计算机网络课件+数据链路层

2023/2/41数据链路层

数据链路层的基本概念点对点协议PPP

以太网的数据链路层2023/2/42数据链路层基本概念链路：物理链路(物理线路)，有点-点式链路（点-点信道）和广播式链路（广播信道）两种。数据链路:在物理链路上，通过协议来实现数据传输就构成数据链路（逻辑链路）；主机PAPCPDPB主机数据链路1数据链路2点-点链路2023/2/43在OSI模型中，数据链路层位于第2层，在物理层之上，网络层之下负责把网络层交下来的数据打包成帧传给物理层进行发送，或者从物理层交上来的比特流中识别出帧，并把帧中的数据上交给网络层数据链路层基本概念2023/2/44IP数据报1010……0110帧取出数据链路层链路结点A结点B物理层数据链路层结点A结点B帧(a)(b)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网络层2023/2/45数据链路层使用的信道类型点对点信道：一对一通信广播信道：一对多通信不同信道类型使用的数据链路层协议会有所不同如广域网中使用的点对点协议PPP，以太网中使用的MAC协议分别应用于以上两种信道中2023/2/46根据实际情况，不同的数据链路层协议实现的功能也有所不同。但都要利用物理层提供的比特流服务，以帧为单位向网络层提供无差错的透明传输服务为此，数据链路层需要解决以下问题：2023/2/47数据链路层需解决的问题

链路管理（建立、通信、释放）；帧的封装与解析；帧同步；寻址；流量控制；差错控制；透明传输等；根据实际应用，不同的链路层协议功能有取舍，但封装成帧、透明传输、差错检测这三项是必须解决的基本问题。2023/2/48封装成帧封装成帧(framing)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。帧结束帧首部帧的数据部分帧尾部MTU数据链路层的一帧帧开始网络层数据帧首部、尾部的一个重要作用就是进行帧定界。此外，根据需要，首部和尾部中还包括其它必要信息，如地址信息（物理地址）、数据类型、校验信息等。2023/2/49用字符进行帧定界的方法举例SOH帧数据部分帧帧开始符帧结束符发送在前EOT2023/2/410透明传输SOHEOT出现了“EOT”被接收端当作无效帧而丢弃被接收端误认为是一个帧数据部分EOT完整的帧发送在前2023/2/411解决透明传输问题字节填充或字符填充(转义字符）0比特插入2023/2/412SOHSOHEOTSOHESCESCEOTESCSOHESCESCESCSOH原始数据EOTEOT经过字节填充后发送的数据字节填充字节填充字节填充字节填充发送在前帧开始符帧结束符用字节填充法解决透明传输的问题SOH2023/2/41301001111101000101001001111110001010010011111010001010例：用位序列进行帧定界帧定界标志F（01111110）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比特删除信息中出现F会出现误动作发送端填入0比特接收端删除填入的0比特零比特插入2023/2/414差错检测方法目前数据链路层帧校验广泛采用CRC校验帧开始符帧数据部分CRC帧结束符帧首部帧校验FCS帧尾部注意：帧校验不对帧开始符和帧结束符进行校验2023/2/415

设信息码n位,校验码r位,加校验后的信息为

kｎ~k1qｒ~q1

其中，

kｎ~k1

是有效信息部分,

qｒ~q1

是校验信息部分.

校验部分由以下算法求得:

R(x)是余式，即校验部分2ｒM(x)G(x)=Q(x)+R(x)G(x)M(x)为有效信息多项式,

G(x)为生成多项式,采用模2运算

循环冗余校验CRC(CyclicRedundancyCheck)原理2023/2/416

由上式得2ｒM(x)-R(x)=Q(x)G(x),显然2ｒM(x)-R(x)能被G(x)整除，因为采用模2运算,因此2ｒM(x)＋R(x)也能被G(x)整除;

2ｒM(x)＋R(x)

即是加了校验的信息编码，将其发送到接收方,接收方收到信息后,除以G(x),若能除尽,则表示接收正确,否则表示出错。

如果校验位足够多，还可以指出错误位置。2ｒM(x)G(x)=Q(x)+R(x)G(x)2023/2/417例如:信息1100,则信息多项式M(x)=X3+X2

校验位取3,生成多项式可取

G(x)=X3+X1+1＝1011(比R多1位)M(X)左移r位:2ｒM(X)=X3M(x)

=X6+X5=1100000010即为CRC校验码，发送方发出的编码为

1100000+010

即

11000102ｒM(x)G(x)=1110+0101011;模2除2023/2/418接收方将收到的信息除以G(x),若余数为0,则传输无误.否则根据余数值可确定哪一位出错.1100010,从左到右每次只出现一位错时,余数值分别为101,111,110,011,100,010,001,余数补0再除会反复循环(循环码名称的由来)(7.4)码,3位冗余位,只能纠正7个单错.当出错位多于1位时,只能检出错误,除非增加冗余位.2023/2/419接收方求得余数为0＝无差错？但只要经过严格挑选且保证使用位足够多的G（X），那么检错出意外的概率就非常小。常用的G（X）有以下几种：CRC－16＝X16+X15+X2+1CRC－CCITT＝X16+X12+X5+1CRC－32＝X32+X26+X23+X22+X16+X12+X11+X10+X8+X7+X5+X4+X2+X+1否!2023/2/420

比特传输出错：可用校验序列FCS检测；比特传输没出错，但发生帧丢失、重复或失序，这些问题FCS无法检测，需要差错控制方法解决。

数据链路层传输差错分两种2023/2/421差错控制方法（多采用反馈重传）

停止等待方式效率低！2023/2/422连续工作方式拉回方式或Go-back-NARQ(AutomaticRepeatreQuest)选择重发方式

SARQ（SR）有累积确认功能无累积确认功能2023/2/42309考研：数据链路层采用了后退N帧（GBN）协议，发送方已经发送了编号为0~7的帧。当计时器超时时，若发送方只收到0、2、3号帧的确认，则发送方需要重发的帧数是:A．2B.3C.4D.511考研：数据链路层采用选择重传协议，发方已经发送了编号为0-3的帧。现已收到1号确认，而0、2超时，此时需要重传的帧数是:A．1B.2C.3D.42023/2/424数据链路层协议举例根据实际，有多种数据链路层协议；如广域网中的数据链路层协议PPP、SLIP、HDLC等，局域网中的数据链路层协议MAC子层协议和LLC子层协议等2023/2/425点对点协议PPP(Point-to-PointProtocol)一种点对点的广域网数据链路层协议；用户使用拨号电话线接入因特网时，一般都是使用PPP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PPP是面向连接，尽最大努力交付协议2023/2/426PPP协议的组成1992年制订，1993年和1994年两次修订，成为因特网正式标准[RFC1661]。PPP协议有三个组成部分将IP数据报封装到串行链路的方法。链路控制协议

LCP(LinkControlProtocol)。网络控制协议

NCP(NetworkControlProtocol)。

2023/2/427PPP协议的工作流程1.当用户拨号接入ISP时,首先建立一条物理连接，PC机向路由器发送一系列LCP帧即通过链路控制协议进行认证建立数据链路；2.经网络控制协议NCP进行配置,给新接入的PC分配一个IP地址,这样PC就连到Internet中去了；3.通信结束时,NCP释放网络层连接,收回分配出去的IP地址,接着LCP释放数据链路层连接.最后释放物理层连接。ADSL虚拟拨号：只要打开ADSL猫，ADSL猫就会自动和局方进行连接，即使你不使用也一直连接，然后通过虚拟拨号，向局方发送你的用户和密码，进行协商后才可以上网。向局方发送你的用户和密码的过程就是虚拟拨号，并不存在一个真实电话号码，只是一个身份验证的作用。2023/2/428PPP协议的帧格式PPP有一个2个字节的协议字段。当协议字段为0x0021时，PPP帧的信息字段就是IP数据报。若为0xC021,则信息字段是PPP链路控制数据。若为0x8021，则表示这是网络控制数据。

IP数据报1211字节12不超过1500字节PPP帧先发送7EFF03FACFCS（CRC）F7E协议信息部分首部尾部2023/2/429

同步传输：采用零比特插入技术

异步传输：采用字符填充法。如在信息中如出现7E,则转变为2字节7D,5E,若信息中出现7D,则变为7D,5D,其它的规定见教材.

数据透明传输datatransparency解决办法2023/2/430PPP的派生协议PPPoE

Point-to-PointProtocol

overEthernet

宽带接入取代拨号上网。典型应用ADSL，PC通过以太网卡接入ADSL；在以太网上运行PPP协议完成用户接入的方式称为PPPoE；

PPPoE即保护了用户方以太网资源，又完成了ADSL接入要求，是目前ADSL接入方式中应用最广泛的技术标准。

目标MAC源MAC类型PPPoE帧校验VER(4)Type(4)Code(8)SESSION_ID(16)PPPoE净荷长度(16)数据PPPoE2023/2/431课后请使用抓包软件分析PPPoE会话过程会话过程分两个阶段:

发现阶段(以太网帧类型字段为8863H):

找服务器

PPP会话阶段(以太网帧类型字段为8864H):

认证,分配IP地址,数据传输PPP会话阶段的PPPOE载荷为标准的PPP协议包。

2023/2/432例：针对PPP以下哪些对哪些错A可靠传输B解决透明性C帧封装D支持多点链路E流量控制F面向连接G支持多种网络层协议H按序发送帧I网络层地址协商2023/2/433局域网的数据链路层（以太网为例）局域网关键技术：拓扑结构、传输介质、介质访问技术2023/2/434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局域网一般采用广播信道2023/2/435传输介质同轴电缆双绞线光纤无线 2023/2/436介质访问技术（解决如何共享媒体问题）静态划分信道频分复用时分复用码分复用

动态媒体接入控制（多点接入）随机接入受控接入，如多点探询(polling)，或轮询。（举例：令牌环网）

局域网采用动态媒体接入技术2023/2/437随机介质访问技术种类ALOHA协议是最基本的随机访问技术，最初用于无线广播通信，基本思想：一个站点想发送信息就立即发送，如冲突，各站点分别等一段时间再重发。CSMA协议对ALOHA的改进，CSMA要求站点发之前必须监听信道分为CSMA/CD（冲突检测）和CSMA/CA（冲突避免）。

CSMA/CA要求对收到的帧进行确认。 2023/2/438TDM与CSMA/CD相比，错误的是（）

A、CSMA/CD是一种动态媒体接入技术

B、TDM是一种静态划分信道方式

C、突发性数据适合使用TDM方式

D、使用TDM方式，信道不会发生冲突例题2023/2/439

1980年2月，IEEE成立了局域网标准委员会（简称IEEE802委员会），专门从事局域网标准化工作。IEEE802委员会2023/2/440802局域网802委员会未能推出一个统一的局域网标准，而是制定了各种不同的局域网标准，如802.3以太网,802.4令牌总线,802.5令牌环,802.11无线等；

为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，802将其拆成两个子层：逻辑链路控制LLC(LogicalLinkControl)子层媒体接入控制MAC(MediumAccessControl)子层LLC：负责与传输媒体无关的内容，如链路的管理MAC：负责与传输媒体有关的内容，如媒体的访问、帧的拆装等2023/2/441LLC MAC 802局域网2023/2/442MAC子层与LLC子层关系高层数据LLC数据LLC首部MAC数据MAC首部MAC尾部MAC帧LLC

PDU网络层及以上LLC子层MAC子层物理层2023/2/443IEEE802参考模型与OSI模型对比物理层数据链路层网络层传输层会话层表示层应用层OSI模型物理层MAC层LLC层802模型局域网只定义了物理层和数据链路层传输层网络接口层网络层应用层TCP/IP模型2023/2/444以太网的数据链路层什么是以太网（传统以太网）？一种局域网技术；82年，DEC、Intel、Xerox三家联合推出；总线拓扑，粗缆，曼码，共享信道，10M速率；随机争用型介质访问控制技术CSMA/CD；用以太(Ether)来命名。CSMA/CD:载波监听多点接入(多点访问)/冲突检测

(CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection)2023/2/445

以太网的两个标准DIXEthernetV2；IEEE802.3标准；严格说来，“以太网”应当是指符合DIXV2标准的局域网；IEEE的802.3与DIXV2有差别，但互相兼容。所以将802.3局域网也称为“以太网”。2023/2/44610Mb/s速率，总线拓扑结构，共享介质；CSMA/CD介质访问控制技术；无连接、不可靠，尽最大努力交付；MAC帧结构：曼彻斯特编码；基带传输；传输介质：粗缆。

DIXV2主要内容2023/2/44710Mb/s速率，总线拓扑（或星形），共享介质；CSMA/CD介质访问控制技术；可实现无连接、面向连接；MAC帧结构：曼彻斯特编码；基带传输；传输介质：粗缆，细缆，双绞线，光纤。Lenth/802.3主要内容2023/2/448LLCPDU高层数据LLC数据控制

网络层LLC子层MAC子层111FCSMAC数据长度/类型802.3MAC帧源地址目标地址SSAPDSAP43-14976624高层数据FCSMAC数据类型

DIXV2MAC帧格式源地址目标地址MAC层网络层最长1500字节长度<1500类型>1500两种以太网MAC帧IPv4=0800H,IPv6=86DDH,IPX=8037H,AppleTalk=809BH2023/2/449局域网中对LLC子层的处理20世纪90年代起,以太网产品垄断局域网市场,几乎成为局域网的代名词；LLC层的作用不大；很多厂商生产的网卡只装有MAC协议而没有LLC协议；DIXv2与802.3应用上已无区别。以太网数据链路层特点是不可靠、尽最大努力交付无连接，不确认，不重发（收到出错帧，直接丢弃，其它什么也不做，差错的纠正由高层来做）2012考研试题：以太网的MAC层提供的是：A无连接的不可靠服务B无连接的可靠服务C有连接的可靠服务D有连接的不可靠服务2023/2/450

指每个站在发送之前先要检测一下信道上有无其它计算机在发送数据,如果有则暂不发送,以避免发生碰撞。指多台计算机以多点接入方式连接在一根总线上载波监听:CSMA/CD介质访问控制技术工作原理多点接入:2023/2/451

计算机边发送数据边检测信道上有无其它计算机在发送信息,如果有,表示发生了冲突,要立即停止发送。等待一段时间后再重新竞争信道。冲突检测CSMA/CD介质访问控制技术工作原理2023/2/452先听后发边听边发冲突停发延迟重发CSMA/CD主要内容CSMA/CD介质访问控制技术工作原理2023/2/4531)比较接收到信号的电压的大小2)当采用曼彻斯特编码方式时,可根据过零点的变化判断3)在发送帧时同时进行接收,将收到的信号与发出的信号逐一进行比较若有不符,则有冲突冲突检测的方法:2023/2/454以太网发送的数据使用

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2023/2/455N发送冲突检测冲突吗?放弃帧的发送强化冲突延迟一个随机时间有帧待发?Y成功NYCSMA/CD流程图信道忙?YN载波监听采用动态退避算法进行取值最多16次1－坚持2023/2/4561kmABt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=t=0单程端到端传播时延记为

碰撞窗口2023/2/457CSMA/CD协议说明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；以太网的端到端往返时延2称为争用期，或碰撞窗口；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；2023/2/458CSMA/CD协议说明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。确定基本退避时间，一般是取为争用期2（以太网为51.2us)。定义重传参数k

，k10，即

k=Min[重传次数,10]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。当重传达16次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。二进制指数类型退避算法很显然，以太网解决冲突机制是以时间为代价的。不可靠、不确定、实时性差是以太网的缺限。2023/2/459CSMA/CD协议说明以太网取51.2s为争用期的长度(传播时延+转发器时延+强化冲突时延)。对于10Mb/s以太网，在争用期内可发送512bit，即64字节。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，也就是说，如果发生冲突，就一定是在发送的前64字节之内，因此64字节之后的传输中就不用再进行冲突检测。2023/2/460最短有效帧长

为保证有效检测出冲突，以太网规定最短有效帧长为64字节，若不够则需进行填充；凡接收到的长度小于64字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。2023/2/461强化碰撞

数据发送过程中一旦发现发生了碰撞：立即停止发送数据；但再继续发送若干比特的人为干扰信号(jammingsignal)，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。

2023/2/462数据帧干扰信号TJ人为干扰信号ABTBtB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。图中看出，A从发数据开始到发现碰撞并停止发送时间间隔是TB，强化碰撞时间TJ，可整个信道被占用时间还要再加一个，共为TB

+TJ

+2023/2/463数据帧干扰信号TJ人为干扰信号ABTBtB发送数据A检测到冲突开始冲突信道占用时间A发送数据以太网还规定：帧间最小间隔为9.6us，相当于96比特时间，这么做为的是刚收到数据帧的站有时间清理缓存等，做好接收下一帧的准备。2023/2/464对CSMA/CD的要点详细归纳1）网卡从网络层获得一个分组，组成以太网帧，放入缓存准备发送2）网卡检测信道空闲（96比特时间内没有测到信道上有信号）就发送数据3）发送过程中继续检测信道，若一直没冲突就成功发完。若有碰撞，则中止发送并发干扰信号4）中止发送后，网卡就执行指数退避算法，等待r倍512比特时间后返回到第2）步2023/2/465教材3-24题

假定站点A和B在同一个10Mb/s以太网网段上。这两个站点之间的传播时延为225比特时间。现假定A开始发送一帧，并且在A发送结束之前B也发送一帧。如果A发送的是以太网所容许的最短的帧，那么A在检测到和B发生碰撞之前能否把自己的数据发送完毕？换言之，如果A在发送完毕之前并没有检测到碰撞，那么能否肯定A所发送的帧不会和B发送的帧发生碰撞？（提示：在计算时应当考虑到每一个以太网帧在发送到信道上时，在MAC帧前面还要增加若干字节的前同步码和帧定界符）（8个字节/64位）分析：=225比特时间，最短帧64字节/512位，再加上8字节前导符，A发送帧共576位。2023/2/466解析：设在t=0时A开始发送，在t=（64+8）*8=576比特时间，A应当发送完毕。t=225比特时间，B就检测出A的信号。只要B在t=224比特时间之前发送数据，A在发送完毕之前就一定检测到碰撞。在t=225比特时间之后，就能够肯定不会再发生碰撞了

如果A在发送完毕之前并没有检测到碰撞，那么就能够肯定A所发送的帧不会和B发送的帧发生碰撞2023/2/467教材3-25题在上题中的站点A和B在t=0时同时发送了数据帧。当t=225比特时间，A和B同时检测到发生了碰撞，并且在t=225+48=273比特时间完成了干扰信号的传输。A和B在CSMA/CD算法中选择不同的r值退避。假定A和B选择的随机数分别是rA=0和rB=1。试问A和B各在什么时间开始重传其数据帧？A重传的数据帧在什么时间到达B？A重传的数据会不会和B重传的数据再次发生碰撞？B会不会在预定的重传时间停止发送数据？2023/2/468解析：A先重传，B等512比特（争用期）时间后再重传A273比特传完干扰信号，马上检测信道，225比特后信道空闲下来（B在碰撞后发的干扰信号需要225比特时间的传送时延），还要再持续空闲96比特时间，然后A发送，因此A开始重传时间=273+0*512+225+96=594比特B273比特后再等1*512比特时间开始检测信道，如空闲，则B在273+1*512+96=881比特时间发送数据、否则再退避。2023/2/469A重传的数据在A发送后225比特时间到达B，即从t=0起的594+225=819比特时间B在881比特时间时才重传，所以重传前能检测到A发的数据，因此就不会在预定时间重传数据。2023/2/470教材3-26题以太网上只有两个站，它们同时发送数据，产生了碰撞。于是按截断二进制指数退避算法进行重传。重传次数记为i，i=1，2，3,…..。试计算第1次重传失败的概率、第2次重传失败的概率、第3次重传失败的概率，以及一个站成功发送数据之前的平均重传次数I。解析：设A、B两站，第一次重传，r取值分别为（0，1），（0，1），共4种重传时机，2种再冲突，因此失败率2/4=0.5第二次重传，r取值分别为（0，1，2，3），（0，1，2，3），共16种重传时机，4种再冲突，因此失败率4/16=0.25第三次重传，r取值分别为（0-7），（0-7），共64种重传时机，16种再冲突，因此失败率8/64=0.125依次下去，第10次到第16次失败率一样，16次后停止2023/2/471教材3-26题以太网上只有两个站，它们同时发送数据，产生了碰撞。于是按截断二进制指数退避算法进行重传。重传次数记为i，i=1，2，3,…..。试计算第1次重传失败的概率、第2次重传失败的概率、第3次重传失败的概率，以及一个站成功发送数据之前的平均重传次数I。第1-16次成功概率Pi分别为1/2,1/2*(1-1/4),1/2*1/4*(1-1/8),…平均重传次数=1*P1+2*P2+…16*P16=1.6372023/2/472以太网的信道利用率一个帧从开始发送，经可能发生的碰撞后，将再重传数次，到发送成功且信道转为空闲(即再经过时间使得信道上无信号在传播)时为止，是发送一帧所需的平均时间。

发送成功争用期争用期争用期τ2τ2τ2T0τt占用期发生碰撞发送一帧所需的平均时间…2023/2/473

参数a

要提高以太网的信道利用率，就必须减小与T0之比。在以太网中定义了参数a，它是以太网单程端到端时延与帧的发送时间T0之比：a→0表示一发生碰撞就立即可以检测出来，并立即停止发送，因而信道利用率很高。

a越大，表明争用期所占的比例增大，每发生一次碰撞就浪费许多信道资源，使得信道利用率明显降低。2023/2/474在理想情况下（不发生冲突），以太网上成功发送一帧占用信道时间T0+；此时，以太网的极限信道利用率为T0/（T0+）=1/（1+a），这里a=/T0；a越小越好，可以看出，要保证有合理的a，数据率一定时，以太网连线长度受限制（否则会太大），同时，以太网的帧长不能太短（否则T0会太小）。2023/2/475某局域网采用CSMA/CD协议实现介质访问控制，数据传输速率为10MbPS,主机甲和主机乙之间的距离为2Km，信号传播速度是200000KmS.请回答下列问题，并给出计算过程。

(1)若主机甲和主机乙发送数据时发生冲突，则从开始发送数据时刻起，到两台主机均检测到冲突时刻止，最短需经多长时间?最长需经过多长时间?(假设主机甲和主机乙发送数据过程中，其他主机不发送数据)

(2)若网络不存在任何冲突与差错，主机甲总是以标准的最长以大网数据帧(1518字节)向主机乙发送数据，主机乙每成功收到一个数据帧后，立即发送下一个数据帧，此时主机甲的有效数据传输速率是多少?(不考虑以大网帧的前导码)

2010考研题2023/2/476解答：

(1)当甲乙同时向对方发送数据时，两台主机均检测到冲突所需时间最短;

(1Km/200000Km/S)*2=1*10-5S当一方发送的数据马上要到达另一方时，另一方开始发送数据，两台主机均检测到冲突所需时间最长;

(2Km/2000000Km/S)*2=2*10-5S

(2)发送一帧所需时间;1518B/10MbPS=1.2144mS数据传播时间;2Km/200000Km/S=1*10-5S=0.01mS有效的数据传输速率=10MbPS*[1.2144mS/（1.2144+0.01）mS]=9.92MbPS2023/2/4772011考研题对正确收到的帧进行确认的MAC协议是：A、CSMA B、CDMA C、CSMA/CD D、CSMA/CACSMA/CD用于逻辑上属于总线式的有线局域网CSMA/CA用于无线局域网，无线局域不能使用CSMA/CD（因为隐藏站问题，暴露站问题，远近效应问题等）2013考研题：下列介质访问控制方法中，可能发生冲突的是：

A.CDMAB.CSMAC.TDMAD.FDMA2023/2/478一个CSMA/CD网，电缆长度为1km，信号传播速度为200000Kmps，帧长10000位，为保证CSMA/CD协议的正确实施，要求网络最大传输速率为（）。

A1MbpsB2GbpsC5MbpsD1Gbps（帧长/网络传输速率）大于等于2倍端到端时延得最大速率1G2023/2/479以太网的MAC地址（硬件地址或物理地址）802标准规定MAC地址可用：

6字节，全局地址

2字节，局部地址以太网中采用全局地址，生产网卡时将MAC地址固化在网卡的ROM里，因此MAC地址也是网卡（适配器）地址。

解决以太网中系统的标识问题2023/2/480以太网的MAC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-F62023/2/481

本机网卡MAC地址查看

C:\ipconfig/all2023/2/482MAC地址=ManufactureID（24位）

+NICID（24位）厂商号由IEEE分配，网卡号由生产厂家分配

Cisco00-00-0cD-link00-00-213Com00-40-B4厂商单元网卡单元24位24位MAC地址Q：如何保证MAC地址唯一？IEEE规定以太网6字节的MAC地址中，第一个字节的最低位为I/G(0/1Individual/Group)位，因此只有23位做为厂商标识。举例：单播地址：00-e0-f0-00-00-08，一对一组播地址：01-e0-f0-00-00-08，一对多2023/2/483网卡从网络上每收到一个MAC帧首先用硬件检查MAC帧中的MAC地址.如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他的处理。否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。“发往本站的帧”包括以下三种帧：

单播(unicast)帧（一对一）多播(multicast)帧（一对多）广播(broadcast)帧（一对全体），广播地址是FFFFFFFFFFFFH2023/2/484

以太网卡可以识别单播帧、广播帧，多（组）播帧；正常情况下，以太网卡工作在接收单播帧和广播帧方式；

设置成混杂方式可以接收通过该卡的所有数据帧。以太网卡的工作方式2023/2/485以太网MAC帧格式（DIXV2）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数据报目的地址字段6字节2023/2/486以太网MAC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数据报源地址字段6字节2023/2/487以太网MAC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。IPv4=0800H,IPv6=86DDH,IPX=8037H,AppleTalk=809BH2023/2/488以太网MAC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

2023/2/489以太网MAC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FCS字段4

字节CRC当数据字段长度小于46字节时，应在数据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。2023/2/490以太网MAC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1010101010101010101010101010101011前同步码帧开始定界符7字节1字节…8字节插入为了达到比特同步，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。2023/2/491101010……110

同步码与定界符的作用2023/2/492帧间最小时间间隔以太网各帧之间必须有一定的间隔，帧间最小间隔为9.6s，相当于96bit的发送时间。一个站在检测到总线开始空闲后，还要等待9.6s才能再次发送数据。因此以太网不需要使用帧结束定界符，也无需使用字节插入来保证透明传输。2023/2/493数据字段的长度与长度字段的值不一致；帧的长度不是整数个字节；用收到的帧检验序列FCS查出有差错；数据字段的长度不在46~1500字节之间。有效的MAC帧长度为64~1518字节之间。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2023/2/494以太网网卡2023/2/495

以太网网卡功能：完成物理层与数据链路层功能。包括与传输介质的连接,介质访问控制(如CSMA/CD)的实现,数据帧的拆装,帧的发送与接收,错误校验,数据信号的编码/解码,数据的串并转换等。

2023/2/496局域网组网技术

组局域网时，如果没有什么特殊要求，总是选择以太网，以太网适用于绝大多数类型的网络应用，而且其市场占有率在90%以上，购买设备时选择的余地非常大。以太网有多个产品标准供选择使用。

一般来讲2023/2/497以太网(10M)、快速以太网(100M)(fastethernet)、千兆以太网、万兆以太网

以太网种类10Base-5；10Mb/s速率，基带传输，总线拓扑，粗缆介质

10Base-T；10Mb/s速率，基带传输，星型拓扑，双绞线

100Base-T；100Mb/s速率…

以太网产品标准2023/2/498组建局域网的步骤：

网线的制作

网卡的安装

布线与连接

软件的安装

调试与设置2023/2/499网线制作RJ-45接口★双绞线分为屏蔽双绞线（STP）、非屏蔽双绞线（UTP）★从性价比和维护性出发，大多数局域网使用UTP在EIA/TIA－568标准中，将双绞线按电气特性分为：三类、四类、五类，最常用的是三类线和五类线，类号越高性能越好。100M以太网使用五类以上。2023/2/4100

TIA/EIA规定两种布线线序T568A,T568B

T568B规定RJ-45各脚位与联机缆线颜色对照为:

1-白橙,2-橙,3-白绿,4-蓝,5-白蓝,6-绿,7-白棕,8-棕Pair1Pair2Pair3Pair4Pair1Pair2Pair3Pair4T568A规定RJ-45各脚位与联机缆线颜色对照为:

1-白绿,2-绿,3-白橙,4-蓝,5-白蓝,6-橙,7-白棕,8-棕2023/2/4101接头脚号功能功能代码1传送+Tx+2传送-Tx-3接收+Rx+4保留5保留6接收-Rx-7保留8保留以太网卡上RJ-45插座各引脚功能接头脚号功能功能代码1接收+Rx+2接收-Rx-3传送+Tx+4保留5保留6传送-Tx-7保留8保留以太集线器上RJ-45插座各引脚功能网卡、HUBRJ－45接口引脚与信号对应关系2023/2/4102直通UTP电缆T568B-T568B计算机HUB做网线3种线序:直连线,交叉线,翻转线2023/2/4103交叉UTP电缆T568B-T568A计算机计算机2023/2/4104

直连线交叉线翻转线T568B-T568BT568B-T568AT568B-T568B(翻转)计算机-集线器计算机-交换机路由器-集线器路由器-交换机集线器-集线器(UPLink)交换机-交换机(UPLink)计算机-计算机路由器-路由器计算机-路由器集线器-集线器交换机-交换机计算机的串口-路由器,交换机等网络设备的控制台端口(用于通过超级终端对网络设备进行初始化设置)目前许多设备都有自动翻转功能2023/2/4105布线原则5类UTP，星型拓扑每个站点到集线器的距离不超过100m网络只允许级联2台Hub，Hub间距离不超过5m网络的最大传输距离是205m每个网段上的站点数不超过1024以100Base-T为例2023/2/4106连网两台计算机多台计算机交换机或HUB2023/2/4107添加网络协议：若没有特殊需求，选用TCP/IP打开本地连接属性窗口2023/2/4108配置TCP/IP协议打开TCP/IP协议属性窗口配置IP地址、子网掩码、默认网关、域名服务器使用Ping命令测试网络2023/2/4109局域网的扩展

在物理层上扩展局域网（HUB）

在数据链路层扩展局域网（网桥，交换机）2023/2/4110网卡工作站网卡工作站网卡工作站双绞线HUBHUB（集线器）

功能：对接收的信号再生整形放大并转发，以扩展网络传输的距离；将同类型、同速率的两个局域网段连接成一个更大范围的局域网；工作在物理层，多个接口共享一个冲突域；表面上星形结构，逻辑上仍是总线结构。在物理层上扩展局域网2023/2/4111三个网络，三个独立的碰撞域一系二系三系碰撞域碰撞域碰撞域HUB连网2023/2/4112HUB连网一系三系二系主干集线器形成一个更大的碰撞域碰撞域优点：扩大了局域网覆盖范围缺点：碰撞域增大，总吞吐量可能下降2023/2/4113在数据链路层扩展局域网网桥（桥接器）2023/2/4114

网桥的基本分类

透明网桥（transparentbridge）源路选网桥（sourceroutingbridge）

2023/2/4115透明网桥由各个网桥自己来决定转发路径，各站点不负责路径选择，网桥对于互连局域网的各站点来说是“透明”的；最大优点是容易安装，即插即用。2023/2/4116透明网桥工作过程

网桥端口管理软件网轿协议实体站表站地址端口

端口1缓冲区端口2站a站b站c站e站f站d网段A网段B111222abcdef2023/2/4117

在端口x收到无差错的帧站表中找到目的站?方向为端口x?向正确的方向转发此帧源站在站表中?更新定时器向除x以外的所有桥的端口转发此帧丢弃此帧将源站加入在站表中,置新的定时器NYYNNY透明网桥工作流程图2023/2/4118网桥通过生成树算法可以自动消除环路。2023/2/4119网桥特点

在数据链路层连接两个局域网段，形成一个范围更大的局域网；对帧进行过滤转发（根据源物理地址、目标物理地址、协议）；可以连接不同类型、不同速率的局域网；隔离冲突域，不隔离广播域。2023/2/4120过滤通信量。扩大了物理范围。隔离了冲突域。可互连不同物理层、不同MAC子层和不同速率（如10Mb/s和100Mb/s以太网）的局域网。使用网桥带来的好处2023/2/4121存储转发增加了时延。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。这就是所谓的广播风暴。使用网桥带来的缺点2023/2/4122交换机-多端口网桥

由网桥发展而来，属于OSI的第二层，所以叫二层交换机除具有网桥功能外还增加了新功能，如支持VLAN、链路汇聚、路由等功能具有路由功能的交换机可以完成网络层的路由选择功能，所以又称为三层交换机三层交换机工作原理：端口接收到数据，首先在二层芯片查目的MAC，如查到就进行二层转发，否则送至三层引擎，在三层中查找相应路由信息，再根据ARP协议得到目标MAC地址，将该MAC地址发到二层芯片，由二层转发该数据包（后面对同样目的的包可以直接二层转发，即一次路由多次转发）2023/2/4123交换机原理图2023/2/4124交换机与网桥的不同交换机端口多；交换机采用基于硬件的转发机制（网桥采用软件机制），其交换时延可以减少到μs量级；网桥只支持存储－转发交换模式，而交换机还支持直通式和碎片（折中）式。2023/2/4125

先将输入端口到来的数据包缓存起来，检查数据包是否正确，并过滤掉冲突包错误。确定包正确后，取出目的地址，通过查找表找到想要发送的输出端口地址，然后将该包发送出去。存储转发方式在数据处理时延时大，但是它可以对进入交换机的数据包进行错误检测，并且能支持不同速度的输入／输出端口间的交换，支持不同协议帧之间的转换。存储转发方式2023/2/4126直通方式交换机可以理解为在各端口间是纵横交叉的线路矩阵。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，实现交换功能。由于它只检查数据包的包头,不需要存储，所以切入方式具有延迟小，交换速度快的优点

直通交换方式2023/2/4127交换结构I1I3I2O1O2存储器I1I3I2O1O2I1I3I2O1O2O3(a)通过存储器(c)通过互连网络(b)通过总线总线互连网络O3O32023/2/4128缺点主要有四方面：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／输出端口直接接通；当以太网交换机的端口增加时，交换矩阵变得越来越复杂，实现起来就越困难；网上传输残帧,增加网络负担。2023/2/4129这是介于直通式和存储转发式之间的一种解决方案。它在转发前先检查数据包的长度是否够64个字节（512bit），如果小于64字节，说明是假包（或称残帧），则丢弃该包；如果大于64字节，则发送该包。该方式的数据处理速度比存储转发方式快，但比直通式慢无碎片转发方式2023/2/4130

目前,低端交换机通常只拥有一种转发模式，或是存储转发模式，或是直通模式，往往只有中高端产品才兼具两种转发模式，并具有智能转换功能，可根据通信状况自动切换转发模式。通常情况下，如果网络对数据的传输速率要求不是太高，可选择存储转发式交换机；如果网络对数据的传输速率要求较高，可选择直通转发式交换机,目前存储转发方式是主流。

目前交换机采用的转发方式2023/2/4131

交换机是HUB的升级换代产品工作层次不同：HUB工作在第一层，交换机至少工作在第二层数据传输方式不同：HUB采用广播式，交换机是有目的传输，只有在转发表中找不到目标是才使用广播带宽占用方式不同：HUB共享总线带宽，交换机独享带宽传输模式不同：HUB只能采用半双工，交换使用全双工

交换机与HUB比较2023/2/4132对于普通10Mb/s的共享式以太网，若共有N个用户，则每个用户占有的平均带宽只有总带宽(10Mb/s)的N分之一。使用交换机时，虽然在每个接口到主机的带宽还是10Mb/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N10Mb/s（2N10）。这正是交换机的最大优点。交换机独占传输媒体的带宽2023/2/4133分类标准多种，通常根据传输介质和传输速率分类交换机的分类以太网交换机：指带宽在100Mbps以下的以太网所用的交换机，所用介质有双绞线，铜缆快速以太网交换机：带宽为100Mbps，传输介质为双绞线或光纤，可以10/100Mbps自适应千兆以太网交换机：带宽可达1000Mbps，一般用于骨干网段，传输介质可用双绞线和光纤万兆以太网交换机：带宽可达10000Mbps，一般用于骨干网段，传输介质为光纤2023/2/4134交换机的分类ATM交换机：用于ATM网络，目前只用在电信邮政网的主干网段，其产品在市场上很少看到FDDI交换机2023/2/4135交换机的主要技术指标机架插槽数：指机架式交换机能安插的最大模块数扩展槽数：指固定配置式交换扩展槽能安插的最大模块数支持的网络类型：可支持一种以上网络，以太网，快速以太网，千兆以太网等背板吞吐量：也称背板带宽，表示交换机所能吞吐的最大数据量MAC地址表大小：用于定位转发端口2023/2/4136交换机的品牌品牌很多，主流产品有思科、3COM等（国外），华为、锐捷、D-LINK等（国内）。思科、华为产品性能好，价格高，占领大公司大企业市场锐捷产品主攻教育领地其它产品各有千秋2023/2/4137一个用以太网交换机扩展局域网的例子一系三系二系10BASE-T至因特网100Mb/s100Mb/s100Mb/sWEB服务器MAIL

服务器以太网交换机路由器2023/2/41382013考研：对于100Mbps的以太网交换机，当输出端口无排队，以直通交换（cut-throughswitching）方式转发一个以太网帧（不包括前导码）时，引入的转发延迟至少是A.0μsB.0.48μsC.5.12μsD.121.44μs2023/2/4139交换机多个端口之间可并发连接，从而增加网络带宽隔离冲突域，减少冲突,提高吞吐率；

交换式局域网

通过交换机连网的局域网称作交换式局域网

交换式局域网优点：典型的交换式局域网：交换式以太网（switchedEthernet），核心部件：以太网交换机（Ethernetswitch）。2023/2/41402023/2/4141从10Base-T以太网转到交换式以太网时，只需将HUB换成交换机，其它接入设备的软件、硬件都不需做任何改动。交换式以太网继续使用CSMA/CD协议。从共享式以太网到交换式以太网2023/2/4142

根据需要，将网络上的结点划分成若干个“逻辑工作组”，一个逻辑工作组即为一个虚拟局域网；目的：分割广播域，提高安全性

交换式局域网是组建VLAN的基础利用交换机实现虚拟局域网（VirtualLAN）

2023/2/4143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VLAN32023/2/4144

IEEE802.1Q

标准在以太网的帧中插入一个4字节的标识符,称为VLAN标记(tag),用来指明发送信息的站属于哪个VLAN。目的地址源地址tag(4)长度/类型数据FCS664246~15004802.3MAC帧虚拟以太网帧格式2023/2/4145802.3MAC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

1000000100000000VID

2字节2字节插入4字节的VLAN标记4用户优先级CFI当数据链路层检测到MAC帧的源地址字段后面的2字节内容为8100H时,就知道帧中插入了VLAN标记,于是就根据VLAN标记后面的VLAN标记符VID进行转发.2023/2/4146802.3MAC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

1000000100000000VID

2字节2字节插入4字节的VLAN标记4用户优先级CFIVID：VLAN标识符占12bit，可表示的VLAN数一共4096个(0-4095之间)

其中0和4095被802.1Q协议保留，所以VLAN的最大个数是4094(1-4094)个2023/2/4147802.3MAC帧字节66246~15004MAC帧VID=111111A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

1000000100000000VID=1

2字节2字节插入4字节的VLAN标记4用户优先级CFIA

例如，VLAN1中的A发了一广播帧，只有属于VLAN1中的1，3，7，8端口收到如果不划分VLAN，A的广播帧交换机上的所有端口都能收到2023/2/4148

优先级

占3位，用来表明的IEEE802.1Q的优先级，主要用于流量大时的优先级处理。IEEE802.1Q的优先级共有8级(0-7)。

CFI-CanonicalFormatIndicator

CFI占1位，当其值为1时，表明MAC地址是非标准格式，如果是0则MAC地址是标准格式。

2023/2/4149

1、基于交换机端口最常用，大多数支持VLAN的交换机提供该VLAN配置方式

缺点：当用户从一个端口移动到另一个端口时，VLAN成员变化。

优点：用户不需要配置，对用户透明。

VLAN的划分方法2023/2/41502023/2/4151

2、基于MAC地址划分VLAN

为每个MAC地址的主机配置属于哪个组，VLAN交换机跟踪属于VLAN的MAC地址。优点：允许结点移动到网络其他物理网段。由于结点的MAC地址不变，所以该结点将自动保持原来的VLAN成员地位。缺点：每个用户都要进行配置

VLAN的划分方法2023/2/41523、基于网络层协议划分VLAN4、根据IP组播划分VLAN5、按策略划分VLAN：

有多种分配方法，网管人员根据单位要求决定选用哪种类型。

VLAN的划分方法2023/2/4153

一种封装技术,将多条链路合并为一条链路，供个VLAN可共享trunk（干道）IEEE802.1Q每个交换机端口有两种模式：ACCESS和TRUNK，ACCESS只允许端口加入一个VLAN，TRUNK允许端口为任何VLAN传输信息2023/2/4154Trunk必须配置为TRUNK模式2023/2/