路由交换技术电子教案-ch03-构建企业以太网络（一）

教案序号4周次授课形式讲练结合授课章节名称项目3构建企业以太网络（一）教学目的1．熟悉以太网（Ethernet）协议的基本概念。2．熟悉以太网数据帧的格式。教学重点1.掌握以太网数据帧的组成结构。教学难点1.理解冲突域与广播域的基本概念。使用教具计算机、ppt、eNSP、触摸白板课外作业复习本节，预习下节课后体会同学们对本堂课的掌握情况良好授课主要内容本项目知识图谱3.1局域网种类局域网的实现技术多种多样，每种技术都有其特定的应用场景和优势。以下是一些常见的局域网实现技术。1．以太网（Ethernet）以太网是目前应用最广泛的局域网技术，基于CSMA/CD介质访问控制方法，使用双绞线、光纤或同轴电缆等物理介质来传输数据。以太网支持多种速率，从10Mbit/s到100Gbit/s不等。以太网技术具有高度的灵活性和可扩展性，可以适应不同规模和复杂度的网络环境。2．令牌环（TokenRing）令牌环是一种早期的局域网技术，由IBM开发。在令牌环网络中，每个设备都连接到一个闭环上，并且通过一个称为“令牌”的特殊数据包来控制访问。只有持有令牌的设备才能发送数据，从而避免了数据冲突。然而，随着以太网技术的发展，令牌环网络已经逐渐被淘汰。3．FDDI（FiberDistributedDataInterface）光纤分布式数据接口（FDDI）是由美国国家标准化组织（ANSI）制定的在光缆上发送数字信号的一组协议。FDDI使用双环令牌，传输速率可以达到100Mb/s。由于支持高宽带和远距离通信网络，FDDI通常用作骨干网。4．ATM（AsynchronousTransferMode）ATM是一种面向连接的、固定长度的数据包交换技术。它最初是为宽带综合业务数字网（B-ISDN）设计的，但也可以用于局域网环境。ATM网络支持多种服务质量（QoS）级别，适用于需要实时传输的应用，如视频和音频。3.2以太网协议以Detection，CSMA/CD）机制，它赋予了以太网广播型网络的特性。通过这一机制，以太网能够在局域网中实现高效且稳定的数据传输。1．冲突域冲图3-2集线器的冲突域在共享网络环境中，以太网采用CSMA/CD技术来有效管理数据传输，进而减少冲突的发生。CSMA/CD的工作机制可描述如下。终端设备始终监控共享线路的状态。一旦发现线路空闲，即开始发送数据；若线路处于忙碌状态，则设备会保持等待，直至线路空闲。在特定情况下，若两个或多个设备同时尝试发送数据，便会发生数据冲突，导致线路信号变得不稳定。一旦终端设备检测到这种不稳定状态，会立即停止数据发送，并发送一串干扰脉冲。这串脉冲的作用在于通知其他设备，特别是那些与自己同时发送数据的设备，线路已发生冲突。随后，设备会等待一段随机时长，再次尝试发送数据。因此，CSMA/CD技术的工作逻辑可概括为：先听后发，边发边听，冲突停发，随机延迟后重发。如果把中间的集线器换成是交换机，如图

3-3

所示，因为交换机的每个接口都属于独立的冲突域，所以交换机通过其不同接口独立地发送和接收数据。这一机制有效地隔离了网络中的物理层冲突域，从而消除了通过交换机互连的主机或网络间因流量大小而引发的冲突。交换机不仅提升了网络性能，也简化了网络管理的复杂性。图3-3交换机的冲突域集线器所构成的以太网，本质是共享介质的网络，为了有效避免数据冲突，必须依赖于CSMA/CD机制。一旦我们将集线器替换为交换机，所有的终端设备便不再处于同一冲突域之中。这种变化是由交换机独特的工作原理所决定的。后续我们将会了解到交换机的工作机制。2．广播域广播域是指在二层网络中广播报文所能到达的整个访问范围，同一广播域内的主机都能收到广播报文。全1的MAC地址FFFF-FFFF-FFFF为广播地址，所有节点都会处理目的地址为广播地址的数据帧。在传统的以太网中，多个节点共同使用集线器连接多个终端的网络，如图3-4所示，当某台设备发送广播报文时，所有与之相连的设备均能够接收到这个报文，同时也带来了潜在的冲突问题。图3-4集线器的广播域如图3-5所示，交换机在处理广播报文时，会将其转发至所有接口，这意味着连接到交换机的所有节点共同构成1个广播域，但同时也需要注意广播报文可能带来的网络拥堵问题。图3-5交换机的广播域3.3以太网帧

以太网技术主要依赖于以太网帧进行数据传输。本书在讨论帧的概念时，若未做特别说明，一般默认指的是以太网帧，这是因为在众多网络技术中，以太网以其广泛的应用和成熟的技术体系成为了主流。1．MAC地址MAC地址（MediumAccessControl，MAC）即介质访问控制地址，在IEEE802标准中被严格定义与规范。所有遵循IEEE802标准的网络接口卡（如以太网卡）都必须配备一个独一无二的MAC地址。就像每个人拥有一个独特的身份证号码来标明身份一样，每块网卡也有一个专属的标识号码，那就是MAC地址，它的长度为48位（即6个字节）。不同网卡的MAC地址也各不相同，这意味着每块网卡的MAC地址都具有全球范围内的唯一性。制造商在网卡的生产制造之前，需先行向IEEE申请注册，以获取一个24位（即3个字节）的厂商代码，业内通常将其称作组织唯一标识符（Organizationally-UniqueIdentifier，OUI）。在网卡的生产过程中，制造商会在每块网卡的只读存储器（ReadOnlyMemory，ROM）中永久性地写入一个48位的BIA地址（Burned-InAddress，BIA）。这个BIA地址的前3个字节即为制造商的OUI，而后3个字节则由制造商自行决定，但须确保不同网卡间的后3个字节各不相同。一旦BIA地址被写入网卡，便无法更改，仅支持读取操作。图3-6直观地展示了BIA地址的构成格式。图3-6BIA地址格式BIA地址是MAC地址的一种特定形式，它属于单播MAC地址。MAC地址主要分为三种类别：单播、组播和广播。这三种MAC地址各自具有独特的定义，具体如下。单播MAC地址的特征在于其第一个字节的最低位为0，这样的地址用于一对一的通信。组播MAC地址则是通过其第一个字节的最低位为1来标识的，它用于一对多的通信模式。广播MAC地址的特点是它的每一个比特都是1，这种地址用于向网络中的所有设备发送信息，是组播MAC地址的一个特殊形式。图3-7单播MAC地址、组播MAC地址和广播MAC地址观察图3-7，我们可以发现，并非所有MAC地址的前3个字节都是组织唯一标识符OUI。实际上，只有单播MAC地址的前3个字节才是OUI。而组播或广播MAC地址的前3个字节则不是OUI。值得注意的是，OUI的第1个字节的最低位必须是0。MAC地址由48位二进制数组成，为了便于理解和表达，我们通常采用十六进制数的形式来表示。具体而言，可以将MAC地址分为六组，每组两位十六进制数，即1个字节，中间使用中划线进行连接。另一种表示方法是将MAC地址分为三组，每组四位十六进制数，即2个字节，同样使用中划线进行分隔。图3-8展示了这两种表示方法的示例，有助于我们更直观地理解MAC地址的结构和表示方式。图3-8MAC地址格式2．以太网数据帧格式以太网技术中使用的帧被称为以太网帧，简称以太帧。关于以太帧的格式，存在两个主要标准。其中一个是IEEE802.3标准定义的格式，通常被称为IEEE802.3格式。另一个则是由DEC、Intel和Xerox三家公司联合定义的格式，这一格式被广泛称为EthernetII格式，也常被称为DIX格式。图3-9展示了EthernetII格式与IEEE802.3格式在细节上的一些差异，但它们都适用于以太网环境。目前市场上的网络设备通常都能够兼容这两种格式的帧。然而，在实际应用中，EthernetII格式帧更为普遍，被更广泛地采用。通常，只有在以太帧需要承载某些特定的协议信息时，才会选择使用IEEE802.3格式帧。图3-9MAC地址格式以下是对EthernetII格式帧的各个字段的解释。（1）目标MAC地址：这是一个由6个字节构成的字段，它专门用于标识该网络帧的预定接收者，即目的地。此地址可以是针对单一接收者的单播MAC地址，也可以同时发送给多个接收者的组播MAC地址，或者发送给网络内所有设备的广播MAC地址。（2）源MAC地址：同样是一个包含6个字节的字段，用于标识该网络帧的发送者，即出发地。与目的MAC地址不同，源MAC地址只能是单播MAC地址，即它只能指向单一的发送者。（3）类型：这个字段包含2个字节，其主要功能是标识紧随其后的数据的具体类型。例如，当字段值为0x0800时，意味着数据是一个IPv4数据包；值为0x86dd时，表示数据是IPv6数据包；值为0x0806时，则表明数据是一个ARP数据包；而值为0x8848时，则代表数据是一个MPLS报文。这一字段确保了数据的正确解析和处理。（4）数据：这个字段的长度并不固定，它的最小长度是46字节，最大长度可以达到1500字节。这是数据帧的主体部分，承载着实际要传输的信息。数据的具体类型由前面的类型字段来指示，从而确保接收端能够正确识别和处理这些数据。（5）FCS：帧校验序列（FrameCheckSequenc），这一序列用于确保数据帧在传输过程中的完整性。通过FCS，接收方能够准确地判断数据帧是否在传输过程中出现了任何差错。这一机制对于保障网络通信的可靠性和稳定性至关重要。IEEE802.3格式帧较EthernetII格式帧有点不同，类型字段改成了长度字段；增加了LLC字段和SNAP字段，以下对这三个字段进行解释。（1）长度字段：确定数据帧中数据载荷部分的长度。鉴于EthernetII标准在IEEE802.3标准出台之前已经广泛应用，为了确保网络设备能够准确识别数据帧是基于EthernetII标准还是IEEE802.3标准封装的，IEEE802.3x-1997标准进行了明确规定：当该字段的值大于或等于0x0600时，它表示的是一个类型字段，表明数据帧采用的是EthernetII标准封装；而如果字段的值小于0x05DC，则它作为长度字段，表明数据帧是按照IEEE802.3标准进行封装的。目前，市面上的网络设备普遍支持这两种不同标准的数据帧，展现了高度的兼容性和互操作性。（2）LLC字段：逻辑链路控制（LogicalLinkControl）由三个字段构成，分别是目的服务访问点（DestinationServiceAccessPoint，DSAP）字段、源服务访问点（SourceServiceAccessPoint，SSAP）字段，以及控制（Control）字段。这些字段各自发挥着特定的作用。DSAP/SSAP字段：两者均占据1字节的空间。这些服务访问点字段的意思与EthernetII标准中定义的类型字段或IP头部中的协议字段类似，但其表达的含义并不仅限于上层的协议。举例来说，若服务访问点的值为06，则表明这是一个IP数据包；而若取值为AA，则意味着该数据帧使用了紧随其后的SNAP字段。Control字段：长度为1字节，其常见的取值为0x03，发挥着特定的控制作用。（3）SNAP字段