第五章数据链路层和局域网

Chapter5

LinkLayerandLANsComputerNetworking:ATopDownApproachFeaturingtheInternet,

3rdedition.

JimKurose,KeithRoss

Addison-Wesley,July2004.

Anoteontheuseofthesepptslides:We’remakingtheseslidesfreelyavailabletoall(faculty,students,readers).They’reinPowerPointformsoyoucanadd,modify,anddeleteslides(includingthisone)andslidecontenttosuityourneeds.Theyobviouslyrepresentalotofworkonourpart.Inreturnforuse,weonlyaskthefollowing:Ifyouusetheseslides(e.g.,inaclass)insubstantiallyunalteredform,thatyoumentiontheirsource(afterall,we’dlikepeopletouseourbook!)Ifyoupostanyslidesinsubstantiallyunalteredformonawwwsite,thatyounotethattheyareadaptedfrom(orperhapsidenticalto)ourslides,andnoteourcopyrightofthismaterial.Thanksandenjoy!JFK/KWRAllmaterialcopyright1996-2004J.FKuroseandK.W.Ross,AllRightsReserved15:链路层和局域网第5章:数据链路层和局域网目的:

了解数据链路层服务及协议原理:差错检测和纠错共享广播信道：多址访问协议链路层寻址可靠传输，流量控制各种链路层技术的实现25:链路层和局域网第5章大纲：5.1概述和服务5.2差错检测和纠错技术5.3多址访问协议和局域网5.4链路层编址和ARP5.5以太网5.6集线器和交换机5.7PPP：点对点协议*5.8链路虚拟化：网络作为链路层ATMMPLS35:链路层和局域网5.1链路层：概述和服务常用术语:节点：主机和路由器(包括网桥和交换机)链路：沿着通信路径连接相邻节点的通信信道有线链路无线链路局域网数据帧：链路层协议数据单元。封装网络层分组数据链路层的职责：将封装分组的数据帧通过一个链路，从一个节点传输到邻近的另一个节点。“link”45:链路层和局域网链路层的特点分组传输可以经过不同的链路使用不同的协议实现:例如，最初的链路是以太网，然后是帧中继，最后的是802.11每个链路协议提供不同的服务例如，可以在链路上提供或不提供可靠的传输传输类比从Princeton到Lausanne的旅途租车：Princeton到JFK飞机：JFK到Geneva大巴：Geneva到Lausanne旅客=数据包运输段=通信链路运输模式=链路层协议旅行社=路由算法55:链路层和局域网5.1.1链路层服务成帧（及拆帧）：把数据报加上头和尾，封装成帧帧头中的用于标识目的节点和源节点的‘物理地址’不同于IP地址链路（信道）访问：介质访问控制（MediumAccessControl，MAC）协议点对点链路MAC协议比较简单多点共享介质（多址访问）的MAC协议比较复杂在邻接节点间的可靠传输我们已经在第三章学习了怎么做！在出错率很低的链路上很少用(光纤，双绞线)无线链路：高出错率问题：为何链路层和端到端的层都要提供可靠性服务?65:链路层和局域网流量控制：在邻接的发送节点和接收节点间的同步差错检测:差错由信号衰减和噪声引起接收方检测错误：如果发现差错

通知发送方重传帧或丢帧差错纠正：接收方检测和纠正错误，不需发送方重传半双工和全双工半双工，一个节点不能同时发送和接收全双工，节点可以同时发送和接收5.1.1链路层服务（续）75:链路层和局域网5.1.2适配器通信链路层在“适配器”(网卡)中实现

Ethernet卡，PCMCIA卡，802.11卡发送方：封装分组成帧增加检错位、可靠传输、流量控制等接收方检测差错、可靠交付、流量控制等从帧提取分组，传给接收节点适配器是半自治的链路层&物理层发送节点帧接收节点数据报帧适配器适配器链路层协议85:链路层和局域网第5章大纲：5.1引言和服务5.2差错检测和纠错技术

5.3多址访问协议和局域网5.4链路层编址和ARP5.5以太网5.6集线器和交换机5.7PPP：点对点协议*5.8链路虚拟化：网络作为链路层ATMMPLS95:链路层和局域网错误检测EDC=ErrorDetectionandCorrectionbits(冗余)D=被EDC保护的数据，包括头部字段

错误检测不是100%可靠！

协议有可能漏掉一些错误，但很少

大的EDC域能提供更好的检错和纠错能力105:链路层和局域网5.2.1奇偶校验单个奇偶位:检测单个位的错误二维偶校验:检测和纠正单个位的错误,检测任意组合的两个错误00一比特偶校验事实上，发生未检测到错误的概率为50%-->有必要深入研究115:链路层和局域网5.2.2Internet校验和发送方:把报文段内容看成16-bit的整数序列校验和：把报文段的16比特整数求和,再求1的补码发送方把校验和放入UDP的校验和域接收方：计算接收字段的校验和检测计算的校验和与校验和域的值是否相等：NO–检测到错误YES–没有检测到错误。但可能有错….目标:

检测被传输报文段中的“错误”

(注意:仅用于传输层)125:链路层和局域网5.2.3循环冗余校验CRC(CyclicRedundancyCheck)把数据D，看成d位二进制数发送方与接收方商定一个r+1位模式(生成多项式),G

目标:选择r位循环冗余位,R,将它们添加到D后面<D,R>的d+r位二进制数使用模2运算能被r+1位的二进制数G整除接收方用G去除接收到的<D,R>的d+r位二进制数，如果余数非零：错误发生能检测到少于r+1位的各种猝发错误被广泛使用(ATM,HDLC)135:链路层和局域网CRC例子想找到一个R，对于n有:D.2rXORR=nG两边都异或R:D.2r=nGXORR如果用G来除D.2r

，余数等于R:

R=remainder[]D.2rGP285例子，D=101110,G=1001，求R?145:链路层和局域网国际标准已经定义了8-、16-、32-位生成多项式G；8-位CRC用于ATM头部5字节的保护；32-CRC用于大量链路层IEEE协议。每个CRC标准能够检测少于r+1位的猝发错误和任意的奇数个比特错误……其他检错和纠错方法不常用，故不作专门介绍校验和通常应用于传输层，要求简单快速的软件实现方式，而CRC通常应用于链路层，可以适配器硬件实现复杂的算法。155:链路层和局域网第5章大纲：5.1引言和服务5.2差错检测和纠错技术5.3多址访问协议和局域网5.4链路层编址和ARP5.5以太网5.6集线器和交换机5.7PPP：点对点协议*5.8链路虚拟化：网络作为链路层ATMMPLS165:链路层和局域网两种类型的“链路”点对点PPP（用于拨号访问）或HDLC在以太网交换机和主机间的点到点链路广播(有线或无线共享)传统以太网802.11无线局域网175:链路层和局域网多址访问链路（信道）与协议单个共享广播链路（信道）两个或多个节点同时传输：冲突（碰撞）冲突（碰撞）：一个节点同时接收两个或多个信号时发生冲突在某个时刻只有一个节点可以发送成功信息多址访问协议分布式算法决定各节点如何共享链路（信道），即决定节点什么时候可以传送数据共享链路（信道）既要负责进行数据传输，又要负责分布式算法的控制信息的传输没有带外信道传输控制信息185:链路层和局域网理想的多址访问协议速率为Rbps的广播信道1.当一个节点有数据发送时，它能以Rbps的速率发送.2.当有M个节点要发送数据，每个节点的平均发送速率为R/M3.完全分散:不需要主节点协调传输不需要时钟、时隙同步4.简单195:链路层和局域网MAC协议:分类3大类:链路（信道）划分协议把信道划分为小“片”(时隙，频分，码分)给节点分配专用的小“片”随机访问协议不划分信道，允许冲突能从冲突中“恢复”轮流协议通过轮流访问信道避免冲突，要发送的节点越多轮流时间越长205:链路层和局域网5.3.1信道划分协议－时分多路访问:TDMATDMA:timedivisionmultipleaccess

巡回访问信道在每个循环（帧时）中，每个节点得到固定长度的时隙时隙长度通常为数据服务单元的发送时间未被使用的时隙空闲例子：6个站点的局域网，1,3,4被使用，2,5,6空闲215:链路层和局域网5.3.1信道划分协议－频分多路访问:FDMAFDMA:frequencydivisionmultipleaccess

链路（信道）频谱被分成不同频段每个站点分配一个固定的频段未被使用的频段空闲例子：6个站点的局域网，1,3,4被使用，2,5,6空闲frequencybandstime225:链路层和局域网5.3.1信道划分协议－码分多路访问(CDMA)CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)

每个节点分配一个唯一的编码每个节点用它唯一的编码来对它发送的数据进行编码允许多个节点“共存”，信号可叠加，即可以同时传输数据而无冲突(如果编码

是“正交化”的)235:链路层和局域网5.3.2随机访问协议节点有数据包（帧）发送以信道满数据率R传送节点间没有协调者2个或更多的发送节点->“冲突collision”,随机访问MAC协议要求:

怎样检测冲突怎样从冲突中恢复(例如：通过延时重传)随机访问MAC协议实例：ALOHA时隙ALOHACSMA,CSMA/CD,CSMA/CA245:链路层和局域网1.时隙ALOHA协议原理：所有帧大小相同时间被划分为相同大小的时隙，1个时隙=传送1帧的时间节点只能在一个时隙的开始才能传送帧节点需要时钟同步如果一个时隙有多个节点同时传送，所有节点都能检测到冲突没有冲突，节点可以在下一时隙发送新帧如果有冲突，节点在随后的时隙以概率p重传该帧，直到成功为止。255:链路层和局域网1.时隙ALOHA（续）优点单个活跃节点可以持续以满速率传送帧具有高分散性，独立检测冲突和重传简单缺点冲突，浪费时隙空闲时隙节点只有在发送数据包时可能检测到冲突需要节点时钟同步265:链路层和局域网时隙Aloha效率假设有N个节点，每个节点在时隙以概率p发送一个节点在一个时隙成功传送的概率=p(1-p)N-1任一节点传送成功的概率=Np(1-p)N-1

为了得到N个活跃节点的最大效率，必须找出使表达式Np(1-p)N-1

取最大值的p*为了得到大量活跃节点的最大效率，

我们求N趋近无穷时Np*(1-p*)N-1极限值，计算可知最大效率为1/e=0.37效率

：当有很多节点，每个节点有很多帧要发送时，成功时隙所占的百分比最佳:

信道有37%的有效传输275:链路层和局域网2.纯(非时隙)ALOHA非时隙Aloha:简单，不需同步帧一到达

立即传输冲突概率增加:在t0发送的帧和在[t0-1,t0+1]的发送的其它帧冲突285:链路层和局域网纯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)

…选择p值，然后求N->无穷时的极限...

=1/(2e)=0.18

worse!295:链路层和局域网3.载波侦听多址访问CSMA

(CarrierSenseMultipleAccess)

CSMA:

传送前侦听:如果信道闲：传送整个帧如果信道忙：延迟传送

类比人类行为：不打断他人！305:链路层和局域网CSMA冲突冲突还是可能发生:传播延迟可能导致两个节点没侦听到其它节点的传送冲突:整个数据包传送时间被浪费节点的空间分布

注意:距离和传播延时决定冲突概率315:链路层和局域网CSMA/CD(冲突检测)CSMA/CD:在一个短时间内检测冲突放弃冲突传送，减少带宽浪费冲突检测:

在有线LANs中容易：测量信号强度，比较传送和接收信号在无线LANs中困难:传输中接收方可能关闭人类行为：有礼貌的会谈325:链路层和局域网CSMA/CDcollisiondetection335:链路层和局域网CSMA/CD协议基本思想：当一个节点要发送数据时，首先监听信道，看是否有载波。如果信道空闲，则发送数据。如果信道忙，则继续对信道进行监听（1－持续CSMA）。一旦发现空闲，便立即发送。如果在发送过程中检测到碰撞，则停止自己的正常发送，转而发送一短暂的干扰信号jam，强化冲突，使其它站点都能知道出现了冲突。发送了干扰信号后，退避一随机时间，重新尝试发送。34CSMA/CD协议讨论我有数据要发送监听35CSMA/CD协议讨论我有数据要发送监听网上有载波，等待36CSMA/CD协议讨论我有数据要发送监听发生冲突，立即回退冲突了！我也有数据要发送375.3.3轮流协议分割信道MAC协议高负载效率高：该情况下信道共享公平高效低负载效率低：延迟访问，如果只有一个活跃节点只分配了1/N的带宽随机访问MAC协议低负载效率高：单个节点可以获得整个信道高负载效率低：冲突开销大轮流协议两者的折中!385:链路层和局域网轮流协议轮询协议:

主节点轮流“邀请”从属节点传送数据关注：轮询开销延迟主节点失效，整个网络失效令牌传递协议：控制令牌从一个节点顺序传到下一个节点令牌消息关注：令牌开销延时令牌失效，整个网络失效

395:链路层和局域网MAC协议总结共享介质信道分割：时间，频率，代码时分，码分，频分随机分割(动态)

ALOHA,S-ALOHA,CSMA,CSMA/CD载波侦听：有线网络容易实现，无线网络困难CSMA/CD用于以太网CSMA/CA用于无线网络轮转中心节点轮询，令牌传递405:链路层和局域网5.3.3局域网多址访问协议广泛应用于局域网基于随机访问的CSMA/CD广泛应用于局域网基于令牌传递技术的令牌环和FDDI在局域网技术中变得次要链路层技术的发展，局域网、城域网、广域网的概念变得越来越模糊和不重要415:链路层和局域网第5章大纲：5.1引言和服务5.2差错检测和纠错技术5.3多址访问协议和局域网5.4链路层编址和ARP5.5以太网5.6集线器和交换机5.7PPP：点对点协议*5.8链路虚拟化：网络作为链路层ATMMPLS425:链路层和局域网5.4.1MAC地址32位IP地址网络层地址用于把分组送到目的IP网络(回忆IP网络定义)MAC(或LAN

或物理或Ethernet)地址:链路层地址用于把数据帧从一个接口传送到另一个接口(同一网络中)48位MAC地址(大多数LANs)

固化在适配器的ROM435:链路层和局域网在局域网中的每一个适配器都有一个唯一的LAN地址广播地址=FF-FF-FF-FF-FF-FF=适配器（网卡）1A-2F-BB-76-09-AD58-23-D7-FA-20-B00C-C4-11-6F-E3-9871-65-F7-2B-08-53

LAN(wiredorwireless)局域网MAC地址445:链路层和局域网局域网MAC地址MAC地址由IEEE统一分配厂商购买一块MAC地址空间(要保证唯一性)比较:(a)MAC地址:好像身份证号码(b)IP地址:好像邮政地址MAC平面地址=>可移动能从一个LAN移动到另一个LANIP层次地址

依赖节点所依附的IP网络应用层的主机名，网络层IP地址，链路层MAC地址。有利于保持各层独立的原则。455:链路层和局域网每个在局域网上的IP节点(Host,Router)都有ARP表ARP表:局域网上一些节点的IP/MAC地址映射

<IPaddress;MACaddress;TTL>

TTL(TimeToLive):映射地址的失效时间(典型为20分钟)问题：知道B的IP地址怎么知道它的MAC地址1A-2F-BB-76-09-AD58-23-D7-FA-20-B00C-C4-11-6F-E3-9871-65-F7-2B-08-53

LAN38485.4.2地址解析协议ARP465:链路层和局域网A想发送分组给B，A知道B的IP地址假设B的MAC地址不在A的ARP表中A广播包含B的IP地址的ARP查询包

目的MAC地址=FF-FF-FF-FF-FF-FF在局域网上的所有机器都能收到ARP查询B收到ARP包，单播响应A一个带有B的MAC地址的包发送给A关于B的MAC地址帧是一个单播帧A缓存IP-to-MAC地址对在ARP表中，直到信息过期(timeout)软件规定:如果ARP表的信息在一定时间内没有刷新，则信息将过期。ARP是即插即用的:无需网络管理员干预，节点就能创建ARP表1.地址解析协议ARP475:链路层和局域网回忆前面的路由讨论7ABEA把IP分组发送给B:查找B的网络地址，发现B和A在同一网络中链路层发送分组给B，该分组包含在链路层帧中B’sMACaddrA’sMACaddrA’sIPaddrB’sIPaddrIPpayloaddatagramframeframedest,sourceaddressdatagramsource,destaddress485:链路层和局域网2.路由到其他局域网A通过R向B发送分组

假设A知道B的IP地址在路由器R中有两个ARP表，每个针对一个IP网络(LAN)InroutingtableatsourceHost,findrouter10InARPtableatsource,findMACaddressE6-E9-00-17-BB-4B,etcARB495:链路层和局域网A创建一个分组，源地址为A，目的地址为BA使用ARP得到R的10的MAC地址A创建一个链路层帧，该帧以R的MAC地址为目的地址，并包含A-to-B的IP数据包A的适配器发送帧R的适配器收到帧R从Ethernet帧中提取IP数据包，得知目的地址为BR使用ARP得到B的MAC地址R创建一个包含A-to-B的IP数据包的帧发送给BARB505:链路层和局域网5.4.3DHCP:动态主机配置协议目标:

允许主机在加入网络时从网络服务器动态得到IP地址能够在使用时续借地址租用允许重用地址(只是连接时拥有地址）支持准备加入网络的移动用户(更简单)DHCP概述:主机发现DHCP服务器：广播“DHCPdiscover”报文DHCP服务器用“DHCPoffer”报文广播响应主机请求IP地址:广播“DHCPrequest”报文DHCP服务器发送地址:广播“DHCPack”报文515:链路层和局域网DHCP客户服务器协议

7ABEDHCP

服务器

刚到达的DHCP客户机需要这个网络的地址7ABEDHCP

服务器

刚到达的DHCP客户机需要这个网络的地址525:链路层和局域网DHCP客户服务器协议DHCP服务器:来到的客户timeDHCPdiscoversrc:,68dest.:55,67yiaddr:transactionID:654DHCPoffersrc:,67dest:55,68yiaddrr:transactionID:654Lifetime:3600secsDHCPrequestsrc:,68dest::55,67yiaddrr:transactionID:655Lifetime:3600secsDHCPACKsrc:,67dest:55,68yiaddrr:transactionID:655Lifetime:3600secs535:链路层和局域网第5章大纲：5.1引言和服务5.2差错检测和纠错技术5.3多址访问协议和局域网5.4链路层编址和ARP5.5以太网5.6集线器和交换机5.7PPP：点对点协议*5.8链路虚拟化：网络作为链路层ATMMPLS545:链路层和局域网Ethernet：IEEE802.3

当今主流的LAN技术价格便宜!例如20元/100M网卡第一个广泛使用的LAN技术比令牌（环和总线）网络和ATM网络技术简单、便宜其速度可达:10，100，1000Mbps，10Gbps1970s，MIT的Metcalfe博士论文首次提出并发明该技术，应用到1990s中期，特别是10base-2/5，后来不断发展演化为今天10/100/1G/10Gbase-TMetcalfe的以太网草图555:链路层和局域网星型拓扑90年代中期流行总线拓扑结构后期星型拓扑结构盛行连接设备使用:以太网集线器hub或交换机switchhuborswitch565:链路层和局域网5.5.1Ethernet帧结构将IP分组(或其它网络层协议包)封装在Ethernet帧中Preamble:

前同步码，8个字节前7个字节为10101010，最后一个为10101011用于发送和接收方的时钟同步Addresses:MAC地址，6个字节如果适配器收到的帧的目的地址与之匹配或者是一个广播地址（ARP查询帧），就把帧中的数据交付网络层否则，抛弃该帧575:链路层和局域网Type:

类型，2个字节，指明可以支持的高层协议，主要是IP协议，也可以是其他协议如：NovellIPX和AppleTalkCRC:循环冗余校验(帧校验序列)，4个字节。接收方检测，如果有错，丢弃该帧5.5.1Ethernet帧结构(续)585:链路层和局域网不可靠的无连接服务无连接：发送方直接向接收方适配器发送数据帧，不需要“握手”

。不可靠：

接收适配器不向发送适配器发送确认帧数据传输出现错误由上层协议处理通常是由传输层和应用层协议实现可靠传输595:链路层和局域网5.5.2CSMA/CD:以太网的多址访问协议CSMA/CD的机制回顾：任何时刻开始传输，非时隙适配器检测到有其它适配器发送的时候，就不会发送帧，即它采用了载波侦听机制在发送过程中，适配器检测到有其他适配器发送，它将中止发送，即它采用了冲突检测机制在试图重传之前，适配器会等待一个随机时间,这个时间一般比传输一帧的时间要短，即随机回退重传605:链路层和局域网Ethernet的CSMA/CD算法1.适配器从网络层得到分组，创建帧2.如果适配器侦听到信道空闲，开始发送帧。如果信道忙，

它会等到信道空闲才发送帧3.如果适配器传送整个帧都没有检测到其他适配器发送，就完成该帧的发送4.如果适配器在发送中检测到其它传送，就放弃发送，并发送一个拥塞信号5.放弃发送后，适配器进入指数回退阶段，即该帧经过n次冲突后，适配器在{0,1,2,…,2m-1}中随机选取一个K值，其中m=min(n,10)，然后等待K*512比特时间后，回到第2步615:链路层和局域网Ethernet的CSMA/CD算法(续)指数回退：目标：适配器依据当前负载情况重传重负载：等待时间可能变长第一次冲突：

在{0,1}中选k值；延迟Kx512比特时间传送第二次冲突：在{0,1,2,3}中选k值…10次以后，在{0,1,2,3,4,…,1023}中选k值。拥塞信号：48比特，确保所有传送者知道冲突发生比特时间：对于10MbpsEthernet

为0.1微秒/1比特，

当K=1023，等待时间大约50毫秒。算法进一步说明：625:链路层和局域网CSMA/CD效率tprop=在LAN中任两个节点间传播所用最大时间ttrans=发送一个最大帧所用时间当tprop接近0时，效率接近于1当ttrans趋于无穷时，效率接近于1635:链路层和局域网5.5.3以太网技术:10Base-T/F和100Base-T/F

10M以太网：IEEE802.3；100M以太网：IEEE802.3u

IEEE802.3：10base-T/F/2/5；IEEE802.3u：100Base-T/F

10Base-T和100Base-T分别为10和100Mbps速率T

表示双绞线各节点连接到hub/Switch上，星型拓扑结构在适配器与hub/Switch间最大距离为100米。

10Base-F和100Base-F分别为10和100Mbps速率F

表示光纤适配器与hub/Switch间最大距离最大可达500米-300公里，主要用于局域网间的主干路由器或交换机的互联最大传输距离因单模/多模光纤及交换机光纤模块的不同而不同。645:链路层和局域网Manchester编码这是用于10Base-T/F/2/5物理层信号编码技术!每个位都有一个跳变发送方和接收方可以彼此进行时钟同步不需要一个中央或全局时钟节点100Base-T/F使用4B/5B物理层编码技术655:链路层和局域网GbitEthernet：IEEE802.3z和802.3ab

光纤双绞线使用标准的Ethernet帧格式，确保兼容8B/10B编码技术传输介质-光纤和双绞线允许点到点链路和共享广播链路点到点链路使用交换机（目前普遍使用）共享链路使用CSMA/CD技术；必须限制节点间的最大距离，以确保效率。使用的集线器，被称为“缓存分配器”（目前基本不使用）现在已经有10Gbps以太网-IEEE802.3ae!传输介质-光纤8B/10B和64B/66B编码技术665:链路层和局域网第5章大纲：5.1引言和服务5.2差错检测和纠错技术5.3多址访问协议和局域网5.4链路层编址和ARP5.5以太网5.6集线器和交换机5.7PPP：点对点协议*5.8链路虚拟化：网络作为链路层ATMMPLS675:链路层和局域网互连局域网网段的网络设备中继器:（物理层）转换器：信号转换的中继器

如光电转换,10base-2转换到10BaseT集线器:（物理层）集线器是中继器的一种形式，也称为多端口中继器。交换机:（链路层）交换机是网桥的一种形式，也称为多端口网桥。5.6集线器与交换机685:链路层和局域网工作原理：放大、再生二进制位信号的功能广播共享

把从端口接收到的所有二进制位信号，无选择的进行放大再生，并把放大后的信号，通过广播的方式向其他所有端口分发出去。

5.6.1集线器(Hub)HUBABCD695:链路层和局域网5.6.1集线器(Hub)功能特性：连接局域网内各网段扩展各节点间的最大距离但是把各网段的冲突域汇集成一个大的冲突域如果1个CS域的节点和1个EE域的节点同时通信：冲突透明性主机不关心集线器的存在即插即用（不需要被配置）支持网管705:链路层和局域网5.6.2Ethernet交换机本质上是多口网桥链路层设备存储和转发以太网帧检查帧头,并根据目的MAC地址有选择的转发帧当MAC帧被转发到某一共享网段时,需要使用CSMA/CD访问该网段冲突隔离：隔离各个网段或冲突域透明性主机不关心交换机的存在即插即用,自学习交换机不需要被配置支持网管715:链路层和局域网交换机转发原理交换机怎么确定将接收到的帧转发到哪一个网段呢?

----这听起来象是一个路由问题...hubhubhubswitch123725:链路层和局域网1.自学习交换机有一个交换表交换表的表项:(MAC地址，接口，时间)交换表中过期的表项将被删除(TTL可以是60分钟)交换机学习哪一个主机属于哪一个接口当接收每个数据帧时，交换机获取该帧的源MAC地址，学习发送者的位置（接口）在交换表中记录发送者/位置（接口）对应关系735:链路层和局域网2.转发（过滤／转发／广播）当交换机接收一数据帧时:

根据接收帧的目的MAC地址匹配交换表if目的MAC地址的表项被发现

then{if如果MAC目的地址与源地址MAC在同一网段（接口）

then

丢弃该帧（过滤）

else

转发该帧到指定的接口（转发）

}

else

广播（广播）

向所有(除接收帧所在的接口外)其它接口转发745:链路层和局域网交换机举例假设C发送数据帧到D交换机接收来自C的数据帧源地址自学习，注意在交换表中C在交换机的接口1上转发，因为D不在交换表中,交换机将转发数据帧到接口2和3数据帧被D接收

hubhubhubswitchABCDEFGHIinterfaceABEGC11231123address755:链路层和局域网交换机举例假设D回复数据帧给C.交换机接收来自D的数据帧源地址自学习，注意在交换表中D在交换机的接口2上转发，因为C在交换表中,所以交换机只向接口1转发数据帧数据帧被C接收hubhubhubswitchABCDEFGHIaddressinterfaceABEGCD112312765:链路层和局域网冲突隔离:帧转发而非信号再生放大原理决定该特性交换机将一个子网划分成若干个LAN网段交换机过滤数据帧:

同一LAN网段的数据帧传输不被转发到其它LAN网段每个LAN网段变成一个独立的冲突域hubhubhubswitchcollisiondomaincollisiondomaincollision

domain775:链路层和局域网交换机:交换到桌面交换机具有大量接口主机可以直接连接到交换机构成多个点对点链路，没有冲突;全双工模式运行交换:A-到-A’和B-到-B’同时交换,没有冲突785:链路层和局域网直通交换一种没有太大实效，赚取眼球的交换技术。原理:帧从输入端口转发到输出端口，不必等待整个帧的装配轻微减少延时，只是在缓冲队列空闲时发生作用不能真正有效提高转发效率795:链路层和局域网InstitutionalnetworkhubhubhubswitchtoexternalnetworkrouterIPsubnetmailserverwebserver805:链路层和局域网交换机vs.路由器都是存储转发设备路由器:网络层设备,目的IP地址匹配路由表,转发数据报交换机:链路层设备,目的MAC地址匹配交换表,转发数据帧路由器由路由算法维护路由表交换机由自学习算法维护交换表路由器可以隔离广播信息交换机不能隔离广播信息（交换机对某些帧广播）switch815:链路层和局域网综合比较流量隔离即插即用优化路由直通交换825:链路层和局域网第5章大纲：5.1引言和服务5.2差错检测和纠错技术5.3多址访问协议和局域网5.4链路层编址和ARP5.5以太网5.6集线器和交换机5.7PPP：点对点协议*5.8链路虚拟化：网络作为链路层ATMMPLS835:链路层和局域网点到点数据链路控制一个发送者,一个接收者,一条链路:较广播链路简单没有媒体访问控制不需MAC寻址例如：拨号电话线,SONET/SDH链路,X.25连接,ISDN线路,ADSL线路流行的点到点DLC（数据链路控制）协议:PPP(point-to-pointprotocol)HDLC:Highleveldatalinkcontrol845:链路层和局域网PPP设计需求[RFC1557]分组成帧:

把网络层分组封装到数据链路层帧中可以同时承载任何网络层协议数据单元可以向上多路分解，服务于各种网络层协议位透明性:

在数据域中可以装载任何位模式错误检测

（不纠错）面向连接连接的存活:

检测链路层故障，并通知网络层网络层地址协商:

通信双方能获知/配置各自网络地址855:链路层和局域网PPP不需的功能无错误纠正/恢复无流量控制无顺序提交不支持多点链路错误恢复，流量控制，数据排序都交给上层管理!865:链路层和局域网标志域地址域控制域协议域信息域校验和标志域011111101111111111111100协议信息校验和01111110标识帧开始1个字节7E该字段目前无作用传输的数据标识帧结束

1个字节7E标识目的地址,不起作用上层协议，1/2字节：LCP-C021，IPCP-8021，IP-0021,DECnet-027,AppleTalk-0029差错检查：16/32-CRC，5.7.1PPP数据帧875:链路层和局域网位透明性：字节填充

“数据透明性”需要：数据域可以包含标志模式<01111110>问题:

如何知道<01111110>是数据还是标志?解决:不让传输的数据中出现连续两个7E，因为两个7E字节之间正好是两个帧的分界。具体实现如下：

发送方:

在每个<01111110>数据前增加1个填充字节<01111101>

在每个<01111101>数据前也增加1个填充字节<01111101>接受方:

遇到<01111101>

就去掉，接收后面的数据单个01111110:标志字节885:链路层和局域网字节填充举例标志域地址域控制域协议域信息域校验和标志域011111101111111111111100协议信息校验和011111100111111011111111111111000010000101111110校验和01111110011111101111111111111100001000010111110101111110校验和01111110字节填充发送前发送数据011111101111111111111100001000010111110101111110校验和011111100111111011111111111111000010000101111110校验和01111110接收数据处理895:链路层和局域网5.7.2PPP数据控制协议在交换网络层数据之前，数据链路对等端必须建立/配置PPP链路LCP链路控制协议

协商最大帧长，身份认证获知/配置网络层配置信息IPCP网络控制协议用来配制/学习IP地址PPP实际上是一组协议的统称，包括PPP、LCP、IPCP等协议。905:链路层和局域网第5章大纲：5.1引言和服务5.2差错检测和纠错技术5.3多址访问协议和局域网5.4链路层编址和ARP5.5以太网5.6集线器和交换机5.7PPP：点对点协议*5.8链路虚拟化：网络作为链路层ATMMPLS915:链路层和局域网网络虚拟化资源的虚拟化:系统工程中的一个强有力的抽象:计算实例:虚拟内存,虚拟设备虚拟机:例如,java1960’s/70’s的IBMVMos抽象的层次:不关心更低层的细节，只抽象处理更低层925:链路层和局域网TheInternet:网络虚拟化1974:多个独立的网络ARPAnetdata-over-cablenetworkspacketsatellitenetwork(Aloha)packetradionetwork…不同在于:地址规范包格式差错恢复路由ARPAnetsatellitenet"AProtocolforPacketNetworkIntercommunication",V.Cerf,R.Kahn,IEEETransactionsonCommunications,May,1974,pp.637-648.935:链路层和局域网TheInternet:网络虚拟化网际互联层(IP):

地址:为低层异构的局域网提供统一的编址方式，让互联网络成为一个统一的整体实现网络到网络的互联网关/路由器:

在本地网络包格式中嵌入或提取IP分组在IP层，路由分组到下一个网关/路由器ARPAnetsatellitenetgateway945:链路层和局域网Cerf&Kahn的互联网结构什么是虚拟化?或者说是隧道化？两个地址层次:互联网和本地网新的层次(IP)使所有的网络在IP层同构低层的本地网络技术电缆卫星56K电话调制解调器今天的:ATM,MPLS…低层的本地网络技术在互联网层“不可见的”，对于IP来说就象是链路层技术!955:链路层和局域网ATM和MPLSATM,MPLS用它们自己的方式划分网络具有与Internet不同的服务模型、地址和路由从Internet的观点来看，它们作为连接IP路由器的逻辑链路就象拨号链路一样，实际上是电话网络的组成部分ATM和MPSL的技术细节都集中在它们自己的技术领域965:链路层和局域网5.8.1异步传输模式:ATM90年代的高速网络(155Mbps到622Mbps或更高)标准，服务于宽带综合业务数字网络BISDN体系结构目标:

综合的、端到端的传输声音、视频、数据满足声音、视频的实时/QoS需求(与Internetbest-effort模型相对)“下一代”技术:该技术源于电话系统分组交换(包大小固定,被称为“cells”)，采用虚电路975:链路层和局域网ATM体系结构ATM适配层:

在ATM网络的边缘数据分割和重组类似Internet的传输层ATM层:“网络”层信元(Cell)交换,路由ATM物理层:处理物理介质上的电压、比特定时、成帧。985:链路层和局域网ATM适配层(AAL)ATM适配层

(AAL):“适配”上层(IP或ATM应用)到下面的ATM层AAL出现在端系统中，不在交换机中AAL层的报文段(头部/尾部，数据)被分割到多个ATM的信元里类似:TCP报文段被分割到多个IP包里995:链路层和局域网ATM适配层(AAL)[续]不同的ATM服务有不同版本的AAL层:AAL1:

用于恒定比特率(CBR)服务，例如：电路仿真AAL2:用于可变比特率(VBR)服务，例如：MPEG视频AAL5:用于数据传输，例如：IP数据报AAL1支持CBR/UBR，AAL2-VBR/UBR，AAL5-所有类型。

AALPDUATMcellUserdata汇聚子层拆装子层1005:链路层和局域网ATM层服务:

通过ATM网络传输信元和IP网络层相比较，提供完全不同的服务NetworkArchitectureInternetATMATMATMATMServiceModelbesteffortCBRVBRABRUBRBandwidthnoneconstantrateguaranteedrateguaranteedminimumnoneLossnoyesyesnonoOrdernoyesyesyesyesTimingnoyesyesnonoCongestionfeedbackno(inferredvialoss)nocongestionnocongestionyesnoGuarantees?1015:链路层和局域网ATM层:虚电路虚电路传输:

信元从源到目的在虚电路上传输数据传输前需要建立一条虚电路每个包需要包含一个虚电路标识（不是目的标识）源到目的路径上的每个交换机都要维护每个传输连接的状态为了得到类似电路的性能，链路、交换资源（带宽和缓冲）可能被分配给虚电路永久VCs(PVCs)长期持续的连接典型:IP路由器之间的永久路由交换VCs(SVC):为每个请求动态建立的连接1025:链路层和局域网ATMVCsATMVC的优点:能提供QoS性能保证(带宽，时延，时延抖动)ATMVC缺点:支持数据报效率低下在源和目的之间建立的PVC的数量不成比例(N个入口和N个出口需要N*N条连接)SVC引入请求建立虚电路的延时，对于短连接开销过大1035:链路层和局域网ATM层:ATM信元5字节ATM信元头部48字节负载Why?:小负载->为数字音频缩短创建信元时的延迟

在32和64间的折中信元头-5B负载-48BSARPDU1045:链路层和局域网ATM信元头部VCI:

虚通道标识从一个链路到另一个链路VCI会发生变化PT:

负载类型CLP:信元丢失优先级比特CLP=1意味着是低优先级信元，如果拥塞可以丢弃HEC:

首部差错控制字节循环冗余校验（8-CRC）1055:链路层和局域网ATM物理层2个子层:传输汇聚子层(TCS):

使ATM层能适配下面的PMD子层物理介质相关子层(PMD):

依赖所用的物理介质TCS功能:信元流和比特流的转换包括速率适配、信元定界与同步、传输帧的产生与恢复对于无结构的PMD子层，当没有信元被发送时，TCS要传输空闲信元1065:链路层和局域网ATM物理层物理介质相关子层(PMD)单模光纤上的SONET/SDH帧结构收发双方建立比特同步的帧结构;带宽分割(TDM);几种速率:OC1=51.84Mbps;OC3=155.52Mbps;OC12=622.08Mbps;OC48=2.45Gbps,OC192=9.6Gbps。光纤、微波、铜线上的TI/T3帧结构:

速率:T1=1.5Mbps/T3=45Mbps无帧结构:

只有信元传输，接收方时钟从传输信号中获得这里所谓的“帧”的概念与TDM中相同。是指“帧时”，若干时隙组成的“帧时”,用来组织比特发送。1075:链路层和局域网ATM网络的体系结构全貌

用户数据高层协议ATM适配层ATM层物理层用户数据高层协议ATM适配层ATM层物理层ATM层物理层ATM主机ATM主机ATM交换机1085:链路层和局域网5.8.2ATM上传输IP(IP-Over-ATM)传统IP

3个“网络”(例如:LAN网段)MA