《数据通信技术（本科）》课件-项目3 数据链路层

数据链路层1.1数据链路和帧数据链路层的地位局域网广域网主机H1主机H2路由器R1路由器R2路由器R3电话网局域网网络中的主机、路由器等都必须实现数据链路层R1R2R3H1H2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数据链路层的地位局域网主机H1主机H2局域网中的主机、交换机等都必须实现数据链路层交换机S2交换机S1H1H2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S1链路层物理层S2链路层物理层数据链路层的地位主机H1主机H2路由器R1路由器R2路由器R3主机H1

向H2

发送数据数据链路层的地位H1到H2所经过的网络可以是多种不同类型的从层次上来看数据的流动R1R2R3H1H2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电话网局域网广域网局域网数据链路层的地位主机H1主机H2路由器R1路由器R2路由器R3主机H1

向H2

发送数据H1到H2所经过的网络可以是多种不同类型的仅从数据链路层观察帧的流动R1R2R3H1H2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电话网局域网广域网局域网注意：不同的链路层可能采用不同的数据链路层协议数据链路层信道类型(a)点对点信道使用一对一的点对点通信方式。(b)广播信道使用一对多的广播通信方式。必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机的数据发送。数据链路层信道类型(a)点对点信道使用一对一的点对点通信方式。(b)广播信道使用一对多的广播通信方式。必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机的数据发送。数据链路和帧链路(link)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。也称为物理链路。把实现控制数据传输的协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。数据链路(datalink)也称为逻辑链路。典型实现：适配器（即网卡）数据链路层协议数据单元：帧使用点对点信道的数据链路层数据链路层结点A结点B帧(b)只考虑数据链路层发送帧接收链路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(a)三层的简化模型IP数据报1010……0110帧装入封装成帧帧结束帧首部IP数据报帧的数据部分帧尾部

MTU数据链路层的帧长从这里开始发送帧开始发送最大传送单元MTU(MaximumTransferUnit)：规定了所能传送的帧的数据部分长度上限。封装成帧(framing)：在一段数据的前后分别添加首部和尾部，构成一个帧。首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界（即确定帧的界限）。封装成帧控制字符SOH(StartOfHeader)放在一帧的最前面，表示帧的首部开始。控制字符EOT(EndOfTransmission)放在一帧的末尾，表示帧的结束。装在帧中的数据部分帧帧开始符帧结束符发送在前EOT用控制字符进行帧定界的方法举例并不是所有帧都用这种方法SOH用控制字符作为帧定界符（早期使用）SOH：01（00000001）EOT：04（00000100）数据链路层1.2透明传输透明传输透明传输前导码以太网V2的MAC帧帧首部和尾部的作用之一就是帧定界。以太网V2的MAC帧（最大长度1518B）4B46

~1500B2B6B6BFCS数据载荷类型源地址目的地址帧首部和尾部中并没有帧定界标志物理层运输层网络层数据链路层应用层物理层运输层网络层数据链路层应用层0101010101010101…0101010101010101110101011字节帧开始定界符7字节前同步码透明传输指某一个实际存在的事物看起来却好像不存在一样。透明“在数据链路层透明传送数据”表示：无论发送什么样的比特组合的数据，这些数据都能够按照原样没有差错地通过这个数据链路层。数据链路层对上层交付下来的协议数据单元PDU没有任何限制，就好像数据链路层不存在一样。不要错误、不要被截断。透明传输问题：如果数据中的某个字节的二进制代码恰好和SOH或EOT一样，数据链路层就会错误地“找到帧的边界”，导致错误。数据部分恰好出现与EOT一样的代码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完整的帧发送在前透明传输用“字节填充”或“字符填充”法解决透明传输的问题SOHESCEOTESCSOHESCESCESCSOHEOT经过字节填充后发送的数据发送在前SOHEOTSOHESC原始数据EOT帧开始符帧结束符SOH字节填充字节填充字节填充字节填充ESC：1B（00011011）数据链路层1.3差错检测差错检测0001101100001011一位比特错000100110010000010111010多位比特错发送方接收方在一段时间内，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)。在传输过程中可能会产生比特差错：1

0，0

1。差错检测发送端，先把数据划分为组。假定每组k

个比特。原始数据CRC冗余码发送数据k

位n

位k+n

位组帧发送循环冗余检验CRC(CyclicRedundancyCheck)原理CRC运算在每组M

后面再添加供差错检测用的n

位冗余码，然后构成一个帧发送出去。一共发送(k+n)位。差错检测CRC冗余码的计算原始数据CRCk

位n

位除数Pn+1位原始数据00…0CRC余数Rn

位发送方k

位n

位除数Pn+1位原始数据CRC余数若余数=0，接受若余数≠0，丢弃接收方发送的数据双方约定一个相同的除数P差错检测CRC冗余码的计算这种为了进行检错而添加的冗余码常称为帧检验序列FCS(FrameCheckSequence)。1，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。2，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

，余数是R，余数R

比除数P

少1位，即R

是n

位。3，将余数R

作为冗余码拼接在数据M

后面，一起发送出去。差错检测CRC冗余码的计算举例P(除数)11011101001010010002nM(被除数)11011110110101110000111011010110000011001101001R(余数)，作为FCSQ(商)原始数据M=101001除数P=1101得到：发送数据=101001001可用生成多项式表示、便于表达和处理用硬件完成、速度快P(除数)比R（余数）多一位差错控制要发送的数据是101001，采用多项式生成的P（X）=X3+1,请问，添加在数据后面的余数是什么？CRC冗余码的计算练习差错检测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)。即：“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”。即：“凡是接收端数据链路层接受的帧均无差错”。差错检测注意：“无比特差错”与“无传输差错”是不同的可靠传输：数据链路层的发送端发送什么，在接收端就收到什么。在数据链路层使用CRC检验，能够实现无比特差错的传输，但这还不是可靠传输。要做到可靠传输，还必须再加上帧编号、确认和重传等机制。传输差错可分为两大类：比特差错；传输差错：帧丢失、帧重复或帧失序等。差错检测一般情况下，有线链路的误码率比较低。为了减小开销，并不要求数据链路层向其上层提供可靠传输服务。即使出现了误码，可靠传输的问题由其上层处理。无线链路易受干扰，误码率比较高，因此要求数据链路层必须向其上层提供可靠传输服务。（例如802.11）无线接入点使用无线链路的简单网络无线链路有线链路有线链路有线链路有线链路使用有线链路的简单网络以太网交换机数据链路层2.点对点协议PPP目录3.2.1PPP协议的特点3.2.2PPP协议的帧格式3.2.3PPP协议的工作状态3.2.1PPP协议的特点对于点对点的链路，目前使用得最广泛的数据链路层协议是点对点协议PPP(Point-to-PointProtocol)。PPP协议在1994年就已成为互联网的正式标准[RFC1661,STD51]。3.2.1PPP协议的特点用户到ISP的链路使用PPP协议用户至互联网已向互联网管理机构申请到一批IP地址ISP接入网PPP协议或者用户的出口到ISP用于“点到点“链路，不支持多点线路只支持“全双工”链路用于串行链路支持异步链路和面向比特的同步链路具有安全认证机制（PAP、CHAP）3.2.1PPP协议的特点1.PPP协议应满足的需求1，简单——首要要求。2，封装成帧——必须规定特殊的字符作为帧定界符。3，透明性——必须保证数据传输的透明性。4，多种网络层协议——能够在同一条物理链路上同时支持多种网络层协议。5，多种类型链路——能够在多种类型的链路上运行（多种介质，同步/异步）。6，差错检测——能够对接收端收到的帧进行检测，并立即丢弃有差错的帧。3.2.1PPP协议的特点1.PPP协议应满足的需求（续）7，检测连接状态——能够及时自动检测出链路是否处于正常工作状态。8，最大传送单元——必须对每一种类型的点对点链路设置最大传送单元MTU的标准默认值，促进各种实现之间的互操作性。9，网络层地址协商——必须提供一种机制使通信的两个网络层实体能够通过协商知道或能够配置彼此的网络层地址。10，数据压缩协商——必须提供一种方法来协商使用数据压缩算法。3.2.1PPP协议的特点2.PPP协议的组成三个组成部分：一个将IP数据报封装到串行链路的方法。一个链路控制协议LCP(LinkControlProtocol)。一套网络控制协议NCP(NetworkControlProtocol)。3.2.2PPP协议的帧格式IP数据报1211字节12可变长度，不超过1500字节PPP帧先发送7EFF03FACFCSF7E协议信息部分首部尾部PPP有一个2个字节的协议字段。其值若为0x0021，则信息字段就是IP数据报。若为0x8021，则信息字段是网络层的控制数据。若为0xC021，则信息字段是PPP链路控制协议LCP的数据。PPP是面向字节的，所有的PPP帧的长度都是整数字节。但是可以用于面向比特的同步链路（如SDH）3.2.1PPP协议的特点1.各字段的意义首部：4个字段标志字段F：0x7E。连续两帧之间只需要用一个标志字段。地址字段A：只置为0xFF。实际上不起作用。控制字段C：通常置为0x03。协议字段。尾部：2个字段3.2.1PPP协议的特点透明传输问题当PPP用在异步传输时，使用字节填充法。当PPP用在同步（一连串比特）传输链路时，采用零比特填充法。3.2.1PPP协议的特点2.字节填充7E7E7E7E037D5E7D5D7D237D5E原始数据7E7E经过字节填充后发送的数据发送在前帧开始符帧结束符7D字节填充字节填充字节填充字节填充改变编码（1）将数据载荷中出现的每一个0x7E减去0x20（相当于异或0x20），然后在其前面插入转义字符0x7D。（2）若数据载荷中原来就含有0x7D，则把每一个0x7D减去0x20，然后在其前面插入转义字符0x7D。（3）将数据载荷中出现的每一个ASCII码控制字符（即数值小于0x20的字符），

加上0x20（相当于异或0x20，将其转换成非控制字符），然后在其前面插入转义字符0x7D。3.2.1PPP协议的特点SOHESCEOTESCSOHESCESCESCSOHEOT经过字节填充后发送的数据发送在前SOHEOTSOHESC原始数据EOT帧开始符帧结束符SOH字节填充字节填充字节填充字节填充3.2.1PPP协议的特点3.零比特填充010011111100

01010信息字段中出现了和标志字段F完全一样的8比特组合0x7E会被误认为是标志字段F发送端在5个连1之后填入比特0再发送出去发送端填入

0比特0100111110

10

001010接收端把5个连1之后的比特0删除接收端删除填入的0比特0100111110

10

001010避免边界判断错误练习一个PPP帧的数据部分（用十六进制写出）是7D5EFE7D277D5D7D5D657D5E请问真正的数据是什么？练习PPP协议使用同步传输技术传送比特串0110111111111100.请问零比特填充之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，试问删除发送端加入的零比特后会变成怎样的比特串？

3.2.3PPP协议的工作状态用户拨号接入ISP后，就建立了一条从用户个人电脑到ISP的物理连接。用户个人电脑向ISP发送一系列的链路控制协议LCP

分组（封装成多个PPP帧），以便建立LCP连接。之后进行网络层配置。网络控制协议NCP给新接入的用户个人电脑分配一个临时的IP地址。当用户通信完毕时，NCP释放网络层连接，收回原来分配出去的IP地址。LCP释放数据链路层连接。最后释放的是物理层的连接。PPP链路初始化过程

3.2.3PPP协议的工作状态PPP协议的状态图链路终止物理层连接建立LCP配置协商（MTU等）鉴别成功或无需鉴别NCP配置协商（IP地址等）链路故障或关闭请求LCP链路终止鉴别失败LCP配置协商失败设备之间无链路物理链路LCP链路已鉴别的LCP链路已鉴别的LCP链路和NCP链路链路静止链路建立鉴别网络层协议链路打开

3.2.4PPPoEPPPoE（PPPoverEthernet，以太网承载PPP协议）是一种把PPP帧封装到以太网帧中的链路层协议。PPPoE可以使以太网网络中的多台主机连接到远端的宽带接入服务器。PPPoE集中了PPP和Ethernet两个技术的优点。既有以太网的组网灵活优势，又可以利用PPP协议实现认证、计费等功能。PPP基于串行线，速度慢（2M）PPP帧结构：PPPoE帧结构：FlagAddressControlProtocolInformationFCSFlagDMACSMACEth-TypePPPoE-PacketFCS

3.2.4PPPoEPPPoE实现了在以太网上提供点到点的连接。PPPoE客户端与PPPoE服务器端之间建立PPP会话，封装PPP数据报文，为以太网上的主机提供接入服务，实现用户控制和计费，在企业网络与运营商网络中应用广泛。PPPoE的常见应用场景有家庭用户拨号上网、企业用户拨号上网等。PPPoE服务器端PPPoE客户端PPPoE报文PC-APC-BPC-C……PPPoE客户端PPPoE客户端Internet所有主机安装PPPoE客户端拨号软件，每个主机都是一个PPPoE客户端，分别与PPPoE服务器端建立一个PPPoE会话。每个主机单独使用一个账号，方便运营商对用户进行计费和控制。PPP有认证（计费）+以太网速度快数据链路层3.1局域网的数据链路层局域网的数据链路层局域网概述局域网（LocalAreaNetwork,简称LAN），即计算机局部区域网，它是在一个局部的地理范围内（通常网络连接的范围以几千米为限），将各种计算机、外围设备、数据库等通信设备互相连接起来组成的计算机通信网。特点：有限的地理位置（一般在10m到10km之内）。通常多个站共享一个传输介质（同轴电缆、双绞线、光纤）。具有较高的数据传输速率，高速局域网可达100Mbit/s以上。具有较低的时延。具有较低的误码率，一般在千万分之一到百万亿分之一之间。有限的站数。局域网的数据链路层网络为一个单位所拥有；地理范围和站点数目均有限。局域网最主要的特点具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网。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、可用性和生存性。局域网具有如下主要优点局域网的数据链路层局域网涉及的主要层次链路层和物理层有局域网标准其他层和广域网标准相同局域网的数据链路层局域网拓扑结构总线网匹配电阻环形网星形网多级星型、树形集线器（早期）交换机（目前常用）局域网的数据链路层局域网传输媒体局域网的数据链路层共享信道带来的问题共享的广播信道问题：若多个设备在共享的广播信道上同时发送数据，则会造成彼此干扰，导致发送失败。总线连接和集线器连接都有此问题。局域网的数据链路层媒体共享技术静态划分信道：频分复用时分复用波分复用码分复用动态媒体接入控制（多点接入）：随机接入：所有的用户可随机地发送信息。受控接入：用户必须服从一定的控制。如轮询(polling)。局域网的数据链路层局域网实现方式-令牌环（早期）令牌环（TokenRing）最早由IBM公司设计开发，最终被IEEE接纳，形成了IEEE802.5标准。令牌环网在物理上采用了星型拓扑结构。所有工作站通过IBM数据连接器(IBMdataconnector)和IBM第一类屏蔽双绞线（Type-1ShieldedTwistedPair）连接到令牌环集线器(Hub)上。但在逻辑上，所有工作站形成一个环形拓扑结构。局域网的数据链路层局域网实现方式-FDDI（早期）光纤分布式数据接口（FiberDistributedDataInterface）由于FDDI在早期局域网环境中具有带宽和可靠性优势，其主要应用于核心机房、办公室或建筑物群的主干网、校园网主干等。如下图描述了FDDI网络的结构。但是，随着以太网带宽的不断提高，可靠性的不断提升，以及成本的不断下降，FDDI的优势己不复存在。FDDI的应用日渐减少，主要存在于一些早期建设的网络中。局域网的数据链路层局域网实现方式-以太网以太网由Xerox（施乐）公司最早开发，在Xerox、DEC和Intel公司的推动下形成了DIX（Digital/lntel/Xerox）标准。1985年，IEEE802委员会吸收以太网为IEEE802.3标准，并对其进行了修改。以太网最初被设计为使多台计算机通过一根共享的同轴电缆进行通信的局域网技术，随后又逐渐扩展到包括双绞线的多种共享介质上。从早期10Mbps的标准以太网，100Mbps的快速以太网，1Gbps千兆以太网（家庭或中小企业），一直到10Gbps的万兆以太网（数据中心）、100Gbps（长距离传输），以太网技术不断发展，成为局域网技术的主流局域网的数据链路层局域网实现方式-WLAN无线局域网传统局域网技术都要求用户通过特定的电缆和接头接入网络，无法满足日益增长的灵活性、移动性接入需求。无线局域网(WirelessLocalAreaNetwork，WLAN)使计算机与计算机、计算机与网络之间可以在一个特定范围内进行快速的无线通信，因而在与便携式设备的互相促进中获得快速发展，得到了广泛应用。局域网的数据链路层1.以太网的两个标准DIXEthernetV2：世界上第一个局域网产品（以太网）的规约。IEEE802.3：第一个IEEE的以太网标准。这两种标准的硬件实现可以在同一个局域网上互操作。这两个标准标准只有很小的差别，因此很多人也常把802.3局域网简称为“以太网”。局域网的数据链路层局域网数据链路层分为2个子层局域网网络层物理层站点1网络层物理层逻辑链路控制LLCLLC媒体接入控制MACMAC数据链路层站点2LLC子层看不见下面的局域网逻辑链路控制LLC(LogicalLinkControl)子层：与传输媒体无关。（不重要了）媒体接入控制MAC(MediumAccessControl)子层：与传输媒体有关。局域网的数据链路层2.适配器的作用重要功能：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。局域网的数据链路层2.适配器的作用至局域网适配器（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并行通信硬件地址IP地址计算机通过适配器和局域网进行通信数据链路层3.2CSMA/CD协议CSMA/CD协议共享式以太网最早的以太网：将许多计算机都连接到一根总线上。总线特点：易于实现广播通信，简单，可靠。B向所有站点发送数据CDAE匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号）匹配电阻B接受接受接受接受CSMA/CD协议为了实现一对一通信，将接收站的硬件地址写入帧首部中的目的地址字段中。仅当数据帧中的目的地址与适配器硬件地址一致时，才能接收这个数据帧。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B只有D接受B发送的数据接受不接受不接受不接受CSMA/CD协议总线缺点：多个站点同时发送时，会产生发送碰撞或冲突，导致发送失败。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BE向A发送数据CSMA/CD协议以太网采取的2种重要措施(1)采用较为灵活的无连接的工作方式。不必先建立连接就可以直接发送数据。对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。提供不可靠的交付服务尽最大努力的交付。对有差错帧是否需要重传则由高层来决定。同一时间只能允许一台计算机发送以太网采用最简单的随机接入。使用CSMA/CD协议减少冲突发生的概率。CSMA/CD协议以太网采取了两种重要的措施(2)发送的数据都使用曼彻斯特

(Manchester)编码。曼彻斯特1111100000比特流差分曼彻斯特曼彻斯特编码缺点：所占的频带宽度比原始的基带信号增加了一倍。CSMA/CD协议CSMA/CD协议的要点CSMA/CD(CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection)：载波监听多点接入/碰撞检测。多点接入：说明这是总线型网络。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：即“边发送边监听”。不管在想要发送数据之前，还是在发送数据之中，每个站都必须不停地检测信道。碰撞检测：适配器边发送数据，边检测信道上的信号电压的变化情况。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（或冲突）。CSMA/CD协议CSMA/CD协议工作流程准备发送侦听到载波？开始发送，同时进行碰撞检测检测到碰撞？发送，直到完毕载波侦听停止发送等待随机时间是，信道忙是否否先听后发边发边听冲突停发随机延迟后重发（退避重发）一些旧的、半双工、共享式网络中使用基本淘汰数据链路层4.1以太网标准以太网标准以太网的发展以太网由Xerox公司PARC研究中心于1973年5月22日首次提出。以太网类型：10M以太网（标准以太网）100M以太网（快速以太网）1000M以太网（千兆以太网）

10G以太网（万兆以太网）……以太网标准10Base－2使用直径为0.2英寸、阻抗为50Ω细同轴电缆，也称细缆以太网，最大网段长度为185m，基带传输方法，拓扑结构为总线型；10Base－2组网主要硬件设备有：细同轴电缆、带有BNC插口的以太网卡、中继器、T型连接器、终结器等。10Base－T使用双绞线电缆，最大网段长度为100m，拓扑结构为星型。10Base－T组网主要硬件设备有：3类或5类非屏蔽双绞线、带有RJ-45插口的以太网卡、集线器、交换机、RJ-45插头等。10Base－5使用双绞线电缆，最大网段长度为500m，传输速度为1Mbps。技术标准标准以太网常见线缆类型传输距离10BASE-5粗同轴电缆500m10BASE-2细同轴电缆200m10BASE-T双绞线100m标准以太网以太网标准快速以太网100BASE-TX:采用两对屏蔽双绞线或高质量的5类非屏蔽双绞线；100BASE-FX:采用两根光纤，一根用于发送，一根用于接收。技术标准标准以太网常见线缆类型传输距离100Base—TXEIA/TIA5类（UTP）非屏蔽双绞线2对100m100Base—FX多模光纤（MMF）线缆550m-2km单模光纤（SMF）线缆大于2km以太网标准千兆以太网1000BASE-T:IEEE802.3ab，5类非屏蔽双绞线1000BASE-X:IEEE802.3z，多模光纤、单模光纤和150欧平衡屏蔽式双绞线。1000BASE-CX:由于最大长度25米，现在应用已经很少。1000BASE-SX:短波850nm，激光范围（770～860nm）只用于多模光纤。1000BASE-LX:长波1310nm，激光范围（1270～1355nm）主要用于单模光纤，但也可以用于多模光纤。以太网标准万兆以太网串行的10GBase-S/L/E-R/W：10GBase-S：短距；850nm；多模。10GBase-L：长距；1310nm；单模。10GBase-E：超长距；1550nm；单模。W=WANPHY广域网物理层,9.95328Gb/s码率,采用SONETSTS-192c及SDHVC-4-64C封装，可以使用DWDM或SDH/SONET光／传输网作传送，使10G以太网无缝接入SDH。R=LANPHY局域网物理层,10.3125Gb/s码率。4路并行WDM(波分复用)的10GBase-LX4：10GBase-LX4：1310nm；多模。10GBase-LX4：1310nm；单模。数据链路层4.2MAC地址和帧结构1.MAC层的硬件地址注意：如果连接在局域网上的主机或路由器安装有多个适配器，这样的主机或路由器就有多个“地址”。更准确些说，这种48位“地址”应当是某个接口的标识符。硬件地址又称为物理地址，或MAC地址。IEEE802标准为局域网规定了一种48位的全球地址（简称为地址）是指局域网上的每一台计算机中固化在适配器的ROM中的地址。以太网的MAC层标识网卡、全球唯一、固定不变48位的MAC地址组织唯一标识符扩展唯一标识符3字节（24位）3字节（24位）48位的MAC地址（EUI-48）IEEE注册管理机构RA负责向厂家分配前3个字节(即高24位)，称为组织唯一标识符OUI(OrganizationallyUniqueIdentifier)。厂家自行指派后3个字节(即低24位)，称为扩展标识符(extendedidentifier)。必须保证生产出的适配器没有重复地址。地址被固化在适配器的ROM中。以太网的MAC层MAC地址的表示以太网的MAC层一个MAC地址有48

bit，6

Byte。MAC地址通常采用“十六进制”+“-”表示。001E10DDDD02000000000001111000010000110111011101110100000010十六进制二进制0001=1幂位2322212084211110=8+4+2=14=E十六进制与二进制的转换6Byte48

bit如:00-1E-10-DD-DD-02，或001E-10DD-DD02232221208421MAC地址的分类以太网的MAC层OUI（OrganizationallyUniqueIdentifier）：厂商代码，由IEEE分配，3

Byte，24

bit。（华为00e0.fc）制造商分配：3Byte，24

bitMAC地址分类：OUI制造商分配XXXXXXX0单播MAC地址组播MAC地址广播MAC地址XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX1XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX111111111111111111111111111111111111111111111111OUI非OUI非OUI00-1E-10-DD-DD-0201-80-C2-00-00-01FF-FF-FF-FF-FF-FF举例适配器具有过滤功能每收到一个MAC帧，先用硬件检查帧中的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3种帧：单播(unicast)帧（一对一）广播(broadcast)帧（一对全体）多播(multicast)帧（一对多）以混杂方式(promiscuousmode)工作的以太网适配器只要“听到”有帧在以太网上传输就都接收下来。以太网的MAC层2.MAC帧的格式常用的以太网MAC帧格式有2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。以太网的MAC层以太网MAC帧格式以太网的MAC层Ethernet_II格式D.MACS.MACType用户数据FCSD.MACS.MACLengthLLCSNAP用户数据FCSIEEE802.3格式OrgCodeType3B2B6B6B2B46-1500B4B6B6B2B38-1492B4B3B5B数据帧的总长度：64-1518

Byte1010101010101010101010101010101011前同步码帧开始定界符7字节1字节8字节以太网MAC帧格式以太网的MAC层Ethernet_II格式D.MACS.MACType用户数据FCSD.MACS.MACLengthLLCSNAP用户数据FCSIEEE802.3格式OrgCodeType3B2B6B6B2B46-1500B4B实践：尝试抓包分析自己电脑网卡的数据帧6B2B38-1492B4B3B5B数据帧的总长度：64-1518

Byte协议如何知道帧结束了？无效的MAC帧数据字段的长度与长度字段的值不一致；帧的长度不是整数个字节；用户收到的帧检验序列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。以太网的MAC层数据链路层4.3冲突域和广播域扩展以太网以太网集线器光纤光纤调制解调器光纤调制解调器主机集线器（物理层）交换机（链路层）N个用户共享集线器提供的带宽B。平均每个用户仅占有B/N的带宽。交换机为每个端口提供带宽B。N个用户，每个用户独占带宽B。交换机总容量达B

×N。扩展以太网用集线器扩展以太网使原来属于不同碰撞域（冲突域）的计算机能够跨碰撞域通信。扩大了以太网覆盖的地理范围。优点碰撞域增大了，总的吞吐量未提高。如果使用不同的以太网技术（如数据率不同），那么就不能用集线器将它们互连起来。缺点扩展以太网以太网交换机的特点实质上是一个多接口网桥。通常有十几个或更多的接口。每个接口都直接与一个单台主机或另一个以太网交换机相连，并且一般都工作在全双工方式。以太网交换机具有并行性。能同时连通多对接口，使多对主机能同时通信。相互通信的主机都独占传输媒体，无碰撞地传输数据。每一个端口和连接到端口的主机构成了一个碰撞域。冲突域（碰撞域）冲突域和广播域冲突域是指连接在同一共享介质上的所有节点的集合，冲突域内所有节点竞争同一带宽，一个节点发出的报文（无论是单播、组播、广播），其余节点都可以收到。主机A主机B主机C主机D早期的以太网1个冲突域在传统的以太网中，同一介质上的多个节点共享链路带宽，争用链路的使用权，这样就会发生冲突。同一介质上的节点越多，冲突发生的概率越大。主机A主机B主机C交换机A交换机B主机D交换机组网5个冲突域交换机不同的接口发送和接收数据独立，各接口属于不同的冲突域，因此有效地隔离了网络中物理层冲突域，使得通过它互连的主机（或网络）之间不必再担心流量大小对于数据发送冲突的影响。解决机制：CSMA/CD隔离冲突域每个接口相当于1个独立的冲突域冲突广播域冲突域和广播域广播报文所能到达的整个访问范围称为二层广播域，简称广播域，同一广播域内的主机都能收到广播报文（广播帧）。主机A主机B主机C主机D广播报文早期的以太网1个广播域主机A主机B主机C交换机A交换机B主机D交换机组网1个广播域广播报文在传统的以太网中，同一介质上的多个节点共享链路，一台设备发出的广播报文，所有设备均会收到。交换机对广播报文会向所有的接口都转发，所以交换机的所有接口连接的节点属于一个广播域。如何扩大局域网连接范围，同时避免冲突？冲突域和广播域如何扩大局域网连接范围，同时避免大量广播干扰？思考：数据链路层4.4交换机工作原理以太网交换机工作原理根据数据帧目的MAC地址和交换机MAC地址表转发Port1Port2Port3Port4交换机泛洪(Flooding)Port1Port2Port3Port4交换机转发(Forwarding)

Port1Port2Port3Port4交换机丢弃(Discarding)数据帧1.广播帧-目的MAC为广播2.未知单播帧-不知道目的MAC在哪个接口单播或组播-根据目的MAC选择相应接口不能转发的情况以太网交换机工作原理交换机MAC地址学习GE0/0/1GE0/0/2主机1主机2IP2：192.168.1.2MAC2：0050-5600-0002交换机的MAC地址表初始情况，交换机的MAC地址表是空的。交换机MAC地址Port1IP1：192.168.1.1MAC1：0050-5600-0001以太网交换机工作原理交换机MAC地址学习GE0/0/1GE0/0/2GE0/0/3主机1主机2主机1发出的数据帧交换机查MAC地址表（注：假设主机1已知主机2的MAC地址）源MAC：MAC1目的MAC：MAC2主机1发送数据帧给主机2。交换机GE0/0/1口接收到数据帧后，在MAC地址表中查询该帧的目的MAC地址，发现没有对应表项，则收到的数据帧是“未知单播帧”。交换机2IP2：192.168.1.2MAC2：0050-5600-0002IP1：192.168.1.1MAC1：0050-5600-0001MAC地址Port以太网交换机工作原理交换机MAC地址学习GE0/0/1GE0/0/2GE0/0/3主机1主机2交换机在MAC地址表中没有查到对应表项，则交换机对该单播帧执行泛洪操作。同时，交换机学习该数据帧的源MAC地址，并创建对应的MAC地址表项，与接收口GE0/0/1关联。交换机3交换机查MAC地址表MAC地址PortMAC1GE0/0/1主机1发出的数据帧源MAC：MAC1目的MAC：MAC2IP2：192.168.1.2MAC2：0050-5600-0002IP1：192.168.1.1MAC1：0050-5600-0001以太网交换机工作原理交换机MAC地址学习GE0/0/1GE0/0/2GE0/0/3主机1主机2主机2发出的数据帧源MAC：MAC2目的MAC：MAC1交换机其他端口连接的主机，也会收到该数据帧，但是会丢弃。主机2收到并处理该数据帧，向主机1回复，将数据帧发往交换机。交换机4IP2：192.168.1.2MAC2：0050-5600-0002IP1：192.168.1.1MAC1：0050-5600-0001以太网交换机工作原理交换机MAC地址学习GE0/0/1GE0/0/2主机1主机2交换机查MAC地址表MAC地址PortMAC1GE0/0/1MAC2GE0/0/2交换机在MAC地址表中查到了对应表项，则交换机对该单播帧执行转发操作，将数据帧从GE0/0/1口转发出去。同时，交换机学习该数据帧的源MAC地址，并创建对应的MAC地址表项，与接收口GE0/0/2关联。交换机5主机2发出的数据帧源MAC：MAC2目的MAC：MAC1IP2：192.168.1.2MAC2：0050-5600-0002IP1：192.168.1.1MAC1：0050-5600-0001以太网交换机工作原理交换机自学习和转发帧的步骤归纳从接收的帧中取出源地址交换表中有该地址吗？更新交换表中的该地址项（接口和有效时间）将该地址加入交换表（地址、接口和有效时间）从接收的帧中取出目的地址交换表中有该地址吗？向指定接口转发向所有其他接口转发（进入的接口除外）不能转发的情况？丢弃开始结束有无无有是否以太网交换机工作原理思考：MAC地址PortMAC1GE0/0/1MAC2GE0/0/2同一个MAC地址，能否对应多个接口？同一个接口，能够对应多个MAC地址？数据链路层5.虚拟局域网技术01OPTION传统以太网的问题在典型交换网络中，当某台主机发送一个广播帧或未知单播帧时，该数据帧会被泛洪，甚至传递到整个广播域。广播域越大，产生的网络安全问题、垃圾流量问题，就越严重。单播帧PC1PC2有效流量垃圾流量SW1SW2SW3SW4SW5SW6SW7（注：假定此时SW1、SW3、SW7的MAC地址表中存在关于PC2的MAC地址表项，但SW2和SW5不存在关于PC2的MAC地址表项。）二层广播域(广播域)VLAN简介02OPTION虚拟局域网

(VLAN,VirtualLAN)PC2SW1SW2SW3SW4SW5SW6SW7PC1VLAN网络(多个广播域)广播帧虚拟局域网VLAN可以隔离广播域。特点：不受地域限制。同一VLAN内的设备才能直接进行二层通信。VLAN简介01OPTION如何实现VLANSwitch1与Switch2同属一个企业，该企业统一规划了网络中的VLAN。其中VLAN10用于A部门，VLAN20用于B部门。A、B部门的员工在Switch1和Switch2上都有接入。PC1发出的数据经过Switch1和Switch2之间的链路到达了Switch2。如果不加处理，后者无法判断该数据所属的VLAN，也不知道应该将这个数据输出到本地哪个VLAN中。PC3VLAN20PC2PC1123Switch145543Switch221数据帧数据帧VLAN10VLAN20PC4VLAN10VLAN原理02OPTIONVLAN标签（VLANTAG）交换机如何识别接收到的数据帧属于哪个VLAN？VLAN10VLAN20收到了数据帧，它们属于哪个VLAN？20VLAN标签要使交换机能够分辨不同VLAN的报文，需要在报文中添加标识VLAN信息的字段。IEEE802.1Q协议规定，在以太网数据帧中加入4个字节的VLAN标签，又称VLANTag，简称Tag。SW1SW2VLAN原理03OPTIONVLAN数据帧TPID(0x8100)PRICFIVLANID16bit3bit1bit12bit目的MAC地址源MAC地址类型DataFCS原始以太网数据帧（无标记帧，Untagged帧）802.1QTag802.1Q帧（标记帧，Tagged帧）目的MAC地址源MAC地址类型DataFCSTag在此处插入802.1QTagTPID（标签协议标识符）：标识数据帧的类型，值为0x8100时表示802.1Q帧。PRI（优先级）：标识帧的优先级，主要用于QoS。CFI（标准格式指示符）：在以太网环境中，该字段的值为0。VLANID（VLAN标识符）：标识该帧所属的VLAN。如果不支持802.1Q的设备收到这样的帧，会将其丢弃。VLAN原理04OPTIONVLAN的实现Switch1和Switch2之间的链路要承载多个VLAN的数据，需要一种基于VLAN的数据“标记”手段，以便对不同VLAN的数据帧进行区分。IEEE802.1Q标准（也被称为Dot1Q）定义了该“标记”方法。该标准对传统的以太网数据帧进行修改，在帧头中插入802.1QTag，而在该Tag中，便可以写入VLAN信息。PC3VLAN20PC2PC1123Switch145543Switch221VLAN10VLAN20PC4VLAN10原始数据帧1原始数据帧2原始数据帧2原始数据帧1打了标记的数据帧打了标记的数据帧VLAN原理05OPTIONVLAN的划分方式整个网络是如何划分VLAN的？SW1主机1主机2主机3主机4GE0/0/1GE0/0/2GE0/0/3GE0/0/410.0.1.1MAC110.0.2.1MAC210.0.1.2MAC310.0.2.2MAC4VLAN划分方式VLAN10VLAN20基于接口GE0/0/1，GE0/0/3GE0/0/2，GE0/0/4基于MAC地址MAC1，MAC3MAC2，MAC4基于IP子网划分10.0.1.*10.0.2.*基于协议划分IPIPv6基于策略10.0.1.*+GE0/0/1+MAC110.0.2.*+GE0/0/2+MAC2VLAN原理01OPTION以太网二层接口类型Access接口Trunk接口接口类型Access接口交换机上常用来连接用户PC、服务器等终端设备的接口。Access接口所连接的这些设备的网卡往往只收发无标记帧。Access接口只能加入一个VLAN。Trunk接口Trunk接口允许多个VLAN的数据帧通过，这些数据帧通过802.1QTag实现区分。Trunk接口常用于交换机之间的互联，也用于连接路由器、防火墙等设备的子接口。Hybrid接口Hybrid接口与Trunk接口类似，也允许多个VLAN的数据帧通过，这些数据帧通过802.1QTag实现区分。用户可以灵活指定Hybrid接口在发送某个（或某些）VLAN的数据帧时是否携带Tag。VLAN10VLAN10VLAN20VLAN20VLAN接口类型

Access接口；GE0/0/1Access（VLAN10）交换机内部接收帧发送帧10无标记帧接口收到Untagged帧：接收该帧，并打上该接口PVID的Tag。GE0/0/1Access（VLAN10）交换机内部10接口收到Tagged帧：当该帧的VLANID与该接口的PVID相同时，接收该帧。当该帧的VLANID与该接口的PVID不同时，丢弃该帧。GE0/0/1Access（VLAN10）交换机内部无标记帧帧的VLANID与接口PVID相同：先剥离该帧的Tag，然后再将其从该接口发出。GE0/0/1Access（VLAN10）交换机内部20帧的VLANID与接口PVID不同：禁止将该帧从该接口发出。1010无标记帧标记帧10VLAN接口类型Trunk接口GE0/0/1Trunk（PVID=10）交换机内部10无标记帧接口收到Untagged帧：该帧打上PVID，当PVID在该接口允许通过的VLAN列表里时接收该帧；当PVID不在允许通过的VLAN列表里时，丢弃该帧。交换机内部10接口收到Tagged帧：当该帧的VLANID在该接口允许通过的VLAN列表里时，接收该帧，否则丢弃该帧。交换机内部无标记帧帧的VLANID与接口PVID相同：当该帧的VLANID在该接口允许通过的VLAN列表中，则将该帧的Tag剥除，然后将其从该接口发送出去；如果VLANID不在允许通过的VLAN列表中则禁止将该帧从该接口发出。交换机内部20帧的VLANID与接口PVID不同：当该帧的VLANID在该接口允许通过的VLAN列表中，则保留该帧的Tag，然后将其从该接口发送出去；如果VLANID不在允许通过的VLAN列表中则禁止将该帧从该接口发出。1010允许通行的VLAN：10GE0/0/1Trunk（PVID=1）允许通行的VLAN：10GE0/0/1Trunk（PVID=10）允许通行的VLAN：10GE0/0/1Trunk（PVID=10）允许通行的VLAN：2020接收帧发送帧无标记帧标记帧10VLAN接口类型Access接口与Trunk接口举例请描述主机之间数据访问的全流程。SW1与SW2的Trunk接口SW1主机1主机2主机3主机4VLAN10VLAN10VLAN20VLAN20SW2PVID10PVID20PVID10PVID20PVID1PVID11020Access接口Trunk接口允许通过列表VLANID11020VLAN接口类型Hybrid接口GE0/0/1Hybrid（PVID=10）交换机内部10接口收到Untagged帧：打上PVID，当PVID在该接口允许通过的VLAN列表里时接收该帧；当PVID不在允许通过的VLAN列表里时，丢弃该帧。交换机内部10接口收到Tagged帧：当该帧的VLANID在该接口允许通过的VLAN列表里时，接收该帧，否则丢弃该帧。交换机内部无标记帧帧的VLANID是该接口允许通过的VLANID：当管理员通过命令设置发送该VLAN的帧时不携带Tag，则将该帧的Tag剥除，然后将其从该接口发送出。交换机内部20帧的VLANID是该接口允许通过的VLANID：当管理员通过命令设置发送该VLAN的帧时携带Tag，则保留该帧的Tag，然后将其从该接口发送出去。1010允许通行的VLAN：10GE0/0/1Hybrid（PVID=1）允许通行的VLAN：10GE0/0/1Hybrid（PVID=10）允许通行的VLAN：10GE0/0/1Hybrid（PVID=10）允许通行的VLAN：2020无标记帧无标记帧标记帧10接收帧发送帧VLAN接口类型Hybrid接口举例请描述主机访问服务器的全流程。主机1主机2服务器VLAN10VLAN100VLAN20PVID10PVID1PVID11020SW1SW2Port1交换机1的允许通过列表Port1PVID20Port2PVID100Port1Port3Port3Port2Port3交换机2的允许通过列表Port1Port3Hybrid接口UntaggedVLANID110100UntaggedVLANID120100TaggedVLANID1020100TaggedVLANID1020100UntaggedVLANID11020100VLAN接口类型

Access接口接收数据帧Untagged数据帧，打上PVID，接收。Tagged数据帧，与PVID比较，相同则接收；不同则丢弃。Trunk接口接收数据帧Untagged数据帧，打上PVID，且VID在允许列表中，则接收；VID不在允许列表，则丢弃。Tagged数据帧，查看VID是否在允许列表中，在允许列表中，则接收；VID不在允许列表，则丢弃。Hybrid接口接收数据帧Untagged数据帧，打上PVID，且VID在允许列表中，则接收；VID不在允许列表中，则丢弃。Tagged数据帧，查看VID是否在允许列表中，在允许列表中，则接收；VID不在允许列表，则丢弃。发送数据帧VID与PVID比较，相同则剥离标签发送；不同则丢弃。发送数据帧VID在允许列表中，且VID与PVID一致，则剥离标签发送。VID在允许列表，但VID与PVID不一致，则直接带标签发送。不在允许列表中，则直接丢弃。发送数据帧VID不在允许列表中，直接丢弃。VID在Untagged列表中，剥离标签发送。VID在Tagged列表中，带标签直接发送。VLAN接口类型添加标签——只发生在接收时剥离标签——只发生在发送时什么情况添加标签——原来没有标签（添加PVID）什么情况剥离标签——原来有标签，且标签与接口PVID相同

或者根据设置（hybrid接口）标签操作总结数据链路层6.生成树协议Page120E0/2E0/3E0/5E0/600-0D-56-BF-88-1000-0D-56-BF-88-20目的MAC地址目的端口00-0D-56-BF-88-1000-0D-56-BF-88-20E0/2E0/3目的MAC地址目的端口00-0D-56-BF-88-1000-0D-56-BF-88-20E0/5E0/6PCASWASWBPCB123二层环路问题交换机转发流程回顾PCASWASWBPCB二层环路问题交换机冗余链路PCASWASWB广播12344E0/1E0/2E0/1E0/2E0/3二层环路问题广播风暴E0/3E0/4E0/5E0/6PCASWASWB00-0D-56-BF-88-10目的MAC地址目的端口E0/200-0D-56-BF-88-10E0/200-0D-56-BF-88-10E0/4错误目的端口二层环路问题MAC地址表震荡ETH-TrunkHQ-CS-AHQ-CS-BHQ-AS-1STP阻塞此端口二层环路问题STP作用-消除环路ETH-TrunkHQ-CS-AHQ-CS-BHQ-AS-1STP启用此端口链路故障二层环路问题STP作用-冗余备份STP的整个工作过程类似于一棵树的成长过程。STP的基本工作原理为：

通过BPDU(BridgeProtocolDataUnit,桥接协议数据单元)的交互来传递STP计算所需要的条件，随后根据特定的算法，阻塞特定端口，从而得到无环的树形拓扑。Page126物理上，有环路！

逻辑上，无环路！STP工作原理端口角色描述RootPort根端口，非根交换机上离根交换机最近的端口（只有一个）。接收BPDU，转发数据。DesignatedPort指定端口（每个网段有一个），发送BPDU，转发数据。AlternatePort预备端口，阻塞作为备用接口，不向所连网段转发任何数据（一个网段只有一个根端口、一个指定端口，其余预备）。STP工作原理交换机端口角色

第一步：选举根交换机（RootBridge）

第二步：选举根端口（RootPort）

第三步：选举指定端口（DesignatedPort）

第四步：阻塞预备端口（AlternatePort）Page128STP工作原理STP流程ETH-TrunkHQ-CS-AHQ-CS-BHQ-AS-1RootBridgeSTP工作原理STP流程-选举根交换机Page130ETH-TrunkHQ-CS-AHQ-CS-BHQ-AS-1RootBridgeRootPortRootPortSTP工作原理STP流程-选举非根网桥的根端口ETH-TrunkHQ-CS-AHQ-CS-BHQ-AS-1RootBridgeRootPortRootPortDesignatedPortDesignatedPortDesignatedPort此处“网段”就是一个冲突域STP工作原理STP流程-选举各网段的指定端口ETH-TrunkHQ-CS-AHQ-CS-BHQ-AS-1RootBridgeRootPortRootPortDesignatedPortDesignatedPortDesignatedPortAlternatePortSTP工作原理STP流程-阻塞预备端口STP通过BPDU(桥接协议数据单元)进行生成树计算，以及当网络拓扑发生改变时候，重新进行收敛STP所使用的BPDU报文有两类：配置BPDU拓扑变更BPDU(TCNBPDU)STP报文BPDU域字

节说

明ProtocolIdentifier2总是0。ProtocolVersionIdentifier1总是0。BPDUType1当前BPDU类型：0x00：配置BPDU。0x80：TCNBPDU。Flags1最低位=TC（TopologyChange，拓扑变化）标志。最高位=TCA（TopologyChangeAcknowledgment，拓扑变化确认）标志。RootIdentifier8当前根桥的BID。RootPathCost4本端口累计到根桥的开销。BridgeIdentifier8本交换设备的BID。PortIdentifier2发送该BPDU的端口ID。MessageAge2该BPDU的消息年龄。如果配置BPDU是根桥发出的，则MessageAge为0。否则，MessageAge是从根桥发送到当前桥接收到BPDU的总时间，包括传输延时等。实际实现中，配置BPDU报文经过一个桥，MessageAge增加1。MaxAge2消息老化年龄。缺省20秒。HelloTime2发送两个相邻BPDU的时间间隔。缺省2秒。STP报文BPDU

网桥ID（BridgeID）

端口ID（PortID）

根路径成本Page135STP工作原理STP选举判定条件网桥ID为交换机的身份标识，具备全局唯一性。Page136网桥优先级缺省值：32768网桥的MAC地址2字节6字节交换机的MAC，不是某接口的MAC4096的倍数STP工作原理网桥ID端口ID为交换机端口的身份标识。端口优先级缺省值：128端口编号4比特12比特16的倍数STP工作原理端口ID

根路径成本为各网桥去往根网桥所要花费的开销，它由沿途各路径成本（PathCost）叠加而来。（从某个口接收根信息的成本）路径成本100路径成本100SWASWCSWBROOTC的路径成本为100+100=200STP工作原理根路径成本ID端口速率链路类型802.1D-1998（思科默认）802.1T（华为缺省）Legacy（华为自定义）065,535200,000,000200,00010Mbps半双工全双工2端口聚合3端口聚合4端口