《计算机网络自顶向下（中文）》第6讲 数据链路层之二

第6讲数据链路层之二6b-1MAC协议小结对于共享介质可以做些什么?信道分割,按时间,频率或编码时分、码分、频分随机分割(动态)ALOHA,S-ALOHA,CSMA,CSMA/CD载波检测:有线“易行”、无线“困难”CSMA/CD被用在以太网中轮转分割从主结点发出轮询,令牌传递（tokenpassing）第6讲数据链路层之二6b-2LAN技术已经提到的数据链路层的内容有:服务,错误检测/校正,多点访问下面:讨论LAN技术编址以太网（Ethernet）集线器、网桥、交换机802.11无线LAN协议PPP（点对点协议）ATM第6讲数据链路层之二6b-3LAN地址和ARP32位的IP地址:

网络层地址用于从目的网络获取分组(参见IP地址定义，p171)LAN(或MAC或物理)地址:用来(在同一网络中)物理上互相连接的接口之间获取分组（或帧）

48位MAC地址(绝大部分LANs)

烧制在适配器的ROM中第6讲数据链路层之二6b-4LAN地址和ARP每个LAN上的网卡都有具唯一性的LAN地址第6讲数据链路层之二6b-5LAN地址(续)MAC分配由IEEE管理制造商购买部分MAC地址空间(以保证唯一性)比方:(a)MAC地址:美国人的社会保险号(b)IP地址:类似邮政地址MAC平面地址=>可以迁移可以将LAN卡从一个LAN换到另一个IP层次性地址不可迁移

取决于某个站点接入的网络第6讲数据链路层之二6b-6有关路由选择的讨论223.1.1.1223.1.1.2223.1.1.3223.1.1.4223.1.2.9223.1.2.2223.1.2.1223.1.3.2223.1.3.1223.1.3.27ABEA站点要给B站点发送IP分组：查找B站点的网络地址,发现B站点与其在同一网络中给B站点发送的分组是通过链路层的帧来传送的

B’sMACaddrA’sMACaddrA’sIPaddrB’sIPaddrIPpayload分组帧帧的源、宿地址分组的源、宿地址第6讲数据链路层之二6b-7ARP:地址解析协议（AddressResolutionProtocol）每个LAN

上的IP结点(主机,路由器)都有

ARP模块,和表ARP表:是某些LAN结点的IP/MAC地址映射<IP地址;MAC地址;TTL><…………..>TTL(TimeToLive):超过TTL的地址映射会被删除(一般为20分钟)Q:

若已知B站点的IP地址，

如何确定其MAC地址?第6讲数据链路层之二6b-8ARP协议A知道B的IP地址,需要了解B的物理地址

A广播

ARP查询帧,包含了B的IP地址

所有LAN的主机都收到ARP查询

B接收到ARP帧,将其物理地址返回给AA对收到的IP/MAC地址对进行缓存直到信息过期(超时)软状态:除非定期刷新，否则超时信息将被删除第6讲数据链路层之二6b-9LAN之间的路由选择穿越:经由R将A的数据传输到B在源主机的配置表中发现了路由器111.111.111.110在源主机的ARP表中,发现MAC地址E6-E9-00-17-BB-4B,etcARB第6讲数据链路层之二6b-10A创建了IP分组，源地址为A,宿地址为BA使用ARP来获取R的与111.111.111.110对应的物理地址A创建了以R的物理地址为宿地址的以太网帧，该帧包含的A-to-B的IP分组A的数据链路层发送以太网的帧

R的数据链路层接收到以太网的帧

R从以太网帧中取出IP分组,知道该分组的信宿为BR使用ARP来取得B的物理层地址

R创建了包含了A-to-BIP分组的帧并发给BARB第6讲数据链路层之二6b-11以太网（Ethernet）“统治”LAN的技术:便宜，

￥50for100Mbs!最早被广泛应用的LAN技术较为简单,比tokenLANs和ATM便宜赶上了速率竞赛的步伐:10,100,1000MbpsMetcalfe’sEtheretsketch第6讲数据链路层之二6b-12星型拓扑总线拓扑流行自上世纪90年代中期。是一种广播LAN，所有节点在同一个碰撞域内(可能互相发生碰撞)如今:星型拓扑更流行。使用集线器，物理层设备，作用于比特，放大能量，在各端口广播也会产生碰撞。使用交换机，无碰撞，利用存储转发机制。switchbus:coaxialcablestar第6讲数据链路层之二6b-13以太网帧结构(p304)发送适配器将IP分组封装在以太网帧中(或其他网络层协议分组)Preamble（前序）:

共8个字节，7个10101010字节，尾随一个10101011字节。前7个字节用来唤醒接收适配器，并同步收发双方的时钟速率，因为LAN中发送适配器难以维持额定速率，会产生漂移。第6讲数据链路层之二6b-14以太网帧结构(续)地址:6个字节,帧为某个LAN上的所有适配器接收，但只要地址不匹配就被丢弃，匹配交给网络层。类型:

说明其上层协议,大部分为IP，但其他协议如NovellIPX和AppleTalk也支持。CRC:

在接收端校验,如果出错，则将该帧丢弃。第6讲数据链路层之二6b-15802.3/Ethernetv2帧格式PA：前同步码

-10101010序列，用于使接收方与发送方同步SFD：帧首定界

--10101011DA：目的MAC地址；SA：源MAC地址LEN：数据长度（数据部分的字节数）（0-1500B）Type：类型。高层协议标识LLCPDU+pad--最少46字节,最多1500字节

Pad：填充字段，保证帧长不少于64字节(若Data域≥46字节，则无Pad)FCS：帧校验序列（CRC-32）866246-15004字节FCSSATypePADADataPadEthernetIEEE802.3

712/62/6246-15004字节FCSPASALENSFDDALLCPDUPad校验区间64-1518字节第6讲数据链路层之二6b-16以太网帧的最短长度问题以太网帧的最短长度为64个字节，或者帧中的数据不得少于46个字节小于以上长度的帧或数据需要在帧中加入“填充数据(pad)”按以太网的标准最大长度2.5km计算，802.3标准将长度达到最大值的以太网两倍往返时延取为51.2μs保证最短长度的帧在发送完毕之前，必须能够监测到可能最晚来到的冲突信号第6讲数据链路层之二6b-17以太网:应用CSMA/CDA:检测信道,if

闲置then{

发送并检测信道;If

检测到了其他站点传输

then{

中止传输并发送冲突信号;更新冲突#;按指数退避算法延迟发送;gotoA}

else{帧发送结束;将冲突次数置0}}else{等待正在进行的传输结束并gotoA}第6讲数据链路层之二6b-18以太网的CSMA/CD(续)冲突信号（JamSignal）:

保证所有其他的收发器能够意识到发生的冲突;48bits;指数退避（ExponentialBackoff）:

Goal目的:使得重发的企图能够与推测出的当前负载相适应在重负荷下:随机等待的时间将更长些首次冲突:从{0,1}中选择K；延迟的时长为Kx512bit传输时间第二次冲突后:从{0,1,2,3}选择K…在10次或更多的冲突发生后：从{0,1,2,3,4,…,1023}选择K第6讲数据链路层之二6b-19以太网技术规范举例:10Base210:10Mb/s;Base:

基带传输2:

最大电缆长度在200米以下在总线拓扑结构中使用细同轴电缆中继器用来连接多个网段(4中继器，5个网段)中继器为物理层设备：将其在一个接口上收到的位流复制到所有其他接口上发送!第6讲数据链路层之二6b-20以太网技术:10Base5(p102)粗同轴电缆，可靠性好，抗干扰能力强收发器

:发送/接收,冲突检测,电气隔离AUI:连接件单元接口总线型拓扑用于网络骨干连接最大段长度500米每段最多站点数100两站点间最小距离2.5米

粗缆VampiretapBNC端子收发器AUI电缆NIC网络最大跨度

2.5公里

第6讲数据链路层之二6b-21以太网技术:10Base2细同轴电缆，可靠性稍差

BNCT型接头连接

总线型拓扑用于办公室LAN细缆BNC接头NIC每段最大长度185m每段最多站点数30两站点间最短距离

0.5m网络最大跨度

925m

网络最多5个段

第6讲数据链路层之二6b-22以太网技术:10BaseTNICHUB段最大长度100m双绞线介质（UTP）以Hub（集线器）为中心节点。Hub－多端口转发器。

拓扑结构为星形，逻辑上仍然是总线形。

转发器/中继器的作用：将信号放大并整形后再转发，消除信号传输的失真和衰减。转发器/中继器/HUB——物理层设备(工作在物理层)。用于小型LAN。第6讲数据链路层之二6b-2310BaseT/100BaseT自适应网络10/100Mb/s传输速率;后者被称为“快速以太网”T:

代表双绞线（TwistedPair）所有结点通过双绞线连接到集线器（Hub）,物理上呈现出“星型拓扑”CSMA/CD算法在集线器（Hub）中实现从结点到集线器的最长距离为100米集线器可以与发生故障的适配器断开而不影响其他100BaseT保持以太网最短帧格式不变，但是一个网段的最大缆长减小到100米需要注意：网卡、网线规格、集线器技术参数的匹配第6讲数据链路层之二6b-24千兆以太网p123（GbitEthernet）使用标准以太网帧格式,与10Mb/100Mb技术兼容可以应用在点对点链路和广播式信道上在共享模式下,使用CSMA/CD;结点间的最长距离为100米(p124)在最短帧的基础上增加了“载波延伸”使用集线器,在这里称为“缓冲式分配器（BufferedDistributors）”在点对点链路中可采用1Gb/s全双工通信方式第6讲数据链路层之二6b-25扩展的局域网：集线器（Hubs）物理层设备:本质上是工作在位流层面上的中继器:将接收到的位流在所有其他接口上复制发送集线器可以按照层次结构“级联”,把骨干（backbone

）集线器置顶端(p115)第6讲数据链路层之二6b-26集线器(续)每个被连接的LAN称为LAN网段（segment）集线器不隔离碰撞域:任意LAN网段中的结点都可能与其他网段中的结点发生冲突集线器的优点:简单,廉价设备多层结构提供了一个性能略微降低较大的互联LAN:即使一个集线器故障，部分LAN结点仍可以继续工作扩展了结点间的距离(每个Hub100m)

第6讲数据链路层之二6b-27集线器的局限单一的冲突域导致了最大吞吐量不可能增加多层结构的吞吐量实际与单个网段相同对单个LAN中同样的冲突域的限制也强加到了所有新近加入到这个互联LAN的结点上不能连接不同类型的以太网(e.g.,10BaseT和100baseT)

第6讲数据链路层之二6b-28扩展的局域网：网桥(Bridge)p116链路层设备:

使用以太网帧工作,检查帧的首部的信宿地址后，选择性的进行转发由于网桥可以缓存帧，网桥可以隔离碰撞域

当在网段间转发帧时,网桥使用CSMA/CD方式访问网段并进行传输

第6讲数据链路层之二6b-29扩展的局域网：网桥(续)网桥优点:隔离冲突域使得网络的最大总吞吐量提高,对接入的结点数和地理覆盖的范围没有限制由于是存储转发设备，所以可以连接不同的以太网透明:不需要改变主机的LAN网络接口适配器第6讲数据链路层之二6b-30网桥:帧的过滤,转发网桥过滤帧

同LAN网段内传输的帧不转发到其他的LAN网段

转发:如何知道那个LAN网段在哪，如何转发?看起来好像是路由选择问题(只不过距离短一点!)第6讲数据链路层之二6b-31主干网桥（BackboneBridge）第6讲数据链路层之二6b-32不使用主干方式的互联不推荐的两个理由:-在ComputerSciencehub故障可能引出的问题-所有在EE和SE之间传输的数据必须通过CS网段第6讲数据链路层之二6b-33网桥过滤(p116)网桥可以通过自学了解某台主机可以从哪个接口到达:维护过滤表当帧到达时,网桥“得知”发送方的位置:信号进入的LAN网段在过滤表中记录发送方的位置过滤表的条目:(结点的LAN地址,网桥的接口,时间戳-TimeStamp)过滤表中过期的条目会被丢弃(TTL可以为60分钟)第6讲数据链路层之二6b-34过滤filteringprocedure:If信宿LAN地址与接收到的帧处于同一网段then

丢弃该帧；else

{

查询过滤表

if

发现了信宿的条目then

按条目所指的接口进行转发;else

泛洪（flood）;/*在除了接收该帧的接口以外的所有接口上进行转发*/}

第6讲数据链路层之二6b-35网桥自学过程:举例假设C给D发送帧，D再用帧对C进行应答C发送帧,网桥没有D的资料,因此在两个LAN进行泛洪

网桥注意C是在1#端口位处上部的LAN将该帧忽略LAND接收到了该帧第6讲数据链路层之二6b-36网桥的自学过程:举例D产生了给C的应答,并发送

网桥注意到了D发出的帧网桥查出D处在2#接口上网桥已知C在1#接口上,所以有选择的

通过1#接口转发第6讲数据链路层之二6b-37忽略同网段通信的帧自学源地址转发异网段的帧广播未知帧网桥工作原理小结第6讲数据链路层之二6b-38网桥支撑树(SpanningTree)p118为增强可靠性,一般希望有一些冗余,比如在信源、信宿间设立具有可替换的路径如果同时有了多条路经，就有可能产生循环–网桥会产生成倍的帧并永远转发下去解决办法:将网桥组织成为生成树，其具体做法是把将部分网桥的部分接口暂时加以封锁Disabled第6讲数据链路层之二6b-39多端口网桥：以太网交换机p119使用LAN地址在链路层转发、过滤帧(frame)交换:可同时实现A-to-B和A’-to-B’的数据传输,不会产生冲突接口数量较多一般情况:各个主机,呈星状同交换机连接是以太网（Ethernet）,但不会冲突!第6讲数据链路层之二6b-40以太网交换机直通交换（cut-throughswitching）:

在帧头地址确认后，帧被从输入直接导向输出端口，而不必等到整个帧接收完毕后在转发可以减少等待时间可以将共享/专用的10/100/1000Mb/s接口集于一身第6讲数据链路层之二6b-41以太网交换机(续)DedicatedShared第6讲数据链路层之二6b-42交换机的用法(以100/10Mbps网络交换机为例)：

(1)

端口下接站点：站点独占10Mb/s带宽

(2)

端口下接网段：网段中所有站点共享10Mb/s带宽

(3)上行端口：连接主要共享资源-服务器100Mb/s共享10M独享10M共享10M独享100M网络交换机SwitchHUBHUB第6讲数据链路层之二6b-43虚拟局域网VLAN(p120)什么是VLAN？

VLAN是一个广播域，是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组为什么要使用VLAN？

便于进行网络的管理

增强了网络安全性

抑制广播数据的泛滥

减少了处理用户站点移动所带来的开销一个VLAN就好像是一个孤立的网段，VLAN间不能直接通信，实现VLAN间互联必须借助于路由器。VLAN建立在网络交换机基础上第6讲数据链路层之二6b-44两个分离的广播域HUBHUBHUBHUBSwitch财务室开发部财务室开发部合并广播域既有好处，但也带来了问题。不必要的广播流量会泛滥到整个广播域，同时也带来了安全性问题。开发部和财务室的计算机互相不能访问，流量完全隔离开发部和财务室的计算机互相可以访问，降低了安全性，广播流量会泛滥到整个广播域经交换机连接后变成一个广播域第6讲数据链路层之二6b-45HUBHUBSwitch划分VLAN后分割成两个广播域财务室开发部划分VLAN第6讲数据链路层之二6b-46SwitchSwitchSwitchSwitch当一个部门位于多个地点时，分隔的广播域设计会给布线带来很大困难。但用VLAN可很方便地解决这个问题。1楼3楼6楼VLAN1VLAN2VLAN3财务办公开发第6讲数据链路层之二6b-47VLAN操作VLAN的标准在IEEE802.1Q中定义VLAN帧中增加了一个VLAN标记，它插入在原始以太网帧的源地址域和类型/长度与之间(4个字节