ch04数据链路层

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,4,章 数据链路层,计算机网络（第,6,版）,1,第,4,章,数据链路层,4.1,使用点对点信道的数据链路层,4.1.1,数据链路和帧,4.1.2,三个基本问题,4.2,点对点协议,PPP,4.2.1 PPP,协议的特点,4.2.2 PPP,协议的帧格式,4.2.3 PPP,协议的工作状态,2,第,4,章,数据链路层（续）,4.3,使用广播信道的数据链路层,4.3.1,局域网的数据链路层,4.3.2 CSMA/CD,协议,4.4,使用广播信道的以太网,4.4.1,使用集线器的星形拓扑,4.4.2,以太网的信道利用率,4.4.3,以太网的,MAC,层,3,第,4,章,数据链路层（续）,4.5,扩展的以太网,4.5.1,在物理层扩展以太网,4.5.2,在数据链路层扩展以太网,4.6,高速以太网,4.6.1 100BASE-T,以太网,4.6.2,吉比特以太网,4.6.3 10,吉比特和,100,吉比特以太网,4.6.4,使用以太网进行宽带接入,4,数据链路层概述,数据链路层使用的信道主要有以下两种类型：,点对点信道：,信道使用一对一的点对点通信方式，使用,PPP,协议（,Point-to-Point Protocol,点到点协议） 。,广播信道：,信道使用一对多的广播通信方式，主要讨论局域网及相关协议，如,IEEE802.5,令牌环网。,广播信道上连接的主机很多，因此必须使用专用的,共享信道协议,来协调这些主机的数据发送。,5,数据链路层的简单模型,局域网,广域网,主机,H,1,主机,H,2,路由器,R,1,路由器,R,2,路由器,R,3,电话网,局域网,主机,H,1,向,H,2,发送数据要经过,R1,、,R2,、,R3,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,R,1,R,2,R,3,H,1,H,2,从协议层次上来看数据的流动,6,数据链路层的简单模型,(,续）,局域网,广域网,主机,H,1,主机,H,2,路由器,R,1,路由器,R,2,路由器,R,3,电话网,局域网,主机,H,1,向,H,2,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,R,1,R,2,R,3,H,1,H,2,仅从,数据链路层,观察帧的流动,7,4.1,使用点对点信道的数据链路层,4.1.1,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。,8,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,数据链路层传送的协议数据单元是,帧,9,4.1.2,三个基本问题,数据链层协议（如,PPP,）面临要解决问题：,(1),封装,成帧：,IP,数据报,帧,(2),透明传输,(3),差错控制,10,1.,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。,首部和尾部的一个重要作用就是进行,帧定界,。,MTU,最大传输单元,P68,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,11,用控制字符进行帧定界的方法举例,SOH,装在帧中的数据部分,帧,帧开始符（,不可输入和打印,）,帧结束符,发送在前,EOT,01H00000001B,04H,注：,SOH,（,Start Of Header,），,EOT,（,End Of Transmission,）,均为控制字符，实际分别是,01H,、,04H,作用之一：检测错误帧，一对,SOH,、,EOT,12,2.,透明传输,P69,SOH,EOT,数据为非,ASCII,文本，且恰恰含“,EOT,”,不透明传输,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,透明传输：数据为文本文件，不会出现,SOH,和,EOT,13,解决透明传输问题,非,ASCII,码文本（二进制程序）发送端的数据链路层在数据中出现控制字符“,SOH”,（,01H,）或“,EOT”,（,04H,）的前面插入一个转义字符“,ESC”(1BH),。,字节填充,(byte stuffing),或,字符填充,(character stuffing),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。,如果转义字符“,ESC”(1BH),也出现数据当中，那么应在转义字符前面插入一个转义字符。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。,14,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,15,3.,差错检测,比特在传输过程中可能会产生差错：,1,可能会变成,0,而,0,也可能变成,1,。,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),。,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。,精确的、常用的,CRC,（,Cyclic Redundancy Check,）循环冗余检验,16,循环冗余检验的原理,P70,在数据链路层传送的帧中，广泛使用循环冗余检验,CRC,的检错技术。,CRC,的特征是信息字段和校验字段的长度可以任意选定。,在发送端，先把数据划分为组。假定每组,k,位。,假设待传送的一组数据,M,= 101001,，则,k,= 6,。在,M,的后面再添加供差错检测用的,n,位,冗余码,一起发送,k,= 6,M,= 101001,。,设,n,= 3,，,P = 1101,即约定生成,G(x),多项式,x,3,+x,2,+1,17,冗余码的计算方法,用二进制的模,2,运算进行,2,n,乘,M,的运算，这相当于在,M,后面添加,n,个,0,。,被除数,2,n,M,= 2,3,(,101001,)=,2,3,(,2,5,+2,3,+1,)=,2,8,+2,6,+2,3,=,101001,000,得到最高,2,(,k,+,n,),位的数除以事先选定的长度为,(,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（,n,位）,现,k,= 6,，,M,= 101001,，,n,= 3,，设：,除数,P,= 1101,模,2,运算的结果是：,余数,R,= 1,，,n,= 3,FCS,001,。,101001000,mod,1101,= 1,把余数,FCS,作为,冗余码,添加在数据,M,的后面发送出去。发送的数据是：,M,+,R,即：,101001,001,，共,(,k,+,n,),位。,18,110101,Q,(,商,),P,(,除数,),1101,1010,01000,2,n,M,(,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,加法、减法运算是,异或,运算：加法不进位，减法不借位,19,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 (Frame Check Sequence),。,CRC,和,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。,用硬件完成，不会影响数据传输,20,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，则,接受,(accept),。,上例：假设收到,1,mod,1101,0,(2),若余数,R,0,，则判定这个帧有差错，则,丢弃,。,上例：假设收到,0,mod,1101,1,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。,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。,1101 10100100,1,1101,1110,1101,1110,1101,1101,1101,0,1101 10100100,0,1101,1110,1101,1110,1101,1100,1101,1,21,应当注意,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。,22,4.2,点对点协议,PPP,4.2.1 PPP,协议的特点,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,现在使用得最多的数据链路层协议是,点对点协议,PPP (Point-to-Point Protocol),。,23,1. PPP,协议的功能,P73,简单：,PPPIP TCP,封装成帧,透明性,多种网络层协议：除,IP,外,IPX,（,Exchange,）,多种类型链路,差错检测：丢弃,检测连接状态,最大传送单元默认值,1500B,（,P68,、,P74,）,网络层地址协商,数据压缩协商,全双工,24,2. PPP,协议没有提供的功能,纠错,流量控制,序号,多点线路,25,3. PPP,协议的组成,1992,年制订,PPP,协议。经过,1993,年和,1994,年的修订，现在的,PPP,协议已成为因特网的正式标准,RFC 1661,。,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),。,26,4.2.2 PPP,协议的帧格式,PPP,面向字节，所有的,PPP,帧的长度都是整数字节。,PPP,有一个,2,个字节的,协议,字段。,0x0021,：,PPP,帧的信息字段就是,IP,数据报。,0xC021,：信息字段是,PPP,链路控制数据（,LCP,）。,0x,8021,：表示这是网络控制数据（,NCP,）。,0x16,进制数,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,27,4.3,使用,广播信道,的数据链路层,4.3.1,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，且地理范围和站点数目均有限。,局域网具有如下的一些主要优点：,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各种硬软件资源。,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。,提高系统的可靠性、可用性和残存性。,P78,28,1.,局域网的拓扑,匹配电阻,集线器,干线耦合器,总线网,星形网,环形网,以太网成为局域网的代名词。,29,2.,媒体共享技术,静态划分信道,代价大不适用局域网,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,：解决碰撞问题,受控接入 （局域网使用较少），如多点线路探询,(polling),，或轮询。,30,3.,以太网的两个标准,DIX Ethernet V2,是世界上第一个局域网产品（以太网）的规约,施乐,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,31,4.,数据链路层的两个子层,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,逻辑链路控制,LLC (Logical Link Control),子层。,媒体接入控制,MAC (Medium Access Control),子层,注：与接入到传输媒体有关的内容都放在,MAC,子层,32,5.,计算机与局域网间的通信,硬件地址,至局域网,适配器,（网卡）,双绞线,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,总线,并,行,通信,双绞线,33,适配器的作用,通信适配器,(adapter),或,网络接口卡,NIC (Network Interface Card),。有独立、嵌入的网卡。装有处理器、,RAM,和,ROM,。,适配器的重要功能（物理层、数链层）：,进行串行,(I/O,总线,),并行（局域网）转换。,局域网和总线传输速率差异，对数据进行缓存。,在计算机的操作系统安装设备驱动程序。,实现以太网协议。,P81,34,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,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,在具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。,35,为了通信的简便以太网采取了两种重要的措施,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。,36,以太网提供的服务,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。,37,以太网发送的数据都使用曼彻斯特,(Manchester),编码,曼彻斯特,1,1,1,1,1,0,0,0,0,0,比特流,前半周,-,原码，后半周,-,反码，反之也可。,38,载波监听多点接入,/,碰撞检测,CSMA/CD,CSMA/CD,表示,Carrier Sense,Multiple Access,with,Collision Detection,。,“,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。,“,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（互相叠加）。,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。,39,1 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,传播时延对载波监听的影响,40,重要特性,先听后发、边听边发、冲突停发、延时再发,使用,CSMA/CD,协议以太网不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信即半双工通信。,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。,41,最短有效帧长和强化碰撞,如发生冲突，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,。,当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时：,立即停止发送数据；,再继续发送若干比特的,人为干扰信号,(jamming signal),，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞即,强化碰撞,。,42,数据帧,干扰信号,32/48b,T,J,人为干扰信号,A,B,T,B,t,B,发送数据,信,道,占,用,时,间,A,发送数据,B,检测到冲突，也立即停止发送数据帧，紧接着发送干扰信号（耗时,3.2/4.8us,）。这里为了简单起见，只画出,A,发送干扰信号的情况。,帧的最小间隔,9.6us,（,96b,时间）,43,4.4,使用广播信道的以太网,4.4.1,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),44,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,45,以太网在局域网中的统治地位,10BASE-T,（,twisted-pair,）的通信距离稍短，每个站到集线器的距离不超过,100 m,。,这种,10 Mb/s,速率的非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牢固的基础。,46,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的以太网那样运行。,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,。,47,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,48,4.4.3,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,。固化在,NIC,的,ROM,上。,IEEE802,标准所指的“地址”严格地讲应当是每一个站的“,名字,”或,标识符,。,IEEE,的,注册管理机构,RA,负责向厂家分配地址字段的前三个字节,(,即高位,24,位,),。,网络层,逻辑链路子层,LLC,媒体接入子层,MAC,物理层,49,48,位的,MAC,地址,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,2,24,个不同的地址。,这种,48,位地址称为,MAC-48,，它的通用名称是,EUI-48,。,“,MAC,地址”实际上就是适配器地址或适配器标识符,EUI-48,。,50,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。“发往本站的帧”包括以下三种帧：,单播,(unicast),帧（一对一）,-,与本站地址相同,广播,(broadcast),帧（一对全体）,-,本局域网所有站点（全,1,地址）,多播,(multicast),帧（一对多）,-,本站一部分站点,混杂方式,-,黑客常用窃听方式,/,监视分析软件,-,网络嗅探器,。,否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。,注：所有适配器至少能识别前,2,种帧。,51,2. 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,。,52,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,0x0800,数 据,FCS,6,6,2,4,字节,46 1500,MAC,帧,以太网的,MAC,帧格式,数据字段的正式名称是,MAC,用,户数据字段,数据字段的最小长度,46=,最小长度,64,字节,18,字节的首部和尾部,53,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,1,10,8,时，,MAC,子层可使未检测到的差错小于,1,10,14,。,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。,54,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,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。,55,数据字段的长度与长度字段的值不一致；,帧的长度不是整数个字节；,用收到的帧检验序列,FCS,查出有差错；,数据字段的长度不在,46 1500,字节之间。,有效的,MAC,帧长度不在,64 1518,字节之间。,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,56,4.5,扩展的局域网,4.5.1,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,无任在物理层或数据链路层对局域网的扩展，在网络层看来还是一个网络。,57,用集线器组成更大的局域网都在一个碰撞域中,数媒系,计科系,网工系,主干集线器,一个更大的碰撞域,-,信息技术学院,碰撞域,独立碰撞域,10Mb/s,独立碰撞域,10Mb/s,独立碰撞域,10Mb/s,更大的碰撞域,-,信息技术学院,10Mb/s,58,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,59,在数据链路层扩展局域网是使用,网桥,。,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。,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,4.5.2,在数据链路层扩展局域网,60,1.,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,A,B,C,接口,1,1,1,1,2,A,C,E,2,B,D,F,2,站地址,接口,网桥,网桥,D,E,F,接口,1,接口,2,接口,2,61,过滤通信量。,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,62,用网桥组成更大的局域网隔离各碰撞域,数媒系,计科系,网工系,网桥,碰撞域,独立碰撞域,10Mb/s,独立碰撞域,10Mb/s,独立碰撞域,10Mb/s,30Mb/s,63,网桥使各网段成为隔离开的碰撞域,网桥,1,碰撞域,碰撞域,碰撞域,A,B,C,D,E,F,网桥,2,64,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,65,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。,透明网桥是一种,即插即用设备,，其标准是,IEEE 802.1D,。,2.,透明网桥,66,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。,网桥按以下自学算法处理收到的帧和建立转发表,67,地址 接口,转发表的建立过程举例,网桥,1,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,2,在网桥的转发表中写入的信息除了,地址,和,接口,外，还有帧进入该网桥的,时间,。,68,这是为了避免产生转发的帧在网络中不断地兜圈子。,透明网桥使用生成树算法,局域网,2,局域网,1,网桥,2,网桥,1,A,F,不停地,兜圈子,A,发出的帧,F,1,网桥,1,转发的帧,F,2,网桥,2,转发的帧,网络资源白白消耗了,69,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。在这个子集里，整个连通的网络中不存在回路，即,在任何两个站之间只有一条路径,。,为了避免产生转发的帧在网络中不断地兜圈子。,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。,生成树的得出,70,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,71,1990,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,72,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,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,73,对于普通,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,N,10 Mb/s,。这正是交换机的最大优点。,独占传输媒体的带宽,74,用以太网交换机扩展局域网,数媒系,计科系,网工系,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,10 Mb/s,10 Mb/s,10 Mb/s,75,虚拟局域网,VLAN,（,Virtual LAN,）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,76,以太网,交换机,A,4,B,1,以太网,交换机,VLAN,3,C,3,B,3,VLAN,1,VLAN,2,C,1,A,2,A,1,A,3,C,2,B,2,以太网,交换机,以太网,交换机,三个虚拟局域网,:,VLAN,1, VLAN,2,和,VLAN,3,77,以太网,交换机,A,4,B,1,以太网,交换机,VLAN,3,C,3,B,3,VLAN,1,VLAN,2,C,1,A,2,A,1,A,3,C,2,B,2,以太网,交换机,以太网,交换机,三个虚拟局域网,VLAN,1, VLAN,2,和,VLAN,3,的构成,当,B,1,向,VLAN,2,工作组内成员发送数据时，,工作站,B,2,和,B,3,将会收到广播的信息。,78,以太网,交换机,A,4,B,1,以太网,交换机,VLAN,3,C,3,B,3,VLAN,1,VLAN,2,C,1,A,2,A,1,A,3,C,2,B,2,以太网,交换机,以太网,交换机,三个虚拟局域网,VLAN,1, VLAN,2,和,VLAN,3,的构成,B,1,发送数据时，工作站,A,1, A,2,和,C,1,都不会收到,B,1,发出的广播信息。,79,以太网,交换机,A,4,B,1,以太网,交换机,VLAN,3,C,3,B,3,VLAN,1,VLAN,2,C,1,A,2,A,1,A,3,C,2,B,2,以太网,交换机,以太网,交换机,三个虚拟局域网,VLAN,1, VLAN,2,和,VLAN,3,的构成,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。,80,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,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,81,3.6,高速以太网,3.6.1 100BASE-T,以太网,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),。,自学回答,P109,：,3-29,82,100BASE-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。,保持最短帧长不变，但将一个网段的最大电缆长度减小到,100 m,。,帧间时间间隔从原来的,9.6,s,改为现在的,0.96,s,。,83,100 Mb/s,以太网的三种不同的物理层标准,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。,84,3.6.2,吉比特以太网,允许在,1 Gb/s,下全双工和半双工两种方式工作。,使用,802.3,协议规定的帧格式。,在半双工方式下使用,CSMA/CD,协议（全双工方式不需要使用,CSMA/CD,协议）。,与,10BASE-T,和,100BASE-T,技术向后兼容。,85,吉比特以太网的物理层,1000BASE-X,基于光纤通道的物理层：,1000BASE-SX SX,表示短波长,1000BASE-LX LX,表示长波长,1000BASE-CX CX,表示铜线,1000BASE-T,使用,4,对,5,类线,UTP,86,全双工方式,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。,87,吉比特以太网的配置举例,1 Gb/s,链路,吉比特,交换,集线器,百兆比特或吉比特集线器,100 Mb/s,链路,中央服务器,88,3.6.3 10,吉比特以太网和,100,吉比特以太网,10,吉比特以太网与,10 Mb/s,，,100 Mb/s,和,1 Gb/s,以太网的帧格式完全相同。,10,吉比特以太网还保留了,802.3,标准规定的以太网最小和最大帧长，便于升级。,10,吉比特以太网不再使用铜线而只使用光纤作为传输媒体。,10,吉比特以太网,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。,89,吉比特以太网的物理层,局域网物理层,LAN PHY,。局域网物理层的数据率是,10.000 Gb/s,。,可选的广域网物理层,WAN PHY,。广域网物理层具有另一种数据率，这是为了和所谓的“,Gb/s”,的,SONET/SDH,（即,OC-192/STM-64,）相连接。,为了使,10,吉比特以太网的帧能够插入到,OC-192/STM-64,帧的有效载荷中，就要使用可选的广域网物理层，其数据率为,9.95328 Gb/s,。,90,端到端的以太网传输,10,吉比特以太网的出现，以太网的工作范围已经从局域网（校园网、企业网）扩大到城域网和广域网，从而实现了端到端的以太网传输。,这种工作方式的好处是：,成熟的技术,互操作性很好,在广域网中使用以太网时价格便宜。,统一的帧格式简化了操作和管理。,91,10 G,以太网的物理层标准,10GBASE-SR,光缆，,300 m,，多模光纤（,0.85,m,）,10GBASE-LR,光缆，,10 km,，单模光纤（,1.3,m,）,10GBASE-ER,光缆，,40 km,，单模光纤（,1.5,m,）,10GBASE-CX4,铜缆，,15 m,，,4,对双芯同轴电缆,(twinax),10GBASE-T,铜缆，,100 m,，,4,对,6A,类,UTP,双绞线,92,40GB/100GB,以太网的物理层标准,物 理 层,40GB,以太网,100GB,以太网,在背板上传输,至少超过,1 m 40GBASE-KR4,在铜缆上传输,至少超过,7 m 40GBASE-CR4 100GBASE-CR10,多模光纤上传输,至少,100 m 40GBASE-SR4 100GBASE-SR10,单模光纤上传输,至少,10 km 40GBASE-LR4 100GBASE-LR4,单模光纤上传输,至少,40 km 100GBASE-ER4,93,以太网从,10 Mb/s,到,100 Gb/s,的演进,以太网从,10 Mb/s,到,100 Gb/s,的演进证明了以太网是：,可扩展的（从,10 Mb/s,到,100 Gb/s,）。,灵活的（多种传输媒体、全,/,半双工、共享,/,交换）。,易于安装。,稳健性好。,94,3.6.4,使用高速以太网进行宽带接入,以太网已成功地把速率提高到,1 10 Gb/s,，所覆盖的地理范围也扩展到了城域网和广域网，因此现在人们正在尝试使用以太网进行宽带接入。,以太网接入的重要特点是它可提供双向的宽带通信，并且可根据用户对带宽的需求灵活地进行带宽升级。,采用以太网接入可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和降低了传输的成本。,95,