第五讲 数据链路层(改)

1、第五讲五讲 数据链路层定义，功能数据帧的组成可靠性传输数据链路层示例数据链路层的定义网络层有个实体即进程，数据链路层将借助于物理层为网络层提供服务 为网络层提供一个较好定义的服务接口定义一个合适的传输差错率 对传输的数据流进行管理，以免快速的发送淹没慢速的接收端数据链路层的协议数据单元(PDU)是帧数据链路层的功能数据链路层的任务是把网络层的数据组合成帧，加上一定的校验，然后交物理层用某种信号表示二进制数据位送到目的计算机，并通过目的计算机的物理层和数据链路层送到网络层，也就是为网络层提供一条可靠的数据链路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

2、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是帧相连、物理链路和数据链路所谓相连，可以理解为物理的连接，但当采用多路复用技术时也可以是信道连接。其特征是传输的数据是顺序的物理链路：一段无源的点到点的物理连接，中间没有任何交换节点数据链路：一条物理连接加上为实现数据的传输，两端配置的硬件和相关的通信协议数据的可靠传输保证直接相连的两台主机的可靠性传输将传输的信息组合成帧校验和重发流量控制第3章 数据链路层定义，功能数据帧的组成可靠性传输数据链路层示例数据帧的组成 封装成帧(framing)就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

3、帧。 首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界。确定帧的界限帧结束帧首部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数据帧的组成帧的组成必须保证能识别一个完整的帧，并保证一旦出现传输差错导致前一个帧丢失，也必须能识别下一个帧，即再同步字符计数法带字符填充的首尾界符法带位填充的首尾标志法物理层编码违例法字符计数法假设帧的长度用一个字节表示，作为帧的头部帧长度计数第1帧第4帧第3帧第2帧51234567898012345687890123帧长度计数错51234367898012345687890123第1帧第2帧第3帧第4帧Tnbm P188 Fig. 3-4 字符计数成帧法

4、一旦帧长度计数被误读，将无法再同步，所以很少采用数据帧的组成帧的组成必须保证能识别一个完整的帧，并保证一旦出现传输差错导致前一个帧丢失，也必须能识别下一个帧，即再同步字符计数法带字符填充的首尾界符法带位填充的首尾标志法物理层编码违例法带字符填充的首尾界符法用特殊的字符作为帧头和帧尾FLAG HeaderPayload fieldTrailer FLAGTnbm P189 Fig. 3-5 (a) 由Flag标志的一个帧这是一种面向字符的帧格式，所传输的数据都是字符（ASCII或EBCDIC字符），但帧中不允许出现帧界符标志，在面向字符的串型通信中常使用这种格式(PPP)接收方一旦丢失了一个FL

5、AG，只要继续搜索下一个FLAG，就可重新确定帧边界，即具有再同步能力面向字符的帧格式面向字符的帧格式不适宜传输数据中包含二进制数的帧，因为在包含二进制数的帧中很可能出现FLAG的字符（通常FLAG用ASCII字符7EH定义）一种方法是在二进制数中偶然出现的FLAG前再插入一个ESC（ASCII字符1BH），这就称为字符填充法41 33 7E 9C 4B 0C41 33 1B 9C 4B 0C41 33 1B 7E 9C 4B 0C41 33 1B 1B 9C 4B 0C41 33 1B 7E 9C 4B 0C41 33 1B 1B 9C 4B 0C41 33 1B 1B 1B 7E 9C 4

6、B 0C41 33 1B 1B 1B 1B 9C 4B 0C数据帧的组成帧的组成必须保证能识别一个完整的帧，并保证一旦出现传输差错导致前一个帧丢失，也必须能识别下一个帧，即再同步字符计数法带字符填充的首尾界符法带位填充的首尾标志法物理层编码违例法带位填充的首尾标志法字符并非都是8位的，东方文字是16位的，UNICODE是16位的在面向二进制位的同步串型通信中常使用带位填充的首尾标志格式，如HDLC这是一种面向二进制位的帧格式，把所有需传输的数据（不论是字符或表示一个浮点数的二进制位串，还是一个MP3的文件）一字排开，并以特殊的位模式01111110作为帧标志，即一个帧的开始（同时标志前一个帧的

7、结束）如果由于干扰，一个帧标志没有正确接收，则继续扫描接收串，一旦扫描到01111110，即新的一帧从此开始，即具有再同步能力面向bit的帧格式当帧中出现一个与帧标志相同的位串01111110，则在5个1后插入一个0，即变成01111101，接收方将自动删除第5 个1后的0这称为位插入法，也称为透明传输011011111111111111110010011011111011111011111010010011011111111111111110010Tnbm P190 Fig. 3-6 (a) (b) (c) 位插入法示例数据帧的组成帧的组成必须保证能识别一个完整的帧，并保证一旦出现传输差错导

8、致前一个帧丢失，也必须能识别下一个帧，即再同步字符计数法带字符填充的首尾界符法带位填充的首尾标志法物理层编码违例法物理层编码违例法在曼切斯特编码中，连续高电平或连续低电平可用作帧边界采用冗余编码技术，如曼切斯特编码，即两个采样脉冲才可得到一个二进制位数据0：低-高电平对数据1：高-低电平对高-高电平对和低-低电平对没有使用，如在二进制编码中出现称为编码违例，但这两种违例编码可用作帧边界，在令牌环网中使用编码违例格式第3章 数据链路层定义，功能数据帧的组成可靠性传输数据链路层示例可靠性传输差错控制：校验、重发和序号避免帧错误的保证：帧的校验避免帧丢失的保证：超时和重发避免帧重复的保证：帧有序号流

9、量控制：窗口协议发送方和接收方之间的协调差错控制如何保证数据帧的正常传输：通过三种手段处理三种可能出现的情况 ：确认数据帧丢失重复帧确认接收方在收到了正确的帧后向发送方发肯定性确认。如收到的帧有问题，则发否定性确认，此时发送方将重发此帧确认的前提是必须经过差错检测差错检测和校正u超时只是传输出错的一种情况，更多的传输出错是数据中的一位或几位因噪声干扰而出错u噪声分两种：信道所固有的、持续存在的随机热噪声外界突发原因而造成的冲击噪声u通常接收方应能检错，甚至纠错u纠错码是除m个数据位外增加r个冗余位作为纠错位，整个长度为n = m + r纠错码和检错码纠错码：海明（Hamming） 码检错码：校

10、验和（Check Sum）块校验码（Block Check Code）循环冗余检错码 CRC（Cyclic Redundancy Check）循环冗余检错码 CRCl任何一个k位的帧看成为一个k-1次的多项式M(x)如：1011001看成x6+x4+x3+x0l设定一个多项式编码生成多项式G(x)，G(x)为r阶，krl如xrM(x)/G(x) = Q(x) + R(x)/G(x) 其中Q(x)为商、R(x)为余数， 比除数 G 少1 位，R(x)即为M(x)的CRC码l将CRC码接在帧后一起发送，即发送数据为xrM(x) + R(x)二进制运算中，减法和加法做异或运算：0-1=1,1-1=0

11、 （前面一位不受影响）（前面一位不受影响）l因为( xrM(x) - R(x) )一定能被G(x)整除，即余数为0，则接收方只要计算的余数为0即为正确CRC码计算举例如一帧为1101011011即：M(x)= x9+x8+x6+x4+x3+x+1G(x)=x4+x+1T(x)= x4M(x)=x4(x9+x8+x6+x4+x3+x+1)=x13+x12+x10+x8+x7+x5+x4CRC码计算举例（续1）帧：1101011011除数：100111 1 0 0 0 0 1 0 1 01 0 0 1 1 1 1 01 0 01 01 0110001111 1 0 1 1 0 0 0 011000

12、0000000010100 0000000100001000101100000010101010110001100011000010100110011 00 01 1 1 0余数实际传输帧：1101011011 1110帧数据余数CRC码计算举例CRC码计算举例（续2）11010110110000/10011= 1100001010 1110即11010110110000 + 1110能被10011整除（模2运算的加、减和异或，其运算结果相同）如发送方发送的T(x)，接收方收到的是T(x)+E(x)，除非E(x)是G(x)的整倍数，否则不能被整除，即都能被检测到已出错三个生成多项式国际标准CR

13、C-12：x12+ x11+ x3+ x2+ x1+ 1用于字符长度为6位CRC-16 ： x16+ x15 + x2 + 1用于字符长度为8位CRC-CCITT ：x16+ x12 + x5 + 1用于字符长度为8位差错控制如何保证数据帧的正常传输：通过三种手段处理三种可能出现的情况 ：确认数据帧丢失重复帧数据帧丢失通过发送方计时器（超时）解决超时（TimeOut）：在传输过程中，所发送的帧丢失，接收方根本没有收到，不可能发送确认帧（包括否定性确认），而发送方正在等待接收方的确认帧，当然也不可能等到接收方的回音。所以，发送方一旦发送一帧，就启动一计时器，在规定的时间内，一般都应收到回音，如收

14、不到回音，则在计时器溢出时，再重发此帧差错控制如何保证数据帧的正常传输：通过三种手段处理三种可能出现的情况 ：确认数据帧丢失重复帧重复帧重发机制也包括当接收方发送的确认帧丢失而导致发送方的重发由于接收方确认帧的丢失，导致发送方多次发送同一帧，接收方也将多次收到同一帧，要能区别是否是同一帧，则每帧都应有一个帧的编号可靠性传输差错控制：校验、重发和序号避免帧错误的保证：帧的校验避免帧丢失的保证：超时和重发避免帧重复的保证：帧有序号第3章 数据链路层定义，功能数据帧的组成可靠性传输数据链路层示例数据链路层示例HDLC 高级数据链路控制因特网中的数据链路层SLIP - 串型线路IPPPP - 点对点协

15、议HDLC 的基本工作原理最早由IBM SNA提出SDLC（Synchronous Data Link Control）ISO根据SDLC，提出了HDLC（Highlevel Data Link Control）是面向bit的同步通信协议因特网中的数据链路层SLIP -串型线路IP（Serial Line IP ）PPP - 点对点协议（Pointe to Point Protocol）SLIP - 串型线路IPSLIP - 串型线路IP（Serial Line IP ）协议简单，无差错控制，只适用于IP，通信的每一方必须事先知道对方的IP地址，只支持低速的业务（19.2K）未成为标准，不详细

16、介绍因特网中的数据链路层SLIP -串型线路IP（Serial Line IP ）PPP - 点对点协议（Pointe to Point Protocol）PPP - 点对点协议PPP - 点对点协议（Pointe to Point Protocol）PPP的功能PPP的组成部分PPP的帧格式PPP的链路控制协议PPP的工作过程PPP的功能PPP是Internet标准（RFC1661 1662 1663）处理错误监测支持多种协议（IP、IPX、DECnet等）连接时允许协商IP地址允许身份认证PPP - 点对点协议PPP - 点对点协议（Pointe to Point Protocol）PPP

17、的功能PPP的组成部分PPP的帧格式PPP的链路控制协议PPP的工作过程PPP的组成部分PPP提供了串行点对点链路上传输数据报的方法，包括以下三个部分：串行链路上封装数据报的方法。既支持异步链路，也支持面向bit的同步链路扩展的链路控制协议（Link Control Protocol -LCP），用于建立、配置和测试数据链路的连接网络控制协议（NCP）簇，支持各种网络层协议PPP - 点对点协议PPP - 点对点协议（Pointe to Point Protocol）PPP的功能PPP的组成部分PPP的帧格式PPP的链路控制协议PPP的工作过程PPP的帧格式PPP的帧格式类似于HDLC，但是面

18、向字符的协议（以字节为单位）1标志011111101地址111111111控制000000111/2协议可变有效载荷2/4校验和1标志01111110标志域：固定为01111110，与HDLC相同地址域：固定为11111111控制域：缺省为00000011，即无序号帧（即毋需确认）协议域：不同的协议不同的代码载荷域：可变长，缺省最长1500字节校验和：缺省为2字节，也可定义为4字节，仅是头部的校验和由于地址域和控制域基本固定，所以在LCP中省略PPP - 点对点协议PPP - 点对点协议（Pointe to Point Protocol）PPP的功能PPP的组成部分PPP的帧格式PPP的链路控

19、制协议PPP的工作过程PPP的链路控制协议LCPPPP的LCP （Link Control Protocol）提供了建立、配置、维护和终止点对点链接的方法LCP的过程按以下四个阶段进行：链路的建立和配置协调链路质量检测网络层协议配置阶段关闭链路LCP帧的类型LCP帧的类型有三种 ：链路建立帧：建立和配置链路链路终止帧：终止链路链路维护帧：管理、维护链路PPP - 点对点协议PPP - 点对点协议（Pointe to Point Protocol）PPP的功能PPP的组成部分PPP的帧格式PPP的链路控制协议PPP的工作过程PPP的工作过程发送端PPP首先发送LCP帧，以配置和测试数据链路在LC

20、P建立好数据链路并协调好所选设备之后，发送端 PPP发送NCP帧，以选择和配置一个或多个网络协议当所选的网络层协议配置好后，便可将各网络层协议的分组发送到数据链路上配置好的链路将一直保持通信状态，直到LCP帧或NCP帧明确提示关闭链路，或有其它的外部事件发生（如用户干预等）一次使用PPP协议的过程1. 初始状态2. 建立连接：建立成功到3)，否则到1)3. 选项协商：协商成功到4)，否则到7)4. 身份认证：认证成功到5)，否则到7)5. 配置网络：网络配置完后到6)6. 数据传输：数据传输完后到7)7. 释放链路：回到1)一次使用PPP协议的状态图死线路检测到线路丢弃掉两边认可选项NCP配置

21、身份认证成功身份认证失败打开建立失败终止网络完成Fig. 3-28建立/取消线路的简化阶段流程图多点访问链路和协议多点访问链路和协议有三种类型的 “链路”: 点对点 ( e.g. PPP, SLIP) 广播式 (共享线路或介质; e.g, 以太网, 无线网, etc.) 交换式 (e.g., 交换式以太网, ATM etc)数据链路层的两个子层 为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，802 委员会就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

22、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 信道分配问题 静态划分信道 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 CSMA、CSMA/CD 受控接入 如多点线路探询(polling)，或轮询。 l静态分配的问题延迟时间长信道利用率低载波监听多点接入/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

23、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。 所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”,就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。 每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送。CSMA/CD的要点 在一帧传输完成后的时刻t0t0，想要发送的站点都可以尝试发送。 如两个或多个站点同时发送则发生冲突判断出冲突后，立即停止发送，并延时一个随机时隙数后，通常其中的一个站点将发送成功。 CSMA/CDCSMA/CD的概念模型

24、：帧帧t0帧传输周期竞争周期空闲周期时间帧竞争时隙一旦冲突，则放弃并随机延时 当某个站监听到总线是空闲时，也可能总线并非真正是空闲的。 A 向 B 发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到 B。 B 若在 A 发送的信息到达 B 之前发送自己的帧(因为这时 B 的载波监听检测不到 A 所发送的信息)，则必然要在某个时间和 A 发送的帧发生碰撞。 碰撞的结果是两个帧都变得无用。ABt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 ABt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

25、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 争用期 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。 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。 端到端往返时延 2 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。 冲突后的避让算法 二进制指数后退算法 发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟（退避

26、）一个随机时间才能再发送数据。 确定基本退避时间，一般是取为争用期 2。 定义重传次数 k ，k 10，即 k = Min重传次数, 10 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。 当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。 二进制指数后退算法举例在一个时隙的起始处，两个CSMA/CD站点同时发送一个帧。求前4次竞争都冲突的概率?第一次竞争冲突的概率为1；第一次冲突后，A、B都将在等待0个或1个时隙之间选择，选择的组合有：00、01、10、11，共4种，其中00和11将再次冲突，所以第二次竞争时，冲突的概率为0.5第

27、二次冲突后：A、B都将在0、1、2、3之间选择，选择的组合有：00、01、02、03、10、11、12、13、20、21、22、23、30、31、32、33共16种，其中00、11、22、33将再次冲突，所以第三次竞争时，冲突的概率为0.25第三次冲突后：A、B都将在0、1、2、3、4、5、6、7之间选择，选择的组合共有64种，其中00、11、 、77将再次冲突，所以第四次竞争时，冲突的概率为0.125前四次竞争都冲突的概率为：1 x 0.5 x 0.25 x 0.125 = 0.015625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； 再继续发送若干比特的人为干扰信号(

28、jamming signal)，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。 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。冲突的检测信号电平法基于基带传输。两个帧信号叠加后，电压大一倍过零点检测法用曼切斯特编码时，零点在每比特的正中央。有干扰时，则可能偏移自收发检测法在发送数据的同时也在接收，并逐比特比较讨论LAN 技术编址以太网（Ethernet）集线器、网桥、交换机LAN地址32位的IP地址: 网络层 地址 用于从目的网络获取分组 -参

29、见 IP 地址定义 LAN (或MAC 或物理) 地址: 用来(在同一网络中)物理上互相连接的接口之间获取分组（或帧） 48 位MAC 地址 -(绝大部分 LANs) 烧制在适配器的 ROM中LAN地址每个 LAN上的网卡都有具唯一性的LAN 地址48 位的 MAC 地址 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)。 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224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

30、上就是适配器地址或适配器标识符EUI-48。 IEEE规定地址字段的首字节最低位为I/G比特，最低第2位为G/L字段。 I/G0表示一个单站的地址 I/G1表示一个组地址 G/L0表示局部管理 G/L1表示全局管理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。以太网 MAC 帧物理层MAC层10101010101010 10101010101010101011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 源地址类型数 据FCS6624字节46 1500

31、IP 数据报MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报源地址字段 6 字节MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报类型字段 2 字节类型字段用来标志上一层使用的是什么协议，以便把收到的 MAC 帧的数据上交给上一层的这个协议。 MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报数据字段 46 1500 字节数据字段的正式名称是 MAC 客户数据字段最小长度 64 字节 18 字节的首部和尾部 = 数据字段的最小长度 FCS

32、 字段 4 字节当传输媒体的误码率为 1108 时，MAC 子层可使未检测到的差错小于 11014。 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。 为什么帧的最短长度为64个字节为了确保帧的第一位未被冲突而正确到达终点，必须保证可能的冲突信号返回时尚未发送结束，因为如在2 内发送完毕，则无法检测冲突在极限条件下，一个局域网中两个收发器间（允许接4个中继器）的最大距离为2500 m，往返5000 m，同轴电缆的时延特性为5 s/km（相当于电磁波以2/3的光速在电缆上传播），即如遇冲突，端到端并返回的时延为25 s

33、。然而，这是理想的时延，考虑到中继器的额外时延，最坏的情况下取估计时延为45 s，再加上强化冲突需发送48 bit，接收方要接收到48 bit后才确认冲突，即再增加4.8 s，共49.8 s，所以通常以太网取51.2 s为争用期的时间长度（传输512bit，即64字节的时间），即帧的长度至少为64个字节以太网（Ethernet）“统治” LAN的技术: 便宜， ￥50 for 100Mbs! 最早被广泛应用的 LAN 技术 较为简单, 比 token LANs 和ATM便宜 赶上了速率竞赛的步伐: 10, 100, 1000 Mbps Metcalfes Etheretsketch以太网技术规

34、范举例: 10Base2p10: 10Mb/s;pBase: 基带传输p2: 最大电缆长度在 200米以下p在总线拓扑结构中使用细同轴电缆p中继器用来连接多个网段(4中继器，5个网段)p中继器为物理层设备：将其在一个接口上收到的位流复制到所有其他接口上发送!以太网技术: 10Base2以太网技术: 10Base5以太网技术: 10BaseT第6讲 数据链路层之二10BaseT/100BaseT自适应网络 10/100 Mb/s传输速率; 后者被称为 “快速以太网” T: 代表双绞线（ Twisted Pair） 所有结点通过双绞线连接到集线器（Hub）,物理上呈现出 “星型拓扑” CSMA/C

35、D 算法在集线器（Hub）中实现 从结点到集线器的最长距离为 100米 集线器可以与发生故障的适配器断开而不影响其他 100BaseT保持以太网最短帧格式不变，但是一个网段的最大缆长减小到100米 需要注意：网卡、网线规格、集线器技术参数的匹配千兆以太网（Gbit Ethernet） 使用标准以太网帧格式, 与10Mb/100Mb技术兼容 可以应用在点对点链路和广播式信道上 在共享模式下,使用 CSMA/CD ; 结点间的最长距离为100米-“载波延伸” 使用集线器,在这里称为 “缓冲式分配器（Buffered Distributors）” 在点对点链路中可采用1 Gb/s全双工通信方式扩展的

36、局域网：集线器（Hubs） 物理层设备: 本质上是工作在位流层面上的中继器: 将接收到的位流在所有其他接口上复制发送 集线器可以按照层次结构“级联” ,把骨干 （backbone ）集线器置顶端 用多个集线器可连成更大的局域网 某大学有三个系，各自有一个局域网三个独立的碰撞域一系二系三系碰撞域碰撞域碰撞域 用集线器组成更大的局域网都在一个碰撞域中一系三系二系主干集线器一个更大的碰撞域碰撞域集线器(续) 每个被连接的 LAN称为 LAN网段（ segment） 集线器不隔离碰撞域: 任意LAN网段中的结点都可能与其他网段中的结点发生冲突 集线器的优点: 简单,廉价设备 多层结构提供了一个性能略微

37、降低较大的互联LAN: 即使一个集线器故障，部分 LAN结点仍可以继续工作 扩展了结点间的距离 (每个Hub 100m) 集线器的局限集线器的局限 单一的冲突域导致了最大吞吐量不可能增加 多层结构的吞吐量实际与单个网段相同 对单个 LAN中同样的冲突域的限制也强加到了所有新近加入到这个互联LAN的结点上 不能连接不同类型的以太网 (e.g., 10BaseT 和 100baseT) 扩展的局域网：网桥(Bridge) 链路层设备: 使用以太网帧工作, 检查帧的首部的信宿地址后，选择性的进行转发 数据链路层：网桥网桥和和传统交换机传统交换机 网桥根据 MAC 帧的目的地址对收到的帧进行转发。具有

38、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 由于网桥可以缓存帧，网桥可以隔离碰撞域 当在网段间转发帧时,网桥使用 CSMA/CD方式访问网段并进行传输 网桥使各网段成为隔离开的碰撞域 B2B1碰撞域碰撞域碰撞域ABCDEF扩展的局域网：网桥(续) 网桥优点: 隔离冲突域使得网络的最大总吞吐量提高, 对接入的结点数和地理覆盖的范围没有限制 由于是存储转发设备，所以可以连接不同的以太网 透明: 不需要改变主机的LAN网络接口适配器 网桥过滤帧 同LAN网段内传输的帧不转发到其他的LAN网段 转发: 如何知道那个

39、LAN网段在哪，如何转发? 看起来好像是路由选择问题 (只不过距离短一点!)网桥的内部结构 转发表接口管理 软件网桥协议 实体缓存接口 1接口 2网段 B网段 A111222站地址 接口网桥网桥接口 1接口 212 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。 所谓透明网桥，是指把网桥与相关的网络在物理上连接后，不需要做任何配置，即可实现网络互联的数据链路层设备透明网桥 若从 A 发出的帧从接口 x 进入了某网

40、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。网桥应当按照以下自学习算法处理收到的帧和建立转发表 /过滤表地址 接口转发表的建立过程举例B2B1ABCDEF1212地址 接口B 1B AA BA 1F CF 2A BA 1F CF 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。因为以

41、太网的拓扑可能经常会发生变化，站点也可能会更换适配器（这就改变了站点的地址）。另外，以太网上的工作站并非总是接通电源的。把每个帧到达网桥的时间登记下来，就可以在转发表中只保留网络拓扑的最新状态信息。这样就使得网桥中的转发表能反映当前网络的最新拓扑状态。 网桥在转发表中登记以下三个信息 网桥的自学习和转发帧的步骤归纳 网桥收到一帧后先进行自学习。查找转发表中与收到帧的源地址有无相匹配的项目。如没有，就在转发表中增加一个项目（源地址、进入的接口和时间）。如有，则把原有的项目进行更新。 转发帧。查找转发表中与收到帧的目的地址有无相匹配的项目。 如没有，则通过所有其他接口（但进入网桥的接口除外）按进行

42、转发。 如有，则按转发表中给出的接口进行转发。 若转发表中给出的接口就是该帧进入网桥的接口，则应丢弃这个帧（因为这时不需要经过网桥进行转发）。网桥自学过程: 举例假设 C 给D发送帧， D再用帧对C进行应答rC 发送帧发送帧, 网桥没有网桥没有D的资料的资料,因此在两个因此在两个LAN进行泛洪进行泛洪 网桥注意网桥注意C是在是在1#端口端口位处上部的位处上部的LAN将该帧忽略将该帧忽略 LAN D接收到了该帧接收到了该帧 网桥的自学过程: 举例rD 产生了给产生了给 C的应答的应答, 并发送并发送 m网桥注意到了网桥注意到了D发出的帧发出的帧 m网桥查出网桥查出D处在处在2#接口上接口上 m网

43、桥已知网桥已知 C 在在1#接口上接口上,所以所以有选择的有选择的 通过通过1#接口接口转发转发 为增强可靠性, 一般希望有一些冗余,比如在信源、信宿间设立具有可替换的路径 如果同时有了多条路经，就有可能产生循环 网桥会产生成倍的帧并永远转发下去 解决办法: 将网桥组织成为生成树，其具体做法是把将部分网桥的部分接口暂时加以封锁透明网桥使用了生成树算法 局域网 2局域网 1网桥 2网桥 1 AF不停地兜圈子A 发出的帧F1网桥 1 转发的帧F2网桥 2 转发的帧网络资源白白消耗了多端口网桥：以太网交换机p97 使用LAN地址在链路层转发、过滤帧 (frame) 交换:可同时实现A-to-B 和A

44、-to-B 的数据传输, 不会产生冲突 接口数量较多 一般情况: 各个主机,呈星状同交换机连接 是以太网（Ethernet）, 但不会冲突!以太网交换机 直通交换（cut-through switching）: 在帧头地址确认后，帧被从输入直接导向输出端口，而不必等到整个帧接收完毕后在转发 可以减少等待时间 可以将共享/专用的 10/100/1000 Mb/s接口集于一身以太网交换机 (续)DedicatedShared交换机的用法交换机的用法(以以100/10Mbps网络交换机为例网络交换机为例)： (1) 端口下接站点：站点独占端口下接站点：站点独占10Mb/s带宽带宽 (2) 端口下接网

45、段：网段中所有站点共享端口下接网段：网段中所有站点共享10Mb/s带宽带宽 (3) 上行端口：连接主要共享资源上行端口：连接主要共享资源-服务器服务器100Mb/s共享共享10M独享独享10M共享共享10M独享独享100M网络交换机网络交换机SwitchHUBHUBHUBHUBHUB局域网的广播域局域网的广播域（共享域、冲突域）所有主机均在192.168.25.0网段，掩码为255.255.255.0局域网的广播域（续）局域网的广播域（共享域、冲突域）HUBHUBHUB所有主机均在192.168.25.0网段，掩码为255.255.255.0冲突域广播域局域网的网段分隔使用网桥和交换机来分隔网

46、段缩小冲突域HUB分成3个网段所有主机均配置在192.168.25.0子网掩码为255.255.255.0HUBSwitchHUB局域网的网段分隔（续）使用网桥和交换机来分隔网段分成3个网段所有主机均配置在192.168.25.0子网掩码为255.255.255.0HUBSwitchHUB缩小冲突域冲突域广播域HUB局域网的子网划分局域网中使用路由器来划分子网并与Internet连接HUBNet1:192.168.25.0掩码为255.255.255.0HUBNet3:192.168.30.0掩码为255.255.255.0Internet路由器的每个端口都连接一个子网SwitchNet2:1

47、92.168.28.0掩码为255.255.255.0RouterHUBNet1:192.168.25.0掩码为255.255.255.0HUBNet3:192.168.30.0掩码为255.255.255.0Internet局域网的子网划分（续）局域网中使用路由器来划分子网并与Internet连接路由器的每个端口都连接一个子网RouterSwitchNet2:192.168.28.0掩码为255.255.255.0冲突域广播域网段和子网网段（一个网段即一个冲突域）将若干个网络（网段）通过交换机（网桥）连接，以增加网络内的主机数并扩大覆盖范围，交换机（网桥）的每个端口连接一个网段，网段是链路层

48、概念一个网段内的主机为一个冲突域，所有的主机是一个广播域，不同网段的主机间的通信则由交换机（网桥）负责转发或扩散子网（一个子网即一个广播域）将若干个网络（子网）通过路由器连接，以实现网络的互联并组成一个更大的网络，路由器的每个端口连接一个子网，子网是网络层概念一个子网就是一个广播域，子网间的通信必须由路由器控制虚拟局域网VLAN(p98) VLAN是一个广播域，是由一些局域网网段构成的 与物理位置无关的逻辑组 便于进行网络的管理 增强了网络安全性 抑制广播数据的泛滥 减少了处理用户站点移动所带来的开销q一个VLAN就好像是一个孤立的网段，VLAN间不能 直接通信，实现VLAN间互联必须借助于路由器。 一个VLAN是一个广播域。两个分离的广播域两个分离的广播域HUBHUBHUBHUBSwitch财务室财务室开发部开发部财务室财务室开发部开发部合并广播域既有好处，但也