计算机网络（第八版）第三章知识总结（期末复习可用）

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第一章

第三章 数据链路层

数据链路层属于计算机网络的低层

数据链路层使用的信道主要有两种类型

• 点对点信道

  • 使用一对一的点对点通信方式

• 广播信道

  • 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主机的数据发送

局域网内通常不包括路由选择和分组转发，因此也在本章进行讨论

3.1数据链路层的几个问题

3.1.1数据链路和帧

链路(link)

• 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

• 或物理链路

数据链路 (data link):

• 把实现控制数据传输的协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路

• 或逻辑链路

• 典型实现: 适配器 (即网卡)

  • 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

数据链路层把网络层交下来的数据构成帧发送到链路上，以及把接收到的帧中的数据取出并上交给网络层。

• 数据链路层协议数据单元是 (帧)

• 网络层协议数据单元是IP数据报 (数据报、分组、包)

把重点放到数据链路层，只考虑数据链路层的通信，把网络体系简化为三层。

3.1.2三个基本问题

一、封装成帧

• 是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

• 数据帧的长度就是数据加上首部和尾部的总长度

• 首部和尾部的重要作用之一就是进行恢定界，确定数据帧的界限

  • 控制字符 SOH(Start Of Header)放在一帧的最前面，表示帧的首部开始。

  • 控制字符 EOT(End Of Transmission) 放在一的末尾，表示顿的结束.

二、透明传输

• 由于帧的开始和结束的标记是专门指明的字符，因此所传输的数据中不能够有任何 8 比特的字符和用作定界的控制字符的比特编码一样。

• 也就是说传输的数据中，不能够有任何和 SOH、EOT 一致的 8 比特的字符

• 为了解决这个问题，就采用了转义字符”ESC“

  • ESC 值是确定的，十六进制 1B，或二进制 00011011 。

在数据链路层透明传送数据”表示无论发送什么样的比特组合的数据这些数据都能够按照原样没有差错地通过这个数据链路层

三、差错检测

• 数据帧在传输中可能发生两种错误

  • 比特差错: 1可能变成0 或者 0可能变成1

  • 传输差错:收到的顿没有出现比特差错，但出现帧丢失、恢重复和帧失序。

• 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)。

• 误码率通常和信噪比关系密切

  • 信噪比越高，误码率越低。

• 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。

• 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

1.CRC的基本原理

• 在发送端

  • 先把数据划分为组，假定每组k个比特

  • 通过CRC运算，在数据M的后面添加供差错检测用的n位几余码，然后构成一个顺发送出去，一共发送 (k+n) 位。

• 在接收端

  • 先从接收的数据帧中提取出n位几余码，进行CRC检验。

  • 如果检验的结果正确，则接受 (accept) 数据

  • 如果检验的结果不正确，则直接丢弃

• CRC检验不能确定错误发生的原因，只能判断数据恢是否正确。

2.循环冗余校验码（CRC）的基本原理是：

• 在K位信息码后再拼接R位的校验码，整个编码长度为N位，因此，这种编码也叫 （N，K）码。

• 对于一个给定的（N，K）码，可以证明存在一个最高次幂为N-K=R的多项式G(x)。

• 根据G(x)可以生成K位信息的校验码，而G(x)叫做这个CRC码的生成多项式。

• 假设要发送的信息用多项式C(X)表示，将C(x)左移R位（可表示成C(x)*2R），这样 C(x)的右边就会空出R位，这就是校验码的位置。

• 用 C(x)*2R 除以生成多项式G(x)得到的余数就是校验码。

3.循环冗余校验码（CRC）的两个计算：

• 发送端：如何计算出冗余码  接收端：如何通过冗余码判断数据帧是否错误

4.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。

• 将余数 R 作为冗余码拼接在数据 M 后面，一起发送出去

• 若得出的余数 R = 0，则判定这个帧没有差错，就接受 (accept)。

• 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。

• 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

5.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 不是获得 FCS 的唯一方法。

6.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），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，因为有差错的帧被 丢弃。

单纯使用 CRC 差错检测技术不能实现“无差错传输”或“可靠传输”

7.五比特差错 与 无传输差错 的区别

• 可靠传输：数据链路层的发送端发送什么，在接收端就收到什么。

• 传输差错可分为两大类：

  • 比特差错；

  • 传输差错：帧丢失、帧重复或帧失序等。

• 在数据链路层使用 CRC 检验，能够实现无比特差错的传输，但这还不 是可靠传输。

• 要做到可靠传输，还必须再加上帧编号、确认和重传等机制

3.2点对点协议PPP

3.2.1PPP协议的特点

点对点协议 PPP (Point-to-Point Protocol)：

• 对于点对点的链路，目前使用得最广泛的数据链路层协议是点对点协议 PPP (Point-to-Point Protocol)。

• PPP 协议在 1994 年就已成为互联网的正式标准 [RFC 1661, STD51]。

一、PPP协议应满足的需求

1.简单

• IETF在设计因特网体系结构时把其中最复杂的部分放在TCP协议中，而网际协议IP 则相对比较简单，它提供的是不可靠的数据报服务。

• 数据链路层就应该设计的比网络层更加简单，因此数据链路层的帧，不需要纠错， 不需要序号，也不需要进行流量控制。

• “简单”是首要追求。对简单的追求还使得协议不易出错，不同厂商在协议的不同实 现上提高了互操作性，促进了协议标准化工作过。

2.封装成帧

• PPP协议规定特殊的字符作为帧定界符，便于在比特流中方便的确定帧的开始和结 束位置。

3.透明性

• PPP协议要保证数据传输的透明性，也就是转义符

4.多种网络层协议

• PPP协议必须能够在同一条物理链路上同时支持多种网络层协议的运行。

5.多种类型链路

• PPP协议必须能够在多种类型的链路上运行，要支持并行和串行通信、同步和异步 通信、低速和高速通信、电或者光通信、交换和静态通信

6.差错检测

• PPP协议要对接收的帧进行检测，对检测错误的帧立即丢弃

7.检测连接状态

• 能够及时自动检测出链路是否处于正常工作状态。

8.最大传送单元

• 必须对每一种类型的点对点链路设置最大传送单元 MTU 的标准默认值，促进各 种实现之间的互操作性。

9.网络层地址协商

• 必须提供一种机制使通信的两个网络层实体能够通过协商知道或能够配置彼此的 网络层地址。

10.数据压缩协商

• 必须提供一种方法来协商使用数据压缩算法。

11.不支持可靠传输

• 可靠传输由TCP协议负责，PPP协议不需要进行纠错、不需要设置序号来解决传输 错误、不需要进行流量控制。

• PPP协议不支持多点线路，仅支持点对点链路通信，且只支持全双工通信。

二、PPP协议的组成

1.封装方法

• PPP协议要包含一个将IP数据报封装成串行链路的方法。

• 封装方法既要支持异步链路，也要支持同步链路。

2.链路控制协议LCP（Link Control Protocol）

• 用来定义建立、配置和测试数据链路链接的协议。

3.网络控制协议NCP（Network Control Protocol）

• PPP包含了一套NCP，每个NCP协议支持不同的网络层协议。

• 例如IP、OSI的网络层、DECnet、AppleTalk等，实现向上兼容

3.2.2PPP协议的帧格式

一、各字段的意义

首部：4 个字段

• 标志字段 F： 0x7E 。连续两帧之间只需要用一个标志字段

• 地址字段 A：只置为 0xFF。实际上不起作用。

• 控制字段 C：通常置为 0x03。

• 协议字段。

尾部：2 个字段。

协议字段，2字节：

• 若为 0x0021，则信息字段就是 IP 数据报。

• 若为 0x8021，则信息字段是网络控制数据。

• 若为 0xC021，则信息字段是 PPP 链路控制数据。

• 若为 0xC023，则信息字段是鉴别数据。

PPP 是面向字节的， 所有的 PPP 帧的长 度都是整数字节。

二、字节填充

异步传输：字节填充

• 对信息字段内出现标志字段的组合 时，使用转义字符进行字节填充。

  • (0x7E) -> (0x7D,0x5E)

  • (0x7D) -> (0x7D,0x5D)

• ASCII码的控制字符，即<(0x03)在字 符前增加0x7D，并对该字符的编码 加以改变。

三、零比特填充

同步传输：零比特填充

• 同步传输通过硬件或者软件扫描整个信息字段。

• 对于五个连续的1，在后面填入一个 0，避免六个连续的1的出现。

3.2.3PPP协议的工作状态（了解）

PPP 链路初始化过程：

• 用户拨号接入 ISP 后，就建立了一条从用户个人电脑到 ISP 的物理连接。

• 用户个人电脑向 ISP 发送一系列的链路控制协议 LCP 分组（封装成多个 PPP 帧），以便建立LCP连接。

• 之后进行网络层配置。网络控制协议 NCP 给新接入的用户个人电脑分配一个 临时的 IP 地址。

• 当用户通信完毕时，NCP 释放网络层连接，收回原来分配出去的IP地址。 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

一、局域网

1. 局域网最主要的特点：

   • 网络为一个单位所拥有

   • 地理范围和站点数目均有限

2. 局域网的主要优点：

   • 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。

3. 局域网常使用的拓扑结构三种

   • 星形拓扑、环形拓扑和总线拓扑。

4. 局域网可以使用多种传输介质，以双绞线最为常见

5. 局域网的工作层次跨越了数据链路层和物理层

   • 由于局域网中的大部分内容都在数据链路层,因此在数据链路层部分来讨论局域网技术。

6. 局域网是一对多的通信，因此局域网内必须要共享信道

7. 共享信道要着重考虑的一个问题就是：

   • 如何使众多用户能够合理而方便的共享通信媒体资源。

8. 共享信道的常用方法：

   • 静态划分信道

     • 频分复用、时分复用、波分复用和码分复用

     • 成本较高，不适合局域网使用

   • 动态媒体接入控制

     • 通常分为随机接入和受控接入

     • 随机接入：所有的用户可随机地发送信息

     • 受控接入：用户必须服从一定的控制，如轮询 (polling)

   局域网最常用的共享信道为随机接入

二、以太网的两个标准

以太网是一种基带总线局域网，其数据率经历了10Mbps、100Mbps、1000Mbps、10Gbps等。

• 通常

  • 标准以太网:10Mpbs速率

  • 快速以太网: 100Mpbs速率

  • 千兆以太网: 1000Mpbs速率

  • 万兆以太网:10Gbps速率叫做

1.DIX Ethernet V2

• 诞生于1982年，是世界上第一个局域网产品（以太网）的规约

• 定义传送速率为10Mbps

2.IEEE 802.3

• IEEE委员会802.3工作组在1983年制定了第一个IEEE的以太网标准

• 定义传送速率为10Mbps

两者只有很小的差别，通常把802.3局域网称为“以太网”

• 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

• 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。

• IEEE的做法，主要是由于商业的激烈竞争。

三、设配器的作用

计算机与局域网的链接是通过通信适配器(adapter)

• 适配器本来是在主机内的一块网络接口板，又称为网络接口卡NIC (NetworkInterface Card)，俗称为网卡。

1.网络接口卡NIC的重要功能

• 进行串行/并行转换。

• 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

2.以太网实现通信的简便的两种措施

• 无连接的工作方式

  • 不必建立连接就可以直接发送数据

  • 网卡发送的数据帧不进行编号，也不要求进行确认。

  • 最大程度交付，但不保证可靠交付。

  • 对差错顿的是否重传由上层决定。

  • 使用CSMA/CD进行冲突协调

• 曼彻斯特编码

  • 特点：从高到低表示1，从低到高表示0。

  • 优点：方便进行信息的提出，解决了位同步的困难。

  • 缺点：所占的频带宽度比原始的基带信号增加了一倍。

3.3.2CSMA/CD协议

CSMA/CD的意思是：载波监听多点接入 / 碰撞检测， Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection。

一、要点

• 多点接入：

  • 说明是总线型网络。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：

  • “载波监听”就是检测信道。

  • 不管在发送前，还是在发送中，每个站都必须不停地检测信道。

• 碰撞检测：

  • 适配器边发送数据，边检测信道上的信号电压的变化情况。

  • 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（或冲突）。

  • 检测到碰撞后，设配器立即停止发送，等待一段随机时间后再次发送。

二、碰撞

最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间 2τ （两倍的端到端 往返时延）就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。

• 以太网的端到端往返时延2τ称为争用期，或碰撞窗口。

• 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

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。

以太网使用二进制指数类型退避算法来确定碰撞后重传的时机

• 基本退避时间取值为争用期 2t。

• 从整数集合[0,1,…, (2k-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。

• 参数 k 按下面的公式计算：k = Min[重传次数, 10]

• 当k不大于10时，参数k等于重传次数；当k大于10时，参数k等于10。

• 当重传达16次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。

三、退避算法的规定

• 以太网取51.2μs为争用期的长度。（这是经验值）

• 对于10Mbps以太网，在争用期内可发送512bit，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。

  • 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

四、强化碰撞

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；

• 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。

• 这样的机制叫做“强化碰撞”

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）。

• 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。

3.3.3使用集线器的星形拓扑

传统以太网传输媒体：粗同轴电缆 ➔ 细同轴电缆 ➔ 双绞线。

采用双绞线的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)。

• 10BASE-T 以太网中，每个站都需要用到两对无屏蔽双绞线，分别用于发 送和接收。

• 10BASE-T 以太网的通信距离稍短，每个站到集线器的距离不超过100m。

  • 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

一、集线器的特点

• 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。不进行碰撞检测，仅进行简单的转发比特

• 集线器采用了专门的芯片，进行自适应串音回波抵消，减少了近端串音。

3.3.4以太网的信道利用率

以太网信道被占用的场景：

• 发送数据的时间。

• 发送数据结束后，等待最后一个bit传送到接收方的等待时间。

• 发生碰撞的争用期。

• 没有数据传送的空闲时间。

发送数据的时间在总时间的占用率，就是通俗意义上的信道利用率。

一、提高以太网的利用率

要提高以太网的信道利用率，就必须减小 t 与 T0 之比。 (t为以太网单程端到端时延，T0为帧的发送时间)

• 在以太网中定义了参数 a，它是以太网单程端到端时延  与帧的发送时间 T0 之比：

  • a→0 表示一发生碰撞就立即可以检测出来，并立即停止发送。

    • 因而信道利用率很高。

  • a 越大，表明争用期所占的比例增大。

    • 每发生一次碰撞就浪费许多信道资源，使得信道利用率明显降低。

• 为提高利用率，以太网的参数 a 的值应当尽可能小些。

• 当数据率一定时，以太网的连线的长度受到限制，否则 t的数值会太大。

• 以太网的帧长不能太短，否则 T0 的值会太小，使 a 值太大。

结论：

• 只有当参数 a 远小于 1 才能得到尽可能高的极限信道利用率。

• 若参数 a 远大于1，极限信道利用率就远小于 1，实际信道利用率就更低。

• 据统计，当以太网的利用率达到 30% 时就已经处于重载的情况。

3.3.5以太网的MAC层

一、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。

• 802标准所说的“地址”严格地讲应当是每一个站的“名字”或标识符。

• 大家都早已习惯了将这种48位的“名字”称为“地址”，所以我们也采用这种习惯 用法，尽管这种说法并不太严格。

MAC地址就是计算机系统中的一种标识系统（identification System）。

• 著名文献【SHOC78】对标识系统的定义：

  • 名字指出我们所要寻找的那个资源。

  • 地址指出那个资源在何处。

  • 路由告诉我们如何到达该处

二、MAC地址

MAC地址：

• IEEE 802规定，MAC地址字段可以使用 6 字节（48位）或者 2 字节（16位） 两种表示方式。

• 随着以太网的迅猛发展，6 字节的表示方法可以使得全世界所有的局域网都 使用不相同的地址，因此目前主要使用 6 字节的方式来表示MAC地址。

• IEEE 注册管理机构 RA 负责向厂家分配前 3 个字节 (即高 24 位)，称为组织 唯一标识符 OUI (Organizationally Unique Identifier)。

• 厂家自行指派后 3 个字节 (即低 24 位)，称为扩展标识符 (extended identifier)

• 必须保证生产出的适配器没有重复地址。

• 地址被固化在适配器的 ROM 中

IEEE规定地址字段的第一个字节的最低位为I/G位。

• 单站地址：I/G 位 = 0。

• 组 地址：I/G 位 = 1。组地址用来进行多播。

• 广播地址：所有 48 位都为 1（全 1)。只能作为目的地址使用。

IEEE规定地址字段的第一个字节的最低第二位为G/L位。

• 全球管理：G/L 位 = 0。厂商向 IEEE 购买的 OUI 都属于全球管理。

• 本地管理：G/L 位 = 1。 用户可任意分配网络上的地址

三、适配器

适配器具有过滤功能

• 每收到一个 MAC 帧，先用硬件检查帧中的 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３种帧：

• 单播 (unicast) 帧 （一对一）

• 广播 (broadcast) 帧 （一对全体）

• 多播 (multicast) 帧 （一对多）

以太网适配器还可以设置为一种特殊的工作方式，即“混杂方式 （promiscuous mode）”。

• 工作在混杂方式的网卡只要“听到”有帧在以太网上传输就全部记录下来，而 不管是发往哪里的数据帧。

• 如果网络上有混杂方式工作的网卡，那么就可以通过数据分析的方式窃取别 人的信息。

• 网络管理人员也可以通过此方式来监听和分析以太网的流量，已实现可量化 的网络管理。

• 最为常见的是“嗅探器”

四、MAC帧的格式

1.MAC帧格式：

• 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 DIV Ethernet V2 的格式

格式：

• 目的地址：6字节，记录数据帧的接收方的MAC地址。

• 源 地址：6字节，记录数据帧的发送方的MAC地址。

• 类 型：2字节，标志上一层使用的协议。

  • 例如：0x8137表示IPX报文，0x0800表示IP数据报

• 数据字段：46-1500字节之间。

  • 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。

• FCS ：帧检验序列FCS，用于CRC校验。

• 在帧的前面插入的8字节：

  • 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

2.无效的MAC帧

• IEEE 802规定凡出现下述情况，均为无效帧：

  • 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 帧长度为 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。

3.IEEE 802.3 MAC 与以太网 V2 MAC 帧格式的区别

• 当“长度/类型”字段值大于 0x0600 时，表示“类型”；小于 0x0600 时，表示“长度”。

• 当“长度/类型”字段值小于 0x0600 时，数据字段必须装入逻辑链路控制 LLC 子层的 LLC 帧。

• 在 802.3 标准的文档中，MAC 帧格式包括了 8 字节的前同步码和帧开始定界符。

3.4扩展的以太网

以太网技术存在传输距离和规模的限制，因此希望能够把以太网进行扩展

扩展的两个主要层面：

• 物理层扩展：支持更远距离的网络

• 数据链路层扩展：支持咯更大规模的网络

扩展的主要手段：

• 集线器/HUB：物理层扩展

• 网桥/交换机：数据链路层扩展

一、在物理层的扩展以太网

以太网上的主机之间距离不能够太远，否则 CSMA/CD会因为衰减而无法正常工作。

• 10BASE-T以太网的两个主机之间的距离不得超过 200m。

扩展主机和集线器之间距离的简单方法是使用光纤。

• 通过光纤调制解调器，将传输的距离扩展。

在物理层通过集线器扩展局域网的优点

• 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通信扩大了局域网覆盖的地理范围。

在物理层通过集线器扩展局域网的缺点

• 碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高

• 如果使用不同的以太网技术 (如数据率不同)，那么就不能用集线器将它们互连起来。

碰撞域

• 碰撞域 (collision domain) 又称为冲突域，指网络中一个站点发出的顿会与其他站点发出的帧产生碰撞或冲突的那部分网络。

• 碰撞域越大，发生碰撞的概率越高

二、在数据链路层扩展以太网

在数据链路层扩展局域网

• 早期使用网桥，现在使用以太网交换机

网桥

• 工作在数据链路层

• 根据 MAC 帧的目的地址对收到的进行转发和过滤或者转发，或者丢弃

交换机

• 工作在数据链路层。

• 多端口的网桥。

• 可明显地提高以太网的性能

1.以太网交换机的特点

• 接口有存储器。

• 即插即用。

  • 其内部的帧交换表(又称为地址表)是通过自学习算法自动地逐渐建立起来的口

  • 这种交换表就是一个内容可寻址存储器CAM(Content addressable Memory)。

• 使用专用的交换结构芯片，用硬件转发，其转发速率要比使用软件转发的网桥快很多。

  • 以太网交换机的性能远远超过普通的集线器，而且价格并不贵。

• 每个用户独享带宽，增加了总容量

2.以太网交换机的交换方式

• 存储转发方式

  • 把整个数据帧先缓存，再进行处理。

• 直通(cut-through)方式

  • 接收数据帧的同时立即按数据顿的目的 MAC地址决定该的转发接口

  • 缺点:不检查差错就直接将恢转发出去，有可能转发无效帧。

消除回路: 使用生成树协议 (SPT)

• 生成树协议 STP(Spanning Tree Protocol) 要点:

• 不改变网络的实际拓扑，但在逻辑上则切断某些链路，使得从一台主机到所有其他主机的路径是无环路的树状结构，从而消除了兜圈子现象

3.以太网存在的主要问题

• 广播风暴

• 安全问题

• 管理困难

三、虚拟局域网VLAN

• 利用以太网交换机可以很方便地实现虚拟局域网VLAN(Virtual LAN)

• IEEE 802.1Q对虚拟局域网 VLAN 的定义:

  • 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，而这些网段具有某些共同的需求。每一个 VLAN 的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个 VLAN。

  • 虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务，并不是一种新型局域网。

VLAN 技术的主要优点:

• 改善了性能

• 简化了管理

• 降低了成本

• 改善了安全性

划分VLAN的方法:

• 基于交换机端口

• 基于计算机网卡的MAC地址

• 基于协议类型

• 基于IP子网地址

• 基于高层应用或服务

3.5高速以太网

3.5.1、100BASE-T

• 100BASE-T以太网又称为快速以太网(Fast Ethernet)。

• 在双绞线上传送100Mbit/s 基带信号的星形拓扑以太网

• 仍使用IEEE 802.3的CSMA/CD 协议。

• 1995 定为正式标准:IEEE 802.3u。

特点：

• 可在全双工方式下工作而无冲突发生

• 在全双工方式下工作时，不使用CSMA/CD 协议。

• 使用IEEE 802.3协议规定的MAC格式

• 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 米

• 帧间时间间隔从原来的9.6us 改为现在的 096us。

3.5.2、吉比特比特网

• 1996年夏季吉比特以太网的产品上市

• IEEE在1997年通过了吉比特以太网标准8023z，1998年成为正式标准

• 吉比特以太网已成为以太网的主流产品

特点：

• 允许在1Gbit/s 下以全双工和半双工2种方式工作。

• 使用IEEE 802.3协议规定的MAC格式

• 在半双工方式下使用CSMA/CD协议，在全双工方式不使用CSMA/CD协议

• 与10BASE-T和100BASE-T 技术向后兼容

物理层：

• 使用2种成熟的技术:一是来自现有的以太网，二是美国国家标准协会ANSI制定的光纤通道FC(Fiber Channel)

半双工方式工作的吉比特以太网

• 半双工时采用CSMA/CD，必须进行碰撞检测。

• 为保持 64 字节最小帧长度，以及 100 米的网段的最大长度，增加了 2 个功能

  • 载波延伸(carrier extension)

  • 分组突发(packet bursting)

• 全双工方式工作的吉比特以太网不使用载波延伸和分组突发

载波延伸 将争用时间增大为512字节，凡发送的MAC 顿长不足512 字节时，就用一些特殊字符填充在的后面

分组突发 当很多短帧要发送时，第1个短采用载波延伸方法进行填充随后的一些短帧则可一个接一个地发送，只需留有必要的间最小间隔即可这样就形成可一串分组的突发，直到达到 1500 字节或稍多一些为止

3.5.3、10GE和100GE以太网

10GE主要特点

• 万兆比特。

• 与10、100、1000 Mbit/s 以太网的顿格式完全相同

• 保留了IEEE 802.3标准规定的以太网最小和最大顿长。

• 只使用光纤作为传输媒体。

• 只工作在全双工方式，没有争用问题，不使用CSMA/CD 协议

以太网的技术发展很快，在10GE 之后又制订了 40GE/100GE 的标准EEE 802.3ba-2010。 40GE/100GE 以太网的特点是

• 仅在全双工的模式下传输，没有争用问题

• 使用以太网的帧格式以及 802.3 标准规定的最小和最大帧长度

• 使用单模光纤传输时能够达到40km (使用4个波长通过波分复用技术实现)

3.5.4、端到端的以太网传输

以太网的工作范围已经扩大到城域网和广域网，实现了端到端的以太网传输。

端到端的以太网传输的优势有

• 技术成熟:

  • 以太网是一种经过实践证明的成熟技术。

• 互操作性很好:

  • 不同厂商生产的以太网都能够可靠的进行操作。

• 在广域网中使用以太网时价格便宜

  • 广域网使用以太网，价格大约只有同步光网络SONET的1/5 和异步传递方式ATM的 1/10。

  • 能够适应多种的传输媒体，使得具有不同传输媒体的用户在进行通信时不需要重新布线。

• 采用统一的以太网帧格式，简化了操作和管理

  • 端到端都用以太网技术，数据顿格式都是802定义的帧格式，不需要进行帧格式转换

以太网已成功地把速率提高到1~10Gb/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，中间不需要再进行顿格式的转换。这就提高了数据的传输效率和降低了传输的成本。

IEEE在2001年初成立了802.3EFM 工作组，专门研究高速以太网的宽带接入技术问题。

以太网宽带接入具有以下特点

• 可以提供双向的宽带通信。

• 可以根据用户对带宽的需求灵活地进行带宽升级。

• 可以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

• 但不支持用户身份鉴别。

PPPOE(PPP over Ethernet): 在以太网上运行 PPP

• 将 PPP 顿封装到以太网中来传输。

• 现在的光纤宽带接入FTTx都要使用PPPOE的方式进行接入

• 利用ADSL 进行宽带上网时，从用户个人电脑到家中的ADSL 调制解调器之间的连接也使用 RJ-45和5类线，也使用PPPOE。