CH3-数据链路层3课件

3.4 使用广播信道的以太网使用广播信道的以太网3.4.1 使用集线器的星形拓扑使用集线器的星形拓扑n传统以太网最初是使用粗同轴电缆，后来演进到使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。和更灵活的双绞线。n这种采用双绞线的星型以太网初期的最大传输速率这种采用双绞线的星型以太网初期的最大传输速率为为10Mb/s，称之为，称之为10BASE-Tn10BASE-T星形的中心是一种可靠性非常高的设备，星形的中心是一种可靠性非常高的设备，叫做叫做集线器集线器(hub).使用集线器的双绞线以太网使用集线器的双绞线以太网 集线器两对双绞线站点RJ-45 插头星形网星形网 10BASE-T n10BASE-T使用无屏蔽双绞线。使用无屏蔽双绞线。n每个站需要用两对双绞线，分别用于发送每个站需要用两对双绞线，分别用于发送和接收。和接收。n集线器使用了大规模集成电路芯片，因此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。这样的硬件设备的可靠性已大大提高了。以太网在局域网中的统治地位以太网在局域网中的统治地位n10BASE-T 的通信距离稍短，每个站到集线器的距的通信距离稍短，每个站到集线器的距离不超过离不超过 100 m。n这种这种 10 Mb/s 速率的无屏蔽双绞线星形网的出现，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。既降低了成本，又提高了可靠性。n10BASE-T 双绞线以太网的出现，是局域网发展史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。中的统治地位奠定了牢固的基础。集线器的一些特点集线器的一些特点 n使用集线器的以太网在使用集线器的以太网在逻辑上逻辑上仍是一个总仍是一个总线网，各工作站使用的还是线网，各工作站使用的还是 CSMA/CD 协协议，并共享逻辑上的总线。议，并共享逻辑上的总线。n集线器很像一个多接口的转发器，工作在集线器很像一个多接口的转发器，工作在物理层。物理层。具有三个接口的集线器具有三个接口的集线器 集线器网卡工作站网卡工作站网卡工作站双绞线3.4.3 以太网的以太网的 MAC 层层1.MAC 层的硬件地址层的硬件地址 n在局域网中，在局域网中，硬件地址硬件地址又称为又称为物理地址物理地址，或，或 MAC 地址地址。n802 标准所说的标准所说的“地址地址”严格地讲应当是每一个站严格地讲应当是每一个站的的“名字名字”或或标识符标识符。n但鉴于大家都早已习惯了将这种但鉴于大家都早已习惯了将这种 48 位的位的“名字名字”称为称为“地址地址”，所以本书也采用这种习惯用法，尽，所以本书也采用这种习惯用法，尽管这种说法并不太严格。管这种说法并不太严格。IEEEIEEE的注册管理委员会的注册管理委员会RACRAC(Registration Authority (Registration Authority Committee)Committee)是局域网全球地址的法定管理机构，它负责分配地址字段的是局域网全球地址的法定管理机构，它负责分配地址字段的六个字节中的六个字节中的前三个字节前三个字节(即高位即高位24 bit)24 bit)。世界上凡要生产局域网网卡的厂家都必须向世界上凡要生产局域网网卡的厂家都必须向IEEEIEEE购买由这三个字购买由这三个字节构成的一个号节构成的一个号(即地址块即地址块)，正式名称是，正式名称是机构惟一标识符机构惟一标识符机构惟一标识符机构惟一标识符OUIOUIOUIOUI (Organizationally Unique Identifier)(Organizationally Unique Identifier)，通常也叫做通常也叫做公司标识符公司标识符公司标识符公司标识符(company_id)(company_id)。目前的价格是目前的价格是12501250美元买一个地址块。例如，美元买一个地址块。例如，3Com3Com公司生产的网公司生产的网卡的卡的MACMAC地址的前六个字节是地址的前六个字节是02-60-8C02-60-8C。地址字段中的后三个字节地址字段中的后三个字节(即低位即低位24 bit)24 bit)则是由厂家自行指派，则是由厂家自行指派，称为称为扩展标识符扩展标识符扩展标识符扩展标识符(extended identifier)extended identifier)，只要保证生产出的网卡没有只要保证生产出的网卡没有重复地址即可。重复地址即可。一个地址块可以生成一个地址块可以生成224224个不同的地址。这种个不同的地址。这种 48 48 位地址称为位地址称为 MAC-48MAC-48，它的通用名称是，它的通用名称是EUI-48EUI-48。“MACMAC地址地址”实际上就是适配器地址实际上就是适配器地址或适配器标识符或适配器标识符 EUI-48EUI-48。第 1最高位最先发送最高位最低位最后发送00110101 01111 00最低位最先发送最低位最高位最后发送机构惟一标志符 OUI扩展标志符高位在前低位在前十六进制表示的 EUI-48 地址：AC-DE-48-00-00-80二进制表示的 EUI-48 地址：第 1 字节第 6 字节I/G 比特I/G 比特字节顺序第 2第 3第 4第 5第 6第 1字节顺序第 2第 3第 4第 5第 610101100 11011110 01001 00000802.5802.6802.5802.6802.3802.4G/L 比特G/L 比特最高位最低位适配器检查适配器检查 MAC 地址地址 n适配器从网络上每收到一个适配器从网络上每收到一个 MAC 帧就首先用硬件帧就首先用硬件检查检查 MAC 帧中的帧中的 MAC 地址地址.（过滤功能）（过滤功能）n如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他的处理。如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他的处理。n否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。n“发往本站的帧发往本站的帧”包括以下三种帧：包括以下三种帧：n单播单播(unicast)帧（一对一）帧（一对一）n广播广播(broadcast)帧（一对全体）帧（一对全体）n多播多播(multicast)帧（一对多）帧（一对多）2.MAC 帧的格式 n常用的以太网常用的以太网MAC帧格式有两种标准帧格式有两种标准：nDIX Ethernet V2 标准标准nIEEE 的的 802.3 标准标准n最常用的最常用的 MAC 帧是帧是以太网以太网 V2 的格式的格式。以太网 MAC 帧物理层MAC层110 110101011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FCS6624字节46 1500IP 数据报MAC MAC 帧帧以太网的 MAC 帧格式 MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 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FCS6624字节46 1500IP 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FCS6624字节46 1500IP 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。MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网 V2 的 MAC 帧格式数据字段 46 1500 字节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FCS6624字节46 1500IP 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。MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网 V2 的 MAC 帧格式110 110101011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n数据字段的长度与长度字段的值不一致；数据字段的长度与长度字段的值不一致；n帧的长度不是整数个字节；帧的长度不是整数个字节；n用收到的帧检验序列用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错；查出有差错；n数据字段的长度不在数据字段的长度不在 46 1500 字节之间。字节之间。n有效的有效的 MAC 帧长度为帧长度为 64 1518 字节之间。字节之间。n对于检查出的无效对于检查出的无效 MAC 帧就简单地丢弃。以帧就简单地丢弃。以太网不负责重传丢弃的帧。太网不负责重传丢弃的帧。无效的无效的 MAC 帧帧 n帧间最小间隔为帧间最小间隔为 9.6 s，相当于，相当于 96 bit 的发的发送时间。送时间。n一个站在检测到总线开始空闲后，还要等待一个站在检测到总线开始空闲后，还要等待 9.6 s 才能再次发送数据。才能再次发送数据。n这样做是为了使刚刚收到数据帧的站的接收缓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。存来得及清理，做好接收下一帧的准备。帧间最小间隔帧间最小间隔 3.5 扩展的局域网扩展的局域网3.5.1 在物理层扩展局域网在物理层扩展局域网n主机使用光纤和一对光纤调制解调器主机使用光纤和一对光纤调制解调器连接到集线器连接到集线器 以太网以太网集线器集线器光纤光纤光纤光纤调制解调器调制解调器光纤光纤调制解调器调制解调器n某大学有三个系，各自有一个局域网某大学有三个系，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用集线器组成更大的局域网都在一个碰撞域中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n优点优点n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。n扩大了局域网覆盖的地理范围。n缺点缺点n碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。n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用集线器扩展局域网 n在数据链路层扩展局域网是使用在数据链路层扩展局域网是使用网桥网桥。n网桥工作在数据链路层网桥工作在数据链路层，它根据，它根据 MAC 帧的目帧的目的地址对收到的帧进行转发。的地址对收到的帧进行转发。n网桥具有过滤帧的功能。当网桥收到一个帧时，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，而是先检查此并不是向所有的接口转发此帧，而是先检查此帧的目的帧的目的 MAC 地址，然后再确定将该帧转发地址，然后再确定将该帧转发到哪一个接口。到哪一个接口。3.5.2 在数据链路层扩展局域网在数据链路层扩展局域网 1.网桥的内部结构网桥的内部结构 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 A111222站地址 接口网桥网桥接口 1接口 212n扩大了物理范围。扩大了物理范围。n过滤通信量。过滤通信量。n分割碰撞域。分割碰撞域。n可互连不同物理层、不同可互连不同物理层、不同 MAC 子层和不同速子层和不同速率（如率（如10 Mb/s 和和 100 Mb/s 以太网）的局以太网）的局域网。域网。n提高了可靠性。提高了可靠性。使用网桥带来的好处使用网桥带来的好处 网桥使各网段成为网桥使各网段成为隔离开的碰撞域隔离开的碰撞域 B2B1碰撞域碰撞域碰撞域碰撞域碰撞域碰撞域ABCDEFn存储转发增加了时延。存储转发增加了时延。n在在MAC 子层并没有流量控制功能。子层并没有流量控制功能。n网桥只适合于用户数不太多网桥只适合于用户数不太多(不超过几百个不超过几百个)和和通信量不太大的局域网，否则有时还会因传播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。这就是所谓过多的广播信息而产生网络拥塞。这就是所谓的的广播风暴广播风暴。使用网桥带来的缺点使用网桥带来的缺点 用户层IPMAC站 1用户层IPMAC站 2物理层网桥 1网桥 2AB用户数据IP-HMAC-HMAC-TPPP-HPPP-T 物理层DLRMAC物理层物理层DLRMAC物理层物理层LANLAN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n集线器在转发帧时，不对传输媒体进行检集线器在转发帧时，不对传输媒体进行检测。测。n网桥在转发帧之前必须执行网桥在转发帧之前必须执行 CSMA/CD 算法。算法。n若在发送过程中出现碰撞，就必须停止发送若在发送过程中出现碰撞，就必须停止发送和进行退避。和进行退避。网桥和集线器（或转发器）不同网桥和集线器（或转发器）不同 n目前使用得最多的网桥是目前使用得最多的网桥是透明网桥透明网桥(transparent bridge)。n“透明透明”是指局域网上的站点并不知道所发送的帧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将经过哪几个网桥，因为网桥对各站来说是看不见的。见的。n透明网桥是一种透明网桥是一种即插即用设备即插即用设备，其标准是，其标准是 IEEE 802.1D。2.透明网桥透明网桥n若从若从 A 发出的帧从接口发出的帧从接口 x 进入了某网桥，那么从这个接口进入了某网桥，那么从这个接口出发沿相反方向一定可把一个帧传送到出发沿相反方向一定可把一个帧传送到 A。n网桥每收到一个帧，就记下其源地址和进入网桥的接口，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。作为转发表中的一个项目。n在在建立转发表建立转发表时是时是把帧首部中的源地址写在把帧首部中的源地址写在“地址地址”这一栏这一栏的下面。的下面。n在在转发帧转发帧时，则是时，则是根据收到的帧首部中的目的地址来转发根据收到的帧首部中的目的地址来转发的。这时就把在的。这时就把在“地址地址”栏下面已经记下的源地址当作目的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。地址，而把记下的进入接口当作转发接口。网桥自学习算法要点网桥自学习算法要点n(1)从端口从端口 x 收到无差错的帧（如有差错即丢弃），在转发表中查找收到无差错的帧（如有差错即丢弃），在转发表中查找目的站目的站 MAC 地址。地址。n(2)如有，则查找出到此如有，则查找出到此 MAC 地址应当走的端口地址应当走的端口 d，然后进行，然后进行(3)，否则转到否则转到(5)。n(3)如到这个如到这个 MAC 地址去的端口地址去的端口 d=x，则丢弃此帧（因为这表示，则丢弃此帧（因为这表示不需要经过网桥进行转发）。否则从端口不需要经过网桥进行转发）。否则从端口 d 转发此帧。转发此帧。n(4)转到转到(6)。n(5)向网桥除向网桥除 x 以外的所有端口转发此帧（这样做可保证找到目的站）以外的所有端口转发此帧（这样做可保证找到目的站）。n(6)读取当前帧的源站读取当前帧的源站MAC地址，如源站不在转发表中，则将源站地址，如源站不在转发表中，则将源站 MAC 地址加入到转发表，登记该帧进入网桥的端口号，设置计时器。地址加入到转发表，登记该帧进入网桥的端口号，设置计时器。然后转到然后转到(8)。如源站在转发表中，则执行。如源站在转发表中，则执行(7)。n(7)更新计时器。更新计时器。n(8)等待新的数据帧。转到等待新的数据帧。转到(1)。地址 接口转发表的建立过程举例转发表的建立过程举例B2B1ABCDEF1212地址 接口B 1B AA BA 1F CF 2A BA 1F CF 2n在网桥的转发表中写入的信息除了在网桥的转发表中写入的信息除了地址地址和和接口接口外，还有外，还有帧进入该网桥的帧进入该网桥的时间时间。n这是因为以太网的拓扑可能经常会发生变化，站点也可这是因为以太网的拓扑可能经常会发生变化，站点也可能会更换适配器（这就改变了站点的地址）。另外，以能会更换适配器（这就改变了站点的地址）。另外，以太网上的工作站并非总是接通电源的。太网上的工作站并非总是接通电源的。n把每个帧到达网桥的时间登记下来，就可以在转发表中把每个帧到达网桥的时间登记下来，就可以在转发表中只保留网络拓扑的只保留网络拓扑的最新状态信息最新状态信息。这样就使得网桥中的。这样就使得网桥中的转发表能反映当前网络的最新拓扑状态。转发表能反映当前网络的最新拓扑状态。网桥在转发表中网桥在转发表中登记以下三个信息登记以下三个信息 网桥的自学习和转发帧的步骤n网桥收到一帧后先进行网桥收到一帧后先进行自学习自学习。查找转发表中与收到帧。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。把原有的项目进行更新。n转发帧转发帧。查找转发表中与收到帧的目的地址有无相匹配。查找转发表中与收到帧的目的地址有无相匹配的项目。的项目。n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。n如有，则按转发表中给出的接口进行转发。n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）。n这是为了避免产生转发的帧在网络中不断地这是为了避免产生转发的帧在网络中不断地兜圈子。兜圈子。透明网桥使用了生成树算法透明网桥使用了生成树算法 局域网 2局域网 1网桥 2网桥 1 AF不停地兜圈子A 发出的帧F1网桥 1 转发的帧F2网桥 2 转发的帧网络资源白白消耗了n互连在一起的网桥在进行彼此通信后，就能互连在一起的网桥在进行彼此通信后，就能找出原来的网络拓扑的一个子集。在这个子找出原来的网络拓扑的一个子集。在这个子集里，整个连通的网络中不存在回路，即集里，整个连通的网络中不存在回路，即在在任何两个站之间只有一条路径任何两个站之间只有一条路径。n为了避免产生转发的帧在网络中不断地兜圈为了避免产生转发的帧在网络中不断地兜圈子。子。n为了得出能够反映网络拓扑发生变化时的生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。要对生成树的拓扑进行更新。生成树的得出生成树的得出n透明网桥容易安装，但网络资源的利用不充分。透明网桥容易安装，但网络资源的利用不充分。n源路由源路由(source route)网桥在发送帧时将详细的路网桥在发送帧时将详细的路由信息放在帧的首部中。由信息放在帧的首部中。n源站以广播方式向欲通信的目的站发送一个发现帧，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。每个发现帧都记录所经过的路由。n发现帧到达目的站时就沿各自的路由返回源站。源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。首部，都必须携带源站所确定的这一路由信息。3.源路由网桥源路由网桥n1990 年问世的年问世的交换式集线器交换式集线器(switching hub)，可明显地提高局域网的性能。可明显地提高局域网的性能。n交换式集线器常称为交换式集线器常称为以太网交换机以太网交换机(switch)或第或第二层交换机（表明此交换机工作在数据链路层）。二层交换机（表明此交换机工作在数据链路层）。n以太网交换机通常都有十几个接口。因此，以太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网交换机实质上就是一个多接口的网桥多接口的网桥，可见交，可见交换机工作在数据链路层。换机工作在数据链路层。4.多接口网桥多接口网桥以太网交换机以太网交换机 n以太网交换机的每个接口都直接与主机相连，并以太网交换机的每个接口都直接与主机相连，并且一般都工作在且一般都工作在全双工方式全双工方式。n交换机能同时连通许多对的接口，使每一对相互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。撞地传输数据。n以太网交换机由于使用了专用的交换结构芯片，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。其交换速率就较高。以太网交换机的特点以太网交换机的特点n对于普通对于普通 10 Mb/s 的共享式以太网，若共有的共享式以太网，若共有 N 个用户，则每个用户占有的平均带宽只有总带宽个用户，则每个用户占有的平均带宽只有总带宽(10 Mb/s)的的 N 分之一。分之一。n使用以太网交换机时，虽然在每个接口到主机的使用以太网交换机时，虽然在每个接口到主机的带宽还是带宽还是 10 Mb/s，但由于一个用户在通信时是，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，独占而不是和其他网络用户共享传输媒体的带宽，因此对于拥有因此对于拥有 N 对接口的交换机的总容量为对接口的交换机的总容量为 N 10 Mb/s。这正是交换机的最大优点。这正是交换机的最大优点。独占传输媒体的带宽独占传输媒体的带宽 写在最后写在最后成功的基成功的基础在于好的学在于好的学习习惯The foundation of success lies in good habits44谢谢大家荣幸这一路，与你同行ItS An Honor To Walk With You All The Way讲师：XXXXXX XX年XX月XX日