计算机网络谢希仁第三章数据链路层

计算机网络谢希仁第三章数据链路层第一页，共134页。第3章数据链路层3.1数据链路层要解决的基本问题

3.1.1数据链路和帧

3.1.2

数据链路层要解决的三个基本问题

3.1.3适配器通信3.2

点对点协议PPP 3.2.1PPP协议的特点

3.2.2PPP协议的帧格式第二页，共134页。第3章数据链路层3.3

多址访问协议3.4

使用广播信道的数据链路层

3.4.1局域网的数据链路层

3.4.2链路层编址3.5

以太网

3.5.1以太网的两个标准

3.5.2CSMA/CD协议

3.5.3轮流协议第三页，共134页。3.5.4以太网的帧结构

3.5.5以太网技术

3.5.6以太网效率3.6

扩展的以太网

3.6.1在物理层扩展以太网

3.6.2在数据链路层扩展以太网第3章数据链路层第四页，共134页。数据链路层的简单模型局域网广域网主机

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从层次上来看数据的流动第五页，共134页。数据链路层的简单模型局域网广域网主机

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仅从数据链路层观察帧的流动第六页，共134页。数据链路层的主要任务节点到节点的将网络层的数据报传送过路径中的单段链路。第七页，共134页。数据链路层有两种截然不同类型的链路层信道：点对点信道。这种信道使用一对一的点对点通信方式。例如两台路由器之间的通信链路或一个住宅的拨号调制解调器与一个ISP路由器之间的通信链路。广播信道。许多主机被连接到相同的通信信道，需要所谓的媒体访问协议来协调传输和避免“碰撞”。第八页，共134页。3.1数据链路层要解决的基本问题

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。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（即网卡）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。

第九页，共134页。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(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第十页，共134页。数据链路层像个数字管道常常在两个对等的数据链路层之间画出一个数字管道，而在这条数字管道上传输的数据单位是帧。早期的数据通信协议曾叫作通信规程（procedure）。因此在数据链路层，规程和协议是同义语。结点结点帧帧第十一页，共134页。3.1.2数据链路层要解决的

三个基本问题（1）

封装成帧（2）

透明传输（3）差错控制第十二页，共134页。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。确定帧的界限。首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界。

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第十三页，共134页。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第十四页，共134页。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完整的帧发送在前第十五页，共134页。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）。字节填充（bytestuffing）或字符填充（characterstuffing）——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。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。第十六页，共134页。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用字节填充法解决透明传输的问题SOH第十七页，共134页。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。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。第十八页，共134页。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。第十九页，共134页。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。第二十页，共134页。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。第二十一页，共134页。

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

循环冗余检验的原理说明第二十二页，共134页。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。

第二十三页，共134页。接收端对收到的每一帧进行CRC检验若得出的余数R=0，则判定这个帧没有差错，就接受（accept）。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。只要经过严格的挑选，并使用位数足够多的除数

P，那么出现检测不到的差错的概率就很小很小。第二十四页，共134页。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没有传输差错”（有差错的帧就丢弃而不接受）。要做到“可靠传输”（即发送什么就收到什么）就必须再加上确认和重传机制。第二十五页，共134页。3.1.3适配器通信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：进行串行/并行转换。对数据进行缓存。在计算机的操作系统安装设备驱动程序。实现以太网协议。

第二十六页，共134页。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地址并行通信第二十七页，共134页。3.2点对点协议PPP

3.2.1PPP协议的特点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）。用户使用拨号电话线接入因特网时，一般都是使用PPP协议。第二十八页，共134页。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

协议第二十九页，共134页。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第三十页，共134页。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第三十一页，共134页。3.PPP协议的组成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]。PPP协议有三个组成部分一个将IP数据报封装到串行链路的方法。链路控制协议

LCP（LinkControlProtocol）。网络控制协议

NCP（NetworkControlProtocol）。

第三十二页，共134页。3.2.2PPP协议的帧格式PPP有一个2个字节的协议字段。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PPP链路控制数据。若为0x8021，则表示这是网络控制数据。

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第三十三页，共134页。PPP协议的帧格式标志字段

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。PPP是面向字节的，所有的PPP

帧的长度都是整数字节。第三十四页，共134页。透明传输问题当PPP用在同步传输链路时，协议规定采用硬件来完成比特填充（和HDLC的做法一样）。当PPP用在异步传输时，就使用一种特殊的字符填充法。第三十五页，共134页。字符填充将信息字段中出现的每一个0x7E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,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。例：0x03→（0x7D,0x31）第三十六页，共134页。请你动手练一练！一个PPP帧的数据部分（用十六进制写出）是7D5EFE277D5D7D5D657D5E。试问真正的数据是什么（用十六进制写出）？答：7D5E应当还原成为7E7D5D应当还原成为7D

因此，真正的数据部分应该是：7EFE277D7D657E第三十七页，共134页。零比特填充PPP协议用在SONET/SDH链路时，是使用同步传输（一连串的比特连续传送）。这时PPP协议采用零比特填充方法来实现透明传输。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。第三十八页，共134页。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比特零比特填充第三十九页，共134页。请你动手练一练！PPP协议使用同步传输技术传送比特串0110111111111100。试问经过零比特填充后变成怎样的比特串？若接收端收到的PPP帧的数据部分是0001110111110111110110，问删除发送端加入的零比特后变成怎样的比特串？第四十页，共134页。请你动手练一练！答：

011011111011111000

00011101111111111110第四十一页，共134页。请你动脑想一想！PPP协议的主要特点是什么？为什么PPP不给每个帧进行编号？第四十二页，共134页。3.3多址访问协议对于广播链路，它能够有多个发送和接收节点连接到相同的、单一的、共享的广播信道。本节我们暂缓讨论特定的链路层协议，先研究一个对数据链路层很重要的问题：如何协调多个发送和接收节点对一个共享广播信道的访问。第四十三页，共134页。这些年来，在大量的链路层技术中已经实现了几十种不同的多址访问协议。尽管这样，我们几乎可以将任何多址访问协议划分为3种：信道划分协议（在第二章已讲解）随机访问协议（在以太网部分中讲解）轮流协议（在以太网部分中讲解）第四十四页，共134页。信道划分协议信道复用技术（静态划分）频分复用FDM时分复用TDM/STDM波分复用WDM码分复用CDM动态媒体接入控制（多点接入）随机接入受控接入，如多点线路探询（polling），或轮询。

第四十五页，共134页。3.4使用广播信道的数据链路层

3.4.1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、可用性和残存性。速度快。第四十六页，共134页。局域网的拓扑匹配电阻集线器干线耦合器总线网星形网树形网环形网第四十七页，共134页。3.4.2链路层编址在局域网中，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。第四十八页，共134页。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。第四十九页，共134页。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）第五十页，共134页。3.5以太网

3.5.1以太网的两个标准

DIXEthernetV2是世界上第一个局域网产品（以太网）的规约。IEEE的802.3标准。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。第五十一页，共134页。以太网成功的原因：以太网是第一个广泛使用的高速LAN。令牌环等其他网络比以太网更加复杂、昂贵。以太网发展快，总是跟其他网络具有同样或更高的数据速率。以太网已经流行，以太网硬件成了普通商品并且非常便宜。第五十二页，共134页。最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上，线路为半双工通信线路。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。3.5.2CSMA/CD协议B向

D发送数据CDAE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发送的数据第五十三页，共134页。以太网的广播方式发送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的地址与数据帧首部写入的地址一致，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而不能够收下来。具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。第五十四页，共134页。通信要点随机访问(RandomAccess)/竞争(Contention)各站点平等，没有任何站点能控制其他站点；只要遵循预定义的程序，包括介质状态的检测，满足条件的每一个站点都能传输数据。两个特点：每一个站点的传输具有随机性；为了访问介质，各站点采用“竞争”机制。

注意：在随机访问中，各站点都有权访问介质且不受控于其他站点，而如果有超过一个站点都在发送数据时，就产生了“冲突”（Collision）。第五十五页，共134页。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。“载波监听”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。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。第五十六页，共134页。碰撞检测“碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。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”。第五十七页，共134页。1、冲突发生的原因CSMA/CD协议有“载波监听”，即每一个站在发送数据之前都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。既然这样做了，那么为什么还会有冲突发生？因为电磁波在总线上的传播速率是有限的，即存在传播时延。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。“载波监听”只是降低了冲突的次数。第五十八页，共134页。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

传播时延对载波监听的影响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。第五十九页，共134页。2、检测到碰撞后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。第六十页，共134页。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（jammingsignal），以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。

第六十一页，共134页。二进制指数类型退避算法（truncatedbinaryexponentialtype）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t，一般是取为争用期2。定义重传次数k

，k10，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，即r×t。当重传达16

次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。

第六十二页，共134页。退避示例在两次冲突之后k=2，数列范围为{0,1,2,3}，表明再次冲突的概率为四分之一。对应的等待时间则为{0,1×t,2×t,3

×t}秒中的一个。在三次冲突之后k=3，数列范围为{0,1,2,3,4,5,6,7}，表明再次冲突的概率为八分之一。而在四次冲突之后k=4，数列范围变成{0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15}，表明再次冲突的概率为十六分之一。第六十三页，共134页。对指数回退的思考为什么要用指数回退？例如，为什么不在每次碰撞后从｛0，1，2，3，4，5，6，7｝这个固定的集合中选择r呢？原因是当适配器经受到第一次碰撞时，它不知道有多少适配器卷入这次碰撞。如果只有少量适配器碰撞，从小集合中选择小数值的r是有意义的。另一方面，如果有很多适配器卷入这次碰撞，从一个更大的、数值更分散的集合中选择r是有意义的。在每次碰撞之后，通过增加集合的规模，适配器可以恰当的适应这些不同的情况。第六十四页，共134页。3、争用期在传输信号的过程中，有没有安全的、不会发生碰撞的时候？第六十五页，共134页。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=ABABABt=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

第六十六页，共134页。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。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。第六十七页，共134页。争用期的长度以太网取51.2s

为争用期的长度对于10Mb/s以太网，在争用期内可发送

51.2s*10Mb/s=512bit，即64

字节。也就是说，10Mb/s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。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。因此，10Mb/s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。

第六十八页，共134页。CSMA/CD协议的要点归纳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。若适配器监测到信道空闲，就发送这个帧。若监测到信道忙，则继续监测并等待信道转为空闲，然后发送这个帧。在发送过程中继续监测信道，若一直未监测到碰撞，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。在中止发送后，适配器就执行指数退避算法，等待r倍争用期时间后，返回到步骤2。第六十九页，共134页。先听后发边听边发冲突回退候时重发CSMA/CD执行过程总结开始设K=0载波监听信道忙？发送帧发生冲突？成功发送阻塞信号K=K+1K≥16放弃等待退避时间YesNoNoYesYesNo第七十页，共134页。请你动手练一练！假定1km长的CSMA/CD网络的数据率为1Gb/s。设信号在网络上的传播速率为200000km/s。求能够使用此协议的最短帧长。假定在使用CSMA/CD协议的10Mb/s以太网中某个站在发送数据时检测到碰撞，执行退避算法时选择了随机数r=100。试问这个站需要等待多长时间后才能再次发送数据？如果是100Mb/s的以太网呢？第七十一页，共134页。请你动手练一练！答：对于1km电缆，单程端到端传播时延为：

=1÷200000=5×s=5μs

端到端往返时延为：

2=10μs

为了能按照CSMA/CD工作，最小帧的发送时延不能小于10μs，以1Gb/s速率工作，10μs可发送的比特数等于：

10××1×=10000bit=1250字节。

第七十二页，共134页。请你动手练一练！答：对于10Mb/s的以太网，以太网把争用期定为51.2微秒，要退后100个争用期，等待时间是51.2（微秒）×100=5.12ms

对于100Mb/s的以太网，以太网把争用期定为5.12微秒，要退后100个争用期，等待时间是5.12（微秒）×100=512微秒第七十三页，共134页。请你动脑想一想！以太网使用的CSMA/CD协议是以争用方式接入到共享信道。这与传统的时分复用TDM相比优缺点如何？第七十四页，共134页。3.5.3轮流协议轮流协议有很多，并且每一个协议都有变种。两种比较重要的轮流协议：轮询协议——要求一个节点被指定为主节点，主节点以循环的方式轮询每个节点。令牌传递协议——没有主节点，一个小的、称为令牌的特殊目的帧在这些节点之间以某个固定的次序交换。第七十五页，共134页。3.5.4以太网帧结构常用的以太网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。第七十六页，共134页。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

帧格式插入第七十七页，共134页。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字节第七十八页，共134页。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字节第七十九页，共134页。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。第八十页，共134页。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

第八十一页，共134页。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。第八十二页，共134页。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个字节第八十三页，共134页。帧的长度不是整数个字节；用收到的帧检验序列FCS查出有差错；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帧第八十四页，共134页。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。帧间最小间隔第八十五页，共134页。以太网发送的数据都使用

曼彻斯特（Manchester）编码

基带数字信号曼彻斯特编码

码元1111100000出现电平转换第八十六页，共134页。请你动手练一练！请画出二进制序列“10010011”的基带数字信号及曼彻斯特编码。第八十七页，共134页。请你动手练一练！答：曼彻斯特编码是在区间中间进行跳变，遵循规则为：逢“1”信号从高至低；逢“0”则从低至高。曼彻斯特编码如下图所示：

基带数字信号曼彻斯特编码

码元10100101出现电平转换第八十八页，共134页。3.5.5以太网技术在2004年，最通用的以太网技术是10BASE-T和100BASE-T。该技术一般采用星形拓扑，在星形的中心增加了一种可靠性非常高的设备，叫做集线器（hub）。第八十九页，共134页。使用集线器的双绞线以太网集线器两对双绞线站点RJ-45插头第九十页，共134页。星形网10BASE-T不用电缆而使用无屏蔽双绞线。每个站需要用两对双绞线，分别用于发送和接收。集线器使用了大规模集成电路芯片，因此这样的硬件设备的可靠性已大大提高了。10BASE-T的通信距离稍短，每个站到集线器的距离不超过100m。第九十一页，共134页。以太网在局域网中的统治地位这种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。第九十二页，共134页。集线器的一些特点集线器是一个物理层设备，它作用于单个比特而不是帧。当表示一个0或一个1的一比特到达某接口时，该集线器只是重新产生该比特，增强它的能量强度，再将该比特传输到所有其他接口中。集线器不实现载波侦听或CSMA/CD

的任何其他部分。一个集线器在所有的出接口重复入比特。第九十三页，共134页。因为集线器广播比特，在10/100BaseT以太网上的每个适配器能够：侦听信道，以判断是否是空闲的；当它传输时碰撞检测。第九十四页，共134页。具有三个接口的集线器集线器网卡工作站网卡工作站网卡工作站双绞线第九十五页，共134页。3.5.6以太网效率以太网效率：当有大量的活动节点，而每个节点有大量帧要发送时，帧在信道中无碰撞的传输的那部分时间在长期运行时的份额。令 表示信号能量在任意两个适配器之间传播所需要的最大时间。令 表示传输一个最大长度的以太网帧的时间。第九十六页，共134页。于是关于以太网效率有如下的近似公式：第九十七页，共134页。请你动脑想一想！试说明10BASE5，10BASE2，10BASE-T，1BASE-5，10BROAD36和FOMAU所代表的意思。第九十八页，共134页。请你动脑想一想！答：10BASE5，10BASE2，10BASE-T分别表示以太网的三种不同的物理层。10表示数据率是10Mb/s，BASE表示电缆上的信号是基带信号，采用曼彻斯特编码。5表示粗缆，每一段电缆的最大长度是500米。2代表细缆，每一段电缆的最大长度是185米。T表示双绞线。10BROAD36：“10”表示数据率为10Mbit/s，“BROAD”表示电缆上的信号是宽带信号，“36”表示网络的最大跨度是3600m。FOMAU

：（FiberOpticMediumAttachmentUnit）

光纤媒介附属单元。第九十九页，共134页。3.6扩展的以太网

3.6.1在物理层上扩展局域网扩展局域网的最简单方法是使用集线器。集线器是物理层设备，因此使用集线器扩展局域网实际就是在物理层上扩展局域网。第一百页，共134页。某大学有三个系，各自有一个局域网用多个集线器可连成更大的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第一百零一页，共134页。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多级集线器设计第一百零二页，共134页。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第一百零三页，共134页。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。3.6.2在数据链路层扩展局域网第一百零四页，共134页。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第一百零五页，共134页。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第一百零六页，共134页。过滤通信量。扩大了物理范围。提高了可靠性。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。使用网桥带来的好处第一百零七页，共134页。存储转发增加了时延。在MAC子层并没有流量控制功能。具有不同MAC子层的网段桥接在一起时时延更大。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第一百零八页，共134页。集线器在转发帧时，不对传输媒体进行检测。网桥在转发帧之前必须执行CSMA/CD算法。若在发送过程中出现碰撞，就必须停止发送和进行退避。网桥和集线器（或转发器）不同第一百零九页，共134页。目前使用得最多的网桥是透明网桥（transparentbridge）。“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IEEE802.1D。2.透明网桥第一百一十页，共134页。若从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。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第一百一十一页，共134页。地址接口转发表的建立过程举例B2B1ABCDEF1212地址接口…………B1B→AA→BA1F→CF2A→BA1F→CF2第一百一十二页，共134页。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

登记以下三个信息第一百一十三页，共134页。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）。第一百一十四页，共134页。这是为了避免产生转发的帧在网络中不断地兜圈子。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第一百一十五页，共134页。互连在一起的网桥在进行彼此通信后，就能找出原来的网络拓扑的一个子集。在这个子集里，整个连通的网络中不存在回路，即在任何两个站之间只有一条路径。为了避免产生转发的帧在网络中不断地兜圈子。为了得出能够反映网络拓扑发生变化时的生成树，在生成树上的根网桥每隔一段时间还要对生成树的拓扑进行更新。生成树的得出第一百一十六页，共134页。请你动手练一练！下图表示有五个站分别连接在三个局域网上，并且用网桥B1和B2连接起来。每一个网桥都有两个接口（1和2）。在一开始，两个网桥中的转发表都是空的。以后有以下各站向其他的站发送了数据帧：A发送给E，C发送给B，D发送给C，B发送给A。试把有关数据填写在相关表中。第一百一十七页，共134页。B2B1LAN12ABCDE接口1LAN212LAN3练习题表格发送的帧B1的转发表B2的转发表B1的处理B2的处理地址接口地址接口（转发？丢弃？登记？）（转发？丢弃？登记？）A→EC→B

D→C

B→A

A1A1转发，写入转发表转发，写入转发表C2C1转发，写入转发表转发，写入转发表D2D2写入转发表，丢弃不转发转发，写入转发表B1写入转发表，丢弃不转发接收不到这个帧第一百一十八页，共134页。透明网桥容易安装，但网络资源的利用不充分。源路由（sourceroute）网桥在发送帧时将详细的路由信息放在帧的首部中。源站以广播方式向欲通信的目的站发送一个发现帧，每个发现帧都记录所经过的路由。发现帧到达目的站时就沿各自的路由返回源站。源站在得知这些路由后，从所有可能的路由中选择出一个最佳路由。凡从该源站向该目的站发送的帧的首部，都必须携带源站所确定的这一路由信息。3.源路由网桥第一百一十九页，共134页。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——以太网交换机第一百二十页，共134页。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。以太网交换机由于使用了