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计算机网络 五 关于数据链路层 1 关于局域网 1 课程内容 局域网基础局域网地址身边的局域网 以太网局域网设备 2 一 局域网简介 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 3 一 局域网简介 多址访问协议广泛应用于局域网基于随机访问的CSMA CD广泛应用于局域网基于令牌传递技术的令牌环和FDDI在局域网技术中变得次要链路层技术的发展 局域网 城域网 广域网的概念变得越来越模糊和不重要 4 1 1局域网的主要技术特点 连入局域网的数据通信设备是广义的 计算机 终端 各种外部设备 高数据传输速率10Mbps 1000Mbps决定局域网特性的主要技术要素 网络拓扑 传输介质 介质访问控制方式局域网从介质访问控制方法的角度可以分为两类 共享介质局域网与交换式局域网 选择了与广域网完全不同的方式 即从 存储转发 方式改变为 共享介质 方式和 交换方式 5 1 2局域网的拓扑结构 总线型拓扑结构 总线型 介质访问控制方法 共享介质方式特点 所有的节点都连到总线上传输介质采用同轴电缆或双绞线以广播方式发送数据会产生冲突 collision 要解决多节点访问总线的介质访问控制 MAC 问题优点 结构简单 易于扩展 可靠性好 6 1 2局域网的拓扑结构 环形拓扑结构 特点 接电通过相应的网卡 使用点 点连接线路 构成闭合的环形 环中的数据沿着一个方向绕环逐站传输 需要进行数据发送控制 7 1 2局域网的拓扑结构 星型拓扑结构 特点 两结点之间的通信都要通过中心结点转接 逻辑星型物理星型交换式局域网 SwitchedLAN 8 1 3局域网传输介质 传输介质 同轴电缆 双绞线 光纤与无线通信信道 双绞线分为两类 屏蔽双绞线 STP 非屏蔽双绞线 UTP 3类线 4类线 5类线 9 1 3局域网传输介质 同轴电缆 10 1 3局域网传输介质 光纤 传输特性 通过全反射来传输光信号光纤传输分为单模与多模两类单模光纤性能优于多模光纤 11 1 4局域网介质访问控制方法 介质访问控制方法 带有冲突检测的载波侦听多路访问 CSMA CD 方法令牌总线 TokenBus 方法令牌环 TokenRing 方法 12 1 4局域网介质访问控制方法 Ethernet IEEE802 3标准ETHERNET 以太网 的核心技术是它的随机争用型介质访问方法即冲突检测的载波侦听多路访问方法CSMA CD CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection 介质访问控制方法 在Ethernet中 任何连网结点都没有可预约的发送时间 他们的发送时间都是随机的 在Ethernet中任何一个结点发送数据都要首先争取总线使用权 那么结点从他准备发送数据到成功发送数据的发送等待延迟时间是不确定的 13 1 4局域网介质访问控制方法 TokenBus IEEE802 4标准令牌总线网在物理上是总线网 而在逻辑上是环网 每个节点有本站地址 TS 上一节点地址 PS 下一节点地址 NS 令牌传递规定由高地址向低地址 最后由最低地址向最高地址依次循环传递 交出令牌的条件 1该结点没有数据帧等待发送 2该结点已经发完 3令牌持有最大时间到 环维护工作环初始化 新结点加入环 结点从环中撤出 环恢复 优先级 14 1 4局域网介质访问控制方法 TokenBus 令牌总线TokenBus介质访问控制方法有以下几个主要特点 1 介质访问延迟时间有确定值 2 通过令牌协调各结点之间的通信关系 各结点之间不发生冲突 重负载下信道利用率高 3 支持优先级服务 令牌是一种特殊的MAC控制帧 令牌帧中有一位标志令牌的忙 闲 当正常工作时 令牌总是沿着物理环单项逐站传送 15 1 4局域网介质访问控制方法 TokenRing IEEE802 5标准对以上技术进行了一些改进 这主要表现在 1 单令牌协议环中只能存在一个有效令牌 单令牌协议可以简化优先级与环出错恢复功能的实现 2 优先级位令牌环支持多优先级方案 它通过优先级位来设定令牌的优先级 3 监控站环中设置一个中央监控站 通过令牌监控位执行环维护功能 4 预约指示器通过令牌预约 控制每个结点利用空闲令牌发送不同优先级的数据帧所占用的时间 16 1 4CDMS CD与TokenBus TokenRing的比较 CDMS CD的特点 控制方法简单 易于实现一种用户访问总线时间不确定的随机竞争总线的方法适用于通信负荷较轻的应用环境 确定型介质访问控制方法TokenBus TokenRing适用于通信负荷较重的应用环境需要复杂的环维护功能 实现困难 17 1 5高速局域网技术 推动局域网发展的直接因素是个人计算机的广泛使用 共享介质局域网又可以分为Ethernet TokenBus TokenRing与FDDI以及在此基础上发展起来的FastEthernet FDDIII等 交换式局域网可以分为SwitchedEthernet与ATMLAN 以及在此基础上发展起来的虚拟局域网 18 1 5高速局域网技术 FDDI 光纤分布式数据接口 FDDI FiberDistributedDataInterface 是一种以光纤作为传输介质的高速主干网 19 1 5高速局域网技术 FDDI 基于IEEE802 5的单令牌的环介质访问控制MAC协议使用IEEE802 2协议数据传输速率为100Mbps 连接结点数 1000 环路长度为100Km使用双环结构可以使用单模或多模光纤具有动态分配带宽的能力 能支持同步或异步数据传输 20 1 5高速局域网技术 100MbpsFastEthernet FastEthernet标准IEEE802 3u10BASE T标准的广泛应用导致了结构化布线技术的出现 快速以太网的数据传输速率为100Mbps 它与传统的10Mbps速率的Ethernet有相同的帧格式 相同的介质访问控制方式CSMA CD 相同的接口与相同的组网方法 将传统的Ethernet每个比特的发送时间由100ns降低到10ns 21 1 5高速局域网技术 100MbpsFastEthernet IEEE802 3u标准在LLC子层使用IEEE802 2标准 在MAC子层使用CSMA CD方法 在物理层定义了新的物理层标准100BASE T 它将MAC子层与物理层分隔开 使得物理层在实现100Mbps速率时使用用的传输介质和信号编码方式的变化不影响MAC子层 100BASE T可以支持多种传输介质 目前制定了三种有关传输介质的标准 100BASE TX 使用2对UTP5类线或屏蔽双绞线STP100BASE FX 使用2对光纤100BASE T4 使用4对UTP3类线或5类线 22 1 5高速局域网技术 100MbpsFastEthernet 速率达到或超过100Mb s的以太网称为高速以太网 在双绞线上传送100Mb s基带信号的星型拓扑以太网 仍使用IEEE802 3的CSMA CD协议 100BASE T以太网又称为快速以太网 FastEthernet 23 1 5高速局域网技术 100MbpsFastEthernet 100BASE T以太网的特点可在全双工方式下工作而无冲突发生 因此 不使用CSMA CD协议 MAC帧格式仍然是802 3标准规定的 保持最短帧长不变 各节点都连接到集线器上 星型拓扑结构 在节点和适配器间最大距离为100米 帧间时间间隔从原来的9 6 s改为现在的0 96 s 24 1 5高速局域网技术 GigabitEthernet 吉比特GigabitEthernet的传输速率比FastEthernet 100Mbps 快10倍 达到1000Mbps 将传统的Ethernet每个比特的发送时间由100ns降低到1ns 千兆以太网标准 IEEE802 3zIEEE802 3z标准在LLC子层使用IEEE802 2标准 在MAC子层使用CSMA CD方法 在物理层定义了新的物理层标准1000BASE T 1000BASE T标准定义了千兆介质专用接口 GMII 将MAC子层与物理层分隔开 使用802 3协议规定的帧格式 与10BASE T和100BASE T技术向后兼容 25 1 5高速局域网技术 GigabitEthernet 允许在1Gb s下全双工和半双工两种方式工作 在半双工方式下使用CSMA CD协议 全双工方式不需要使用CSMA CD协议 当吉比特以太网工作在全双工方式时 即通信双方可同时进行发送和接收数据 不使用载波延伸和分组突发 1000BASE有关传输标准 1000BASE Tx 使用UTP双绞线 最大传输距离100米1000BASE Cx 使用铜缆 最大传输距离25米 1000BASE Lx 使用的是波长为1300nm的单模光纤 光纤长度可达3000m 1000BASE Sx 使用的是波长为850nm的多模光纤 光纤长度可达300m 550m 26 吉比特以太网的配置举例 1Gb s链路 吉比特交换集线器 百兆比特或吉比特集线器 100Mb s链路 中央服务器 1 5高速局域网技术 GigabitEthernet 27 1 5高速局域网技术 10GbpsEthernet 10Gbps以太网标准 IEEE802 3ae10吉比特以太网只工作在全双工方式 因此没有争用问题 也不使用CSMA CD协议 10GbpsEthernet的物理层符合光纤通道技术速率体系SONET SDH的OC 192 STM 64标准 10G比特以太网与10Mb s 100Mb s和1Gb s以太网的帧格式完全相同 10吉比特以太网还保留了802 3标准规定的以太网最小和最大帧长 便于升级 10吉比特以太网不再使用铜线而只使用光纤作为传输媒体 长距离的光收发器与单模光纤接口 使用多模光纤时传输距离限制在65m 300m 28 10吉比特以太网的出现 以太网的工作范围已经从局域网 校园网 企业网 扩大到城域网和广域网 从而实现了端到端的以太网传输 这种工作方式的好处是 成熟的技术互操作性很好在广域网中使用以太网时价格便宜 统一的帧格式简化了操作和管理 以太网从10Mb s到10Gb s的演进证明了以太网是 可扩展的 从10Mb s到10Gb s 灵活的 多种传输媒体 全 半双工 共享 交换 易于安装 稳健性好 1 5高速局域网技术 10GbpsEthernet 29 1 5高速局域网技术 以太网已成功地把速率提高到1 10Gb s 所覆盖的地理范围也扩展到了城域网和广域网 因此现在人们正在尝试使用以太网进行宽带接入 以太网接入的重要特点是它可提供双向的宽带通信 并且可根据用户对带宽的需求灵活地进行带宽升级 采用以太网接入可实现端到端的以太网传输 中间不需要再进行帧格式的转换 这就提高了数据的传输效率和降低了传输的成本 30 以太网接入举例 光纤到大楼FTTB 100M 10M 10M 100M 吉比特以太网 光结点汇接点 1Gb s 1Gb s 高速汇接点GigaPoP 1 5高速局域网技术 31 1 6交换式局域网 交换以太网 SwitchedEthernet 交换式局域网则从根本上改变了 共享介质 的工作方式 它可以通过EthernetSwitch支持交换机端口节点之间的多个并发连接 实现多节点之间数据的并发传输 因此可以增加局域网带宽 改善局域网的性能与服务质量 根据交换机的帧转发方式 交换机可以分为3类 直接交换方式存储转发交换方式改进直接交换方式 32 1 7无线局域网 WLAN WirelessLAN应用领域传统局域网的扩充建筑物之间的互联漫游访问特殊网络Adhoc红外无线局域网扩频无线局域网跳频通信FHSS802 11b直接序列扩频DSSS无线局域网标准IEEE802 11将介质访问控制MAC层分为分布式协调功能子层 DCF 与点协调功能子层 PCF 802 11a54Mbps 802 11b1 2 5 5 11Mbps 802 11g 802 11n 33 二 LAN地址 LAN地址 常称为物理地址 媒体访问控制 mediaaccesscontrol MAC 地址 LAN地址不是节点具有的LAN地址 而是节点适配器具有的LAN地址 LAN地址的作用是用来找到我们所要进行通信的计算机 适配器从网上每收到一个帧就首先检查其LAN地址 如果是发往本站的帧就收下 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 48位的地址通常用16进制表示 34 二 LAN地址 MAC地址由IEEE统一分配厂商购买一块MAC地址空间 要保证唯一性 比较 a MAC地址 好像身份证号码 b IP地址 好像邮政地址MAC地址 可移动能从一个LAN移动到另一个LANIP层次地址依赖节点所依附的IP网络应用层的主机名 网络层IP地址 链路层MAC地址 有利于保持各层独立的原则 35 相同 都能标识一个主机或节点的端口 不同 MAC地址与IP地址之间并没有什么必然的联系 每个网卡生产厂家必须向IEEE组织申请一组MAC地址 在生产网卡时在网卡的串行EEPROM中写入一个唯一的MAC地址 任何两个网卡的MAC地址 不管是哪一个厂家生产的都不应相同 芯片厂家不必负责MAC地址的申请 MAC地址存在于每一个适配器中 是以太网包头的组成部分 交换机根据包头中的MAC源地址和MAC目的地址实现包的交换和传递 二 LAN地址 MAC地址与IP地址的异同 36 IP地址是Internet协议地址 每个Internet包必须带有IP地址 每个Internet服务提供商 ISP 必须向有关组织申请一组IP地址 然后一般是动态分配给其用户 IP地址现是32位长 正在扩充到128位 IP地址与MAC地址无关 因为用户仍然可通过Modem连接Internet 取得一个动态的IP地址 这个地址每次可以不一致 IP地址通常工作于广域网 路由器处理的就是IP地址 MAC地址工作于局域网 局域网之间的互连一般通过现有的公用网或专用线路 需要进行网间协议转换 可以在以太网上传送IP信息 此时IP地址只是以太网信息包数据域的一部分 交换机或处理器看不见IP地址 只是将其作为普通数据处理 二 LAN地址 MAC地址与IP地址的异同 37 二 LAN地址 MAC地址与IP地址的异同 网络层地址32位IP地址用于把分组送到目的IP网络 回忆IP网络定义 MAC 或LAN或物理或Ethernet 地址 用于把数据帧从一个接口传送到另一个接口 同一网络中 48位MAC地址 大多数LANs 固化在适配器的ROM既然有了IP地址为什么还要设计LAN地址 LAN 数据链路层 网卡的设计不一定非要使用IP协议 为了突出层次的独立性 需要有不同的地址 假如用IP地址代替LAN地址 则将IP地址也做到网卡上 这样使得物理地址与物理位置有关 即叫同一名字的人的身份证号都是相同的 38 二 LAN地址 MAC地址与IP地址的异同 各层使用地址名称归类 39 二 LAN地址 ARP 地址解析协议 ARP AddressResolutionProtocol 地址解析协议是获取LAN地址的一个TCP IP协议 节点的IP地址的ARP请求被广播到网络上后 这个节点会收到确认其LAN地址的应答 这样的数据包才能被传送出去 40 二 LAN地址 ARP 每个在局域网上的IP节点 Host Router 都有ARP表ARP表 局域网上一些节点的IP MAC地址映射TTL TimeToLive 映射地址的失效时间 典型为20分钟 41 二 LAN地址 ARP A想发送分组给B A知道B的IP地址假设B的MAC地址不在A的ARP表中A广播包含B的IP地址的ARP查询包目的MAC地址 FF FF FF FF FF FF在局域网上的所有机器都能收到ARP查询 B收到ARP包 回给A一个带有B的MAC地址的包帧发送给A的MAC地址 单播unicast A缓存IP to MAC地址对在ARP表中 直到信息过期 timeout 软件规定 如果ARP表的信息在一定时间内没有刷新 则信息将过期 ARP是即插即用的 无需网络管理员干预 节点就能创建ARP表 42 二 LAN地址 ARP示例 在局域网中的每一个适配器都有一个唯一的LAN地址 广播地址 FF FF FF FF FF FF 适配器 网卡 43 三 局域网 以太网 以太网几乎占领着现有的局域网的大部分市场 它的成功有很多原因 以太网是第一个广泛使用的高速且较为成熟的LAN技术 令牌环网 FDDI ATM都比以太网复杂且昂贵 以太网的发展速度较快 交换式的以太网速度可达1G 由于以太网的流行促进了以太网硬件设备的大规模生产 这反过来又促进了以太网的流行 44 1 以太网基础 1 以太网帧结构现在市场上有很多不同的以太网技术 不论他们使用同轴电缆还是铜线 不论他们的运行速率是10Mbit s 100Mbit s还是1Gbit s 都采用同样的帧结构 前同步码 目的地址 源地址 类型 数据 CRC 以太网帧开始有一个8byte的前同步码字段 前同步码的前7byte都是10101010 最后一个byte是10101011 它用于 唤醒 接收适配器 并将他们的时钟和发送方的时钟同步 这个字段包含了目的适配器的LAN地址 当接收端的适配器收的一个目的地址不是其LAN地址的帧 或不是LAN广播地址的以太网帧 就会丢弃此帧 否则它将数据字段的内容传递给网络层 这个字段包含了发送该帧到LAN上的适配器的LAN地址 类型字段允许以太网 多路复用 网络层协议 这个字段携带IP数据报 允许接收适配器检测帧中是否有差错发生 45 2 提供不可靠的无连接服务所有的以太网技术都是向网络层提供无连接服务 也就是说 当适配器A要向适配器B发送一个数据报时 适配器A在一个以太网帧中封装这个数据报 并且把该帧发送到LAN上 而不需要和适配器B先 握手 即使没有冲突由于通信信道的噪声 接收到的帧可能包含比特差错 所有的以太网技术都向网络层提供了不可靠的服务 1 以太网基础 46 3 使用基带传输和曼彻斯特编码基带 将数字信号0或1直接用两种不同的电压来表示然后送到线路上传输 宽带 将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号 基带传输解决帧同步问题 方便冲突检测 曼彻斯特编码 它是物理层操作而不是链路层操作 但是它在以太网中得到广泛应用 1 以太网基础 47 2CSMA CD 工作方法 适配器运行CSMA CD协议时 不需要和以太网上的其他适配器进行显式的协调 在一个特定的适配器里 CSMA CD协议如下面所示的方法工作 1 适配器从它的父节点获得一个网络层PDU 准备一个以太网帧 并把该帧放到适配器缓冲区中 48 2 如果适配器侦听到信道是空闲的 也就是说 在96bit时间内没有信号能量从信道进入适配器 它开始传输该帧 如果适配器侦听到信道忙 它会等待直至它侦听不到信号能量 加上96bit时间 然后开始传输该帧 3 在传输时 适配器检测来自其他适配器的信号能量的出现 如果这个适配器传输了整个帧 而没有检测到来自其他适配器的信号能量 则该适配器完成该帧的传输 2CSMA CD 工作方法 49 4 如果适配器在传输时检测到来自其他适配器的信号能量 它就停止传输它的帧 而是传输一个48bit的拥塞信号 5 在中止 也就是传输拥塞信号 以后 适配器进入指数后退 exponentialbackoff 阶段 具体的说 当传输一个给定帧时 在该帧的一行中连续经受了第n次冲突后 适配器随机地从 0 1 2 2m 1 中为K选择一个值 这里m min n 10 然后适配器等待K 512bit时间 并返回会到第2步 2CSMA CD 工作方法 50 等待时间原理 指数后退法设重传次数为m 随机选择一值k 1 2m 1 作为等待时间 m值越大 k取值大的可能越大 为什么要使用指数后退 例如为什么不在每次冲突后从 0 1 2 3 4 5 6 7 中选择k呢 2CSMA CD 等待时间原理 51 原因是当适配器经受到第一次冲突时 它不知道有多少适配器卷入这次冲突 如果只有少量适配器冲突 从小集合中选择小数值的k是很有意义的 另一方面 如果有很多适配器卷入这次冲突 从一个更大的 数值更分散的集合中选择k是很有意义的 在每次冲突之后 通过增加集合的长度 适配器可以适当地适应这些不同的情况 2CSMA CD 等待时间原理 52 2 10BaseT和100BaseT10BaseT和100BaseT是现在最流行的以太网技术 它们之间最主要的区别是10BaseT以10Mbit s传输而100BaseT以100Mbit s传输 100BaseT也常称为 快速以太网 和 百兆以太网 10BaseT和100BaseT都使用星形拓扑 3 以太网技术 53 3 千兆网和10千兆网千兆以太网的标准称为IEEE802 3z 它完成以下工作 使用标准以太网帧格式 并且和10BaseT和100BaseT技术向后兼容 这使得千兆以太网和现存安装的以太网设备基础很容易集成 允许点对点链路和共享的广播信道 点对点链路使用交换机 而广播信道使用集线器 在千兆网术语中 集线器被称为 缓冲分配器 共享广播信道使用CSMA CD 为了得到可接受的效率 节点之间的最大距离必须严格限制 对于点对点信道 允许在两个方向上都以1000Mbit s全双工操作 3 以太网技术 54 4 Ethernet 主流的LAN技术价格便宜 例如40元 100M网卡第一个广泛使用的LAN技术比令牌和ATM简单 便宜其速度可达到 10 100 1000ps 10Gbps Metcalfe的以太网草图 55 4 Ethernet 星型拓扑 90年代中期流行总线拓扑结构现在星型拓扑结构盛行连接设备使用 集线器hub或交换机switch 后面介绍 huborswitch 56 4 Ethernet Ethernet帧结构 把IP分组 或其它网络层协议包 封装在Ethernet帧中Preamble 前同步码 8个字节前7个字节为10101010 最后一个为10101011用于发送方和接收方的时钟同步 57 4 Ethernet Ethernet帧结构 Addresses MAC地址 6个字节如果适配器收到的帧的目的地址与之匹配或者是一个广播地址 ARP包 就把帧传给网络层否则 抛弃该帧Type 类型 2个字节 指明可以支持的高层协议 主要是IP协议 也可以是其他协议如 NovellIPX和AppleTalkCRC 循环冗余校验 帧校验序列 4个字节 接收方检测 如果有错 丢弃该帧 58 4 Ethernet 不可靠的无连接服务无连接 发送和接收适配器间不 握手 不可靠 接收适配器不向发送适配器发送确认帧传递到网络层的数据报流可能有间隙如果应用使用TCP协议 间隙会被填好否则 应用能看见间隙 59 5 Ethernet使用CSMA CD 非时隙适配器检测到有其它适配器发送的时候 就不会发送帧 即它采用了载波侦听机制在发送过程中 适配器检测到有其他适配器发送 它将中止发送 即它采用了冲突检测机制 在试图重传之前 适配器会等待一个随机时间 即随机访问 60 5 Ethernet使用CSMA CD Ethernet的CSMA CD算法 1 适配器从网络层得到分组 创建帧2 如果适配器侦听到信道空闲 开始传送帧 如果信道忙 它会等到信道空闲才传送帧3 如果适配器传送整个帧都没有检测到其他传输 就完成该帧的传送 4 如果适配器在发送中检测到其它传送 就放弃传送 并发送一个拥塞信号5 放弃传送后 适配器进入指数回退阶段 即该帧经过n次冲突后 适配器在 0 1 2 2m 1 中随机选取一个K值 其中m min n 10 然后等待K 512比特时间后 回到第2步 61 5 Ethernet使用CSMA CD Ethernet的CSMA CD算法 拥塞信号 48比特 确保所有传送者知道冲突发生比特时间 对于10MbpsEthernet为0 1微秒 当K 1023 等待时间大约50毫秒 指数回退 目标 适配器依据当前负载情况重传重负载 等待时间变长第一次冲突 在 0 1 中选k值 延迟Kx512比特时间传送第二次冲突 在 0 1 2 3 中选k值 10次以后 在 0 1 2 3 4 1023 中选k值 62 5 Ethernet使用CSMA CD CSMA CD效率 tprop 在LAN中任两个节点间传播所用最大时间ttrans 发送最大帧所用时间当tprop接近0时 效率接近于1当ttrans趋于无穷时 效率接近于1 63 6 传统以太网及其缺陷 以太网最初是基于同轴电缆的网络中所有主机的收发都依赖于同一套物理介质 共享介质 同一时刻只能有一台主机在发送 各主机通过遵循CSMA CD规则来保证网络的正常通信 64 6 传统以太网及其缺陷 其缺陷传统以太网在主机数目较多的情况下 性能受到严重影响 网络中个别主机的故障 会影响到所有主机的通信 多台主机同时试图发送数据时 会使得网络冲突严重 致使网络利用率大大降低 以太网所采用的CSMA CD技术 保证了将信道因冲突而产生的浪费缩减到最小 但不能保证网络高负荷时的传输效率某台主机发送的广播报文 会被网络中所有主机接受 在广播报文较多的情况下 网络性能受到严重影响 广播风暴更会使得网络崩溃 并非所有的广播报文都是无用的 ARP请求 NetBios的名字请求 都是有用的和必须的 65 四 常用局域网设备 1集线器 hub 2网桥 bridge 3交换机 switch 66 问题 数据链路层有设备与组件吗 在物理层我们了解了不少的设备与组件 那么在数据链路层是否也有相应的设备与组件 若有 这些设备与组件与物理层的设备与组件有什么功能上的区别 数据链路层的设备与组件是指那些同时具有物理层和数据链路层功能的设备或组件 数据链路层的组件有网卡 主要设备包括网桥和交换机 67 1 网络适配器 局域网中提供各种网络设备与网络通信介质相连的接口 全名是网络接口卡 NIC NetworkInterfaceCard 也叫网络适配器 网卡作为一种I O接口卡插在主机板的扩展槽上 其基本结构包括接口控制电路 数据缓冲器 数据链路控制器 编码解码电路 内收发器 介质接口装置等六大部分 主要实现数据的发送与接收 帧的封装与拆封 编码与解码 介质访问控制和数据缓存等功能 半双工和全双工半双工 一个节点不能同时传输和接收全双工 节点可以同时传输和接收 68 1 网络适配器 以太网适配器的重要功能 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 69 1 网络适配器 计算机通过适配器和局域网进行通信 70 1 网络适配器 用于台式PC机的以太网网卡 用于笔记本电脑的网卡 用于台式PC机无线局域网网卡 71 1 网络适配器 网卡的基本结构 72 1 网络适配器 每一网卡在出厂时都被分配了一个全球唯一的地址标识 该标识被称为网卡地址或MAC地址 网卡地址被固化在网卡上 并被局域网的数据链路层用于识别不同的物理节点即寻址 所以又被称为物理地址或硬件地址 网卡地址由48bit长度的二进制数组成 其中 前24bit表示生产厂商 后24bit为生产厂商所分配的产品序列号 若采用12位的十六进制数表示 则前6个十六进制数表示厂商 后6个十六进制数表示该厂商网卡产品的序列号 73 2 中继器 中继器的功能和使用方式中继器实现网络在物理层上的连接 加强信号 中继器在网络互联中起到扩展网络连接距离和扩充工作站数目的作用 中继器的功能是对接收的信号进行放大 整形 使衰减的信号得以再生 74 2 中继器 中继器的特点中继器工作在物理层 它不解释也不改变接收的信号 只是起着延长传输距离的作用 对高层协议是透明的 用中继器连接的网络在物理上和逻辑上都是同一个网络 数据编码 传输速率等都是完全相同的 中继器不能连接MAC子层以上不同的网络 中继器不能无限制地延长网络距离 不关心帧的起点和终点也不关心帧的格式 75 2 中继器 中继器中继器是一种信号放大设备 76 2 中继器 中继器的分类和选择粗缆中继器细缆中继器双绞线中继器光纤中继器混合型中继器 77 集线器实现了将输入 帧中各比特 接收并将其在输出端口上重新传送出去 集线器从本质上就是中继器 实现对比特的操作 所以它是物理层设备 当一bit进入集线器中 它只是简单的将该bit从所有其他的接口上传送出去 3 集线器 hub 78 3 集线器 hub 单个HUB Hub连接的设备共享一个冲突域Hub连接的设备共享一个广播域 79 3 集线器 hub HUB级连 Hub限制的网络的可扩展性 80 3 集线器 hub 集线器的一些特点集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线的工作 因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行 使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网 各工作站使用的还是CSMA CD协议 并共享逻辑上的总线 集线器很像一个多接口的转发器 工作在物理层 81 3 集线器 hub 具有三个接口的集线器 82 3 集线器 hub 连接局域网内各网段的设备扩展各节点间的最大距离但是把各网段的冲突域汇集成一个大的冲突域如果一个在CS域的节点和一个在EE域的节点同时通信 冲突不能使10BaseT和100BaseT网段互联 83 优点 它为各个不同LAN的主机提供各LAN间的通信 它扩展了该LAN上任何一对节点之间的最大距离 多级设计为降级提供了一定的余地 特别是如果这些LAN的任何一个集线器出现了故障 主干集线器能够检测这个问题 并且将该LAN的集线器从LAN上断开 3 集线器 hub 84 限制 1 当各LAN用集线器互联时 这些LAN独立的冲突域变成了一个大的 公共的冲突域 2 如果各个不同的LAN使用不同的以太网技术 一个主干集线器也许不可能将这些LAN的集线器互联 3 每个以太网技术对冲突域内最大允许的节点数 冲突域内两台主机之间的最大距离以及多级设计内最大允许级数都有约束 这些约束限制了能够连接到一个多级LAN的主机总数和该多级LAN的地理范围 3 集线器 hub 85 3 集线器 hub 某大学有三个系 各自有一个局域网 86 3 集线器 hub 用集线器组成更大的局域网都在一个碰撞域中 87 2 集线器 hub 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 88 3 网桥 bridge 网桥与OSI模型网桥基于第二层地址进行工作 所以被归为数据链路层设备 89 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 网桥 bridge 90 3 网桥 bridge 网桥是对以太网帧进行操作的 所以它属于数据链路层设备 它是用局域网目的地址来进行帧转发和筛选的一种比较完善的分组交换机 当一个帧进入了网桥的接口时 它的工作不仅仅是将该帧复制到所有其他的接口上 它还要对帧的第二层 DL 目的地址进行检测并将该帧送到通往目的地的接口上去 91 3 网桥 bridge Bridge 也叫桥接器 工作在数据链路层的一种网络互连设备 其可以实现两个或多个LAN的互联 主要功能包括 物理上扩展网络基于第二层地址的数据过滤功能逻辑划分网络的功能数据推进功能帧格式转换功能 92 3 网桥 bridge 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2 网段B 网段A 1 1 1 2 2 2 站地址 接口 网桥 网桥 接口1 接口2 1 2 93 3 网桥 bridge 网桥工作原理示意 用户层 IP MAC 站1 用户层 IP MAC 站2 物理层 网桥1 网桥2 A B 用户数据 IP H MAC H MAC T DL H DL T 物理层 DL R MAC 物理层 物理层 DL R 物理层 物理层 LAN LAN 两个网桥之间还可使用一段点到点链路 网桥不改变它转发的帧的源地址 94 3 网桥 bridge 过滤和转发 过滤 filtering 是指网桥判断一个帧是应该转发到某个接口还是丢弃的能力 转发 forwarding 是判断一个帧应该被指向哪个接口 并且把该帧引导到这些接口的能力 网桥的过滤和转发是通过网桥表 bridgetable 来完成的 网桥表包含一个LAN上的部分但不必是全部节点的表项 它的一个表项包含节点的LAN地址和到达该节点的网桥接口以及节点的表项放置在表中的时间 95 3 网桥 bridge 过滤和转发 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 96 3 网桥 bridge 过滤和转发 转发表的建立过程举例 地址接口 B2 B1 A B C D E F 1 2 1 2 地址接口 97 3 网桥 bridge 过滤和转发 网桥在转发表中登记以下三个信息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 98 3 网桥 bridge 过滤和转发 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 99 3 网桥 bridge 网桥工作原理示意 100 3 网桥 bridge 支撑树 网桥在LAN上相互通信来确定支撑树 也就是初始拓扑中没有回路的子集 一旦网桥确定了支撑树 这些网桥就虚拟地断开适当的接口 从而从初始拓扑中创建支撑树 随着一些环路的去除 帧不再循环和繁殖 如果在以后的某个时间 支撑树的一条链路失效了 网桥可以自动地将这些接口重新连接 确定一系列新的 因该虚拟段开的接口 101 3 网桥 bridge 网桥使各网段成为隔离开的碰撞域 102 3 网桥 bridge 克服的问题 1 网桥允许LAN之间的通信 同时为每个LAN保留独立的冲突域 2 网桥可以互联不同的LAN技术 3 当网桥用于互联LAN网段时 对于LAN的大小没有限制 理论上 可以使用网桥建立一个扩展到全球的LAN 带来的好处过滤通信量 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 103 使用网桥带来的缺点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 3 网桥 bridge 104 3 网桥 bridge 网桥的优缺点 网桥是即插即用的 网桥还能够具有相对较高的分组过滤和转发率 支撑树协议将网桥组成网络的有效拓扑结构限制为一棵支撑树 这意味着所有的帧必须沿着支撑树来传输 甚至当在源和目的之间有着更直接的路径时 支撑树的限制也将流量集中在支撑树链路上 否则流量可以在原来拓扑结构的所有链路分散开 网桥对于广播风暴不提供任何保护措施 如果一台主机失去控制并传输了无穷的以太网广播帧流 网桥将转发所有这些帧 从而导致整个以太网的崩溃 105 3 网桥 bridge 透明网桥 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 106 生成树的得出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 3 网桥 bridge 透明网桥 107 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 网桥 bridge 源路由网桥 108 3 网桥 bridge 与集线器 网桥和集线器 或转发器 不同网桥和集线器 或转发器 不同集线器在转发帧时 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 109 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 交换机 switch 110 4 交换机 switch 也是工作在数据链路层的一种网络互连设备 由网桥发展而来 是一种多端口的网桥 其通过在其内部配备大容量的交换式背板实现了高速数据交换 交换机实质上是高性能多接口的网桥 和网桥一样 它使用LAN地址转发和过滤帧 通过帧中的源地址来自动建立转发表 根据涉及的第二层技术 分为以太网交换机 FDDI交换机 帧中继交换机 ATM交换机和令牌环交换机等 111 4 交换机 switch LAN1 LAN2 LAN3 LAN4 交换机工作示意图 112 交换机与OSI模型 交换机与网桥一样 基于第二层地址进行工作 因此也属于数据链路层设备 4 交换机 switch 113 Bridge Switch 4 交换机 switch 114 4 交换机 switch 局域网交换机的特性 低交换传输延迟 从传输延迟时间的量级来看 局域网交换机为几十 s 网桥为几百 s 而路由器为几千 s 高传输带宽 全双工 半双工 允许10Mbps 100Mbps 局域网交换机可以支持虚拟局域网服务 115 4 交换机 switch 以太网交换机的特点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专用的交换结构芯片 其交换速率就较高 116 4 交换机 switch 网桥和交换机之间最重要的区别是 网桥的接口数通常较少 也就是2到4各接口 而交换机可能有几十个接口 通过交换结构 大量的接口产生很高的合计转发速率 因此需要高性能的设计 另一个重要的区别是大多数交换机也工作于全双工模式 也就是说 它能够在同一个接口上同时发送和接收帧 117 4 交换机 switch 本质上是多口网桥2层 帧 转发 使用LAN地址过滤交换 A to A 和B to B 同时工作 不冲突大量接口经常 单个主机 星型结构连到交换机Ethernet 但不冲突 118 4 交换机 switch 链路层设备存储和转发以太网帧检查帧头 并根据目的MAC地址有选择的转发帧当MAC帧被转发到某一共享网段时 需要使用CSMA CD访问该网段透明性主机不关心交换机的存在即插即用 自学习交换机不需要被配置 119 4 交换机 switch 交换机怎么确定将接收到的MAC帧转发到哪一个网段呢这听起来象是一个路由问题 1 2 3 120 4 交换机 switch MAC地址表 交换机有一个交换表交换表的表项 MAC地址 接口 时间 交换表中过期的表项将被删除 TTL可以是60分钟 交换机学习哪一个主机可以通过哪一个接口到达交换机当接收一数据帧时 交换机 学习 发送者的位置 进入交换机的LAN网段在交换表中记录发送者 位置对应关系 121 4 交换机 switch MAC地址表 交换机内部都有一张MA