计算机网络课件-3数据链路层

计算机网络（第5版）第3章数据链路层课件制作人：谢希仁第3章数据链路层*3.1使用点对点信道的数据链路层

3.1.1数据链路和帧

3.1.2三个基本问题*3.2点对点协议PPP 3.2.1PPP协议的特点

3.2.2PPP协议的帧格式

3.2.3PPP协议的工作状态课件制作人：谢希仁第3章数据链路层（续）*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

3.3.2CSMA/CD协议*3.4使用广播信道的以太网

3.4.1使用集线器的星形拓扑

3.4.2以太网的信道利用率

3.4.3以太网的MAC层课件制作人：谢希仁第3章数据链路层（续）*3.5扩展的以太网

3.5.1在物理层扩展以太网

3.5.2在数据链路层扩展以太网*3.6高速以太网

3.6.1100BASE-T以太网

3.6.2吉比特以太网

3.6.310吉比特以太网

3.6.4使用高速以太网进行宽带接入3.7其他类型的高速局域网接口课件制作人：谢希仁数据链路层数据链路层使用的信道主要有以下两种类型：点对点信道。这种信道使用一对一(即一个发送端，一个接收端)的点对点通信方式。广播信道。这种信道使用一对多(即一个发送端，多个接收端)的广播通信方式，因此过程比较复杂。广播信道上连接的主机很多，因此必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机的数据发送。课件制作人：谢希仁数据链路层的地位（图3-1）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(a)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(b)从层次上来看数据的流动课件制作人：谢希仁数据链路层地位(续）局域网广域网主机

H1主机

H2路由器

R1路由器

R2路由器

R3电话网局域网图3-1（a）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图3-2只考虑数据在数据链路层的流动课件制作人：谢希仁3.1使用点对点信道的数据链路层

3.1.1数据链路和帧

链路(link)是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（比如交换机、路由器等）。一条链路只是一条通路的一个组成部分。数据链路(datalink)除了物理线路外，还必须有通信协议来控制这些数据的传输。若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。现在最常用的方法是使用适配器（如拨号适配器-例如MODEM、局域网适配器-网卡）来实现这些协议的硬件和软件。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。

课件制作人：谢希仁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物理层数据链路层结点A结点B帧图3-3使用点对点信道的数据链路层(a)三层简化模型(b)只考虑数据链路层发送帧接收链路IP数据报1010……0110帧装入数据链路层传送的是帧，即数据链路层的PDU课件制作人：谢希仁3.1.2三个基本问题(1)封装成帧(2)透明传输(3)差错控制课件制作人：谢希仁1.封装成帧封装成帧(framing)就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部，然后就构成了一个帧。首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界（即确定帧的界限）。

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课件制作人：谢希仁图3-5用控制字符进行帧定界的方法举例SOH装在帧中的数据部分帧帧开始符帧结束符发送在前EOT注意：SOH和EOT分别表示一个控制字符，ASCII码值分别为01H，04H。课件制作人：谢希仁2.透明传输SOHEOT出现了“EOT”被接收端当作无效帧而丢弃被接收端误认为是一个帧数据部分EOT完整的帧发送在前图3-6数据部分恰好出现与EOT一样的代码课件制作人：谢希仁解决透明传输问题发送端的数据链路层在数据中出现控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入一个转义字符“ESC”(其十六进制编码是1B)。接收端的数据链路层在将数据送往网络层之前删除插入的转义字符。这种方法称为字节填充(bytestuffing)或字符填充(characterstuffing)。如果转义字符也出现数据当中，那么应在转义字符前面插入一个转义字符。当接收端收到连续的两个转义字符时，就删除其中前面的一个。课件制作人：谢希仁SOHSOHEOTSOHESCESCEOTESCSOHESCESCESCSOH原始数据EOTEOT经过字节填充后发送的数据字节填充字节填充字节填充字节填充发送在前帧开始符帧结束符图3-7用字节填充法解决透明传输的问题SOH课件制作人：谢希仁3.差错检测在传输过程中可能会产生比特差错：1可能会变成0，而0也可能变成1。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(BitErrorRate)。误码率与信噪比有很大的关系。信噪比越高，误码率就越小。实际的通信链路并非理想的，它不可能使误码率降为0。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。课件制作人：谢希仁循环冗余检验的原理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。在发送端，先把数据划分为组。假定每组k个比特。假设待传送的一组数据M=101001（现在k=6）。我们在M的后面再添加供差错检测用的n

位冗余码一起发送。课件制作人：谢希仁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。课件制作人：谢希仁冗余码的计算举例现在

k=6,M=101001。设

n=3,除数

P=1101，被除数是2nM=101001000。模2运算的结果是：商

Q=110101，

余数

R=001。把余数R作为冗余码添加在数据M的后面发送出去。发送的数据是：2nM+R

即：101001001，共(k+n)位。课件制作人：谢希仁

110101

←

Q

(商)P(除数)→

1101101001000

←

2nM(被除数)

1101

1110

1101

0111

0000

1110

1101

0110

0000

1100

1101

001←R(余数)，作为FCS

图3-8循环冗余检验的原理的说明例子课件制作人：谢希仁帧检验序列FCS在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列

FCS(FrameCheckSequence)。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并非用来获得FCS的唯一方法。

课件制作人：谢希仁接收端对收到的每一帧进行CRC检验(1)若得出的余数R=0，则判定这个帧没有差错，就接受(accept)。(2)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。课件制作人：谢希仁应当注意仅用循环冗余检验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），我们都能以非常接近于

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无差错”（有差错的帧就丢弃而不接受）。课件制作人：谢希仁传输差错与可靠传输传输差错包括：（1）比特差错（2）帧丢失、帧重复、帧失序可靠传输指的是数据链路层的发送端发送什么，接收端就收到什么。在数据链路层使用CRC检验，能够实现无比特差错的传输，但还不是可靠传输。课件制作人：谢希仁3.2点对点协议PPP

3.2.1PPP协议的特点在通信线路质量较差的年代，在数据链路层使用的可靠传输协议曾经是一种好方法。例如高级数据链路控制HDLC，但现在HDLC已经很少使用了。现在全世界使用得最多的数据链路层协议是点对点协议

PPP(Point-to-PointProtocol)。PPP协议就是用户计算机和ISP进行通信时所使用的数据链路层协议。见图3-9。换句话说，用户使用拨号电话线接入因特网时，一般都是使用PPP协议。课件制作人：谢希仁图3-9用户到ISP的链路使用PPP协议用户至因特网已向因特网管理机构申请到一批

IP地址ISP接入网PPP

协议课件制作人：谢希仁图3-9的补充

用户拨号入网的示意图路由器调制解调器调制解调器因特网服务提供者(ISP)用户家庭拨号电话线使用TCP/IP的

PPP连接使用TCP/IP的客户进程路由选择进程至因特网…PC机课件制作人：谢希仁3.2.1PPP协议的特点IETF在1992年制订了PPP协议。经过1993年和1994年的修订，现在的PPP协议已成为因特网的正式标准[RFC1661]。课件制作人：谢希仁1.PPP协议应满足的需求简单——这是首要的要求★封装成帧*透明性*多种网络层协议★多种类型链路★差错检测*检测连接状态最大传送单元网络层地址协商数据压缩协商课件制作人：谢希仁（1）简单接收方每接收一个帧，就进行CRC检验。如果CRC检验正确，就收下该帧；否则，就丢弃该帧，其他什么都不做。课件制作人：谢希仁（4）多种网络层协议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。例如，因特网的网络层协议：IP协议；

NovellNetWare网络的网络层协议：IPX协议。课件制作人：谢希仁（5）多种类型链路能够在多种类型的链路上运行。例如，串行或并行的点对点链路；同步的或异步的点对点链路；低速的或高速的点对点链路；电的或光的点对点链路；交换的（动态的）或非交换的（静态的）点对点链路。课件制作人：谢希仁2.PPP协议不需要的功能纠错★流量控制★序号多点线路半双工或单工链路课件制作人：谢希仁3.PPP协议的组成PPP协议有三个组成部分（1)一个将IP数据报封装到串行链路的方法。即封装成PPP帧的方法（见3.2.2节）。（2）链路控制协议LCP(LinkControlProtocol)。用来建立、配置和测试数据链路的连接。（3）网络控制协议NCP(NetworkControlProtocol)。其中的每一个协议支持不同的网络层协议。课件制作人：谢希仁3.2.2PPP协议的帧格式1.字段的意义。

PPP协议的帧（简称为PPP帧）格式如图3-10所示。课件制作人：谢希仁图3-10PPP帧的格式IP数据报1211字节12不超过1500字节PPP帧先发送7EFF03FACFCSF7E协议信息部分首部尾部英文缩写的说明：F=Flag,A=Address,C=Control,FCS=FrameCheckSequence课件制作人：谢希仁图3-10PPP帧的格式的说明标志字段

F

=0x7E（符号“0x”表示后面的字符是用十六进制表示。十六进制的

7E

的二进制表示是01111110）。地址字段

A

只置为0xFF。地址字段实际上并不起作用。控制字段

C

通常置为0x03。协议字段。当协议字段为0x0021时，PPP帧的信息字段就是IP数据报。若为0xC021,则信息字段是LCP的数据。若为0x8021，则表示这是网络层的控制数据。帧检验序列字段FCS。使用CRC检验方法。课件制作人：谢希仁透明传输问题当PPP用在异步传输的链路时，使用字节填充的方法来实现透明传输。当PPP用在同步传输的链路时，采用零比特填充的方法来实现透明传输（和HDLC的做法一样）。课件制作人：谢希仁异步传输和同步传输异步传输逐个字符地传送。又称为起止式传输，其特点是字符内部的各个比特采用固定的时间模式，字符之间的间隔任意。采用异步传输的链路有T1和E1标准的链路。同步传输一连串的比特连续传送。是以多个字符或者多个比特组合成的数据块为单位进行传输，利用独特的同步模式来限定数据块，达到同步接收的目的。采用同步传输的链路有SONET/SDH链路。课件制作人：谢希仁2.字节填充将信息字段中出现的每一个0x7E字节（即和标志字段一样的字节），转变成为2字节序列(0x7D,0x5E)。若信息字段中出现一个0x7D的字节（即和转义符一样的字节），,则将其转变成为2字节序列(0x7D,0x5D)。若信息字段中出现ASCII码的控制字符（即数值小于0x20的字符），则在该字符前面要加入一个0x7D字节，同时将该字符的编码加以改变。课件制作人：谢希仁3.零比特填充在发送端，只要发现有5个连续1，则立即填入一个0。接收端对帧中的比特流进行扫描。每当发现5个连续1时，就把这5个连续1后的一个0删除。课件制作人：谢希仁01001111101000101001001111110001010010011111010001010信息字段中出现了和标志字段F完全一样的8比特组合发送端在5个连1之后填入0比特再发送出去在接收端把5个连1之后的0比特删除会被误认为是标志字段F发送端填入0比特接收端删除填入的0比特图3-11零比特填充与删除课件制作人：谢希仁问题3-1为什么当PPP用在异步传输的链路时，使用字节填充的方法来实现透明传输？而当PPP用在同步传输的链路时，采用零比特填充的方法来实现透明传输？答：这由异步传输、同步传输的特点决定的。因为异步传输是逐个字符地传送，而同步传输是按照一连串的比特连续传送。课件制作人：谢希仁

3.2.3PPP协议的工作状态

--工作原理当用户拨号接入ISP时，ISP路由器的调制解调器对拨号做出确认，并建立一条从PC机到ISP路由器的物理连接。PC机向ISP路由器发送一系列的LCP分组（封装成多个PPP帧），以便建立LCP连接。这些分组及其响应选择一些PPP参数。进行网络层配置，NCP给新接入的PC机分配一个临时的IP地址，使PC机成为因特网上的一个主机。通信完毕时，NCP释放网络层连接（即NCP连接），收回原来分配出去的IP地址。接着，LCP释放数据链路层连接（即LCP连接）。最后释放的是物理层的连接（即物理连接）。课件制作人：谢希仁PPP协议的工作原理图示链路层应用层运输层网络层物理层链路层网络层物理层ISP路由器用户PC机NCP连接LCP连接物理连接课件制作人：谢希仁设备之间无链路链路静止链路建立鉴别网络层协议链路打开链路终止物理链路LCP链路已鉴别的LCP链路已鉴别的LCP链路和NCP链路物理层连接建立LCP配置协商鉴别成功或无需鉴别NCP配置协商链路故障或关闭请求LCP链路终止鉴别失败LCP配置协商失败图3-12PPP协议的状态图课件制作人：谢希仁3.3使用广播信道的数据链路层广播信道可以进行一对多的通信。局域网使用广播信道进行通信。相对而言，接入网则使用点对点信道进行通信。课件制作人：谢希仁3.3.1局域网的数据链路层

局域网最主要的特点是：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。局域网具有如下的一些主要优点：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。课件制作人：谢希仁图3-13局域网的拓扑（或拓扑结构）匹配电阻集线器干线耦合器(c)总线网(a)星形网(d)树形网(b)环形网课件制作人：谢希仁局域网和以太网局域网经过近30年的发展，以太网Ethernet已经在局域网市场中占据了绝对优势。现在以太网几乎成为局域网的同义词。课件制作人：谢希仁局域网的传输媒体双绞线：局域网的主流传输媒体。以双绞线作为传输媒体的局域网的数据率有1～2Mb/s，10Mb/s，100Mb/s，1Gb/s等。同轴电缆光纤课件制作人：谢希仁局域网工作的层次局域网工作的层次跨越（即包括）了数据链路层和物理层。相对物理层而言，数据链路层的内容比较丰富。课件制作人：谢希仁共享信道的技术（1）静态划分信道频分复用、时分复用、波分复用和码分复用等。用户只要分配了信道就不会何其他用户发生冲突。

（2）动态媒体接入控制（多点接入）。其特点是信道并非固定分配给用户。分为两类：随机接入★。所有用户可随机地发送信息。典型代表有以太网。受控接入。典型代表有令牌环局域网和多点线路探询(polling)或轮询。（目前较少使用）课件制作人：谢希仁传统以太网表示最早流行的10Mb/s速率的以太网。本页～3.5节的内容都是讨论传统以太网。课件制作人：谢希仁

1.以太网的两个标准

（1）DIXEthernetV2标准。（2）IEEE的802.3标准。说明：

DIXEthernetV2标准与IEEE的802.3标准只有很小的差别，因此可以将802.3局域网简称为“以太网”。严格说来，“以太网”应当是指符合DIXEthernetV2标准的局域网。课件制作人：谢希仁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(LogicalLinkControl)子层媒体接入控制MAC(MediumAccessControl)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，不管采用何种传送媒体和MAC子层的局域网对LLC子层来说都是透明的。课件制作人：谢希仁以后一般不考虑LLC子层由于TCP/IP体系经常使用的局域网是DIXEthernetV2而不是802.3标准中的几种局域网，因此现在802委员会制定的逻辑链路控制子层LLC（即802.2标准）的作用已经不大了。很多厂商生产的适配器上就仅装有MAC协议而没有LLC协议。课件制作人：谢希仁2.适配器的作用网络接口板又称为通信适配器(adapter)或网络接口卡

NIC(NetworkInterfaceCard)，或“网卡”。适配器的重要功能：进行数据串行传输和并行传输的转换。对数据进行缓存。实现以太网协议。

课件制作人：谢希仁图3-15计算机通过适配器

和局域网进行通信硬件地址至局域网适配器（网卡）串行通信CPU和存储器生成发送的数据处理收到的数据把帧发送到局域网从局域网接收帧计算机IP地址并行通信课件制作人：谢希仁最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。当初认为这样的连接方法既简单又可靠，因为总线上没有有源器件。3.3.2CSMA/CD协议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）匹配电阻不接受不接受不接受接受B只有D接受B发送的数据课件制作人：谢希仁以太网的广播通信方式总线上的每一个工作的计算机都能检测到B发送的数据信号。由于只有计算机D的地址（即适配器的硬件地址）与数据帧首部的地址(即接收站的地址)一致，因此只有D才接收这个数据帧。其他所有的计算机（A,C和E）都检测到不是发送给它们的数据帧，因此就丢弃这个数据帧。具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。课件制作人：谢希仁为了通信的简便

以太网采取了两种重要的措施第一种措施：采用较为灵活的无连接的工作方式，即不必先建立连接就可以直接发送数据。以太网对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。这样做的理由是局域网信道的质量很好，因信道质量产生差错的概率是很小的。课件制作人：谢希仁以太网提供的服务以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，其他什么也不做。有差错的帧是否需要重传由高层来决定。如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但以太网并不知道这是一个重传的帧，而是当作一个新的数据帧来发送。课件制作人：谢希仁第二种措施：以太网发送的数据都使用曼彻斯特编码的信号基带数字信号曼彻斯特编码码元1111100000出现电平转换图3-16

曼彻斯特(Manchester)编码

课件制作人：谢希仁载波监听多点接入/碰撞检测

CSMA/CDCSMA/CD表示CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection。“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。CSMA/CD协议的实质是“载波监听”和“碰撞检测”。课件制作人：谢希仁载波监听“载波监听”就是“发送前先监听”，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站在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。总线上并没有什么“载波”。因此，“载波监听”就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号。课件制作人：谢希仁碰撞检测“碰撞检测”就是“边发送边监听”，即计算机边发送数据边检测信道上的信号电压的变化情况。当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大（互相叠加）。当一个站检测到的信号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。所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。课件制作人：谢希仁发生碰撞时的处理在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来。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。课件制作人：谢希仁当某个站监听到总线是空闲时，为什么在总线上有碰撞？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。因为电磁波在总线上的传播速率是有限的,比如电磁波在铜线（如5类双绞线）上的传播速率是每秒23.1万公里。如图3-17所示。A向B发出的信息，要经过一定的时间（5μs）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。课件制作人：谢希仁1kmABt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

图3-17传播时延对载波监听的影响课件制作人：谢希仁1kmABt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

t=

B发送数据B检测到发生碰撞

t=ABABAB

t=0A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

课件制作人：谢希仁A发送数据后，如何尽早知道是否发生了碰撞？或者说，A发送数据后，最迟经过多长的时间才能知道自己发送的数据和其他站发送的数据有没有发生碰撞？根据图3-17得知，这个时间是2倍的端到端传播时延2。对于图3-17的情况即10μs，=5μs，假定A到B是总线上任意两个站的最大距离。课件制作人：谢希仁CSMA/CD协议的重要特性使用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）。课件制作人：谢希仁争用期最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间2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。课件制作人：谢希仁以太网争用期的长度以太网(即传统以太网)取51.2s为争用期的长度。对于10Mb/s以太网，在争用期内可发送512bit，即64字节。为什么？分析：发送1比特所需时间为1b/(10Mb/s)=0.1s,51.2s可发送51.2s/（0.1s/b）=512b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。为什么？分析：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。课件制作人：谢希仁最短有效帧长如果发生冲突，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(即传统以太网)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。课件制作人：谢希仁以太网使用截断二进制指数退避算法(truncatedbinaryexponentialbackoff)

解决碰撞问题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。确定基本退避时间，一般是取为争用期2。定义参数k

，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。

课件制作人：谢希仁截断二进制指数退避算法举例在第一次重传时，k=1,随机数r从整数{0，1}中选一个数。因此重传的站可选择的重传推迟时间是0或2

，在这2个时间中随机选择一个。若再发生碰撞，则在第2次重传时，k=2，随机数r从整数{0，1，2，3}中选一个数。因此重传的站可选择的重传推迟时间是0，2

，4和6

，在这4个时间中随机选择一个。若再发生碰撞，依此类推。课件制作人：谢希仁以太网(即传统以太网)规定了帧间最小间隔为9.6s，相当于96bit的发送时间。一个站在检测到总线开始空闲后，还要等待9.6s才能再次发送数据。这样做是为了使刚刚收到数据帧的站的接收缓存来得及清理，做好接收下一帧的准备。帧间最小间隔课件制作人：谢希仁CSMA/CD协议要点（1）适配器从网络层获得一个分组，加上以太网的首部和尾部，组成以太网帧，放入适配器的缓存中，准备发送。（2）若适配器检测到信道空闲（即在96比特时间内没有检测到信道上有信号），就发送这个帧。若检测到信道忙，则继续检测并等待信道转为空闲（加上96比特时间），然后发送这个帧。（3）在发送过程中继续检测信道，若一直未检测到碰撞，就顺利把这个帧成功发送完毕。若检测到碰撞，则中止数据的发送，并发送人为干扰信号。（4）在中止发送后，适配器就执行截断二进制指数退避算法，等待r倍512比特时间后，返回到步骤（2）。课件制作人：谢希仁3.4使用广播信道的以太网

3.4.1使用集线器的星形拓扑传统以太网最初是使用粗同轴电缆，后来演进到使用比较便宜的细同轴电缆，最后发展为使用更便宜和更灵活的双绞线。这种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)，如图3-19所示。

课件制作人：谢希仁使用集线器的双绞线以太网（图3-19）集线器两对双绞线站点RJ-45插头课件制作人：谢希仁星形以太网10BASE-T10BASE-T中，10代表10Mb/s,BASE表示连接线上的信号是基带信号，T代表双绞线。每个站需要用两对双绞线(做在一根电缆内），分别用于发送和接收，即一对发送，另一对接收。集线器使用了大规模集成电路芯片，因此集线器的可靠性已大大提高了。由于使用双绞线电缆的以太网价格便宜和使用方便，因此粗缆和细缆以太网现在都已成为历史，并已从市场上消失了。课件制作人：谢希仁以太网在局域网中的统治地位10BASE-T的通信距离稍短，每个站到集线器的距离不超过100m。这种10Mb/s速率的无屏蔽双绞线星形网的出现，既降低了成本，又提高了可靠性。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。课件制作人：谢希仁双绞线传送高速数据的主要措施把双绞线的绞合度做得非常精确。这样不仅可使特性阻抗均匀以减少失真，而且大大减少了电磁波辐射和无线电频率的干扰。课件制作人：谢希仁集线器的一些特点（1）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。也就是说，使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各站共享逻辑上的总线，各站使用的还是CSMA/CD

协议（更具体些，是各站中的适配器执行CSMA/CD

协议）。（2）集线器很像一个多接口的转发器（3）集线器工作在物理层，它的每个接口仅仅简单地转发比特，即收到1就转发1，收到0就转发0，不进行碰撞检测。如图3—20所示。（4）集线器采用了专门的芯片，进行自适应串音回波抵消。课件制作人：谢希仁具有三个接口的集线器

（图3—20）集线器网卡工作站网卡工作站网卡工作站双绞线课件制作人：谢希仁图3—20的说明该图中的双绞线（总共有8条线，线号1～8，这里只画出了4条线），其中使用1、2、3、6编号的芯线传递数据，即1、2用于发送，3、6用于接收。按颜色来说：橙白、橙两条用于发送；绿白、绿两条用于接收。

课件制作人：谢希仁3.4.2以太网的信道利用率以太网的信道利用率并不能达到100%课件制作人：谢希仁*3.4.3以太网的

MAC

层

1.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。但鉴于大家都早已习惯了将这种48位的“名字”称为“地址”，所以本书也采用这种习惯用法，尽管这种说法并不太严格。课件制作人：谢希仁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”实际上就是适配器地址或适配器标识符EUI-48。课件制作人：谢希仁MAC地址举例在操作系统的命令提示符下输入：

c:\ipconfig/all即可查看物理地址（physicaladdress）,该地址是用十六进制数表示的。比如：00-A0-C9-22-E8-D9课件制作人：谢希仁适配器检查MAC地址适配器从网络上每收到一个MAC帧就首先用硬件检查MAC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”包括以下三种帧：单播(unicast)帧（一对一）广播(broadcast)帧（一对全体）多播(multicast)帧（一对多）课件制作人：谢希仁2.MAC

帧的格式常用的以太网MAC帧格式有两种标准：DIXEthernetV2标准IEEE的802.3标准最常用的MAC帧是以太网V2的格式。课件制作人：谢希仁以太网MAC帧物理层MAC层1010101010101010101010101010101011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46~1500IP数据报MAC帧以太网的MAC

帧格式课件制作人：谢希仁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数据报以太网V2的MAC帧格式目的地址字段6字节课件制作人：谢希仁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数据报以太网V2的MAC帧格式源地址字段6字节课件制作人：谢希仁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数据报以太网V2的MAC帧格式类型字段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。课件制作人：谢希仁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数据报以太网V2的MAC帧格式数据字段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

课件制作人：谢希仁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数据报以太网V2的MAC帧格式FCS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。课件制作人：谢希仁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数据报以太网V2的MAC帧格式1010101010101010101010101010101011前同步码帧开始定界符7字节1字节…8字节插入在帧的前面插入的8字节中的第一个字段共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。为了达到比特同步，在传输媒体上实际传送的要比MAC帧还多8个字节课件制作人：谢希仁（1）帧的长度不是整数个字节；（2）用收到的帧检验序列FCS查出有差错；（3）收到的帧的MAC客户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。无效的MAC帧及其处理课件制作人：谢希仁3.5扩展的局域网在许多情况下，我们希望把以太网的覆盖范围扩展。这种扩展的以太网在网络层看来仍然是一个网络。课件制作人：谢希仁3.5.1在物理层扩展局域网

（1）使用转发器扩展以太网在过去广泛使用的粗细电缆以太网时，常使用工作在物理层的转发器来扩展以太网的地理覆盖范围。但随着双绞线以太网成为以太网的主流类型，扩展以太网的地理覆盖范围已很少使用转发器了。课件制作人：谢希仁3.5.1在物理层扩展局域网

（2）使用光纤调制解调器扩展以太网方法：主机使用光纤和一对光纤调制解调器连接到几公里外的集线器。以太网集线器光纤光纤调制解调器光纤调制解调器课件制作人：谢希仁某大学有三个系，各自有一个局域网（3）用多个集线器可连成更大的多级星形结构局域网★三个独立的碰撞域一系二系三系碰撞域碰撞域碰撞域课件制作人：谢希仁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课件制作人：谢希仁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的通信。扩大了局域网覆盖的地理范围。缺点碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。如果不同的碰撞域使用不同的数据率，那么就不能用集线器将它们互连起来。

用集线器扩展局域网课件制作人：谢希仁在数据链路层扩展局域网是使用网桥。网桥工作在数据链路层，它根据MAC帧的目的地址对收到的帧进行转发。网桥具有过滤帧的功能。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。3.5.2在数据链路层扩展局域网课件制作人：谢希仁1.网桥的内部结构站表接口管理软件网桥协议实体缓存接口1接口2①②③网段B网段A1112①③⑤2②④⑥2站地址接口网桥网桥④⑤⑥接口1接口212课件制作人：谢希仁（1）过滤通信量，增大吞吐量★。如图3-26所示。不同网段上的通信不会相互干扰。若是跨网段的通信，则会影响到有关的网段的其他站点。（2）扩大了物理范围。（3）提高了可靠性。（4）可互连不同物理层、不同MAC子层和不同速率（如10Mb/s和100Mb/s以太网）的局域网。如图3-27所示。使用网桥带来的好处课件制作人：谢希仁网桥使各网段成为

隔离开的碰撞域（图3-26）B2B1碰撞域碰撞域碰撞域ABCDEF课件制作人：谢希仁（1）网桥存储转发帧，转发前需执行CSMA/CD算法，这就增加了时延。（2）在MAC子层并没有流量控制功能。（3）网桥只适合于用户数不太多(不超过几百个)和通信量不太大的局域网，否则有时还会因传播过多的广播信息而产生网络拥塞。这就是所谓的广播风暴。使用网桥带来的缺点课件制作人：谢希仁用户层IPMAC站A用户层IPMAC站B物理层网桥B1网桥B2用户数据IP-HMAC-HMAC-TPPP-HPPP-T

物理层DLRMAC物理层物理层DLRMAC物理层物理层LAN1LAN2两个网桥之间还可使用一段点到点链路(采用PPP协议)图3-27网桥1在转发帧时，从MAC层到DL层时做协议转换，把MAC帧转换为PPP帧（即→

）；网桥2在转发帧时，则反过来（即

→

）。网桥不改变它转发的帧的源地址。课件制作人：谢希仁目前使用得最多的网桥是透明网桥(transparentbridge),其标准是IEEE802.1D。“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，意思是只要把网桥接入局域网，不用人工配置转发表，网桥就能工作。当网桥刚刚连接到以太网时，其转发表是空的。网桥是如何建立转发表的？2.透明网桥课件制作人：谢希仁自学习算法的原理：若从某个站A发出的帧从接口x进入了某网桥，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。所以，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。网桥按照自学习算法

建立转发表课件制作人：谢希仁地址接口转发表的建立过程举例

图3-28B2B1ABCDEF1212地址接口…………B1B→AA→BA1F→CF2A→BA1F→CF2课件制作人：谢希仁(1)A向B发送帧连接在同一局域网上的站点B和网桥B1都能收到A发送的帧（即图3-28中的“A→B”）。网桥B1先按源地址A查找转发表。网桥B1的转发表没有A的地址，于是把地址A和收到该帧的接口1写入到转发表中。这就表示，以后若收到要发给A的帧，就应该从接口1转发出去。接着再按目的地址B查找转发表。网桥B1的转发表没有B的地址，于是就通过除收到此帧的接口1以外的所有接口（现在就是接口2）转发该帧。网桥B2从其接口1收到这个转发过来的帧。课件制作人：谢希仁(1)A向B发送帧（续）网桥B2按同样方式处理收到的帧。网桥B2的转发表没有A的地址，于是把地址A和收到该帧的接口1写入到转发表中。因此网桥B2通过除收到此帧的接口1以外的所有接口（现在就是接口2）转发该帧。课件制作人：谢希仁(2)F向C发送帧网桥B2从其接口2收到这个帧。B2的转发表中没有F,因此在转发表中写入地址F和接口2。B2的转发表没有C,因此要通过B2的接口1把帧转发出去。现在C和网桥B1都能收到这个帧。在网桥B1的转发表没有F,因此在转发表中写入地址F和接口2,并且还要从B1的接口1把帧转发出去。课件制作人：谢希仁(3)B向A发送帧网桥B1从其接口1收到这个帧。B1的转发表中没有B,因此在转发表中写入地址B和接口1。再查找目的地址A。现在B1的转发表可以查到A,其转发接口是1，和这个帧进入网桥B1的接口一样。于是网桥B1知道，不用自己转发这个帧，A也能收到B发送的帧。于是网桥B1把这个帧丢弃，不再继续转发了这次网桥B1的转发表增加了一个项目，网桥B2的转发表没有变化。课件制作人：谢希仁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。这是因为以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

登记以下三个信息课件制作人：谢希仁网桥的自学习和转发帧

的步骤归纳

（1）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。（2）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）。课件制作人：谢希仁透明网桥容易安装，但网络资源的利用不充分。因此，另一种网桥就问世了，即源路由(sourceroute)网桥。该网桥在发送帧时将详细的路由信息放在帧的首部中。3.源路由网桥课件制作人：谢希仁1990年问世的交换式集线器(switchinghub)，可明显地提高局域网的性能。交换式集线器常称为以太网交换机(switch)或第二层交换机（表明此交换机工作在数据链路层）。以太网交换机通常都有十几个接口。因此，以太网交换机实质上就是一个多接口的网桥，可见交换机工作在数据链路层。4.多接口网桥——以太网交换机课件制作人：谢希仁以太网交换机的每个接口都直接与主机相连，并且一般都工作在全双工方式。交换机能同时连通许多对的接口，使每一对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样，进行无碰撞地传输数据。以太网交换机也是一种即插即用设备，也采用自学习算法建立转发表。以太网交换机由于使用了专用的交换结构芯片，其交换速率就较高。以太网交换机的特点课件制作人：谢希仁对于普通10Mb/s的共享式以太网，若共有N个用户，则每个用户占有的平均带宽只有总带宽(10Mb/s)的N分之一。使用以太网交换机时，虽然在每个接口到主机的带宽还是10Mb/s，但由于一个用户在通信时是独占而不是和其他网络用户共享传输媒体的带宽，因此对于拥有N对接口的交换机的总容量为N10Mb/s。这正是交换机的最大优点。交换机的最大优点课件制作人：谢希仁用具有多种速率接口的以太网交换机来扩展局域网举例图3-30一系三系二系10BASE-T至因特网100Mb/s100Mb/s100Mb/s万维网服务器电子邮件服务器以太网交换机路由器10Mb/s课件制作人：谢希仁有些交换机采用直通方式的交换方式虽然许多以太网交换机采用存储转发的交换方式，但也有一些交换机采用直通（cut-through）方式。直通交换不必把整个帧先缓存后再进行处理，而是在接收帧的同时就立即按帧的目的MAC地址决定该帧的转发接口，因而提高了转发速度。直通交换的缺点是它不检查差错就直接将帧转发出去，因此有可能也将一些无效的帧转发给其他站。课件制作人：谢希仁以太网交换机仍需要采用基于软件的存储转发方式的情况当需要进行线路速率匹配，协议转换，差错检测时。现在有的厂商已生产出能支持两种交换方式（自适应方式）的以太网交换机。课件制作人：谢希仁虚拟局域网

VLAN是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组。这些网段具有某些共同的需求。每一个VLAN的帧都有一个明确的标识符，指明发送这个帧的工作站是属于哪一个VLAN。虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务，而并不是一种新型局域网。虚拟局域网例子见图3-31。利用以太网交换机可以很方便地

实现虚拟局域网课件制作人：谢希仁图3-31说明设有10个工作站分配在三个楼层中，构成了三个局域网，即：LAN1(A1,A2,B1,C1),LAN2(A3,B2,C2),LAN3(A4,B3,C3),它们被划分为3个虚拟局域网。即：

VLAN1(A1,A2,A3,A4),VLAN2(B1,B2,B3),VLAN3(C1,C2,C3)。课件制作人：谢希仁以太网交换机A4B1以太网交换机VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太网交换机以太网交换机图3-31三个虚拟局域网:VLAN1,VLAN2和VLAN3课件制作人：谢希仁以太网交换机A4B1以太网交换机VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太网交换机以太网交换机三个虚拟局域网VLAN1,VLAN2和VLAN3

的构成当B1

向VLAN2

工作组内成员发送数据时，工作站B2和B3将会收到广播的信息。课件制作人：谢希仁以太网交换机A4B1以太网交换机VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太网交换机以太网交换机三个虚拟局域网VLAN1,VLAN2和VLAN3

的构成B1发送数据时，B1所在的LAN1中的其他工作站A1,A2和C1都不会收到B1发出的广播信息。课件制作人：谢希仁以太网交换机A4B1以太网交换机VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太网交换机以太网交换机三个虚拟局域网VLAN1,VLAN2和VLAN3

的构成虚拟局域网限制了接收广播信息的工作站数，使得网络不会因传播过多的广播信息(即“广播风暴”)而引起性能恶化。课件制作人：谢希仁虚拟局域网协议允许在以太网的帧格式中插入一个4字节的标识符，称为VLAN标记(tag)，用来指明发送该帧的工作站属于哪一个虚拟局域网。虚拟局域网使用的

以太网帧格式

802.3MAC帧字节66246~15004MAC帧目地地址源地址长度/类型数据FCS长度/类型=802.1Q标记类型标记控制信息

1000000100000000VID2字节2字节插入4字节的VLAN标记4用户优先级CFI课件制作人：谢希仁*1.端口VLAN:通过对交换机的端口定义来形成VLAN。具体例子见图3-31（2）。*2.MACVLAN：通过对主机网卡上的MAC地址定义来形成VLAN。3.第三层VLAN：通过第三层网络地址或协议类型定义来形成VLAN。4.IP多播组VLAN：通过一组IP结点和代理（动态建立）来形成VLAN。虚拟局域网的划分方法（补充内容）课件制作人：谢希仁划分VLAN举例：对图3-31按端口（接口）划分VLAN比如VLAN2（B1,B2,B3):交换机4的接口3：连接工作站B3；交换机3的接口3：连接工作站B2；交换机2的接口3：连接工作站B1；数据的发送过程简要分析。见下图3-31（2）按MAC地址划分VLAN时也可类似分析。课件制作人：谢希仁以太网交换机2A4B1以太网交换机4VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太网交换机3以太网交换机1图3-31（2）带有交换机及其接口编号的三个VLAN431111243452233课件制作人：谢希仁其他类型的以太网交换机具有第三层特性的第二层交换机具有某些第三层（网络层）的功能，如数据报的分片和对多播通信量的管理。多层交换机可根据第三层的IP地址对分组进行过滤课件制作人：谢希仁3.6高速以太网

3.6.1100BASE-T以太网速率达到或超过100Mb/s的以太网称为高速以太网。100BASE-T是在双绞线上传送100Mb/s基带信号的星型拓扑以太网，仍使用IEEE802.3的CSMA/CD协议，又称为快速以太网(FastEthernet)。课件制作人：谢希仁10BASE-T升级到100BASE-T站点的10Mb/s的适配器更换为100Mb/s的适配器；10Mb/s的集线器更换为100Mb/s集线器。10BASE-T上的应用软件和网络软件可保持不变。课件制作人：谢希仁100BASE-T以太网的特点可在全双工方式下工作而无冲突发生。因此，在全双工方式下不使用CSMA/CD协议。在半双工方式下使用CSMA/CD协议。MAC帧格式仍然是802.3标准规定的。保持最短帧长不变（64字节），但将一个网段的最大电缆长度减小到100m。争用期从原来的51.2s改为5.12s，帧间最小间隔从原来的9.6s改为现在的0.96s