802.3以太网学习(三)

1、802.3以太网一、一、 以太网的来源以太网的来源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：逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control)子层介质访问控制 MAC (Medium Access Control)子层。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。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 802 委员会制定的逻辑链路控制子层 LLC（即 802

2、.2 标准）的作用已经不大了。二、以太网的帧结构下面主要介绍了四种不同格式的以太网帧格式。 在每种格式的以太网帧的开始处都有64比特（8字节）的前导字符，如图1所示。其中，前7个字节称为前同步码前同步码（Preamble），内容是16进制数0 xAA，最后1字节为帧起始帧起始标志符标志符0 xAB，它标识着以太网帧的开始。前导字符的作用是使接收节点进行同步并做好接收数据帧的准备。 除此之外，不同格式的以太网帧的各字段定义都不相同，彼此也不兼容。下面分别介绍下各自的帧格式。Ethernet II即DIX 2.0：Xerox与DEC、Intel在1982年制定的以太网标准帧格式，Ethernet

3、802.3 rawNovell在1983年公布的专用以太网标准帧格式，Ethernet 802.3 SAPIEEE在1985年公布的Ethernet 802.3的SAP（服务访问点，即逻辑接口）版本以太网帧格式，Ethernet 802.3 SNAPIEEE在1985年公布的Ethernet 802.3的SNAP版本以太网帧格式，三、以太网的传输介质以太网可以采用多种连接介质，包括同轴缆、双绞线和光纤等。其中双绞线多用于从主机到集线器或交换机的连接，而光纤则主要用于交换机间的级联和交换机到路由器间的点到点链路上。同轴缆作为早期的主要连接介质已经逐渐趋于淘汰。 注意区分双绞线中的直通线和交叉线两

4、种连线方法. 直通电缆：电缆两端线序完全一致 交叉电缆：两端线序相反 以下连接应使用直通电缆： 交换机到路由器以太网端口 计算机到交换机 计算机到集线器 交叉电缆用于直接连接 LAN 中的下列设备： 交换机到交换机 交换机到集线器 集线器到集线器 路由器到路由器的以太网端口连接 计算机到计算机 计算机到路由器的以太网端口 注：双绞线的规范有两种，即EIA/TIA 568A和EIA/TIA 568B四、以太网的拓扑结构 总线型：所需的电缆较少、价格便宜、管理成本高，不易隔离故障点、采用共享的访问机制，易造成网络拥塞。早期以太网多使用总线型的拓扑结构，采用同轴缆作为传输介质，连接简单，通常在小规模

5、的网络中不需要专用的网络设备，但由于它存在的固有缺陷，已经逐渐被以集线器和交换机为核心的星型网络所代替。 星型：管理方便、容易扩展、需要专用的网络设备作为网络的核心节点、需要更多的网线、对核心设备的可靠性要求高。采用专用的网络设备（如集线器或交换机）作为核心节点，通过双绞线将局域网中的各台主机连接到核心节点上，这就形成了星型结构。星型网络虽然需要的线缆比总线型多，但布线和连接器比总线型的要便宜。此外，星型拓扑可以通过级联的方式很方便的将网络扩展到很大的规模，因此得到了广泛的应用，被绝大部分的以太网所采用。五、以太网分类 共享式以太网共享式以太网 共享式以太网的典型代表是使用10Base2/10

6、Base5的总线型网络和以集线器为核心的星型网络。在使用集线器的以太网中，集线器将很多以太网设备集中到一台中心设备上，这些设备都连接到集线器中的同一物理总线结构中。 集线器的工作原理： 集线器并不处理或检查其上的通信量，仅通过将一个端口接收的信号重复分发给其他端口来扩展物理介质。所有连接到集线器的设备共享同一介质，其结果是它们也共享同一冲突域、广播和带宽。因此集线器和它所连接的设备组成了一个单一的冲突域。如果一个节点发出一个广播信息，集线器会将这个广播传播给所有同它相连 的节点，因此它也是一个单一的广播域。 交换式以太网交换式以太网 交换式结构： 在交换式以太网中，交换机根据收到的数据帧中的M

7、AC地址决定数据帧应发向交换机的哪个端口。因为端口间的帧传输彼此屏蔽，因此节点就不担心自己发送的帧在通过交换机时是否会与其他节点发送的帧产生冲突。 为什么要用交换式网络替代共享式网络： 减少冲突：交换机将冲突隔绝在每一个端口（每个端口都是一个冲突域），避免了冲突的扩散。 提升带宽：接入交换机的每个节点都可以使用全部的带宽，而不是各个节点共享带宽。六、共享式以太网 在传统的共享以太网中，所有的节点共享传输介质。如何保证传输介质有序、高效地为许多节点提供传输服务，就是以太网的介质访问控制协议要解决的问题。 介质访问控制协议 作用，有效的分配传输介质的使用权。 在哪里控制：集中式和分布式。 怎样控制

8、：1）集中式控制中有一个键空战专门实施介质的访问控制功能，任何工作站必须得到监控站的允许擦能向网络发送数据；2）分布式控制方案中，所有工作站共同完成介质访问控制功能。其中分布式有同步式和异步式，同步式是各个连接分配固定的带宽，异步式是按需分配带宽。异步分配方法可划分为循环，预约和竞争。 对于总线型、星型和树型拓扑最适合的介质访问控制协议是CSMA/CDCSMA/CD CSMA/CD是Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection 的缩写，可译为“载波侦听多路访问/冲突检测” 1）载波侦听（carrier sense），意思是网络上各

9、个工作站在发送数据前都要侦听总线上有没有数据传输。若有数据传输 （称总线为忙），则不发送数据；若无数据传输（称总线为空），立即发送准备好的数据。 2）多路访问（multiple access)意思是网络上所有工作站收发数据共同使用同一条总线，且发送数据是广播式的。 3）冲突（collision），意思是，若网上有两个或两个以上工作站同时发送数据，在总线上就会产生信号的混合，两个工作站都辨别不出真正的数据是什么。这种情况称数据冲突又称碰撞。 4）冲突检测（collision detected），为了减少冲突发生后的影响。工作站在发送数据过程中还要不停地检测自己发送的数据，有没有在传输过程中与其它

10、工作站的数据发生冲突CSMA/CD协议 CSMA/CD的原理为：先听后发，边发边听，冲突停发，随机延迟后重发监听算法当一个站准备好帧，发送之前先监听信道，有以下三种监听算法：1）非坚持型监听算法1、若信道空闲，立即发送，否则转22、若信道忙，则后退一个随机时间，重复12）1-坚持型监听算法1、若信道空闲，立即发送，否则转22、若信道忙，继续监听，直到信道空闲后立即发送3）P-坚持型监听算法1、若信道空闲，以概率P发送，以概率（1-P）延迟一个时间单位。一个时间单位等于网络传输延时2、若信道忙，继续监听直到信道空闲，转13、如果发送延迟一个时间单位，则重复1冲突检测 载波监听只能减小冲突的概率，

11、不能完全避免冲突。为了减少冲突产生的宽带浪费，发送站应采取边发边听的冲突检测方法 1、发送帧的同时接收： 1）发送期间同时接收，并把接收的数据与站中存储的数据进行比较 2）若比较结果一致，说明没有冲突，重复1 3）若比较结果不一致，说明发生冲突，立即停止发送，并发送一个简短的干扰信号（jamming），使所有站都停止发送 4）发送jamming信号后，等待一段随机长的时间，重新监听，再试着发送。 冲突窗口：网络传播延迟的两倍最小帧长min2/LRd v2、比较接收到的信号的电压大小。只要接收到的信号的电压摆动值超过某一门限值，就可以认为发生了冲突二进制退避算法 具体步骤如下： 1）确定基本退避

12、时间（基数），一般定为2，也就是一个争用期时间，对于以太网就是51.2s。 2）定义一个参数K，为重传次数，Kmin重传次数，10，可见K10。 3）从离散型整数集合0，1，2，(2k1)中，随机取出一个数记做R。那么重传所需要的退避时间为R倍的基本退避时间：即：TR2。 4）当重传16次不成功，就丢弃该帧，传输失败，报告给高层协议。 如：第一次重传K1，R0，1；T0，2t。T在二者中随机选择。 那么第二次重传K2，R0，1，2，3；T0，2t，4t，6t。 如此可见，重传数次越多，则退避的时间就越长，称为动态退避。七、交换式以太网 交换式以太网是以交换式集线器（switching hub）

13、或交换机（switch）为中心构成，是一种星型拓扑结构的网络。交换机原理 1）交换机根据收到数据帧中的源MAC地址建立该地址同交换机端口的映射，并将其写入MAC地址表中。 2）交换机将数据帧中的目的MAC地址同已建立的MAC地址表进行比较，以决定由哪个端口进行转发。 3）如数据帧中的目的MAC地址不在MAC地址表中，则向所有端口转发。这一过程称之为泛洪（flood）。 4）广播帧和组播帧向所有的端口转发。 交换机的三个主要功能： 学习：以太网交换机了解每一端口相连设备的MAC地址，并将地址同相应的端口映射起来存放在交换机缓存中的MAC地址表中。 转发/过滤：当一个数据帧的目的地址在MAC地址表

14、中有映射时，它被转发到连接目的节点的端口而不是所有端口（如该数据帧为广播/组播帧则转发至所有端口）。 消除回路：当交换机包括一个冗余回路时，以太网交换机通过生成树协议避免回路的产生，同时允许存在后备路径。交换机的学习： 交换机的转发方式 1）. 直通转发（cut-through switching ） 2） 存储转发（Store-and-Forward switching） 3.） 碎片隔离式转发（segment-free switching）七、高速以太网 1、快速以太网 100Mbps的快速以太网标准IEEE802.3u2、千兆以太网千兆以太网传输速度更快，作为主干网提供无阻塞的数据传输服

15、务。标准是IEEE802.3z和IEEE802.3ab3、万兆以太网标准是IEEE802.3ae与千兆以太网一样，万兆以太网基本应用于点到点线路，不在共享宽带，没有冲突检测，载波监听和多路访问技术也不再重要八、虚拟局域网 虚拟局域网（VLAN）是一组逻辑上的设备和用户，这些设备和用户并不受物理位置的限制，可以根据功能、部门及应用等因素将它们组织起来，相互之间的通信就好像它们在同一个网段中一样 把物理网络化分为VLAN的好处如下： 1）控制网络流量 2）提高网络安全性 3）灵活的网络管理 VLAN的帧格式 现在使用最广泛的VLAN协议标准是 IEEE 802.1Q，许多厂家的交换机/路由器产品都

16、支持IEEE 802.1Q标准。Type：长度为2 bytes，表示帧类型，802.1Q tag帧中Type字段取固定值0 x8100，如果不支持802.1Q的设备收到802.1Q帧，则将其丢弃。PRI：priority字段，长度为3 bit，表示 以太网帧的优先级，取值范围是07，数值越大，优先级越高。当交换机/路由器发生传输拥塞时，优先发送优先级高的数据帧。CFI：Canonical Format Indicator规范格式指示，长度为1bit，表示MAC地址是否是经典格式。CFI为0说明是经典格式，CFI为1表示为非经典格式。该字段用于区分以太网帧、FDDI帧和令牌环网帧，在以太网帧中，

17、CFI取值为0。VID：VLAN ID，长度为12 bit，取值范围是04095，其中0和4095是保留值，不能给用户使用。 VLAN虚拟局域网分类: 1）静态VLAN： 基于端口的VLAN 2）动态VLAN： 基于MAC地址的VLAN 基于路由的VLAN 基于策略的VLAN 以上划分VLAN的方式中，基于端口的VLAN方式建立在物理层上；MAC方式建立在数据链路层上；基于路由的VLAN方式建立在第三层上。 VLAN的工作模式： Access模式的交换端口往往只能属于1个VLAN，通常用于连接普通计算机的端口； Trunk模式的交换端口可以属于多个VLAN，能够发送和接收多个VLAN的数据报文

18、，通常使用在交换机之间的级联端口上； multi模式的交换端口可以属于多个VLAN，能够发送和接受多个VLAN的数据报文，可以用于交换机之间的连接，也可以用于连接普通计算机的端口。 multi端口和trunk端口的不同之处在于multi毒啊口可以语序多个VLAN的报文不打标签，而trunk端口只允许默认VLAN的报文不打标签。 VLAN的配置方式： 1）在全局模式下创建VLAN 2）在VTP域配置模式下创建VLANVTP VTP（VLAN Trunking Protocol）：是VLAN中继协议，也被称为虚拟局域网干道协议。它是一个OSI参考模型第二层的通信协议，主要用于管理在同一个域的网络范围内VLANs的建立、删除和重命名。然后同步到其他所有交换机上，从而在整个网络上维持VLAN配置的一致性。