计算机网络技术及应用教学课件U3

计算机网络技术及应用第3章数据链路与交换机3.1数据链路层简介

数据链路层属于TCP/IP五层协议中的第二层，位于物理层和网络层之间。

数据链路层是在物理层提供的服务的基础上为网络层提供服务。3.1数据链路层简介

如下图所示，当主机1向主机2发送数据时，数据的流动方向是从主机1的应用层逐层往下，通过物理链路到达主机2的物理层后逐层往上，直至终点主机2的应用层。

然而，当我们专门研究数据链路层问题时，我们可以想象数据就是在两台主机的数据链路层之间从水平方向进行传送。即从主机1的数据链路层直接传递到主机2的数据链路层。3.1数据链路层简介数据链路层的数据流动3.1数据链路层简介数据链路层主要使用有以下两种通信模式：点对点信道。这种信道使用一对一的点对点通信方式。广播信道。这种信道使用一对多的广播通信方式，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3.1数据链路层简介

3.1.1数据链路的功能

数据链路层要为网络层提供服务，必须要依靠数据链路层所具备的功能来实现。因此，数据链路层应具备以下功能：链路管理封装成帧差错控制流量控制3.1数据链路层简介

3.1.1数据链路的功能

链路管理

“链路管理”功能包括在两个网络实体之间提供数据链路连接的创建、维持和释放管理这三个主要方面。3.1数据链路层简介

3.1.1数据链路的功能

链路管理

链路：就是从一个节点到相邻节点的一段物理线路，而中间没有任何其他的交换节点，链路只是一条路径的组成部分。

数据链路(datalink)：在计算机网络中，数据链路除了物理线路外，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。3.1数据链路层简介

3.1.1数据链路的功能

封装成帧数据链路层为了能实现数据有效的差错控制，就采用了一种称为“帧”的数据块进行传输。而要采用帧格式传输，就必须有相应的帧同步技术，这就是数据链路层的“封装成帧”（也称为“帧同步”）功能。3.1数据链路层简介

3.1.1数据链路的功能

封装成帧采用帧传输方式的好处是，在出现错误时，只需将有差错的帧再次传送，而不需要将全部数据的比特流进行重传。而“帧同步”技术可从比特流中准确地区分出每一帧的开始和结束，同时还可识别重传帧。常见的帧同步方法有字节计数法、使用字符填充的首尾定界符方法、使用比特填充的首尾标志法和违例编码法等。3.1数据链路层简介

3.1.1数据链路的功能

差错控制

在数据链路层，我们通常使用的差错控制方法是循环冗余检验CRC（CyclicRedundancyCheck）。3.1数据链路层简介

3.1.1数据链路的功能

流量控制在双方的数据通信中，控制数据通信的流量既可以确保数据通信的有序进行，还可避免通信过程中不会出现因为接收方来不及接收而造成的数据丢失。3.2数据链路层的常见协议

数据链路层的主要协议有以下几种点对点协议（Point-to-PointProtocol，PPP）以太网（Ethernet）高级数据链路协议(High-LevelDataLinkProtocol，HDLC)帧中继（FrameRelay，FR）异步传输模式(AsynchronousTransferMode，ATM)3.3局域网的数据链路层按照拓扑结构，可将局域网分为星形网、环形网、总线网和树形网。3.3局域网的数据链路层

3.3.1以太网

作为局域网中最典型且应用得最为广泛的一个标准，以太网（Ethernet）有着其特殊的地位。以太网(Ethernet)指的是由Xerox公司创建并由Xerox、Intel和DEC公司联合开发的基带局域网规范，是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。DIXEthernetV2和IEEE802.3是现行的两个以太网国际标准。3.3局域网的数据链路层

3.3.2CSMA/CD早期的以太网是一种总线结构，其特点是：当一台主机发送数据时，总线上的其他所有主机都能够检测到这个数据。而且，总线上只要有一台主机在发送数据，整个总线的传输资源就被占用。一旦总线上有多台主机同时发送数据，会出现什么情况呢？3.3局域网的数据链路层

3.3.2CSMA/CD以太网给出的解决办法就是使用载波侦听多路访问/冲突检测（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetect，CSMA/CD）技术，这是一种介质访问控制方法，用来帮助总线上的主机均匀的分享传输资源。3.3局域网的数据链路层

3.3.2CSMA/CD多路访问：说明这是一个总线型网络，许多主机以多路访问的方式连接在一根总线上。载波侦听：就是“发送数据前先监听”，即每台主机在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他的主机在发送数据，如果总线空闲，就立即发送数据；反之就暂停发送，等待一段时间，至信道变为空闲时再发送数据。冲突检测：就是“边发送边监听”，即一边发送数据，一边总线信道上的信号电压的变化情况，以便判断自己在发送数据时其他主机是否也在发送数据。3.3局域网的数据链路层

3.3.3传统以太网的两种拓扑总线结构的传统以太网连接器与终结器3.3局域网的数据链路层

3.3.3传统以太网的两种拓扑使用集线器的星型以太网3.3局域网的数据链路层

3.3.3传统以太网的两种拓扑集线器具有以下一些特点：使用集线器的星型以太网在逻辑上仍然是一个总线网，使用的还是CSMA/CD协议。集线器上有多个接口，很像一个多端口的转发器。集线器工作在物理层，它的每个接口仅仅简单的转发比特流。集线器采用了专门的芯片，对接受到的信号进行再生整形并重新定时。3.3局域网的数据链路层

3.3.4以太网的MAC帧数据链路层从物理层接收比特流，将其组织成一定大小的数据块，并以这种数据块为单位将数据传递给网络层。这种数据块在网络层被命名为——“帧”（Frame）。帧是数据链路层专属的协议数据单元。也就是说，数据链路层的所有数据的接受和发送都是以帧的形式完成的。

帧（Frame）：按某一标准，预先确定的由若干比特或字段组成的特定的信息结构。3.3局域网的数据链路层

3.3.4以太网的MAC帧以太网帧格式3.3局域网的数据链路层

3.3.4以太网的MAC帧当下列三种情况之一出现时，为无效的MAC帧：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；收到的帧的数据字段的长度不在46~1500字节之间对于被检查出无效的MAC帧就简单的丢弃。以太网不负责重传丢弃的帧。3.3局域网的数据链路层

3.3.4以太网的MAC帧硬件地址在局域网中，硬件地址又称为物理地址或者MAC地址（因为这种地址应用与MAC帧中）。MAC地址采用十二位十六进制数表示，共六个字节（48位）。其中，前三个字节是由IEEE的注册管理机构RA负责给不同厂家分配的代码（高位24位），也称为“编制上唯一的标识符”（OrganizationallyUniqueIdentifier)，后三个字节（低位24位）由各厂家自行指派给生产的适配器接口，称为扩展标识符（唯一性）。3.3局域网的数据链路层

3.3.4以太网的MAC帧硬件地址请注意，MAC地址是网卡生产厂家在网卡出厂时写入网卡芯片中的，通常情况下不可更改。换句话说，MAC地址在全球是唯一的。扩展主机和集线器之间的距离的一种简单方式就是使用光纤（通常是一对，一发一收）和一对光纤调制解调器3.3局域网的数据链路层

3.3.5扩展的以太网1.在物理层扩展以太网扩展主机和集线器之间的距离的一种简单方式就是使用光纤（通常是一对，一发一收）和一对光纤调制解调器3.3局域网的数据链路层

3.3.5扩展的以太网1.在物理层扩展以太网如果使用多个集线器，就可以连接处覆盖更大范围的多级星型结构的以太网。3.3局域网的数据链路层

3.3.5扩展的以太网2.在数据链路层扩展以太网在数据链路层扩展以太网需要使用另一种设备——网桥（Bridge）。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和过滤。3.3局域网的数据链路层

3.3.5扩展的以太网网桥的优点网桥可以过滤通信量，隔离冲突域。扩大了物理范围，也增大了这个以太网中主机的最大数量。提高了可靠性。可连接不通物理层，不同MAC子层和不同速率的以太网。3.3局域网的数据链路层

3.3.5扩展的以太网网桥的缺点由于网桥对接收的帧要先存储和查找转发表，然后才转发，而转发前，还必须执行CSMA/CD算法，这样就增加了时延。在MAC子层没有流量控制功能。当网络上负载很重，而网桥上的缓存空间又不够的时候，会发生数据溢出，以致出现帧丢失的情况。网桥只适合用户数不太多（主机数量不超过几百个）和通信量不太大的以太网，否则有时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。3.3局域网的数据链路层

3.3.5扩展的以太网网桥的种类透明网桥源路由网桥多端口网桥——交换机3.3局域网的数据链路层

3.3.5扩展的以太网交换机和集线器的区别工作层次不同。交换机在工作在数据链路层，而集线器工作在物理层。数据通讯的方式不同。交换机通常工作在全双工方式，而集线器工作在半双工方式。集线器共享带宽，而交换机每个端口都有一条独占的带宽。交换机可以隔离冲突域，而集线器不行。交换机的端口可以适应多种速率，而集线器只能适应一种速率。3.3局域网的数据链路层

3.3.5扩展的以太网单工、半双工与全双工单工就是在只允许甲方向乙方传送信息，而乙方不能向甲方传送。半双工就是指一个时间段内只有一个动作发生，举个简单例子，一条窄窄的马路，同时只能有一辆车通过，当目前有两辆车对开，这种情况下就只能一辆先过，等到头儿后另一辆再开，这个例子就形象的说明了半双工的原理。全双工（FullDuplex）就是通信允许数据在两个方向上同时传输，在发送数据的同时也能够接收数据，两者同步进行。这好像我们平时打电话一样，说话的同时也能够听到对方的声音它在能力上相当于两个单工通信方式的结合。3.3局域网的数据链路层

3.3.6其他类型的以太网高速以太网传统以太网的速率为10Mb/s，且以半双工方式工作。速率达到和超过100Mb/s的以太网统称为高速以太网。无线局域网无线局域网）是不使用任何导线或传输电缆连接的局域网，而使用无线电波作为数据传送的媒介，传送距离一般只有几十米。3.4交换机

3.4.1认识交换机交换机早期使用于电话交换系统，用来建立电话连接，采用电路交换方式。随着计算机和网络的先后出现、流行和普及，分组交换机得到广泛使用。1993年，局域网交换设备出现，1994年，国内掀起了交换网络技术的热潮。简单来说，在以太网络中，交换机起的是信息中转站的作用。它把从某个端口接收到的数据从其他端口转发出去。3.4交换机

3.4.2交换机的分类从广义上，交换机分为广域网交换机和局域网交换机。从传输介质和传输速度上，可分为以太网交换机、快速以太网交换机、千兆以太网交换机、光纤交换机等。如果按交换机的端口结构，交换机大致可分为：固定端口交换机和模块化交换机两种不同的结构。按照网络构成方式，网络交换机被划分为接入层交换机、汇聚层交换机和核心层交换机按照TCP/IP的网络模型，交换机又可以分为第二层交换机、第三层交换机、第四层交换机等。按照交换机的可管理性，又可把交换机分为可管理型交换机和不可管理型交换机3.4交换机

3.4.3交换机的数据转发方式交换机通过以下三种方式进行数据交换：直通式在这种模式下，交换机只需要知道帧的目的MAC地址就可以成功的将帧转发到目的地。存储转发存储转发方式输入端口的数据包先存储起来，然后进行CRC检查，在对错误包处理后才取出数据包的目的地址，通过查找表转换成输出端口送出包。碎片隔离这是介于前两者之间的一种解决方案。它检查数据包的长度是否够64个字节，如果小于64字节，说明是假包，则丢弃该包；反之，则发送该包。这种方式也不提供数据校验。3.4交换机

3.4.4交换机的工作原理 MAC地址的学习

在交换机刚刚启动的时候，它的MAC地址表中是空的，没有任何表项。MAC地址表初始状态3.4交换机

3.4.4交换机的工作原理 MAC地址的学习

交换机是通过记录端口接收数据帧中的源MAC地址和端口的对应关系来进行MAC地址表学习。PCA的MAC地址学习3.4交换机

3.4.4交换机的工作原理 MAC地址的学习

同样，当网络中其他PC发出数据帧时，交换机也记录其中源MAC地址，与接收到数据帧的端口相关联起来，形成MAC地址表项其他PC的MAC地址学习3.4交换机