计算机网络 数据链路层

1、计算机网络计算机网络第第 3 章章 数据链路层数据链路层第第 3 章章 数据链路层数据链路层3.1 使用点对点信道的数据链路层使用点对点信道的数据链路层3.2 点对点协议点对点协议 PPP3.3 使用广播信道的数据链路层使用广播信道的数据链路层3.4 使用广播信道的以太网使用广播信道的以太网3.6 高速以太网高速以太网3.7 无线局域网无线局域网数据链路层数据链路层数据链路层使用的信道主要有以下两种类型：数据链路层使用的信道主要有以下两种类型：n点对点信道点对点信道。这种信道使用一对一的点对点通。这种信道使用一对一的点对点通信方式。信方式。n广播信道广播信道。这种信道使用一对多的广播通信方。这

2、种信道使用一对多的广播通信方式，因此过程比较复杂。广播信道上连接的主式，因此过程比较复杂。广播信道上连接的主机很多，因此必须使用专用的共享信道协议来机很多，因此必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机的数据发协调这些主机的数据发 数据链路层的简单模型数据链路层的简单模型局域网局域网广域网广域网主机主机 H1主机主机 H2路由器路由器 R1路由器路由器 R2路由器路由器 R3电话网电话网局域网局域网主机主机 H1 向向 H2 发送数据发送数据链路层链路层应用层应用层运输层运输层网络层网络层物理层物理层链路链路层层应用层应用层运输层运输层网络层网络层物理层物理层链路层链路层网络层网络层物理层物理层

3、链路层链路层网络层网络层物理层物理层链路层链路层网络层网络层物理层物理层R1R2R3H1H2从层次上来看数据的流动从层次上来看数据的流动数据链路层的简单模型数据链路层的简单模型局域网局域网广域网广域网主机主机 H1主机主机 H2路由器路由器 R1路由器路由器 R2路由器路由器 R3电话网电话网局域网局域网主机主机 H1 向向 H2 发送数据发送数据链路层链路层应用层应用层运输层运输层网络层网络层物理层物理层链路层链路层应用层应用层运输层运输层网络层网络层物理层物理层链路层链路层网络层网络层物理层物理层链路层链路层网络层网络层物理层物理层链路层链路层网络层网络层物理层物理层R1R2R3H1H2仅

4、从数据链路层观察帧的流动仅从数据链路层观察帧的流动3.1 使用点对点信道的数据链路层使用点对点信道的数据链路层n链路链路(link)是一条无源的点到点的物理线路段，是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。中间没有任何其他的交换结点。n一条链路只是一条通路的一个组成部分。一条链路只是一条通路的一个组成部分。n数据链路数据链路(data link) 除了物理线路外，还必须除了物理线路外，还必须有通信协议来控制这些数据的传输。若把实现有通信协议来控制这些数据的传输。若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了这些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。n现在最

5、常用的方法是使用适配器（即网卡）来实现现在最常用的方法是使用适配器（即网卡）来实现这些协议的硬件和软件。这些协议的硬件和软件。n一般的适配器都包括了数据链路层和物理层这两层一般的适配器都包括了数据链路层和物理层这两层的功能。的功能。 IP 数据报数据报1010 0110帧帧取出取出结点结点 B链路链路(a)数据数据链路层链路层结点结点 A结点结点 B帧帧(b)发送发送帧帧接收接收链路链路数据数据链路层链路层网络层网络层结点结点 A物理层物理层IP 数据报数据报1010 0110帧帧装入装入数据链路层传送的是帧数据链路层像个数字管道数据链路层像个数字管道 n常常在两个对等的数据链路层之间画出一个

6、数常常在两个对等的数据链路层之间画出一个数字管道，而在这条数字管道上传输的数据单位字管道，而在这条数字管道上传输的数据单位是是帧帧。n早期的数据通信协议曾叫作早期的数据通信协议曾叫作通信规程通信规程(procedure)。因此在数据链路层，规程和协。因此在数据链路层，规程和协议是同义语。议是同义语。 结点结点帧帧数据链路层协议的三个基本问题数据链路层协议的三个基本问题 (1) 封装成帧封装成帧(2) 透明传输透明传输(3) 差错控制差错控制 1. 封装成帧封装成帧n封装成帧封装成帧(framing)就是在一段数据的前后分别添加首就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部，然后就构成了一个帧。确定帧

7、的界限。部和尾部，然后就构成了一个帧。确定帧的界限。n首部和尾部的一个重要作用就是进行首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界帧定界。 帧首部IP 数据报帧的数据部分帧尾部 MTU数据链路层的帧长开始发送帧结束帧开始用控制字符进行帧定界的方法举例用控制字符进行帧定界的方法举例 SOH装在帧中的数据部分帧帧开始符帧结束符发送在前EOTSOHEOT00000001000001002. 透明传输透明传输SOHEOT出现了出现了“EOT”被接收端当作无效帧而丢弃被接收端当作无效帧而丢弃被接收端被接收端误认为是一个帧误认为是一个帧数据部分数据部分EOT完整的帧完整的帧发送发送在前在前SOHEOTSOHES

8、CSOHEOTSOHEOTSOHESCESCESCESCESC原始数据EOT经过字节填充后发送的数据发送在前帧开始符帧结束符字节填充字节填充字节填充字节填充用字节填充法解决透明传输的问题用字节填充法解决透明传输的问题 SOHESC000110113. 差错检测差错检测循环冗余检验（循环冗余检验（CRC）1)发送端：比特分组发送端：比特分组2)添加添加冗余码冗余码(帧检验序列帧检验序列 FCS)3)接收端：对数据进行接收端：对数据进行 CRC 检验检验 110101 Q (商商) 1101 101001000 2nM (被除数被除数) 1101 1110 1101 0111 0000 1110

9、1101 0110 0000 1100 1101 001 R (余数余数)作为作为 FCS P (除数除数) CRC特性特性n对于阶数为对于阶数为r的生成多项式的生成多项式P（x），它能够检测如下差错：），它能够检测如下差错：n如果如果P（x）中的）中的xr和和x0项的系数不为项的系数不为0，就可以检测出所，就可以检测出所有有1比特差错；比特差错；n如果如果P（x）含有三项，就可以检测出所有）含有三项，就可以检测出所有2比特差错；比特差错；n如果如果P（x）包含因子（）包含因子（x+1），就可以检测出所有奇数），就可以检测出所有奇数比特的差错；比特的差错；n可以检测到所有长度小于等于可以检测到

10、所有长度小于等于r的突发性差错；的突发性差错；n可以检测出大部分大于可以检测出大部分大于r比特的突发性差错。比特的突发性差错。常用的常用的CRC生成多项式生成多项式P(x)用户到用户到 ISP 的链路使用的链路使用 PPP 协议协议 用户至因特网已向因特网管理机构申请到一批 IP 地址ISP接入网PPP 协议3.2 点对点协议点对点协议 PPPPPP 协议应满足的需求协议应满足的需求 n简单简单这是这是首要的要求首要的要求n封装成帧封装成帧 n透明性透明性 n多种网络层协议多种网络层协议 n多种类型链路多种类型链路 n差错检测差错检测 n检测连接状态检测连接状态 n最大传送单元最大传送单元 n

11、网络层地址协商网络层地址协商 n数据压缩协商数据压缩协商 PPP 协议不需要的功能协议不需要的功能n纠错纠错 n流量控制流量控制 n序号序号 n多点线路多点线路 n半双工或单工链路半双工或单工链路 PPP 协议的组成协议的组成 PPP 协议的帧格式协议的帧格式nPPP 有一个有一个 2 个字节的协议字段。个字节的协议字段。n当协议字段为当协议字段为 0 x0021 时，时，PPP 帧的信息字段就是帧的信息字段就是IP 数据报。数据报。n若为若为 0 xC021, 则信息字段是则信息字段是 PPP 链路控制数据。链路控制数据。n若为若为 0 x8021，则表示这是网络控制数据。，则表示这是网络控

12、制数据。 IP 数据报1211字节12不超过 1500 字节PPP 帧先发送7EFF03FACFCSF7E协议协议信 息 部 分首部尾部不同类型的载荷不同类型的载荷n0 x0021载荷字段是载荷字段是IP数据报数据报n0 xC021载荷字段是链路控制协议载荷字段是链路控制协议LCP报文报文n0 x8021载荷字段是网络控制协议载荷字段是网络控制协议NCP报文报文n0 xC023载荷字段是安全性认证载荷字段是安全性认证PAPn0 xC025载荷字段是链路质量报告载荷字段是链路质量报告LQR报文报文n0 xC223载荷字段是安全性认证载荷字段是安全性认证CHAP透明传输问题透明传输问题 n异步传输

13、时：异步传输时：字节填充法字节填充法。n0 x7E 字节转变成为字节转变成为 2 字节序列字节序列(0 x7D, 0 x5E)。 n0 x7D 字节转变成为字节转变成为 2 字节序列字节序列(0 x7D, 0 x5D)。nASCII 码控制字符（即码控制字符（即数值小于数值小于 0 x20 的字符），的字符）， 加入一个加入一个 0 x7D 字节，同时改变该字符的编码。字节，同时改变该字符的编码。 例如：例如：0 x03(0 x7D,0 x23)n同步传输时同步传输时(SONET/SDH 链路链路)：比特填充法。比特填充法。n发送端：发送端：5 个连续个连续 1，填入一个，填入一个 0。n接收

14、端：接收端：5 个连续个连续1，删除后面的一个，删除后面的一个 00 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 00 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0信息字段中出现了和标志字段 F 完全一样的 8 比特组合发送端在 5 个连 1 之后填入 0 比特再发送出去在接收端把 5 个连 1之后的 0 比特删除会被误认为是标志字段 F 发送端填入 0 比特0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0接收端删除填入的 0 比特零比特填充设备之间无链路链路静止链路建立鉴别网络层协议链路打开链路终止物理链路LCP 链路已鉴别的 LC

15、P 链路已鉴别的 LCP 链路和 NCP 链路物理层连接建立LCP 配置协商鉴别成功或无需鉴别NCP 配置协商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PPP 协议的工作状态协议的工作状态3.3 使用广播信道的数据链路层使用广播信道的数据链路层局域网的拓扑局域网的拓扑 匹配电阻匹配电阻总线网总线网集线器集线器星形网星形网树形网树形网 干线耦合器干线耦合器环形网环形网局域网参考模型局域网参考模型IEEE 802.2逻辑链路控制子层IEEE802.3 CSMA/CDIEEE 802.5 令牌环IEEE 802.11 CSMA/CAIEEE 802.1数据链路层物理层局域网参考模

16、型局域网参考模型IEEE 802系列常用标准系列常用标准 n802.1包括局域网概述、体系结构、网络管理和网络互联包括局域网概述、体系结构、网络管理和网络互联n802.2描述逻辑链路控制描述逻辑链路控制LLC规范规范n802.3描述描述CSMACD介质访问控制子层与物理层规范介质访问控制子层与物理层规范n802.5描述令牌环网介质访问控制子层与物理层规范描述令牌环网介质访问控制子层与物理层规范n802.11描述描述WLAN介质访问控制子层和物理层规范介质访问控制子层和物理层规范 n802.15描述描述WPAN介质访问控制子层和物理层规范介质访问控制子层和物理层规范n802.16描述描述WMAN

17、介质访问控制子层和物理层规范介质访问控制子层和物理层规范n802.20描述描述WWAN介质访问控制子层和物理层规范介质访问控制子层和物理层规范媒体共享技术媒体共享技术n静态划分信道静态划分信道n频分复用频分复用n时分复用时分复用n波分复用波分复用n码分复用码分复用 n动态媒体接入控制（多点接入）动态媒体接入控制（多点接入）n随机接入随机接入n受控接入受控接入 ，如多点线路探询，如多点线路探询(polling)，或轮询。，或轮询。 以太网发展历史以太网发展历史nUniversity of Hawaii 的的ALOHA 网络（网络（1968）nXerox 的的 2.94M 以太网（以太网（1973

18、）nXerox, DEC and Intel 的的 10M 以太网（以太网（DIX 标准标准）（）（1980 Ver1；1982 Ver2 ）nIEEE 802.3 标准标准 （1985）nIEEE 802.3u Fast Ethernet 标准（标准（1995）nIEEE 802.3z/ab Gigabit Ethernet 标准（标准（1999）nIEEE 802.3ae 10G Ethernet标准（标准（2002）n100G/40G（2010）n1000G（2015？）？）计算机通过适配器和局域网进行通信计算机通过适配器和局域网进行通信 硬件地址至局域网适配器（网卡）串行通信CPU 和

19、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IP 地址并行通信n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)或网络接或网络接口卡口卡 NIC (Network Interface Card)，或，或“网网卡卡”。 n多点接入多点接入n半双工半双工 CSMA/CD 协议协议 Carrier Sense Multiple Access with Collision DetectionB向 D发送数据 C D A E匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号）匹配电阻不接受不接受不接受接受B只有 D 接受B 发送的数据CSMA/CD协议工作过程协议工作过程

20、n某站点想要发送数据，它必须某站点想要发送数据，它必须 (1)组装数据组装数据(2)侦听信道；侦听信道；(3)如果信道空闲，立即发送数据并进行冲突检测；如果信道空闲，立即发送数据并进行冲突检测；(4)如果信道忙，继续侦听信道，直到信道变为空闲，如果信道忙，继续侦听信道，直到信道变为空闲， 然然后发送数据并进行冲突检测；后发送数据并进行冲突检测；(5)如果在发送数据过程中检测到冲突，立即停止发送数如果在发送数据过程中检测到冲突，立即停止发送数据，并等待一随机长的时间，重新回到（据，并等待一随机长的时间，重新回到（2） CSMA/CD发送过程发送过程 1 kmABt碰撞t = 2 A 检测到发生碰

21、撞 t = B 发送数据B 检测到发生碰撞 t = t = 0单程端到端传播时延记为 传播时延对载波监听的影响 = 5us1 kmABt碰撞t = B 检测到信道空闲发送数据t = / 2发生碰撞t = 2 A 检测到发生碰撞 t = B 发送数据B 检测到发生碰撞 t = ABABAB t = 0 A 检测到信道空闲发送数据ABt = 0t = B 检测到发生碰撞停止发送STOPt = 2 A 检测到发生碰撞STOPAB单程端到端传播时延记为 冲突窗口和最小帧长度冲突窗口和最小帧长度n冲突窗口冲突窗口(争用期）争用期）nCollision Window = 2* 电缆传播延迟电缆传播延迟 (

22、 2 )n以太网帧的最小帧长度以太网帧的最小帧长度n对于对于10Mbps的以太网，的以太网，64Bytes的发送时间就是的发送时间就是51.2s时时间间n因此两个站点的最大距离为因此两个站点的最大距离为2500m所带来的延迟外加上所带来的延迟外加上4个个Repeater的延迟必须小于的延迟必须小于51.2s 二进制指数类型退避算法二进制指数类型退避算法 (truncated binary exponential type)n发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟（退避）发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟（退避）一个随机时间才能再发送数据。一个随机时间才能再发送数据。n确定基本退避时间，一般是取

23、为争用期确定基本退避时间，一般是取为争用期 2 。n定义重传次数定义重传次数 k ，k 10，即，即 k = Min重传次数重传次数, 10n从整数集合从整数集合0,1, (2k 1)中随机地取出一个数，记中随机地取出一个数，记为为 r。重传所需的时延就是。重传所需的时延就是 r 倍的基本退避时间。倍的基本退避时间。n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。 数据帧干扰信号 TJ强化碰撞强化碰撞ABTBt B 发送数据A 检测到冲突开始冲突信道占用时间A 发送数据B 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

24、为了简单起见，只画出 A 发送干扰信号的情况。以太网的信道利用率以太网的信道利用率 S0Ta发 送 成 功 争用期 争用期 争用期 2 2 2T0t占用期 发生碰撞 发送一帧所需的平均时间aTTS1100max 帧格式帧格式 前导符 起始符 目的地址 源地址 类型/长度 数据 PAD CRC 7 1 6 6 2 01500 046 4 字节 DIX Ethernet V2 标准标准 :类型类型IEEE 的的 802.3 标准标准 :类型（大于类型（大于0 x0600)/长度长度(小于小于0 x0600)以太网 MAC 帧物理层MAC层10101010101010 101010101010101

25、01011前同步码帧开始定界符7 字节1 字节8 字节插入IP层目的地址 源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网的以太网的 MAC 帧格式帧格式 MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 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 6 字节MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网以太网 V2 的的 MAC 帧格式帧格式源地址字段 6 字节MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 150

26、0IP 数据报以太网以太网 V2 的的 MAC 帧格式帧格式类型字段 2 字节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 MAC 帧的数据上交给上一层的这个协议。 例例:IP: 0 x0800（十进制为（十进制为2048）ARP:0 x0806（十进制为（十进制为2054） MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网以太网 V2 的的 MAC 帧格式帧格式数据字段 46 1500 字节数据字段的正式名称是 MAC 客户数据字段最小帧长度 64 字节 18 字节的首部和尾部 = 数据字段的最小长度 当数据字段的长度小于

27、46 字节时，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 MAC 帧长不小于 64 字节。 MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网以太网 V2 的的 MAC 帧格式帧格式FCS 字段 4 字节当传输媒体的误码率为 1108 时，MAC 子层可使未检测到的差错小于 11014。 P(X)=X32+X26+X23+X22+X16+X11+X10+X8+X7+X5+X4+X2+X+1 MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网以太网 V2 的的 MAC

28、 帧格式帧格式10101010101010 10101010101010101011前同步码帧开始定界符7 字节1 字节8 字节插入在帧的前面插入的 8 字节中的第一个字段共 7 个字节，是前同步码，用来迅速实现 MAC 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MAC 帧。 为了达到比特同步，在传输媒体上实际传送的要比 MAC 帧还多 8 个字节MAC 层的硬件地址层的硬件地址Cisco是00-00-0c， IBM是 08-00-5A 以太网发送的数据都使用以太网发送的数据都使用曼彻斯特曼彻斯特(Manchester)编码编码 基带数字信号曼彻斯特编码 码元111110000

29、0出现电平转换n对于检查出的无效对于检查出的无效 MAC 帧就简单地丢弃。以帧就简单地丢弃。以太网不负责重传丢弃的帧。太网不负责重传丢弃的帧。 n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；n帧的长度不是整数个字节；帧的长度不是整数个字节；n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；n数据字段的长度不在数据字段的长度不在 46 1500 字节之间。字节之间。n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。无效的无效的 MAC 帧帧 以太网的运行参数以太网的运行参数以太网的物理层标准以太网的物理层标准 3.5

30、扩展的局域网扩展的局域网n网络互联设备网络互联设备n中继器（中继器（Repeator） n集线器（集线器（Hub） n网桥（网桥（Bridge）n交换机（交换机（LAN Switch）n路由器（路由器（Router）n网关（网关（Gateway）网络互联设备网络互联设备在物理层扩展局域网在物理层扩展局域网以太网集线器光纤光纤调制解调器光纤调制解调器Repeater集线器两对双绞线站点RJ-45 插头n某大学有三个系，各自有一个局域网某大学有三个系，各自有一个局域网用多个集线器可连成更大的局域网用多个集线器可连成更大的局域网一系二系三系三个独立的碰撞域碰撞域碰撞域碰撞域用集线器组成更大的局域网用

31、集线器组成更大的局域网都在一个碰撞域中都在一个碰撞域中一系三系二系主干集线器一个更大的碰撞域碰撞域n优点优点n使原来属于不同碰撞域的局域网上的计算机能够进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。行跨碰撞域的通信。n扩大了局域网覆盖的地理范围。扩大了局域网覆盖的地理范围。n缺点缺点n碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。n如果不同的碰撞域使用不同的数据率，那么就不能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。用集线器将它们互连起来。 用集线器扩展局域网用集线器扩展局域网 网段 B网段 A网桥12在数据链路层扩展局域网

32、在数据链路层扩展局域网 网桥网桥网桥的工作原理网桥的工作原理n扩散（扩散（Flooding）地址学习地址学习n按照按照MAC地址表转发到特定端口（地址表转发到特定端口（Forwarding）n丢弃（丢弃（Discard）网段 B网段 A网桥站表接口管理 软件网桥协议 实体缓存接口 1接口 2111222站地址 接口网桥接口 1接口 212网桥的转发表网桥的转发表 网桥使各网段成为网桥使各网段成为隔离开的碰撞域隔离开的碰撞域 B2B1碰撞域碰撞域碰撞域ABCDEF用户层IPMAC站 1用户层IPMAC站 2物理层网桥 1网桥 2AB用户数据IP-HMAC-HMAC-TDL-HDL-T 物理层DL

33、RMAC物理层物理层DLRMAC物理层物理层LANLAN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地址地址 接口接口透明网桥透明网桥-转发表的建立过程转发表的建立过程B2B1ABCDEF1212地址地址 接口接口B 1B AA BA 1F CF 2A BA 1F CF 2广播风暴广播风暴 局域网局域网 2局域网局域网 1网桥网桥 2网桥网桥 1 AF不停地不停地兜圈子兜圈子A 发出的帧发出的帧F1网桥网桥 1 转发的帧转发的帧F2网桥网桥 2 转发的帧转发的帧网络资源白白消耗了网络资源白白消耗了STP工作过程工作过程（1）选举根网桥选举根网桥：选举根网桥（：选举根网桥（R

34、oot Bridge）。根网桥标识）。根网桥标识符最小的网桥当选。符最小的网桥当选。（2）选举根端口选举根端口：对于每个非根网桥选举唯一一个根端口。通：对于每个非根网桥选举唯一一个根端口。通过比较非根网桥中每一个端口的到根网桥路径代价，过比较非根网桥中每一个端口的到根网桥路径代价， 到根网到根网桥路径代价最小的端口当选。桥路径代价最小的端口当选。（3）选举指定端口选举指定端口：在每个网段中选举唯一一个指定端口。通：在每个网段中选举唯一一个指定端口。通过比较该网段中每一个端口的到根网桥路径代价，到根网桥过比较该网段中每一个端口的到根网桥路径代价，到根网桥路径代价最小的端口当选。路径代价最小的端口

35、当选。BPDU格式格式BPDU更新更新n新来的新来的BPDU中，根网桥标识符更小；中，根网桥标识符更小；n新新BPDU与旧与旧BPDU的根网桥标识符相同，但的根网桥标识符相同，但新新BPDU中到根网桥路径代价更小；中到根网桥路径代价更小；n新新BPDU与旧与旧BPDU的到根网桥路径代价相同，的到根网桥路径代价相同，但是新但是新BPDU中的发送网桥标识符更小。中的发送网桥标识符更小。STP举例举例STP中端口状态中端口状态n阻塞状态（阻塞状态（blocking）不转发数据帧；接收不转发数据帧；接收BPDU。n侦听状态（侦听状态（listening）不转发数据帧；侦听不转发数据帧；侦听BPDU，并

36、进入生成树构造过程。并进入生成树构造过程。n学习状态（学习状态（learning）不转发数据帧；学习地址。不转发数据帧；学习地址。n转发状态（转发状态（forwarding）转发数据帧；学习地址。转发数据帧；学习地址。n过滤通信量。过滤通信量。 n扩大了物理范围。扩大了物理范围。n提高了可靠性。提高了可靠性。n可互连不同物理层、不同可互连不同物理层、不同 MAC 子层和不同速子层和不同速率（如率（如10 Mb/s 和和 100 Mb/s 以太网）的局域以太网）的局域网。网。 使用网桥带来的好处使用网桥带来的好处 n存储转发增加了时延。存储转发增加了时延。 n在在MAC 子层并没有流量控制功能。

37、子层并没有流量控制功能。 n具有不同具有不同 MAC 子层的网段桥接在一起时时延更大。子层的网段桥接在一起时时延更大。n网桥只适合于用户数不太多网桥只适合于用户数不太多(不超过几百个不超过几百个)和通信量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。这就是所谓的息而产生网络拥塞。这就是所谓的广播风暴广播风暴。 使用网桥带来的缺点使用网桥带来的缺点 n透明网桥容易安装，但网络资源的利用不充分。透明网桥容易安装，但网络资源的利用不充分。n源路由源路由(source route)网桥在发送帧时将详细网桥在发送帧时将详细的路由信息

38、放在帧的首部中。的路由信息放在帧的首部中。n源站以源站以广播方式广播方式向欲通信的目的站发送一个向欲通信的目的站发送一个发发现帧现帧，每个发现帧都记录所经过的路由。，每个发现帧都记录所经过的路由。n发现帧到达目的站时就沿各自的路由返回源站。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。选择出一个最佳路由。凡从该源站向该目的站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发送的帧的首部，都必须携带源站所确定的这一路由信息。一路由信息。 源路由网桥源路由网桥n多接口网桥多接口网桥n全双工方

39、式工作全双工方式工作n两种帧转发方式：存储转发和直接转发两种帧转发方式：存储转发和直接转发n独占传输媒体的带宽独占传输媒体的带宽n交换速率快，交换时延小交换速率快，交换时延小以太网交换机以太网交换机 用以太网交换机扩展局域网用以太网交换机扩展局域网 一系三系二系10BASE-T至因特网100 Mb/s100 Mb/s100 Mb/s万维网服务器电子邮件 服务器以太网交换机路由器华为华为2403交换机交换机 VLAN（Virtual LAN）n引入引入VLAN的目的的目的n增加局域网的扩展性增加局域网的扩展性n隔离广播域，同时增强网络安全隔离广播域，同时增强网络安全n增加管理灵活性增加管理灵活性

40、n一个一个VLAN就相当于一个广播域就相当于一个广播域以太网交换机A4B1以太网交换机VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太网交换机以太网交换机三个虚拟局域网: VLAN1, VLAN2 和 VLAN3以太网交换机A4B1以太网交换机VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太网交换机以太网交换机三个虚拟局域网 VLAN1, VLAN2和 VLAN3 的构成 当 B1 向 VLAN2 工作组内成员发送数据时，工作站 B2 和 B3 将会收到广播的信息。以太网交换机A4B1以太网交换机VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2

41、以太网交换机以太网交换机三个虚拟局域网 VLAN1, VLAN2和 VLAN3 的构成 B1 发送数据时，工作站 A1, A2 和 C1都不会收到 B1 发出的广播信息。 以太网交换机A4B1以太网交换机VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太网交换机以太网交换机三个虚拟局域网 VLAN1, VLAN2和 VLAN3 的构成 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(即“广播风暴”)而引起性能恶化。 n虚拟局域网协议允许在以太网的帧格式中插入一虚拟局域网协议允许在以太网的帧格式中插入一个个 4 字节的标识符，称为字节的标识符，称为 VL

42、AN 标记标记(tag)，用来，用来指明发送该帧的工作站属于哪一个虚拟局域网。指明发送该帧的工作站属于哪一个虚拟局域网。 VLAN使用的以太网帧格式使用的以太网帧格式 802.3MAC 帧帧字节字节66246 15004MAC 帧帧目地地址目地地址源地址源地址长度长度/类型类型数数 据据FCS长度长度/类型类型 = 802.1Q 标记类型标记类型 标记控制信息标记控制信息 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 VID 2 字节字节2 字节字节插入插入 4 字节的字节的 VLAN 标记标记4用户优先级用户优先级CFI【补充】令牌环网【补充】令牌环网令牌环网特点令牌环网特

43、点n基于双绞线基于双绞线n速率为速率为16Mbpsn单环单环n令牌传递机制令牌传递机制FDDI(a)正常情况(b)单个线路故障(c)单个站点故障(d)两个线路故障FDDI特点特点n基于光纤基于光纤n速率为速率为100Mbpsn双环双环n定时令牌传递机制定时令牌传递机制3.6 高速以太网高速以太网n100BASE-T 以太网以太网n吉比特以太网吉比特以太网n10 吉比特以太网吉比特以太网100BASE-T 以太网以太网快速以太网物理层标准快速以太网物理层标准 快速以太网其它特性快速以太网其它特性n自动协商机制自动协商机制n组网方式组网方式n100Base-T，采用，采用Hub或或Switch星型

44、组网方式，星型组网方式，不再采用总线方式不再采用总线方式快速以太网运行参数快速以太网运行参数 吉比特以太网吉比特以太网吉比特以太网物理层标准吉比特以太网物理层标准 吉比特以太网其它特性吉比特以太网其它特性n载波扩展载波扩展 n帧突发帧突发目的地址目的地址源地址源地址类型类型数数 据据FCS载波延伸载波延伸MAC帧最小值帧最小值=64字节字节加上载波延伸使加上载波延伸使MAC帧长度帧长度=争用期长度争用期长度512字节字节1500字节字节争用期长度争用期长度512字节字节分组分组1RRRRRRR分组分组2RRR分组分组3RRRR 分组分组4吉比特以太网运行参数吉比特以太网运行参数 吉比特以太网的

45、配置举例吉比特以太网的配置举例 1 Gb/s 链路链路吉比特吉比特交换交换集线器集线器百兆比特或吉比特集线器百兆比特或吉比特集线器100 Mb/s 链路链路中央服务器中央服务器10G（万兆）比特以太网（万兆）比特以太网n城域城域/广域以太网广域以太网n支持物理线路保护支持物理线路保护n支持端到端支持端到端QoSn支持支持OAM10G（万兆）比特以太网物理层标准（万兆）比特以太网物理层标准 10G（万兆）比特以太网运行参数（万兆）比特以太网运行参数 40G/100G以太网以太网 n2007年年7月月 ，IEEE 802.3ba n40Gn1m交换机背板交换机背板n10m铜缆铜缆n100m多模光纤

46、多模光纤n100Gn10m铜缆铜缆n100m多模光纤多模光纤n10km、40km单模光纤单模光纤 以太网接入举例：光纤到大楼以太网接入举例：光纤到大楼 FTTB 100 M10 M10 M100 M吉比特以太网光结点汇接点1 Gb/s1 Gb/s高速汇接点 GigaPoP3.7 无线局域网无线局域网n拓扑结构拓扑结构n协议栈协议栈n物理层标准物理层标准nMAC协议协议 n安全安全拓扑结构拓扑结构n独立独立BSS(Base Service Set)n有有AP(Access Point)的的BSSn扩展服务集扩展服务集ESS(Extended Service Set)独立独立BSS有有AP的的BS

47、S扩展服务集扩展服务集ESS移动站与移动站与 AP 建立关联的方法建立关联的方法n被动扫描被动扫描：n即移动站等待接收接入站周期性发出的即移动站等待接收接入站周期性发出的信标帧信标帧(beacon frame)。n信标帧中包含有若干系统参数（如服务集标识符信标帧中包含有若干系统参数（如服务集标识符 SSID 以及支持的速率等）。以及支持的速率等）。n主动扫描：主动扫描：n即移动站主动发出即移动站主动发出探测请求帧探测请求帧(probe request frame)，然后等待从，然后等待从 AP 发回的发回的探测响应帧探测响应帧(probe response frame)。n无线节点从中选择一个

48、无线节点从中选择一个AP，并向，并向AP发送一个关联请求发送一个关联请求（association request）帧；选中的）帧；选中的AP用关联响应用关联响应（association response）帧来应答。）帧来应答。 协议栈协议栈 几种常用的几种常用的 802.11 无线局域网无线局域网 标准标准频段频段数据数据速率速率物理层物理层优缺点优缺点802.11b2.4 GHz最高为最高为11 Mb/sHR-DSSS最高数据率较低，价格最低，信最高数据率较低，价格最低，信号传播距离最远，且不易受阻碍号传播距离最远，且不易受阻碍 802.11a5 GHz最高为最高为54 Mb/sOFDM最高

49、数据率较高，支持更多用户最高数据率较高，支持更多用户同时上网，价格最高，信号传播同时上网，价格最高，信号传播距离较短，且易受阻碍距离较短，且易受阻碍802.11g2.4 GHz最高为最高为54 Mb/sOFDM最高数据率较高，支持更多用户最高数据率较高，支持更多用户同时上网，信号传播距离最远，同时上网，信号传播距离最远，且不易受阻碍，价格比且不易受阻碍，价格比 802.11b贵贵802.11 的的 MAC 协议协议 1） MAC协议栈协议栈2）CSMA/CA协议问题协议问题3） “隐藏站隐藏站”、“暴露站暴露站”问题问题4）帧格式）帧格式5）优先级响应）优先级响应6）电源管理）电源管理802.

50、11 的的 MAC 协议栈协议栈 MAC 层无争用服务（选用）争用服务（必须实现）分布协调功能 DCF(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA)点协调功能 PCF(Point Coordination Function)物理层MAC 层通过协调功能来确定在基本服务集 BSS 中的移动站在什么时间能发送数据或接收数据。 MAC 层无争用服务争用服务分布协调功能 DCF(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA)点协调功能 PCF(Point Coordination Function)物理层DCF 子层在每

51、一个结点使用子层在每一个结点使用 CSMA 机制的分布式机制的分布式接入算法，让各个站通过争用信道来获取发送权。接入算法，让各个站通过争用信道来获取发送权。因此因此 DCF 向上提供争用服务。向上提供争用服务。 MAC 层无争用服务争用服务分布协调功能 DCF(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA)点协调功能 PCF(Point Coordination Function)物理层PCF 子层使用集中控制的接入算法把发送数据权子层使用集中控制的接入算法把发送数据权轮流交给各个站从而避免了碰撞的产生轮流交给各个站从而避免了碰撞的产生 2）CSMA/C

52、A协议协议CSMA/CA的工作过程如下：的工作过程如下：如果一个站点有数据要发送如果一个站点有数据要发送, 它首先侦听信道：它首先侦听信道：（1）如果信道空闲，继续等待）如果信道空闲，继续等待IFS（InterFrame Space）时间，然后再侦听信道如果仍然空闲，）时间，然后再侦听信道如果仍然空闲，立即发送数据。立即发送数据。（2）如果信道忙，该站点继续侦听信道直到当前传）如果信道忙，该站点继续侦听信道直到当前传输完全结束。输完全结束。（3）一旦当前传输结束，站点继续等待）一旦当前传输结束，站点继续等待IFS时间，时间，然后再侦听信道，如果信道仍然保持空闲，节点然后再侦听信道，如果信道仍然

53、保持空闲，节点按照指数后退一个随机长的时间后，发送数据。按照指数后退一个随机长的时间后，发送数据。 CSMA/CA算法工作流程图算法工作流程图 时间IFS媒体空闲 发送第 1 帧 IFS时间NAV（媒体忙）争用窗口发送下一 帧推迟接入等待重试时间有帧要发送源站时间目的站ACK 其他站有帧要发送 IFS后退算法后退算法n在在CSMA/CA协议中，如果信道持续空闲时间大于协议中，如果信道持续空闲时间大于DIFS，则无线节点可以立即访问无线信道。如果信道忙，则节点则无线节点可以立即访问无线信道。如果信道忙，则节点必须等信道变为空闲后继续等待必须等信道变为空闲后继续等待IFS，然后进入竞争窗口。，然后

54、进入竞争窗口。n在进行竞争窗口时，每个节点在（在进行竞争窗口时，每个节点在（0，CWindow）中随机）中随机选择一个后退时间进行等待，然后侦听信道；如果此时信选择一个后退时间进行等待，然后侦听信道；如果此时信道仍然空闲，则节点立即发送数据。道仍然空闲，则节点立即发送数据。n使用后退算法的目的在于避免多个站点同时发送数据引起使用后退算法的目的在于避免多个站点同时发送数据引起的冲突。的冲突。 图例 冻结剩余的退避时间帧帧帧帧帧DIFSDIFSDIFSDIFS争用窗口争用窗口争用窗口争用窗口退避退避退避退避ABCDEttttt冻结冻结冻结冻结冻结802.11 的退避机制的退避机制二进制指数退避算法

55、二进制指数退避算法 n第第 i 次退避就在次退避就在 22 + i 个时隙中随机地选择一个，个时隙中随机地选择一个，即：即： 第第 I 次退避是在时隙次退避是在时隙 0, 1, , 22 + i 1 中随机地选中随机地选择一个。择一个。 。n第第 1 次退避是在次退避是在 8 个时隙（而不是个时隙（而不是 2 个）中随机个）中随机选择一个。选择一个。n第第 2 次退避是在次退避是在 16 个时隙（而不是个时隙（而不是 4 个）中随机个）中随机选择一个。选择一个。 n6次退避后，次退避后，i不再增加。不再增加。3）“隐藏站隐藏站”问题问题“暴露站暴露站”问题问题4）扩展）扩展DCFA 的作用范围

56、B 的作用范围扩展扩展DCFn802.11 允许要发送数据的站对信道进行预约。允许要发送数据的站对信道进行预约。 ACBDERTSRTS源站 A 在发送数据帧之前先发送一个短的控制帧，叫做请求发送 RTS (Request To Send)，它包括源地址、目的地址和这次通信（包括相应的确认帧）所需的持续时间。 A 的作用范围B 的作用范围扩展扩展DCFn802.11 允许要发送数据的站对信道进行预约。允许要发送数据的站对信道进行预约。 CTSACBDECTS若媒体空闲，则目的站 B 就发送一个响应控制帧，叫做允许发送 CTS (Clear To Send)，它包括这次通信所需的持续时间（从 R

57、TS 帧中将此持续时间复制到 CTS 帧中）。 A 收到 CTS 帧后就可发送其数据帧。 RTS 和和 CTS 帧以及数据帧和帧以及数据帧和ACK 帧的传输时间关系帧的传输时间关系 时间DIFSRTSSIFS时间NAV（RTS）DIFS争用窗口推迟接入源站时间目的站ACK 其他站CTSSIFSSIFS数据NAV（CTS）NAV（数据）Collision Avoidance: RTS-CTS exchangeAPABtimeRTS(A)RTS(B)RTS(A)CTS(A)CTS(A)DATA (A)ACK(A)ACK(A)reservation collisiondefer4）802.11 局域网的局域网的 MAC 帧格式帧格式n802.11 帧共有三种类型，即帧共有三种类型，即控制帧控制帧、数据帧数据帧和和管理帧管理帧。字节 2 2 6 6 6 2 6 0 2312 4帧控制持续期地址 1地址 2地址 3序号控制地址 4帧主体FCS协议版