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第三章数据链路层与

局域网技术第三章数据链路层与

局域网技术第3章数据链路层与局域网技术

数据链路层是OSI/RM参考模型中的第二层，它以物理层为基础，向网络层提供可靠的服务。本章主要介绍局域网和广域网数据链路层的工作原理，以及局域网的体系结构与应用技术，广域网的接入技术。

第3章数据链路层与局域网技术数据链路层是OSI/RM3.1数据链路层工作原理3.1.1数据链路层的功能

1．数据链路层的基本概念

链路指一条无源的点到点的物理线路，中间不存在交换节点。

数据链路除了具备一条物理线路外，还必须有一些必要的规程来控制其中数据的传输。实现两个相邻节点通信时，所执行协议的硬件和软件及链路就构成了数据链路。3.1数据链路层工作原理3.1.1数据链路层的功能3.1.1数据链路层的功能1．数据链路层的基本概念链路与数据链路的差别。3.1.1数据链路层的功能1．数据链路层的基本概念3.1.1数据链路层的功能1．数据链路层的基本概念

链路可能出现差错，所以是不可靠的；而数据链路因为包含软件，出现差错后可通过软件进行纠正，所以数据链路是可靠的。3.1.1数据链路层的功能1．数据链路层的基本概念3.1.1数据链路层的功能2．数据链路层的功能数据链路层的基本功能是在不太可靠的物理链路上实现可靠的数据传输，使得高层协议可以把链路层通道看成是无差错的理想信道。

3.1.1数据链路层的功能2．数据链路层的功能3.1.1数据链路层的功能2．数据链路层的功能数据链路层的主要功能如下：链路管理帧的构成与同步流量控制差错控制区分数据和控制信息透明传输寻址异常情况处理3.1.1数据链路层的功能2．数据链路层的功能链路管理区3.1.1数据链路层的功能3．数据链路层协议类型数据链路层协议也称为通信控制规程。通信控制规程可分为面向字符型和面向比特型两大类。3.1.1数据链路层的功能3．数据链路层协议类型3.1.1数据链路层的功能3．数据链路层协议类型面向字符型规程：面向字符就是在链路上所传送的数据必须是由规定字符集（如ASCII）中的字符组成。面向比特型规程：在面向比特型通信控制规程中，数据和控制信息完全独立，具有良好的透明性。计算机网络采用面向比特的数据链路层规程。3.1.1数据链路层的功能3．数据链路层协议类型3.1.2差错控制1．差错产生的原因传输差错是指接收数据与发送数据不一致的现象。差错控制是在数据通信过程中，检测出差错，并对差错进行纠正，从而把差错控制在数据传输所允许的尽可能小的范围内。差错产生的原因主要是噪声。信号在传输过程中受到热噪声和冲击噪声的干扰，造成信号幅度、频率和相位的衰减或畸变（又称为失真）。3.1.2差错控制1．差错产生的原因3.1.2差错控制2．差错控制方法差错控制的基本策略是进行差错控制编码。差错控制编码可分为检错码和纠错码，其中检错码能自动发现出现差错的编码。纠错码指不仅能发现差错而且能自动纠正差错的编码。差错控制的方法主要有：自动请求重发（ARQ）前向纠错（FEC）反馈检验。3.1.2差错控制2．差错控制方法3.1.2差错控制3．奇偶校验

奇偶校验是一种检错编码．它的原理：先将所要传送的数据分组（一般含校验位共8位），在各组的数据后面附加一位校验位，使得该组码连校验位在内的码字中，“1”的个数为偶数个（偶校验），或“1”的个数为奇数个（奇校验）。接收方对接收的二进位中“1”的个数进行统计，如果与规定不符，则表明发生了差错。3.1.2差错控制3．奇偶校验3.1.2差错控制4．循环冗余校验CRC

循环冗余码（CRC）是计算机网络中用最广泛的一种检错码。CRC码又称为多项式码，这是因为任何一个由二进制数组成的代码都可以和一个只含有0和1两个系数的多项式G（x）建立一一对应的关系。CRC校验的基本思想是：把整个数据块当成一个连续的二进制数据，从代数上看是一个报文多项式，在发送时将数据块多项式用另一个多项式来除，余数作为校验码附在帧尾一起发送。接收方对传送过来的码用同一生成多项式去除，能除尽则说明传输正确，若有余数，则传输出错。3.1.2差错控制4．循环冗余校验CRC3.1.2差错控制5．海明码海明（Hamming）码是一种纠错码，它能够纠正一位错码，而且编码效率较高，使用海明码可以纠正突发性错误。海明码具有以下特点：如果两个码字之间的码距为d，则需要d个比特就可以把一个码字转换成另一个码字；为了检查出d个错误（单比特错），需要使用的码距为：d+1个编码；为了纠正d个错误，需要使用码距离为2d+1的编码。3.1.2差错控制5．海明码3.1.2差错控制5．海明码海明码工作过程如下：每个码字到来之前，接收方计数器清零；接收方检查每个校验位k（k=1，2，4…）的奇偶值是否正确；若第k位奇偶值不对，计数器加k；所有校验位检查完后，若计数器值为0，则码字有效；若计数器值为m，则第m位出错。3.1.2差错控制5．海明码3.2广域网数据链路层工作原理3.2.1HDLC高级数据链路控制规程1974年，IBM公司推出了SNA网络体系结构，SNA的数据链路层规程采用了面向比特的规程SDLC（串行数据链路控制）。ISO把SDLC修改后称为HDLC（高级数据链路控制）国际标准ISO3309，我国相应的国家标准是GB7496。ITU则将HDLC再修改后称为LAP（链路接入规程），并作为X.25建议书的一部分。3.2广域网数据链路层工作原理3.2.1HDLC高级3.2.1HDLC高级数据链路控制规程1．链路配置类型HDLC支持的链路配置有非平衡配置与平衡配置两种基本类型。3.2.1HDLC高级数据链路控制规程1．链路配置类型3.2.1HDLC高级数据链路控制规程2．数据传送方式HDLC可提供三种数据传输方式。正常响应方式NRM。异步响应方式ARM。异步平衡方式ABM。3.2.1HDLC高级数据链路控制规程2．数据传送方式3.2.1HDLC高级数据链路控制规程3．HDLC的帧结构一个HDLC帧由标志、地址、控制、信息及帧校验等5个字段组成。HDLC有三种帧类型，由控制字段加以区分。3.2.1HDLC高级数据链路控制规程3．HDLC的帧结3.2.1HDLC高级数据链路控制规程4．HDLC通信过程HDLC是典型的面向连接的全双工通信，在进行数据交换时首先需要建立数据链路，然后传输数据，最后释放数据链路。3.2.1HDLC高级数据链路控制规程4．HDLC通信过3.2.2因特网数据链路层协议PPP

1．电话拨号接入用户接人因特网有两种方法：一种是个人用户通过电话线路拨号接入因特网，这种方式下用户不需要申请IP地址。另一种是使用专线接入因特网（多为企业或单位），这种方式下用户一般需要申请IP地址。在拨号接入因特网时，往往采用PPP协议或PPPoE协议，而专线用户往往很少采用PPP协议。3.2.2因特网数据链路层协议PPP1．电话拨号接入3.2.2因特网数据链路层协议PPP

1．电话拨号接入用户接人因特网有两种方法：3.2.2因特网数据链路层协议PPP1．电话拨号接入3.2.2因特网数据链路层协议PPP

2．SLIP串行链路网际协议SLIP（串行链路网际协议）是一个简单的面向字符的协议。SLIP协议很简单，拨号计算机在线路上发送原始的IP包，前后面跟特殊的标志字节就可以了。SLIP协议有以下缺点。SLIP没有差错检测功能。通信的每一方必须事先知道对方的IP地址。SLIP协议仅支持IP协议。SLIP并未成为因特网的标准协议。SLIP主要用于低速（不超过19.2kbit/s）通信性业务。3.2.2因特网数据链路层协议PPP2．SLIP串行链3.2.2因特网数据链路层协议PPP

3．PPP点对点协议点对点协议（PPP），它是一个Internet链路层协议。PPP可以进行错误检测，支持多种协议，连接时允许商议IP地址，允许身份验证。但是，PPP协议不提供使用序号和确认的可靠传输。3.2.2因特网数据链路层协议PPP3．PPP点对点协3.2.2因特网数据链路层协议PPP

3．PPP点对点协议PPP协议由以下三个部分组成。一个将IP数据报封装到串行链路的方法。PPP既支持异步链路（无奇偶校验的8比特数据），也支持面向比特的同步链路。一个用来建立、配置和测试数据链路连接的链路控制协议（LCP）。通信双方可协商一些选项。一套网络控制协议（NCP），支持不同的网络层协议，如IP、OSI的网络层等。3.2.2因特网数据链路层协议PPP3．PPP点对点协3.2.2因特网数据链路层协议PPP

4．PPP帧格式PPP帧的前3个字段和最后两个字段和HDLC的格式是一样的。标志字段F仍为7E，但地址字段A和控制字段C都是固定不变的，分别为FF和03。PPP是面向字符的协议，因而所有的PPP帧的长度都是整数个字节。标志F7E地址AFF控制C03协议P信息Info校验FCS标志F7E1字节1字节1字节2字节可变长度2或4字节1字节3.2.2因特网数据链路层协议PPP4．PPP帧格式标3.2.2因特网数据链路层协议PPP

5．PPP协议的状态图

3.2.2因特网数据链路层协议PPP5．PPP协议的3.3以太网数据链路层工作原理以太网（Ethernet）是最早也是应用最广泛的一种局域网类型。1980年Xerox、DEC、Intel等公司联合推出了以太网规范DIXEthernetV2。1985年IEEE802委员会在此基础上形成了IEEE802.3标准，最后由国际标准化组织采纳为国际标准ISO802.3。以太网与其他局域网相比，具有高性能、易维护、低成本等诸多优点，目前世界上95%以上的局域网均采用以太网，以太网几乎成为了局域网的代名词。

3.3以太网数据链路层工作原理以太网（Ethern3.3.1IEEE802网络体系结构1．早期局域网参考模型局域网的体系结构与广域网有很大的区别。由于局域网只是一个计算机通信网，而且早期局域网没有考虑路由选择问题，因此它没有网络层，而只有最低的两个层次。

3.3.1IEEE802网络体系结构1．早期局域网参3.3.1IEEE802网络体系结构2．IEEE802.3-2002网络体系结构1985年，在IEEE802.2标准中定义了LLC子层的功能与结构，LLC子层主要功能是屏蔽不同MAC子层（如以太网、令牌网、FDDI网等）的差异，为不同的网络层（如TCP/IP、NetBIOS、IPX/SPX等）协议提供统一的接口。

由于数据链路层只剩下了MAC子层，为了保证MAC子层与网络层的良好连接，从100M以太网开始，IEEE802.3标准针对不同的传输介质和以太网形式，制定了不同的媒体无关接口（MII）标准。3.3.1IEEE802网络体系结构2．IEEE83.3.1IEEE802网络体系结构2．IEEE802.3-2002网络体系结构

3.3.1IEEE802网络体系结构2．IEEE83.3.2以太网介质访问控制子层MAC1．MAC子层帧格式前导码PA帧首定界符SFD目标MAC地址DA源MAC地址SA长度L数据DATA帧填充PAD帧校验FCS7字节1字节6字节6字节2字节46~1500字节0~46字节4字节3.3.2以太网介质访问控制子层MAC1．MAC子层帧3.3.2以太网介质访问控制子层MAC2．MAC子层工作过程发送过程

接收过程

3.3.2以太网介质访问控制子层MAC2．MAC子层工3.3.2以太网介质访问控制子层MAC3．信道共享技术共享信道的分配有静态分配和动态分配两种方法，静态分配采用频分多路复用（FDM）或波分复用（WDM）技术，动态分配采用CSMA/CD或统计时分复用。

3.3.2以太网介质访问控制子层MAC3．信道共享技术3.3.2以太网介质访问控制子层MAC4．CSMA/CD工作原理在以太网中，信道的动态分配采用IEEE802.3标准规定的CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）协议，它是控制多个用户共用一条信道的协议，CSMA/CD协议适合于总线结构的网络。

3.3.2以太网介质访问控制子层MAC4．CSMA/C3.3.2以太网介质访问控制子层MAC4．CSMA/CD工作原理CSMA/CD协议发送数据时的工作流程如下。3.3.2以太网介质访问控制子层MAC4．CSMA/C3.3.3交换式以太网技术1．交换式以太网

采用以太网交换机构成的网络称为交换式网络。交换机是一种简单、低价、高性能和端口密集的多端口网桥交换产品。

3.3.3交换式以太网技术1．交换式以太网3.3.3交换式以太网技术2．交换式以太网的优点连接在交换机端口上的主机或网段独占本端口带宽（10/100/1000M）。被隔离的网段上的数据流不会在其他网段上广播。交换机按数据包中的MAC地址进行数据帧转发。交换机将负载很重的LAN分隔成互连的几个LAN，以减轻网络负担。交换机将网络分成小的冲突域，防止出现故障的主机或网段损害全网。交换机可以很方便地实现虚拟局域网（VLAN）。交换机可以用生成树协议（STP）来防止网络环路出现的问题。3.3.3交换式以太网技术2．交换式以太网的优点3.3.3交换式以太网技术3．交换机数据转发送方式（1）存储转发交换方式当帧从端口进入交换机时，交换机先把收到的帧暂存在该端口的高速缓存中，然后交换机根据缓存中帧的目标地址查找交换机的端口地址表，然后将帧转发到交换机的输出端口，经过输出端口的高速缓存后，帧输出到目标站点。3.3.3交换式以太网技术3．交换机数据转发送方式3.3.3交换式以太网技术3．交换机数据转发送方式（2）直通交换方式直通交换不必将整个数据帧先缓存后再进行处理，而是在接收数据帧的同时，就立即按数据帧的目标地址决定该帧的转发端口。当输入端口接收到帧开始的6个字节（目标地址）后，交换机就根据目标地址查找端口地址表，获得输出端口后，就把整个帧导向输出端口，这样避免了存储转发交换方式中帧在交换机中的缓存时间。3.3.3交换式以太网技术3．交换机数据转发送方式3.3.3交换式以太网技术4．交换机的技术特性背板带宽时延帧碎片预防流量控制其他功能：交换机管理、端口缓冲区的大小、端口地址表大小、处理机芯片、自适应端口、全双工端口等。3.3.3交换式以太网技术4．交换机的技术特性3.3.3交换式以太网技术5．交换机与网桥的区别延迟小端口多功能强大3.3.3交换式以太网技术5．交换机与网桥的区别3.3.3交换式以太网技术6．交换机与集线器的区别集线器的主要功能是信号放大，交换机的主要功能是数据帧转发与过滤。集线器工作在物理层，交换机工作在数据链路层。集线器共享带宽，交换机独占带宽。集线器端口都在同一个冲突域，交换机端口在不同的冲突域。3.3.3交换式以太网技术6．交换机与集线器的区别3.3.4STP生成树协议1．网络拓扑结构中的环路在交换机组成的交换网络中，为了防止一个节点的失败，通常会存在冗余链路导致的网络环路。但交换环路会导致：广播风暴、同一帧的多份拷贝、不稳定的MAC地址表等问题。因此，在交换网络中必须有一个机制来阻止网络回路，而生成树协议（STP）的作用就是防止由于网络环路而导致的问题。3.3.4STP生成树协议1．网络拓扑结构中的环路3.3.4STP生成树协议2．生成树工作原理生成树协议的国际标准是IEEE802.1b。生成树协议的基本设计思想是：让交换机之间互相通信，生成一个无环路的LAN生成树，然后使用这个生成树覆盖实际的拓扑结构。运行生成树算法的交换机在规定的时间间隔（默认2s）内，通过网桥协议数据单元（BPDU）的组播帧与其他交换机交换配置信息。

3.3.4STP生成树协议2．生成树工作原理3.3.4STP生成树协议3．生成树的状态运行生成树协议的交换机上的端口，总是处于下面四个状态中的一个。阻塞：所有端口以阻塞状态启动，以防止网络回路。由生成树协议确定哪个端口转换到转发状态，处于阻塞状态的端口不转发数据，但可接受BPDU帧。监听：不转发数据帧，但可以检测BPDU帧（临时状态）。学习：不转发数据帧，学习MAC地址表（临时状态）。转发：端口能进行数据帧的转发和接收。3.3.4STP生成树协议3．生成树的状态3.3.4STP生成树协议4．生成树的重新计算当网络拓扑结构发生改变时，生成树协议自动重新进行计算，以生成新的生成树结构。当所有交换机的端口状态变为转发或阻塞状态时，意味着交换机重新计算完毕。这种状态称为会聚。3.3.4STP生成树协议4．生成树的重新计算3.4IEEE802.3系列以太网标准3.4.1早期IEEE802网络1．IEEE网络标准的发展自从1973年以太网发明后，经过20多年的发展，以太网作为局域网标准战胜了令牌总线、令牌环、FDDI、ATM等网络技术，成为局域网绝对主流标准。在以太网技术中，100Base-T是一个里程碑，它确立了以太网技术在桌面的统治地位。万兆以太网标准也是比较重要的标准，以太网技术通过这个标准，开始从局域网技术延伸到城域网中。1985年IEEE802委员会正式推出IEEE802.3标准。

3.4IEEE802.3系列以太网标准3.4.1早期3.4.1早期IEEE802网络2．令牌环网令牌环网络技术1969年由IBM公司提出，IEEE定义为IEEE802.5标准，它适用于环形网络。

令牌是一种特殊的帧，用于控制网络节点的发送权，只有持有令牌的节点才能发送数据。由于发送节点在获得发送权后就将令牌删除，在环路上不会再有令牌出现，其它节点也不可能再得到令牌，这就保证环路上某一时刻只有一个节点发送数据，因此令牌环技术不存在争用信道的现象。令牌有“忙”和“闲”两种状态。当环网正常工作时，令牌总是沿着物理环路，单向逐节点传送，传送顺序与节点在环路中的排列顺序相同。3.4.1早期IEEE802网络2．令牌环网3.4.1早期IEEE802网络3．令牌总线网令牌总线网综合了CSMA/CD与令牌环两种介质访问方式的优点，主要适用于总线型或树型网络。采用令牌总线网时，各节点共享的传输介质是总线型的，每一节点都有一个本站地址，并知道上一个节点地址和下一个节点地址，令牌传递规定由高地址流向低地址，最后由最低地址向最高地址依次循环传输，从而在一个物理总线上形成一个逻辑环。环中令牌传递顺序与节点在总线上的物理位置无关。3.4.1早期IEEE802网络3．令牌总线网3.4.1早期IEEE802网络4．FDDI光纤分布式数据接口FDDI（光纤分布式数据接口）是以光纤为传输介质的令牌环局域网，FDDI的传输速率为100Mbit/s，使用多模光纤时，站点之间的传输距离可达2km；使用单模光纤站间距离可达20km。目前FDDI网络已经淘汰。FDDI使用了比令牌环更复杂的方法访问网络。FDDI也在环内传递一个令牌，并且允许令牌的持有者发送FDDI帧。与令牌环不同的是，FDDI网络可在环内传送几个FDDI帧。3.4.1早期IEEE802网络4．FDDI光纤分布式数3.4.2100BASE以太网1．100BASE快速以太网1995年，IEEE通过了IEEE802.3u标准，它实际上是IEEE802.3标准的一个补充，原有的帧格式、接口、规程不变，新标准仍使用CSMA/CD协议，只是将帧间时间间隔从9.6μs缩短为0.96μs；最大电缆长由2.5km减小到100m。新标准规定了三种不同的物理层标准：100BASE-TX、100BASE-FX、100BASE-T4，通常将100BASE-TX和100BASE-T4称为100BASE-T。

3.4.2100BASE以太网1．100BASE快速以太3.4.2100BASE以太网2．100Base-TX100BASE-TX以太网使用2对5类双绞线，其中一对用于发送，另一对用于接收，支持全双工通信。传输速率为100Mbit/s，具有10/100M自动协商功能。交换机与主机或交换机与交换机之间的最大传输距离不超过100m。3.4.2100BASE以太网2．100Base-TX3.4.2100BASE以太网3．100Base-FX100BASE-FX以太网采用多模光纤为传输介质，使用一对光纤做信号收发，其中一根用于发送，另一根用于接收。当采用65.5μm/125μm多模光纤时，两个节点之间的传输距离为275m；采用50.5μm/125μm多模光纤时，两个节点之间的传输距离为550m；网络最大传输长度为2000m。3.4.2100BASE以太网3．100Base-FX3.4.2100BASE以太网4．100Base-T4100BASE-T4是使用4对3类双绞线时，其中2对双向传输，另2对单向传输，这样每个方向上有3对线路同时在使用。因为在3类双绞线不能处理100Mbit/s的传输速度，因此将100Mbit/s分成3个33.3Mbit/s的数据流。为减少传输的波特率，采用了8B/6T编码。1对双绞线的传输速率为25MHz×8/6=33.3Mbit/s。3.4.2100BASE以太网4．100Base-T43.4.31000BASE以太网1000M以太网仍然使用CSMA/CD协议，MAC层没有变化，帧的格式和长度也没有变化，但碰撞域减小了，物理层的传输介质和编码方式改变了，而且将10M以太网每个比特的发送时间由100ns降低到了1ns。1000M以太网与现有的10/100M以太网兼容，它的出现给ATM网络带来了严重的打击，使得ATM网络完全退出了在局域网中的竞争。3.4.31000BASE以太网1000M以太网仍3.4.31000BASE以太网IEEE802.3委员会制定了2种1000M以太网标准，它们包括四种以太网类型。IEEE802.3z标准定义了1000BASE-LX、1000BASE-SX、1000BASE-CX三种网络类型，它们统称为1000BASE-X。

1000M以太网采用基带传输，传输介质为光纤或双绞线，传输距离为25m~5000m。3.4.31000BASE以太网IEEE802.33.4.410GBASE以太网1．10G以太网在城域网中的应用1000M及以前以太网采用CSMA/CD工作机制，即带碰撞检测的载波监听多路访问技术。由于10G以太网只适用于全双工通信方式，基本应用在点到点链路上，不再共享信道，所以它不再采用CSMA/CD协议。10G以太网通过不同的编码方式或波分复用技术提供10Gbit/s的传输速度。但是，就本质而言10G以太网仍然是以太网的一种类型。3.4.410GBASE以太网1．10G以太网在城域网中3.4.410GBASE以太网1．10G以太网在城域网中的应用

10G以太网为了与传统以太网兼容，采用了传统以太网的帧格式来承载业务。为了在城域网的SDH链路进行10Gbit/s的高速传输，也可以采用OC-192c的帧格式进行传输。但是这需要在物理子层实现从以太网帧到OC-192c帧格式的映射功能。同时，由于以太网原设计是面向局域网的，所以网络管理功能较弱，传输距离短并且其物理线路没有任何保护措施。当以太网作为城域网进行长距离、高速率传输时，必然会导致线路信号频率和相位产生较大的抖动，而且以太网在接收端实现信号同步比较困难。因此，以太网帧要在广域网中传输，需要对以太网帧格式进行修改。3.4.410GBASE以太网1．10G以太网在城域网中3.4.410GBASE以太网2．10G以太网

标准系列10GBASE-T10GBASE-CX410GBASE-LX410GBASE-SR10GBASE-SW10GBASE-LR10GBASE-LW10GBASE-ER10GBASE-EW10GBASE-LRM3.4.410GBASE以太网2．10G以太网

3.5VLAN虚拟局域网技术3.5.1VLAN的工作原理1．VLAN的基本概念VLAN（虚拟局域网）是建立在以太网交换机之上的逻辑网络。VLAN以软件方式来实现逻辑工作组的划分和管理，逻辑工作组的结点组成不受物理位置的限制。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，它们可以连接在同一个局域网交换机上，也可以连接在不同的局域网交换机上。

3.5VLAN虚拟局域网技术3.5.1VLAN的工作3.5VLAN虚拟局域网技术3.5.1VLAN的工作原理1．VLAN的基本概念同一个VLAN之中的主机可以自由通信，不同VALN之间的主机通信必须通过路由器或三层交换机进行信号转发。3.5VLAN虚拟局域网技术3.5.1VLAN的工作3.5.1VLAN的工作原理2．VLAN的标准与VLAN相关的标准有：IEEE802.1Q、IEEE802.10、ISL（Cisco标准）等。IEEE802.1Q协议定义了基于端口的VLAN模型，这是使用最多的一种方式。IEEE802.1Q标准给出了各种专有VLAN的统一标准，它提出了入口规则、出口规则、VLAN成员关系、统一的VLAN帧格式、VLAN的实现方法等规范。802.1Q可用于不同厂家交换机产品的互连。3.5.1VLAN的工作原理2．VLAN的标准3.5.1VLAN的工作原理3．VLAN工作原理由于VLAN重新划分了LAN成员之间的逻辑连接关系，因此，连接在一个交换机上或处在一个IP子网内的主机，它们之间的通信受到限制。VLAN成员之间的寻址不再简单根据MAC地址或IP地址，而是根据VLAN卷标中的寻址结构字段VID（VLAN标记）。当资料到达交换机入端口时，根据该端口的入口规则决定是否接收该数据。如果接收，再根据出口规则决定是否转发该资料。如果转发，则查阅VLANFIB（VLAN转发信息库）把数据转发到目的VLAN对应的端口；如果数据帧没有VLAN卷标，还要给数据帧贴上卷标。其它情况下，则把数据丢弃。3.5.1VLAN的工作原理3．VLAN工作原理3.5.1VLAN的工作原理4．VLAN的优点方便实用。广播控制。网络性能。经济因素。3.5.1VLAN的工作原理4．VLAN的优点3.5.1VLAN的工作原理5．VLAN的缺点：VLAN之间的交流路由器的负载过多VLAN造成的网络恨不能下降主干链路流量加大增加了网络的抽象性3.5.1VLAN的工作原理5．VLAN的缺点：3.5.2VLAN的划分方法1．基于端口划分VLAN这是最常用的一种VLAN划分方法，目前绝大多数交换机都提供这种VLAN配置方法。这种方法是将交换机上的物理端口分成若干个组，每个组构成一个虚拟网，相当于一个独立的VLAN交换机。优点：定义VLAN成员时非常简单，只要将所有的端口都定义为相应的VLAN组即可，而且适合于任何大小的网络。缺点：如果某用户离开了原来的端口，到了一个其它交换机的端口，就必须对端口重新进行定义。3.5.2VLAN的划分方法1．基于端口划分VLAN3.5.2VLAN的划分方法2．基于MAC地址划分VLAN由于每一块网卡都有一个唯一的MAC地址，可以根据网卡的MAC地址配置用户属于哪个VLAN组。这种方式允许网络用户从一个物理位置移动到另一个物理位置时，自动保留其所属VLAN的成员身份，而不用重新配置VLAN。这种方法的缺点是在交换机初始化时，所有用户都必须进行配置，如果有几百个甚至上千个用户，配置非常繁琐，因此这种划分方法通常适用于小型局域网。3.5.2VLAN的划分方法2．基于MAC地址划分VLA3.5.2VLAN的划分方法3．基于网络层协议划分VLAN按网络层协议组成的VLAN，可使广播域跨越多个VLAN交换机。这对网络管理员是非常具有吸引力的。而且，用户可以在网络内部自由移动，但VLAN成员身份仍然保留不变。这种方法的优点是用户物理位置改变时，不需要重新配置所属的VLAN。而且，这种方法不需要附加的帧标签来识别VLAN，可以减少网络的通信量。这种方法的缺点是效率低。

3.5.2VLAN的划分方法3．基于网络层协议划分VLA3.5.2VLAN的划分方法4．根据IP组播划分VLANIP组播实际上也是一种VLAN的定义，可以认为一个IP组播组就是一个VLAN。这种划分的方法将VLAN扩大到了广域网，适合不在同一地理范围的局域网用户组成一个VLAN，但是这种方法用于局域网时效率不高。3.5.2VLAN的划分方法4．根据IP组播划分VLAN3.5.3VLAN的配置方法对于不同的交换机，VLAN配置都有所差异，并不是所有交换机都支持VLAN和VLAN的所有工作模式。如有些交换机只支持基于端口的VLAN，而不支持基于MAC地址的VLAN等。3.5.3VLAN的配置方法对于不同的交换机，VLA3.5.3VLAN的配置方法1．基本配置原则VLAN1为交换机默认VLAN，无需创建。VLAN组成员分布于多台交换机上时，需在每台交换机上创建该VLAN，并将成员加入到同一VLAN组内。交换机上创建的VLAN数可大于交换机端口数量。3.5.3VLAN的配置方法1．基本配置原则3.5.3VLAN的配置方法2．VLAN配置案例【案例3-2】：参考下面的参数，配置VLAN，使得属于不同VLAN的交换机端口连接的主机可以互相通信。VLAN号之所以从“2”号开始，是因为交换机默认的VLAN是“1”号，它包括所有连在该交换机上的用户。

3.5.3VLAN的配置方法2．VLAN配置案例3.5.3VLAN的配置方法2．VLAN配置案例

3.5.3VLAN的配置方法2．VLAN配置案例3.5.4VLAN之间的中继交换机的TrunkIEEE802.1q标准提出了Trunk技术。Trunk是一种数据封装技术，数据包进入交换机Trunk端口时，都要打上VLAN标签（VALNTag），离开交换机Trunk端口时需要去掉VLAN标签。Trunk是一条点到点的链路，主要功能是仅仅通过一条链路，就可以连接多个交换机中的同一组VLAN成员。

3.5.4VLAN之间的中继交换机的Trunk3.6WLAN无线局域网技术3.6.1无线网络类型无线网络分为固定无线网络和移动无线网络。

移动无线网络服务的对象是移动终端（如手机、笔记本微机），即实现移动终端与固定终端，或移动终端之间的信息交换。移动无线网络早期主要用于解决话音通信，虽然可以提供低速数据传输业务，但应用并不广泛。对于固定位置的用户，或仅在小范围内移动的用户，往往采用固定无线网络技术。

3.6WLAN无线局域网技术3.6.1无线网络类型3.6.2IEEE802.11系列标准目前最具代表性的WLAN协议是IEEE802.11无线系列标准。

1．IEEE802.112．IEEE802.11b3．IEEE802.11a4．IEEE802.11g3.6.2IEEE802.11系列标准目前最具代3.6.3IEEE802.11无线局域网工作原理1．IEEE802.11无线局域网基本模型IEEE802.11工作组定义的WLAN基本模型如图所示。WLAN的最小组成单元是BSS（基本服务集），它包括使用相同协议的无线站点。一个BSS可以是独立的，也可以通过一个接入点（AP）连接到主干网上。3.6.3IEEE802.11无线局域网工作原理1．I3.6.3IEEE802.11无线局域网工作原理2．WLAN工作方式IEEE802.11无线局域网有两种通信方式，一种是DCF（分布式协同）方式，另一种是PCF（点协同）方式。

DCF方式采用载波侦听多路存取/冲突避免（CSMA/CA）技术，在无线设备发送数据前，先探测一下线路的忙闲状态，如果空闲，则立即发送数据，并同时检测有无数据碰撞发生。这一方法能避免出现因争抢线路而谁也无法通信的情况。它对所有用户都一视同仁，在共享通信时没有任何优先级规定。这种通信方式使用较多。3.6.3IEEE802.11无线局域网工作原理2．W3.6.3IEEE802.11无线局域网工作原理2．WLAN工作方式IEEE802.11无线局域网有两种通信方式，一种是DCF（分布式协同）方式，另一种是PCF（点协同）方式。

PCF方式是无线接入点（AP）设备周期性地发出信号测试帧，通过该测试帧与各个无线设备进行网络识别、网络管理参数等的交互。测试帧之间的时间段被分为竞争时间段和无竞争时间段，无线设备可以在无竞争时间段发送数据。3.6.3IEEE802.11无线局域网工作原理2．W3.6.3IEEE802.11无线局域网工作原理2．WLAN工作方式无论是DCF协同还是PCF方式，它们都没有对数据源和数据类型进行区分。因此，IEEE802.11e提出了EDCF（增强点协同）机制，标准在QoS功能方面进行了增补，通过设置优先级，既保证大带宽应用的通信质量，又能够向下兼容普通IEEE802.11设备。对PCF方式的改良称为混合协同（HCF）方式，HCF在竞争时段探测线路情况，确定发送数据起始时刻，并争取最大的数据传输时间。3.6.3IEEE802.11无线局域网工作原理2．W3.6.3IEEE802.11无线局域网工作原理3．避免冲突通信方式在扩频系统中，所有信号的载波频率都是相同的，只有通过传播码区分信号，不同的传播码使许多计算机共享一个信道。同时，为了保证无线通信数据的安全，WLAN在发射信号前，都要经过信号编码。接收端如果要复原传输的数据，就必须知道发射方所用的传播码，该代码可以防止其他人窃听。3.6.3IEEE802.11无线局域网工作原理3．避3.6.3IEEE802.11无线局域网工作原理4．IEEE802.11无线局域网工作过程WLAN的工作可分为两个主要内容：一是无线主机加入一个BSS（基本服务集）；二是无线主机从一个BSS移动到另一个BSS，实现小区间的漫游。3.6.3IEEE802.11无线局域网工作原理4．I3.6.4WLAN的安全由于WLAN使用电磁波传输数据，因此比有线网络更容易被窃听。又因为WLAN在传输中经常采用广播方式，所以WLAN安全性是一个突出的问题。为了提高WLAN的安全性，IEEE802.11提出了两个措施，一是认证技术，二是WEP（有线等效加密）技术。认证包括OSA（开放系统认证）和SKA（共享密钥认证）两种方式。3.6.4WLAN的安全由于WLAN使用电磁波传输3.6.5WLAN的拓扑结构

WLAN通常是在有线局域网的基础上，通过无线接入点（AP）、无线路由器、无线网卡等设备传送数据，传输介质无线电波（RF）进行组网。WLAN的拓扑结构主要有三种类型：无中心网络有中心网络多中心网络3.6.5WLAN的拓扑结构WLAN通常是在有线局3.6.5WLAN的拓扑结构1．AP无线接入点AP是组建小型无线局域网最常用的设备，它属于MAC层设备，是无线工作站与有线局域网之间的桥梁，无线AP的功能类似于有线网络的Hub。目前大多数无线AP支持多用户（30人～70人）接入，数据加密，多速率发送等功能，一些优秀的无线AP产品提供了完善的无线网络管理功能。无线AP除了基本的AP功能之外，还可能带有若干以太网交接口、路由、NAT、DHCP等功能。3.6.5WLAN的拓扑结构1．AP无线接入点3.6.5WLAN的拓扑结构2．无中心无线网络拓扑结构

无中心网络（无AP）也称为无线对等网或Ad-hoc网络，它覆盖的服务区称为BSS（基本服务集）。这种最简单的WLAN由一组有无线网卡的主机组成，主要用于一台无线主机和另一台或多台无线主机的直接通信，这种网络无法接入有线网络（LAN）中，只能独立使用。这些计算机

要有相同的

工作组名、

ESSID（扩展

服务集ID）

和密码。

3.6.5WLAN的拓扑结构2．无中心无线网络拓扑结构3.6.5WLAN的拓扑结构3．有中心无线网络拓扑结构有中心无线网络也称为结构化无线网络，它是WLAN的基本结构。它由无线接入点（AP）设备、无线主机以及分布系统（DS）构成，覆盖的区域分为BSS和ESS。无线接入点（AP）用于在无线主机和有线网络之间接收、

缓存和转发数

据。无线AP通

常能够覆盖几

十至几百个用

户，覆盖半径

达上百米。3.6.5WLAN的拓扑结构3．有中心无线网络拓扑结构3.6.5WLAN的拓扑结构4．多中心无线网络拓扑结构多中心拓扑结构解决了单点故障问题，可以使用多个AP进行WLAN设计。由于多中心会引起同频干扰问题，因此在布置AP时，应当选择支持多信道的AP，同时进行AP点的信道交叉布置，并且调整天线角度，或采用定向天线，改变AP安装位置等方法，消除同频干扰。3.6.5WLAN的拓扑结构4．多中心无线网络拓扑结构本章结束本章结束第三章数据链路层与

局域网技术第三章数据链路层与

局域网技术第3章数据链路层与局域网技术

数据链路层是OSI/RM参考模型中的第二层，它以物理层为基础，向网络层提供可靠的服务。本章主要介绍局域网和广域网数据链路层的工作原理，以及局域网的体系结构与应用技术，广域网的接入技术。

第3章数据链路层与局域网技术数据链路层是OSI/RM3.1数据链路层工作原理3.1.1数据链路层的功能

1．数据链路层的基本概念

链路指一条无源的点到点的物理线路，中间不存在交换节点。

数据链路除了具备一条物理线路外，还必须有一些必要的规程来控制其中数据的传输。实现两个相邻节点通信时，所执行协议的硬件和软件及链路就构成了数据链路。3.1数据链路层工作原理3.1.1数据链路层的功能3.1.1数据链路层的功能1．数据链路层的基本概念链路与数据链路的差别。3.1.1数据链路层的功能1．数据链路层的基本概念3.1.1数据链路层的功能1．数据链路层的基本概念

链路可能出现差错，所以是不可靠的；而数据链路因为包含软件，出现差错后可通过软件进行纠正，所以数据链路是可靠的。3.1.1数据链路层的功能1．数据链路层的基本概念3.1.1数据链路层的功能2．数据链路层的功能数据链路层的基本功能是在不太可靠的物理链路上实现可靠的数据传输，使得高层协议可以把链路层通道看成是无差错的理想信道。

3.1.1数据链路层的功能2．数据链路层的功能3.1.1数据链路层的功能2．数据链路层的功能数据链路层的主要功能如下：链路管理帧的构成与同步流量控制差错控制区分数据和控制信息透明传输寻址异常情况处理3.1.1数据链路层的功能2．数据链路层的功能链路管理区3.1.1数据链路层的功能3．数据链路层协议类型数据链路层协议也称为通信控制规程。通信控制规程可分为面向字符型和面向比特型两大类。3.1.1数据链路层的功能3．数据链路层协议类型3.1.1数据链路层的功能3．数据链路层协议类型面向字符型规程：面向字符就是在链路上所传送的数据必须是由规定字符集（如ASCII）中的字符组成。面向比特型规程：在面向比特型通信控制规程中，数据和控制信息完全独立，具有良好的透明性。计算机网络采用面向比特的数据链路层规程。3.1.1数据链路层的功能3．数据链路层协议类型3.1.2差错控制1．差错产生的原因传输差错是指接收数据与发送数据不一致的现象。差错控制是在数据通信过程中，检测出差错，并对差错进行纠正，从而把差错控制在数据传输所允许的尽可能小的范围内。差错产生的原因主要是噪声。信号在传输过程中受到热噪声和冲击噪声的干扰，造成信号幅度、频率和相位的衰减或畸变（又称为失真）。3.1.2差错控制1．差错产生的原因3.1.2差错控制2．差错控制方法差错控制的基本策略是进行差错控制编码。差错控制编码可分为检错码和纠错码，其中检错码能自动发现出现差错的编码。纠错码指不仅能发现差错而且能自动纠正差错的编码。差错控制的方法主要有：自动请求重发（ARQ）前向纠错（FEC）反馈检验。3.1.2差错控制2．差错控制方法3.1.2差错控制3．奇偶校验

奇偶校验是一种检错编码．它的原理：先将所要传送的数据分组（一般含校验位共8位），在各组的数据后面附加一位校验位，使得该组码连校验位在内的码字中，“1”的个数为偶数个（偶校验），或“1”的个数为奇数个（奇校验）。接收方对接收的二进位中“1”的个数进行统计，如果与规定不符，则表明发生了差错。3.1.2差错控制3．奇偶校验3.1.2差错控制4．循环冗余校验CRC

循环冗余码（CRC）是计算机网络中用最广泛的一种检错码。CRC码又称为多项式码，这是因为任何一个由二进制数组成的代码都可以和一个只含有0和1两个系数的多项式G（x）建立一一对应的关系。CRC校验的基本思想是：把整个数据块当成一个连续的二进制数据，从代数上看是一个报文多项式，在发送时将数据块多项式用另一个多项式来除，余数作为校验码附在帧尾一起发送。接收方对传送过来的码用同一生成多项式去除，能除尽则说明传输正确，若有余数，则传输出错。3.1.2差错控制4．循环冗余校验CRC3.1.2差错控制5．海明码海明（Hamming）码是一种纠错码，它能够纠正一位错码，而且编码效率较高，使用海明码可以纠正突发性错误。海明码具有以下特点：如果两个码字之间的码距为d，则需要d个比特就可以把一个码字转换成另一个码字；为了检查出d个错误（单比特错），需要使用的码距为：d+1个编码；为了纠正d个错误，需要使用码距离为2d+1的编码。3.1.2差错控制5．海明码3.1.2差错控制5．海明码海明码工作过程如下：每个码字到来之前，接收方计数器清零；接收方检查每个校验位k（k=1，2，4…）的奇偶值是否正确；若第k位奇偶值不对，计数器加k；所有校验位检查完后，若计数器值为0，则码字有效；若计数器值为m，则第m位出错。3.1.2差错控制5．海明码3.2广域网数据链路层工作原理3.2.1HDLC高级数据链路控制规程1974年，IBM公司推出了SNA网络体系结构，SNA的数据链路层规程采用了面向比特的规程SDLC（串行数据链路控制）。ISO把SDLC修改后称为HDLC（高级数据链路控制）国际标准ISO3309，我国相应的国家标准是GB7496。ITU则将HDLC再修改后称为LAP（链路接入规程），并作为X.25建议书的一部分。3.2广域网数据链路层工作原理3.2.1HDLC高级3.2.1HDLC高级数据链路控制规程1．链路配置类型HDLC支持的链路配置有非平衡配置与平衡配置两种基本类型。3.2.1HDLC高级数据链路控制规程1．链路配置类型3.2.1HDLC高级数据链路控制规程2．数据传送方式HDLC可提供三种数据传输方式。正常响应方式NRM。异步响应方式ARM。异步平衡方式ABM。3.2.1HDLC高级数据链路控制规程2．数据传送方式3.2.1HDLC高级数据链路控制规程3．HDLC的帧结构一个HDLC帧由标志、地址、控制、信息及帧校验等5个字段组成。HDLC有三种帧类型，由控制字段加以区分。3.2.1HDLC高级数据链路控制规程3．HDLC的帧结3.2.1HDLC高级数据链路控制规程4．HDLC通信过程HDLC是典型的面向连接的全双工通信，在进行数据交换时首先需要建立数据链路，然后传输数据，最后释放数据链路。3.2.1HDLC高级数据链路控制规程4．HDLC通信过3.2.2因特网数据链路层协议PPP

1．电话拨号接入用户接人因特网有两种方法：一种是个人用户通过电话线路拨号接入因特网，这种方式下用户不需要申请IP地址。另一种是使用专线接入因特网（多为企业或单位），这种方式下用户一般需要申请IP地址。在拨号接入因特网时，往往采用PPP协议或PPPoE协议，而专线用户往往很少采用PPP协议。3.2.2因特网数据链路层协议PPP1．电话拨号接入3.2.2因特网数据链路层协议PPP

1．电话拨号接入用户接人因特网有两种方法：3.2.2因特网数据链路层协议PPP1．电话拨号接入3.2.2因特网数据链路层协议PPP

2．SLIP串行链路网际协议SLIP（串行链路网际协议）是一个简单的面向字符的协议。SLIP协议很简单，拨号计算机在线路上发送原始的IP包，前后面跟特殊的标志字节就可以了。SLIP协议有以下缺点。SLIP没有差错检测功能。通信的每一方必须事先知道对方的IP地址。SLIP协议仅支持IP协议。SLIP并未成为因特网的标准协议。SLIP主要用于低速（不超过19.2kbit/s）通信性业务。3.2.2因特网数据链路层协议PPP2．SLIP串行链3.2.2因特网数据链路层协议PPP

3．PPP点对点协议点对点协议（PPP），它是一个Internet链路层协议。PPP可以进行错误检测，支持多种协议，连接时允许商议IP地址，允许身份验证。但是，PPP协议不提供使用序号和确认的可靠传输。3.2.2因特网数据链路层协议PPP3．PPP点对点协3.2.2因特网数据链路层协议PPP

3．PPP点对点协议PPP协议由以下三个部分组成。一个将IP数据报封装到串行链路的方法。PPP既支持异步链路（无奇偶校验的8比特数据），也支持面向比特的同步链路。一个用来建立、配置和测试数据链路连接的链路控制协议（LCP）。通信双方可协商一些选项。一套网络控制协议（NCP），支持不同的网络层协议，如IP、OSI的网络层等。3.2.2因特网数据链路层协议PPP3．PPP点对点协3.2.2因特网数据链路层协议PPP

4．PPP帧格式PPP帧的前3个字段和最后两个字段和HDLC的格式是一样的。标志字段F仍为7E，但地址字段A和控制字段C都是固定不变的，分别为FF和03。PPP是面向字符的协议，因而所有的PPP帧的长度都是整数个字节。标志F7E地址AFF控制C03协议P信息Info校验FCS标志F7E1字节1字节1字节2字节可变长度2或4字节1字节3.2.2因特网数据链路层协议PPP4．PPP帧格式标3.2.2因特网数据链路层协议PPP

5．PPP协议的状态图

3.2.2因特网数据链路层协议PPP5．PPP协议的3.3以太网数据链路层工作原理以太网（Ethernet）是最早也是应用最广泛的一种局域网类型。1980年Xerox、DEC、Intel等公司联合推出了以太网规范DIXEthernetV2。1985年IEEE802委员会在此基础上形成了IEEE802.3标准，最后由国际标准化组织采纳为国际标准ISO802.3。以太网与其他局域网相比，具有高性能、易维护、低成本等诸多优点，目前世界上95%以上的局域网均采用以太网，以太网几乎成为了局域网的代名词。

3.3以太网数据链路层工作原理以太网（Ethern3.3.1IEEE802网络体系结构1．早期局域网参考模型局域网的体系结构与广域网有很大的区别。由于局域网只是一个计算机通信网，而且早期局域网没有考虑路由选择问题，因此它没有网络层，而只有最低的两个层次。

3.3.1IEEE802网络体系结构1．早期局域网参3.3.1IEEE802网络体系结构2．IEEE802.3-2002网络体系结构1985年，在IEEE802.2标准中定义了LLC子层的功能与结构，LLC子层主要功能是屏蔽不同MAC子层（如以太网、令牌网、FDDI网等）的差异，为不同的网络层（如TCP/IP、NetBIOS、IPX/SPX等）协议提供统一的接口。

由于数据链路层只剩下了MAC子层，为了保证MAC子层与网络层的良好连接，从100M以太网开始，IEEE802.3标准针对不同的传输介质和以太网形式，制定了不同的媒体无关接口（MII）标准。3.3.1IEEE802网络体系结构2．IEEE83.3.1IEEE802网络体系结构2．IEEE802.3-2002网络体系结构

3.3.1IEEE802网络体系结构2．IEEE83.3.2以太网介质访问控制子层MAC1．MAC子层帧格式前导码PA帧首定界符SFD目标MAC地址DA源MAC地址SA长度L数据DATA帧填充PAD帧校验FCS7字节1字节6字节6字节2字节46~1500字节0~46字节4字节3.3.2以太网介质访问控制子层MAC1．MAC子层帧3.3.2以太网介质访问控制子层MAC2．MAC子层工作过程发送过程

接收过程

3.3.2以太网介质访问控制子层MAC2．MAC子层工3.3.2以太网介质访问控制子层MAC3．信道共享技术共享信道的分配有静态分配和动态分配两种方法，静态分配采用频分多路复用（FDM）或波分复用（WDM）技术，动态分配采用CSMA/CD或统计时分复用。

3.3.2以太网介质访问控制子层MAC3．信道共享技术3.3.2以太网介质访问控制子层MAC4．CSMA/CD工作原理在以太网中，信道的动态分配采用IEEE802.3标准规定的CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）协议，它是控制多个用户共用一条信道的协议，CSMA/CD协议适合于总线结构的网络。

3.3.2以太网介质访问控制子层MAC4．CSMA/C3.3.2以太网介质访问控制子层MAC4．CSMA/CD工作原理CSMA/CD协议发送数据时的工作流程如下。3.3.2以太网介质访问控制子层MAC4．CSMA/C3.3.3交换式以太网技术1．交换式以太网

采用以太网交换机构成的网络称为交换式网络。交换机是一种简单、低价、高性能和端口密集的多端口网桥交换产品。

3.3.3交换式以太网技术1．交换式以太网3.3.3交换式以太网技术2．交换式以太网的优点连接在交换机端口上的主机或网段独占本端口带宽（10/100/1000M）。被隔离的网段上的数据流不会在其他网段上广播。交换机按数据包中的MAC地址进行数据帧转发。交换机将负载很重的LAN分隔成互连的几个LAN，以减轻网络负担。交换机将网络分成小的冲突域，防止出现故障的主机或网段损害全网。交换机可以很方便地实现虚拟局域网（VLAN）。交换机可以用生成树协议（STP）来防止网络环路出现的问题。3.3.3交换式以太网技术2．交换式以太网的优点3.3.3交换式以太网技术3．交换机数据转发送方式（1）存储转发交换方式当帧从端口进入交换机时，交换机先把收到的帧暂存在该端口的高速缓存中，然后交换机根据缓存中帧的目标地址查找交换机的端口地址表，然后将帧转发到交换机的输出端口，经过输出端口的高速缓存后，帧输出到目标站点。3.3.3交换式以太网技术3．交换机数据转发送方式3.3.3交换式以太网技术3．交换机数据转发送方式（2）直通交换方式直通交换不必将整个数据帧先缓存后再进行处理，而是在接收数据帧的同时，就立即按数据帧的目标地址决定该帧的转发端口。当输入端口接收到帧开始的6个字节（目标地址）后，交换机就根据目标地址查找端口地址表，获得输出端口后，就把整个帧导向输出端口，这样避免了存储转发交换方式中帧在交换机中的缓存时间。3.3.3交换式以太网技术3．交换机数据转发送方式3.3.3交换式以太网技术4．交换机的技术特性背板带宽时延帧碎片预防流量控制其他功能：交换机管理、端口缓冲区的大小、端口地址表大小、处理机芯片、自适应端口、全双工端口等。3.3.3交换式以太网技术4．交换机的技术特性3.3.3交换式以太网技术5．交换机与网桥的区别延迟小端口多功能强大3.3.3交换式以太网技术5．交换机与网桥的区别3.3.3交换式以太网技术6．交换机与集线器的区别集线器的主要功能是信号放大，交换机的主要功能是数据帧转发与过滤。集线器工作在物理层，交换机工作在数据链路层。集线器共享带宽，交换机独占带宽。集线器端口都在同一个冲突域，交换机端口在不同的冲突域。3.3.3交换式以太网技术6．交换机与集线器的区别3.3.4STP生成树协议1．网络拓扑结构中的环路在交换机组成的交换网络中，为了防止一个节点的失败，通常会存在冗余链路导致的网络环路。但交换环路会导致：广播风暴、同一帧的多份拷贝、不稳定的MAC地址表等问题。因此，在交换网络中必须有一个机制来阻止网络回路，而生成树协议（STP）的作用就是防止由于网络环路而导致的问题。3.3.4STP生成树协议1．网络拓扑结构中的环路3.3.4STP生成树协议2．生成树工作原理生成树协议的国际标准是IEEE802.1b。生成树协议的基本设计思想是：让交换机之间互相通信，生成一个无环路的LAN生成树，然后使用这个生成树覆盖实际的拓扑结构。运行生成树算法的交换机在规定的时间间隔（默认2s）内，通过网桥协议数据单元（BPDU）的组播帧与其他交换机交换配置信息。

3.3.4STP生成树协议2．生成树工作原理3.3.4STP生成树协议3．生成树的状态运行生成树协议的交换机上的端口，总是处于下面四个状态中的一个。阻塞：所有端口以阻塞状态启动，以防止网络回路。由生成树协议确定哪个端口转换到转发状态，处于阻塞状态的端口不转发数据，但可接受BPDU帧。监听：不转发数据帧，但可以检测BPDU帧（临时状态）。学习：不转发数据帧，学习MAC地址表（临时状态）。转发：端口能进行数据帧的转发和接收。3.3.4STP生成树协议3．生成树的状态3.3.4STP生成树协议4．生成树的重新计算当网络拓扑结构发生改变时，生成树协议自动重新进行计算，以生成新的生成树结构。当所有交换机的端口状态变为转发或阻塞状态时，意味着交换机重新计算完毕。这种状态称为会聚。3.3.4STP生成树协议4．生成树的重新计算3.4IEEE802.3系列以太网标准3.4.1早期IEEE802网络1．IEEE网络标准的发展自从1973年以太网发明后，经过20多年的发展，以太网作为局域网标准战胜了令牌总线、令牌环、FDDI、ATM等网络技术，成为局域网绝对主流标准。在以太网技术中，100Base-T是一个里程碑，它确立了以太网技术在桌面的统治地位。万兆以太网标准也是比较重要的标准，以太网技术通过这个标准，开始从局域网技术延伸到城域网中。1985年IEEE802委员会正式推出IEEE802.3标准。

3.4IEEE802.3系列以太网标准3.4.1早期3.4.1早期IEEE802网络2．令牌环网令牌环网络技术1969年由IBM公司提出，IEEE定义为IEEE802.5标准，它适用于环形网络。

令牌是一种特殊的帧，用于控制网络节点的发送权，只有持有令牌的节点才能发送数据。由于发送节点在获得发送权后就将令牌删除，在环路上不会再有令牌出现，其它节点也不可能再得到令牌，这就保证环路上某一时刻只有一个节点发送数据，因此令牌环技术不存在争用信道的现象。令牌有“忙”和“闲”两种状态。当环网正常工作时，令牌总是沿着物理环路，单向逐节点传送，传送顺序与节点在环路中的排列顺序相同。3.4.1早期IEEE802网络2．令牌环网3.4.1早期IEEE802网络3．令牌总线网令牌总线网综合了CSMA/CD与令牌环两种介质访问方式的优点，主要适用于总线型或树型网络。采用令牌总线网时，各节点共享的传输介质是总线型的，每一节点都有一个本站地址，并知道上一个节点地址和下一个节点地址，令牌传递规定由高地址流向低地址，最后由最低地址向最高地址依次循环传输，从而在一个物理总线上形成一个逻辑环。环中令牌传递顺序与节点在总线上的物理位置无关。3.4.1早期IEEE802网络3．令牌总线网3.4.1早期IEEE802网络4．FDDI光纤分布式数据接口FDDI（光纤分布式数据接口）是以光纤为传输介质的令牌环局域网，FDDI的传输速率为100Mbit/s，使用多模光纤时，站点之间的传输距离可达2km；使用单模光纤站间距离可达20km。目前FDDI网络已经淘汰。FDDI使用了比令牌环更复杂的方法访问网络。FDDI也在环内传递一个令牌，并且允许令牌的持有者发送FDDI帧。与令牌环不同的是，FDDI网络可在环内传送几个FDDI帧。3.4.1早期IEEE802网络4．FDDI光纤分布式数3.4.2100BASE以太网1．100BASE快速以太网1995年，IEEE通过了IEEE802.3u标准，它实际上是IEEE802.3标准的一个补充，原有的帧格式、接口、规程不变，新标准仍使用CSMA/CD协议，只是将帧间时间间隔从9.6μs缩短为0.96μs；最大电缆长由2.5km减小到100m。新标准规定了三种不同的物理层标准：100BASE-TX、100BASE-FX、100BASE-T4，通常将100BASE-TX和100BASE-T4称为100BASE-T。

3.4.2100BASE以太网1．100BASE快速以太3.4.2100BASE以太网2．100Base-TX100BASE-TX以太网使用2对5类双绞线，其中一对用于发送，另一对用于接收，支持全双工通信。传输速率为100Mbit/s，具有10/100M自动协商功能。交换机与主机或交换机与交换机之间的最大传输距离不超过100m。3.4.2100BASE以太网2．100Base-TX3.4.2100BASE以太网3．100Base-FX100BASE-FX以太网采用多模光纤为传输介质，使用一对光纤做信号收发，其中一根用于发送，另一根用于接收。当采用65.5μm/125μm多模光纤时，两个节点之间的传输距离为275m；采用50.5μm/125μm多模光纤时，两个节点之间的传输距离为550m；网络最大传输长度为2000m。3.4.2100BASE以太网3．100Base-FX3.4.2100BASE以太网4．100Base-T4100BASE-T4是使用4对3类双绞线时，其中2对双向传输，另2对单向传输，这样每个方向上有3对线路同时在使用。因为在3类双绞线不能处理100Mbit/s的传输速度，因此将100Mbit/s分成3个33.3Mbit/s的数据流。为减少传输的波特率，采用了8B/6T编码。1对双绞线的传输速率为25MHz×8/6=33.3Mbit/s。3.4.2100BASE以太网4．100Base-T43.4.31000BASE以太网1000M以太网仍然使用CSMA/CD协议，MAC层没有变化，帧的格式和长度也没有变化，但碰撞域减小了，物理层的传输介质和编码方式改变了，而且将10M以太网每个比特的发送时间由100ns降低到了1ns。1000M以太网与现有的10/100M以太网兼容，它的出现给ATM网络带来了严重的打击，使得ATM网络完全退出了在局域网中的竞争。3.4.31000BASE以太网1000M以太网仍3.4.31000BASE以太网IEEE802.3委员会制定了2种1000M以太网标准，它们包括四种以太网类型。IEEE802.3z标准定义了1000BASE-LX、1000BASE-SX、1000BASE-CX三种网络类型，它们统称为1000BASE-X。

1000M以太网采用基带传输，传输介质为光纤或双绞线，传输距离为25m~5000m。3.4.31000BASE以太网IEEE802.33.4.410GBASE以太网1．10G以太网在城域网中的应用1000M及以前以太网采用CSMA/CD工作机制，即带碰撞检测的载波监听多路访问技术。由于10G以太网只适用于全双工通信方式，基本应用在点到点链路上，不再共享信道，所以它不再采用CSMA/CD协议。10G以太网通过不同的编码方式或波分复用技术提供10Gbit/s的传输速度。但是，就本质而言10G以太网仍然是以太网的一种类型。3.4.410GBASE以太网1．10G以太网在城域网中3.4.410GBASE以太网1．10G以太网在城域网中的应用

10G以太网为了与传统以太网兼容，采用了传统以太网的帧格式来承载业务。为了在城域网的SDH链路进行10Gbit/s的高速传输，也可以采用OC-192c的帧格式进行传输。但是这需要在物理子层实现从以太网帧到OC-192c帧格式的映射功能。同时，由于以太网原设计是面向局域网