù)鏈路和幀,鏈路(link)是一條無(wú)源的點(diǎn)到點(diǎn)的物理線路段，中間沒(méi)有任何其他的交換結(jié)點(diǎn)。 一條鏈路只是一條通路的一個(gè)組成部分。 數(shù)據(jù)鏈路(dat

4、a link) 除了物理線路外，還必須有通信協(xié)議來(lái)控制這些數(shù)據(jù)的傳輸。若把實(shí)現(xiàn)這些協(xié)議的硬件和軟件加到鏈路上，就構(gòu)成了數(shù)據(jù)鏈路。 現(xiàn)在最常用的方法是使用適配器（即網(wǎng)卡）來(lái)實(shí)現(xiàn)這些協(xié)議的硬件和軟件。 一般的適配器都包括了數(shù)據(jù)鏈路層和物理層這兩層的功能。,IP 數(shù)據(jù)報(bào),1010 0110,幀,取出,數(shù)據(jù) 鏈路層,網(wǎng)絡(luò)層,鏈路,結(jié)點(diǎn) A,結(jié)點(diǎn) B,物理層,數(shù)據(jù) 鏈路層,結(jié)點(diǎn) A,結(jié)點(diǎn) B,(a),(b),發(fā)送,接收,鏈路,IP 數(shù)據(jù)報(bào),1010 0110,幀,裝入,數(shù)據(jù)鏈路層傳送的是幀,數(shù)據(jù)鏈路層像個(gè)數(shù)字管道,常常在兩個(gè)對(duì)等的數(shù)據(jù)鏈路層之間畫出一個(gè)數(shù)字管道，而在這條數(shù)字管道上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單位是幀。 早

5、期的數(shù)據(jù)通信協(xié)議曾叫作通信規(guī)程(procedure)。因此在數(shù)據(jù)鏈路層，規(guī)程和協(xié)議是同義語(yǔ)。,3.1.2 三個(gè)基本問(wèn)題,(1) 封裝成幀 (2) 透明傳輸 (3) 差錯(cuò)控制,1. 封裝成幀,封裝成幀(framing)就是在一段數(shù)據(jù)的前后分別添加首部和尾部，然后就構(gòu)成了一個(gè)幀。確定幀的界限。 首部和尾部的一個(gè)重要作用就是進(jìn)行幀定界。,幀結(jié)束,幀首部,IP 數(shù)據(jù)報(bào),幀的數(shù)據(jù)部分,幀尾部, MTU,數(shù)據(jù)鏈路層的幀長(zhǎng),開始 發(fā)送,幀開始,用控制字符進(jìn)行幀定界的方法舉例,SOH,裝在幀中的數(shù)據(jù)部分,幀,幀開始符,幀結(jié)束符,發(fā)送在前,EOT,2. 透明傳輸,SOH,EOT,出現(xiàn)了“EOT”,被接收端當(dāng)作無(wú)

6、效幀而丟棄,被接收端 誤認(rèn)為是一個(gè)幀,數(shù)據(jù)部分,EOT,完整的幀,發(fā)送 在前,解決透明傳輸問(wèn)題,發(fā)送端的數(shù)據(jù)鏈路層在數(shù)據(jù)中出現(xiàn)控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入一個(gè)轉(zhuǎn)義字符“ESC”(其十六進(jìn)制編碼是 1B)。 字節(jié)填充(byte stuffing)或字符填充(character stuffing)接收端的數(shù)據(jù)鏈路層在將數(shù)據(jù)送往網(wǎng)絡(luò)層之前刪除插入的轉(zhuǎn)義字符。 如果轉(zhuǎn)義字符也出現(xiàn)數(shù)據(jù)當(dāng)中，那么應(yīng)在轉(zhuǎn)義字符前面插入一個(gè)轉(zhuǎn)義字符。當(dāng)接收端收到連續(xù)的兩個(gè)轉(zhuǎn)義字符時(shí)，就刪除其中前面的一個(gè)。,SOH,SOH,EOT,SOH,ESC,ESC,EOT,ESC,SOH,ESC,ESC,ESC,SOH,原始

7、數(shù)據(jù),EOT,EOT,經(jīng)過(guò)字節(jié)填充后發(fā)送的數(shù)據(jù),字節(jié)填充,字節(jié)填充,字節(jié)填充,字節(jié)填充,發(fā)送 在前,幀開始符,幀結(jié)束符,用字節(jié)填充法解決透明傳輸?shù)膯?wèn)題,SOH,3. 差錯(cuò)檢測(cè),在傳輸過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生比特差錯(cuò)：1 可能會(huì)變成 0 而 0 也可能變成 1。 在一段時(shí)間內(nèi)，傳輸錯(cuò)誤的比特占所傳輸比特總數(shù)的比率稱為誤碼率 BER (Bit Error Rate)。 誤碼率與信噪比有很大的關(guān)系。 為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，在?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，必須采用各種差錯(cuò)檢測(cè)措施。,循環(huán)冗余檢驗(yàn)的原理,在數(shù)據(jù)鏈路層傳送的幀中，廣泛使用了循環(huán)冗余檢驗(yàn) CRC 的檢錯(cuò)技術(shù)。 在發(fā)送端，先把數(shù)據(jù)劃分為組。假定每組 k

8、個(gè)比特。 假設(shè)待傳送的一組數(shù)據(jù) M = 101001（現(xiàn)在 k = 6）。我們?cè)?M 的后面再添加供差錯(cuò)檢測(cè)用的 n 位冗余碼一起發(fā)送。,冗余碼的計(jì)算,用二進(jìn)制的模 2 運(yùn)算進(jìn)行 2n 乘 M 的運(yùn)算，這相當(dāng)于在 M 后面添加 n 個(gè) 0。 得到的 (k + n) 位的數(shù)除以事先選定好的長(zhǎng)度為 (n + 1) 位的除數(shù) P，得出商是 Q 而余數(shù)是 R，余數(shù) R 比除數(shù) P 少1 位，即 R 是 n 位。,冗余碼的計(jì)算舉例,現(xiàn)在 k = 6, M = 101001。 設(shè) n = 3, 除數(shù) P = 1101， 被除數(shù)是 2nM = 101001000。 模 2 運(yùn)算的結(jié)果是：商 Q = 1101

9、01， 余數(shù) R = 001。 把余數(shù) R 作為冗余碼添加在數(shù)據(jù) M 的后面發(fā)送出去。發(fā)送的數(shù)據(jù)是：2nM + R 即：101001001，共 (k + n) 位。,110101 Q (商) P (除數(shù)) 1101 101001000 2nM (被除數(shù)) 1101 1110 1101 0111 0000 1110 1101 0110 0000 1100 1101 001 R (余數(shù))，作為 FCS,循環(huán)冗余檢驗(yàn)的原理說(shuō)明,幀檢驗(yàn)序列 FCS,在數(shù)據(jù)后面添加上的冗余碼稱為幀檢驗(yàn)序列 FCS (Frame Check Sequence)。 循環(huán)冗余檢驗(yàn) CRC 和幀檢驗(yàn)序列 FCS并不等同。 CR

10、C 是一種常用的檢錯(cuò)方法，而 FCS 是添加在數(shù)據(jù)后面的冗余碼。 FCS 可以用 CRC 這種方法得出，但 CRC 并非用來(lái)獲得 FCS 的唯一方法。,接收端對(duì)收到的每一幀進(jìn)行 CRC 檢驗(yàn),(1) 若得出的余數(shù) R = 0，則判定這個(gè)幀沒(méi)有差錯(cuò)，就接受(accept)。 (2) 若余數(shù) R 0，則判定這個(gè)幀有差錯(cuò)，就丟棄。 但這種檢測(cè)方法并不能確定究竟是哪一個(gè)或哪幾個(gè)比特出現(xiàn)了差錯(cuò)。 只要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的挑選，并使用位數(shù)足夠多的除數(shù) P，那么出現(xiàn)檢測(cè)不到的差錯(cuò)的概率就很小很小。,應(yīng)當(dāng)注意,僅用循環(huán)冗余檢驗(yàn) CRC 差錯(cuò)檢測(cè)技術(shù)只能做到無(wú)差錯(cuò)接受(accept)。 “無(wú)差錯(cuò)接受”是指：“凡是接受的幀

11、（即不包括丟棄的幀），我們都能以非常接近于 1 的概率認(rèn)為這些幀在傳輸過(guò)程中沒(méi)有產(chǎn)生差錯(cuò)”。 也就是說(shuō)：“凡是接收端數(shù)據(jù)鏈路層接受的幀都沒(méi)有傳輸差錯(cuò)”（有差錯(cuò)的幀就丟棄而不接受）。 要做到“可靠傳輸”（即發(fā)送什么就收到什么）就必須再加上確認(rèn)和重傳機(jī)制。,3.2 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議 PPP 3.2.1 PPP 協(xié)議的特點(diǎn),現(xiàn)在全世界使用得最多的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議 PPP (Point-to-Point Protocol)。 用戶使用撥號(hào)電話線接入因特網(wǎng)時(shí)，一般都是使用 PPP 協(xié)議。,用戶到 ISP 的鏈路使用 PPP 協(xié)議,用 戶,至因特網(wǎng),已向因特網(wǎng)管理機(jī)構(gòu) 申請(qǐng)到一批 IP 地址,ISP,

12、接入網(wǎng),PPP 協(xié)議,1. PPP 協(xié)議應(yīng)滿足的需求,簡(jiǎn)單這是首要的要求 封裝成幀 透明性 多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議 多種類型鏈路 差錯(cuò)檢測(cè) 檢測(cè)連接狀態(tài) 最大傳送單元 網(wǎng)絡(luò)層地址協(xié)商 數(shù)據(jù)壓縮協(xié)商,2. PPP 協(xié)議不需要的功能,糾錯(cuò) 流量控制 序號(hào) 多點(diǎn)線路 半雙工或單工鏈路,3. PPP 協(xié)議的組成,1992 年制訂了 PPP 協(xié)議。經(jīng)過(guò) 1993 年和 1994 年的修訂，現(xiàn)在的 PPP 協(xié)議已成為因特網(wǎng)的正式標(biāo)準(zhǔn)RFC 1661。 PPP 協(xié)議有三個(gè)組成部分 一個(gè)將 IP 數(shù)據(jù)報(bào)封裝到串行鏈路的方法。 鏈路控制協(xié)議 LCP (Link Control Protocol)。 網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議 NCP

13、 (Network Control Protocol)。,3.2.2 PPP 協(xié)議的幀格式,標(biāo)志字段 F = 0 x7E （符號(hào)“0 x”表示后面的字符是用十六進(jìn)制表示。十六進(jìn)制的 7E 的二進(jìn)制表示是 01111110）。 地址字段 A 只置為 0 xFF。地址字段實(shí)際上并不起作用。 控制字段 C 通常置為 0 x03。 PPP 是面向字節(jié)的，所有的 PPP 幀的長(zhǎng)度都是整數(shù)字節(jié)。,PPP 協(xié)議的幀格式,PPP 有一個(gè) 2 個(gè)字節(jié)的協(xié)議字段。 當(dāng)協(xié)議字段為 0 x0021 時(shí)，PPP 幀的信息字段就是IP 數(shù)據(jù)報(bào)。 若為 0 xC021, 則信息字段是 PPP 鏈路控制數(shù)據(jù)。 若為 0 x8

14、021，則表示這是網(wǎng)絡(luò)控制數(shù)據(jù)。,IP 數(shù)據(jù)報(bào),1,2,1,1,字節(jié),1,2,不超過(guò) 1500 字節(jié),PPP 幀,先發(fā)送,7E,FF,03,F,A,C,FCS,F,7E,協(xié)議,信 息 部 分,首部,尾部,透明傳輸問(wèn)題,當(dāng) PPP 用在同步傳輸鏈路時(shí)，協(xié)議規(guī)定采用硬件來(lái)完成比特填充（和 HDLC 的做法一樣）。 當(dāng) PPP 用在異步傳輸時(shí)，就使用一種特殊的字符填充法。,字符填充,將信息字段中出現(xiàn)的每一個(gè) 0 x7E 字節(jié)轉(zhuǎn)變成為 2 字節(jié)序列(0 x7D, 0 x5E)。 若信息字段中出現(xiàn)一個(gè) 0 x7D 的字節(jié), 則將其轉(zhuǎn)變成為 2 字節(jié)序列(0 x7D, 0 x5D)。 若信息字段中出現(xiàn) A

15、SCII 碼的控制字符（即數(shù)值小于 0 x20 的字符），則在該字符前面要加入一個(gè) 0 x7D 字節(jié)，同時(shí)將該字符的編碼加以改變。,零比特填充,PPP 協(xié)議用在 SONET/SDH 鏈路時(shí)，是使用同步傳輸（一連串的比特連續(xù)傳送）。這時(shí) PPP 協(xié)議采用零比特填充方法來(lái)實(shí)現(xiàn)透明傳輸。 在發(fā)送端，只要發(fā)現(xiàn)有 5 個(gè)連續(xù) 1，則立即填入一個(gè) 0。接收端對(duì)幀中的比特流進(jìn)行掃描。每當(dāng)發(fā)現(xiàn) 5 個(gè)連續(xù)1時(shí)，就把這 5 個(gè)連續(xù) 1 后的一個(gè) 0 刪除，,0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0,0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 0,0 1 0 0

16、1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0,信息字段中出現(xiàn)了和 標(biāo)志字段 F 完全一樣 的 8 比特組合,發(fā)送端在 5 個(gè)連 1 之后 填入 0 比特再發(fā)送出去,在接收端把 5 個(gè)連 1 之后的 0 比特刪除,會(huì)被誤認(rèn)為是標(biāo)志字段 F,發(fā)送端填入 0 比特,接收端刪除填入的 0 比特,零比特填充,不提供使用序號(hào)和確認(rèn)的可靠傳輸,PPP 協(xié)議之所以不使用序號(hào)和確認(rèn)機(jī)制是出于以下的考慮： 在數(shù)據(jù)鏈路層出現(xiàn)差錯(cuò)的概率不大時(shí)，使用比較簡(jiǎn)單的 PPP 協(xié)議較為合理。 在因特網(wǎng)環(huán)境下，PPP 的信息字段放入的數(shù)據(jù)是 IP 數(shù)據(jù)報(bào)。數(shù)據(jù)鏈路層的可靠傳輸并不能夠保證網(wǎng)絡(luò)層的傳輸也是可靠的。 幀檢驗(yàn)

17、序列 FCS 字段可保證無(wú)差錯(cuò)接受。,3.2.3 PPP 協(xié)議的工作狀態(tài),當(dāng)用戶撥號(hào)接入 ISP 時(shí)，路由器的調(diào)制解調(diào)器對(duì)撥號(hào)做出確認(rèn)，并建立一條物理連接。 PC 機(jī)向路由器發(fā)送一系列的 LCP 分組（封裝成多個(gè) PPP 幀）。 這些分組及其響應(yīng)選擇一些 PPP 參數(shù)，和進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)層配置，NCP 給新接入的 PC機(jī)分配一個(gè)臨時(shí)的 IP 地址，使 PC 機(jī)成為因特網(wǎng)上的一個(gè)主機(jī)。 通信完畢時(shí)，NCP 釋放網(wǎng)絡(luò)層連接，收回原來(lái)分配出去的 IP 地址。接著，LCP 釋放數(shù)據(jù)鏈路層連接。最后釋放的是物理層的連接。,設(shè)備之間無(wú)鏈路,鏈路靜止,鏈路建立,鑒別,網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議,鏈路打開,鏈路終止,物理鏈路,LCP

18、 鏈路,已鑒別的 LCP 鏈路,已鑒別的 LCP 鏈路 和 NCP 鏈路,物理層連接建立,LCP 配置協(xié)商,鑒別成功或無(wú)需鑒別,NCP 配置協(xié)商,鏈路故障或 關(guān)閉請(qǐng)求,LCP 鏈路 終止,鑒別失敗,LCP 配置 協(xié)商失敗,3.3 使用廣播信道的數(shù)據(jù)鏈路層3.3.1 局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層,局域網(wǎng)最主要的特點(diǎn)是：網(wǎng)絡(luò)為一個(gè)單位所擁有，且地理范圍和站點(diǎn)數(shù)目均有限。 局域網(wǎng)具有如下的一些主要優(yōu)點(diǎn)： 具有廣播功能，從一個(gè)站點(diǎn)可很方便地訪問(wèn)全網(wǎng)。局域網(wǎng)上的主機(jī)可共享連接在局域網(wǎng)上的各種硬件和軟件資源。 便于系統(tǒng)的擴(kuò)展和逐漸地演變，各設(shè)備的位置可靈活調(diào)整和改變。 提高了系統(tǒng)的可靠性、可用性和殘存性。,局域網(wǎng)的

19、拓?fù)?匹配電阻,集線器,干線耦合器,總線網(wǎng),星形網(wǎng),樹形網(wǎng),環(huán)形網(wǎng),媒體共享技術(shù),靜態(tài)劃分信道 頻分復(fù)用 時(shí)分復(fù)用 波分復(fù)用 碼分復(fù)用 動(dòng)態(tài)媒體接入控制（多點(diǎn)接入） 隨機(jī)接入 受控接入 ，如多點(diǎn)線路探詢(polling)，或輪詢。,以太網(wǎng)的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn),DIX Ethernet V2 是世界上第一個(gè)局域網(wǎng)產(chǎn)品（以太網(wǎng)）的規(guī)約。 IEEE 的 802.3 標(biāo)準(zhǔn)。 DIX Ethernet V2 標(biāo)準(zhǔn)與 IEEE 的 802.3 標(biāo)準(zhǔn)只有很小的差別，因此可以將 802.3 局域網(wǎng)簡(jiǎn)稱為“以太網(wǎng)”。 嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，“以太網(wǎng)”應(yīng)當(dāng)是指符合 DIX Ethernet V2 標(biāo)準(zhǔn)的局域網(wǎng),數(shù)據(jù)鏈路層的兩個(gè)子層,為

20、了使數(shù)據(jù)鏈路層能更好地適應(yīng)多種局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，802 委員會(huì)就將局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層拆成兩個(gè)子層： 邏輯鏈路控制 LLC (Logical Link Control)子層 媒體接入控制 MAC (Medium Access Control)子層。 與接入到傳輸媒體有關(guān)的內(nèi)容都放在 MAC子層，而 LLC 子層則與傳輸媒體無(wú)關(guān)，不管采用何種協(xié)議的局域網(wǎng)對(duì) LLC 子層來(lái)說(shuō)都是透明的,局域網(wǎng)對(duì) LLC 子層是透明的,局 域 網(wǎng),網(wǎng)絡(luò)層,物理層,站點(diǎn) 1,網(wǎng)絡(luò)層,物理層,數(shù)據(jù) 鏈路層,站點(diǎn) 2,LLC 子層看不見(jiàn) 下面的局域網(wǎng),以后一般不考慮 LLC 子層,由于 TCP/IP 體系經(jīng)常使用的局域網(wǎng)是 DI

21、X Ethernet V2 而不是 802.3 標(biāo)準(zhǔn)中的幾種局域網(wǎng)，因此現(xiàn)在 802 委員會(huì)制定的邏輯鏈路控制子層 LLC（即 802.2 標(biāo)準(zhǔn)）的作用已經(jīng)不大了。 很多廠商生產(chǎn)的適配器上就僅裝有 MAC 協(xié)議而沒(méi)有 LLC 協(xié)議。,2. 適配器的作用,網(wǎng)絡(luò)接口板又稱為通信適配器(adapter)或網(wǎng)絡(luò)接口卡 NIC (Network Interface Card)，或“網(wǎng)卡”。 適配器的重要功能： 進(jìn)行串行/并行轉(zhuǎn)換。 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存。 在計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)安裝設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。 實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)協(xié)議。,計(jì)算機(jī)通過(guò)適配器和局域網(wǎng)進(jìn)行通信,硬件地址,至局域網(wǎng),適配器 （網(wǎng)卡）,串行通信,CPU 和 存儲(chǔ)器

22、,生成發(fā)送的數(shù)據(jù) 處理收到的數(shù)據(jù),把幀發(fā)送到局域網(wǎng) 從局域網(wǎng)接收幀,計(jì)算機(jī),IP 地址,并行 通信,最初的以太網(wǎng)是將許多計(jì)算機(jī)都連接到一根總線上。當(dāng)初認(rèn)為這樣的連接方法既簡(jiǎn)單又可靠，因?yàn)榭偩€上沒(méi)有有源器件。,3.3.2 CSMA/CD 協(xié)議,B向 D 發(fā)送數(shù)據(jù),C,D,A,E,匹配電阻（用來(lái)吸收總線上傳播的信號(hào)）,匹配電阻,不接受,不接受,不接受,接受,B,只有 D 接受 B 發(fā)送的數(shù)據(jù),以太網(wǎng)的廣播方式發(fā)送,總線上的每一個(gè)工作的計(jì)算機(jī)都能檢測(cè)到 B 發(fā)送的數(shù)據(jù)信號(hào)。 由于只有計(jì)算機(jī) D 的地址與數(shù)據(jù)幀首部寫入的地址一致，因此只有 D 才接收這個(gè)數(shù)據(jù)幀。 其他所有的計(jì)算機(jī)（A, C 和 E）都

23、檢測(cè)到不是發(fā)送給它們的數(shù)據(jù)幀，因此就丟棄這個(gè)數(shù)據(jù)幀而不能夠收下來(lái)。 具有廣播特性的總線上實(shí)現(xiàn)了一對(duì)一的通信。,為了通信的簡(jiǎn)便以太網(wǎng)采取了兩種重要的措施,采用較為靈活的無(wú)連接的工作方式，即不必先建立連接就可以直接發(fā)送數(shù)據(jù)。 以太網(wǎng)對(duì)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀不進(jìn)行編號(hào)，也不要求對(duì)方發(fā)回確認(rèn)。 這樣做的理由是局域網(wǎng)信道的質(zhì)量很好，因信道質(zhì)量產(chǎn)生差錯(cuò)的概率是很小的。,以太網(wǎng)提供的服務(wù),以太網(wǎng)提供的服務(wù)是不可靠的交付，即盡最大努力的交付。 當(dāng)目的站收到有差錯(cuò)的數(shù)據(jù)幀時(shí)就丟棄此幀，其他什么也不做。差錯(cuò)的糾正由高層來(lái)決定。 如果高層發(fā)現(xiàn)丟失了一些數(shù)據(jù)而進(jìn)行重傳，但以太網(wǎng)并不知道這是一個(gè)重傳的幀，而是當(dāng)作一個(gè)新的數(shù)據(jù)幀來(lái)

24、發(fā)送。,以太網(wǎng)發(fā)送的數(shù)據(jù)都使用曼徹斯特(Manchester)編碼,基帶數(shù)字信號(hào),曼徹斯特編碼,碼元,1,1,1,1,1,0,0,0,0,0,出現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換,載波監(jiān)聽多點(diǎn)接入/碰撞檢測(cè) CSMA/CD,CSMA/CD 表示 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection。 “多點(diǎn)接入”表示許多計(jì)算機(jī)以多點(diǎn)接入的方式連接在一根總線上。 “載波監(jiān)聽”是指每一個(gè)站在發(fā)送數(shù)據(jù)之前先要檢測(cè)一下總線上是否有其他計(jì)算機(jī)在發(fā)送數(shù)據(jù)，如果有，則暫時(shí)不要發(fā)送數(shù)據(jù)，以免發(fā)生碰撞。 總線上并沒(méi)有什么“載波”。因此， “載波監(jiān)聽”就是用電子技術(shù)檢測(cè)總線上有沒(méi)有

25、其他計(jì)算機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)信號(hào)。,碰撞檢測(cè),“碰撞檢測(cè)”就是計(jì)算機(jī)邊發(fā)送數(shù)據(jù)邊檢測(cè)信道上的信號(hào)電壓大小。 當(dāng)幾個(gè)站同時(shí)在總線上發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，總線上的信號(hào)電壓擺動(dòng)值將會(huì)增大（互相疊加）。 當(dāng)一個(gè)站檢測(cè)到的信號(hào)電壓擺動(dòng)值超過(guò)一定的門限值時(shí)，就認(rèn)為總線上至少有兩個(gè)站同時(shí)在發(fā)送數(shù)據(jù)，表明產(chǎn)生了碰撞。 所謂“碰撞”就是發(fā)生了沖突。因此“碰撞檢測(cè)”也稱為“沖突檢測(cè)”。,檢測(cè)到碰撞后,在發(fā)生碰撞時(shí)，總線上傳輸?shù)男盘?hào)產(chǎn)生了嚴(yán)重的失真，無(wú)法從中恢復(fù)出有用的信息來(lái)。 每一個(gè)正在發(fā)送數(shù)據(jù)的站，一旦發(fā)現(xiàn)總線上出現(xiàn)了碰撞，就要立即停止發(fā)送，免得繼續(xù)浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)資源，然后等待一段隨機(jī)時(shí)間后再次發(fā)送。,電磁波在總線上的有限傳播速率的影

26、響,當(dāng)某個(gè)站監(jiān)聽到總線是空閑時(shí)，也可能總線并非真正是空閑的。 A 向 B 發(fā)出的信息，要經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后才能傳送到 B。 B 若在 A 發(fā)送的信息到達(dá) B 之前發(fā)送自己的幀(因?yàn)檫@時(shí) B 的載波監(jiān)聽檢測(cè)不到 A 所發(fā)送的信息)，則必然要在某個(gè)時(shí)間和 A 發(fā)送的幀發(fā)生碰撞。 碰撞的結(jié)果是兩個(gè)幀都變得無(wú)用。,1 km,A,B,t,t = 0,單程端到端 傳播時(shí)延記為,傳播時(shí)延對(duì)載波監(jiān)聽的影響,1 km,A,B,t,t = B 檢測(cè)到信道空閑 發(fā)送數(shù)據(jù),t = / 2 發(fā)生碰撞,A,B,A,B,t = 0 A 檢測(cè)到 信道空閑 發(fā)送數(shù)據(jù),A,B,t = 0,A,B,單程端到端 傳播時(shí)延記為,重要特性

27、,使用 CSMA/CD 協(xié)議的以太網(wǎng)不能進(jìn)行全雙工通信而只能進(jìn)行雙向交替通信（半雙工通信）。 每個(gè)站在發(fā)送數(shù)據(jù)之后的一小段時(shí)間內(nèi)，存在著遭遇碰撞的可能性。 這種發(fā)送的不確定性使整個(gè)以太網(wǎng)的平均通信量遠(yuǎn)小于以太網(wǎng)的最高數(shù)據(jù)率。,爭(zhēng)用期,最先發(fā)送數(shù)據(jù)幀的站，在發(fā)送數(shù)據(jù)幀后至多經(jīng)過(guò)時(shí)間 2 （兩倍的端到端往返時(shí)延）就可知道發(fā)送的數(shù)據(jù)幀是否遭受了碰撞。 以太網(wǎng)的端到端往返時(shí)延 2 稱為爭(zhēng)用期，或碰撞窗口。 經(jīng)過(guò)爭(zhēng)用期這段時(shí)間還沒(méi)有檢測(cè)到碰撞，才能肯定這次發(fā)送不會(huì)發(fā)生碰撞。,二進(jìn)制指數(shù)類型退避算法 (truncated binary exponential type),發(fā)生碰撞的站在停止發(fā)送數(shù)據(jù)后，要推

28、遲（退避）一個(gè)隨機(jī)時(shí)間才能再發(fā)送數(shù)據(jù)。 確定基本退避時(shí)間，一般是取為爭(zhēng)用期 2。 定義重傳次數(shù) k ，k 10，即 k = Min重傳次數(shù), 10 從整數(shù)集合0,1, (2k 1)中隨機(jī)地取出一個(gè)數(shù)，記為 r。重傳所需的時(shí)延就是 r 倍的基本退避時(shí)間。 當(dāng)重傳達(dá) 16 次仍不能成功時(shí)即丟棄該幀，并向高層報(bào)告。,爭(zhēng)用期的長(zhǎng)度,以太網(wǎng)取 51.2 s 為爭(zhēng)用期的長(zhǎng)度。 對(duì)于 10 Mb/s 以太網(wǎng)，在爭(zhēng)用期內(nèi)可發(fā)送512 bit，即 64 字節(jié)。 以太網(wǎng)在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，若前 64 字節(jié)沒(méi)有發(fā)生沖突，則后續(xù)的數(shù)據(jù)就不會(huì)發(fā)生沖突。,最短有效幀長(zhǎng),如果發(fā)生沖突，就一定是在發(fā)送的前 64 字節(jié)之內(nèi)。 由于一

29、檢測(cè)到?jīng)_突就立即中止發(fā)送，這時(shí)已經(jīng)發(fā)送出去的數(shù)據(jù)一定小于 64 字節(jié)。 以太網(wǎng)規(guī)定了最短有效幀長(zhǎng)為 64 字節(jié)，凡長(zhǎng)度小于 64 字節(jié)的幀都是由于沖突而異常中止的無(wú)效幀。,強(qiáng)化碰撞,當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)的站一旦發(fā)現(xiàn)發(fā)生了碰撞時(shí)： 立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)； 再繼續(xù)發(fā)送若干比特的人為干擾信號(hào)(jamming signal)，以便讓所有用戶都知道現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)生了碰撞。,人為干擾信號(hào),A,B,t,A 檢測(cè) 到?jīng)_突,信 道 占 用 時(shí) 間,B 也能夠檢測(cè)到?jīng)_突，并立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)幀，接著就發(fā)送干擾信號(hào)。這里為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，只畫出 A 發(fā)送干擾信號(hào)的情況。,3.4 使用廣播信道的以太網(wǎng)3.4.1 使用集線器的星形拓?fù)?傳統(tǒng)以

30、太網(wǎng)最初是使用粗同軸電纜，后來(lái)演進(jìn)到使用比較便宜的細(xì)同軸電纜，最后發(fā)展為使用更便宜和更靈活的雙絞線。 這種以太網(wǎng)采用星形拓?fù)洌谛切蔚闹行膭t增加了一種可靠性非常高的設(shè)備，叫做集線器(hub),使用集線器的雙絞線以太網(wǎng),集線器,兩對(duì)雙絞線,站點(diǎn),RJ-45 插頭,星形網(wǎng) 10BASE-T,不用電纜而使用無(wú)屏蔽雙絞線。每個(gè)站需要用兩對(duì)雙絞線，分別用于發(fā)送和接收。 集線器使用了大規(guī)模集成電路芯片，因此這樣的硬件設(shè)備的可靠性已大大提高了。,以太網(wǎng)在局域網(wǎng)中的統(tǒng)治地位,10BASE-T 的通信距離稍短，每個(gè)站到集線器的距離不超過(guò) 100 m。 這種 10 Mb/s 速率的無(wú)屏蔽雙絞線星形網(wǎng)的出現(xiàn)，既降低

31、了成本，又提高了可靠性。 10BASE-T 雙絞線以太網(wǎng)的出現(xiàn)，是局域網(wǎng)發(fā)展史上的一個(gè)非常重要的里程碑，它為以太網(wǎng)在局域網(wǎng)中的統(tǒng)治地位奠定了牢固的基礎(chǔ)。,集線器的一些特點(diǎn),集線器是使用電子器件來(lái)模擬實(shí)際電纜線的工作，因此整個(gè)系統(tǒng)仍然像一個(gè)傳統(tǒng)的以太網(wǎng)那樣運(yùn)行。 使用集線器的以太網(wǎng)在邏輯上仍是一個(gè)總線網(wǎng)，各工作站使用的還是 CSMA/CD 協(xié)議，并共享邏輯上的總線。 集線器很像一個(gè)多接口的轉(zhuǎn)發(fā)器，工作在物理層。,具有三個(gè)接口的集線器,集 線 器,網(wǎng)卡,工作站,網(wǎng)卡,工作站,網(wǎng)卡,工作站,雙絞線,3.4.2 以太網(wǎng)的信道利用率,以太網(wǎng)的信道被占用的情況： 爭(zhēng)用期長(zhǎng)度為 2，即端到端傳播時(shí)延的兩倍。

32、檢測(cè)到碰撞后不發(fā)送干擾信號(hào)。 幀長(zhǎng)為 L (bit)，數(shù)據(jù)發(fā)送速率為 C (b/s)，因而幀的發(fā)送時(shí)間為 L/C = T0 (s)。,以太網(wǎng)的信道利用率,一個(gè)幀從開始發(fā)送，經(jīng)可能發(fā)生的碰撞后，將再重傳數(shù)次，到發(fā)送成功且信道轉(zhuǎn)為空閑(即再經(jīng)過(guò)時(shí)間 使得信道上無(wú)信號(hào)在傳播)時(shí)為止，是發(fā)送一幀所需的平均時(shí)間。,發(fā) 送 成 功,爭(zhēng)用期,爭(zhēng)用期,爭(zhēng)用期,2,2,2,T0,t,占用期,發(fā)生碰撞,發(fā)送一幀所需的平均時(shí)間,參數(shù) a,要提高以太網(wǎng)的信道利用率，就必須減小 與 T0 之比。在以太網(wǎng)中定義了參數(shù) a，它是以太網(wǎng)單程端到端時(shí)延 與幀的發(fā)送時(shí)間 T0 之比：,(3-2),a0 表示一發(fā)生碰撞就立即可以檢

33、測(cè)出來(lái)， 并立即停止發(fā)送，因而信道利用率很高。 a 越大，表明爭(zhēng)用期所占的比例增大，每發(fā) 生一次碰撞就浪費(fèi)許多信道資源，使得信道 利用率明顯降低。,對(duì)以太網(wǎng)參數(shù)的要求,當(dāng)數(shù)據(jù)率一定時(shí)，以太網(wǎng)的連線的長(zhǎng)度受到限制，否則 的數(shù)值會(huì)太大。 以太網(wǎng)的幀長(zhǎng)不能太短，否則 T0 的值會(huì)太小，使 a 值太大。,在理想化的情況下，以太網(wǎng)上的各站發(fā)送數(shù)據(jù)都不會(huì)產(chǎn)生碰撞（這顯然已經(jīng)不是 CSMA/CD，而是需要使用一種特殊的調(diào)度方法），即總線一旦空閑就有某一個(gè)站立即發(fā)送數(shù)據(jù)。 發(fā)送一幀占用線路的時(shí)間是 T0 + ，而幀本身的發(fā)送時(shí)間是 T0。于是我們可計(jì)算出理想情況下的極限信道利用率 Smax為：,信道利用率的最

34、大值 Smax,(3-3),3.4.3 以太網(wǎng)的 MAC 層1. MAC 層的硬件地址,在局域網(wǎng)中，硬件地址又稱為物理地址，或 MAC 地址。 802 標(biāo)準(zhǔn)所說(shuō)的“地址”嚴(yán)格地講應(yīng)當(dāng)是每一個(gè)站的“名字”或標(biāo)識(shí)符。 但鑒于大家都早已習(xí)慣了將這種 48 位的“名字”稱為“地址”，所以本書也采用這種習(xí)慣用法，盡管這種說(shuō)法并不太嚴(yán)格。,48 位的 MAC 地址,IEEE 的注冊(cè)管理機(jī)構(gòu) RA 負(fù)責(zé)向廠家分配地址字段的前三個(gè)字節(jié)(即高位 24 位)。 地址字段中的后三個(gè)字節(jié)(即低位 24 位)由廠家自行指派，稱為擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符，必須保證生產(chǎn)出的適配器沒(méi)有重復(fù)地址。 一個(gè)地址塊可以生成224個(gè)不同的地址。這種

35、 48 位地址稱為 MAC-48，它的通用名稱是EUI-48。 “MAC地址”實(shí)際上就是適配器地址或適配器標(biāo)識(shí)符EUI-48。,適配器檢查 MAC 地址,適配器從網(wǎng)絡(luò)上每收到一個(gè) MAC 幀就首先用硬件檢查 MAC 幀中的 MAC 地址. 如果是發(fā)往本站的幀則收下，然后再進(jìn)行其他的處理。 否則就將此幀丟棄，不再進(jìn)行其他的處理。 “發(fā)往本站的幀”包括以下三種幀： 單播(unicast)幀（一對(duì)一） 廣播(broadcast)幀（一對(duì)全體） 多播(multicast)幀（一對(duì)多）,2. MAC 幀的格式,常用的以太網(wǎng)MAC幀格式有兩種標(biāo)準(zhǔn) ： DIX Ethernet V2 標(biāo)準(zhǔn) IEEE 的 8

36、02.3 標(biāo)準(zhǔn) 最常用的 MAC 幀是以太網(wǎng) V2 的格式。,以太網(wǎng) MAC 幀,物理層,MAC層,110 110101011,前同步碼,幀開始 定界符,7 字節(jié),1 字節(jié),8 字節(jié),插入,IP層,目的地址,源地址,類型,數(shù) 據(jù),FCS,6,6,2,4,字節(jié),46 1500,MAC 幀,以太網(wǎng)的 MAC 幀格式,MAC 幀,物理層,MAC 層,IP 層,以太網(wǎng) V2 的 MAC 幀格式,目的地址字段 6 字節(jié),MAC 幀,物理層,MAC 層,IP 層,以太網(wǎng) V2 的 MAC 幀格式,源地址字段 6 字節(jié),MAC 幀,物理層,MAC 層,IP 層,以太網(wǎng) V2 的 MAC 幀格式,類型字段 2

37、 字節(jié),類型字段用來(lái)標(biāo)志上一層使用的是什么協(xié)議， 以便把收到的 MAC 幀的數(shù)據(jù)上交給上一層的這個(gè)協(xié)議。,MAC 幀,物理層,MAC 層,IP 層,以太網(wǎng) V2 的 MAC 幀格式,數(shù)據(jù)字段 46 1500 字節(jié),數(shù)據(jù)字段的正式名稱是 MAC 客戶數(shù)據(jù)字段 最小長(zhǎng)度 64 字節(jié) 18 字節(jié)的首部和尾部 = 數(shù)據(jù)字段的最小長(zhǎng)度,MAC 幀,物理層,MAC 層,IP 層,以太網(wǎng) V2 的 MAC 幀格式,FCS 字段 4 字節(jié),當(dāng)傳輸媒體的誤碼率為 1108 時(shí)， MAC 子層可使未檢測(cè)到的差錯(cuò)小于 11014。,當(dāng)數(shù)據(jù)字段的長(zhǎng)度小于 46 字節(jié)時(shí)， 應(yīng)在數(shù)據(jù)字段的后面加入整數(shù)字節(jié)的填充字段， 以

38、保證以太網(wǎng)的 MAC 幀長(zhǎng)不小于 64 字節(jié)。,MAC 幀,物理層,MAC 層,IP 層,以太網(wǎng) V2 的 MAC 幀格式,在幀的前面插入的 8 字節(jié)中的第一個(gè)字段共 7 個(gè)字節(jié)， 是前同步碼，用來(lái)迅速實(shí)現(xiàn) MAC 幀的比特同步。 第二個(gè)字段是幀開始定界符，表示后面的信息就是MAC 幀。,為了達(dá)到比特同步， 在傳輸媒體上實(shí)際傳送的 要比 MAC 幀還多 8 個(gè)字節(jié),數(shù)據(jù)字段的長(zhǎng)度與長(zhǎng)度字段的值不一致； 幀的長(zhǎng)度不是整數(shù)個(gè)字節(jié)； 用收到的幀檢驗(yàn)序列 FCS 查出有差錯(cuò)； 數(shù)據(jù)字段的長(zhǎng)度不在 46 1500 字節(jié)之間。 有效的 MAC 幀長(zhǎng)度為 64 1518 字節(jié)之間。 對(duì)于檢查出的無(wú)效 MAC

39、 幀就簡(jiǎn)單地丟棄。以太網(wǎng)不負(fù)責(zé)重傳丟棄的幀。,無(wú)效的 MAC 幀,幀間最小間隔為 9.6 s，相當(dāng)于 96 bit 的發(fā)送時(shí)間。 一個(gè)站在檢測(cè)到總線開始空閑后，還要等待 9.6 s 才能再次發(fā)送數(shù)據(jù)。 這樣做是為了使剛剛收到數(shù)據(jù)幀的站的接收緩存來(lái)得及清理，做好接收下一幀的準(zhǔn)備。,幀間最小間隔,3.5 擴(kuò)展的局域網(wǎng)3.5.1 在物理層擴(kuò)展局域網(wǎng),主機(jī)使用光纖和一對(duì)光纖調(diào)制解調(diào)器連接到集線器,以太網(wǎng) 集線器,光纖,光纖 調(diào)制解調(diào)器,光纖 調(diào)制解調(diào)器,某大學(xué)有三個(gè)系，各自有一個(gè)局域網(wǎng),用多個(gè)集線器可連成更大的局域網(wǎng),三個(gè)獨(dú)立的碰撞域,一系,二系,三系,碰撞域,碰撞域,碰撞域,用集線器組成更大的局域網(wǎng)

40、都在一個(gè)碰撞域中,一系,三系,二系,主干集線器,一個(gè)更大的碰撞域,碰撞域,優(yōu)點(diǎn) 使原來(lái)屬于不同碰撞域的局域網(wǎng)上的計(jì)算機(jī)能夠進(jìn)行跨碰撞域的通信。 擴(kuò)大了局域網(wǎng)覆蓋的地理范圍。 缺點(diǎn) 碰撞域增大了，但總的吞吐量并未提高。 如果不同的碰撞域使用不同的數(shù)據(jù)率，那么就不能用集線器將它們互連起來(lái)。,用集線器擴(kuò)展局域網(wǎng),在數(shù)據(jù)鏈路層擴(kuò)展局域網(wǎng)是使用網(wǎng)橋。 網(wǎng)橋工作在數(shù)據(jù)鏈路層，它根據(jù) MAC 幀的目的地址對(duì)收到的幀進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。 網(wǎng)橋具有過(guò)濾幀的功能。當(dāng)網(wǎng)橋收到一個(gè)幀時(shí)，并不是向所有的接口轉(zhuǎn)發(fā)此幀，而是先檢查此幀的目的 MAC 地址，然后再確定將該幀轉(zhuǎn)發(fā)到哪一個(gè)接口,3.5.2 在數(shù)據(jù)鏈路層擴(kuò)展局域網(wǎng),1. 網(wǎng)

41、橋的內(nèi)部結(jié)構(gòu),站表,接口管理 軟件,網(wǎng)橋協(xié)議 實(shí)體,緩存,接口 1,接口 2,網(wǎng)段 B,網(wǎng)段 A,1,1,1,2,2,2,站地址,接口,網(wǎng)橋,網(wǎng)橋,接口 1,接口 2,1,2,過(guò)濾通信量。 擴(kuò)大了物理范圍。 提高了可靠性。 可互連不同物理層、不同 MAC 子層和不同速率（如10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太網(wǎng)）的局域網(wǎng)。,使用網(wǎng)橋帶來(lái)的好處,網(wǎng)橋使各網(wǎng)段成為隔離開的碰撞域,B2,B1,碰撞域,碰撞域,碰撞域,A,B,C,D,E,F,存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)增加了時(shí)延。 在MAC 子層并沒(méi)有流量控制功能。 具有不同 MAC 子層的網(wǎng)段橋接在一起時(shí)時(shí)延更大。 網(wǎng)橋只適合于用戶數(shù)不太多(不超過(guò)幾百個(gè))和通信

42、量不太大的局域網(wǎng)，否則有時(shí)還會(huì)因傳播過(guò)多的廣播信息而產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)擁塞。這就是所謂的廣播風(fēng)暴。,使用網(wǎng)橋帶來(lái)的缺點(diǎn),用戶層,IP,MAC,站 1,用戶層,IP,MAC,站 2,物理層,網(wǎng)橋 1,網(wǎng)橋 2,A,B,用戶數(shù)據(jù),IP-H,MAC-H,MAC-T,DL-H,DL-T, , , ,物理層,DL,R,MAC,物理層,物理層,DL,R,物理層,物理層,LAN,LAN,兩個(gè)網(wǎng)橋之間還可使用一段點(diǎn)到點(diǎn)鏈路,網(wǎng)橋不改變它轉(zhuǎn)發(fā)的幀的源地址,集線器在轉(zhuǎn)發(fā)幀時(shí)，不對(duì)傳輸媒體進(jìn)行檢測(cè)。 網(wǎng)橋在轉(zhuǎn)發(fā)幀之前必須執(zhí)行 CSMA/CD 算法。 若在發(fā)送過(guò)程中出現(xiàn)碰撞，就必須停止發(fā)送和進(jìn)行退避。,網(wǎng)橋和集線器（或轉(zhuǎn)發(fā)器）

43、不同,目前使用得最多的網(wǎng)橋是透明網(wǎng)橋(transparent bridge)。 “透明”是指局域網(wǎng)上的站點(diǎn)并不知道所發(fā)送的幀將經(jīng)過(guò)哪幾個(gè)網(wǎng)橋，因?yàn)榫W(wǎng)橋?qū)Ω髡緛?lái)說(shuō)是看不見(jiàn)的。 透明網(wǎng)橋是一種即插即用設(shè)備，其標(biāo)準(zhǔn)是 IEEE 802.1D。,2. 透明網(wǎng)橋,若從 A 發(fā)出的幀從接口 x 進(jìn)入了某網(wǎng)橋，那么從這個(gè)接口出發(fā)沿相反方向一定可把一個(gè)幀傳送到 A。 網(wǎng)橋每收到一個(gè)幀，就記下其源地址和進(jìn)入網(wǎng)橋的接口，作為轉(zhuǎn)發(fā)表中的一個(gè)項(xiàng)目。 在建立轉(zhuǎn)發(fā)表時(shí)是把幀首部中的源地址寫在“地址”這一欄的下面。 在轉(zhuǎn)發(fā)幀時(shí)，則是根據(jù)收到的幀首部中的目的地址來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)的。這時(shí)就把在“地址”欄下面已經(jīng)記下的源地址當(dāng)作目的地址，

44、而把記下的進(jìn)入接口當(dāng)作轉(zhuǎn)發(fā)接口。,網(wǎng)橋應(yīng)當(dāng)按照以下自學(xué)習(xí)算法處理收到的幀和建立轉(zhuǎn)發(fā)表,地址 接口,轉(zhuǎn)發(fā)表的建立過(guò)程舉例,B2,B1,A,B,C,D,E,F,1,2,1,2,地址 接口,在網(wǎng)橋的轉(zhuǎn)發(fā)表中寫入的信息除了地址和接口外，還有幀進(jìn)入該網(wǎng)橋的時(shí)間。 這是因?yàn)橐蕴W(wǎng)的拓?fù)淇赡芙?jīng)常會(huì)發(fā)生變化，站點(diǎn)也可能會(huì)更換適配器（這就改變了站點(diǎn)的地址）。另外，以太網(wǎng)上的工作站并非總是接通電源的。 把每個(gè)幀到達(dá)網(wǎng)橋的時(shí)間登記下來(lái)，就可以在轉(zhuǎn)發(fā)表中只保留網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖钚聽顟B(tài)信息。這樣就使得網(wǎng)橋中的轉(zhuǎn)發(fā)表能反映當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的最新拓?fù)錉顟B(tài)。,網(wǎng)橋在轉(zhuǎn)發(fā)表中登記以下三個(gè)信息,網(wǎng)橋的自學(xué)習(xí)和轉(zhuǎn)發(fā)幀的步驟歸納,網(wǎng)橋收到一幀后先

45、進(jìn)行自學(xué)習(xí)。查找轉(zhuǎn)發(fā)表中與收到幀的源地址有無(wú)相匹配的項(xiàng)目。如沒(méi)有，就在轉(zhuǎn)發(fā)表中增加一個(gè)項(xiàng)目（源地址、進(jìn)入的接口和時(shí)間）。如有，則把原有的項(xiàng)目進(jìn)行更新。 轉(zhuǎn)發(fā)幀。查找轉(zhuǎn)發(fā)表中與收到幀的目的地址有無(wú)相匹配的項(xiàng)目。 如沒(méi)有，則通過(guò)所有其他接口（但進(jìn)入網(wǎng)橋的接口除外）按進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。 如有，則按轉(zhuǎn)發(fā)表中給出的接口進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。 若轉(zhuǎn)發(fā)表中給出的接口就是該幀進(jìn)入網(wǎng)橋的接口，則應(yīng)丟棄這個(gè)幀（因?yàn)檫@時(shí)不需要經(jīng)過(guò)網(wǎng)橋進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)）。,這是為了避免產(chǎn)生轉(zhuǎn)發(fā)的幀在網(wǎng)絡(luò)中不斷地兜圈子。,透明網(wǎng)橋使用了生成樹算法,局域網(wǎng) 2,局域網(wǎng) 1,網(wǎng)橋 2,網(wǎng)橋 1,A,F,不停地 兜圈子,A 發(fā)出的幀,網(wǎng)絡(luò)資源白白消耗了,互連在一起的網(wǎng)

46、橋在進(jìn)行彼此通信后，就能找出原來(lái)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞囊粋€(gè)子集。在這個(gè)子集里，整個(gè)連通的網(wǎng)絡(luò)中不存在回路，即在任何兩個(gè)站之間只有一條路徑。 為了避免產(chǎn)生轉(zhuǎn)發(fā)的幀在網(wǎng)絡(luò)中不斷地兜圈子。 為了得出能夠反映網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化時(shí)的生成樹，在生成樹上的根網(wǎng)橋每隔一段時(shí)間還要對(duì)生成樹的拓?fù)溥M(jìn)行更新。,生成樹的得出,透明網(wǎng)橋容易安裝，但網(wǎng)絡(luò)資源的利用不充分。 源路由(source route)網(wǎng)橋在發(fā)送幀時(shí)將詳細(xì)的路由信息放在幀的首部中。 源站以廣播方式向欲通信的目的站發(fā)送一個(gè)發(fā)現(xiàn)幀，每個(gè)發(fā)現(xiàn)幀都記錄所經(jīng)過(guò)的路由。 發(fā)現(xiàn)幀到達(dá)目的站時(shí)就沿各自的路由返回源站。源站在得知這些路由后，從所有可能的路由中選擇出一個(gè)最佳路由。凡

47、從該源站向該目的站發(fā)送的幀的首部，都必須攜帶源站所確定的這一路由信息。,3. 源路由網(wǎng)橋,1990 年問(wèn)世的交換式集線器(switching hub)，可明顯地提高局域網(wǎng)的性能。 交換式集線器常稱為以太網(wǎng)交換機(jī)(switch)或第二層交換機(jī)（表明此交換機(jī)工作在數(shù)據(jù)鏈路層）。 以太網(wǎng)交換機(jī)通常都有十幾個(gè)接口。因此，以太網(wǎng)交換機(jī)實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)多接口的網(wǎng)橋，可見(jiàn)交換機(jī)工作在數(shù)據(jù)鏈路層。,4. 多接口網(wǎng)橋以太網(wǎng)交換機(jī),以太網(wǎng)交換機(jī)的每個(gè)接口都直接與主機(jī)相連，并且一般都工作在全雙工方式。 交換機(jī)能同時(shí)連通許多對(duì)的接口，使每一對(duì)相互通信的主機(jī)都能像獨(dú)占通信媒體那樣，進(jìn)行無(wú)碰撞地傳輸數(shù)據(jù)。 以太網(wǎng)交換機(jī)由于

48、使用了專用的交換結(jié)構(gòu)芯片，其交換速率就較高。,以太網(wǎng)交換機(jī)的特點(diǎn),對(duì)于普通 10 Mb/s 的共享式以太網(wǎng)，若共有 N 個(gè)用戶，則每個(gè)用戶占有的平均帶寬只有總帶寬(10 Mb/s)的 N 分之一。 使用以太網(wǎng)交換機(jī)時(shí)，雖然在每個(gè)接口到主機(jī)的帶寬還是 10 Mb/s，但由于一個(gè)用戶在通信時(shí)是獨(dú)占而不是和其他網(wǎng)絡(luò)用戶共享傳輸媒體的帶寬，因此對(duì)于擁有 N 對(duì)接口的交換機(jī)的總?cè)萘繛?N10 Mb/s。這正是交換機(jī)的最大優(yōu)點(diǎn)。,獨(dú)占傳輸媒體的帶寬,用以太網(wǎng)交換機(jī)擴(kuò)展局域網(wǎng),一系,三系,二系,10BASE-T,至因特網(wǎng),100 Mb/s,100 Mb/s,100 Mb/s,萬(wàn)維網(wǎng) 服務(wù)器,電子郵件 服務(wù)器

49、,以太網(wǎng) 交換機(jī),路由器,虛擬局域網(wǎng) VLAN 是由一些局域網(wǎng)網(wǎng)段構(gòu)成的與物理位置無(wú)關(guān)的邏輯組。 這些網(wǎng)段具有某些共同的需求。 每一個(gè) VLAN 的幀都有一個(gè)明確的標(biāo)識(shí)符，指明發(fā)送這個(gè)幀的工作站是屬于哪一個(gè) VLAN。 虛擬局域網(wǎng)其實(shí)只是局域網(wǎng)給用戶提供的一種服務(wù)，而并不是一種新型局域網(wǎng)。,利用以太網(wǎng)交換機(jī)可以很方便地實(shí)現(xiàn)虛擬局域網(wǎng),以太網(wǎng) 交換機(jī),A4,B1,以太網(wǎng) 交換機(jī),VLAN3,C3,B3,VLAN1,VLAN2,C1,A2,A1,A3,C2,B2,以太網(wǎng) 交換機(jī),以太網(wǎng) 交換機(jī),三個(gè)虛擬局域網(wǎng): VLAN1, VLAN2 和 VLAN3,以太網(wǎng) 交換機(jī),A4,B1,以太網(wǎng) 交換機(jī),

50、VLAN3,C3,B3,VLAN1,VLAN2,C1,A2,A1,A3,C2,B2,以太網(wǎng) 交換機(jī),以太網(wǎng) 交換機(jī),三個(gè)虛擬局域網(wǎng) VLAN1, VLAN2 和 VLAN3 的構(gòu)成,當(dāng) B1 向 VLAN2 工作組內(nèi)成員發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)， 工作站 B2 和 B3 將會(huì)收到廣播的信息。,以太網(wǎng) 交換機(jī),A4,B1,以太網(wǎng) 交換機(jī),VLAN3,C3,B3,VLAN1,VLAN2,C1,A2,A1,A3,C2,B2,以太網(wǎng) 交換機(jī),以太網(wǎng) 交換機(jī),三個(gè)虛擬局域網(wǎng) VLAN1, VLAN2 和 VLAN3 的構(gòu)成,B1 發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，工作站 A1, A2 和 C1 都不會(huì)收到 B1 發(fā)出的廣播信息。,以太網(wǎng)

51、交換機(jī),A4,B1,以太網(wǎng) 交換機(jī),VLAN3,C3,B3,VLAN1,VLAN2,C1,A2,A1,A3,C2,B2,以太網(wǎng) 交換機(jī),以太網(wǎng) 交換機(jī),三個(gè)虛擬局域網(wǎng) VLAN1, VLAN2 和 VLAN3 的構(gòu)成,虛擬局域網(wǎng)限制了接收廣播信息的工作站數(shù)，使得網(wǎng)絡(luò) 不會(huì)因傳播過(guò)多的廣播信息(即“廣播風(fēng)暴”)而引起性能惡化。,虛擬局域網(wǎng)協(xié)議允許在以太網(wǎng)的幀格式中插入一個(gè) 4 字節(jié)的標(biāo)識(shí)符，稱為 VLAN 標(biāo)記(tag)，用來(lái)指明發(fā)送該幀的工作站屬于哪一個(gè)虛擬局域網(wǎng)。,虛擬局域網(wǎng)使用的以太網(wǎng)幀格式,802.3 MAC 幀,字節(jié),6,6,2,46 1500,4,目地地址,源地址,長(zhǎng)度/類型,數(shù) 據(jù),FCS,長(zhǎng)度/類型 = 802.1Q 標(biāo)記類型 標(biāo)記控制信息 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 VID,2 字節(jié),2 字節(jié),插入 4 字節(jié)的 VLAN