链路层和局域网

1、计算机网络第5章 链路层和局域网第五章 链路层和局域网2022年4月26日2目 录n数据链路层：概述和服务n差错检测和纠错技术n多址访问协议n链路层编址n以太网n互联：集线器和交换机nPPP：点对点协议第五章 链路层和局域网2022年4月26日35.1 数据链路层 : 概述和服务n术语术语q节点：主机和路由器q链路：沿着通信路径连接相邻节点的通信信道n有线链路n无线链路q帧：数据链路层的分组单元n数据链路层的主要功能数据链路层的主要功能q负责将数据报通过链路从一个节点传输到相邻的节点第五章 链路层和局域网2022年4月26日45.1 数据链路层 : 概述和服务n数据链路层的简单模型数据链路层的

2、简单模型局域网广域网主机 H1主机 H2路由器 R1路由器 R2路由器 R3电话网局域网主机 H1 向 H2 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R1R2R3H1H2从层次上来看数据的流动第五章 链路层和局域网2022年4月26日55.1 数据链路层 : 概述和服务n数据链路层的简单模型数据链路层的简单模型局域网广域网主机 H1主机 H2路由器 R1路由器 R2路由器 R3电话网局域网主机 H1 向 H2 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

3、链路层网络层物理层R1R2R3H1H2仅从数据链路层观察帧的流动第五章 链路层和局域网2022年4月26日65.1 数据链路层 : 概述和服务q几点特别说明n数据报在不同链路上可能由不同的链路层协议进行处理q例如：第一段链路上由PPP处理，最后一段链路上由以太网处理，中间链路上由广域链路层协议处理n不同的链路层协议可能提供不同的服务q例如：可靠传递、不可靠传递第五章 链路层和局域网2022年4月26日75.1 数据链路层 : 概述和服务n链路层提供的服务链路层提供的服务q成帧 、链路访问n将数据加上头部和尾部，封装成数据帧n共享介质的信道访问n帧头部用MAC地址标识源和目的（不同于IP地址）q

4、可靠传递n很少用于误码率低的链路（光纤、双绞线链路）n用于误码率高的链路（无线链路）q流量控制n在相邻的收发节点间限制流量第五章 链路层和局域网2022年4月26日85.1 数据链路层 : 概述和服务n链路层提供的服务q差错检测n信号衰减和电磁干扰噪声导致出错n接收方检测到错误存在：q给发送方发送信号要求重传或丢弃该数据帧q差错纠正n接收方检测和纠正帧中错误，不用重传q半双工和全双工n半双工时，链路两端的节点都能传输分组，但不能同时传输第五章 链路层和局域网2022年4月26日95.1 数据链路层 : 概述和服务n适配器通信适配器通信q链路层协议在适配器中实现q发送方n在一个帧内封装数据报n增

5、加差错检测位，可靠交付，流量检测等q接收方n查找错误,可靠交付, 流量控制等n取出数据报，交给网络层q适配器是半自治单元n帧的接收和发送、检错、丢弃均是自主进行n向上提交数据时，需要节点干预n最终受控于节点第五章 链路层和局域网2022年4月26日105.2 差错检测和纠错技术n差错检测模型差错检测模型 EDC= Error Detection and Correction bits 差错检测和纠错比特 D = Data 差错检测位保护的数据，可包括首部 数据报d数据比特数据报检测到差错易出现比特差错的链路 在D中的所有比特正确吗？第五章 链路层和局域网前向差错纠正（Forward Error

6、 Correction, FEC）n接收方检测和纠正差错；n避免了接收方发送的NAK分组以及发送方重传分组的往返时延；n通常用在音频存储和回放设备。二维奇偶校验:检测和纠正单个比特错误检测和纠正单个比特错误00无差错 列校验行校验校验错校验错可纠正单比特差错05.2 差错检测和纠错技术0第五章 链路层和局域网2022年4月26日125.2 差错检测和纠错技术n因特网检查和因特网检查和q发送方n将数据段的内容作为16比特的整数序列n校验和: 累加求和，计算和的1的补码n发送方将得到的校验和值放入PDU校验和字段q接收方n计算收到的数据段的校验和n检查计算出的校验和与校验和字段中的值是否相同:qN

7、O 检测到错误qYES 没有错误q特别注意：仅用于TCP、UDP和IPv4协议中第五章 链路层和局域网2022年4月26日135.2 差错检测和纠错技术n循环冗余校验码循环冗余校验码qd比特的数据，Dq选择r1比特模式(生成多项式)，表示为Gq目标：选择r个CRC比特，R，以便n恰好能被G整除（模2计算）n接收方已知G，用G去除 ，若余数非0，则检测到错误n能检测到所有少于r+1比特的错误q在实践中被广泛应用 （ATM，HDLC)D:被发送的数据比特R:CRC比特比特模式数学公式d比特r比特第五章 链路层和局域网2022年4月26日145.2 差错检测和纠错技术n如果要:qD*2r XOR R

8、 = nGn两边都异或R，得到:qD*2r = nG XOR R n即: D*2r 除以G,得到余数 R第五章 链路层和局域网2022年4月26日155.3 多址访问协议n两种链路两种链路q点到点链路nPPPn以太网交换机和主机之间的点到点链路q广播链路(共享线路或介质)n传统以太网n802.11无线LAN第五章 链路层和局域网2022年4月26日165.3 多址访问协议n广播链路的特点广播链路的特点q单个共享广播信道q两个或多个节点同时传输：相互干扰n 碰撞：一个节点同时收到两个或多个信号n多址访问协议多址访问协议q分布式算法决定节点如何共享信道，如节点何时可以传输数据q特别注意：有关共享信

9、道的通信（协商）需使用信道本身n没有额外的信道来进行协调第五章 链路层和局域网2022年4月26日175.3 多址访问协议n理想的多址访问协议需满足：理想的多址访问协议需满足：q假定：信道为速率为R b/s的广播信道q当只有一个节点有数据发送时，该节点的吞吐量为Rq当M个节点有数据发送时，每个节点吞吐量为R/Mq分散n没有特定节点用于调整传输n没有时钟同步q简单第五章 链路层和局域网2022年4月26日185.3 多址访问协议n多址访问协议分类多址访问协议分类q信道划分协议n将信道划分成小的“片”（时隙、频率、编码）n将“片”分配给节点使用q随机访问协议n信道没有被分割，允许碰撞n碰撞恢复q轮

10、流协议n节点轮流传送，但数据量大的节点轮流更长时间第五章 链路层和局域网2022年4月26日195.3 多址访问协议n信道划分协议信道划分协议qTDMA(Time Division Multiple Access)n循环访问信道n每个节点在每次循环中得到固定长度的时隙（时隙长度传输单个分组时间）n没有数据发送的时隙空闲n例如：6-节点 LAN, 时隙1,3,4 有数据发送, 2,5,6 的时隙空闲第五章 链路层和局域网2022年4月26日205.3 多址访问协议n信道划分协议信道划分协议qFDMA(Frequence Division Multiple Access)n信道按频谱分成若干频段n

11、每个节点分配固定频段n在频段不用时该部分信道被闲置和浪费frequency bands第五章 链路层和局域网2022年4月26日215.3 多址访问协议n随机访问协议随机访问协议q当节点有数据发送时n以信道全部速率R传输n没有主节点起协调作用q两个或多个节点传送时碰撞q随机访问协议解决n如何检测碰撞n如何从碰撞中恢复（如：延时后重传）q随机访问协议举例：nALOHA、时隙ALOHAnCSMA, CSMA/CD, CSMA/CA第五章 链路层和局域网2022年4月26日225.3 多址访问协议nALOHAqALOHA的由来nALOHA 乃Additive Link On-Line HAwaii

12、system简写，ALOHA恰好还是夏威夷方言的“你好”。ALOHA网是计算机网络早期发展中一个著名的网络，也是第一个无线计算机网络，现仍在运行之中。qALOHA网的特征n因群岛位置的散布，网络拓扑采用了星型结构；n为节省费用和易于组网，网络中各站点的通信采用了无线传输介质。n由于采用无线电信道，考虑到无法申请更多的频率点，因而所有站点都使用统一的频率通过主机交换信息。 接口接口 ALOHAALOHA 系统的一般模型系统的一般模型 站站 1 站站 2 站站 n-1 站站 n 总线信道总线信道 第五章 链路层和局域网时隙ALOHA假定：n所有的帧大小相同；n时间被划分为相同大小的时隙，一个时隙等

13、于传输一帧的时间；n节点只在时隙的开始传输帧；n节点被同步，知道时隙什么时候开始；n若有两个或多个节点在一个时隙内传送，则所有节点都能在该时隙内检测到冲突第五章 链路层和局域网2022年4月26日245.3 多址访问协议n时隙时隙ALOHA第五章 链路层和局域网2022年4月26日255.3 多址访问协议n时隙时隙ALOHA的工作效率的工作效率 P(给定节点成功概率) = P(给定节点传送) . P(没有其它节点传送 ) = p . (1-p)N-1 选择最合适p,n趋于无穷，取极限. = 1/e = 0.37 第五章 链路层和局域网2022年4月26日265.3 多址访问协议n纯纯ALOHA

14、站站 1 t 站站 2 t 站站 N N- -1 1 t 站站 N N t 1 2 3 4 5 6 7 t 纯纯 A AL LO OH HA A 系系 统统 的的 工工 作作 原原 理理 1 2 3 4 5 6 7 冲冲突突 重重发发 冲冲突突 重重发发 冲冲突突 再再重重发发 发发送送成成功功 冲冲突突 重重发发 发发送送成成功功 发发送送成成功功 T0 T0 T0 第五章 链路层和局域网 纯ALOHAn简单，不需同步n当帧首次到达，节点立刻传送n碰撞可能增加qt0 时刻发送的帧与 t0-1,t0+1之内发送的帧碰撞将与i帧的开始部分重叠将与i帧的结束部分重叠第五章 链路层和局域网2022年

15、4月26日285.3 多址访问协议n纯纯ALOHA的工作效率的工作效率P(给定节点成功概率) = P(给定节点传送) . P(在 t0-1,t0没有其它节点传送 ). P(在 t0,t0+1没有其它节点传送) = p . (1-p)N-1 . (1-p)N-1 = p . (1-p)2(N-1) 选择最合适p,n趋于无穷，取极限. = 1/(2e) = 0.18 第五章 链路层和局域网2022年4月26日295.3 多址访问协议nCSMA(Carrier Sense Multiple Access)n为人处事的规则之一: 不要打断别人的发言!q发言之前要先听（载波侦听）q如果和其他人同时开始说

16、话，则停止谈话（碰撞检测）n传输前监听，如果信道空闲，传送整个帧，如果信道忙，推迟传送；传输时节点侦听信道，如果检测到另一个节点也在传输，则停止传输。q载波侦听多址访问(Carrier Sense Multiple Access, CSMA)q带碰撞检测的CSMA(CSMA with Collision Detection, CSMA/CD)n既然采用了载波侦听，为什么还会发生碰撞？第五章 链路层和局域网CSMA碰撞碰撞仍然可能发生:信道传播时延使得两个节点可能没有侦听到对方的传输碰撞:整个帧传输时间被浪费注意:距离和传播时延在检测碰撞时起决定性作用空间时间第五章 链路层和局域网CSMA/CD

17、碰撞检测空间时间碰撞检测放弃时间第五章 链路层和局域网2022年4月26日325.3 多址访问协议nCSMA/CDq在短时间内碰撞被检测n在有线LANs中比较容易:测量信号强度，比较收、发的信号n在无线LANs中比较困难: 传输时接收器是关闭的q碰撞后停止传输，减少信道浪费 第五章 链路层和局域网2022年4月26日331 kmABt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 = t = 0单程端到端传播时延记为 第五章 链路层和局域网2022年4月26日341 kmABt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

18、碰撞 t = B 发送数据B 检测到发生碰撞 t = ABABAB t = 0 A 检测到信道空闲发送数据ABt = 0t = B 检测到发生碰撞停止发送STOPt = 2 A 检测到发生碰撞STOPAB单程端到端传播时延记为 第五章 链路层和局域网2022年4月26日355.3 多址访问协议q强化碰撞n当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时，除了立即停止发送数据外，还要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。第五章 链路层和局域网2022年4月26日36数据帧干扰信号 TJABTBt B 发送数据A 检测到冲突开始冲突信道占用时间

19、A 发送数据B 也能够检测到冲突，并立即停止发送数据帧，接着就发送干扰信号。这里为了简单起见，只画出 A 发送干扰信号的情况。第五章 链路层和局域网2022年4月26日375.3 多址访问协议q争用期n最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间 2 （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。n以太网的端到端往返时延 2 称为争用期，或碰撞窗口。n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。第五章 链路层和局域网2022年4月26日385.3 多址访问协议n轮流协议轮流协议q问题的背景n信道划分协议q在重负荷时，共享信道有效、公平q在轻负荷时效率低：信

20、道访问延时，即使只有一个活动节点，也只能分配到1/N的带宽n随机访问协议q轻负荷时效率高：只有一个节点时，能充分利用信道q在重负荷下: 碰撞的开销n轮流协议q在两个方面寻求最佳的解决方案!第五章 链路层和局域网2022年4月26日395.3 多址访问协议q轮询协议n主节点邀请从节点轮流传输n关注: 轮询开销、等待时间、单点失效(主节点)q令牌传递协议n控制令牌依次通过各个结点n令牌报文n关注：令牌的开销、等待时间、单点失效(token)第五章 链路层和局域网2022年4月26日405.3 多址访问协议n对于共享介质能做什么对于共享介质能做什么?q信道划分，基于时间、频率、编码n时分，频分q随机

21、划分 (动态), nALOHA, S-ALOHA, CSMA, CSMA/CDn载波侦听:有线“易行”、无线“困难”nCSMA/CD 用于以太网nCSMA/CA 用于 802.11q轮流n主节点轮询，令牌传递第五章 链路层和局域网2022年4月26日415.4 链路层编址nMAC地址地址q作用n在数据链路层标识每块网络适配器，使得能够在广播信道上寻址目标节点(用于将数据报从一个接口传送到与之物理相连的另一个物理接口（同一网络）)q组成n48bitn前24bit由IEEE分配管理OUI号n后24bit由厂商自行分配特别注意：MAC地址烧入网络适配器的ROM中，不可 更改第五章 链路层和局域网20

22、22年4月26日425.4 链路层编址q与IP地址的比较nMAC地址是平面地址，类似于身份证号 IP地址是层次地址，类似于邮政通信地址nMAC地址在不同的网络间迁移时，不会改变 IP地址在不同的网络间迁移时，需要改变以适应新的网络配置特别注意：无线网络中进行漫游时，如果在不同的网络 间切换时，改变网络设置，会导致连接中 断，为维持连接正常工作，第六章将介绍无 线移动管理第五章 链路层和局域网2022年4月26日435.4 链路层编址n地址解析协议（地址解析协议（ARP）q目标n根据目标的IP地址获取其MAC地址qARP高速缓存n局域网节点的IP/MAC地址映射 qTTL (Time To Li

23、ve):超过TTL的地址映射会被删除 (一般为20分钟)第五章 链路层和局域网2022年4月26日445.4 链路层编址qARP协议：同一局域网内工作流程n建立ARP请求包n广播发送该ARP请求包 MAC报头 IP报头 ARP请求报文 目标 源 目标 源 你的MAC地FF-FF-FF-FF-FF-FF 02-60-8C-01-02-03 197.15.22.126 197.15.22.33 址是什么？第五章 链路层和局域网2022年4月26日455.4 链路层编址n目的197.15.22.126接收到该ARP请求包，建立包含自己MAC地址的ARP应答包（请注意，应答包和请求包的源、目标是不一致

24、的）n直接向源197.15.22.33发送该ARP应答包n197.15.22.33更新ARP高速缓存 MAC报头 IP报头 ARP应答报文 目标 源 目标 源 我的MAC地02-60-8C-01-02-03 08-00-02-89-90-80 197.15.22.33 197.15.22.126 址是第五章 链路层和局域网2022年4月26日46ARP 响应AYXBZ主机 B 向 A 发送ARP 响应分组 主机 A 广播发送ARP 请求分组 ARP 请求ARP 请求ARP 请求ARP 请求209.0.0.5209.0.0.600-00-C0-15-AD-1808-00-2B-00-EE-0A我

25、是 209.0.0.5，硬件地址是 00-00-C0-15-AD-18我想知道主机 209.0.0.6 的硬件地址我是 209.0.0.6硬件地址是 08-00-2B-00-EE-0AAYXBZ209.0.0.5209.0.0.600-00-C0-15-AD-18第五章 链路层和局域网路由到其它 LAN穿越: 从 A 发送数据报到B，途经R, 假定 A知道 B的 IP地址n在路由器R中有两个ARP表, 分别针对两个IP网络(LAN)n在源主机的路由表里找到路由器111.111.111.110nA创建IP数据报，源IP地址为A,目的IP地址为 B nA 用ARP获得网关R的111.111.111

26、.110 对应的MAC地址ARB第五章 链路层和局域网qA创建链路层帧(封装A到B的IP数据报)，目的地址为R的MAC地址qA的适配器发送以太网帧qR的适配器接收该以太网帧qR从以太帧获取IP数据报，得知它的目的是到BqR用ARP获得B的MAC地址qR创建帧(封装A到B的IP数据报)，发送给BARB第五章 链路层和局域网2022年4月26日495.4 链路层编址q互联网环境下的ARP主机Y主机Z网络1网络3路由器1网络2路由器2主机Y主机Z MAC报头 IP报头目标MAC地址 目标IP地址 路由器1 主机Z 源MAC地址 源IP地址 主机Y 主机Y MAC报头 IP报头目标MAC地址 目标IP

27、地址 路由器2 主机Z 源MAC地址 源IP地址 路由器1 主机Y MAC报头 IP报头目标MAC地址 目标IP地址 主机Z 主机Z 源MAC地址 源IP地址 路由器2 主机Y第五章 链路层和局域网2022年4月26日505.5 以太网n以太网概述以太网概述q20世纪70年代由Bob Matcalfe和David Boggs发明q最先被广泛应用的局域网技术q便宜q速度：10Mbps-100Mbps-1Gbps-10Gbps第五章 链路层和局域网2022年4月26日515.5 以太网n以太网类型以太网类型q总线式以太网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

28、接受不接受不接受接受B只有 D 接受B 发送的数据第五章 链路层和局域网2022年4月26日525.5 以太网q交换式以太网集线器或交换机第五章 链路层和局域网2022年4月26日535.5 以太网n以太网的帧结构以太网的帧结构q数据字段:（46字节1500字节）q前同步码: n总共8字节，前7 字节的格式为 10101010 ，最后一个字节格式为10101011n 用于同步发送方与接收方时钟前同步码目的地址源地址类型数据第五章 链路层和局域网2022年4月26日545.5 以太网q地址: 6 字节n若适配器收到以太网帧，目的地址为自己的MAC地址或广播地址（如ARP包），就将帧中的数据传给网

29、络层。n否则，适配器丢弃该帧q类型: 上层协议类型 (大多为IP协议，也支持其它协议如Novell IPX 和AppleTalk)qCRC: 由接收方检查,若检测到错误，就将该帧丢弃前同步码目的地址源地址类型数据第五章 链路层和局域网2022年4月26日555.5 以太网n以太网提供的服务以太网提供的服务q无连接服务: 在送适配器和接收适配器之间不需要握手q不可靠服务: 接收适配器不发送确认帧或否认帧给发送方n交给网络层的数据报可能存在间隙n若应用使用TCP，间隙会被填充n否则，应用就会看见间隙第五章 链路层和局域网2022年4月26日565.5 以太网n以太网使用的以太网使用的CSMA/CD

30、q特点n没有时隙n当适配器侦听到其它适配器在传输，则它不传输帧, 即载波侦听n正在传输的适配器若检测到其它适配器也在传输，则它中止自己的传输, 即碰撞检测n在重新传输之前，适配器要等待一段随机时间，即随机访问第五章 链路层和局域网2022年4月26日575.5 以太网q算法n适配器收到来自网络层的数据报，创建帧n若适配器检测到信道空闲，则开始传输帧；若检测到信道忙，就开始等待，直到信道空闲再开始传输该帧n若适配器传输了整个帧而没有检测到其它适配器的传输，则该适配器完成该帧的传输n若适配器在传输时检测到其它适配器也在传输，则停止传输，发送拥塞信号n中止传输后，适配器进入指数回退阶段，在经历第m次

31、碰撞后，适配器随机从0,1,2,2m-1中选择K值。适配器在等待 K512比特时间后，返回第2步第五章 链路层和局域网2022年4月26日585.5 以太网q几个定义n拥塞信号: 用来确保所有传输者都能检测到碰撞而传输的信号；48比特长n比特时间: 传输1比特所需时间。在10Mbps的以太网中，当K=1023时，等待时间大约为50ms第五章 链路层和局域网2022年4月26日595.5 以太网q指数回退算法 n目的: 适配器重传时试图估计正确的负载q重载: 随机等待的时间可能会更长n第一次碰撞: 从 0,1中选择K; 延迟是 K 512 比特传输时间n第二次碰撞后: 从 0,1,2, 3中选择

32、Kn第十次碰撞后: 从 0,1,2,3,4,1023中选择K第五章 链路层和局域网2022年4月26日605.5 以太网q重要特性n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）。n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。 n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。第五章 链路层和局域网2022年4月26日615.5 以太网q争用期长度n以太网取 51.2 s 为争用期的长度。n对于 10 Mb/s 以太网，在争用期内可发送512 bit，即 64 字节。n以太网在发送数据时，若前 64 字节没有发生碰撞

33、，则后续的数据就不会发生碰撞。q最短有效帧长n如果发生碰撞，就一定是在发送的前 64 字节之内。 n由于一检测到碰撞就立即中止发送，这时已经发送出去的数据一定小于 64 字节。 n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。 第五章 链路层和局域网2022年4月26日625.5 以太网n传统以太网的物理层传统以太网的物理层10BASE5粗缆10BASE2细缆10BASE-T双绞线10BASE-F光缆以太网媒体接入控制 MAC第五章 链路层和局域网2022年4月26日635.5 以太网q10BaseT and 100BaseTn10、100代

34、表速率nT 代表双绞线（Twisted Pair）n节点连接到集线器: “星形拓扑”; 在节点和集线器之间的最大距离为100 米twisted pairhub第五章 链路层和局域网2022年4月26日645.5 以太网q10Base5第五章 链路层和局域网2022年4月26日655.5 以太网q10Base2第五章 链路层和局域网2022年4月26日665.5 以太网n信号编码q以太网使用基带传输，即直接给广播信道发送数字信号，采用曼彻斯特编码010011010二进制编码曼彻斯特比特流第五章 链路层和局域网2022年4月26日67n集线器集线器q集线器本质上是物理层的中继器:q从一个接口收到的

35、比特流会传给其它所有接口q同样速率q没有帧缓存q集线器没有 CSMA/CD : 由适配器检测碰撞5.6 互联 : 集线器和交换机第五章 链路层和局域网2022年4月26日685.6 互联 : 集线器和交换机n集线器（或转发器）互联集线器（或转发器）互联q主干集线器将LAN网段互联起来q扩展了节点间的最大距离q原先独立的网段碰撞域变成了一个大的碰撞域q不能将10BaseT 和 100BaseT以太网互联10BaseT集线器10BaseT集线器10BaseT集线器主干集线器第五章 链路层和局域网2022年4月26日695.6 互联 : 集线器和交换机n网桥互联网桥互联q网桥（Bridge）实质上就

36、是一种存储转发设备，用来实现MAC层的LAN互连第五章 链路层和局域网q网桥的工作原理n不断监听各端口是否有信号n收到无差错的帧则缓存，反之将差错帧丢弃n若所收帧的目的MAC地址属另一网段，则通过站表决定向何端口转发n网桥不转发同一网段内通信的帧n网桥不修改所转发的帧的源地址5.6 互联 : 集线器和交换机第五章 链路层和局域网q网桥的优势n过滤通信量n扩大了局域网的物理范围n提高了可靠性n可互连不同物理层、不同MAC子层和不同速率的局域网5.6 互联 : 集线器和交换机第五章 链路层和局域网q网桥的缺点n由于要接收和转发，增加了时延nMAC子层没有流量控制功能，网络负荷重时，交换机缓存空间可

37、能发生溢出，产生帧丢失现象n不同MAC子层的网段连接时，在转发帧之前要修改帧的某些字段，这也需要耗费时间n出现广播风暴。交换机只适合用户少于几百个和通信量不太大的局域网，否则有时会因传播过多广播信息而产生网络拥塞5.6 互联 : 集线器和交换机第五章 链路层和局域网q网桥和集线器的区别n集线器只是将网络的覆盖距离简单的延长，而且距离有限，具体实现在物理层；网桥不仅具有将LAN的覆盖距离延长的作用，而且理论上可做到无限延长，具体实现在MAC层。n集线器仅具有简单的信号整形和放大的功能；网桥则属于一种智能互连设备，它主要提供信号的存储/转发、数据过滤等能力。n集线器仅是一种硬设备，而网桥既包括硬件

38、又包括软件。 n集线器仅只能互连同类LAN，而网桥可支持不同类型的LAN互连。5.6 互联 : 集线器和交换机第五章 链路层和局域网n 交换机n交换的概念是相对于共享概念而提出的改进q避免帧的广播n交换机是链路层设备q对以太网帧进行处理q检查帧头部，根据目的MAC地址转发帧n透明q主机不知道交换机的存在n即插即用, 自学习q交换机不需配置5.6 互联 : 集线器和交换机第五章 链路层和局域网集线器集线器集线器交换机123n过滤：交换机判断一个帧是应该转发到某个接口还是将其丢弃；n转发：将一个帧导向哪个接口5.6 互联 : 集线器和交换机第五章 链路层和局域网n 交换机是对网桥的扩展站表端口管理

39、 软件网桥协议 实体端口 1端口 2缓存网段 B网段 A111222站地址 端口网桥网桥5.6 互联 : 集线器和交换机第五章 链路层和局域网n 交换表n交换机有一个交换表 n交换表项: q(MAC地址,接口, 时间戳)q老的表项被删除 (TTL 可能为 60分钟) 地址接口时间62-FE-F7-11-89-A319:327C-BA-B2-B4-91-1039:365.6 互联 : 集线器和交换机第五章 链路层和局域网n 交换机的自学习和过滤转发过程当交换机收到帧:将帧的源地址、帧进入的接口和当前时间记入交换表；if 帧的目的地址在交换表中 then if 进入接口与目的地址对应的接口相同 t

40、hen 丢弃该帧 else 转发到目的地址对应的接口else 将帧转发到其它所有接口； 5.6 互联 : 集线器和交换机第五章 链路层和局域网通信过程：t1:ADt2:EHt3:FEt4:GAt5:EFt6:HB集线器集线器集线器交换机ABCDEFGHI123地址接口时间该帧向哪个接口转发？MACA1t12，3MACE2t21，3MACF2t3丢弃MACG3t41MACH3t61，2 MACE 2 t5 丢弃 5.6 互联 : 集线器和交换机第五章 链路层和局域网n 交换机的其它特点n专用接入n全双工：每条链路都是点对点链路n直通交换: 帧从入端口转发到出端口不需收集整个帧，收到帧头后就开始转

41、发q能少量减少延迟n可以连接不同速率及不同技术的以太网交换机交换机AABBCC5.6 互联 : 集线器和交换机第五章 链路层和局域网n交换机交换机 vs 集线器集线器n工作层次不同q集线器：工作在物理层，需要转发帧时直接将比特发送到链路上；q交换机：至少工作在链路层，需要转发帧时运行CSMA/CD协议。n数据传输方式不同q集线器：共享式q交换机：交换式n带宽占用不同：q集线器：N个节点的最大带宽为R；q交换机：n个节点的最大带宽为nR。n碰撞域：q集线器：连接的网络在同一个碰撞域；q交换机：连接的网络各属不同碰撞域。5.6 互联 : 集线器和交换机第五章 链路层和局域网2022年4月26日82

42、5.6 互联 : 集线器和交换机n交换机交换机 vs 路由器路由器q两者都是存储转发设备n路由器：网络层设备 (检查网络层头部)n交换机是链路层设备q路由器维护路由表，实现路由算法q交换机维护交换表，实现MAC地址过滤、学习算法第五章 链路层和局域网2022年4月26日835.6 互联 : 集线器和交换机n集线器 vs 以太网交换机 vs 路由器 集线器 路由器 交换机 流量隔离 无 有 有 即插即用 有 无 有 优化选路 无 有 无 直通交换 有 无 有 第五章 链路层和局域网p 虚拟局域网虚拟局域网问题的引入问题的引入 请设想如下情形： 某个单位，占据了一整栋大楼，该大楼的网络布线为：每层

43、楼通过一台交换机连接成一个局域网，大楼通过一台交换机连接这些交换机，构成一个更大的局域网。 由于历史的原因，技术部门分散到了大楼的各个楼层，现在希望将技术部门的电脑联到同一个局域网中，而且非技术部门的电脑无法访问技术部门的电脑，现在不希望挪动电脑，如何办？5.6 互联 : 集线器和交换机第五章 链路层和局域网p 虚拟局域网虚拟局域网1.1.概念概念 所谓虚拟局域网VLAN（Virtual LAN）是指以软件方式来实现逻辑工作组划分与管理的一种网络工作组组建技术。 必须强调：虚拟局域网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。2.2.特征特征 局域网交换机是组建虚拟局域网的核心设备

44、。 组成逻辑工作组的各结点不受物理位置的限制，换言之同一逻 辑工作组的成员不一定要连接在同一个物理网段上。 当一个结点从一个逻辑工作组转移到另一个逻辑工作组时，只 需要通过软件设定，而不需要改变它在网络中的物理位置。5.6 互联 : 集线器和交换机第五章 链路层和局域网p 虚拟局域网虚拟局域网优点：优点：l 减少移动和改变的代价，即当一个用户从一个位置移动到另一个位置时，他的网络属性不需要重新配置，而是动态的完成。 l 虚拟工作组 l 限制广播包 l 安全性，由于配置了VLAN后，一个VLAN的数据包不会发送到另一个VLAN 5.6 互联 : 集线器和交换机第五章 链路层和局域网3.3.示例示

45、例5.6 互联 : 集线器和交换机第五章 链路层和局域网p虚拟局域网的构建方式虚拟局域网的构建方式1.1.用交换机端口号定义虚拟局域网用交换机端口号定义虚拟局域网 比如交换机的14端口为VLAN A，517为VLAN B，1824为VLAN C，当然，这些属于同一VLAN的端口可以不连续，如何配置，由管理员决定。即同一VLAN可以跨越数个以太网交换机，根据端口划分是目前定义VLAN的最常用的方法，IEEE 802.1Q协议规定的就是如何根据交换机的端口来划分VLAN。 优点：定义VLAN成员时非常简单，只要将所有的端口都指定义一下就可以了。 局限性： 同一交换端口只能属于一个虚拟局域网；当用户

46、从一个端口移动到另一个端口时，网络管理者必须对虚拟局域网成员进行重新配置。5.6 互联 : 集线器和交换机第五章 链路层和局域网2.2.用用户用用户MACMAC地址定义虚拟局域网地址定义虚拟局域网 即对每个MAC地址的主机都配置他属于哪个组。由于MAC地址是与硬件相关的地址，所以用用户MAC地址定义的虚拟局域网，允许用户结点可以自由移动而仍然可保持原来的虚拟局域网成员的地位。显然基于MAC地址的虚拟局域网可以看作是基于用户的虚拟局域网。 局限性： 要求所有的用户在初始阶段必须配置到至少一个虚拟局域网中，初始配置由人工完成，随后就可以自动跟踪用户。在大规模网络中，初始化时把上千个用户配置到某个虚拟局域网中显然是很麻烦的。 5.6 互联 : 集线器和交换机第五章 链路层和局域网3.3.用网络层用网络层IPIP地址定义虚拟局域网地址定义虚拟局域网 用IP地址来定义虚拟局域网具有明显的优势： 允许按照协议类型来组成虚拟局域网，这种方法有利于组成基于服务或应用的虚拟局域网。 用户可以随意移动工作站而无需重新配置网络地址，这对于TCP/IP协议的用户是特别有利的。 存在的问题： 由于检查网络层地址比检查MAC地址要花费更多的时间，因而虚拟局域网的性能较差。 5.6 互联 : 集线器和交换机第五