数据链路层(20131106)

1、云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院第5章 数据链路层之MAC层计算机网络计算机网络云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院内容提要n局域网数据链路层n以太网概述nCSMA/CD协议nMAC地址（物理地址）n交换机（网桥）工作原理n虚拟局域网（VLAN）云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院数据链路层服务n端到端链路构造？n网络层数据报封装成帧？n链路层协议提供可靠传输？n不同链路采用不同的链路层协议？云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院数据链路层信道n点对点信道：一对一的点对点通信方式n广播信道：一对多的广播通信方式 信道调度/信道共享协议云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院数

2、据链路层的简单模型局域网广域网主机 H1主机 H2路由器 R1路由器 R2路由器 R3电话网局域网主机 H1 向 H2 发送数据链路层应用层运输层网络层物理层链路层应用层运输层网络层物理层链路层网络层物理层链路层网络层物理层链路层网络层物理层R1R2R3H1H2从层次上来看数据的流动云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院数据链路层的简单模型局域网广域网主机 H1主机 H2路由器 R1路由器 R2路由器 R3电话网局域网主机 H1 向 H2 发送数据链路层应用层运输层网络层物理层链路层应用层运输层网络层物理层链路层网络层物理层链路层网络层物理层链路层网络层物理层R1R2R3H1H2仅从数据链路

3、层观察帧的流动云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院使用点对点信道的数据链路层 数据链路和帧 n链路(link)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。n一条链路只是一条通路的一个组成部分。n数据链路(data link) 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。若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。n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。n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。 IP 数据报1010 0110帧取出数据链路层网络层链路结点 A结点 B物理层数据链路层结点 A结点 B帧(a)(b)

4、发送帧接收链路IP 数据报1010 0110帧装入数据链路层传送的是帧云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院使用广播信道的数据链路层 局域网的数据链路层n定义：局域网是在一个较小的范围内，将有限的通信设备互连起来的计算机网络。n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。（一般在10M-10KM之间）n局域网还具有如下的一些主要特点：u传输速率高。1-100Mbpsu误码率低。在10-8-10-11之间u协议简单。与局域网范围小、拓扑结构比较规则有关局域网的拓扑 匹配电阻集线器干线耦合器总线网星形网树形网 环形网云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院以太网的两个

5、标准 n以太网的两个标准 DIX Ethernet V2uDIX Ethernet V2 是世界上第一个局域网产品（以太网）的规约。u（美国施乐（Xerox）公司的Palo Alto 研究中心（PARC）于1975年研制成功。）u当时的数据率为2.94Mb/s。u以无源的电缆作为总线，以太（Ether）,以太网（Ethernet）u1981年，施乐公司与DEC、Intel公司合作，联合提出了以太网的规约， DIX Ethernet V1。u1982年修改为第2版， 即DIX Ethernet V2。云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院以太网的两个标准n以太网的两个标准IEEE 的 802.

6、3 标准uDIX Ethernet V2 标准与 IEEE 的 802.3 标准只有很小的差别，因此可以将 802.3 局域网简称为“以太网”。u严格说来，“以太网”应当是指符合 DIX Ethernet V2 标准的局域网。云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院数据链路层的两个子层 n为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，802 委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层：n逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control)子层n媒体接入控制 MAC (Medium Access Control)子层。n与接入到传输媒体有关的内容都放在 MAC子层，而 LLC 子层则与

7、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 云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院局域网对 LLC 子层是透明的 局 域 网网络层物理层站点 1网络层物理层逻辑链路控制LLCLLC媒体接入控制MACMAC数据链路层站点 2云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院以后一般不考虑 LLC 子层 n由于 TCP/IP 体系经常使用的局域网是 DIX Ethernet V2 而不是 802.3 标准中的几种局域网，因此现在 802 委员会制定的逻辑链路控制子层 LLC（即 802.2 标准）的作用已经不大了。n很多厂商生产的适配器上就仅装有 MAC 协议而没有 LLC 协议

8、。 云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院n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，因为总线上没有有源器件。 CSMA/CD 协议 B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 发送的数据云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院以太网的广播方式发送 n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。 n由于只有计算机 D 的地址与数据帧首部写入的地址一致，因此只有 D 才接收这个数据帧。 n其他所有的计算机（A, C 和 E）都检测到不是发送给它们的数据帧，因此就丢弃这

9、个数据帧而不能够收下来。n具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。 云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院为了通信的简便以太网采取了两种重要的措施 n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。 n以太网对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。n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。 云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院以太网提供的服务 n以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。n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。n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

10、道这是一个重传的帧，而是当作一个新的数据帧来发送。 云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院以太网发送的数据都使用曼彻斯特(Manchester)编码 基带数字信号曼彻斯特编码 码元1111100000出现电平转换云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院载波监听多点接入/碰撞检测 CSMA/CD nCSMA/CD 表示 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection。n“多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。n“载波监听”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据，如果有，则暂时不要发

11、送数据，以免发生碰撞。 n总线上并没有什么“载波”。因此， “载波监听”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。 云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院碰撞检测n“碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。n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）。n当一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发送数据，表明产生了碰撞。n所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院检测到碰撞后n在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从

12、中恢复出有用的信息来。n每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，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。云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院电磁波在总线上的有限传播速率的影响 n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。 nA 向 B 发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到 B。nB 若在 A 发送的信息到达 B 之前发送自己的帧(因为这时 B 的载波监听检测不到 A 所发送的信息)，则必然要在某个时间和 A 发送的帧发生碰撞。n碰撞的结果是两个帧都变得无用。 1 kmABt碰撞t = 2 A 检测到发生碰撞 t = B 发送数据B

13、 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 1 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 云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院重要特性n使用 CSMA/CD 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）。n每个站在发送数据之后的一小段时间内，存在着遭

14、遇碰撞的可能性。 n这种发送的不确定性使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率。 云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院争用期n最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间 2 （两倍的端到端往返时延）就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。n以太网的端到端往返时延 2 称为争用期，或碰撞窗口。n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。 云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院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）一个随机时间才能再发送数据。n确定基本退避时间

15、，一般是取为争用期 2。n定义重传次数 k ，k 10，即 k = Min重传次数, 10n从整数集合0,1, (2k 1)中随机地取出一个数，记为 r。重传所需的时延就是 r 倍的基本退避时间。n当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。 云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院争用期的长度 n以太网取 51.2 s 为争用期的长度。n对于 10 Mb/s 以太网，在争用期内可发送512 bit，即 64 字节。n以太网在发送数据时，若前 64 字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。 云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院最短有效帧长 n如果发生冲突，就一定是在发送的

16、前 64 字节之内。 n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 64 字节。 n以太网规定了最短有效帧长为 64 字节，凡长度小于 64 字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。 云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院强化碰撞 n当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时：n立即停止发送数据；n再继续发送若干比特的人为干扰信号(jamming signal)，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。 n为什么要强化冲突？ 假设冲突点离A很远，离B很近（如40米，即B发送2bit后冲突，4bit后停发），4bit的叠加数据远距离传输到A，可能会被A忽略。A认为没有冲突，继续发送

17、，浪费时间。数据帧干扰信号 TJ人为干扰信号 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。这里为了简单起见，只画出 A 发送干扰信号的情况。云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院CSMA/CD原理总结有待发帧载波监听发送冲突是强化冲突延迟一个随机时间是出口否否放弃帧的发送冲突检测云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院本次主要内容nEthernet连接方法（网卡、集线器、网桥、交换机）nMAC地址n以太网帧（MAC）结构n网桥（交换机）的工作原理n虚拟局域网云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院以太网

18、的连接方法n网络接口板又称为通信适配器(adapter)或网络接口卡 NIC (Network Interface Card)，或“网卡”。 n适配器的重要功能：n进行串行/并行转换。n对数据进行缓存。n在计算机的操作系统安装设备驱动程序。n实现以太网协议。 云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院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 地址并行通信云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院使用广播信道的以太网 使用集线器的星形拓扑n传统以太网最初是使用粗同轴电缆，后来演进到使用

19、比较便宜的细同轴电缆，最后发展为使用更便宜和更灵活的双绞线。n这种以太网采用星形拓扑，在星形的中心则增加了一种可靠性非常高的设备，叫做集线器(hub) 云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院使用集线器的双绞线以太网 集线器两对双绞线站点RJ-45 插头云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院具有三个接口的集线器 集线器网卡工作站网卡工作站网卡工作站双绞线云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院传统以太网的连接方法 n传统以太网可使用的传输媒体有四种：u铜缆（粗缆或细缆）u铜线（双绞线）u光缆n这样，以太网就有四种不同的物理层。 10BASE5粗缆802.310BASE2细缆802.3a10B

20、ASE-T双绞线802.3i10BASE-F光缆802.3j以太网媒体接入控制 MAC云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院铜缆或铜线连接到以太网的示意图 主机箱主机箱主机箱双绞线集线器BNC T 型接头收发器电缆网卡插入式分接头MAUMDI保护外层外导体屏蔽层内导体收发器DB-15连接器BNC 连接器插口RJ-45插头粗缆10BASE5细缆10BASE2双绞线以太网10BASE-T云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院以太网在局域网中的统治地位n10BASE-T 的通信距离稍短，每个站到集线器的距离不超过 100 m。n这种 10 Mb/s 速率的无屏蔽双绞线星形网的出现，既降低了成本，

21、又提高了可靠性。 n10BASE-T 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中的统治地位奠定了牢固的基础。 云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院集线器的一些特点 n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。 n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。 在一个特定时间内至多只有一台计算机能够发送数据。云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院集线器的一些特点n集线器工作在物理层，当集线器的某个接口接收到工作站发来的比特时，就简单地将该比特向所有其

22、他接口转发。若两个接口同时有信号输入（即发生冲突。）那么所有的接口都收不到正确的帧。n任意两台计算机可经过：- 最多4台HUB。- 最多5段双绞线。云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院以太网的 MAC 层1. MAC 层的硬件地址 n在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或 MAC 地址。 n802 标准所说的“地址”严格地讲应当是每一个站的“名字”或标识符。 n但鉴于大家都早已习惯了将这种 48 位的“名字”称为“地址”，所以本书也采用这种习惯用法，尽管这种说法并不太严格。云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院48 位的 MAC 地址nIEEE 的注册管理机构 RA 负责向厂家分配地址字

23、段的前三个字节(即高位 24 位)。n地址字段中的后三个字节(即低位 24 位)由厂家自行指派，称为扩展标识符，必须保证生产出的适配器没有重复地址。n一个地址块可以生成224个不同的地址。这种 48 位地址称为 MAC-48，它的通用名称是EUI-48。n“MAC地址”实际上就是适配器地址或适配器标识符EUI-48。云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院48 位的 MAC 地址n第1字节的最低位是I/G（Individual/Group）比特： 0 单个站地址； 1 表示组地址。n第1个字节的最低第2位规定为G/L比特： 0 局部管理（Local），不用花钱买地址块 1 全局（Global）

24、管理，厂商购买的地址块。如：MAC地址 发 f6-02-2a-0a-00-2b 前三个字节（厂商代码）是f6-02-2a，最左字节f6 先发送 第1字节是f6-11110110 I/G比特为0，表示单个站地址，字节内最低位最先发送 G/L比特为1，表示全局管理，是购买的地址块。云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院第 1最高位最先发送最低位最高位最低位最后发送00110101 01111011 00010010 00000000 00000000 00000001最低位最先发送最高位最低位最高位最后发送机构惟一标志符 OUI扩展标志符高位在前低位在前十六进制表示的 EUI-48 地址： AC

25、-DE-48-00-00-80二进制表示的 EUI-48 地址：第 1 字节第 6 字节I/G 比特I/G 比特字节顺序第 2第 3第 4第 5第 6第 1字节顺序第 2第 3第 4第 5第 610101100 11011110 01001000 00000000 00000000 10000000802.5802.6802.3802.4云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院网卡上的硬件地址 路由器1A-24-F6-54-1B-0E00-00-A2-A4-2C-0220-60-8C-C7-75-2A08-00-20-47-1F-E420-60-8C-11-D2-F6路由器由于同时连接到两个网

26、络上，因此它有两块网卡和两个硬件地址。 云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院适配器检查 MAC 地址 n适配器从网络上每收到一个 MAC 帧就首先用硬件检查 MAC 帧中的 MAC 地址.n如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他的处理。n否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。n“发往本站的帧”包括以下三种帧： n单播(unicast)帧（一对一）n广播(broadcast)帧（一对全体）n多播(multicast)帧（一对多）云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院2. MAC 帧的格式 n常用的以太网MAC帧格式有两种标准 ：nDIX Ethernet V2 标准nIEEE 的 802

27、.3 标准n最常用的 MAC 帧是以太网 V2 的格式。云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院以太网 MAC 帧物理层MAC层10101010101010 10101010101010101011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 MAC 帧格式 云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院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 V2 的 MAC 帧格式目的地址字段 6 字节云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院MAC 帧物理层

28、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 V2 的 MAC 帧格式源地址字段 6 字节云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院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 V2 的 MAC 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。 云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院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 V2 的 MAC 帧格式

29、数据字段 46 1500 字节数据字段的正式名称是 MAC 客户数据字段最小长度 64 字节 18 字节的首部和尾部 = 数据字段的最小长度 云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院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 V2 的 MAC 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。 当数据字段的长度小于 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。 云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院MAC

30、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 V2 的 MAC 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 个字节云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院区别两种帧格式n802.3 的MAC帧，其类型字段的数值：n若0 x0600(相当

31、于十进制的1536)，则该字段表示类型。云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院n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；n用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错；n数据字段的长度不在 46 1500 字节之间。n有效的 MAC 帧长度为 64 1518 字节之间。n对于检查出的无效 MAC 帧就简单地丢弃。以太网不负责重传丢弃的帧。 无效的 MAC 帧 云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院扩展局域网n为什么要扩展局域网？u 许多大学的系或公司的部门都有各自的局域网，主要用于连接他们自己的个人计算机、工作站和服务器。u 一个单位在地理位置上较分散，并且相距较远。u可能

32、有必要将一个逻辑上单一的LAN分成多个局域网，以调节载荷。u在某些情况下，从载荷上看单个局域网是毫无问题的，但是相距最远的机器之间的物理距离太远，即使铺设不成问题，但由于来回时延过长，网络仍不能正常工作。u可靠性问题。u网桥有助于安全保密。云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院扩展的局域网 在物理层扩展局域网n主机使用光纤和一对光纤调制解调器连接到集线器 以太网集线器光纤光纤调制解调器光纤调制解调器云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院n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三个独立的碰撞域一系二系三系碰撞域碰撞域碰撞域云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院用集线

33、器组成更大的局域网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云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院碰撞域和广播域n碰撞域（Collision domain）:又称冲突域，三个系的局域网合起来组成一个大的、共同的碰撞域，在任一时刻，只能有一个站在发送数据。换句话说，当这三个局域网通过集线器互连成一个大的局域网以后，总的最大吞吐量只有10Mb/s。n碰撞域越大，每个节点分到的带宽就越小。所有节点共享带宽。云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院n优点u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。u扩大了局域网覆盖的地理范围。n缺点u碰撞域增大了，但总的吞吐量并

34、未提高。u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。 集线器基于上是个转发器，它并不能将帧进行缓存。用集线器扩展局域网 云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院n在数据链路层扩展局域网是使用网桥。n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。n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 在数据链路层扩展局域网 1. 网桥的内部结构 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 A111222站地址 接口网桥网桥接口 1接口 21

35、2云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院n过滤通信量。 n扩大了物理范围。n提高了可靠性。n可互连不同物理层、不同 MAC 子层和不同速率（如10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太网）的局域网。 使用网桥带来的好处 云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院网桥使各网段成为隔离开的碰撞域 B2B1碰撞域碰撞域碰撞域ABCDEF云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院n存储转发增加了时延。 n在MAC 子层并没有流量控制功能。 n具有不同 MAC 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(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。

36、这就是所谓的广播风暴。 使用网桥带来的缺点 云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院用户层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DLRMAC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云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院n集线器在转发帧时，不对传输媒体进行检测。n网桥在转发帧之前必须执行 CSMA/CD 算法。n若在发送过程中出现碰撞，就必须停止发送和进行退避。网桥和集线器（或转发器）不同 云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院n若从

37、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。n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。n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。n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。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 云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院地址 接口转发表的建立过程举例B2B1ABCDEF1212地址 接口B 1B AA BA 1F CF 2A BA 1F CF 2云南师范

38、大学信息学院云南师范大学信息学院n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。n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。n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。 网桥在转发表中登记以下三个信息 网桥转发过程站地址 接口时间A12sC13sF23sG26sD313sB127sABCB1B2FGHDE12123B2的转发表云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院网桥的自学习和转发帧的步骤归纳

39、n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。n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。n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。n如有，则按转发表中给出的接口进行转发。n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）。云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院n1990 年问世的交换式集线器(switching hub)，可明显地提高局域网的性能。n交换式集线器常称为以太网交换机(switc

40、h)或第二层交换机（表明此交换机工作在数据链路层）。n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. 多接口网桥以太网交换机 云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院n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。n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。 n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。 以太网交换机的特点云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院n对于普通 10 Mb/s 的共享式以太网，若共有 N 个用户，则每个用户占

41、有的平均带宽只有总带宽(10 Mb/s)的 N 分之一。n使用以太网交换机时，虽然在每个接口到主机的带宽还是 10 Mb/s，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，因此对于拥有 N 对接口的交换机的总容量为 N10 Mb/s。这正是交换机的最大优点。 独占传输媒体的带宽 云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院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云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院用以太网交换机扩展局域网n以太网交换机属于网桥，内部带有转发表

42、地址Cache表，根据第二层（MAC子层）的目的地址进行专访，因此又称为第二层交换机。n第三层交换机：又称路由交换机，比普通的以太网交换机具有更多的智能，了解第三层（网络层）的PDU结构，并根据网络层PDU（例如IP数据报）首部的目的IP地址，查路由表进行专发。云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院虚拟局域网n广播风暴：- 普通HUB的所有接口会广播单播帧（具有单播MAC地址的MAC帧）及广播帧（具有广播地址-48位全1的MAC帧）- SWITCH HUB（第二层交换机）的所有接口不会广播单播帧，但所有接口会广播广播帧。- 路由交换机的所有接口不会广播单播帧及广播帧- 如果一个LAN使用多个

43、交换机，连接很多的计算机（100多或几百台）及服务器，但没有划分VLAN，则多个服务器频繁发送广播帧，每个广播帧会经过多个交换机及普通HUB而到达每个计算机，从而造成广播风暴。云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院n虚拟局域网 VLAN 是指在交换局域网的基础上，采用网络管理软件构建的可跨越不同网段、不同网络的端到端的逻辑网络。一个VLAN组成一个逻辑子网，即一个逻辑广播域，它可以覆盖多个网络设备，允许处于不同地理位置的网络用户加入到一个逻辑子网中。 u这些网段具有某些共同的需求。u每一个 VLAN 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 VLAN。n虚拟局域网其实只是

44、局域网给用户提供的一种服务，而并不是一种新型局域网。 虚拟局域网的概念云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院以太网交换机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云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院以太网交换机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

45、。云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院以太网交换机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 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。 云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院以太网交换机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

46、息(即“广播风暴”)而引起性能恶化。 云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院虚拟局域网组建的条件nVLAN是建立在物理网络基础上的一种逻辑子网，因此建立VLAN需要相应的支持VLAN技术的网络设备。当网络中的不同VLAN间进行相互通信时，需要路由的支持，这时就需要增加路由设备要实现路由功能，既可采用路由器，也可采用三层交换机来完成。 云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院使用使用VLAN优点优点 VLAN是为解决以太网的广播问题和安全性而提出的一种协议，它在以太网帧的基础上增加了VLAN头，用VLAN ID把用户划分为更小的工作组，限制不同工作组间的用户二层互访，每个工作组就是一个虚拟局域

47、网。虚拟局域网的好处是可以限制广播范围，并能够形成虚拟工作组，动态管理网络。(分割广播域和冲突域)u控制广播风暴 u提高网络整体安全性 u网络管理简单、直观 云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院本次主要内容nVlan帧格式和802.1Q协议(P.162)n高速以太网（P.162）n生成树协议（P.176）n无线局域网（P.181）云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院基于端口的VLAN划分静态虚拟局域网 根据以太网交换机的端口来划分 如： Quidway S3526的14端口为VLAN 10，517为VLAN 20，1824为VLAN 30，当然，这些属于同一VLAN的接口可以不连续，如

48、何配置，由管理员决定，如果有多个交换机，例如，可以指定交换机 1 的16接口和交换机 2 的14接口为同一VLAN，即同一VLAN可以跨越数个以太网交换机，根据接口划分是目前定义VLAN的最广泛的方法，IEEE 802.1Q规定了依据以太网交换机的接口来划分VLAN的国际标准。 如果某个VLAN 的用户离开了原来的接口，到了一个新的交换机的某个接口，那么就必须重新定义 云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院基于MAC地址的VLAN划分n根据每个主机的MAC地址来划分 对每个MAC地址的主机都配置它属于哪个组。 优点：当用户物理位置移动时，即从一个交换机换到其他的交换机时，VLAN不用重新配置

49、，（基于用户的VLAN） 缺点: 初始化时，所有的用户都必须进行配置，如果有几百个甚至上千个用户的话，配置是非常累的。另外，对于使用笔记本电脑的用户来说，他们的网卡可能经常更换，这样，VLAN就必须不停的配置。 当用户的主机连接到交换机上的端口时，交换机会判断这台主机的MAC地址。然后根据其内部的虚拟局域网与MAC地址对照表，判断这台主机是属于哪个虚拟局域网的。最后其就把这台主机连接到对应的虚拟局域网中。 云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院基于网络层VLAN划分n这种划分VLAN的方法是根据每个主机的网络层地址或协议类型(如果支持多协议)划分的，虽然这种划分方法是根据网络地址，比如IP地

50、址，但它不是路由，与网络层的路由毫无关系。它虽然查看每个数据包的IP地址，但由于不是路由，所以，没有RIP，OSPF等路由协议，而是根据生成树算法进行桥交换，。n优点: 用户的物理位置改变了，不需要重新配置所属的VLAN，而且可以根据协议类型来划分VLAN，这种方法不需要附加的帧标签来识别VLAN，可减少网络的通信量。 n缺点: 效率低，因为检查每一个数据包的网络层地址需要消耗处理时间。 云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院n虚拟局域网协议允许在以太网的帧格式中插入一个 4 字节的标识符，称为 VLAN 标记(tag)，用来指明发送该帧的工作站属于哪一个虚拟局域网。 虚拟局域网使用的以太网

51、帧格式 802.3MAC 帧字节66246 15004MAC 帧目地地址源地址长度/类型数 据FCS长度/类型 = 802.1Q 标记类型 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2 字节插入 4 字节的 VLAN 标记4用户优先级(3bit) CFI0X8100规范格式标识符nVLAN数据帧交换过程云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院5.4 高速Ethernet研究与发展5.4.1 Fast Ethernetn在传统10Mbps的Ethernet基础上发展起来的一种速率为100Mbps的高速局域网。nIEEE 802委员会正式批准标准

52、IEEE 802.3u。n保留着传统Ethernet的帧格式与最小、最大帧长度等特征。n目前100ASE-T主要有三种物理层标准：100BASE-TX、100BASE-T4、100BASE-FX。云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院支持半双工与全双工工作模式n可以提供半双工模式之外，也可以工作在全双工模式。n全双工模式不存在争用问题，MAC层不需要采用CSMA/CD方法。增加了10Mbps与100Mbps速率自动协商功能n具有10Mbps与100Mbps速率网卡共存的速率自动协商机制。n自动协商只涉及到物理层，不需要人为干预，能够自动配置。云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院Gigab

53、it EthernetnGE可以应用于数据仓库、高性能计算机、存储区域网与云计算硬件平台中。nGE标准是IEEE 802.3z。nGE的传输速率达到了1000Mbps，它仍然保留着传统的Ethernet的帧格式与最小、最大帧长度等特征。n定义了千兆介质专用接口（GMII）。nGE已经成为大、中型局域网系统主干网的首选方案，有着广泛的应用前景。云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院10 Gigabit Ethernet10GbE主要特点：n保留着传统的Ethernet的的帧格式与最小、最大帧长度的特征。n10GbE定义了专用的介质专用接口10GMII。n10GbE只工作在全双工方式，不再不采用

54、CSMA/CD协议，覆盖范围不受传统Ethernet网的冲突窗口限制，传输距离只取决于光纤通信系统的性能。n10GbE的应用领域已经从局域网，逐渐扩展到城域网与广域网的核心交换网之中。n10GbE的物理层协议分为：局域网物理层标准与广域网物理层标准两类。云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院40 Gigabit Ethernet100 Gigabit Ethernet40 GbE与100 GbE研究的背景n移动Internet应用n三网融合的高清视频业务增长的需要n云计算、物联网应用的兴起n城域网与广域网核心交换网传输带宽增长的需求云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院 生成树协议n网桥互

55、联形成环状结构网桥互联形成环状结构云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院涉及到的基本概念n桥桥ID（Bridge Identifier）：桥ID是桥的优先级和其MAC地址的综合数值，其中桥优先级是一个可以设定的参数。桥ID越低，则桥的优先级越高，这样可以增加其成为根桥的可能性。n根桥根桥（Root Bridge）：具有最小桥ID的交换机是根桥。请将环路中所有交换机当中最好的一台设置为根桥交换机，以保证能够提供最好的网络性能和可靠性。n指定桥指定桥（Designated Bridge）：在每个网段中，到根桥的路径开销最低的桥将成为指定桥，数据包将通过它转发到该网段。当所有的交换机具有相同的根路

56、径开销时，具有最低的桥ID的交换机会被选为指定桥云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院n根路径开销根路径开销（Root Path Cost）：一台交换机的根路径开销是根端口的路径开销与数据包经过的所有交换机的根路径开销之和。根桥的根路径开销是零。n桥优先级桥优先级（Bridge Priority）：是一个用户可以设定的参数，数值范围从0到32768。设定的值越小，优先级越高。交换机的桥优先级越高，才越有可能成为根桥。n根端口（Root Port）：非根桥的交换机上离根桥最近的端口，负责与根桥进行通信，这个端口到根桥的路径开销最低。当多个端口具有相同的到根桥的路径开销时，具有最高端口优先级的端

57、口会成为根端口。云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院n指定端口指定端口（Designated Port）：指定桥上向本交换机转发数据的端口。n端口优先级端口优先级（Port Priority）：数值范围从0到255，值越小，端口的优先级就越高。端口的优先级越高，才越有可能成为根端口。n路径开销路径开销（Path Cost）：STP协议用于选择链路的参考值。STP协议通过计算路径开销，选择较为“强壮”的链路，阻塞多余的链路，将网络修剪成无环路的树型网络结构云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院分析生成树协议执行过程的网络结构示意图云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院n有效拓扑结构云南师

58、范大学信息学院云南师范大学信息学院n主机之间的帧传输路径云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院n5.7 无线局域网5.7.1 无线局域网发展背景n无线局域网（WLAN）不仅能够作为独立的一种移动通信网络来使用，而且可以作为传统局域网的补充。n无线局域网以微波、激光与红外线等无线电波作为传输介质，来全部或部分取代传统局域网中的双绞线与光纤。n无线局域网不仅能够满足移动和特殊应用领域网络的要求，还能覆盖有线局域网难以布线的位置。n无线局域网的发展速度很快。目前，支持2Mbps传输速率的系统已经成熟，而速率为40Mbps80Mbps的系统正在研究中。云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院无线局域

59、网802.11协议发展过程n1997年形成了第一个无线局域网的标准802.11。n802.11定义了使用红外、跳频扩频与直接序列扩频技术，传输速率为1Mbps或2Mbps的无线局域网标准。n802.11b定义了使用跳频扩频技术，传输速率为1、2、5.5与11Mbps的无线局域网标准。n802.11a将传输速率提高到54Mbps。n目前802.11标准已经从802.11、802.11a发展802.11j，对多种频段无线传输技术的物理层、MAC层、无线网桥，以及QoS管理、安全与身份认证作出了一系列的规定。云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院扩频无线局域网云南师范大学信息学院云南师范大学信息学

60、院跳频扩频通信（FHSS）云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院直接序列扩频（DSSS）云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院5.7.3 无线局域网IEEE 802.11标准n一跳与多跳一跳与多跳117云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院多对主机同时通信云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院隐藏主机和暴露主机云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院本节主要内容n无线局域网之CSMA/CA协议n点对点链路层之三个问题(p.105)nHDLC和PPP协议(P.125)n停止等待协议(P.120,可放到传输层)云南师范大学信息学院云南师范大学信息学院802.11协议层次结构模型云南师范大学