第3章数据链路层课件

第第 3 章章 数据链路层数据链路层第第 3 章章 数据链路层数据链路层n3.1 使用使用点对点信道的数据链路层点对点信道的数据链路层n3.2 点对点协议点对点协议 PPPn3.3 使用广播信道的数据链路层使用广播信道的数据链路层n3.4 扩展的以太网扩展的以太网数据链路层数据链路层基本概念基本概念 数据链路层的主要作用是如何将数据链路层的主要作用是如何将数据数据可靠地传输到相邻节点可靠地传输到相邻节点。数据链路层的简单模型数据链路层的简单模型局域网局域网广域网广域网主机主机 H1主机主机 H2路由器路由器 R1路由器路由器 R2路由器路由器 R3电话网电话网局域网局域网主机主机 H1 向向 H2 发送数据发送数据仅从数据链路层观察帧的流动仅从数据链路层观察帧的流动只只考虑数据在数据链路层的流动考虑数据在数据链路层的流动不同的链路层可能采用不同的数据链路层协议不同的链路层可能采用不同的数据链路层协议链路层链路层应用层应用层运输层运输层网络层网络层物理层物理层链路层链路层应用层应用层运输层运输层网络层网络层物理层物理层链路层链路层网络层网络层物理层物理层链路层链路层网络层网络层物理层物理层链路层链路层网络层网络层物理层物理层R1R2R3H1H2H1 到到H2 所所经过的网络可以是多种的经过的网络可以是多种的数据链路层数据链路层使用的信道使用的信道数据链路层数据链路层使用的信道主要有以下两种类型：使用的信道主要有以下两种类型：n点对点信道。点对点信道。这种信道使用这种信道使用一对一的点对点通信一对一的点对点通信方式。方式。n广播信道。广播信道。这种信道使用这种信道使用一对多的广播通信一对多的广播通信方式，方式，因此过程比较复杂。因此过程比较复杂。3.1 使用使用点对点信道的数据链路层点对点信道的数据链路层n3.1.1 数据链路数据链路n3.1.2 三个基本问题三个基本问题3.1.1 数据链路数据链路 n物理链路物理链路(link)是是一条点到点的物理线路段，中间没有一条点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换结点。任何其他的交换结点。n物理链路（媒介）是长期存在的，数据链路通常有时效性。物理链路（媒介）是长期存在的，数据链路通常有时效性。n数据链路数据链路(data link)除了物理线路外，还必须有通信除了物理线路外，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。和软件加到链路上，就构成了数据链路。n现在最常用的方法是使用适配器（即网卡）来实现这些协议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。的硬件和软件。n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。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。3.1.2 三个基本问题三个基本问题 n数据链路层协议有许多种，但有三个基本问题则数据链路层协议有许多种，但有三个基本问题则是共同的。这三个基本问题是共同的。这三个基本问题是是：(1)封装成帧封装成帧(2)透明传输透明传输(3)差错控制差错控制 1.封装成帧封装成帧n封装成封装成帧帧(framing)就是就是在一段数据的前后分别添加首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。部和尾部，然后就构成了一个帧。确定帧的界限。n首部和尾部的一个重要作用就是进行首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界帧定界。课件制作人：谢希仁课件制作人：谢希仁帧结束帧结束帧首部帧首部IP 数据报数据报帧的数据部分帧的数据部分帧尾部帧尾部 MTU数据链路层的帧长数据链路层的帧长从这里开始发送从这里开始发送帧开始帧开始发送发送用用帧首部和帧尾部封装成帧帧首部和帧尾部封装成帧用用控制字符控制字符进行帧定界的方法举例进行帧定界的方法举例 n当数据是由可打印当数据是由可打印的的 ASCII 码组码组成的文本文件时，帧成的文本文件时，帧定界可以使用特殊的定界可以使用特殊的帧定界符。帧定界符。n控制字符控制字符 SOH(Start Of Header)放放在一帧的最前面，在一帧的最前面，表示帧的首部开始。另一个表示帧的首部开始。另一个控制字符控制字符 EOT(End Of Transmission)表示表示帧的结束。帧的结束。SOH装在帧中的数据部分装在帧中的数据部分帧帧帧开始符帧开始符帧结束符帧结束符发送在前发送在前EOT用用控制字符进行帧定界的方法举例控制字符进行帧定界的方法举例2.透明传输透明传输n如果数据中的某个字节的二进制代码恰好如果数据中的某个字节的二进制代码恰好和和 SOH 或或 EOT 一样，一样，数据链路层就会错误地数据链路层就会错误地“找到帧的边界找到帧的边界”。SOHEOT出现了出现了“EOT”被接收端当作无效帧而丢弃被接收端当作无效帧而丢弃被接收端被接收端误认为是一个帧误认为是一个帧数据部分数据部分EOT完整的帧完整的帧发送发送在前在前数据部分数据部分恰好出现恰好出现与与 EOT 一样一样的代码的代码用字节填充法解决透明传输的问题用字节填充法解决透明传输的问题 SOHSOHEOTSOHESCESC EOTESC SOHESC ESCESC SOH原始数据原始数据EOTEOT经过字节填充后发送的数据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字节填充字节填充字节填充字节填充发送发送在前在前帧开始符帧开始符帧结束符帧结束符SOH用用字节填充法解决透明传输的问题字节填充法解决透明传输的问题3.差错检测差错检测n在传输过程中可能会产生在传输过程中可能会产生比特差错：比特差错：1 可能会变可能会变成成 0 而而 0 也可能变成也可能变成 1。n在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比率称为数的比率称为误码率误码率 BER(Bit Error Rate)。n误码率与信噪比有很大的关系。误码率与信噪比有很大的关系。n为了保证数据传输的可靠性，在计算机网络传输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。数据时，必须采用各种差错检测措施。循环冗余检验的原理循环冗余检验的原理 n在数据链路层传送的帧中，广泛使用了在数据链路层传送的帧中，广泛使用了循环冗余循环冗余检验检验 CRC 的检错技术。的检错技术。n在发送端，先把数据划分为组。假定每组在发送端，先把数据划分为组。假定每组 k 个个比特。比特。n假设待传送的一组数据假设待传送的一组数据 M=101001（现在（现在 k=6）。我们在）。我们在 M 的后面再添加供差错检测用的的后面再添加供差错检测用的 n 位位冗余码冗余码一起发送。一起发送。冗余码的计算冗余码的计算 n M 后面添加后面添加 n 个个 0。n得到的得到的(k+n)位的数除以事先选定好的长度为位的数除以事先选定好的长度为(n+1)位的位的除数除数 P，得出，得出商商是是 Q 而而余数余数是是 R，R 是是 n 位位。n将将余数余数 R 作为作为冗余码拼接在冗余码拼接在数据数据 M 后面后面发送发送出出去去。循环冗余检验的原理说明循环冗余检验的原理说明 P(除数除数)11011101011010010002nM(被除数被除数)11011110110101110000111011010110000011001101001R(余数余数)Q(商商)接收端对收到的每一帧进行接收端对收到的每一帧进行 CRC 检验检验 n(1)若若得得出出的的余余数数 R=0，则则判判定定这这个个帧帧没没有有差差错，就错，就接受接受(accept)。n(2)若若余余数数 R 0，则则判判定定这这个个帧帧有有差差错错，就就丢丢弃。弃。n但但这这种种检检测测方方法法并并不不能能确确定定究究竟竟是是哪哪一一个个或或哪哪几几个比特出现了差错。个比特出现了差错。n只只要要经经过过严严格格的的挑挑选选，并并使使用用位位数数足足够够多多的的除除数数 P，那么出现检测不到的差错的概率就很小很小。，那么出现检测不到的差错的概率就很小很小。3.2 点对点点对点协议协议 PPPn3.2.1 PPP 协议协议的特点的特点n3.2.2 PPP 协议协议的帧格式的帧格式3.2.1 PPP 协议的特点协议的特点 n对于点对点的对于点对点的链路链路，目前目前使用得最广泛的数据链使用得最广泛的数据链路层路层协议协议是是点对点协议点对点协议 PPP(Point-to-Point Protocol)。nPPP 协议协议在在1994年就已成为互联网的正式年就已成为互联网的正式标准标准。用户到用户到 ISP 的链路使用的链路使用 PPP 协议协议 用用户户至互联网至互联网已已向互联网管理向互联网管理机构机构申请到一批申请到一批 IP 地址地址ISP接入网接入网PPP 协议协议 PPP 协议应满足的需求协议应满足的需求 n简单简单 这这是首要的是首要的要求。要求。n封装成封装成帧帧 必须必须规定特殊的字符作为帧规定特殊的字符作为帧定界符定界符。n透明性透明性 必须必须保证数据传输的保证数据传输的透明性透明性。n多种网络层多种网络层协议协议 能够在同能够在同一条物理链路上同时支一条物理链路上同时支持多种网络层持多种网络层协议协议。n多种类型多种类型链路链路 能够能够在多种类型的链路上在多种类型的链路上运行运行。n差错检测差错检测 能够能够对接收端收到的帧进行检测，并立对接收端收到的帧进行检测，并立即丢弃有差错的即丢弃有差错的帧帧。PPP 协议应满足的协议应满足的需求需求（续）续）n检测检测连接连接状态状态 能够及时自动检测能够及时自动检测出链路是否处于出链路是否处于正常正常工作状态工作状态。n最大传送最大传送单元单元 必须必须对每一种类型的点对点链路设对每一种类型的点对点链路设置最大传送置最大传送单元单元 MTU 的的标准默认标准默认值值，促进促进各种实现之各种实现之间的间的互操作性互操作性。n网络层地址网络层地址协商协商 必须必须提供一种机制使通信的两个提供一种机制使通信的两个网络层实体网络层实体能够通过协商知道或能够配置彼此的网络层能够通过协商知道或能够配置彼此的网络层地址地址。n数据压缩数据压缩协商协商 必须必须提供一种方法来协商使用数据提供一种方法来协商使用数据压缩算法。压缩算法。3.2.2 PPP 协议的帧格式协议的帧格式IP 数据报数据报1211字节字节12不超过不超过 1500 字节字节PPP 帧帧先发送先发送7EFF03FACFCSF7E协议协议信信 息息 部部 分分首部首部尾部尾部PPP 有一个有一个 2 个字节的协议字段个字节的协议字段。其值。其值l若若为为 0 x0021，则信息字段就是，则信息字段就是 IP 数据报数据报。l若为若为 0 x8021，则信息字段是网络控制数据，则信息字段是网络控制数据。l若为若为 0 xC021，则则信息字段是信息字段是 PPP 链路控制数据。链路控制数据。l若若为为 0 xC023，则信息字段则信息字段是鉴别数据。是鉴别数据。透明传输问题透明传输问题 n当当 PPP 用在同步传输链路时，协议规定采用硬用在同步传输链路时，协议规定采用硬件来完成件来完成比特填充比特填充。n当当 PPP 用在异步传输时，就使用一种特殊的用在异步传输时，就使用一种特殊的字字符填充法符填充法。零比特填充零比特填充 0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 00 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 00 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信息字段中出现了和标志字段标志字段 F 完全一样完全一样的的 8 比特组合比特组合发送端在发送端在 5 个连个连 1 之后之后填入填入 0 比特再发送出去比特再发送出去接收接收端把端把 5 个连个连 1之后的之后的 0 比特删除比特删除会被误认为是标志字段会被误认为是标志字段 F 发送端填入发送端填入 0 比特比特接收端删除填入的接收端删除填入的 0 比特比特零零比特的填充与删除比特的填充与删除字符填充字符填充 n将信息字段中出现的每一个将信息字段中出现的每一个 0 x7E 字节转变成为字节转变成为 2 字节字节序列序列(0 x7D,0 x5E)。n若若信息字段中出现一个信息字段中出现一个 0 x7D 的字节的字节,则将其转则将其转变成为变成为 2 字节字节序列序列(0 x7D,0 x5D)思考问题思考问题1：n为什么要为什么要0 x7E(0 x7D,0 x5E)，再，再0 x7D (0 x7D,0 x5D)？思考问题思考问题1：n为什么要为什么要0 x7E(0 x7D,0 x5E)，再，再0 x7D (0 x7D,0 x5D)？n0 x7E (0 x7D,0 x5E)。n避免避免“信息字段信息字段”里的字符和里的字符和“标志字段标志字段Flag”重复重复n0 x7D (0 x7D,0 x5D)n避免避免“信息字段信息字段”里的字符和转义字符重复。里的字符和转义字符重复。3.3 使用广播信道的数据链路层使用广播信道的数据链路层n3.3.1 局域网的数据链路层局域网的数据链路层n3.3.2 CSMA/CD 协议协议n3.3.3 使用集线器的星形拓扑使用集线器的星形拓扑n3.3.4 以太网的信道利用率以太网的信道利用率n3.3.5 以太网以太网的的 MAC 层层3.3.1 局域网的数据链路层局域网的数据链路层 n局域网最主要的局域网最主要的特点特点是是：n网络网络为一个单位所为一个单位所拥有；拥有；n地理地理范围和站点数目均有限。范围和站点数目均有限。n局域网具有局域网具有如下如下主要主要优点优点：n具有具有广播功能广播功能，从一个站点可很方便地访问全网，从一个站点可很方便地访问全网。局域网。局域网上上的主机可共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源。的主机可共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源。n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。改变。局域网拓扑结构局域网拓扑结构 干线耦合器干线耦合器环形网环形网星形网星形网集线器集线器总线网总线网匹配电阻匹配电阻3.3.2 CSMA/CD 协议协议 n最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上，认为这样的连接方法既简单又可靠。上，认为这样的连接方法既简单又可靠。B 向向 D发送数据发送数据 C D A E匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号）匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号）匹配电阻匹配电阻不接受不接受不接受不接受不接受不接受接受接受B只有只有 D 接受接受B 发送的数据发送的数据CSMA/CD协议协议 nCSMA/CD 含义：含义：载波监听多点接入载波监听多点接入/碰撞碰撞检测检测 (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)。n“多点接入多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上一根总线上。n“载波监听载波监听”是指每一个站在发送数据之前先要检测一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。时不要发送数据，以免发生碰撞。n“碰撞检测碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。号电压大小。CSMA/CD协议的要点协议的要点n(1)准备准备发送发送。但但在发送之前，必须先检测信道。在发送之前，必须先检测信道。n(2)检测检测信道信道。若若检测到信道忙，则应不停地检测，一直等检测到信道忙，则应不停地检测，一直等待信道转为空闲。若检测到信道空闲，并待信道转为空闲。若检测到信道空闲，并在在 96 比特比特时间内时间内信道保持空闲（保证了帧间最小间隔），就发送这个帧。信道保持空闲（保证了帧间最小间隔），就发送这个帧。n(3)检查碰撞。检查碰撞。在在发送过程中仍不停地检测信道，即网络适发送过程中仍不停地检测信道，即网络适配器要边发送边监听。这里只有配器要边发送边监听。这里只有两种可能性两种可能性：n发送成功：发送成功：在争用期内一直未检测到碰撞。这个帧肯定能够发送在争用期内一直未检测到碰撞。这个帧肯定能够发送成功。发送完毕后，其他什么也不做。然后成功。发送完毕后，其他什么也不做。然后回到回到(1)。n发送失败：发送失败：在争用期内检测到碰撞。这时立即停止发送数据，并在争用期内检测到碰撞。这时立即停止发送数据，并按规定发送人为干扰信号。适配器接着就执行指数退避算法，按规定发送人为干扰信号。适配器接着就执行指数退避算法，等待等待 r 倍倍 512 比特比特时间后，返回到时间后，返回到步骤步骤(2)，继续检测信道。但若重，继续检测信道。但若重传传达达 16 次次仍不能成功，则停止重传而向上报错。仍不能成功，则停止重传而向上报错。3.3.3 使用集线器的星形拓扑使用集线器的星形拓扑n采用采用双绞线双绞线的的以太网以太网采用星形拓扑，在星形的中采用星形拓扑，在星形的中心则增加了心则增加了集线器集线器(hub)。集线器集线器两对双绞线两对双绞线站点站点RJ-45 插头插头星形以太网星形以太网 10BASE-T n1990年年 IEEE 制定制定出星形出星形以太网以太网 10BASE-T 的的标准标准 802.3i。10BASET 双绞线双绞线基带基带速率为速率为10 Mbit/s 10BASE-T以太网以太网的统治地位的统治地位n这种这种 10 Mbit/s 速率的无屏蔽双绞线星形网的出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。现，既降低了成本，又提高了可靠性。具有很具有很高的高的性价比性价比。n从此以太网的拓扑就从从此以太网的拓扑就从总线总线形形变为变为更加方便的更加方便的星星形形网络网络，而，而以太网也就在局域网中占据了统治地以太网也就在局域网中占据了统治地位位。集线器的一些特点集线器的一些特点 n(1)集线器集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线的工作，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的以太网那样运行。因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行。n(2)使用使用集线器的以太网在集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，逻辑上仍是一个总线网，各工作站使用的还是各工作站使用的还是 CSMA/CD 协议，并协议，并共享逻辑共享逻辑上的总线。上的总线。n(3)集线器集线器很像一个多接口的转发器很像一个多接口的转发器。n(4)集线器采用了专门的芯片，进行自适应串音回波集线器采用了专门的芯片，进行自适应串音回波抵消抵消，减少了，减少了近端串音近端串音。3.3.4 以太网的信道利用率以太网的信道利用率 n多个站在以太网上同时工作就可能会发生碰撞多个站在以太网上同时工作就可能会发生碰撞。n当当发生碰撞时，信道资源实际上是被浪费了。因发生碰撞时，信道资源实际上是被浪费了。因此，当扣除碰撞所造成的信道损失后，此，当扣除碰撞所造成的信道损失后，以太网总以太网总的信道利用率并不能的信道利用率并不能达到达到 100%。n假设假设 是以太网单程端到端传播时延是以太网单程端到端传播时延。则争用。则争用期期长度为长度为 2，即端到端传播时延的两倍。检测到，即端到端传播时延的两倍。检测到碰撞后不发送干扰信号。碰撞后不发送干扰信号。以太网信道以太网信道被占用的情况被占用的情况n一一个站在发送帧时出现了碰撞。经过一个争用个站在发送帧时出现了碰撞。经过一个争用期期 2 后后，可能可能又出现了碰撞。这样经过若干个争用期后，一个站又出现了碰撞。这样经过若干个争用期后，一个站发送成功了发送成功了。假定发送帧需要的时间假定发送帧需要的时间是是 T0。发发 送送 成成 功功 争用期争用期 争用期争用期 争用期争用期 2 T0 t占用期占用期 发生碰撞发生碰撞 发送一帧所需的平均时间发送一帧所需的平均时间2 2 参数参数 与利用率与利用率n要提高以太网的信道利用率，就必须减小要提高以太网的信道利用率，就必须减小 与与 T0 之比之比。n在在以太网中定义了参数以太网中定义了参数：n 对以太网参数对以太网参数 的要的要求是：求是：n当当数据率一定时，以太网的连线的长度受到限数据率一定时，以太网的连线的长度受到限制，否则制，否则 的数值会太大。的数值会太大。n以太网的帧长不能太短，否则以太网的帧长不能太短，否则 T0 的值会太小，的值会太小，使使 值太大。值太大。3.3.5 以太网以太网的的 MAC 层层重点介绍：重点介绍：n1.MAC 层层的硬件的硬件地址地址n2.MAC 帧帧的格式的格式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。nMAC地址是局域网通信设备或端口的唯一地址是局域网通信设备或端口的唯一标识符。标识符。组织唯一标识符组织唯一标识符扩展扩展唯一标识符唯一标识符3 字节字节（24 位）位）3 字节字节（24 位）位）48 位的位的 MAC 地址地址单站地址，组地址，广播地址单站地址，组地址，广播地址nIEEE规定地址字段的第一字节的最低位规定地址字段的第一字节的最低位为为 I/G 位位。I/G 表示表示 Individual/Group。n当当 I/G位位=0 时时，地址字段表示一个地址字段表示一个单站单站地址地址。n当当 I/G位位=1 时时，表示表示组地址，组地址，用来进行多播（以前曾译用来进行多播（以前曾译为组播）为组播）。n所有所有 48 位都为位都为 1 时，为广播地址。只能作为目的地址时，为广播地址。只能作为目的地址使用。使用。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 帧就首先用硬帧就首先用硬件检查件检查 MAC 帧中的帧中的 MAC 地址。地址。n如果是如果是发往本站的帧发往本站的帧则收下，然后再进行其他的处则收下，然后再进行其他的处理。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单单播播(unicast)帧帧（一对一）（一对一）n广播广播(broadcast)帧帧（一对全体）（一对全体）n多多播播(multicast)帧帧（一对多（一对多）2.MAC 帧的格式帧的格式 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。以太网以太网 V2 的的 MAC 帧格式帧格式MAC 帧帧物理层物理层MAC 层层IP 层层目的地址目的地址源地址源地址类型类型数数 据据FCS6624字节字节46 1500IP 数据报数据报目的地址字段目的地址字段 6 字节字节以太网以太网 V2 的的 MAC 帧格式帧格式MAC 帧帧物理层物理层MAC 层层IP 层层目的地址目的地址源地址源地址类型类型数数 据据FCS6624字节字节46 1500IP 数据报数据报源地址字段源地址字段 6 字节字节以太网以太网 V2 的的 MAC 帧格式帧格式类型字段用来标志类型字段用来标志上一层上一层使用的是什么协议，使用的是什么协议，以便把收到的以便把收到的 MAC 帧的数据上交给上一层的这个协议。帧的数据上交给上一层的这个协议。MAC 帧帧物理层物理层MAC 层层IP 层层目的地址目的地址源地址源地址类型类型数数 据据FCS6624字节字节46 1500IP 数据报数据报类型字段类型字段 2 字节字节以太网以太网 V2 的的 MAC 帧格式帧格式数据字段的正式名称是数据字段的正式名称是 MAC 客户数据字段。客户数据字段。最小长度最小长度 64 字节字节 18 字节的首部和尾部字节的首部和尾部 =数据数据字段的最小字段的最小长度（长度（46字节）字节）MAC 帧帧物理层物理层MAC 层层IP 层层目的地址目的地址源地址源地址类型类型数数 据据FCS6624字节字节46 1500IP 数据报数据报数据字段数据字段 46 1500 字节字节以太网以太网 V2 的的 MAC 帧格式帧格式在帧的前面在帧的前面插入（硬件生成）的插入（硬件生成）的 8 字节字节中，第一中，第一个字段共个字段共 7 个字个字节节，是，是前同步码，用来迅速实现前同步码，用来迅速实现 MAC 帧的比特同步帧的比特同步。第二。第二个个字段字段 1 个字节是个字节是帧开始定界符，表示后面的信息帧开始定界符，表示后面的信息就是就是 MAC 帧。帧。为了达到比特同步，为了达到比特同步，在传输媒体上实际传送的在传输媒体上实际传送的要比要比 MAC 帧还多帧还多 8 个字节个字节MAC 帧帧物理层物理层MAC 层层IP 层层目的地址目的地址源地址源地址类型类型数数 据据FCS6624字节字节46 1500IP 数据报数据报10101010101010 101010101010 10101011前同步码前同步码帧开始帧开始定界符定界符7 字节字节1 字节字节8 字节字节插入插入思考问题思考问题2：n为什么为什么MAC帧格式没有结束符，但帧格式没有结束符，但PPP却要有却要有？无效的无效的 MAC 帧帧 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。对于检查出的无效对于检查出的无效 MAC 帧就简单地丢弃。帧就简单地丢弃。以太网不负责重传丢弃的帧。以太网不负责重传丢弃的帧。3.4 扩展的以太网扩展的以太网n3.4.1 在物理层扩展以太网在物理层扩展以太网n3.4.2 在数据链路层扩展以太网在数据链路层扩展以太网n3.4.3 虚拟局域网虚拟局域网3.4.1 在物理层在物理层扩展扩展以太以太网网n使用集线器扩展使用集线器扩展n使用多使用多个集线器可连成更大个集线器可连成更大的、的、多级多级星形星形结构结构的的以以太网太网。n例如，一个学院的三个系各有一例如，一个学院的三个系各有一个个 10BASE-T 以太以太网网，可可通过一个主干集线器把各系的以太网连接起通过一个主干集线器把各系的以太网连接起来，成为一个更大的来，成为一个更大的以太网以太网。三个独立的碰撞域三个独立的碰撞域 一系一系 二系二系 三系三系 一系一系三系三系二系二系主干集线器主干集线器一个更大的碰撞域一个更大的碰撞域三三个独立的以太网个独立的以太网一一个扩展的以太网个扩展的以太网用集线器用集线器扩展扩展以太以太网网 n优点优点n使原来属于不同碰撞域使原来属于不同碰撞域的的以太网以太网上上的计算机能够进的计算机能够进行跨碰撞域的通信。行跨碰撞域的通信。n扩大扩大了了以太网覆以太网覆盖的地理范围。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。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。用集线器将它们互连起来。3.4.2 在数据链路层扩展以太网在数据链路层扩展以太网 n扩展以太网扩展以太网早期使用早期使用网桥，网桥，现在使用以太网现在使用以太网交换机交换机。l网桥网桥根据根据 MAC 帧的目的地址对收到的帧进行帧的目的地址对收到的帧进行转发和过滤转发和过滤。l当网桥收到一个帧时，并不是向所有的接口转发此帧，而是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先检查此帧的目的 MAC 地址，然后再确定将该帧转发到哪地址，然后再确定将该帧转发到哪一个接口，一个接口，或或把它把它丢弃丢弃。l交换机交换机，即，即以太网以太网交换机交换机(switch)或或第二层第二层交换机交换机(L2 switch)，强调这种交换机工作在，强调这种交换机工作在数据链路层数据链路层。1.以太网交换机的特点以太网交换机的特点n以太网交换机以太网交换机实质上实质上就是一个就是一个多接口的多接口的网桥网桥。n通常通常都有十几个或更多的都有十几个或更多的接口接口。n每个接口都直接与一个单台主机或另一个以太网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，并且一般都交换机相连，并且一般都工作在全双工方式。工作在全双工方式。n以太网以太网交换交换机具机具有有并行性并行性。n能能同时连通多对接口，使多对主机能同时同时连通多对接口，使多对主机能同时通信通信。n相互相互通信的主机都是独占传输媒体，无碰撞地传通信的主机都是独占传输媒体，无碰撞地传输数据输数据。1.以太网交换机的特点以太网交换机的特点n以太网交换机的以太网交换机的接口有存储器，接口有存储器，能在输出端口繁能在输出端口繁忙时把到来的帧进行缓存忙时把到来的帧进行缓存。n以太网以太网交换机是一种交换机是一种即插即用即插即用设备，其内部的帧设备，其内部的帧交换表交换表（又称为（又称为地址表地址表）是通过）是通过自学习算法自学习算法自动自动地逐渐建立起来的地逐渐建立起来的。n以太网交换机使用以太网交换机使用了了专用的交换结构芯片，专用的交换结构芯片，用硬用硬件转发，其转发速率要比使用软件转发的网桥快件转发，其转发速率要比使用软件转发的网桥快很多很多。以太网以太网交换机交换机的的优点优点n用户独享带宽，增加了总容量。用户独享带宽，增加了总容量。n对于对于普通普通 10 Mbit/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，则个用户，则每个用户占有的平均传输速率每个用户占有的平均传输速率(10 Mbit/s)的的 N 分之一分之一。n使用使用以太网交换机时，虽然在每个接口到主机都是以太网交换机时，虽然在每个接口到主机都是 10 Mbit/s。n从从共享总线以太网转到交换式以太网时，所有接入设备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、适配器等都不的软件和硬件、适配器等都不需要需要做做任何任何改动。改动。n以太网以太网交换机一般都具有多种速率的接口交换机一般都具有多种速率的接口，方便，方便了各种了各种不同情况的用户。不同情况的用户。2.以太网交换机的自学习功能以太网交换机的自学习功能n以太网以太网交换机交换机运行自学习算法自动维护运行自学习算法自动维护交换表交换表。n开始开始时时，以太网交换机里面的交换表是空以太网交换机里面的交换表是空的的。MAC地址地址 接口接口 有效时间有效时间 以太网交换机以太网交换机A1243交换表交换表DBC交换表一开始是空的交换表一开始是空的按照以下自学习按照以下自学习算法算法处理处理收到的帧和收到的帧和建立交换表建立交换表nA 先向先向 B 发送发送一帧，从一帧，从接口接口 1 进入进入到交换机到交换机。n交换机交换机收到帧后，收到帧后，先查找交换表，先查找交换表，没有查到应从哪个接没有查到应从哪个接口转发这个口转发这个帧。帧。n交换机交换机把这个帧的把这个帧的源地址源地址 A 和和接口接口1 写入写入交换表交换表中，中，并向除接口并向除接口1以外的所有的接口以外的所有的接口广播这个帧。广播这个帧。nC 和和 D 将将丢弃这个帧，因为目的地址不对。丢弃这个帧，因为目的地址不对。只只 B 才才收收下这个目的地址正确的帧。这也称为下这个目的地址正确的帧。这也称为过滤。过滤。n从新写入交换表的从新写入交换表的项目项目(A,1)可以可以看出，以后不管从看出，以后不管从哪一个接口收到帧，只要其目的地址是哪一个接口收到帧，只要其目的地址是A，就，就应当把应当把收收到的帧从接口到的帧从接口1转发出去转发出去。按照以下自学习按照以下自学习算法算法处理处理收到的帧和收到的帧和建立交换表建立交换表nB 通过接口通过接口 3 向向 A 发送发送一帧一帧。n交换机交换机查找交换表，查找交换表，发现交换表中发现交换表中的的 MAC 地址有地址有 A。表明要发送给表明要发送给A的帧（即目的地址的帧（即目的地址为为 A 的的帧）应从接口帧）应从接口1转发。转发。于是就把这个帧传送到于是就把这个帧传送到接口接口 1 转发给转发给 A。显然显然，现在已经没有必要再广播收到的帧现在已经没有必要再广播收到的帧。n交换交换表这时新增加的表这时新增加的项目项目(B,3)，表明今后如有发送，表明今后如有发送给给 B 的的帧，就应当从帧，就应当从接口接口 3 转发转发出去出去。n经过一段时间后，经过一段时间后，只要只要主机主机 C 和和 D 也也向其他主机发送向其他主机发送帧，帧，以太网交换机中的交换表就会把转发以太网交换机中的交换表就会把转发到到 C 或或 D 应应当当经过的接口号（经过的接口号（2 或或 4）写入到交换表）写入到交换表中中。按照以下自学习按照以下自学习算法算法处理处理收到的帧和收到的帧和建立交换表建立交换表 MAC地址地址 接口接口 有效时间有效时间 A 1 B 3以太网交换机以太网交换机A1243交换表交换表DBC交换交换了两帧后的交换了两帧后的交换表表A 发送一帧给发送一帧给 BB 发送一帧给发送一帧给 A考虑到可能有时要在交换机的考虑到可能有时要在交换机的接口更换主机，或者主机要更接口更换主机，或者主机要更换其网络适配器，这就需要更换其网络适配器，这就需要更改交换表中的项目。为此，在改交换表中的项目。为此，在交换表中每个项目都设有一定交换表中每个项目都设有一定的的有效时间。有效时间。过期的项目就自过期的项目就自动被删除。动被删除。（默认（默认300s）以太网交换机的这种自学习方法使得以太网交换机能够即插即以太网交换机的这种自学习方法使得以太网交换机能够即插即用，不必人工进行配置，因此非常方便。用，不必人工进行配置，因此非常方便。交换机交换机自学习自学习和转发和转发帧的帧的步骤归纳步骤归纳 n交换机交换机收到收到一帧后先进行一帧后先进行自学习。自学习。查找交换表查找交换表中与收到中与收到帧的帧的源地址有无相匹配源地址有无相匹配的项目的项目。n如如没有，就没有，就在交换表在交换表中增加一个项目（源地址、进入的接口中增加一个项目（源地址、进入的接口和有效时间和有效时间）。n如如有，则把原有的项目进行有，则把原有的项目进行更新（更新（进入的进入的接口或有效时间）。接口或有效时间）。n转发帧。转发帧。查找交换表查找交换表中与收到帧的中与收到帧的目的地址有无相匹配目的地址有无相匹配的项目。的项目。n如没有，如没有，则向所有则向所有其他接口其他接口（进入的（进入的接口除外接口除外）转发）转发。n如有，则如有，则按按交换交换表表中给出的接口进行转发。中给出的接口进行转发。n若交换表若交换表中给出的接口就是该帧中给出的接口就是该帧进入交换机的进入交换机的接口，则应丢接口，则应丢弃这个帧（因为这时不需要弃这个帧（因为这时不需要经过交换机进行经过交换机进行转发）。转发）。3.4.3 虚拟局域网虚拟局域网n利用以太网交换机利用以太网交换机可以很方便可以很方便地实现虚拟地实现虚拟局域网局域网 VLAN(Virtual LAN)。n虚拟局域网虚拟局域网 VLAN 是是由一些局域网网段构成的由一些局域网网段构成的与物理与物理位置无关的逻辑组，位置无关的逻辑组，而这些网段具有某些共同的需求。而这些网段具有某些共同的需求。每一每一个个 VLAN 的的帧都有一个明确的标识符，指明发送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这个帧的计算机是属于哪一个个 VLAN。n虚拟虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务，而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并不是一种新型局域网。n由于虚拟局域网是用户和网络资源的逻辑组合，因此可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。户从不同的服务器或数据库中存取所需的资源。以太网以太网交换机交换机A4B1以太网以太网交换机交换机VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太网以太网交换机交换机以太网以太网交换机交换机10 台计算机划分为三台计算机划分为三个虚拟个虚拟局域网：局域网：VLAN1,VLAN2 和和 VLAN3当当 B1 向向 VLAN2 工作组内成员发送数据时，工作组内成员发送数据时，工作站工作站 B2 和和 B3 将会收到广播的信息。将会收到广播的信息。以太网以太网交换机交换机A4B1以太网以太网交换机交换机VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太网以太网交换机交换机以太网以太网交换机交换机B1 发送数据时，发送数据时，工作站工作站 A1，A2 和和 C1都不会收到都不会收到 B1 发出的广播信息。发出的广播信息。以太网以太网交换机交换机A4B1以太网以太网交换机交换机VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太网以太网交换机交换机以太网以太网交换机交换机虚拟局域网限制了接收广播信息的工作站数，使得虚拟局域网限制了接收广播信息的工作站数，使得网网络络不会不会因传播过多的广播信息因传播过多的广播信息(即即“广播风暴广播风暴”)而引而引起性能恶化。起性能恶化。以太网以太网交换机交换机A4B1以太网以太网交换机交换机VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太网以太网交换机交换机以太网以太网交换机交换机虚拟局域网使用的以太网帧格式虚拟局域网使用的以太网帧格式n虚拟局域网协议允许在以太网的帧格式中插入一虚拟局域网协议允许在以太网的帧格式中插入一个个4字节的字节的标识符，称为标识符，称为 VLAN 标记标记(tag)，用，用来指明发送该帧的计算机属于哪一个虚拟局域网来指明发送该帧的计算机属于哪一个虚拟局域网。n插入插入 VLAN 标记标记得出的帧得出的帧称为称为 802.1Q 帧帧 或或 带带标记的以太网标记的以太网帧帧。一些有趣的课外知识一些有趣的课外知识n现在以太网达到什么传输速度？现在以太网达到什么传输速度？100Gb/snPPPoE：将将 PPP 帧帧再封装到以太网中来再封装到以太网中来传输传输。n现在的光纤宽带接入现在的光纤宽带接入 FTTx 和和 ADSL 都使用都使用 PPPoE 进行连接的。进行连接的。n无线网络的无线网络的CSMA/CA