【山外筆記-計算機網絡·第7版】第03章：數據鏈路層

【山外筆記】第03章：數據鏈路層

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本章最重要的內容是：

（1）數據鏈路層的點對點信道和廣播信道的特點，以及這兩種信道所使用的協議（PPP協議以及CSMA/CD協議）的特點。

（2）數據鏈路層的三個基本問題：封裝成幀、透明傳輸和差錯檢測。

（3）以太網MAC層的硬件地址。

（4）適配器、轉發器、集線器、網橋、以太網交換機的作用以及使用場合。

1、數據鏈路層使用的信道主要類型：

（1）點對點信道：使用一對一的點對點通信方式。

（2）廣播信道：使用一對多的廣播通信方式，廣播信道上連接的主機很多，因此必須使用專用的共享信道協議來協調這些主機的數據發送。

2、兩臺主機通過互聯網進行通信時數據鏈路層所處的地位

（1）用戶主機H1通過電話線上網，中間經過三個路由器（R1，R2和R3）連接到遠程主機H2。

（2）從協議的層次上看，數據的流動是主機H1和H2都有完整的五層協議棧，但路由器在轉發分組時使用的協議棧只有下面的三層。

（3）數據進入路由器后要先從物理層上到網絡層，在轉發表中找到下一跳的地址后，再下到物理層轉發出去。因此，數據從主機H1傳送到主機H2需要在路徑中的各結點的協議棧向上和向下流動多次。

（4）當主機H1向主機H2發送數據時，可以想象數據就是在數據鏈路層從左向右沿水平方向傳送的，即通過以下這樣的鏈路：H1的鏈路層→R1的鏈路層→R2的鏈路層→R3的鏈路層→H2的鏈路層。

（4）從數據鏈路層來看，H1到H2的通信可以看成由四段不同的鏈路層通信組成，即：H1→R1，R1→R2，R2→R3和R3→H2。這四段不同的鏈路層可能采用不同的數據鏈路層協議。

1、鏈路和數據鏈路的區別

（1）鏈路（link）是從一個結點到相鄰結點的一段物理線路（有線/無線），中間沒有任何其他的交換結點。

（2）數據鏈路（data link）是指一條物理線路和通信協議以及實現這些協議的硬件和軟件。

（3）實現通信協議最常用的方法是使用網絡適配器（既有硬件，也包括軟件），一般的適配器都包括了數據鏈路層和物理層這兩層的功能。

（4）早期的數據通信協議曾叫做通信規程（procedure），在數據鏈路層，規程和協議是同義語。

（5）另一種說法：把鏈路分為物理鏈路和邏輯鏈路。物理鏈路就是上面所說的鏈路，而邏輯鏈路就是上面的數據鏈路，是物理鏈路加上必要的通信協議。

2、數據幀

（1）幀是點對點信道的數據鏈路層的協議數據單元。

（1）數據鏈路層把網絡層交下來的數據構成幀發送到鏈路上，以及把接收到的幀中的數據取出并上交給網絡層，網絡層協議數據單元就是IP數據報（或簡稱為數據報、分組或包）。

（3）在點對點信道的數據鏈路層協議上，鏈路上的通信可以采用三層模型，即每個結點只有下三層—網絡層、數據鏈路層和物理層。

3、點對點信道的數據鏈路層在進行通信時的主要步驟：

（1）結點A的數據鏈路層把網絡層交下來的IP數據報添加首部和尾部封裝成幀。

（2）結點A把封裝好的幀發送給結點B的數據鏈路層。

（3）若結點B的數據鏈路層收到的幀無差錯，則從收到的幀中提取出IP數據報交給上面的網絡層；否則丟棄這個幀。

數據鏈路層協議有三個基本問題是共同的：封裝成幀、透明傳輸和差錯檢測。

1、封裝成幀

（1）封裝成幀（framing）就是在一段數據的前后分別添加首部和尾部構成一個幀。

（2）接收端接收到物理層上交的比特流后，根據首部和尾部的標記，從比特流中識別幀的開始和結束。

（3）幀是數據鏈路層的數據傳送單元，一個幀的幀長等于幀的數據部分長度加上幀首部和幀尾部的長度。

（4）幀的數據部分：從網絡層傳送到數據鏈路層的IP數據報。

（5）幀的首部和尾部：在發送幀時從幀首部開始發送的。

① 幀的首部和尾部能夠進行幀定界，即確定幀的界限，并且包括了許多必要的控制信息。

② 各種數據鏈路層協議都對幀首部和幀尾部的格式有明確的規定。

③ 每一種鏈路層協議都規定了所能傳送的幀的數據部分長度上限—最大傳送單元MTU（Maximum Transfer Unit）。

④ 幀定界：使用特殊的幀定界符，控制字符SOH和控制字符EOT。

? 控制字符SOH（Start Of Header）放在一幀的最前面，表示幀的首部開始。

? 控制字符EOT（End Of Transmission）放在一幀的最后面，表示幀的結束。

? SOH和EOT都是控制字符的名稱，十六進制編碼是01和04，二進制是00000001和00000100。

? SOH（或EOT）并不是S，O，H（或E，O，T）三個字符。

? 幀定界符的作用：發送端發送幀時中斷重發。接收端接收幀時有首部開始符SOH才開始接收，沒有幀結束符EOT的不完整幀必須丟棄。完整的幀必須有明確的幀定界符（SOH和EOT）。

2、透明傳輸

（1）透明傳輸：傳送的幀中數據部分不會出現SOH或EOT幀定界控制字符。

① 透明：表示某一個實際存在的事物看起來卻好像不存在一樣。

② 透明傳輸：表示無論什么樣的比特組合的數據，都能夠按照原樣沒有差錯地通過數據鏈路層傳輸。

（2）傳輸的幀中不能出現和幀定界控制字符SOH或EOT一樣的比特編碼，否則會出現幀定界的錯誤。

（3）如果傳輸的幀中出現和幀結束符EOT一樣的比特編碼，數據鏈路層會錯誤地找到幀的邊界，剩下的數據會被接收端當作無效幀丟棄。

（4）透明傳輸問題的解決方法：字節填充（byte stuffing）或字符填充（character stuffing）

① 發送端的數據鏈路層在中出現控制字符SOH或EOT的前面插入一個轉義字符ESC。

② 接收端的數據鏈路層在把幀的數據部分送往網絡層之前刪除插入的轉義字符ESC。

③ 如果轉義字符也出現在數據當中，那么解決方法仍然是在轉義字符的前面插入一個轉義字符。

④ 當接收端收到連續的兩個轉義字符時，就刪除其中前面的一個。

⑤ ESC的十六進制編碼是1B，二進制是00011011。

3、差錯檢測（error detection）

（1）比特差錯：比特在傳輸過程中可能會產生差錯，1會變成0， 0變成1，是傳輸差錯的一種。

（2）誤碼率BER（Bit Error Rate）：在一段時間內傳輸錯誤的比特占所傳輸比特總數的比率稱。

（3）誤碼率與信噪比有很大的關系。信噪比越高，誤碼率就越小。

（4）目前在數據鏈路層廣泛使用了循環冗余檢驗CRC（Cyclic Redundancy Check）的檢錯技術。

（5）循環冗余檢驗的工作原理

① 在發送端，先把數據劃分為組，假定每組k個比特。CRC運算就是在數據M的后面添加供差錯檢測用的n位冗余碼，然后構成一個幀發送出去，一共發送（k＋n）位。

② 在接收端把接收到的數據以幀為單位進行CRC檢驗：把收到的每一個幀都除以同樣的除數P（模2運算），然后檢查得到的余數R。

③ 在接收端對收到的每一幀經過CRC檢驗后，有以下兩種情況：

? 若得出的余數R＝0，則判定這個幀沒有差錯，就接受（accept）。

? 若余數R≠0，則判定這個幀有差錯，但無法確定哪里出現了差錯，就丟棄。

（6）n位冗余碼的得出方法：

① 用二進制的模2運算進行2n乘M的運算，相當于在M后面添加n個0。

② 用得到的（k＋n）位的數除以收發雙方事先商定的長度為（n＋1）位的除數P，得出商是Q而余數是R（n位，比P少一位）。余數R作為冗余碼拼接在數據M的后面發送出去。這種為了進行檢錯而添加的冗余碼常稱為幀檢驗序列FCS（Frame Check Sequence）。

（7）CRC的特點

① CRC是一種檢錯方法，而FCS是添加在數據后面的冗余碼。

② 在發送的數據后面增加n位的冗余碼，雖然增大了數據傳輸的開銷，但卻可以進行差錯檢測。

③ 在數據鏈路層，發送端幀檢驗序列FCS的生成和接收端的CRC檢驗都是用硬件完成的。

④ 如果在數據鏈路層進行差錯檢驗，就必須把數據劃分為幀，每一幀都加上冗余碼，一幀接一幀地傳送，然后在接收方逐幀進行差錯檢驗。

（8）傳輸差錯的分類：一類是比特差錯，另一類是沒有出現比特差錯，但出現了幀丟失、幀重復或幀失序。

（9）OSI的觀點：讓數據鏈路層向上提供可靠傳輸。CRC檢錯的基礎上，增加了幀編號、確認和重傳機制。

PPP協議就是用戶計算機和ISP進行通信時所使用的數據鏈路層協議。

1、PPP協議應滿足的需求

（1）簡單：作為首要的需求。

數據鏈路層的協議非常簡單：接收方每收到一個幀，就進行CRC檢驗。如CRC檢驗正確，就收下這個幀；反之，就丟棄這個幀，其他什么也不做。

（2）封裝成幀

PPP協議必須規定特殊的字符作為幀定界符，即標志一個幀的開始和結束的字符，以便使接收端從收到的比特流中能準確地找出幀的開始和結束位置。

（3）透明性：PPP協議必須保證數據傳輸的透明性。

（4）多種網絡層協議：PPP協議必須能夠在在同一條物理鏈路上同時支持多種網絡層協議的運行。

（5）多種類型鏈路：PPP必須能夠在多種類型的鏈路上運行。

① PPPoE：PPP over Ethernet，是在以太網上運行的PPP，即把PPP幀再封裝在以太網幀中。

② PPPoE是為寬帶上網的主機使用的鏈路層協議。

（6）差錯檢測：PPP協議必須能夠對接收端收到的幀進行檢測，并立即丟棄有差錯的幀。

（7）檢測連接狀態：PPP協議必須具有一種機制能夠及時自動檢測出鏈路是否處于正常工作狀態。

（8）最大傳送單元

① PPP協議必須對每一種類型的點對點鏈路設置最大傳送單元MTU的標準默認值。

② MTU是數據鏈路層的幀可以載荷的數據部分的最大長度，而不是幀的總長度。

③ 如果高層協議發送的分組過長并超過MTU的數值，PPP就要丟棄這樣的幀，并返回差錯。

（9）網絡層地址協商：PPP協議必須提供一種機制使通信的兩個網絡層的實體能夠知道彼此的網絡層地址。

（10）數據壓縮協商：PPP協議必須提供一種方法來協商使用數據壓縮算法。

2、PPP協議的特點

（1）PPP協議不需要進行糾錯，不需要設置序號，也不需要進行流量控制。

（2）PPP協議不支持多點線路，而只支持點對點的鏈路通信。

（3）PPP協議只支持全雙工鏈路。

3、PPP協議的組成

（1）一個將IP數據報封裝到串行鏈路的方法：PPP既支持異步鏈路，也支持面向比特的同步鏈路。

（2）一個用來建立、配置和測試數據鏈路連接的鏈路控制協議LCP（Link Control Protocol）。

（3）一套網絡控制協議NCP（Network Control Protocol）：其中的每一個協議支持不同的網絡層協議。

1、PPP協議各字段的意義

（1）PPP幀的首部和尾部分別為四個字段和兩個字段。

（2）首部的第一個字段和尾部的第二個字段都是標志字段F，規定為0x7E（01111110）。

① 標志字段F（Flag）表示一個幀的開始或結束，是PPP幀的定界符。

② 連續兩幀之間只需要用一個標志字段。

③ 如果出現連續兩個標志字段，就表示這是一個空幀，應當丟棄。

（3）首部中的地址字段A規定為0xFF（即11111111），控制字段C規定為0x03（即00000011）。

（4）PPP首部的第四個字段是2字節的協議字段。

① 當協議字段為0x0021時，PPP幀的信息字段是IP數據報。

② 當協議字段為0xC021時，PPP幀的信息字段是PPP鏈路控制協議LCP的數據。

③ 當協議字段為0x8021時，PPP幀的信息字段是網絡層的控制數據。

（5）信息字段的長度是可變的，不超過1500字節。

（6）尾部中的第一個字段（2字節）是使用CRC的幀檢驗序列FCS。

2、字節填充

當PPP使用異步傳輸時，在發送端把轉義符定義為0x7D（即01111101），并使用字節填充：

（1）把信息字段中出現的每一個0x7E字節轉變成為2字節序列（0x7D，0x5E）。

（2）若信息字段中出現一個0x7D的字節（即出現了和轉義字符一樣的比特組合），則把0x7D轉變成為2字節序列（0x7D，0x5D）。

（3）若信息字段中出現ASCII碼的控制字符（即數值小于0x20的字符），則在該字符前面要加入一個0x7D字節，同時將該字符的編碼加以改變。

（4）信息字段在發送端進行了字節填充，在鏈路上傳送的信息字節數就超過了原來的信息字節數。但接收端在收到數據后再進行與發送端字節填充相反的變換，就可以正確地恢復出原來的信息。

3、零比特填充

（1）PPP協議用在SONET/SDH鏈路時，使用同步傳輸（比特幀傳輸）而不是異步傳輸（字符傳輸）。

（2）PPP協議采用零比特填充方法來實現透明傳輸。

（3）零比特填充的具體做法是：

① 在發送端，先掃描整個信息字段（通常用硬件實現，但也可用軟件實現，只是會慢些）。

② 只要發現有5個連續1，則立即填入一個0，保證在信息字段中不會出現6個連續1。

③ 接收端收到一個幀時，先找到標志字段F確定一個幀的邊界，再用硬件對其中的比特流進行掃描。

④ 每當發現5個連續1時，就把這5個連續1后的一個0刪除，還原成原來的信息比特流。

1、PPP協議的工作流程

（1）當用戶撥號接入ISP后，就建立了一條從用戶個人電腦到ISP的物理連接。

（2）用戶個人電腦向ISP發送一系列的鏈路控制協議LCP分組（封裝成多個PPP幀）建立LCP連接。

（3）進行網絡層配置，網絡控制協議NCP給新接入的用戶個人電腦分配一個臨時的IP地址。

（4）當用戶通信完畢時，NCP釋放網絡層連接，收回原來分配出去的IP地址，然后LCP釋放數據鏈路層連接，最后釋放物理層的連接。

2、PPP協議的工作狀態

從設備之間無鏈路開始，到先建立物理鏈路，再建立鏈路控制協議LCP鏈路。經過鑒別后再建立網絡控制協議NCP鏈路，然后才能交換數據。

（1）PPP鏈路的起始和終止狀態永遠是“鏈路靜止”（Link Dead）狀態，這時在用戶個人電腦和ISP的路由器之間并不存在物理層的連接。

（2）用戶個人電腦通過調制解調器呼叫路由器，路由器檢測到調制解調器發出的載波信號，雙方建立了物理層連接，PPP進入“鏈路建立”（Link Establish）狀態，其目的是建立鏈路層的LCP連接。

（3）“鏈路建立”（Link Establish）狀態

① LCP開始協商一些配置選項，即發送LCP的配置請求幀（Configure-Request），該幀中協議字段置為LCP對應的代碼，而信息字段包含特定的配置請求。

② 鏈路的另一端可以發送以下幾種響應中的一種：

? 配置確認幀（Configure-Ack）：所有選項都接受。

? 配置否認幀（Configure-Nak）：所有選項都理解但不能接受。

? 配置拒絕幀（Configure-Reject）：選項有的無法識別或不能接受，需要協商。

③ LCP配置選項包括鏈路上的最大幀長、所使用的鑒別協議（authentication protocol）的規約，以及不使用PPP幀中的地址和控制字段。

④ 協商結束后雙方就建立了LCP鏈路，接著就進入“鑒別”（Authenticate）狀態。

（4）“鑒別”狀態

① 鑒別狀態下只允許傳送LCP協議的分組、鑒別協議的分組以及監測鏈路質量的分組。

② 鑒別協議包括令鑒別協議PAP和更加復雜的口令握手鑒別協議CHAP。

③ 若鑒別身份失敗，則轉到“鏈路終止”（Link Terminate）狀態。

④ 若鑒別成功，則進入“網絡層協議”（Network-Layer Protocol）狀態。

（5）“網絡層協議”狀態

① PPP鏈路的兩端的網絡控制協議NCP根據網絡層的不同協議互相交換網絡層特定的網絡控制分組。

② PPP協議兩端的網絡層可以運行不同的網絡層協議，但可使用同一個PPP協議進行通信。

③ 當網絡層配置完畢后，鏈路就進入可進行數據通信的“鏈路打開”（Link Open）狀態。

（6）“鏈路打開”狀態

① 鏈路的兩個PPP端點可以彼此向對方發送分組。

② 兩個PPP端點還可發送回送請求LCP分組（Echo-Request）和回送回答LCP分組（Echo-Reply），以檢查鏈路的狀態。

③ 數據傳輸結束后，可以由鏈路的一端發出終止請求LCP分組（Terminate-Request）請求終止鏈路連接，在收到對方發來的終止確認LCP分組（Terminate-Ack）后，轉到“鏈路終止”狀態。

④ 如果鏈路出現故障，也會從“鏈路打開”狀態轉到“鏈路終止”狀態。

⑤ 當調制解調器的載波停止后，則回到“鏈路靜止”狀態。

1、局域網最主要的特點是：

（1）網絡為一個單位所擁有，且地理范圍和站點數目均有限。

（2）局域網比廣域網具有較高的數據率、較低的時延和較小的誤碼率。

2、局域網主要的優點：

（1）具有廣播功能，從一個站點可很方便地訪問全網。局域網上的主機可共享連接在局域網上的各種硬件和軟件資源。

（2）便于系統的擴展和逐漸演變，各設備的位置可靈活調整和改變。

（3）提高了系統的可靠性（reliability）、可用性（availability）和生存性（survivability）。

3、局域網分類：按網絡拓撲分為星形網、環形網、總線網。

4、共享信道共享通信媒體資源的方法：

（1）靜態劃分信道：頻分復用、時分復用、波分復用和碼分復用等。

① 用戶只要分配到了信道就不會和其他用戶發生沖突。

② 這種劃分信道的方法代價較高，不適合于局域網使用。

（2）動態媒體接入控制：又稱為多點接入（multiple access）

① 多點接入的特點是信道并非在用戶通信時固定分配給用戶。這里又分為以下兩類：

② 多點接入分為隨機接入和受控接入兩種。

? 隨機接入：特點是所有的用戶可隨機地發送信息。但如果多個用戶在同一時刻發送信息，會產生碰撞（即發生了沖突），使得這些用戶的發送都失敗。因此，必須有解決碰撞的網絡協議。

? 受控接入：特點是用戶不能隨機地發送信息而必須服從一定的控制。這類的典型代表有分散控制的令牌環局域網和集中控制的多點線路探詢（polling），或稱為輪詢。

5、以太網的兩個標準

（1）以太網是美國施樂（Xerox）公司的PARC研究中心于1975年研制成功的。

① 初期的以太網是一種基帶總線局域網，當時的數據率為2.94Mbit/s。

② 以太網用無源電纜作為總線來傳送數據幀，并以表示傳播電磁波的以太（Ether）來命名。

③ DIX Ethernet V2規約是世界上第一個局域網產品的規約。

（2）第一個IEEE的以太網標準IEEE 802.3，數據率為10Mbit/s，常把802.3局域網簡稱為“以太網”。

① IEEE 802委員會未能形成一個統一的、“最佳的”局域網標準。

② IEEE 802委員會制定了幾個不同的局域網標準，如802.4令牌總線網、802.5令牌環網等。

③ IEEE 802委員會把局域網的數據鏈路層拆成兩個子層：邏輯鏈路控制LLC（Logical Link Control）子層和媒體接入控制MAC（Medium Access Control）子層。

? 與接入到傳輸媒體有關的內容都放在MAC子層，而LLC子層則與傳輸媒體無關。

? 不管采用何種傳輸媒體和MAC子層的局域網對LLC子層來說都是透明的。

（3）TCP/IP體系經常使用的局域網只剩下DIX Ethernet V2而不是IEEE 802.3標準中的局域網。

（4）很多廠商生產的適配器上就僅裝有MAC協議而沒有LLC協議。

6、適配器的作用

（1）計算機通過通信適配器（adapter）與外界局域網進行連接。

（2）適配器是在主機箱內插入的一塊網絡接口板，又稱網絡接口卡NIC或簡稱為“網卡”。

（3）通信適配器上面裝有處理器和存儲器（包括RAM和ROM）。

① 在適配器中必須裝有對數據進行緩存的存儲芯片。

② 計算機的硬件地址就在適配器的ROM中，而計算機的軟件地址（IP地址）在計算機的存儲器中。

（4）適配器的一個重要功能就是要進行數據串行傳輸和并行傳輸的轉換。

① 適配器和局域網之間的通信通過電纜或雙絞線以串行傳輸方式進行。

② 適配器和計算機之間的通信通過計算機主板上的I/O總線以并行傳輸方式進行。

（5）計算機的操作系統必須安裝管理適配器的設備驅動程序，適配器還要能夠實現以太網協議。

（6）適配器在接收和發送各種幀時，不使用計算機的CPU。

① 當適配器收到有差錯的幀時，就把這個幀直接丟棄而不必通知計算機。

② 當適配器收到正確的幀時，就使用中斷來通知該計算機，并交付協議棧中的網絡層。

③ 當計算機要發送IP數據報時，由協議棧把IP數據報向下交給適配器組裝成幀后發送到局域網。

1、總線的特點

（1）廣播通信：當一臺計算機發送數據時，總線上的所有計算機都能檢測到這個數據。

（2）一對一通信：

① 在發送數據幀時，在幀的首部寫明接收站的地址。

② 僅當數據幀中的目的地址與適配器ROM中存放的硬件地址一致時，該適配器才能接收這個數據幀。

③ 適配器對不是發送給自己的數據幀就丟棄。

2、以太網采取的通信措施：

（1）采用較為靈活的無連接的工作方式，即不必先建立連接就可以直接發送數據。

① 適配器對發送的數據幀不進行編號，也不要求對方發回確認。

② 以太網提供的服務是盡最大努力的交付，即不可靠的交付。

? 當目的站收到有差錯的數據幀時，就把幀丟棄，其他什么也不做。

? 對有差錯幀是否需要重傳則由高層來決定。

? 對于重傳的數據幀，以太網并不知道是重傳幀，而是當作新的數據幀來發送。

③ 總線上只要有一臺計算機在發送數據，總線的傳輸資源就被占用。即在同一時間只能允許一臺計算機發送數據，否則各計算機之間就會互相干擾，使得所發送數據被破壞。

④ 以太網采用最簡單的隨機接入，但使用CSMA/CD協議用來減少沖突發生的概率。CSMA/CD是載波監聽多點接入/碰撞檢測（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）。

（2）以太網發送的數據都使用曼徹斯特（Manchester）編碼的信號。

① 二進制基帶數字信號通常就是高、低電壓交替出現的信號。

② 當出現一長串的連1或連0時，接收端就無法從收到的比特流中提取位同步（即比特同步）信號。

③ 曼徹斯特編碼的缺點：所占的頻帶寬度比原始的基帶信號增加一倍，即每秒傳送的碼元數加倍了。

④ 曼徹斯特編碼的編碼方法是把每一個碼元再分成兩個相等的間隔。即在每一個碼元的正中間出現一次電壓的轉換，碼元1電壓“前高后低”，碼元0“前低后高”，也可采用相反的約定。

3、CSMA/CD協議簡介

（1）“多點接入”：說明是總線型網絡，許多計算機以多點接入的方式連接在一根總線上。

（2）CSMA/CD協議的實質是“載波監聽”和“碰撞檢測”。

（3）載波監聽就是檢測信道，用電子技術檢測總線上有沒有其他計算機在發送數據。

① 不管在發送前，還是在發送中，每個站都必須不停地檢測信道。

② 在發送前檢測信道，是為了獲得發送權。

③ 如果檢測出已經有其他站在發送，自己就暫時不發送數據，必須要等到信道變為空閑時才能發送。

④ 在發送中檢測信道，是為了及時發現有沒有其他站的發送和本站發送的碰撞，稱為碰撞檢測。

（4）碰撞檢測就是邊發送邊監聽，即適配器邊發送數據邊檢測信道上的信號電壓的變化情況，判斷自己在發送數據時其他站是否也在發送數據。也稱為沖突檢測。

（5）碰撞就是發生了沖突，總線上傳輸的信號產生了嚴重的失真，無法從中恢復出有用的信息來。

（6）使用CSMA/CD協議時，一個站不可能同時進行發送和接收，必須邊發送邊監聽信道。因此使用CSMA/CD協議的以太網不可能進行全雙工通信而只能進行雙向交替通信（半雙工通信）。

（7）以太網不能保證某一時間之內一定能夠把自己的數據幀成功地發送出去，稱為發送的不確定性。

（8）以太網的端到端往返時間，即兩倍的傳播時延稱為爭用期（contention period），又稱為碰撞窗口。

（9）以太網使用截斷二進制指數退避算法來確定碰撞后重傳的時機，讓發生碰撞的站在停止發送數據后，不是等待信道變為空閑后就立即再發送數據，而是推遲（這叫做退避）一個隨機的時間。若連續多次發生沖突，就表明可能有較多的站參與爭用信道，重傳需要推遲的平均時間隨重傳次數而增大（這也稱為動態退避），因而減小發生碰撞的概率，有利于整個系統的穩定。

（10）適配器每發送一個新的幀，就要執行一次CSMA/CD算法。適配器對過去發生過的碰撞并無記憶功能。

（11）以太網在發送數據時，如果在爭用期沒有發生碰撞，那么后續發送的數據就一定不會發生沖突。如果發生碰撞，就一定是在發送的前64字節之內。

4、CSMA/CD協議的要點

（1）準備發送：適配器從網絡層獲得一個分組，加上以太網的首部和尾部，組成以太網幀，放入適配器的緩存中。但在發送之前，必須先檢測信道。

（2）檢測信道：若檢測到信道忙，則應不停地檢測，一直等待信道轉為空閑。若檢測到信道空閑，并在96比特時間內信道保持空閑（保證了幀間最小間隔），就發送這個幀。

（3）在發送過程中仍不停地檢測信道，即網絡適配器要邊發送邊監聽。這里只有兩種可能性：

① 發送成功：在爭用期內一直未檢測到碰撞，這個幀發送成功。

② 發送失敗：在爭用期內檢測到碰撞，就立即停止發送數據，并按規定發送人為干擾信號。適配器接著就執行指數退避算法，等待r倍512比特時間后，繼續檢測信道。但若重傳達16次仍不能成功，則停止重傳而向上報錯。

（4）以太網每發送完一幀，一定要把已發送的幀暫時保留一下。如果在爭用期內檢測出發生了碰撞，那么還要在推遲一段時間后再把這個暫時保留的幀重傳一次。

1、傳統以太網

（1）傳統以太網采用星形拓撲，在星形的中心則增加了一種可靠性非常高的設備集線器（hub）。

（2）雙絞線以太網總是和使用了大規模集成電路芯片的集線器配合使用的。

（3）每個站需要用兩對無屏蔽雙絞線（放在一根電纜內），分別用于發送和接收。

（4）雙絞線的兩端使用RJ-45插頭。

（5）星形以太網10BASE-T的標準802.3i。10代表10Mbit/s的數據率，BASE表示連接線上的信號是基帶信號，T代表雙絞線。

（6）10BASE-T以太網的通信距離稍短，每個站到集線器的距離不超過100m。

（7）IEEE 802.3標準可使用光纖作為傳輸媒體，標準是10BASE-F系列，F代表光纖，主要用作集線器之間的遠程連接。

2、集線器的特點：

（1）從表面上看，使用集線器的局域網在物理上是一個星形網，但整個系統仍像傳統以太網那樣運行。

① 使用集線器的以太網在邏輯上仍是一個總線網，各站共享邏輯上的總線，還是使用CSMA/CD協議。

② 網絡中的各站必須競爭對傳輸媒體的控制，并且在同一時刻至多只允許一個站發送數據。

（2）一個集線器有許多接口，每個接口通過RJ-45插頭用兩對雙絞線與計算機上的適配器相連。

（3）集線器工作在物理層，每個接口僅僅簡單地轉發比特，即收到1就轉發1，收到0就轉發0，不進行碰撞檢測。若兩個接口同時有信號輸入（即發生碰撞），那么所有的接口都將收不到正確的幀。

（4）集線器采用了專門的芯片，進行自適應串音回波抵消。

（5）集線器一般都有少量的容錯能力和網絡管理功能。

3、集線器的發展

（1）堆疊式集線器（stackable）：由4-8個集線器堆疊起來使用。

（2）模塊化的機箱式智能集線器：

① 集線器上全部的網絡功能都以模塊方式實現。

② 各模塊均可進行熱插拔，出故障時不斷電即可更換或增加新模塊。

③ 集線器上的指示燈還可顯示網絡上的故障情況，方便網絡的管理。

據統計，以太網的利用率達到30％時就已經處于重載的情況，很多的網絡容量被網上的碰撞消耗掉了。

1、MAC層的硬件地址

（1）在局域網中，硬件地址又稱為物理地址或MAC地址（因為這種地址用在MAC幀中）。

（2）“名字指出我們所要尋找的那個資源，地址指出那個資源在何處，路由告訴我們如何到達該處。”

（3）IEEE 802標準為局域網規定了一種48位的全球地址，稱為EUI-48。

① EUI表示擴展的唯一標識符（Extended Unique Identifier）。

② EUI-48是局域網中每臺計算機固化在適配器ROM中的地址。

③ MAC地址實際上就是適配器地址或適配器標識符EUI-48。

④ EUI-48的使用范圍并不局限于局域網的硬件地址，而是可以用于軟件接口。

⑤ 如果連接在局域網上的主機或路由器安裝有多個適配器，那么就有多個“地址”。

（4）IEEE 802標準規定MAC地址字段可采用6字節（48位）或2字節（16位）這兩種中的一種。

① 現在的局域網適配器實際上使用的都是6字節MAC地址。

② 前三個字節（即高位24位）由IEEE的注冊管理機構RA（Registration Authority）出售，生產局域② 網適配器的廠家購買，是組織唯一標識符OUI，通常也叫做公司標識符（company_id）。

? 地址字段的第一字節的最低位為I/G位（Individual/Group）。

? 當I/G位為0時，地址字段表示一個單個站地址。為1時表示組地址，用來進行多播。

③ 地址字段中的后三個字節（即低位24位）則由廠家自行指派，稱為擴展標識符（extended identifier），只要保證生產出的適配器沒有重復地址即可。

④ 一個地址塊可以生成224個不同的地址。

（5）路由器如果同時連接到兩個網絡上，那么它就需要兩個適配器和兩個硬件地址。

① 當路由器通過適配器連接到局域網時，適配器上的硬件地址就用來標志路由器的某個接口。

② 適配器具有過濾功能。適配器從網絡上每收到一個MAC幀就先用硬件檢查MAC幀中的目的地址。如果是發往本站的幀則收下，然后再進行其他的處理。否則就將此幀丟棄，不再進行其他的處理。

③ 發往本站的幀包括以下三種幀：

? 單播（unicast）幀（一對一），即收到的幀的MAC地址與本站的硬件地址相同。

? 廣播（broadcast）幀（一對全體），即發送給本局域網上所有站點的幀（全1地址）。

? 多播（multicast）幀（一對多），即發送給本局域網上一部分站點的幀。

④ 以太網適配器可設置為一種特殊的工作方式，即混雜方式（promiscuous mode）。工作在混雜方式的適配器只要“聽到”有幀在以太網上傳輸就都悄悄地接收下來，而不管這些幀是發往哪個站。

2、MAC幀的格式

（1）常用的以太網MAC幀格式有兩種標準，一種是DIX Ethernet V2標準（即以太網V2標準），另一種是IEEE的802.3標準。使用最多的是以太網V2的MAC幀格式。

（2）以太網V2的MAC幀由五個字段組成。

① 前兩個字段分別為6字節長的目的地址和源地址字段。

② 第三個字段是2字節的類型字段，用來標志上一層使用的協議。

③ 第四個字段是數據字段，其長度在46到1500字節之間。

④ 最后一個字段是4字節的幀檢驗序列FCS（使用CRC檢驗）。

（3）從MAC子層向下傳到物理層時還要在幀的前面插入8字節（由硬件生成），由兩個字段構成。

① 第一個字段是7個字節的前同步碼（1和0交替碼），作用是使接收端的適配器在接收MAC幀時能夠迅速調整其時鐘頻率，使它和發送端的時鐘同步，也就是“實現位同步”，即實現比特同步。

② 第二個字段是幀開始定界符，定義為10101011。它的前六位的作用和前同步碼一樣，最后的兩個連續的1是告訴接收端適配器注意接收MAC幀的信息。

③ MAC幀的FCS字段的檢驗范圍不包括前同步碼和幀開始定界符。

④ 在使用SONET/SDH進行同步傳輸時則不需要用前同步碼。

（4）IEEE 802.3標準規定的無效MAC幀：

① 幀的長度不是整數個字節；

② 用收到的幀檢驗序列FCS查出有差錯；

③ 收到的幀的MAC客戶數據字段的長度不在4-1500字節之間。

（5）以太網上傳送數據以幀為單位傳送，各幀之間必須有一定的間隙。

① 接收端只要找到幀開始定界符，其后面的連續到達的比特流就都屬于同一個MAC幀。

② 以太網不需要使用幀結束定界符，也不需要使用字節插入來保證透明傳輸。

③ 對于檢查出的無效MAC幀就簡單地丟棄。以太網不負責重傳丟棄的幀。

1、擴展主機和集線器之間的距離的方法

（1）使用光纖（通常是一對光纖）和一對光纖調制解調器。

（2）光纖調制解調器的作用就是進行電信號和光信號的轉換。

2、多級結構的集線器以太網

（1）多級結構的集線器以太網：使用多個集線器連接成覆蓋更大范圍的多級星形結構的以太網。

（2）多級結構的集線器以太網的好處：

① 不同域的以太網上的計算機能夠進行跨域通信。

② 擴大了以太網覆蓋的地理范圍。

（3）多級結構的集線器以太網的缺點。

① 每一個域的10BASE-T以太網是一個獨立的碰撞域（collision domain，又稱為沖突域），即在任一時刻，在每一個碰撞域中只能有一個站在發送數據。

② 如果不同的域使用不同的以太網技術（如數據率不同），那么就不可能用集線器將它們互連起來。集線器基本上是個多接口（即多端口）的轉發器，并不能把幀進行緩存。

擴展以太網常用的方法是在數據鏈路層進行。

1、網橋（bridge）

（1）網橋對收到的幀根據其MAC幀的目的地址進行轉發和過濾。當網橋收到一個幀時，根據幀中的目的MAC地址，查找網橋中的地址表，然后確定將該幀轉發到哪一個接口，或者是把它丟棄（即過濾）。

（2）網橋只能一次分析和轉發一個幀）

2、以太網交換機的特點（switching hub）

（1）交換式集線器常稱為以太網交換機或第二層交換機（L2switch），工作在數據鏈路層。

（2）以太網交換機實質上就是一個多接口的網橋，通常都有十幾個或更多的接口。

（3）以太網交換機的每個接口都直接與一個單臺主機或另一個以太網交換機相連。

（4）以太網交換機一般都工作在全雙工方式。

（5）以太網交換機還具有并行性，即能同時連通多對接口，使多對主機能同時通信，相互通信的主機都是獨占傳輸媒體，無碰撞地傳輸數據。

（6）以太網交換機的接口還有存儲器，能在輸出端口繁忙時把到來的幀進行緩存。

（7）以太網交換機是一種即插即用設備，其內部的幀交換表（又稱地址表）是通過自學習算法自動建立的。

（8）以太網交換機由于使用了專用的交換結構芯片，用硬件轉發，其轉發速率要比網橋快很多。

（9）交換機的最大優點是交換機的總容量是交換機所有接口容量之和。

（10）以太網交換機的轉發方式：

① 大部分以太網交換機對收到的幀采用存儲轉發方式進行轉發。

② 也有一些交換機采用直通（cut-through）的交換方式。

? 接收數據幀的同時立即按數據幀的目的MAC地址決定該幀的轉發接口，提高了幀的轉發速度。

? 直通交換的一個缺點是不檢查差錯就直接將幀轉發出去，有可能會轉發無效幀。

2、以太網交換機的自學習功能

（1）假定在圖3-25中的以太網交換機有4個接口，各連接一臺計算機，其MAC地址分別是A，B，C和D。在一開始，以太網交換機里面的交換表是空的（圖3-25（a））。

（2）A先向B發送一幀，從接口1進入到交換機。交換機收到幀后，先查找交換表，找不到目的地址為B的項目，沒有查到應從哪個接口轉發這個幀。

（3）交換機把這個幀的源地址A和接口1寫入交換表中，并向除接口1以外的所有接口廣播這個幀。

（4）C和D將丟棄這個幀，因為目的地址不對。只B才收下這個目的地址正確的幀。這也稱為過濾。

（5）假定接下來B通過接口3向A發送一幀。交換機查找交換表，發現交換表中的MAC地址有A。就把目的地址為A的幀應從接口1轉發給A。交換表這時新增加的項目（B，3），表明今后如有發送給B的幀，就應當從接口3轉發出去。

（6）在交換表中每個項目都設有一定的有效時間，過期的項目會自動被刪除。

（7）以太網交換機的這種自學習方法使得以太網交換機能夠即插即用，不必人工進行配置，非常方便。

（8）為了增加網絡的可靠性，在使用以太網交換機組網時，往往會增加一些冗余的鏈路。在這種情況下，自學習的過程就可能導致以太網幀在網絡的某個環路中無限制地兜圈子。

（9）為了解決以太網幀在網絡的某個環路中無限制地兜圈子問題，IEEE的802.1D標準制定了一個生成樹協議STP（Spanning Tree Protocol），其要點就是不改變網絡的實際拓撲，但在邏輯上則切斷某些鏈路，使得從一臺主機到所有其他主機的路徑是無環路的樹狀結構，從而消除了兜圈子現象。

3、從總線以太網到星形以太網

（1）傳統的電話網是星形結構，其中心就是電話交換機。

（2）早期的以太網就采用無源的總線結構。總線以太網使用CSMA/CD協議，以半雙工方式工作。

（3）隨著大規模集成電路以及專用芯片的發展，采用以太網交換機的星形結構又成為以太網的首選拓撲。以太網交換機不使用共享總線，沒有碰撞問題，因此不使用CSMA/CD協議，而是以全雙工方式工作。

1、虛擬局域網VLAN的定義：

（1）虛擬局域網VLAN是由一些具有某些共同的需求局域網網段構成的與物理位置無關的邏輯組。

（2）每一個VLAN的幀都有一個明確的標識符，指明發送這個幀的計算機屬于哪一個VLAN。

（3）虛擬局域網其實只是局域網給用戶提供的一種服務，而并不是一種新型局域網。

（4）在虛擬局域網上的每一個站都可以收到同一個虛擬局域網上的其他成員所發出的廣播。

（5）虛擬局域網協議允許在以太網的幀格式中插入一個4字節的標識符，稱為VLAN標記（tag），用來指明發送該幀的計算機屬于哪一個虛擬局域網。插入VLAN標記得出的幀稱為802.1Q幀。

① VLAN標記字段的長度是4字節，插入在以太網MAC幀的源地址字段和類型字段之間。

② VLAN標記的前兩個字節設置為0x8100（二進制1000000100000000），稱為IEEE 802.1Q標記類型。

③ VLAN標記的后兩個字節中，前3位是用戶優先級字段，接著的一位是規范格式指示符CFI，最后的12位是該虛擬局域網VLAN標識符VID（VLAN ID），它唯一地標志了這個以太網幀屬于哪一個VLAN。

④ 用于VLAN的以太網幀的首部增加了4個字節，以太網的最大幀長從1518字節變為1522字節。

1、快速以太網（Fast Ethernet）

（1）100BASE-T是在雙絞線上傳送100M bit/s基帶信號的星形拓撲以太網，仍使用IEEE 802.3的CSMA/CD協議，又稱為快速以太網（Fast Ethernet）。

（2）100BASE-T的適配器有很強的自適應性，能夠自動識別10Mb it/s和100M bit/s。

（3）100BASE-T的快速以太網的正式標準IEEE 802.3u。

（4）快速以太網使用的MAC幀格式仍然是IEEE 802.3標準規定的幀格式。

（5）現在10/100Mbit/s以太網都使用無屏蔽雙絞線布線。

（6）在100Mb it/s的以太網中采用的方法是保持最短幀長不變，對于銅纜100M bit/s以太網，一個網段的最大長度是100m，其最短幀長仍為64字節，即512比特。因此100Mbit/s以太網的爭用期是5.12μs，幀間最小間隔現在是0.96μs，都是10Mbit/s以太網的1/10。

2、100Mbit/s以太網的物理層標準

（1）100BASE-TX和100BASE-FX合在一起稱為100BASE-X。

（2）100BASE-T4使用4對UTP 3類線或5類線時， 3對線用于傳送數據， 1對線用作碰撞檢測的接收信道。

1、吉比特以太網的標準IEEE 802.3z的特點：

（1）允許在1Gbit/s下以全雙工和半雙工兩種方式工作。

（2）使用IEEE 802.3協議規定的幀格式。

（3）在半雙工方式下使用CSMA/CD協議，而在全雙工方式不使用CSMA/CD協議。

（4）與10BASE-T和100BASE-T技術向后兼容。

2、吉比特以太網

（1）吉比特以太網可用作現有網絡的主干網，也可在高帶寬的應用場合中用來連接計算機和服務器。

（2）吉比特以太網的物理層使用兩種成熟的技術：一種來自現有的以太網，另一種則是美國國家標準協會ANSI制定的光纖通道FC（Fibre Channel）。

（3）吉比特以太網工作在半雙工方式時，就必須進行碰撞檢測。

（4）吉比特以太網一個網段的最大長度為100m，采用了載波延伸（carriere xtension）的辦法使最短幀長仍為64字節，同時將爭用期增大為512字節。當發送的MAC幀長不足512字節時，就用一些特殊字符填充在幀的后面，使MAC幀的發送長度增大到512字節，這對有效載荷并無影響。接收端在收到以太網的MAC幀后，要把所填充的特殊字符刪除后才向高層交付。

（4）吉比特以太網增加了一種功能稱為分組突發（packet bursting）：就是當很多短幀要發送時，第一個短幀要采用上面所說的載波延伸的方法進行填充。但隨后的一些短幀則可一個接一個地發送，它們之間只需留有必要的幀間最小間隔即可。這樣就形成一串分組的突發，直到達到1500字節或稍多一些為止。

（5）吉比特以太網工作在全雙工方式時，即通信雙方同時發送和接收數據，不使用載波延伸和分組突發。

3、吉比特以太網物理層標準

（1）1000BASE-X的標準是IEEE 802.3z，包括1000BASE-SX、1000BASE-LX和1000BASE-CX。

（2）1000BASE-T的標準是IEEE 802.3ab。

1、10吉比特以太網

（1）10GE的幀格式與10Mbit/s，100M bit/s和1G bit/s以太網的幀格式完全相同，并保留了802.3標準規定的以太網最小幀長和最大幀長。

（2）10GE只工作在全雙工方式，不存在爭用問題，也不使用CSMA/CD協議，不再受必須進行碰撞檢測的限制。

2、10GE的物理層標準

（1）10GBASE-SR、10GBASE-LR和10GBASE-ER的標準是IEEE 802.3ae。

（2）10GBASE-CX4的標準是IEEE 802.3ak。

（3）10GBASE-T的標準是IEEE 802.3an。

3、40GE/100GE以太網

（1）40吉比特以太網和100吉比特以太網40GE/100GE的標準是IEEE 802.3ba-2010和802.3bm-2015。

（2）40GE/100GE只工作在全雙工的傳輸方式，不使用CSMA/CD協議，并且仍然保持了以太網的幀格式以及802.3標準規定的以太網最小和最大幀長。

（3）100GE在使用單模光纖傳輸時，仍然可以達到40km的傳輸距離，但需要波分復用。

（4）40GE/100GE的出現，使以太網的工作范圍從局域網擴大到城域網和廣域網，從而實現了端到端的以太網傳輸。

4、以太網的特點：根據以太網從10Mbit/s到10Gbit/s甚至到100Gbit/s的演進

（1）可擴展的（速率從10Mbit/s到100Gbit/s）。

（2）靈活的（多種媒體、全/半雙工、共享/交換）。

（3）易于安裝。

（4）穩健性好。

1、以太網的寬帶接入技術

（1）IEEE成立了802.3EFM工作組，專門研究高速以太網的寬帶接入技術問題。

（2）以太網接入的一個重要特點是可以提供雙向的寬帶通信，并且可以根據用戶對帶寬的需求靈活地進行帶寬升級。

（3）當城域網和廣域網都采用吉比特以太網或10吉比特以太網時，采用以太網接入可以實現端到端的以太網傳輸，中間不需要再進行幀格式的轉換。這就提高了數據的傳輸效率且降低了傳輸的成本。

（4）如果網絡運營商要利用以太網接入到互聯網，就必須解決這個問題：以太網的幀格式標準中，在地址字段部分并沒有用戶名字段，也沒有讓用戶鍵入密碼來鑒別用戶身份的過程。

（5）解決方法：把數據鏈路層的兩個成功的協議結合起來，即把PPP協議中的PPP幀再封裝到以太網中來傳輸。即PPPoE（PPP over Ethernet），意思是“在以太網上運行PPP”。現在的光纖寬帶接入FTTx都要使用PPPoE的方式進行接入。

2、光纖到大樓FTTB的方案：

（1）在每個大樓的樓口安裝一個光網絡單元ONU（實際上就是一個以太網交換機）.

（2）根據用戶所申請的帶寬，用5類線接到用戶家中。

（3）如果大樓里上網的用戶很多，那么還可以在每一個樓層再安裝一個100Mbit/s的以太網交換機。

（4）各大樓的以太網交換機通過光纜匯接到光結點匯接點，光匯接點通過城域網連接到互聯網的主干網。

TCP/IP 網絡

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