《数据链路层》PPT课件

第 3 章 数据链路层 3.1 使用点对点信道的数据链路层 3.2 点对点协议 PPP 3.3 使用广播信道的数据链路层 3.4 使用广播信道的以太网 3.5 扩展的以太网 3.6 高速以太网 3.7 其他类型的高速局域网接口 年份 单选 综合应用题 小计 /分 2009 3题 X2 0题 6 2010 0题 1题 9 2011 2题 X2 1题 X2(第四章） 2 数据链路层 复习： 网络层： 网络层负责为分组交换网上的不同主机提供 通信服务。 数据链路层： 将网络层交下来的 IP数据报组装成帧， 在 两个相邻 (节点 )的链路 上”透明“地传送帧中的数据。 （单位：帧） 数据链路层使用的信道主要有以下两种类型： （掌握） 点对点信道 。这种信道使用一对一的点对点通信方式。 广播信道 。这种信道使用一对多的广播通信方式，必 须使用专用的 共享信道协议 来协调这些主机的数据发 送。 数据链路层的简单模型 局域网 广域网 主机 H1 主机 H 2 路由器 R1 路由器 R2 路由器 R3 电话网 局域网 主机 H1 向 H2 发送数据 链路层 应用层 运输层 网络层 物理层 链路层 应用层 运输层 网络层 物理层 链路层 网络层 物理层 链路层 网络层 物理层 链路层 网络层 物理层 R1 R2 R3 H1 H2 从层次上来看数据的流动 数据链路层的简单模型 局域网 广域网 主机 H1 主机 H 2 路由器 R1 路由器 R2 路由器 R3 电话网 局域网 主机 H1 向 H2 发送数据 链路层 应用层 运输层 网络层 物理层 链路层 应用层 运输层 网络层 物理层 链路层 网络层 物理层 链路层 网络层 物理层 链路层 网络层 物理层 R1 R2 R3 H1 H2 仅从数据链路层观察帧的流动 3.1 使用点对点信道的数据链路层 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。 （理解） 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。 （掌握） 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。 （掌握） 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。 IP 数据报 1010 0110 帧 取出 数据 链路层 网络层 链路 结点 A 结点 B 物理层 数据 链路层 结点 A 结点 B 帧 (a) (b) 发送 帧 接收 链路 IP 数据报 1010 0110 帧 装入 数据链路层传送的是 帧（掌握） 3.1.2 三个基本问题 （掌握） (1) 封装成帧 (2) 透明传输 (3) 差错检测 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，构成一个帧。确定帧的界限。 （掌握） 首部和尾部的一个重要作用就是进行 帧定界 。 （掌握） 帧结束 帧首部 IP 数据报 帧的数据部分 帧尾部 MTU 数据链路层的帧长 开始 发送 帧开始 用控制字符进行帧定界的方法举例 （理解） SOH 装在帧中的数据部分 帧 帧开始符 帧结束符 发送在前 EOT 由可打印的 ASCII码组成的文本文件，帧定界可以使用特殊的 帧定 界符。 SOH（ 0000 0001） EOT（ 0000 0100） 2. 透明传输 SOH EOT 出现了“ EOT 被接收端当作无效帧而丢弃 被接收端 误认为是一个帧 数据部分 EOT 完整的帧 发送 在前 解决透明传输问题 （掌握） 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)。 如果转义字符也出现数据当中，那么也应在转义 字符前面插入一个转义字符，这种方法就叫 字节 填充 或 字符填充 。 （掌握） 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。 （理解） 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。 （理解） SOH SOH EOT SOH ESC ESC EOT ESC SOH ESC ESC ESC SOH 原始数据 EOT EOT 经过字节填充后发送的数据 字节填充 字节填充 字节填充 字节填充 发送 在前 帧开始符 帧结束符 用字节填充法解决透明传输的问题 SOH 3. 差错检测 在传输过程中可能会产生 比特差错 ： 1 可能会 变成 0 而 0 也可能变成 1，它是 传输差错 的一 种。 （理解） 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)。 （掌握） 误码率与信噪比有很大的关系。 为了保证数据传输的可靠性，在计算机网络传 输数据时，必须采用各种差错检测措施。 循环冗余检验的原理 在数据链路层传送的帧中，广泛使用了 循 环冗余检验 CRC 的检错技术。 （掌握） 在发送端，先把数据划分为组。假定每组 k 个比特。 假设待传送的一组数据 M = 101001（现在 k = 6）。我们在 M 的后面再添加供差错检 测用的 n 位 冗余码 一起发送。 冗余码的计算 用二进制的模 2 运算进行 2n 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。 冗余码的计算举例 (掌握 ) 现在 k = 6, M = 101001。 设 n = 3, 除数 P = 1101， 被除数是 2nM = 101001000。 模 2 运算的结果是： 商 Q = 110101， 余数 R = 001。 把余数 R 作为 冗余码 添加在数据 M 的后面发 送出去。发送的数据是： 2nM + R 即： 101001001，共 (k + n) 位。 110101 Q (商 ) P (除数 ) 1101 101001000 2nM (被除数 ) 1101 1110 1101 0111 0000 1110 1101 0110 0000 1100 1101 001 R (余数 )，作为 FCS 循环冗余检验的原理说明 接收端对收到的每一帧进行 CRC 检验 （掌握） (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 。 帧检验序列 FCS （掌握） 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。 应当注意 （理解） 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)。 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 （理解） 现在全世界使用得最多的数据链路层协 议是 点对点协议 PPP (Point-to-Point Protocol)。 用户使用拨号电话线接入因特网时，一 般都是使用 PPP 协议。 用户到 ISP 的链路使用 PPP 协议 用 户 至因特网 已向因特网管理机构 申请到一批 IP 地址 ISP 接入网 PPP 协议 1. PPP 协议应满足的需求 （了解） 简单 这是 首要的要求 封装成帧 透明性 多种网络层协议 多种类型链路 差错检测 检测连接状态 最大传送单元 网络层地址协商 数据压缩协商 2. PPP 协议不需要的功能 （了解） 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 （掌握） 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。 链路控制协议 LCP (Link Control Protocol)。 网络控制协议 NCP (Network Control Protocol)。 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 0 x0021 时， PPP 帧的信息字段就是 IP 数据报 。 若为 0 xC021, 则信息字段是 PPP 链路控制数据 。 若为 0 x8021，则表示这是 网络控制数据 。 IP 数据报 1 2 1 1 字节 1 2 不超过 1500 字节 PPP 帧 先发送 7E FF 03 F A C FCS F 7E 协议 信 息 部 分 首部 尾部 3.2.2 PPP 协议的帧格式 （掌握） 标志字段 F = 0 x7E （符号“ 0 x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 只置为 0 xFF。地址字段实际 上并不起作用。 控制字段 C 通常置为 0 x03。 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 零比特填充 。 当 PPP 用在 异步传输 时，就使用一种特 殊的 字符填充法 。 字符填充 （掌握） 将信息字段中出现的每一个 0 x7E 字节转 变成为 2 字节序列 (0 x7D, 0 x5E)。 若信息字段中出现一个 0 x7D 的字节 , 则将 其转变成为 2 字节序列 (0 x7D, 0 x5D)。 若信息字段中出现 ASCII 码的控制字符 （即数值小于 0 x20 的字符），则在该字 符前面要加入一个 0 x7D 字节，同时将该 字符的编码加以改变。 零比特填充 （掌握） PPP 协议用在 同步链路时 ，是使用同步 传输（一连串的比特连续传送）。这时 PPP 协议采用零比特填充方法来实现透 明传输。 在发送端 ，只要发现有 5 个连续 1，则 立即填入一个 0。 接收端， 只要发现 5 个连续 1时，就把这 5 个连续 1 后的一个 0 删除， 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 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 信息字段中出现了和 标志字段 F 完全一样 的 8 比特组合 发送端在 5 个连 1 之后 填入 0 比特再发送出去 在接收端把 5 个连 1 之后的 0 比特删除 会被误认为是标志字段 F 发送端填入 0 比特 接收端删除填入的 0 比特 零比特填充 （掌握） 不提供使用序号和确认 的可靠传输 （理解） 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。 网络层的传输也是不可靠的。 帧检验序列 FCS 字段可保证无比特差错。 设备之间无链路 链路静止 链路建立 鉴别 网络层协议 链路打开 链路终止 物理链路 LCP 链路 已鉴别的 LCP 链路 已鉴别的 LCP 链路 和 NCP 链路 物理层连接建立 LCP 配置协商 鉴别成功或无需鉴别 NCP 配置协商 链路故障或 关闭请求 LCP 链路 终止 鉴别失败 LCP 配置 协商失败 3.2.3 PPP 协议的工作状态 （理解） PPP的几种工作状态 （掌握） 链路静止状态 链路建立状态： 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。 鉴别状态：口令鉴别协议 pap、口令握手鉴别协议 （ chap） 。 网络协议状态：两端的 NCP根据网络层不同协议互相交 换网络层特定的网络控制分组 ， 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。 链路打开状态：可彼此发送分组。 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。 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 （理解） 局域网最主要的特点是： 网络为一个单 位所拥有，且地理范围和站点数目均有 限。 (掌握 ) 局域网具有如下的一些主要优点 ：（ 理解 ） 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、可用性和生存性。 局域网的拓扑 （掌握） 匹配电阻 集线器 干线耦合器 总线网 星形网 树形网 环形网 媒体共享技术 （掌握） 静态划分信道 （理解） 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）（ 掌 握） 随机接入 受控接入 ，如轮询。 以太网的两个标准 （掌握） 第一： DIX Ethernet V2 是世界上第一个 局域网产品（以太网）的规约。 第二： IEEE 的 802.3 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 数据链路层的两个子层 （理 解） 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。 (掌握 ) 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 局域网对 LLC 子层 是透明的 （理解） 局 域 网 网络层 物理层 站点 1 网络层 物理层 逻辑链路控制 LLC LLC 媒体接入控制 MAC MAC 数据 链路层 站点 2 LLC 子层看不见 下面的局域网 很多厂商生产的适配器上就仅装有 MAC 协议而没有 LLC 协议 。 （ 掌 握 ） 其他局域网标准 （ 掌握 ） 802.4 令牌总线网 802.5 令牌环网 2. 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 ”。 适配器的重要功能 （掌握） 进行串行 /并行转换。 对数据进行缓存。 设备驱动程序。 实现以太网协议。 计算机通过适配器 和局域网进行通信 （掌握） 硬件地址 至局域网 适配器 （网卡） 串行通信 CPU 和 存储器 生成发送的数据 处理收到的数据 把帧发送到局域网 从局域网接收帧 计算机 IP 地址 并行 通信 最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总 线上。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。 3.3.2 CSMA/CD 协议 （掌握） B向 D 发送数据 C D A E 匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号） 匹配电阻 不接受 不接受 不接受 接受 B 只有 D 接受 B 发送的数据 为了通信的简便 以太网采取了 两种重要的措施 （掌握） 第一： 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 （理解） 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：以太网发送的数据都使用 曼彻斯特 (Manchester)编码 基带数字信号 曼彻斯特编码 码元 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 出现电平转换 载波监听多点接入 /碰撞检测 CSMA/CD （掌握） 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。 （掌握） 总线上并没有什么“载波”。因此， “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。 （理解） “ 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。 （掌握） 碰撞检测 ” 就是计算机边发送数据边检测信道 上的信号电压大小，一旦发现总线上出现了碰 撞，就要立即停止发送，然后等待一段随机时 间后再次发送。（掌握） 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。（ 理解 ） “碰撞检测”也称为“冲突检测”。 1 km A B t 碰撞 t = 2 A 检测到发生碰撞 t = B 发送数据 B 检测到发生碰撞 t = t = 0 单程端到端 传播时延记为 传播时延对 载波监听 的影响 1 km A B t 碰撞 t = B 检测到 信道空闲 发送数据 t = / 2 发生碰撞 t = 2 A 检测到发生碰撞 t = B 发送数据 B 检测到发生碰撞 t = A B A B A B t = 0 A 检测到 信道空闲 发送数据 A B t = 0 t = B 检测到发生碰撞 停止发送 STOP t = 2 A 检测到 发生碰撞 STOP A B 单程端到端 传播时延记为 重要特性 （掌握） 使用 CSMA/CD 协议 的以太网不能进行全 双工通信而 只能进行双向交替通信（半双 工通信）。 （掌握） 每个站在发送数据之后的一小段时间内， 存在着遭遇碰撞的可能性。 这种 发送的不确定性 使整个以太网的平均 通信量远小于以太网的最高数据率。 争用期 （掌握） 在发送数据帧后至多经过 两倍的端到端往 返时延 （ 2 ） 就可知道是否发生碰撞。 （掌握） 以太网的端到端往返时延 2 称为 争用期 ， 或 碰撞窗口 。 （掌握） 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 （掌握） 以太网取 51.2 s 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。 最短有效帧长 （掌握） 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 。 截断二进制指数退避算法 （掌握） 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。 第一步：确定 基本退避时间 ，取 争用期 2。 第二步：定义重传次数 k ， k 10，即 k = Min重传次数 , 10 第三步：从整数集合 0,1, (2 k 1)中随机地取 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 r*2 。 第四步：当重传达 16 次 仍不能成功时即丢弃该 帧，并向高层报告。 3.4 使用广播信道的以太网 3.4.1 使用集线器的星形拓扑 传统以太网使用 粗同轴电缆 -细同轴电缆 - 双绞线 。 (了解 ) 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) 使用集线器的双绞线以太网 集线器 两对双绞线 站点 RJ-45 插头 星形网 10BASE-T 集线器是使用电子器件来模拟实际总线的工作，因 此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行。 （理解） 10 10Mb/s BASE-基带信号 T-双绞线（掌握） 每个站到集线器的距离不超过 100 m。 （掌握） 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。 （掌握） 集线器的特点 （掌握） 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 。 采用专门的芯片，进行自适应性串音回波 抵消。 3.4.3 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 。 （掌握） 48 位的 MAC 地址 （掌握） IEEE 的 注册管理机构 RA 向厂家分配地 址字段的前三个字节 (即高位 24 位 )。 地址字段中的后三个字节 (即低位 24 位 )由 厂家自行指派，称为 扩展标识符 ，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 224个不同的地址。 “ MAC地址 ” 就是 适配器地址（网卡地 址） 。 适配器检查 MAC 地址 （理解） 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） 多播 (multicast)帧（一对多） 2. 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 最常用的 MAC 帧是 以太网 V2 的格式 。 以太网 MAC 帧 物理层 MAC层 10101010101010 10101010101010101011 前同步码 帧开始 定界符 7 字节 1 字节 8 字节 插 入 IP层 目的地址 源地址 类型 数 据 FCS 6 6 2 4 字节 46 1500 IP 数据报 MAC 帧 以太网的 MAC 帧格式 （掌握） MAC 帧 物理层 MAC 层 IP 层 目的地址 源地址 类型 数 据 FCS 6 6 2 4 字节 46 1500 IP 数据报 以太网 V2 的 MAC 帧格式 目的地址字段 6 字节 MAC 帧 物理层 MAC 层 IP 层 目的地址 源地址 类型 数 据 FCS 6 6 2 4 字节 46 1500 IP 数据报 以太网 V2 的 MAC 帧格式 源地址字段 6 字节 MAC 帧 物理层 MAC 层 IP 层 目的地址 源地址 类型 数 据 FCS 6 6 2 4 字节 46 1500 IP 数据报 以太网 V2 的 MAC 帧格式 类型字段 2 字节 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。 0 x0800 IP数据报 0 x8137 Novell IPX 数据报 （掌握） MAC 帧 物理层 MAC 层 IP 层 目的地址 源地址 类型 数 据 FCS 6 6 2 4 字节 46 1500 IP 数据报 以太网 V2 的 MAC 帧格式 数据字段 46 1500 字节 （掌握） 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 MAC 帧 物理层 MAC 层 IP 层 目的地址 源地址 类型 数 据 FCS 6 6 2 4 字节 46 1500 IP 数据报 以太网 V2 的 MAC 帧格式 FCS 字段 4 字节 当传输媒体的误码率为 1108 时， MAC 子层可使未检测到的差错小于 11014。 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。 （掌握） MAC 帧 物理层 MAC 层 IP 层 目的地址 源地址 类型 数 据 FCS 6 6 2 4 字节 46 1500 IP 数据报 以太网 V2 的 MAC 帧格式 10101010101010 10101010101010101011 前同步码 帧开始 定界符 7 字节 1 字节 8 字节 插 入 在帧的前面插入的 8 字节中的第一个字段共 7 个字节， 是前同步码，用来迅速实现 MAC 帧的比特同步。 第二个字段是帧开始定界符，表示后面的信息就是 MAC 帧。 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 1 帧的长度不是整数个字节； 2 用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错； 3 数据字段的长度不在 46 1500 字节之间或 有效的 MAC 帧长度为 64 1518 字节之间。 4 数据字段的长度与长度字段的值不一致； 处理方法： 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。 无效的 MAC 帧 （掌握） 3.5 扩展的局域网 3.5.1 在物理层扩展局域网 主机使用光纤和一对光纤调制解调器 连接到集线器 以太网 集线器 光纤 光纤 调制解调器 光纤 调制解调器 某大学有三个系，各自有一个局域网 用多个集线器可连成更大的局域网 三个独立的碰撞域 一系 二系 三系 碰撞域 碰撞域 碰撞域 用集线器组成更大的局域网 都在一个碰撞域中 一系 三系 二系 主干集线器 一个更大的碰撞域 碰撞域 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。 用集线器扩展局域网 （掌握） 使用设备：网桥 。 工作层次： 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。 功能：网桥具有过滤帧的功能 。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 3.5.2 在数据链路层扩展局域网 （掌握） 1. 网桥的内部结构 站表 接口管理 软件 网桥协议 实体 缓存 接口 1 接口 2 网段 B 网段 A 1 1 1 2 2 2 站地址 接口 网桥 网桥 接口 1 接口 2 1 2 过滤通信量，增大吞吐量。 扩大了物理范围。 提高了可靠性。 可互连不同物理层、不同 MAC 子层和不同速 率（如 10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太网）的局域网。 使用网桥带来的好处 （掌握） 网桥使各网段成为 隔离开的碰撞域 B2 B1 碰撞域 碰撞域 碰撞域 A B C D E F 存储转发增加了时延。 在 MAC 子层并没有流量控制功能。 具有不同 MAC 子层的网段桥接在一起时时延 更大。 网桥只适合于用户数不太多 (不超过几百个 )和 通信量不太大的局域网，否则有时还会因传播 过多的广播信息而产生网络拥塞。这就是所谓 的 广播风暴 。 使用网桥带来的缺点 （理解） 用户层 IP MAC 站 1 用户层 IP MAC 站 2 物理层 网桥 1 网桥 2 A B 用户数据 IP-H MAC-H MAC-T DL-H DL-T 物理层 DL R MAC 物理层 物理层 DL R MAC 物理层 物理层 LAN LAN 两个网桥之间还可使用一段点到点链路 网桥不改变它转发的帧的源地址 集线器在转发帧时，不对传输媒体进行检 测。 网桥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。 网桥和集线器（或转发器）不同 （掌握） 网桥与集线器的区别 （掌握） （ 1）工作层次不同，工作对象不同 （ 2）网桥只转发未出错的帧，集线器相 当于总线，转发所有比特 （ 3）网桥执行 CSMA/CD算法，而集线 器集线器相当于总线，转发所有比特 （ 4）都能起到扩展局域网的作用，但是 网桥能起到提高局域网效率并连接不同 MAC子层和不同速率局域网的作用。 两中网桥：透明网桥、源路由网桥 （掌握） 目前使用得最多的网桥是 透明网桥 (transparent bridge)。 “透明”是指局域网上的站点并不知道所发送 的帧将经过哪几个网桥，因为网桥对各站来说 是看不见的。 2. 透明网桥 （理解） 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。 网桥应当按照以下自学习算法 处理收到的帧和建立转发表 地址 接口 转发表的建立过程举例 B2 B1 A B C D E F 1 2 1 2 地址 接口 B 1 B A A B A 1 F C F 2 A B A 1 F C F 2 网桥的自学习和转发帧 的步骤归纳 （理解） 网桥收到一帧后先进行 自学习 。查找转发表中与收到 帧的源地址有无相匹配的项目。如没有，就在转发表 中增加一个项目（源地址、进入的接口和时间）。如 有，则把原有的项目进行更新。 转发帧 。查找转发表中与收到帧的目的地址有无相匹 配的项目。 如没有，则通过所有其他接口（但进入网桥的接口除外）按 进行转发。 如有，则按转发表中给出的接口进行转发。 若转发表中给出的接口就是该帧进入网桥的接口，则应丢弃 这个帧（因为这时不需要经过网桥进行转发）。 透明网桥容易安装，但网络资源的利用不充分。 源路由 (source route)网桥在发送帧时将详细的路由 信息放在帧的首部中。 源站以广播方式向欲通信的目的站发送一个发现帧， 每个发现帧都记录所经过的路由。 发现帧到达目的站时就沿各自的路由返回源站。源 站在得知这些路由后，从所有可能的路由中选择出 一个最佳路由。凡从该源站向该目的站发送的帧的 首部，都必须携带源站所确定的这一路由信息。 3. 源路由网桥 （了解） 1990 年问世的 交换式集线器 (switching hub)，可 明显地提高局域网的性能。 交换式集线器常称为 以太网交换机 (switch)或 第二 层交换机 （表明此交换机工作在数据链路层）。 以太网交换机通常都有十几个接口。因此， 以太 网交换机 实质上就是一个 多接口的网桥 ，可见交 换机工作在 数据链路层 。 4. 多接口网桥 以太网交换机 （掌握） 其实质是多端口网桥，工作在 全双工方式 。 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，进行无碰 撞地传输数据。 以太网交换机由于使用了 专用的交换结构芯片 ， 其交换速率就较高。 以太网交换机的特点 （掌握） 对于 10 Mb/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 Mb/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 Mb/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 对接口的交换机的总容量为 N10 Mb/s。这正是交换机的最大优点。 独占传输媒体的带宽 （掌握） 用以太网交换机扩展局域网 一系 三系 二系 10BASE-T 至因特网 100 Mb/s 100 Mb/s 100 Mb/s 万维网 服务器 电子邮件 服务器 以太网 交换机 路由器 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 。 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 个帧的工作站是属于哪一个 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 。 利用以太网交换机可以很方便地 实现虚拟局域网 （理解） 以太网 交换机 A4 B1 以太网 交换机 VLAN3 C3 B3 VLAN1 VLAN2 C1 A2 A1 A3 C2 B 2 以太网 交换机 以太网 交换机 三个虚拟局域网 : VLAN1, VLAN2 和 VLAN3 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 指明发送该帧的工作站属于哪一个虚拟局域网 。 虚拟局域网使用的 以太网帧格式 （理解） 802.3 MAC 帧 字节 6 6 2 46 1500 4 MAC 帧 目地地址 源地址 长度 /类型 数 据 FCS 长度 /类型 = 802.1Q 标记类型 标记控制信息 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 VID 2 字节 2 字节 插入 4 字节的 VLAN 标记 4 用户优先级 CFI 3.6 高速以太网 3.6.1 100BASE-T 以太网 （掌握） 速率达到或超过 100 Mb/s 的以太网称为 高速以太网 。 在双绞线上传送 100 Mb/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 以太网的特点 可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。 三种不同的物理层标准 （掌握） 100BASE-TX 使用 2 对 UTP 5 类线或屏蔽双绞线 STP。 100BASE-FX 使用 2 对光纤。 100BASE-T4 使用 4 对 UTP 3 类线或 5 类线。 第三章 复习 数据链路层的三个基本问题 帧定界 字节（符）填充 循环冗余检验 CRC 点对点协议 PPP 三个组成部分 同步传输（零比特填充）、异步传输（字符填充 法） PPP的几种工作状态 局域网的数据链路层 媒体共享技术 以太网的两个标准 适配器的作用 CSMA/CD 协议 两种重要的措施 争用期 最短有效帧长 截断二进制指数退避算法 使用集线器的星形拓扑 星形网 10BASE-T 集线器的特点 以太网的 MAC 层 以太网的 MAC 帧格式 数据字段长度 整个帧长度 无效的 MAC 帧 在物理层扩展局域网 主要设备集线器 优缺点 在数据链路层扩展局域网 主要设备 网桥 交换机 使用网桥带来的好处 网桥与集线器的区 别 以太网交换机的特点 100BASE-T 以太网 三种不同的物理层标准