华为-数通原理参考教材-卷一(交换、广域网和路由).doc

特性描述 局域网与城域网接入表格目录目 录1 以太网1-11.1 以太网的起源1-21.2 以太网的物理层1-21.2.1 以太网的线缆标准简介1-21.2.2 CSMA/CD1-41.2.3 最小帧长与最大传输距离1-51.2.4 以太网的双工模式1-51.2.5 以太网的自动协商1-61.2.6 HUB1-71.3 以太网的数据链路层1-91.3.1 以太网链路层的分层结构1-91.3.2 MAC子层1-91.3.3 以太网帧结构1-111.3.4 LLC子层1-131.3.5 以太网交换机1-131.4 以太网的发展1-151.4.1 共享式以太网1-151.4.2 交换式以太网1-151.4.3 1000M以太网和10G以太网1-161.5 以太网的应用1-171.5.1 计算机互连1-171.5.2 高速网络设备之间互连1-171.5.3 城域网中用户接入的手段1-171.6 参考资料清单1-172 VLAN2-192.1 VLAN简介2-202.1.1 VLAN的引入2-202.1.2 VLAN的划分2-222.1.3 VLAN帧格式2-232.1.4 VLAN的基本概念2-242.2 VLAN内通信过程2-262.2.1 VLAN基本通信原理2-262.2.2 VLAN跨越交换机通信原理2-272.3 VLAN间通信原理2-292.3.1 二层交换机路由器2-292.3.2 三层交换机2-292.4 VLAN Aggregation2-302.4.1 VLAN aggregation原理2-302.4.2 VLAN aggregation的优点2-312.5 VLAN Stacking2-312.6 VLAN Mapping2-312.7 VLAN Damping2-322.8 VLAN的应用2-332.8.1 基于端口的VLAN划分2-332.8.2 VLAN Trunk的应用2-332.8.3 VLAN间互通应用2-342.8.4 VLAN Aggregation的应用2-352.9 参考资料清单2-363 MSTP3-373.1 MSTP的引入3-383.1.1 STP3-383.1.2 RSTP3-383.1.3 MSTP3-393.1.4 三种生成树协议的比较3-403.2 MSTP的基本概念3-413.2.1 MSTP的网络层次3-413.2.2 MSTP网络3-423.2.3 MST Region3-433.2.4 MSTI3-453.2.5 端口角色3-453.2.6 端口状态3-483.3 MSTP报文格式3-483.4 MSTP的拓扑计算3-523.4.1 优先级向量3-523.4.2 CIST的计算3-543.4.3 MSTI的计算3-543.4.4 生成树算法实现3-543.4.5 MSTP对拓扑变化的处理3-553.5 MSTP的快速收敛机制3-553.5.1 Proposal/Agreement机制3-553.5.2 根端口快速切换机制3-563.5.3 边缘端口3-563.6 MSTP的保护功能3-563.6.1 BPDU保护3-573.6.2 Root保护3-573.6.3 环路保护3-573.7 BPDU TUNNEL3-573.8 MSTP的应用3-583.8.1 MSTP的典型应用3-593.8.2 BPDU TUNNEL的应用3-593.9 参考资料清单3-604 PPP和MP4-604.1 PPP和MP简介4-624.1.1 PPP的引入4-624.1.2 PPP的简介4-634.1.3 PPP的基本构架4-634.1.4 PPP报文格式4-644.1.5 MP简介4-674.2 PPP的运行过程4-674.2.1 PPP的协商过程4-684.2.2 PPP的PAP验证协议4-704.2.3 PPP的CHAP验证协议4-744.3 PPP的报文压缩4-794.4 MP的实现方式4-794.4.1 MP-group4-794.4.2 虚拟接口模板VT（Virtual-Template）4-794.5 MP的协商过程4-804.6 参考资料清单4-805 PPPoE5-815.1 PPPoE简介5-825.1.1 PPPoE的引入5-825.1.2 PPPoE简介5-825.1.3 PPPoE的数据帧5-835.2 Discovery阶段5-845.2.1 Discovery阶段简介5-845.2.2 PADI数据包5-895.2.3 PADO数据包5-895.2.4 PADR数据包5-905.2.5 PADS数据包5-905.2.6 PADT数据包5-905.3 PPP会话阶段5-915.4 PPPoE注意事项5-915.4.1 LCP方面5-925.4.2 安全方面5-925.4.3 其它方面5-925.5 PPPoE的应用5-935.6 参考资料清单5-936 HDLC6-946.1 HDLC简介6-956.1.1 数据链路控制协议6-956.1.2 HDLC的引入6-956.1.3 HDLC的特点6-966.2 HDLC的操作方式6-966.2.1 HDLC操作方式简介6-966.2.2 HDLC常用的操作方式6-976.3 HDLC的帧格式6-986.4 HDLC的帧类型6-996.4.1 控制字段帧格式6-1006.4.2 信息帧6-1006.4.3 监控帧6-1006.4.4 无编号帧6-1016.5 HDLC的应用特点6-1016.5.1 应用场合6-1026.5.2 传输效率6-1026.5.3 传输可靠性6-1026.5.4 数据透明性6-1026.5.5 信息传输格式6-1026.5.6 链路控制6-1026.6 参考资料清单6-1027 帧中继7-1037.1 帧中继简介7-1047.1.1 帧中继的引入7-1047.1.2 帧中继协议简介7-1067.1.3 帧中继基本概念7-1077.1.4 MFR7-1107.2 帧中继在路由器协议栈中的位置7-1117.2.1 帧中继在整个软件体系结构中的位置7-1117.2.2 帧中继软件结构7-1117.3 帧中继帧格式7-1137.4 帧中继LMI协议7-1157.4.1 LMI协议简介7-1157.4.2 Q.933附录A7-1157.5 InARP协议介绍7-1197.6 帧中继子接口7-1217.6.1 帧中继子接口的引入7-1217.6.2 帧中继子接口的简介7-1227.7 帧中继接入7-1227.8 帧中继PVC交换7-1237.9 帧中继交换PVC备份7-1247.9.1 帧中继交换PVC备份的应用7-1247.9.2 帧中继交换PVC备份的实现7-1247.10 帧中继压缩7-1257.10.1 FRF.9压缩7-1267.10.2 帧中继IP头压缩7-1277.11 帧中继QoS7-1277.12 多链路帧中继捆绑（MFR）7-1297.13 参考资料清单7-1308 ATM8-1318.1 ATM简介8-1328.1.1 传统的交换技术8-1328.1.2 ATM协议简介8-1338.1.3 ATM的特点8-1338.1.4 ATM的发展和现状8-1358.2 ATM层次结构8-1358.3 ATM物理层8-1368.3.1 物理介质子层8-1378.3.2 传输汇聚子层8-1428.4 ATM层8-1428.4.1 ATM层的基本功能8-1438.4.2 ATM虚链路8-1438.4.3 VPI/VCI8-1448.4.4 ATM信元的转发8-1458.4.5 ATM信元头格式8-1458.4.6 ATM的网络接口8-1478.4.7 ATM OAM8-1488.5 ATM适配层8-1498.5.1 AAL的层次和作用8-1498.5.2 AAL类型8-1508.6 ATM地址和多协议封装8-1518.6.1 ATM地址8-1518.6.2 通过AAL5的多协议封装8-1528.7 ATM应用8-1558.7.1 IPoA8-1558.7.2 IPoEoA8-1568.7.3 PPPoA8-1578.7.4 PPPoEoA8-1598.8 参考资料清单8-1609 IP路由概述9-1619.1 路由概述9-1629.1.1 路由器9-1629.1.2 路由协议和被路由协议9-1629.1.3 路由表和FIB表9-1639.2 路由协议概述9-1669.2.1 静态路由与动态路由9-1679.2.2 动态路由协议的分类9-1679.2.3 路由协议及路由优先级9-1689.2.4 负载分担与路由备份9-1699.2.5 路由信息的共享9-1719.3 静态路由9-1719.3.1 静态路由的组成9-1719.3.2 静态路由的应用9-1729.4 缺省路由9-17410 RIP10-17510.1 RIP概述10-17610.1.1 RIP的版本10-17610.1.2 RIP对IPv6的支持10-17610.2 RIP原理简介10-17710.2.1 RIP的路由数据库10-17710.2.2 RIP定时器10-17710.3 RIP的报文格式10-17810.3.1 1RIP-1的报文格式10-17810.3.2 RIP-2的报文格式10-17910.3.3 RIP-2的验证报文格式10-18010.4 RIPng的报文格式10-18110.4.1 基本格式10-18110.4.2 RTE的格式10-18210.5 RIP协议的工作过程10-18410.5.1 RIP运行和路由计算的过程10-18410.5.2 RIP发送请求报文和响应报文10-18610.5.3 RIP报文的认证10-18610.5.4 RIPng报文处理过程10-18610.6 RIP的高级特性10-18710.6.1 路由聚合10-18710.6.2 触发更新10-18910.6.3 防止路由环路10-18910.6.4 多实例支持10-19110.7 参考信息10-19111 OSPF11-19211.1 OSPF概述11-19311.2 OSPF的基本概念11-19311.2.1 OSPF路由的计算过程11-19311.2.2 路由器ID号11-19411.2.3 OSPF的协议报文11-19411.2.4 LSA的类型11-19411.3 OSPF的报文格式11-19511.3.1 报文头格式11-19511.3.2 Hello报文11-19611.3.3 DD报文11-19711.3.4 LSR报文11-19911.3.5 LSU报文11-19911.3.6 LSAck报文11-20011.4 OSPF的LSA类型11-20111.4.1 LSA头部信息11-20111.4.2 Router LSA11-20211.4.3 Network LSA11-20311.4.4 Summary LSA11-20411.4.5 AS-External LSA11-20611.5 OSPF的区域11-20711.5.1 OSPF区域的划分11-20711.5.2 骨干区域11-20811.5.3 虚连接11-20811.5.4 Stub区域11-20911.5.5 NSSA区域11-20911.5.6 各区域特性11-21011.6 路由器的类型11-21111.6.1 路由器的分类11-21111.6.2 路由聚合11-21211.6.3 路由类型11-21211.7 OSPF的网络类型11-21311.7.1 OSPF支持的网络类型11-21311.7.2 DR和BDR11-21311.7.3 DR/BDR的选举过程11-21411.7.4 NBMA网络的配置原则11-21511.8 OSPF的邻接关系11-21511.8.1 邻居和邻接11-21511.8.2 邻接关系的建立过程11-21511.9 缺省路由11-22011.9.1 OSPF发布缺省路由的基本原则11-22011.9.2 不同区域缺省路由的发布11-22011.10 OSPFv311-22111.10.1 OSPFv3概述11-22111.10.2 OSPFv3的协议报文11-22211.10.3 OSPFv3的LSA类型11-22211.11 VRP支持的OSPF其他特性11-22311.11.1 多进程11-22311.11.2 验证功能11-22311.11.3 热备份和Graceful Restart11-22311.11.4 OSPF TE与DS-TE11-22411.11.5 IGP Shortcut和邻接转发Forwarding Adjacency11-22411.11.6 OSPF VPN多实例11-22411.11.7 OSPF伪连接11-22511.12 参考信息11-22512 IS-IS12-22612.1 IS-IS基本概念12-22712.1.1 IS-IS地址结构12-22712.1.2 IS-IS协议地址结构12-22812.2 IS-IS的PDU格式12-23012.2.1 PDU头格式12-23012.2.2 通用报头格式12-23012.2.3 Hello报文格式12-23212.2.4 LSP报文格式12-23312.2.5 SNP格式12-23512.2.6 CLV12-23712.3 IS-IS区域12-23812.3.1 两级结构12-23812.3.2 接口的Level级别12-24012.3.3 路由渗透12-24012.4 IS-IS的网络类型12-24112.4.1 网络类型12-24112.4.2 DIS和伪节点12-24212.5 IS-IS邻接关系的建立12-24212.5.1 广播链路邻接关系的建立12-24312.5.2 点到点链路邻接关系的建立12-24412.5.3 IS-IS邻接关系建立的基本原则12-24412.6 IS-IS的LSP交互过程12-24412.6.1 LSP12-24412.6.2 IS-IS数据库在广播链路上的同步过程12-24612.6.3 IS-IS数据库在点到点链路上的同步过程12-24712.6.4 Mesh Group12-24812.7 IS-IS对IPv6的支持12-24812.8 VRP支持的IS-IS其他特性12-24912.8.1 多实例和多进程12-24912.8.2 热备份12-24912.8.3 IS-IS TE12-24912.8.4 管理标记12-24912.8.5 LSP分片扩展12-25012.8.6 动态主机名交换机制12-25012.8.7 IS-IS快速收敛12-25112.8.8 BFD for IS-IS12-25212.9 参考资料清单12-25213 BGP13-25413.1 BGP简介13-25513.1.1 BGP概述13-25513.1.2 BGP应用场景13-25713.1.3 BGP处理过程13-25713.1.4 BGP消息13-25813.1.5 BGP邻居状态机13-26413.2 BGP属性13-26413.2.1 BGP属性的分类13-26413.2.2 Origin属性13-26513.2.3 AS_Path属性13-26513.2.4 Next_Hop属性13-26913.2.5 MED13-27113.2.6 Local_Pref属性13-27213.2.7 Community属性13-27313.2.8 其它属性13-27413.3 BGP的选路规则13-27513.3.1 BGP选择路由的策略13-27513.3.2 应用BGP负载分担时的选路策略13-27613.3.3 BGP发布路由的策略13-27613.3.4 IBGP和IGP同步13-27713.4 大规模BGP网络所遇到的问题13-27713.4.1 路由聚合13-27713.4.2 对等体组13-27813.4.3 团体13-27813.4.4 路由反射器13-27813.4.5 联盟13-28313.4.6 BGP衰减13-28413.5 MP-BGP13-28513.5.1 MP-BGP概述13-28513.5.2 MP-BGP的扩展属性13-28613.6 BGP Accounting13-28913.7 参考资料清单13-28914 路由策略14-29014.1 路由策略简介14-29114.1.1 路由策略14-29114.1.2 路由策略与策略路由的区别14-29114.2 过滤器14-29214.2.1 简介14-29214.2.2 过滤器的比较14-29314.3 地址前缀列表14-29414.3.1 地址前缀列表的组成14-29414.3.2 地址前缀列表的匹配规则14-29514.3.3 地址前缀列表的应用14-29614.4 Route-Policy14-29714.4.1 Route-Policy的组成14-29714.4.2 Route-Policy的匹配规则14-29814.4.3 Route-Policy应用简介14-30014.4.4 应用路由策略过滤特定路由14-30214.4.5 应用路由策略实现OSPF透传14-30414.5 路由FRR14-30514.5.1 路由FRR简介14-30514.5.2 路由FRR实现14-30514.5.3 路由FRR分类14-30614.5.4 路由FRR应用14-306文档版本 01 (2006-12-08)华为技术有限公司14-305插图目录图1-1 脉冲插入示意图1-7图1-2 HUB工作模型1-8图1-3 HUB的工作原理图1-8图1-4 以太网链路层的分层结构1-9图1-5 Ethernet_II的帧结构1-11图1-6 IEEE802.3的帧结构1-12图1-7 以太网交换机内部结构示意图1-14表格目录表1-1 10兆以太网线缆标准1-3表1-2 快速兆以太网线缆标准1-3表1-3 千兆以太网线缆标准1-4特性描述 局域网与城域网接入14 路由策略1 以太网关于本章本章描述内容如下表所示。标题内容1.1 以太网的介绍了以太网的起源。1.2 以太网的物理层介绍了以太网物理层的线缆、设备和技术等。1.3 以太网的数据链路层介绍了以太网数据链路层的技术、设备等。1.4 以太网的发展介绍了以太网的发展过程。1.5 以太网的应用介绍了以太网的组网应用。1.6 参考资料清单列出以太网涉及的系列标准。1.1 以太网的起源以太网技术起源于一个实验网络，该实验网络的目的是把几台个人计算机以3M的速率连接起来。“以太网”一般是指由DEC（Digital Equipment Corporation）、Intel和Xerox组成的DIX（DEC-Intel-Xerox）联盟开发并于1982年发布的10 Mb/s的以太网标准。而IEEE 802.3规范则是基于以太网的标准制定的，并与以太网标准相互兼容。在TCP/IP中，以太网的IP数据报文的封装格式由RFC 894定义，IEEE802.3网络的IP数据报文封装由RFC 1042定义。当今最常使用的封装格式是RFC894定义的格式，通常称为Ethernet II或者Ethernet DIX。为区别两种帧，本文以Ethernet II称呼RFC 894定义的以太帧，以IEEE802.3称呼RFC 1042定义的以太帧。1.2 以太网的物理层本节包含以下内容：l 以太网的线缆标准简介l CSMA/CDl 最小帧长与最大传输距离l 以太网的双工模式l 以太网的自动协商l HUB1.2.1 以太网的线缆标准简介从以太网诞生到目前为止，成熟应用的以太网物理层标准主要有以下几种：l 10BASE-2l 10BASE-5l 10BASE-Tl 10BASE-Fl 100BASE-T4l 100BASE-TXl 100BASE-FXl 1000BASE-SXl 1000BASE-LXl 1000BASE-CXl 1000BASE-TX在这些标准中，前面的10、100、1000分别代表运行速率，中间的BASE指传输的信号是基带方式。10兆以太网线缆标准10兆以太网线缆标准在IEEE802.3中定义，线缆类型如表1-1所示。表1-1 10兆以太网线缆标准名称电缆最长有效距离10BASE-5粗同轴电缆500m10BASE-2细同轴电缆200m10BASE-T双绞线100m10BASE-F光纤2000m同轴电缆的致命缺陷是：电缆上的设备是串连的，单点故障就能导致整个网络崩溃。10BASE-2，10BASE-5是同轴电缆的物理标准，现在已经基本被淘汰。100兆以太网线缆标准100兆以太网又叫快速以太网FE（Fast Ethernet），在数据链路层上跟10M以太网没有区别，仅在物理层上提高了传输的速率。快速以太网线缆类型如表1-2所示。表1-2 快速兆以太网线缆标准名称线缆最长有效距离100Base-T4四对三类双绞线100m100Base-Tx两对五类双绞线100m100Base-Fx单模光纤或多模光纤2000m10BASE-T和100BASE-TX都是运行在五类双绞线上的以太网标准，所不同的是线路上信号的传输速率不同，10BASE-T只能以10M的速度工作，而100BASE-TX则以100M的速度工作。100BASE-T4现在很少使用。千兆以太网线缆标准千兆以太网是对IEEE802.3以太网标准的扩展，在基于以太网协议的基础之上，将快速以太网的传输速率从100Mbit/s提高了10倍，达到了1Gbit/s。千兆以太网线缆标准如表1-3所示。表1-3 千兆以太网线缆标准名称线缆最长有效距离1000Base-LX多模光纤和单模光纤316m1000Base-SX多模光纤316m1000Base-CX平衡双绞线对的屏蔽铜缆25m1000Base-TX5类双绞线100m用户可以采用这种技术在原有的快速以太网系统中实现从100Mbit/s到1000Mbit/s的平滑升级。千兆以太网物理层使用8B10B编码。在传统的以太网传输技术中，数据链路层把8位数据组提交到物理层，物理层经过适当的变换后发送到链路上传输。但变换的结果还是8比特。在光纤千兆以太网上，则不是这样。数据链路层把8比特的数据提交给物理层的时候，物理层把这8比特的数据进行映射，变换成十比特发送出去。万兆以太网线缆标准万兆以太网线缆标准为IEEE802.3ae。网络线缆只可以使用光纤，全双工模式。万兆以太网已经开始部署，在未来将有大规模的应用。1.2.2 CSMA/CDCSMA/CD的概念根据以太网的最初设计目标，计算机和其他数字设备是通过一条共享的物理线路连接起来的。这样被连接的计算机和数字设备必须采用一种半双工的方式来访问该物理线路，而且还必须有一种冲突检测和避免的机制，以避免多个设备在同一时刻抢占线路的情况，这种机制就是所谓的CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection）。我们可以从以下三点来理解CSMA/CD：l CS：载波侦听在发送数据之前进行监听，以确保线路空闲，减少冲突的机会。l MA：多址访问每个站点发送的数据，可以同时被多个站点接收。l CD：冲突检测由于两个站点同时发送信号，信号叠加后，会使线路上电压的摆动值超过正常值一倍。据此可判断冲突的产生。边发送边检测，发现冲突就停止发送，然后延迟一个随机时间之后继续发送。CSMA/CD的工作过程CSMA/CD的工作过程如下：1. 终端设备不停的检测共享线路的状态。 如果线路空闲则发送数据。 如果线路不空闲则一直等待。2. 如果有另外一个设备同时发送数据，两个设备发送的数据必然产生冲突，导致线路上的信号不稳定。3. 终端设备检测到这种不稳定之后，马上停止发送自己的数据。4. 终端设备发送一连串干扰脉冲，然后等待一段时间之后再进行发送数据。发送干扰脉冲的目的是为了通知其他设备，特别是跟自己在同一个时刻发送数据的设备，线路上已经产生了冲突。检测到冲突后等待的时间是随机的。1.2.3 最小帧长与最大传输距离最小帧长由于CSMA/CD算法的限制，以太网帧必须不能小于某个最小长度。以太网中，最小帧长为64字节，这是由最大传输距离和冲突检测机制共同决定的。规定最小帧长是为了避免这种情况发生：A站点已经将一个数据包的最后一个Bit发送完毕，但这个报文的第一个Bit还没有传送到距离很远的B站点。B站点认为线路空闲继续发送数据，导致冲突。高层协议必须保证Data域至少包含46字节。如果实际数据不足46个字节，则高层协议必须填充一些数据单元。Data域长度的上限是任意的，但已经被设置为1500字节。这是1979年的内存成本以及低成本的LAN控制器的缓冲区要求。最大传输距离最大传输距离通常由线路质量、信号衰减程度等因素决定。1.2.4 以太网的双工模式以太网的物理层存在半双工和全双工两种模式。半双工半双工的工作模式：l 任意时刻只能接收数据或者发送数据。l 采用CSMA/CD访问机制。l 有最大传输距离的限制。HUB工作在半双工模式。全双工在有L2交换机取代了HUB组建以太网后，以太网由共享式转变为交换式。而且用全双工代替了半双工，传输数据帧的效率大大提高，最大吞吐量达到双倍速率。全双工从根本上解决了以太网的冲突问题，以太网从此告别CSMA/CD。全双工的工作模式：l 同一时刻可以接收和发送数据。l 最大吞吐量达双倍速率。l 消除了半双工的物理距离限制。最近10年制造的网卡、L2、路由器都支持全双工模式，HUB除外。实现全双工的硬件保证：支持全双工的网卡芯片收发线路完全分离的物理介质点到点的连接。1.2.5 以太网的自动协商自动协商的目的最早的以太网都是10M半双工的，所以需要CSMA/CD等一系列机制保证系统的稳定性。随着技术的发展，出现了全双工，接着又出现了100M，以太网的性能大大改善。但是随之而来的问题是：如何保证原有以太网络和新以太网的兼容？于是，提出了自动协商技术来解决这种矛盾。自动协商的主要功能就是使物理链路两端的设备通过交互信息自动选择同样的工作参数。自动协商的内容主要包括双工模式、运行速率以及流控等参数。一旦协商通过，链路两端的设备就锁定在同样的双工模式和运行速率。从而解决双工和10M/100M速率自协商问题。以太网速率双工自协商在如下标准中定义：l 百兆以太网标准：IEEE 802.3uIEEE 802.3u规范将自协商作为可选功能。l 千兆以太网标准：IEEE 802.3zIEEE 802.3z规范将自协商作为强制功能，所有设备必须遵循并且必须默认启用自协商。自动协商原理自动协商是建立在双绞线以太网的一种低层机制上的，它只对双绞线以太网有效。在双绞线链路上，如果没有数据传输，链路并不是一直空闲，而是不断的互相发送一种频率较低的脉冲信号，任何具有双绞线接口的以太网卡都能识别这种信号。如果再插入一些频率更低的脉冲，这些脉冲称为快速链路脉冲FLP（Fast Link Pulse），两端设备也能识别。于是，可以利用FLP进行少量的数据传输，达到自动协商的目的。如图1-4所示。图1-4 脉冲插入示意图以太网速率双工链路自协商优先级别从高到低，顺序如下：l 1000M全双工l 1000M半双工l 100M全双工l 100M半双工l 10M全双工l 10M半双工如果协商通过，网卡就把链路置为激活状态，可以开始传输数据了。如果不能通过，则该链路不能使用。如果有一端不支持自动协商，则支持自动协商的一端选择一种默认的方式工作，一般情况下是10M半双工模式。自协商完全由物理层芯片设计实现，因此并不使用专用数据包或带来任何高层协议开销。1.2.6 HUBHUB原理简介当用双绞线把终端设备进行互连时，需要一个中间设备来进行集中，这个设备就是集线器HUB。HUB是物理层的连接设备。HUB工作模型如图1-5所示。图1-5 HUB工作模型HUB的外观就是一个多口的黑盒子，每个接口可以连接一个终端设备。这样多个设备可以通过HUB连接在一起，组成一个星形的网络。需要注意的是，由HUB连接的网络在物理上是星形结构的，但在HUB内部还是使用了共享总线的技术，采用CSMA/CD技术进行交互。图1-6 HUB的工作原理图HUB分类HUB可以根据接口的特点进行区分，分为I类HUB和II类HUB。这两类HUB在内部工作模式上没有区别，但因为提供的接口不同而使用于不同的场合。l I类HUB只提供一种类型的物理接口。比如只提供五类双绞线接口或只提供三类双绞线接口，或者只提供光纤接口等。l II类HUB则可以提供多种不同类型的接口，可以在一个II类HUB上集成五类双绞线接口和光纤接口等。实际中应用最多的是I类HUB。1.3 以太网的数据链路层本节介绍以下内容：l 以太网链路层的分层结构l MAC子层l 以太网帧结构l LLC子层l 以太网交换机1.3.1 以太网链路层的分层结构在以太网中，针对不同的双工模式，提供不同的介质访问方法：l 在半双工模式下采用的是CSMA/CD的访问方式。l 而在全双工模式下则可以直接进行收发，不用预先判断链路的忙闲状态。半双工和全双工是物理层的概念，而针对物理层的双工模式提供不同访问方式则是数据链路层的概念，这样就形成了以太网的一个重要特点：数据链路层和物理层是相关的。由于以太网的物理层和数据链路层是相关的，针对物理层的不同工作模式，需要提供特定的数据链路层来访问。这给设计和应用带来了一些不便。为此，一些组织和厂家提出把数据链路层再进行分层，分为逻辑链路控制子层（LLC）和媒体访问控制子层（MAC）。这样不同的物理层对应不同的MAC子层，LLC子层则可以完全独立。如图1-7所示。图1-7 以太网链路层的分层结构1.3.2 MAC子层MAC子层的功能简介MAC（Media Access Control）子层负责完成下列任务：l 提供物理链路的访问。l 链路级的站点标识：在数据链路层识别网络上的各个站点。也就是说，在该层次保留了一个站点地址，即MAC地址，来标识网络上的唯一一个站点。l 链路级的数据传输：从LLC子层接收数据，附加上MAC地址和控制信息后把数据发送到物理链路上；在这个过程中提供校验等功能。物理链路访问功能MAC子层是物理层相关的，也就是说，不同的物理层有不同的MAC子层来进行访问。在以太网中，主要存在两种MAC：l 半双工MAC：物理层运行模式是半双工时提供访问。l 全双工MAC：物理层运行模式是全双工时提供访问。这两种MAC都集成在网卡中，网卡初始化的时候一般进行自动协商，根据自动协商的结果决定运行模式，然后根据运行模式选择相应的访问MAC。链路级的站点标识功能为了进行站点标识，在MAC子层用MAC地址来唯一标识一个站点。MAC地址由IEEE管理，以块为单位进行分配。一个组织（一般是制造商）从IEEE获得唯一的地址块，称为一个组织的OUI（Organizationally Unique Identifier）。获得OUI的组织可用该地址块为16777216个设备分配地址。MAC地址有48Bit，但通常被表示为12Bit的点分十六进制数。例如，48Bit的MAC地址0000000011100000111111001000000000110100，表示为12Bit点分十六进制就是00e0.fc39.8034。每个MAC地址的前6Bit（点分十六进制）代表OUI，后6Bit由厂商自己分配。例如，地址00e0.fc39.8034，前面的00e0.fc是IEEE分配给华为公司的OUI，后面的39.8034是由华为公司自己分配的地址编号。MAC地址中的第2位指示该地址是全局唯一还是局部唯一。以太网一直使用全局唯一地址。MAC地址可分为下面几种类别：l 物理MAC地址这种类型的MAC地址唯一的标识了以太网上的一个终端，这样的地址是固化在硬件（如网卡）里面的。l 广播MAC地址这是一个通用的MAC地址，用来表示网络上的所有终端设备。广播MAC地址48Bit全是1，如ffff.ffff.ffff。l 组播MAC地址这是一个逻辑的MAC地址，用于代表网络上的一组终端。组播MAC地址第8Bit是1，例如000000011011101100111010101110101011111010101000。链路级的数据传输功能数据的收发送过程如下：1. 当上层要发送数据的时候，把数据提交给MAC子层。2. MAC子层把上层提交来的数据放入缓存区。3. 然后加上目的MAC地址和自己的MAC地址（源MAC地址），计算出数据帧的长度，形成以太网帧。4. 以太网帧根据目的MAC地址被发送到对端设备。5. 对端设备提取出帧的目的MAC地址，跟MAC地址表中的条目进行比较。 只要有一项匹配，则接收该以太网帧。 若无任何匹配的项目，则丢弃该以太网帧。以上描述的是单播的情况。如果上层应用程序加入一个组播组，数据链路层根据应用程序加入的组播组形成一个组播MAC地址，并把该组播MAC地址加入MAC地址表。这样当有针对该组的数据帧的时候，MAC子层就接收该数据帧并向上层发送。1.3.3 以太网帧结构Ethernet_II的帧结构图1-8 Ethernet_II的帧结构Ethernet_II的帧中各字段说明如下：l DMACDMAC（Destination MAC）是目的地址。DMAC确定帧的接收者。l SMACSMAC（Source MAC）是源地址。SMAC字段标识发送帧的工作站。l Type两字节的类型字段用于标识数据字段中包含的高层协议，也就是说，该字段告诉接收设备如何解释数据字段。在以太网中，多种协议可以在局域网中同时共存。因此，在Ethernet II的类型字段中设置相应的十六进制值提供了在局域网中支持多协议传输的机制。 类型字段取值为0800的帧代表IP协议帧。 类型字段取值为0806的帧代表ARP协议帧。 类型字段取值为0835的帧代表RARP协议帧。 类型字段取值为8137的帧代表IPX和SPX传输协议帧。l Data数据字段的最小长度必须为46字节以保证帧长至少为64字节，这意味着传输一字节信息也必须使用46字节的数据字段。如果填入该字段的信息少于46字节，该字段的其余部分也必须进行填充。数据字段的最大长度为1500字节。l CRCCRC（Cyclic Redundancy Check）循环冗余校验字段提供了一种错误检测机制。每一个发送器都计算一个包括了地址字段、类型字段和数据字段的CRC码，然后将计算出的CRC码填入4字节的CRC字段。IEEE802.3的帧结构图1-9 IEEE802.3的帧结构如图1-9所示，IEEE802.3帧格式类似于Ethernet II帧，只是Ethernet_II帧的Type域被802.3帧的Length域取代，并且在Data字段前增加了LLC字段。l LengthLength字段定义了Data字段包含的字节数。l LLCLLC（Logical Link Control）由目的服务访问点DSAP（Destination Service Access Point）、源服务访问点SSAP（Source Service Access Point）和Control字段组成。其他字段请参见Ethernet II的帧的字段说明。IEEE802.3帧根据DSAP和SSAP字段的取值又可分为以下几类：l 当DSAP和SSAP都取特定值0xff时，802.3帧就变成了Netware-ETHERNET帧，用来承载NetWare类型的数据。l 当DSAP和SSAP都取特定值0xaa时，802.3帧就变成了ETHERNET_SNAP帧。ETHERNET_SNAP帧可以用于传输多种协议。因此，SNAP可以被看作一种扩展，它允许厂商创建自己的以太网传输协议。ETHERNET_SNAP标准由IEEE802.1委员会制定，以保证IEEE802.3局域网和以太网之间的互操作性。l DSAP和SSAP其他的取值均为纯IEEE802.3帧。1.3.4 LLC子层在前文的介绍中提到了MAC子层形成的帧结构，包括IEEE802.3的帧和ETHERNET_II帧。在ETHERNET_II帧中，由Type字段区分上层协议，这时候就没有必要实现LLC子层，仅包含一个MAC子层。IEEE802.3帧中的LLC子层除了定义传统的链路层服务之外，还增加了一些其他有用的特性。这些特性都由DSAP、SSAP和Control字段提供。例如以下三种类型的点到点传输服务：l 无连接的数据包传输服务目前的以太网实现就是这种服务。l 面向连接的可靠的数据传输服务预先建立连接再传输数据，数据在传输过程中可靠性得到保证。l 无连接的带确认的数据传输服务。该类型的数据传输服务不需要建立连接，但它在数据的传输中增加了确认机制，使可靠性大大增加。下面通过一个例子来说明SSAP和DSAP的应用。假设终端系统A和终端系统B要使用面向连接的可靠的数据传输服务，这时候会发生如下过程：1. A给B发送一个数据帧，请求建立一个面向连接的可靠连接。2. B接收到以后，判断自己的资源是否够用（即是否建立了太多的连接），如果够用，则返回一个确认信息，该确认信息中包含了识别该连接的SAP值。3. A接收到回应后，知道B已经在本地建立了跟自己的连接。A也开辟一个SAP值，来表示该连接，并发一个确认给B，连接建立。4. A的LLC子层把自己要传送的数据进行封装，其中DSAP字节填写的是B返回的SAP，SSAP字节填写的是自己开辟的SAP，然后发给MAC子层。5. A的MAC子层加上MAC地址和LENGTH字段之后，发送到数据链路上。6. B的MAC子层接收到该数据帧之后，提交给LLC子层，LLC子层根据DSAP字段判断出该数据帧属于的连接。7. B根据该连接的类型进行相应的校验和确认，通过这些校验和确认后，才向上层发送。8. 数据传输完毕之后，A给B发送一个数据帧来告诉B拆除连接，通信结束。1.3.5 以太网交换机在以太网物理层内容的介绍中，介绍了一种网络设备HUB，该设备工作在物理层。同样，在数据链路层也有一种网络设备，就是以太网交换机。以太网交换机体系结构从外观上看，以太网交换机跟HUB差不多，也是一个多端口的盒子，端口的数目可能比HUB要多。但在内部结构上，以太网交换机却比HUB复杂得多。如图1-10所示。图1-10 以太网交换机内部结构示意图由图1-10可以看出，在以太网交换机内部不是一条共享总线了，而是一个数字交叉网络。该数字交叉网络能把各个终端进行暂时的连接，互相独立的传输数据。而且以太网交换机还为每个端口设置了缓冲区，可以暂时缓存终端发送过来的数据，等资源空闲之后再进行交换。各个端口针对接收线路和发送线路，各有一个缓冲队列，当数据从终端设备发往交换机的时候，发出的数据暂存在交换机的接收队列中，