计算机网络5-局域网

1、1计算机局域网2主要内容3.1 局域网概述局域网概述3.2 IEEE 802.3局域网局域网3.3 交换式以太网与虚拟局域网交换式以太网与虚拟局域网3.4 快速以太网快速以太网3.5 环状网络技术环状网络技术3.6 无线局域网无线局域网33.1 局域网概述局域网概述l局域网最主要的特点是：网络为一个单位所拥有，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。且地理范围和站点数目均有限。 l与广域网相比局域网具有如下的一些主要优点：与广域网相比局域网具有如下的一些主要优点：l具有较高的数据传输速率，低的时延和较小的误码率具有较高的数据传输速率，低的时延和较小的误码率l采用

2、共享广播信道采用共享广播信道l低层协议较简单低层协议较简单l不单独设置网络层不单独设置网络层l有多种媒体访问控制技术有多种媒体访问控制技术43.1 局域网概述局域网概述 与工作在多用户系统下的小型计算机相比，局与工作在多用户系统下的小型计算机相比，局域网具有如下的一些主要优点：域网具有如下的一些主要优点：l能方便地共享昂贵的外部设备、主机以及软件、数能方便地共享昂贵的外部设备、主机以及软件、数据。从一个站点可访问全网。据。从一个站点可访问全网。l便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵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。活调整和改变。l提高了系统的可靠性、可用性和残存

3、性。提高了系统的可靠性、可用性和残存性。5局域网的拓扑局域网的拓扑 匹配电阻匹配电阻集线器集线器干线耦合器干线耦合器总线网总线网星形网星形网树形网树形网 环形网环形网6总线型局域网可使用两种协议总线型局域网可使用两种协议l传统以太网使用的传统以太网使用的CSMA/CD星状网星状网l令牌传递总线网，即物理上是总线网逻辑上是令牌传递总线网，即物理上是总线网逻辑上是令牌网令牌网 局域网最常用的传输媒介是局域网最常用的传输媒介是双绞线双绞线7 以太网采用的两个标准以太网采用的两个标准 lDIX Ethernet V2 是世界上第一个局域网产品是世界上第一个局域网产品（以太网）的规约。（以太网）的规约。

4、lIEEE 的的 802.3 标准。标准。lDIX Ethernet V2 标准与标准与 IEEE 的的 802.3 标准标准只有很小的差别，因此可以将只有很小的差别，因此可以将 802.3 局域网简局域网简称为称为“以太网以太网”。l严格说来，严格说来，“以太网以太网”应当是指符合应当是指符合 DIX Ethernet V2 标准的局域网标准的局域网 8局域网体系结构局域网体系结构 l为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，802 委委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层：员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层：l逻辑链路控制逻辑链路控制 L

5、LC (Logical Link Control)子层子层l媒体接入媒体接入/访问控制访问控制 MAC (Medium Access Control)子层。子层。l与接入到传输媒体有关的内容都放在与接入到传输媒体有关的内容都放在 MAC子层，而子层，而 LLC 子层则与传输媒体无关，不管采用何种协议的局域网对子层则与传输媒体无关，不管采用何种协议的局域网对 LLC 子层来说都是透明的子层来说都是透明的 9以后一般不考虑以后一般不考虑 LLC 子层子层 l由于由于TCP/IP 体系经常使用的局域网是体系经常使用的局域网是 DIX Ethernet V2 而不是而不是 802.3 标准中的几种局标

6、准中的几种局域网，因此现在域网，因此现在 802 委员会制定的逻辑链路委员会制定的逻辑链路控制子层控制子层 LLC（即（即 802.2 标准）的作用已经标准）的作用已经不大了。不大了。l很多厂商生产的网卡上就仅装有很多厂商生产的网卡上就仅装有 MAC 协议协议而没有而没有 LLC 协议。协议。 10网卡的作用网卡的作用 l网络接口板又称为通信适配器网络接口板又称为通信适配器(adapter)(adapter)或网络接口或网络接口卡卡 NIC (Network Interface Card)NIC (Network Interface Card)，或，或“网卡网卡”。 l网卡的重要功能：网卡的重

7、要功能：l进行串行进行串行/ /并行转换。并行转换。l对数据进行缓存。对数据进行缓存。l在计算机的操作系统安装设备驱动程序。在计算机的操作系统安装设备驱动程序。l实现以太网协议。实现以太网协议。 11计算机通过网卡和局域网进行通信计算机通过网卡和局域网进行通信 CPU高高速速缓缓存存存储器存储器I/O 总线总线计算机计算机至局域网至局域网网络接口卡网络接口卡（网卡）（网卡）串行通信串行通信并行通信并行通信12l最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。当初认为这样的连接方法既简单又可靠，因为总线当初认为这样的连接方法既简单又可靠，因为总线上没有

8、有源器件。上没有有源器件。 3.2 IEEE 802.3局域网局域网B向向 D发送数据发送数据 C D A E匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号）匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号）匹配电阻匹配电阻不接受不接受不接受不接受不接受不接受接受接受B只有只有 D 接受接受B 发送的数据发送的数据133.2 IEEE 802.3局域网局域网 l总线上的每一个工作的计算机都能检测到总线上的每一个工作的计算机都能检测到 B 发送的数据信号。发送的数据信号。 l由于只有计算机由于只有计算机 D 的地址与数据帧首部写入的地址与数据帧首部写入的地址一致，因此只有的地址一致，因此只有 D 才接收这个数据帧。才接收

9、这个数据帧。 l其他所有的计算机（其他所有的计算机（A, C 和和 E）都检测到不是）都检测到不是发送给它们的数据帧，因此就丢弃这个数据帧发送给它们的数据帧，因此就丢弃这个数据帧而不能够收下来。而不能够收下来。l具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。 14为了通信的简便以太网采取了两种重要的措施为了通信的简便以太网采取了两种重要的措施 l采用较为灵活的无连接的工作方式，即不采用较为灵活的无连接的工作方式，即不必先建立连接就可以直接发送数据。必先建立连接就可以直接发送数据。 l以太网对发送的数据帧不进行编号，也不以太网对发送的数据帧不进行编号，也不要求对

10、方发回确认。要求对方发回确认。l这样做的理由是局域网信道的质量很好，因这样做的理由是局域网信道的质量很好，因信道质量产生差错的概率是很小的。信道质量产生差错的概率是很小的。 15以太网提供的服务以太网提供的服务 l以太网提供的服务是不可靠的交付，即以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大尽最大努力的交付。努力的交付。l当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，其他什么也不做。差错的纠正由高层来决定。其他什么也不做。差错的纠正由高层来决定。l如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但以太网并不知道这是一个重传的帧，而是当

11、作以太网并不知道这是一个重传的帧，而是当作一个新的数据帧来发送。一个新的数据帧来发送。 16载波监听多路访问载波监听多路访问/冲突检测冲突检测CSMA/CDlCSMA/CD 表示表示 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection。l“多路访问多路访问”表示许多计算机以多路访问的方表示许多计算机以多路访问的方式连接在一根总线上。式连接在一根总线上。l“载波监听载波监听”是指每一个站在发送数据之前先是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据

12、，以免发生据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生冲突。冲突。 l总线上并没有什么总线上并没有什么“载波载波”。因此，。因此， “载波载波监听监听”就是用电子技术检测总线上有没有其他就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号。计算机发送的数据信号。 17冲突检测冲突检测l“冲突检测冲突检测”就是计算机边发送数据边检测信就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。道上的信号电压大小。l当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大（互相叠加）。信号电压摆动值将会增大（互相叠加）。l当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的当一

13、个站检测到的信号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，表明产生了冲突。发送数据，表明产生了冲突。18检测到冲突后检测到冲突后l在发生冲突时，总线上传输的信号产生了严重在发生冲突时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来。的失真，无法从中恢复出有用的信息来。l每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了冲突，就要立即停止发送，免得继续浪费现了冲突，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送。网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送。19

14、电磁波在总线上的有限传播速率的影响电磁波在总线上的有限传播速率的影响 l当某个站监听到总线是空闲时，也可能总线并当某个站监听到总线是空闲时，也可能总线并非真正是空闲的。非真正是空闲的。 lA 向向 B 发出的信息，要经过一定的时间后才能发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到传送到 B。lB 若在若在 A 发送的信息到达发送的信息到达 B 之前发送自己的之前发送自己的帧帧(因为这时因为这时 B 的载波监听检测不到的载波监听检测不到 A 所发送所发送的信息的信息)，则必然要在某个时间和，则必然要在某个时间和 A 发送的帧发送的帧发生碰撞。发生碰撞。l碰撞的结果是两个帧都变得无用。碰撞的结果是两个

15、帧都变得无用。 1 kmABt碰撞碰撞t = 2 A 检测到发生碰检测到发生碰撞撞 t = B 发送数据发送数据B 检测到发生碰撞检测到发生碰撞 t = t = 0单程端到端单程端到端传播时延记为传播时延记为 1 kmABt碰撞碰撞t = B 检测到检测到信道空闲信道空闲发送数据发送数据t = / 2发生碰撞发生碰撞t = 2 A 检测到发生碰检测到发生碰撞撞 t = B 发送数据发送数据B 检测到发生碰撞检测到发生碰撞 t = ABABAB t = 0 A 检测到检测到信道空闲信道空闲发送数据发送数据ABt = 0t = B 检测到发生碰撞检测到发生碰撞停止发送停止发送STOPt = 2 A

16、 检测到检测到发生碰撞发生碰撞STOPAB单程端到端单程端到端传播时延记为传播时延记为 22重要特性重要特性l使用使用 CSMA/CD 协议的以太网不能进行全双工通协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信（半双工通信）。信而只能进行双向交替通信（半双工通信）。l每个站在发送数据之后的一小段时间内，存在着每个站在发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。遭遇碰撞的可能性。 l这种这种发送的不确定性发送的不确定性使整个以太网的平均通信量使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率。远小于以太网的最高数据率。 23争用期争用期l最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过最先

17、发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间时间 2 （两倍的端到端往返时延）（两倍的端到端往返时延）就可知道发就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。送的数据帧是否遭受了碰撞。l以太网的端到端往返时延以太网的端到端往返时延 2 称为称为争用期争用期，或，或碰碰撞窗口。撞窗口。l经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。定这次发送不会发生碰撞。 24截断二进制指数类型退避算法截断二进制指数类型退避算法 (truncated binary exponential type)l发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟发生碰撞的站在停止发送数据

18、后，要推迟（退避）一个随机时间才能再发送数据。（退避）一个随机时间才能再发送数据。l确定基本退避时间，一般是取为争用期确定基本退避时间，一般是取为争用期 2 。l令参数令参数k等于重传次数，等于重传次数，k 10，即，即 k = Min（重传次数（重传次数, 10）l从离散的整数集合从离散的整数集合0,1, (2k 1)中随机地取出一个中随机地取出一个数，记为数，记为 r。重传所需的时延就是。重传所需的时延就是 r 倍的基本退避时倍的基本退避时间。间。l当重传达当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。报告。 25争用期的长度争用期的长度 l以太

19、网取以太网取 51.2 s 为争用期的长度。为争用期的长度。l对于对于 10 Mb/s 以太网，在争用期内可发送以太网，在争用期内可发送512 bit，即，即 64 字节。字节。l以太网在发送数据时，若前以太网在发送数据时，若前 64 字节没有发生冲字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。突，则后续的数据就不会发生冲突。 26最短有效帧长 l如果发生冲突，就一定是在发送的前如果发生冲突，就一定是在发送的前 64 字节之字节之内。内。 l由于一检测到冲突就立即中止发送，这时已经发由于一检测到冲突就立即中止发送，这时已经发送出去的数据一定小于送出去的数据一定小于 64 字节。字节。 l以太网

20、规定了最短有效帧长为以太网规定了最短有效帧长为 64 字节，凡长度字节，凡长度小于小于 64 字节的帧都是由于冲突而异常中止的字节的帧都是由于冲突而异常中止的无无效帧效帧。 27强化碰撞强化碰撞 l当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时，除了立当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时，除了立即停止发送数据外，还要再继续发送若干比特的即停止发送数据外，还要再继续发送若干比特的人为干扰信号人为干扰信号(jamming signal)，以便让所有用，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。户都知道现在已经发生了碰撞。 数据帧数据帧干扰信号干扰信号 TJ人为干扰信号人为干扰信号 ABTBt B 发送数据发送数据

21、A 检测检测到冲突到冲突开始冲突开始冲突信信道道占占用用时时间间A 发送数据发送数据B 也能够检测到冲突，并立即停止发送数据帧，接也能够检测到冲突，并立即停止发送数据帧，接着就发送干扰信号。这里为了简单起见，只画出着就发送干扰信号。这里为了简单起见，只画出 A 发送干扰信号的情况。发送干扰信号的情况。293.2.2 IEEE 802.3局域网的组成局域网的组成 l传统以太网可使用的传输媒体有四种：传统以太网可使用的传输媒体有四种：l铜缆（粗缆或细缆）铜缆（粗缆或细缆）l铜线（双绞线）铜线（双绞线）l光缆光缆l这样，以太网就有四种不同的物理层。这样，以太网就有四种不同的物理层。 10BASE-5

22、粗缆粗缆10BASE-2细缆细缆10BASE-T双绞线双绞线10BASE-F光缆光缆以太网媒体接入控制以太网媒体接入控制 MAC30铜缆或铜线连接到以太网的示意图铜缆或铜线连接到以太网的示意图 主机箱主机箱主机箱主机箱主机箱主机箱双绞线双绞线集线器集线器BNC T 型接头型接头收发器电缆收发器电缆网卡网卡插入式插入式分接头分接头MAUMDI保护外层保护外层外导体屏蔽层外导体屏蔽层内导体内导体收发器收发器DB-15连接器连接器BNC 连接器连接器插口插口RJ-45插头插头31细缆以太网细缆以太网 10BASE2 l用更便宜的直径为用更便宜的直径为 5 mm 的细同轴电缆的细同轴电缆(特性阻特性阻

23、抗仍为抗仍为 50 W)，可代替粗同轴电缆。，可代替粗同轴电缆。 l将媒体连接单元将媒体连接单元 MAU 和媒体相关接口和媒体相关接口 MDI都安都安装在网卡上，取消了外部的装在网卡上，取消了外部的 AUI:Attachment Unit Interface 连接单元接口电缆。连接单元接口电缆。 l细缆直接用标准细缆直接用标准 BNC T 型接头连接到网卡上的型接头连接到网卡上的 BNC 连接器的插口。连接器的插口。 32网卡的功能网卡的功能 l数据的封装与解封数据的封装与解封 发送时将上一层交下来的数发送时将上一层交下来的数据加上首部和尾部，成为以太网的帧。接收时将以据加上首部和尾部，成为以

24、太网的帧。接收时将以太网的帧剥去首部和尾部，然后送交上一层。太网的帧剥去首部和尾部，然后送交上一层。 l链路管理链路管理 主要是主要是 CSMA/CD 协议的实现。协议的实现。 l编码与译码编码与译码 即曼彻斯特编码与译码。即曼彻斯特编码与译码。 33 10Base-2 局域网局域网l以太网限制细同轴电缆段的最大长度为以太网限制细同轴电缆段的最大长度为200m（实际上为（实际上为185m）l可采用转发器（可采用转发器（repeater）将信号放大整形）将信号放大整形l中继器工作在物理层，作用是消除传输引起的中继器工作在物理层，作用是消除传输引起的信号失真和衰减，使信号的波形和强度满足要信号失真

25、和衰减，使信号的波形和强度满足要求求l802.3规定：最多使用规定：最多使用4个转发器连接个转发器连接5个细同轴个细同轴电缆段，工作站只允许连接电缆段，工作站只允许连接3个细同轴电缆段，个细同轴电缆段，其余两段用作加长距离，最大网络长度其余两段用作加长距离，最大网络长度1000m34星形网星形网 10BASE-T l不用电缆而使用无屏蔽双绞线。每个站需要用两对不用电缆而使用无屏蔽双绞线。每个站需要用两对双绞线，分别用于发送和接收。双绞线，分别用于发送和接收。l在星形网的中心则增加了一种可靠性非常高的设备，在星形网的中心则增加了一种可靠性非常高的设备，叫做叫做集线器集线器(hub)。 l集线器使

26、用了大规模集成电路芯片，因此这样的硬集线器使用了大规模集成电路芯片，因此这样的硬件设备的可靠性已大大提高了。件设备的可靠性已大大提高了。 35以太网在局域网中的统治地位以太网在局域网中的统治地位l10BASE-T 的通信距离稍短，每个站到集线器的距的通信距离稍短，每个站到集线器的距离不超过离不超过 100 m。l这种这种 10 Mb/s 速率的无屏蔽双绞线星形网的出现，速率的无屏蔽双绞线星形网的出现，既降低了成本，又提高了可靠性。既降低了成本，又提高了可靠性。 l10BASE-T 双绞线以太网的出现，是局域网发展史双绞线以太网的出现，是局域网发展史上的一个非常重要的里程碑，它为以太网在局域网上

27、的一个非常重要的里程碑，它为以太网在局域网中的统治地位奠定了牢固的基础。中的统治地位奠定了牢固的基础。 36集线器的一些特点集线器的一些特点 l集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线的工作，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。因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行。 l使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，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各工作站使用的还是 CSMA/CD 协议，并共享逻协议，并共享逻辑上的总线。辑上的总线。 l集线器很像一个多端口的转发器，工作在物理层。集线器很像一个多端口的转发器，工作在物

28、理层。 37具有三个端口的集线器具有三个端口的集线器 集集线线器器网卡网卡工作站工作站网卡网卡工作站工作站网卡网卡工作站工作站双绞线双绞线38 3.2.3 MAC子子 层层l在局域网中，在局域网中，硬件地址硬件地址又称为又称为物理地址物理地址，或，或 MAC 地址地址。 l802 标准所说的标准所说的“地址地址”严格地讲应当是每一个严格地讲应当是每一个站的站的“名字名字”或标识符。或标识符。 l但大家都早已习惯了将这种但大家都早已习惯了将这种 48 bit 的的“名字名字”称称为为“地址地址”39两种不同的 MAC 帧格式 l常用的以太网常用的以太网MAC帧格式有两种标准帧格式有两种标准 ：l

29、DIX Ethernet V2 标准标准lIEEE 的的 802.3 标准标准l最常用的最常用的 MAC 帧是帧是以太网以太网 V2 的格式的格式。40MAC 帧帧字节字节6624IP 层层物理层物理层目的地址目的地址源地址源地址长度长度/类型类型FCSMAC 层层10101010101010 10101010101010101011前同步码前同步码帧开始帧开始定界符定界符7 字节字节1 字节字节8 字节字节插入插入数数 据据MAC 子层子层IP 层层LLC 子层子层802.2LLC 帧帧当长度当长度/类型字段类型字段表示长度时表示长度时 802.3MAC 帧帧以太网以太网 V2 MAC 帧帧

30、这种这种 802.3 + 802.2 帧已经较少使用帧已经较少使用目的地址目的地址源地址源地址类型类型数数 据据FCS6624字节字节46 150043 1497111DSAP SSAP111 控制控制 数数 据据字节字节DSAPSSAP控制控制IP 数据报数据报IP 数据报数据报41MAC 帧帧物理层物理层MAC 层层IP 层层以太网以太网 V2 MAC 帧帧目的地址目的地址源地址源地址类型类型数数 据据FCS6624字节字节46 1500IP 数据报数据报以太网以太网 V2 的的 MAC 帧格式帧格式目的地址字段目的地址字段 6 字节字节42MAC 帧帧物理层物理层MAC 层层IP 层层以

31、太网以太网 V2 MAC 帧帧目的地址目的地址源地址源地址类型类型数数 据据FCS6624字节字节46 1500IP 数据报数据报以太网以太网 V2 的的 MAC 帧格式帧格式源地址字段源地址字段 6 字节字节43MAC 帧帧物理层物理层MAC 层层IP 层层以太网以太网 V2 MAC 帧帧目的地址目的地址源地址源地址类型类型数数 据据FCS6624字节字节46 1500IP 数据报数据报以太网以太网 V2 的的 MAC 帧格式帧格式类型字段类型字段 2 字节字节类型字段用来标志上一层使用的是什么协议，类型字段用来标志上一层使用的是什么协议，以便把收到的以便把收到的 MAC 帧的数据上交给上一

32、层的这个协议。帧的数据上交给上一层的这个协议。 44MAC 帧帧物理层物理层MAC 层层IP 层层以太网以太网 V2 MAC 帧帧目的地址目的地址源地址源地址类型类型数数 据据FCS6624字节字节46 1500IP 数据报数据报以太网以太网 V2 的的 MAC 帧格式帧格式数据字段数据字段 46 1500 字节字节数据字段的正式名称是数据字段的正式名称是 MAC 客户数据字段客户数据字段最小长度最小长度 64 字节字节 18 字节的首部和尾部字节的首部和尾部 = 数据字段的最小长度数据字段的最小长度 45MAC 帧帧物理层物理层MAC 层层IP 层层以太网以太网 V2 MAC 帧帧目的地址目

33、的地址源地址源地址类型类型数数 据据FCS6624字节字节46 1500IP 数据报数据报以太网以太网 V2 的的 MAC 帧格式帧格式FCS 字段字段 4 字节字节当传输媒体的误码率为当传输媒体的误码率为 1 10 8 时，时，MAC 子层可使未检测到的差错小于子层可使未检测到的差错小于 1 10 14。 当数据字段的长度小于当数据字段的长度小于 46 字节时，字节时，应在数据字段的后面加入整数字节的填充字段，应在数据字段的后面加入整数字节的填充字段，以保证以太网的以保证以太网的 MAC 帧长不小于帧长不小于 64 字节。字节。 46MAC 帧帧物理层物理层MAC 层层IP 层层以太网以太网

34、 V2 MAC 帧帧目的地址目的地址源地址源地址类型类型数数 据据FCS6624字节字节46 1500IP 数据报数据报以太网以太网 V2 的的 MAC 帧格式帧格式10101010101010 10101010101010101011前同步码前同步码帧开始帧开始定界符定界符7 字节字节1 字节字节8 字节字节插插入入在帧的前面插入的在帧的前面插入的 8 字节中的第一个字段共字节中的第一个字段共 7 个字节，个字节，是前同步码，用来迅速实现是前同步码，用来迅速实现 MAC 帧的比特同步。帧的比特同步。第二个字段是帧开始定界符，表示后面的信息就是第二个字段是帧开始定界符，表示后面的信息就是MAC

35、 帧。帧。 为了达到比特同步，为了达到比特同步，在传输媒体上实际传送的在传输媒体上实际传送的要比要比 MAC 帧还多帧还多 8 个字节个字节第第 1最高位最高位最先发送最先发送最低位最低位最高位最高位最低位最低位最后发送最后发送00110101 01111011 00010010 00000000 00000000 00000001最低位最低位最先发送最先发送最高位最高位最低位最低位最高位最高位最后发送最后发送机构惟一标志符机构惟一标志符 OUI扩展标志符扩展标志符高位在前高位在前低位在前低位在前十六进制表示的十六进制表示的 EUI-48 地址：地址： AC-DE-48-00-00-80二进制

36、表示的二进制表示的 EUI-48 地址：地址：第第 1 字节字节第第 6 字节字节I/G 比特比特I/G 比特比特字节顺序字节顺序第第 2第第 3第第 4第第 5第第 6第第 1字节顺序字节顺序第第 2第第 3第第 4第第 5第第 610101100 11011110 01001000 00000000 00000000 10000000802.5802.6802.5802.6802.3802.448网卡检查 MAC 地址 l网卡从网络上每收到一个网卡从网络上每收到一个 MAC 帧就首先用硬件帧就首先用硬件检查检查 MAC 帧中的帧中的 MAC 地址地址.l如果是发往本站的帧则收下，然后再进行

37、其他的处理。如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他的处理。l否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。l“发往本站的帧发往本站的帧”包括以下三种帧：包括以下三种帧： l单播单播(unicast)帧（一对一）帧（一对一）l广播广播(broadcast)帧（一对全体）帧（一对全体）l多播多播(multicast)帧（一对多）帧（一对多）49l数据字段的长度与长度字段的值不一致；数据字段的长度与长度字段的值不一致；l帧的长度不是整数个字节；帧的长度不是整数个字节；l用收到的帧检验序列用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错；查出有差错；l数据字段的长度不在数据字段的

38、长度不在 46 1500 字节之间。字节之间。l有效的有效的 MAC 帧长度为帧长度为 64 1518 字节之间。字节之间。对于检查出的无效对于检查出的无效 MAC 帧就简单地丢弃。以太帧就简单地丢弃。以太网不负责重传丢弃的帧。网不负责重传丢弃的帧。 无效的无效的 MAC 帧帧 50l帧间最小间隔为帧间最小间隔为 9.6 s，相当于，相当于 96 bit 的发送的发送时间。时间。l一个站在检测到总线开始空闲后，还要等待一个站在检测到总线开始空闲后，还要等待 9.6 s 才能再次发送数据。才能再次发送数据。l这样做是为了使刚刚收到数据帧的站的接收缓这样做是为了使刚刚收到数据帧的站的接收缓存来得及

39、清理，做好接收下一帧的准备。存来得及清理，做好接收下一帧的准备。 帧间最小间隔帧间最小间隔 51l1990 年问世的年问世的交换式集线器交换式集线器(switching hub)，可明显地提高局域网的性能。可明显地提高局域网的性能。l交换式集线器常称为交换式集线器常称为以太网交换机以太网交换机(switch)或第二或第二层交换机（表明此交换机工作在数据链路层）。层交换机（表明此交换机工作在数据链路层）。l以太网交换机通常都有十几个端口。因此，以太以太网交换机通常都有十几个端口。因此，以太网交换机实质上就是一个网交换机实质上就是一个多端口的网桥多端口的网桥，可见交，可见交换机工作在数据链路层。换

40、机工作在数据链路层。3.3.1 交换式以太网交换式以太网52l以太网交换机的每个端口都直接与主机相连，并以太网交换机的每个端口都直接与主机相连，并且一般都工作在且一般都工作在全双工方式全双工方式。l交换机能同时连通许多对的端口，使每一对相互交换机能同时连通许多对的端口，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。撞地传输数据。 l以太网交换机由于使用了专用的交换结构芯片，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。其交换速率就较高。 以太网交换机的特点以太网交换机的特点53l对于普通对于普通 10 Mb/s 的共

41、享式以太网，若共有的共享式以太网，若共有 N 个个用户，则每个用户占有的平均带宽只有总带宽用户，则每个用户占有的平均带宽只有总带宽(10 Mb/s)的的 N 分之一。分之一。l使用以太网交换机时，虽然在每个端口到主机的使用以太网交换机时，虽然在每个端口到主机的带宽还是带宽还是 10 Mb/s，但由于一个用户在通信时是，但由于一个用户在通信时是独占而不是和其他网络用户共享传输媒体的带宽，独占而不是和其他网络用户共享传输媒体的带宽，因此对于拥有因此对于拥有 N 对端口的交换机的总容量为对端口的交换机的总容量为 N 10 Mb/s。这正是交换机的最大优点。这正是交换机的最大优点。 独占传输媒体的带宽

42、独占传输媒体的带宽 54以太网交换机的交换方式以太网交换机的交换方式1.存储转发：存储转发：存储转发方式是计算机网络领域应用存储转发方式是计算机网络领域应用最为广泛最为广泛的的方式。它把输入端口的数据包先存储起来，然后进行方式。它把输入端口的数据包先存储起来，然后进行CRCCRC（循环冗余码校验）检查，在对错误包处理后才取（循环冗余码校验）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出数据包的目的地址，通过查找表转换成输出端口送出包。正因如此，包。正因如此，存储转发方式在数据处理时延时大，这存储转发方式在数据处理时延时大，这是它的不足是它的不足，但是，但是它可以对

43、进入交换机的数据包进行错它可以对进入交换机的数据包进行错误检测，有效地改善网络性能。尤其重要的是它可以支误检测，有效地改善网络性能。尤其重要的是它可以支持不同速度的端口间的转换，保持高速端口与低速端口持不同速度的端口间的转换，保持高速端口与低速端口间的协同工作。间的协同工作。552. 直接交换直接交换直接交换方式的以太网交换机可以理解为在各端口直接交换方式的以太网交换机可以理解为在各端口间是纵横交叉的线路矩阵电话交换机。它在输入端口检间是纵横交叉的线路矩阵电话交换机。它在输入端口检测到一个数据包时，检查该包的包头，获取包的目的地测到一个数据包时，检查该包的包头，获取包的目的地址，启动内部的动态

44、查找表转换成相应的输出端口，在址，启动内部的动态查找表转换成相应的输出端口，在输入与输出交叉处接通，把数据包直通到相应的端口，输入与输出交叉处接通，把数据包直通到相应的端口，实现交换功能。实现交换功能。由于不需要存储，延迟非常小、交换非由于不需要存储，延迟非常小、交换非常快，这是它的优点常快，这是它的优点。它的缺点是，因为数据包内容并它的缺点是，因为数据包内容并没有被以太网交换机保存下来，所以无法检查所传送的没有被以太网交换机保存下来，所以无法检查所传送的数据包是否有误，不能提供错误检测能力。由于没有缓数据包是否有误，不能提供错误检测能力。由于没有缓存，不能将具有不同速率的输入存，不能将具有不

45、同速率的输入/ /输出端口直接接通，输出端口直接接通，而且容易丢包。而且容易丢包。563. 无碎片交换无碎片交换这是介于前两者之间的一种解决方案。它检查数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据包的长度是否够6464个字节，如果小于个字节，如果小于6464字节，说明是字节，说明是假包，则丢弃该包；如果大于假包，则丢弃该包；如果大于6464字节，则发送该包。这字节，则发送该包。这种方式也不提供数据校验。种方式也不提供数据校验。它的数据处理速度比存储转它的数据处理速度比存储转发方式快，但比直通式慢发方式快，但比直通式慢。57 以太网交换机一般具有多种速率的端口，可以以太网交换机

46、一般具有多种速率的端口，可以连接计算机、以太网段或路由器。连接计算机、以太网段或路由器。 以太网交换机能广播和组播数据，许多交换机以太网交换机能广播和组播数据，许多交换机组成的以太网，当广播通信较多时，可能出现广组成的以太网，当广播通信较多时，可能出现广播风暴（播风暴（broadcast stormbroadcast storm），特别是当交换式以），特别是当交换式以太网包含不同数据率的网段时，高速段产生的广太网包含不同数据率的网段时，高速段产生的广播流量可能导致低速网段严重拥塞，甚至使网络播流量可能导致低速网段严重拥塞，甚至使网络崩溃。崩溃。58l虚拟局域网虚拟局域网 VLAN 是由一些局域

47、网网段构成的是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组。与物理位置无关的逻辑组。l这些网段具有某些共同的需求。这些网段具有某些共同的需求。l每一个每一个 VLAN 的帧都有一个明确的标识符，指明发送的帧都有一个明确的标识符，指明发送这个帧的工作站是属于哪一个这个帧的工作站是属于哪一个 VLAN。l虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务，而并不是一种新型局域网。务，而并不是一种新型局域网。 3.3.2 虚拟局域网虚拟局域网以太网以太网交换机交换机A4B1以太网以太网交换机交换机VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太网

48、以太网交换机交换机以太网以太网交换机交换机三个虚拟局域网三个虚拟局域网 VLAN1, VLAN2和和 VLAN3 的构成的构成 以太网以太网交换机交换机A4B1以太网以太网交换机交换机VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太网以太网交换机交换机以太网以太网交换机交换机三个虚拟局域网三个虚拟局域网 VLAN1, VLAN2和和 VLAN3 的构成的构成 当当 B1 向向 VLAN2 工作组内成员发送数据时，工作组内成员发送数据时，工作站工作站 B2 和和 B3 将会收到广播的信息。将会收到广播的信息。以太网以太网交换机交换机A4B1以太网以太网交换机交换机VLAN3C3

49、B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太网以太网交换机交换机以太网以太网交换机交换机三个虚拟局域网三个虚拟局域网 VLAN1, VLAN2和和 VLAN3 的构成的构成 B1 发送数据时，工作站发送数据时，工作站 A1, A2 和和 C1都不会收到都不会收到 B1 发出的广播信息。发出的广播信息。 以太网以太网交换机交换机A4B1以太网以太网交换机交换机VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太网以太网交换机交换机以太网以太网交换机交换机三个虚拟局域网三个虚拟局域网 VLAN1, VLAN2和和 VLAN3 的构成的构成 虚拟局域网限制了接收广播信息的工作站

50、数，使得网络虚拟局域网限制了接收广播信息的工作站数，使得网络不会因传播过多的广播信息不会因传播过多的广播信息( (即即“广播风暴广播风暴”) )而引起性能恶而引起性能恶化。化。 633.4 快速以太网快速以太网3.4.1 100BASE-T 以太网以太网l速率达到或超过速率达到或超过 100 Mb/s 的以太网称为的以太网称为快速快速以太网以太网。l在双绞线上传送在双绞线上传送 100 Mb/s 基带信号的星型拓基带信号的星型拓扑以太网，仍使用扑以太网，仍使用 IEEE 802.3 的的CSMA/CD 协协议。议。100BASE-T 以太网又称为以太网又称为快速以太网快速以太网(Fast Et

51、hernet)。 64100BASE-T 以太网的特点以太网的特点l可在全双工方式下工作而无冲突发生可在全双工方式下工作而无冲突发生,不使用不使用 CSMA/CD 协议。协议。lMAC 帧格式仍然是帧格式仍然是 802.3 标准规定的。标准规定的。l保持最短帧长不变，但将一个网段的最大电缆长保持最短帧长不变，但将一个网段的最大电缆长度减小到度减小到 100 m。l帧间时间间隔从原来的帧间时间间隔从原来的 9.6 s 改为现在的改为现在的 0.96 s。 65三种不同的物理层标准三种不同的物理层标准 l100BASE-TXl使用使用 2 对对 UTP 5 类线或屏蔽双绞线类线或屏蔽双绞线 STP

52、，工作于，工作于全双工方式下。全双工方式下。 l100BASE-FX l使用使用 2 对光纤，对光纤，100Base-X l100BASE-T4l使用使用 4 对对 UTP 3 类线或类线或 5 类线，其中类线，其中3对线同时传对线同时传送数据，每对线以送数据，每对线以100/3 Mbps的速率传送数据，用的速率传送数据，用1对线作冲突检测的接收信道。对线作冲突检测的接收信道。663.4.2 千兆以太网千兆以太网l允许在允许在 1000 Mbps 全双工和半双工两种方式工作全双工和半双工两种方式工作l使用使用 802.3 协议规定的帧格式协议规定的帧格式l在半双工方式下使用在半双工方式下使用

53、CSMA/CD 协议（全双工方协议（全双工方式不需要使用式不需要使用 CSMA/CD 协议）协议）l与与 10BASE-T 和和 100BASE-T 技术向后兼容。技术向后兼容。67千兆以太网的物理层千兆以太网的物理层 1000BASE-X 基于光纤通道的物理层：基于光纤通道的物理层：l1000BASE-SX SX表示短波长表示短波长l1000BASE-LX LX表示长波长表示长波长l1000BASE-CX CX表示铜线表示铜线1000BASE-T l使用使用 4对对 5 类线类线 UTP 68载波延伸载波延伸(carrier extension) l千兆以太网在工作在半双工方式时，就必须进行

54、千兆以太网在工作在半双工方式时，就必须进行碰撞检测。碰撞检测。 l由于数据率提高了，因此只有减小最大电缆长度由于数据率提高了，因此只有减小最大电缆长度或增大帧的最小长度，才能使参数或增大帧的最小长度，才能使参数 a 保持为较小保持为较小的数值。的数值。l千兆以太网仍然保持一个网段的最大长度为千兆以太网仍然保持一个网段的最大长度为 100 m，但采用了，但采用了“载波延伸载波延伸”的办法，使最短帧长的办法，使最短帧长仍为仍为 64 字节（这样可以保持兼容性），同时将字节（这样可以保持兼容性），同时将争用时间增大为争用时间增大为 512 字节。字节。 69在短在短 MAC 帧后面加上载波延伸帧后面

55、加上载波延伸 l凡发送的凡发送的 MAC 帧长不足帧长不足 512 字节时，就用一些特殊字节时，就用一些特殊字符填充在帧的后面，使字符填充在帧的后面，使MAC 帧的发送长度增大到帧的发送长度增大到 512 字节，但这对有效载荷并无影响。字节，但这对有效载荷并无影响。l接收端在收到以太网的接收端在收到以太网的 MAC 帧后，要将所填充的特帧后，要将所填充的特殊字符删除后才向高层交付。殊字符删除后才向高层交付。 目地地址目地地址源地址源地址数据长度数据长度数数 据据FCSMAC 帧的最小值帧的最小值 = 64 字节字节载波延伸载波延伸前同步码前同步码加上加上载波延伸使载波延伸使 MAC 帧长度帧长

56、度 = 争用期长度争用期长度512 字节字节在以太网上实际传输的帧长在以太网上实际传输的帧长70全双工方式全双工方式 l当千兆以太网工作在全双工方式时（即通信当千兆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。载波延伸和分组突发。713.4.3 万兆以太网万兆以太网l万兆以太网与万兆以太网与 10 Mb/s，100 Mb/s 和和 1 Gb/s 以太网的帧格式完全相同。以太网的帧格式完全相同。l保留了保留了 802.3 标准规定的以太网最小和最大标准规定的以太网最小和最大帧长，便于升级。帧长，便于升级。l不再使用

57、铜线而只使用光纤作为传输媒体。不再使用铜线而只使用光纤作为传输媒体。l万兆以太网只工作在全双工方式，因此没有万兆以太网只工作在全双工方式，因此没有争用问题，也不使用争用问题，也不使用 CSMA/CD 协议。协议。 72万兆以太网的物理层万兆以太网的物理层 l局域网物理层局域网物理层 LAN PHY的数据率是的数据率是 10.000 Gb/s。l可选的广域网物理层可选的广域网物理层 WAN PHY。广域网物。广域网物理层具有另一种数据率，这是为了和所谓的理层具有另一种数据率，这是为了和所谓的“Gb/s”的的 SONET/SDH（即（即OC-192/STM-64）相连接。）相连接。l为了使为了使

58、10 吉比特以太网的帧能够插入到吉比特以太网的帧能够插入到 OC-192/STM-64 帧的有效载荷中，就要使用可选的帧的有效载荷中，就要使用可选的广域网物理层，其数据率为广域网物理层，其数据率为 9.95328 Gb/s。 73端到端的以太网传输端到端的以太网传输 l10 吉比特以太网的出现，以太网的工作范围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域网和广域网，从而实现了端到端的以太网传输。传输。l这种工作方式的好处是：这种工作方式的好处是： l成熟的技术成熟的技术l网络的互操作性很

59、好网络的互操作性很好l降低投资费用，在广域网中使用以太网时价格便降低投资费用，在广域网中使用以太网时价格便宜。宜。l统一的帧格式简化了操作和管理。统一的帧格式简化了操作和管理。 74以太网从以太网从 10 Mb/s 到到10 Gb/s 的演进的演进 以太网从以太网从 10 Mb/s 到到 10 Gb/s 的演进证明了以太网：的演进证明了以太网：l可扩展的（从可扩展的（从 10 Mb/s 到到 10 Gb/s）。）。l灵活的（多种传输媒体、全灵活的（多种传输媒体、全/半双工、共享半双工、共享/交换）。交换）。l易于安装。易于安装。l稳健性好。稳健性好。 753.5环状网络技术环状网络技术 3.5

60、.1 令牌环网令牌环网令牌环网，简称令牌环，其标准是令牌环网，简称令牌环，其标准是IEEE802.5令牌环的拓扑结构和传输方式令牌环的拓扑结构和传输方式使用基于令牌（使用基于令牌（token）的分散）的分散控制方式的受控接入技术，只有控制方式的受控接入技术，只有获得令牌的站点才有权在环路上获得令牌的站点才有权在环路上发送数据，从而避免了信道访问发送数据，从而避免了信道访问的冲突。的冲突。权标环 令牌环的结构令牌环的结构76干线耦合器的工作方式干线耦合器的工作方式l发送方式：发送方式：数据以帧为单位由环接口的输入端发送数据以帧为单位由环接口的输入端发送到相邻的下一个环接口的输入端。到相邻的下一个