第5章链路层和局域网

1第5章链路层和局域网网络层：主机和主机之间传输数据报。链路层：

在相邻节点之间传输数据帧。应用层运输层网络层链路层物理层2网络层提供两台主机之间的通信服务。路径：由源主机和目的主机之间的一系列通信链路和路由器组成接受链路层服务链路3网络层的数据报如何被封装成链路层的帧；分组如何通过各段链路链路层协议是否能够提供路由器之间的可靠数据传输；通信路径上不同的链路是否采用不同的链路层协议。链路链路层的工作4学习内容数据链路层服务差错检测和纠错多址访问协议：共享广播信道链路层寻址可靠传输链路层技术的实现5链路层信道类型

广播链路点对点链路

6广播链路

许多主机被连接到相同的通信信道（共享信道）需要解决的问题：采用媒体访问协议来协调传输和避免“碰撞”（冲突）。常用于局域网LAN、无线LAN、卫星网和光纤电缆混合(HFC)接入网。

7点对点链路直连两个节点的链路，每一端有一个节点。如两台路由器之间的通信链路，或住宅的调制解调器与ISP路由器之间的通信链路。访问控制简单。需要解决的问题：成帧、可靠数据传输、差错检测和流量控制等。8主要内容5.1概述与服务5.2差错检测和纠错5.3多路访问协议5.4链路层编址5.5以太网5.6集线器和交换机5.7PPP5.8链路虚拟化:ATM5.9小结95.1概述和服务节点：主机或路由器链路：连接相邻节点的通信信道。链路层传输数据报的过程发送节点将数据报封装成链路层帧，发送到链路上接收节点接收该帧，并提取出数据报。节点链路5.1.1链路层提供的服务5.1.2适配器101、链路层功能和协议链路层功能：将帧(frame)从一个节点通过一条链路传输到下一个节点。帧封装了一个网络层的数据报。链路层协议：

定义了帧的格式，以及发送和接收分组时节点采取的动作：包括差错检测、重传、流量控制和随机访问等。典型协议：以太网、802.11无线LAN、令牌环、PPP，以及ATM。112、网络层与链路层关系网络层：将运输层报文段从源主机传送到目的主机。能够在各段链路层提供异构服务的情况下，完成端到端的工作。链路层：将网络层数据报从一个节点传送到下一个节点（单段链路）。

不同的链路可采用不同的链路层协议，提供不同的服务。12类比例旅行社组织游客从A地到B地。经过3段旅程。游客：数据报；旅行社：选路协议；旅程区段：通信链路；运输方式：链路层协议，如汽车、飞机和火车。汽车飞机火车AB133、链路层能够提供的可能服务基本服务：将帧通过一条链路从一个节点“移动”到相邻的节点。可能服务：成帧：把网络层数据封装成链路层帧，再传送到链路上。包括若干字段：如编号、物理地址等不同的链路层协议，帧格式可能不同14多路访问控制：由媒体访问控制MAC协议协调多个节点的帧的发送。一般用于多个节点共享一个链路的广播链路。3、链路层提供的服务153、链路层提供的服务可靠交付：保证无差错地经过链路层移动网络层数据报。方法：与运输层类似，通过确认和重传实现，通常用于高差错率链路高差错率的链路：如无线链路，在本地(发生差错的链路)纠正差错，不通过上层进行端到端的数据重传。低差错率的链路：如光纤、同轴电缆、双绞线链路，不需提供链路层的可靠交付服务。16流量控制：防止发送节点的发送速率过高，避免接收节点来不及处理。链路节点的帧缓存容量有限。当帧到达接收节点的速率大于其处理速率，接收方缓冲区产生溢出，帧会丢失。运输层：可为两个进程之间提供端到端可靠传输。流量控制是在端到端提供。链路层：在一条链路相连的两个节点之间提供可靠传输；流量控制是在相邻节点之间提供。

3、链路层提供的服务173、链路层提供的服务差错检测：帧在传输时有可能出现比特差错（10、01）差错检测用来检测是否存在一个或多个比特差错。

发送节点：在帧中设置差错检测比特；

接收节点：对收到的帧进行差错检测。通过硬件实现。差错纠正：与差错检测类似。接收方不仅能检测帧中是否出现差错，还能判断差错的位置，并进行纠正。183、链路层提供的服务半双工和全双工：全双工传输：链路两端的节点可以同时传输分组。半双工传输：链路两端的节点不能同时传输和接收，只能交替。195.1.2链路层的实现：网卡网卡：网络接口卡NIC（NetworkInterfaceCard）

网络适配器（NetworkAdapter）作用：计算机通过网卡与传输介质连接组成网络。

90年代：是独立的物理部件；安装在计算机的主板扩展槽中。现代：大多被综合进主机的主板。PCI网卡201、网卡的功能完成物理层和数据链路层的大部分功能。主要功能：（1）帧的封装与解封（2）链路访问控制：如CSMA/CD协议的实现（3）编码与译码：如曼彻斯特编码与解码CPU存储器控制器物理传输主机总线适配器(网卡)主机链路层物理层上层链路层物理层212、实现链路层功能相邻节点间帧的传输：发送节点：网络层将数据报传递到网卡，封装成帧，将帧传输到通信链路。接收节点：网卡接收帧，解封取出数据报，传递给网络层。控制器CPU存储器控制器CPU存储器数据报数据报数据报帧封装发送接收解封222、实现链路层功能差错检测：发送网卡设置差错检测比特，接收网卡完成差错检测。可靠交付：

采取可靠交付的机制，如序号、定时器和确认。媒体访问控制：实现随机访问协议，如CSMA/CD234、网卡类型—按总线类型分（1）ISA接口网卡：IndustryStandardArchitecture

工业标准体系结构。速度低、安装麻烦。很少用（2）PCI接口网卡：PeripheralComponentInterconnect

外设部件互连。性价比高、安装简单。应用最广泛，用于台式机。（3）USB接口网卡：UniversalSerialBus

通用串行总线。新技术，主要用于没有内置网卡的笔记本用户，通过主板上的USB引接。244、网卡类型—按总线类型分（4）PCMCIA接口网卡：个人电脑内存卡国际协会

PersonalComputerMemoryCardInternationalAssociation

用于笔记本电脑。PCI网卡

PCMCIA网卡USB网卡254、网卡类型按传输速度（1）10M网卡（2）10/100M自适应网卡（3）10/100/1000M自适应网卡按是否需要网线（1）有线网卡（2）无线网卡265.2差错检测和纠错技术

实现比特级差错检测和纠错对一个节点发送到相邻节点的帧，检测是否出现比特差错，并纠正。相关技术很多。27差错检测和纠错过程网络层DEDC数据报数据报D'EDC'易出现比特差错的链路D‘中所有比特正确数据链路层的帧发送节点：将数据D附加若干差错检测和纠错EDC位，一起发送D为要保护的网络层传来的数据报以及帧首部。

接收节点：接收比特序列D'和EDC'。根据D'和EDC'，判断D'是否和初始的D相同（传输是否正确）。

正确：解封取出数据报，交给网络层；

出错：差错处理。28说明不能保证接收方检测到所有的比特差错，即可能出现未检测到的比特差错。差错检测和纠正技术有多种。技术越好，能检测的错误越多，但越复杂，开销越大。29三种主要差错检测技术奇偶校验：最基本的方法。检查和方法：常用于运输层。循环冗余检测：常用于链路层。5.2.1奇偶校验5.2.2检查和方法5.2.3循环冗余检测301、单比特奇偶校验

发送方：在要发送的信息D（d位）后面附加一个奇偶校验位使“1”的个数（d+1位）是奇数（奇校验）或偶数（偶校验）

一起传输发送（d+1位）。01110001101010111d位数据校验位偶校验311、单比特奇偶校验

接收方：检测收到的信息（d+1位）中“1”的个数。偶校验：发现奇数个“1”，至少有一个比特发生差错，并且是奇数个比特差错。奇校验：发现偶数个“1”，至少有一个比特发生差错，并且是奇数个比特差错。01110001101010111d位数据校验位偶校验32特点可以查出任意奇数个比特的错误，但不能发现偶数个的错误。若比特出错概率很小，且差错独立发生，单比特奇偶校验可满足要求。若比特差错集中一起发生，一个帧中未检测到差错的概率达到50%。332、二维奇偶校验（垂直水平奇偶校验）发送方将要传数据划分固定长度的组(

i个组，每组j位)，每组一行排列；对每行和每列分别进行奇偶校验i+j+1个奇偶比特与数据一起发送如数据：101101101100101001100划分3组每组7个比特34特点可以检测并纠正单个比特差错（数据或校验位中）。能够检测（但不能纠正）任意两个比特的差错。行、列确定35前向差错纠正FEC

接收方的检测和纠正差错能力被称为前向差错纠正FEC（forwarderrorcorrection）。可与ARQ技术(确认重传技术)一起使用，减少发送方重发的次数适用于实时网络应用和长时延链路(如卫星通信)365.2.2检查和方法TCP和UDP协议：对整个分组(其实还包括部分网络层首部字段)计算检查和。有些协议：对首部计算一个检查和，对整个分组计算另一个检查和。37检查和发送方：将数据(检查和字段置0)分成若干16位的块；将所有16位的数求和(高位进位加到低位)求反，得到检查和，放入首部检查和字段，一起发送。

接收方：

对接收到的信息(包括检查和)求和全“1”：数据无错；否则：数据出错38011001100110000001010101010101011000111100001100101001010110000010100101011000010

例例，有三个16比特的字：求和求反，得检查和接收方求和应为：

1011010100111101111111111111111139检查和特点开销小：所用位数较少，例如TCP,UCP只用16比特；差错检测能力弱：适用于运输层（其差错检测用软件实现，而检查和方法简单、快速）。链路层的差错检测由网卡中的硬件实现，因此采用检测能力更强、更复杂的CRC方法。405.2.3循环冗余检测CRC计算机网络中广泛采用。

循环冗余检测CRC(cyclicredundancycheck)编码又称为多项式编码，把要发送的比特串看作为系数是0或1的一个多项式，对比特串的操作看作为多项式运算。如比特串10111：

x4+x2+x+141核心思想1.双方约定好一个r+1位的除数G（如G=101）；2.发送方：发送数据为D（如D=1101），在其后加一个r位的冗余码R，使得DR能被G整除，发送DR.3.接收方：接收到D'R'，如果：D'R'能被G整除：无错， D'R'不能被G整除：出错关键算法：求冗余码R

DR%G=0R=D

00%G（G为r+1位，则R为r位）

1011

xx%101=0xx=1011

00%101=10即：DR=101110r位42CRC基本思想假设：发送节点要发送的数据D(d比特)双方事先约定一个生成多项式G(r+1比特)，其最高位(最左边)为1。发送方：计算出一个冗余码R(r比特)，添加到D的后面产生DR(d+r比特)，一起发送。特点：DR能被

G

整除(采用模2运算)D:数据（d位）R:冗余码（r位）DR（d+r位）43接收方：将收到的DR除以G，采用模2运算整除：传输正确，去掉尾部r位，得所需数据D不能整除：传输发生差错CRC基本思想D:要发送的数据（d位）R:冗余码（r位）DR（d+r位）44模2运算加法和减法不进位不借位，都等同于按位异或(XOR)例1011+0101=1110;1011XOR0101=11101001-1101=0100;1001XOR1101=0100乘法和除法与二进制运算类似：乘以2r，即以比特模式左移r个位置。D×2r

=D00…00(r

个0)DR

(d+r比特)=

D00…00XORR=D×2r

XORR

45如何计算RDR能被G模2运算整除：即DR=D×2rXORR=nG

等式两边都用R异或，得到

D×2r

=nGXORR（相当于：D×2r

=nG+R）即R等于D×2r除以G所得的余数R的计算：将数据D后面添加r个0，除以给定的生成多项式G

(r+1位)，所得余数即为R(r位)。46例设D=101110，d=6，G=1001，r=3实际传输的数据是101110011r+1位D后添加3个0余数取3位，得R相减不借位就算是1000也要商147循环冗余检测

国际标准已定义了8、12、16和32位的生成多项式G。

8比特的CRC用于保护ATM信元首部；

32比特的CRC-32用于链路层的IEEE协议：如GCRC-32=100000100110000010001110110110111CRC特点：能检测小于r+1比特的差错和任何奇数个比特的差错。485.3多路（址）访问协议两种网络链路：点对点链路：链路两端各一个节点。一个发送和一个接收。可采用点到点协议PPP。广播链路：

多个节点连接到一个共享的广播信道任何节点传输时，信号在信道上广播，其他节点都可以收到一个拷贝。常用于局域网LAN中，如传统以太网和无线局域网。本节主要学习广播链路中的信道共享技术。49多路访问协议目的：避免广播链路中多个节点同时使用信道，发生冲突。冲突（collide）：两个以上的节点同时传输帧，使接收方收不到正确的帧(所有冲突的帧都会受损)，造成广播信道时间的浪费。可用于许多不同的网络环境,如有线和无线局域网、卫星网等:50共享无线（如WiFi）共享无线（如卫星）共享线路（如总线以太网）聚会聊天共享空气51多路访问协议的理想特性设广播信道的速率为Rb/s只有一个节点发送数据时：该节点的吞吐量为Rb/s有N个节点发送数据时：每个节点吞吐量为R/Nb/s协议是分散的：不需要主节点协调传输协议是简单的：实现方便、价格适中52多路访问协议的类型信道划分协议划分信道，给不同节点分配不同的时隙、频率或编码方式随机访问协议不划分信道，允许冲突能从冲突中“恢复”轮流协议节点轮流访问信道来避免冲突发送节点越多，轮流时间越长535.3.1信道划分协议主要类型：TDM、FDM、CDMA三种。设信道支持N个节点，且传输速率是Rb/s。54时分多路复用（TDM）将信道传输时间划分为时间帧，每个时间帧再划分为N个时隙（长度保证能发送一个分组），分别分配给N个节点。每个节点只在固定分配的时隙中传输。例：6个站点的LAN,时隙1、3、4有分组,时隙2、5、6空闲134134时间帧55TDM特点避免冲突、公平：每个节点专用速率R/Nb/s节点速率有限、效率不高：R/Nb/s56将信道带宽划分为N个较小频段，带宽分别为R/N，分配给N个节点。例：6个站点的LAN,频带1、3、4有分组,频带2、5、6空闲频分多路复用（FDM）frequencybandstime57FDM特点与TDM类似。

避免冲突、公平：N个节点公平划分带宽；

节点带宽有限、效率不高：节点带宽为R/N。58码分多址CDMA

(codedivisionmultipleaccess)基本思想：给每个节点分配不同的编码方式；每个节点用惟一的编码对要发送的数据进行编码不同节点可以同时发送，并正确到达接收方（不会互相干扰）。第6章将详细介绍。最初：用于军事通信，抗干扰能力强；

目前：用于无线蜂窝移动通信等。595.3.2随机访问协议基本思想：发送节点以信道全部速率（Rb/s）发送；发生冲突时，冲突的每个节点分别等待一个随机时间，再重发，直到发送成功。典型的随机访问协议：ALOHA协议CSMA协议CSMA/CD协议60ALOHAALOHA：20世纪70年代初，夏威夷大学研制的一个无线电广播通信网。采用星型拓扑结构，地理上分散的用户通过无线电使用中心主机。中心主机通过下行信道向二级主机广播分组；二级主机通过上行信道向中心主机发送分组（无线电信道是一个公用信道，可能会冲突）有若干种形式：

时隙ALOHA

纯ALOHA中心611、时隙ALOHA假设：所有的帧长L比特；时间被划分为若干等长的时隙（长度为一帧的传输时间L/Rs）；节点只在时隙的开始点传输帧；所有节点同步传输，知道时隙什么时候开始；如果一个时隙的开始点有多个节点同时传送，所有节点都能检测到冲突。62时隙ALOHA操作过程当节点有新的帧要发送，需等到下一个时隙开始，才能发送。发送时有两种情况：无冲突：节点成功传输帧。有冲突：节点检测到冲突后，以概率p(0<p<=1)在后续的每一个时隙重传该帧，直到成功。重传C:碰撞时隙E:空闲时隙S:成功时隙63特点当只有一个节点要发送时，信道以全速R传输。分散的：每个节点检测冲突并独立决定何时重传；发送控制简单；有多个活动节点时效率低。64三种可能的时隙冲突时隙C：出现帧冲突，被“浪费”。空闲时隙E：所有活动节点停止传输，被“浪费”成功时隙S：只有一个节点在传输的时隙。65效率（efficiency）当有许多活动节点时，在发送的许多帧中，成功时隙所占的份额。最低效率情况：没有任何访问控制，每个节点都在冲突之后立即重传，效率为零。66效率计算假设：有N个节点；每个节点都有一帧（新帧或重传帧）要发送，试图在每个时隙以概率p传输。成功时隙的概率：即只有一个节点传输而其他N-1个节点不传输的概率：

p(1-p)N-167时隙ALOHA的效率N个节点中，任意节点成功传送的概率：

Np(1-p)N-1N趋于无穷时，取极限，最大效率为1/e=0.37即当许多节点都有帧要传输时，最多只有37%的时隙在成功传输，信道有效的传输速率是0.37Rb/s。类似可得出：剩余的时隙37%为空，26%有冲突。682、纯ALOHAALOHA的最初形式。是一个非时隙、完全分散的随机接入协议。时隙ALOHA：所有节点同步传输，知道时隙什么时候开始；纯ALOHA：没有时隙，节点间不同步，任何时刻都可能传

（只要收到上层分组，就立即传输）工作过程：节点有帧要发，就立即传输。如果与其他帧产生冲突，在该冲突帧传完之后以概率p立即重传该帧；

否则等待一个帧的传输时间，再以概率p传输该帧，直到成功为止。69纯ALOHA最大效率假设：帧的传输时间为一个时间单元。任何给定时间，某个节点传输一帧的概率是p节点i

在时间t0开始传输帧，如图所示。结果：在t0发送的帧会和其他节点在[t0-1,t0+1]发送的其它帧冲突。与i帧开始部分重叠与i帧结束部分重叠70保证i帧成功传输：在时间间隔[t0

-1，t0]中，不能有其他节点开始传输，概率是(1-p)N-1并且当节点i传输时，在时间间隔[t0

,t0+1]中，也不能有其他节点开始传输，概率是(1-p)N-171纯ALOHA效率P(给定节点成功传送)=P(节点传送)·P(没有其他节点在[t0-1,t0]内传送)·P(没有其他节点在[t0,t0+1]内传送)=p

.(1-p)N-1.(1-p)N-1

=p

.(1-p)2(N-1)

取极限为1/(2e)=0.185

效率只有时隙ALOHA协议的一半。72ALOHA协议特点各节点的活动是相互独立的。一个节点开始传输时不知道是否有其他节点正在传输。发生冲突时不会停止传输。效率不高。733、改进方法增加两个规则。载波侦听CS：某个节点在发送之前，先监听信道。信道忙：有其他节点正发送帧，该节点随机等待一段时间，然后再侦听信道。信道空：该节点开始传输帧。冲突检测CD：边发送边监听，即节点在传输同时侦听信道。如果检测到有其他节点也在传输帧，发生冲突，立即停止传输，并用某种方法来决定何时再重新传输。74两种相应的协议载波侦听多路访问CSMA（carriersensemultipleaccess）带冲突检测的载波侦听多路访问CSMA/CD(CSMAwithcollisiondetection)75CSMA只增加“载波侦听”规则。基本原理：传送前侦听信道闲：传送整个帧信道忙：延迟再侦听特点：发前侦听，可减少冲突。由于传播时延的存在，仍有可能出现冲突，并造成信道浪费。76例一个广播总线依次连接4个节点(A、B、C、D)，传输的时空图：节点空间分布

77时间t0：节点B侦听到信道空，开始传输帧，沿着媒体传播比特。时间t1

(t1t0)：节点D有帧要发送。B的传输信号未到D，D检测到信道空，开始传输。很快，B的传输开始在D节点干扰D的传输（冲突）。传输过程78

信号从一个节点传播到另一个节点所花费的时间。传播时延越长，节点不能侦听到另一个节点已经开始传输的可能性越大。端到端信道传播时延79CSMA主要问题节点没有进行冲突检测，发送后既使发生了冲突也不知道，节点仍继续传输整个帧。该帧已经被破坏、是无用的帧。浪费信道传输时间。80带冲突检测的CSMA(CSMA/CD)增加“载波侦听”和“冲突检测”规则。基本原理：传送前侦听信道忙：延迟再侦听信道闲：发送整个帧发送同时进行冲突检测：一旦检测到冲突就立即停止传输，尽快重发。可缩短无效传送时间，提高信道的利用率81例两个节点B、D在检测到冲突之后很短的时间内都放弃传输。传统的以太网采用CSMA/CD协议检测到冲突，很快放弃传输825.3.3轮流协议多路访问协议的理想特性：只有一个节点活动时，吞吐量R

bps；有N个节点活动时，吞吐量R/N

bps。信道划分协议满足第二个特性，不满足第一个；随机接入协议满足第一个，但不满足第二个。两种轮流协议：1、轮询协议2、令牌传递协议831、轮询协议(pollingprotocol)指定一个主节点，以循环的方式轮询每个节点。并告诉节点能够传输的最大帧数。轮询顺序：12……

n

主节点通过观察信道上是否有信号来判断节点是否完成了帧的发送，再询问下一节点。数据帧主节点1……2n轮询帧84轮询协议的特点消除了冲突和空时隙，效率高。有轮询时延：活动节点不能立即传输帧，要等待轮询；如果主节点失效，整个信道都不能用。852、令牌传递协议(token-passingprotocol)没有主节点，一般用于环形网和总线网。设置一个令牌T(token，小的专用帧)；令牌以固定顺序循环传递，如：12……

n节点收到令牌，才有权发送：有帧要发送，传输，传完后将令牌转发到下一节点否则，直接将令牌转发到下一节点。T86特点令牌传递是分散的，效率高。一个节点的失效会使整个信道崩溃。一个节点忘记释放令牌，必须恢复令牌到环中

相应协议标准：如FDDI和IEEE802.5令牌环协议。875.3.4局域网(LAN)LAN：是一个地理范围小的计算机网络。特点：地理范围小：几公里。如一栋楼，一所大学。可使用多路访问控制协议：如CSMA/CD。数据传输速率高：10Mb/s、100Mb/s、1Gb/s、10Gb/s一个单位拥有LAN只有物理层和数据链路层88局域网的拓扑结构星形、环形、总线、树形89局域网的应用范围广。典型应用：单位用户通过LAN接入因特网。用户主机先组成LAN，LAN通过路由器接入因特网。90局域网的协议标准IEEE802标准系列。IEEE802委员会：电子和电气工程师协会IEEE在1980年2月成立的一个分委员会，专门制订局域网的相关标准。典型标准：IEEE802.3：CSMA/CD以太网IEEE802.4：令牌总线网IEEE802.5：令牌环形网IEEE802.11：无线局域网915.4链路层编址

每个节点有网络层地址和链路层地址。网络层地址：如因特网中的IP地址。用于把IP数据报送到目的主机（通常位于其他网络）。长度为32比特（IPv4）。包括两部分：网络号：指明主机所在物理网络的编号。主机号：主机在物理网络中的编号。链路层地址：如MAC地址。用于把数据帧从一个节点传送到另一个节点(同一网络中)。长度为48个比特。925.4.1MAC地址MAC地址（LAN地址、物理地址、硬件地址）：是一个全局地址，世界范围惟一。是节点的网卡所带的、永久的地址（生产时固化在网卡的ROM里）。MAC地址长度通常为6字节，共248个。6字节地址用16进制表示，每个字节表示为一对16进制数。如图所示：93例1A-2F-BB-76-09-AD58-23-D7-FA-20-B00C-C4-11-6F-E3-9871-65-F7-2B-08-53

LAN(有线的或无线的)适配器（网卡）在控制台中使用ipconfig/all可查看94MAC地址的分配IEEE管理机构负责分配前三个字节，后三个字节由设备厂商对设备网卡进行分配。MAC地址是平面结构：带有同一网卡的节点，在任何网络中都有同样的MAC地址。IP地址是层次结构：当节点移动到不同网络时，节点的IP地址发生改变。其网络号部分指明所在网络。字节向IEEE购买厂家自行分配12345695MAC地址识别广播信道中，一个节点发送的帧，信道上其他节点都能收到该帧。但大多数情况，帧的目的节点只有一个。由“网卡”负责帧的MAC地址的封装和识别：发送网卡：将目的MAC地址封装到帧中，并发送。网络中所有其他网卡都会收到这个帧。接收网卡：检查收到帧的目的MAC地址与自己MAC地址是否匹配：匹配：接收该帧，取出数据，并传递给上层。

不匹配：丢弃该帧。96特殊帧广播帧：一个节点发送给所在网络所有节点的帧。其目的地址为：MAC广播地址如以太网和令牌传递LAN，其广播地址是48个连续的1组成的字符串，即：

FF-FF-FF-FF-FF-FF97节点的3种不同地址应用层的域名、网络层的IP地址和链路层的MAC地址。实际在链路上传输时，根据MAC地址，确定相应的节点。1A-2F-BB-76-09-AD58-23-D7-FA-20-B00C-C4-11-6F-E3-98

LAN237.196.7.23237.196.7.78237.196.7.14237.196.7.8871-65-F7-2B-08-5398地址之间的转换通信时，需要进行地址转换：

主机名IP地址MAC地址应用层的DNS域名系统：将主机域名解析到IP地址。DNS为在因特网中任何地方的主机解析主机名。网络层的ARP地址解析协议：将IP地址解析到MAC地址。ARP只为在同一个LAN上的节点解析IP地址。99为什么需要MAC地址MAC地址：“中立的地址”。使底层LAN能够适应各种网络层协议（如IP、IPX），移到不同时不需重新配置。如果网卡用网络层地址替代MAC地址：网络层地址需存在网卡RAM中，每次移动需要重新配置。如果网卡不用地址：网卡每收到的每一个LAN帧都交给主机网络层来核对地址是否匹配，这不属于网络层的工作。保持各层独立1005.5以太网Ethernet有线LAN技术：以太网、令牌环、FDDI和ATM等到目前为止，以太网最流行。以太网成功的原因：是第一个广泛使用的高速LAN；简单、便宜；版本不断更新，数据速率更高、成本更低。101常用传输介质表示<传输速率><信号类型><介质类型/网段最大长度(×100m)>

Base基带信号Broad宽带信号10Base2：细同轴电缆，速率10Mb/s，最大网段185m10Base5：粗同轴电缆，速率10Mb/s，最大网段500m100BaseT：双绞线电缆，速率100Mb/s，最大网段100m常用拓扑结构—总线采用同轴电缆：10Base2、10Base5103常用拓扑结构—星型20世纪90年代后开始流行。连接设备：集线器或交换机集线器或交换机104本节内容5.5.1以太网帧结构5.5.2CSMA/CD:以太网的多路访问协议5.5.3以太网技术1051、以太网的帧结构CRC检测范围字节866246～15004前同步码目的地址源地址类型数据CRC发送方：发送适配器将IP数据报封装成以太网帧，并传递到物理层。接收方：接收适配器从物理层收到该帧，取出数据，并传递给网络层相应协议。106各字段含义例，以太网中主机A向主机B发送一个IP数据报。主机A适配器的MAC地址：

AA-AA-AA-AA-AA-AA主机B适配器的MAC地址：

BB-BB-BB-BB-BB-BB107源地址（6字节）发送适配器的MAC地址。如主机A的地址：AA-AA-AA-AA-AA-AA。108目的地址（6字节）目的适配器的MAC地址。如主机B的地址：BB-BB-BB-BB-BB-BB。适配器B只接收目的地址与其MAC地址匹配的帧或广播帧，并将数据字段的内容传递给网络层。否则，丢弃该帧。如果目的地址全1，则表示帧要在本网络广播109类型字段（2字节）作用：以太网可以为不同网络层协议(如IP，ARP，IPX等)传送数据。通过“类型”字段来区分。发送方网卡填入网络层协议的“类型”编号；接收方网卡根据“类型”字段，将数据字段传递给对应的网络层协议。110数据字段(46～1500字节)携带网络层传来的数据（如IP数据报或ARP分组）。以太网的最大传输单元MTU是1500字节：网络层数据超过1500字节，必须分片。最小长度是46字节：如果网络层数据小于46字节，必须填充为46字节。接收方网络层去除填充内容。111循环冗余检测CRC（4字节）检测帧是否出现比特差错。发送主机计算CRC：使整个帧(含CRC字段，但不含前同步码)能够被生成多项式整除，结果放入帧CRC字段。接收主机进行CRC校验：接收主机对收到的帧除以相同的生成多项式，看是否能整除来判断是否出错。112前同步码（8字节）前7字节是0101010，最后一个字节是10101011使接收方和发送方的时钟同步，接收方一旦收到连续的8字节前同步码，可确定有帧传过来。前同步码是“无效信号”，接收方收到后直接删除。CRC的校验范围不包括前同步码。1132、基带传输和曼彻斯特编码基带传输：适配器直接给信道发送未调制的信号。调制：频谱搬移和变换。宽带传输：将信号调制到特定频带再传输。数字信号编码(属于物理层功能)不归零编码曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码114不归零编码

直接用原始基带数字信号传输。采用两种不同电平，如：1--高电平；0--低电平

问题：出现一连串“1”或“0”时，接收方无法确定一位的开始和结束。即收发不能同步。一般不直接用。1000100111基带数字信号115曼彻斯特编码每位信号的中间都有一个跳变，两个作用：表示数据：根据跳变方向判断数据如，高跳到低--1；低跳到高--0

做同步时钟：接收方根据跳变来同步接收。1000100111基带数字信号曼彻斯特编码116差分曼彻斯特编码每位信号的中间都有一个跳变，只做同步时钟，不表示数据。数据表示：根据每位开始处是否有跳变来判断。

如：无跳变--1；有跳变--0较好的抗干扰性能，复杂。信号编码属于物理层基带数字信号曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码1173、不可靠的无连接服务

以太网向网络层提供的服务。无连接服务：通信前，发送方网卡不需要和接收方网卡“握手”建立连接。不可靠的服务：接收到的帧可能包含比特差错。以太网有检错(通过CRC字段)，但无确认重发。收到正确帧，不发确认帧；收到出错帧，丢弃该帧，不发否定确认帧。发送网卡不会重发出错帧，传递到接收方网络层的数据报流可能有空隙。需要高层做相应处理118高层的处理运输层使用UDP（不可靠服务）时：需要应用程序本身实现确认和重传机制来保证可靠传输。运输层使用TCP（可靠服务）时：当接收网卡将出错帧(封装了TCP段)丢弃时，TCP不发确认，由发送主机的TCP进行超时重传，并再次通过相同网卡传输。

底层以太网并不知道封装的是新数据，还是重传数据。1195.5.2CSMA/CD：以太网的

多路访问协议相应标准为IEEE802.3协议。机制：未使用时隙：适配器可以在任何时刻开始传输；使用载波侦听：当适配器侦听到有其他的适配器在传输，就不会传输帧；使用冲突检测：当检测到其他适配器也在传输帧，就中止传输；重传：冲突后，等待一个随机时间，再重传。120说明侦听和冲突检测，由以太网适配器通过测量电压等级来进行。各适配器独立运行CSMA/CD协议，不需和其他适配器进行协调。121CSMA/CD协议工作流程（1）封装成帧：发送适配器获得一个网络层数据报，封装成以太网帧，放到缓冲区中；（2）适配器侦听信道：空闲：即在96比特时间内，没有信号从信道进入，开始传输该帧；忙：等待，直至连续96比特时间内侦听不到信号，开始传输该帧。（3）无冲突成功传输：帧传输期间未检测到其他适配器的信号，该帧传输成功。122CSMA/CD协议工作流程（4）有冲突停止传输：帧传输时检测到其他适配器的信号，就停止传输帧，并传输一个48比特的拥塞信号。（5）等待一个随机时间再侦听：传输拥塞信号后，适配器进入指数后退阶段，等待一段时间，并返回到第2步。当重发若干次仍不能成功时，则丢弃该帧，并向高层报告。

123CSMA/CD流程图N延迟一个随机时间(指数后退)NY冲突？传输帧Y侦听，忙？发“拥塞信号”重发次数太多放弃发送成功从网络层取数，成帧，送入缓冲区124拥塞信号作用

强化冲突信号，使其他的适配器都知道发生了冲突如：A开始传输一帧，在信号到达B之前，B开始传输。B很快发现冲突，并中止传输（只传输了几个比特）。几个比特传播到A，不足以使A检测到冲突。为确保A检测到冲突，B需要传输48比特拥塞信号。AB125指数后退算法基本退让时间：以512比特的传输时间为单位；第n次冲突后的退让时间：K×512比特时间K是{0～2m-1}之间的一个随机整数。

m=min(n，10)

第一次冲突：m=1，K从{0、1}中选择；若K=0，传完拥塞信号后，立刻跳到第2步。K=1，在返回到第2步之前要等待1×512比特时间

第二次冲突：m=2，K从{0、1、2、3}中选择；126第三次冲突：m=3，K从{0、1、2、3、4、5、6、7}中选择；……

第十次冲突：m=10，K从{0、1、2、…、1023}中选择K的选择集合的长度随着冲突的次数n呈指数增长(直到n=10)当重发若干次仍不能成功时，则丢弃该帧，并向高层报告。127例设有一个10Mb/s以太网。

一比特时间（传输单个比特所需的时间）是0.1s。512比特时间是51.2s。

第n次冲突后退让时间：K×51.2s。128使用CSMA/CD的传统以太网的效率效率：当许多节点有大量的帧要发送时，帧在信道中无冲突传输的时间所占的份额。当只有一个节点发送时，该节点能够以最大速率（全速）传输。当有很多节点都要发送时，信道的有效传输速率可能小的多。129近似公式：tprop：信号在任意两个适配器之间的最大传播时间ttrans：一个最大长度的以太网帧的传输时间。以太网最大长度的帧是1518字节，最小是64字节（不包括前同步码）。对10Mb/s的以太网，ttrans约为1.2ms。当tprop接近0时：效率接近1。

即如果传播时延是0，冲突节点立即知道冲突，并中止传输而不会浪费信道。

当ttrans变得很大时：效率也接近于1。即若一个帧的传输占有信道很长时间，代表信道一直在有效地工作。1518×8/10M130常用以太网技术10Base2：总线网，使用细同轴电缆，传输速率10Mb/s10Base5：总线网，使用粗同轴电缆，传输速率10Mb/s10BaseT：

星形网，使用双绞铜线，传输速率10Mb/s100BaseT：星形网，使用双绞铜线，传输速率100Mb/s1000BaseLX(1000BaseSX)：星形网，使用传输长波激光(短波激光)的单模(多模)光纤，传输速率1Gb/s。

以太网技术由IEEE802.3工作组标准化。1311、10Base2和10Base5早期以太网，使用同轴电缆。总线结构。组网费用低。185m（和500m）必要时通过转发器扩展联网距离。转发器（repeater）：中继器。物理层设备。从输入端接收信号，输出端将信号放大转发。转发器1322、10BaseT和100BaseT两种技术相似，只是速率不同。100BaseT也称为“快速以太网”或“百兆以太网”。特点：使用星形拓扑；一个中心设备：集线器(hub)，有多个接口；现在100BaseT使用交换机(switch)

100m每个接口通过两对双绞线与主机适配器点对点连接（发送/接收）适配器和集线器之间连接最长100m任意两个节点之间最长200m双绞线集线器133集线器特点物理层设备：对比特操作而不是帧。

从一个端口收到一个比特，向所有其他接口转发出去。不缓存帧：实际上是一个比特转发器或中继器。不实现CSMA/CD协议：CSMA/CD由每个适配器完成（侦听信道、检测冲突）提供网络管理功能：检测站点故障，收集信息并报告给相应主机。134集线器组成的网络物理上是星型，逻辑上是总线型。构成一个大的共享冲突域：多个同时发送数据，会出现信号碰撞，造成发送失败。所以需要CSMA/CD1353、吉比特以太网1000Mb/s，标准为IEEE802.3z协议；标准以太网帧格式，与10BaseT和100BaseT兼容允许点对点链路和共享的广播链路采用星形拓扑，其中心是一个集线器或交换机可作为主干互联多个以太网使用光纤或5类UTP电缆。1364、10Gb/s以太网10吉比特以太网：

IEEE802.3ae协议，将以太网技术扩展到了点对点广域网(WAN)链路。1375.6互联：集线器和交换机局域网的网络设备:集线器hub：中继器（物理层）交换机switch：多端口网桥（链路层）5.6.1集线器5.6.2链路层交换机1385.6.1集线器多级集线器：集线器以层次方式排列，连成多级结构。主干集线器与下层集线器点对点连接，实现不同LAN互联。集线器集线器集线器主干集线器139说明仍为一个LAN：其中每个集线器和其连接的主机称为一个LAN网段。所有网段属于同一个冲突域：各节点发的信息，会传播到整个LAN。如果多个节点同时传输，会冲突，所以采用CSMA/CD。集线器集线器集线器主干集线器140优点不同网段的主机可以互相通信；扩展了节点之间的最大距离；主干集线器可以检测故障集线器，并断开。集线器集线器集线器主干集线器141通过集线器互联的缺陷冲突域加大：由原有的各自独立的冲突域变成一个大的公共的冲突域。如果各网段的以太网技术不同，不能用集线器互连。例如不同速率的LAN不能互联。集线器本质上是比特转发器，并不缓冲帧。主机总数和地理范围有限。受以太网技术约束。集线器集线器集线器主干集线器21世纪初，以太网的集线器被交换机取代1425.6.2链路层交换机交换机特点交换机互联方式1、交换机转发和过滤2、自学习3、专用接入和全双工4、交换方式5、交换机与集线器比较6、交换机和路由器的比较143交换机特点链路层的设备：对以太网帧进行操作。根据目的MAC地址转发帧：从某个接口收到的帧，不向所有的其他接口转发而是根据其目的MAC地址，只向目的接口转发。全双工工作方式具有自学习功能即插即用(plug-and-play)：不需人工配置。集线器也是。144交换机互联整个互联的网络为一个LAN，其中交换机连接的各部分称为LAN网段。集线器集线器集线器交换机123145交换机互联的特点不同网段的主机可以互相通信，且每个网段是一个独立的冲突域。可以互联不同的LAN技术。对LAN的大小没有限制，理论上，可扩展到全球。集线器集线器集线器交换机1231461、交换机转发和过滤过滤(filtering)：交换机判断一个帧是应该转发到某接口还是直接丢弃。保证网段内的帧不会转发到其他网段。转发(forward)：交换机判断一个帧应该被导向哪个接口，并移送到该接口。过滤和转发通过交换机表(switchtable)完成。交换机表：包含所在LAN上部分节点的表项。表项结构：目的节点的MAC地址、转发的交换机接口、本表项创建的时间。147例集线器集线器集线器交换机62-FE-F7-11-89-A31237C-BA-B2-B4-91-10148过滤和转发的原理交换机从接口x收到一个帧；根据其目的MAC地址查表找到对应项：确定转发接口y，判断：同段（x=y）：丢弃此帧（过滤）；保证网段内通信的帧，不被交换机转发到另一个网段去。不同段（xy）：将该帧放到接口y的输出缓冲区（转发）未找到：向接收接口以外的所有接口转发（广播），进入自学习。

149例子节点A向B发帧：1#收到查表1#转发同一网段，丢弃此帧（过滤）节点D向C发帧：2#收到查表1#转发不同网段，从1#转发集线器集线器集线器交换机ABCDEFGHI地址接口ABCD1112123150优点交换机所连接的不同的网段是独立的冲突域。不同网段的两组节点同时通信时互不干扰网段内的流量会被过滤隔离集线器集线器集线器交换机冲突域冲突域冲突域151典型应用

各个部门内部的流量被限制在本部门的以太网段内toexternalnetworkrouterIPsubnetmailserverwebserverSwitch1525、交换机与集线器比较转发：集线器：转发时，将帧的比特向所有接口转发。采用总线方式工作，可能会冲突。交换机：把帧转发到相应的目的地接口，不会冲突。互联：交换机：可互联不同技术的以太网段、无地理范围限制。集线器：不具备该特性。1532、自学习每个交换机具有一个交换机表交换机表中的内容：节点MAC地址,接口,时间交换机表可以自动地、动态地建立（不需网络管理员或配置协议的干预）。采用逆向扩散式路径学习法：通过收到帧的源地址来建立交换机表。154（1）交换机表初始为“空”。（2）收到一个目的地址不在表中的帧：将该帧转发到除接收接口外的所有接口在表中记录下发送节点信息该帧的源MAC地址、该帧进入的接口、当前时间（3）如果每个节点都发送了一帧，那么每个节点都将被记录在该表中。逆向扩散式路径学习法交换机ABC地址接口A1155逆向扩散式路径（4）收到一个目的地址在表中的帧：交换机将查表并转发到对应的接口。（5）表自动更新：如果一段时间(老化时间agingtime)内没有收到以表中的某个地址作为源地址的帧，将表中的相应表项删除。交换机ABC地址接口ABC123156例增加一个新的表项：设在时间9:39时，一帧从接口2到达，该目的地址不在交换机表中。集线器集线器集线器交换机123源地址：01-12-23-34-45-56157例：删除表项若老化时间是60分钟，9:32到10:32之间没有源地址是62-FE-F7-11-89-A3的帧到达，交换机将其表项删除。1583、专用接入和全双工专用接入：主机和交换机通过两对双绞线直接连接。如图。一台交换机为6台主机提供专用接入。交换机AA’BB’CC’159全双工模式交换机在同一接口上可以同时发送和接收帧（上行和下行线）。多对主机同时通信不冲突：不需要CSMA/CD总吞吐量为多对之和。交换机AA’BB’CC’160例3对同时传输文件，A--A'、B--B'、C--C'。如果每台主机都有一个10Mbps的适配器，则3个并行文件传输的总吞吐量是30Mbps。如果A和A'是100Mbps，其余是10Mbps，总吞吐量是120Mbps。交换机AA’BB’CC’1614、交换机的交换方式存储转发方式(store-and-forwardswitching)先接收整个帧，保存到缓冲区，再转发。类似于路由器。直通交换方式(cut-thoughswitching)帧在转发之前不“存储”。边接收边转发：只要接收到帧头中的目的地址，就立即查表转发，不需保存整个帧。162存储转发和直通交换比较出链路的输出缓冲区有其他帧排队：存储转发和直通交换之间没有区别。

出链路的输出缓冲区无其他帧排队（空）：直通交换不存储，直接转发，时延很小。存储转发时延为L/R（L是帧的长度，R是入链路的传输速率）。163直通交换机可以减少分组的端到端时延：若以太网速率为10Mb/s，则最大存储转发时延大约是1.2ms；若以太网速率为100Mb/s，则最大存储转发时延大约是0.12ms；直通交换机的时延小(当出链路轻载时)，但价格贵。直通还是存储转发，要根据不同情况来选择。存储转发和直通交换比较1646、交换机和路由器的比较路由器：根据网络层地址转发，是第三层的分组交换机,维护选路表，实现选路算法。交换机：根据MAC地址转发，是第二层的分组交换机,维护交换机表，实现过滤、学习算法。交换机路由器165交换机的优缺点即插即用：不需网络管理员干预较高的分组过滤和转发速率拓扑结构限制为一棵生成树：防止广播帧循环可能产生“广播风暴”：

若某台主机故障，不停地发送LAN广播帧，交换机将转发所有这些帧，导致整个LAN的崩溃。166路由器的优缺点网络寻址是层次的；无拓扑结构限制若网络中存在冗余路径，分组不会在网络中循环寻找源和目的之间的最佳路径为第二层的广播风暴提供防火墙保护:LAN的广播不能跨越路由器。缺点：非即插即用：路由器及主机都需配置IP地址分组的处理时间比交换机长。小网络（几百台主机）：采用交换机构成LAN。交换机连接不同网段，仍属于同一个LAN。大网络（几千台主机）：先用交换机构成多个LAN，再用路由器互联。路由器连接不同网络。167对比小结集线器 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

有广播隔离无有

无设备层次越高，越复杂，功能越强，但效率越低1685.7PPP：点对点协议点对点链路：一个发送方、一个接收方、一段链路无媒体访问控制点对点链路的协议：点对点协议PPP和高级数据链路控制协议HDLC。PPP适用的点对点链路：

串行的拨号电话线、SONET/SDH链路（光纤同步数字网）、X.25连接（公共分组交换网）或者ISDN电路（综合业务数字网）。Point-to-PointProtocol:169例家庭用户通过PPP来拨号连接ISP。170PPP的设计要求(待续)成帧：发送方将网络层分组封装成帧再传送。透明性：对网络层分组的数据不做任何限制。任何网络层数据都可正确传送。支持多种网络层协议：如IP和DECnet。通过“协议”字段或类似机制区分。差错检测：接收方必须检测帧的差错。连接的活性：能够检测到链路级的故障，并向网络层报告。171PPP的设计要求能运行于多种链路：串行：一次传输一个比特。并行：并行传输若干比特。同步：时钟信号与数据比特一起传输。其他：异步的、高速的、低速的、电的或光的链路等实现简单：最重要。172不要求PPP实现的功能无差错纠正：PPP能够检测比特差错，但不纠正。无流量控制：不需PPP发送方降低传输速度，由较高层协议负责降低递交给PPP的分组的速率。无顺序交付：不要求按发送方发送的顺序将数据交付给接收方。（指封装的网络层数据）不支持多点链路：

差错纠正、流量控制、按顺序交付等都由较高层实现!173PPP组成在两个通信的链路级对等体之间，交换含有网络层数据的PPP帧。成帧：在PPP帧中封装数据、识别帧的开始和结束、检测帧中差错。链路控制协议：初始化、维护和拆除PPP链路。网络控制协议：一个协议族，分别对应一个上层网络协议。1745.7.1PPP数据成帧

数据帧格式：HDLC帧也类似标志字段：特殊字节“01111110”标志开始和结束。地址字段：一个字节“11111111”。控制字段：一个字节“00000011”。

可变长度标志标志控制地址协议数据校验175协议字段：告诉接收方收到的帧的数据属于上面哪类协议。如

0021H：IP协议

C021H：PPP链路控制协议数据字段：用于封装上面协议要发送的分组。默认最大长度1500字节。校验和字段：2或4字节循环冗余码。可变长度标志标志控制地址协议数据校验176传输“透明性”“标志”字段使用“01111110”(7E)来表示帧的起始或结束。问题：如果在分组中其他字段也出现“01111110”，接收方可能会误认为是帧的结束。采用字节填充技术解决，实现传输的“透明性”。可变长度标志标志控制地址协议数据校验177字节填充技术定义一个控制转义字节“01111101”(7D)。发送方：在除标志字段的其他字段中若出现01111110：在其前面增加一个转义字节

如01111101

01111110

(7D7E)若出现01111101：在其前面增加一个转义字节

如01111101

01111101

(7D7D)接收方：遇到无转义字节的01111110，表示帧的开始与结束遇到转义字节01111101就去掉，还原原始的数据178例数据中出现标志模式在传输数据中标志字节模式加上填充字节1795.7.2PPP链路控制协议用来完成PPP链路的初始化、维护、差错报告和关闭PPP协议在交换数据前，收发双方要进行链路配置PPP通信过程：分别建立三层连接

建立连接：建立物理连接建立链路连接建立网络连接数据传输：释放连接：释放网络连接释放链路连接释放物理连接180例：用户拨号入网（1）建立物理连接用户拨号呼叫ISP，ISP路由器的MODEM检测到载波并确认。（2）建立链路连接

链路创建。用户PC机向路由器发若干含有LCP(LinkControlProtocol)的