《现代通信网》第五章-以太网

第五章以太网第5章以太网5.1局域网概述5.2传统以太网5.2.1以太网的工作原理5.2.2传统以太网的连接方法5.2.3以太网的信道利用率5.3以太网的MAC层5.3.1MAC层的硬件地址5.3.2两种不同的MAC帧格式2022/4/3第4章局域网（续）5.4扩展的局域网5.4.1在物理层扩展局域网5.4.2在数据链路层扩展局域网5.5虚拟局域网5.5.1虚拟局域网的概念5.5.2虚拟局域网使用的以太网帧格式2022/4/3第4章局域网（续）5.6QinQ技术5.6.1QinQ技术基础5.6.2BPDUTunnel应用5.6.3灵活QinQ原理与应用5.7高速以太网5.7.1100BASE-T以太网5.7.2Gigabit以太网5.7.310Gigabit以太网2022/4/35.1局域网概述

局域网的技术特点

覆盖有限的地理范围；具有较高的数据传输速率(10～100Mb/s)、低误码率(<10-8)的高质量数据传输环境；一般属于一个单位所有，易于建立、维护和扩展。

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。

局域网具有如下的一些主要优点：

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。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。提高了系统的可靠性、可用性和残存性。

2022/4/3局域网的拓扑集线器星形网总线网匹配电阻干线耦合器环形网树形网图5.1网络拓扑媒体共享技术

静态划分信道

频分复用

时分复用

波分复用

码分复用

动态媒体接入控制（多点接入）

随机接入

以太网系统ALOHA系统（卫星中）

受控接入，如多点线路探询(polling)，或轮询。

分散控制的令牌环集中控制的多点线路探询2022/4/35.2传统以太网(10Mb/s以太网)5.2.1以太网的工作原理

1.两个标准

DIXEthernetV2是世界上第一个局域网产品（以太网）的规约。IEEE的802.3标准。DIXEthernetV2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”。严格说来，“以太网”应当是指符合DIXEthernetV2标准的局域网

Mecalfe的手绘图图5.2以太网2022/4/3计算机局域网的参考模型

美国电气和电子工程师学会IEEE802课题小组为计算机局域网制定了许多标准，大部分得到国际标准化组织的认可。OSI参考模型应用层表示层会话层运输层网络层IEEE802参考模型高层协议LLC业务访问点逻辑链路控制LLC数据链路层介质访问控制MACIEEE802标准物理层物理层的范围传输介质传输介质图5.3局域网的参考模型2022/4/3数据链路层的两个子层

为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，802委员会将局域网的数据链路层拆成两个子层：

逻辑链路控制LLC(LogicalLinkControl)子层

媒体接入控制MAC(MediumAccessControl)子层。

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2022/4/3局域网对LLC子层是透明的LLC子层看不见下面的局域网网络层网络层逻辑链路控制LLCLLC数据媒体接入控制MAC局域网MAC链路层物理层物理层站点1站点2图5.4LLC与MAC子层2022/4/3以后一般不考虑LLC子层

由于TCP/IP体系经常使用的局域网是DIXEthernetV2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。

很多厂商生产的网卡上就仅装有MAC协议而没有LLC协议。2022/4/3IEEE802标准

IEEE802.1概述、系统结构和网络互连，以及网络管理和性能测量。IEEE802.2逻辑链路控制。这是高层协议与任何一种局域网MAC子层的接口。IEEE802.3CSMA/CD。定义CSMA/CD总线网的MAC子层和物理层的规约。IEEE802.4令牌总线网。定义令牌传递总线网的MAC子层和物理层的规约。IEEE802.5令牌环形网。定义令牌传递环形网的MAC子层和物理层的规约。IEEE802.11无线局域网。

2022/4/32.网卡的作用

网络接口板又称为通信适配器(adapter)或网络接口卡NIC(NetworkInterfaceCard)，或“网卡”。

网卡的重要功能：

进行串行/并行转换。

对数据进行缓存。

实现以太网协议。2022/4/3计算机通过网卡和局域网进行通信计算机高速缓存CPU存储器网络接口卡至局域网（网卡）串行通信I/O总线并行通信图5.5网卡的结构2022/4/33.CSMA/CD协议

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。匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号）匹配电阻只有D接受B发送的数据ABCDE不接受B向D不接受接受不接受发送数据2022/4/3图5.6广播的信号以太网的广播方式发送

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。

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。

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，因此就丢弃这个数据帧而不能够收下来。

具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。2022/4/3以太网中的两种重要措施

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。

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。

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。2022/4/3以太网提供的服务

以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。

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。

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，而是当作一个新的数据帧来发送。2022/4/3载波监听多点接入/碰撞检测(CSMA/CD)

CSMA/CD表示CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection。

“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。

“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，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。

总线上并没有什么“载波”。“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。2022/4/3碰撞检测

“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。

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）。

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。

所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。2022/4/3检测到碰撞后

在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来。

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。2022/4/3CSMA/CD工作过程

CSMA/CD含有两方面的内容：载波侦听(CSMA)和冲突检测(CD)。

四个步骤：

侦听(监听)总线

冲突检测(碰撞检测)

冲突加强，停止发送

重新发送数据2022/4/31)侦听(监听)总线查看信道上是否有信号是CSMA系统的首要问题。各个站点都有一个“侦听器”，用来测试总线上有无其他工作站正在发送信息(也称为载波识别)。

如果信道已被占用，则此工作站等待一段时间后再争取发送权；

如果侦听总线是空闲的，没有其他工作站发送的信息就立即抢占总线进行信息发送。2022/4/32)冲突检测(碰撞检测)

碰撞的发生

当信道处于空闲时，某一个瞬间，如果总线上两个或两个以上的工作站同时都想发送信息，那么该瞬间它们都可能检测到信道是空闲的，同时都认为可以发送信息，从而一齐发送，这就产生了冲突(碰撞)；另一种情况是某站点侦听到信道是空闲的，但这种空闲可能是较远站点已经发送了信包(由于在传输介质上信号传送的延时，信包还未传送到此站点的缘故)，如果此站点又发送信息，则也将产生冲突。

冲突只有在发送信包以后的一段短时间内才可能发生，因为超过这段时间后，总线上各站点都可能听到是否有载波信号在占用信道，这一小段时间称为碰撞窗口或碰撞时间间隔。如果线路上最远两个站点间信包传送延迟时间为d，碰撞窗口时间一般取为2d。2022/4/3冲突检测的方法冲突检测的方法有两种：比较法和编码违例判决法。

比较法：是指发送节点在发送数据同时，将其发送信号波形与从总线上接收到的信号波形进行比较。如果总线上同时出现两个或两个以上的发送信号，则它们叠加后的信号波形将不等于任何节点发送的信号波形。当发送节点发现自己发送的信号波形与从总线上接收到的信号波形不一致时，表示总线上有多个节点同时发送数据，冲突已经产生。编码违例判决法：是指只检测从总线上接收的信号波形。如果总线只有一个节点发送数据，则从总线上接收到的信号波形一定符合差分曼彻斯特编码规律。因此，判断总线上接收信号电平跳变规律同样也可以检测是否出现了冲突。

2022/4/33)冲突加强

如果在发送数据帧过程中检测出冲突，在CSMA/CD介质存取方法中，首先进入发送“冲突加强信号(JammingSignal)”阶段，即发送阻塞信号。

冲突加强中发送的阻塞(JAM)信号一般为4字节的任意数据，是一个人为干扰信号。

冲突加强的目的是确保有足够的冲突持续时间，以使网中所有节点都能检测出冲突存在，废弃冲突帧，减少因冲突浪费的时间，提高信道利用率。2022/4/34)重新发送数据

完成“冲突加强”过程后，节点停止当前帧发送，进入重发状态。

进入重发状态的第一步是计算重发次数。

IEEE802.3协议规定一个帧最大重发次数为16次。如果重发次数超过16次，则认为线路故障，系统进入“冲突过多”结束状态。如重发次数N≤16，则允许节点随机延迟后再重发。

计算后退延迟时间，并且等待后退延迟时间到之后，节点将重新判断总线忙、闲状态，重复发送流程。

如果在发送数据帧过程中没有检测出冲突，在数据帧发送结束后，进入结束状态。2022/4/3CSMA/CD总结

CSMA/CD的发送流程可简单地概括成四点：先听后发，边发边听，冲突停止，随机延迟后重发。

任何一个节点发送数据都要通过CSMA/CD方法去竞争总线使用权，从它准备发送到成功发送的发送等待延迟时间是不确定的。因此CSMA/CD方法为随机竞争型介质访问控制方法。2022/4/3发送帧装配帧Y总线忙?图N.5CSMA/CD6启动发送N冲突吗?Y冲突加强N发送完成?冲突次数N＝N＋1YY冲突次数计算后退N工＞16?作流程结束发送成功延迟时间等待后退延迟时间2022/4/3先听后发，为什么还会碰撞？

电磁波在总线上的有限传播速率的影响

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。

A向B发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到B。

B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。

碰撞的结果是两个帧都变得无用。2022/4/3A1kmBt=0B发送数据碰撞A检测到发生碰撞t=t=tt=2B检测到发生碰撞单程端到端传播时延记为

A1kmBt=0B发送数据碰撞A检测到发生碰撞t=t=tt=2B检测到发生碰撞单程端到端t=0传播时延记为

A检测到AB信道空闲发送数据t=B检测到信道空闲发送数据t=/2发生碰撞t=B检测到发生碰撞停止发送ABABASTOPBt=2A检测到发生碰撞STOPAB图5.7碰撞的时间重要特性

总线上的单程端到端传播时延记为，发送数据后，站点最迟要经过2的时间会知道自己发送的数据是否发生了碰撞。

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）。

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。

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。2022/4/35.争用期

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。2022/4/3二进制指数类型退避算法

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。

定义参数k，k10，即k=Min[重传次数,10]

从整数集合[0,1,…,(2k1)]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2022/4/3层报告。争用期的长度

以太网取51.2s为争用期的长度。

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。2022/4/3最短有效帧长

如果发生冲突，就一定是在发送的前64字节之内。

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。

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。2022/4/3强化碰撞

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。2022/4/3人为干扰信号A发送数据B发送数据A开始冲突B

TBA检测到冲突信道占用时间TJt

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5.8人为的干扰信号5.2.2传统以太网的连接方法

传统以太网可使用的传输媒体有四种：

铜缆（粗缆或细缆）

铜线（双绞线）

光缆

这样，以太网就有四种不同的物理层。以太网媒体接入控制MAC10BASE510BASE210BASE-T10BASE-F粗缆细缆双绞线光缆图5.94种不同的物理层2022/4/3以太网表示方法IEEE802.3制定了一个简明的表示法：<以Mb/s为单位的传输速率><信号调制方式><以百米为单位的网段的最大长度>

例如10Base-2，10代表传输速率是10Mb/s，Base代表采用基带信号方式，2代表一个网段的长度是200米。10Base-510Base-210Base-T非屏蔽双绞线基带(曼彻斯特码)星型100－0.4～0.6mm10Base-F传输介质编码技术拓扑结构最大段长/m每段最大节点数线缆直径同轴电缆(粗)基带(曼彻斯特码)总线50010010mm同轴电缆(细)基带(曼彻斯特码)总线185305mm850nm光纤对基带(曼彻斯特码)星型5003362.5/125μm图5.10IEEE802.310Mb/s物理层介质比较2022/4/3铜缆或铜线连接到以太网主机箱网卡主机箱主机箱DB-15连接器收发器电缆双绞线收发器插入式分接头BNC连接器RJ-45插口插头内导体MAUMDIBNCT型接头集线器外导体屏蔽层保护外层图5.10连接到以太网2022/4/3粗缆以太网10BASE5

网卡通过DB－15与收发器电缆相连，收发器电缆的正是名称是AUI电缆。

收发器电缆的另一端连接到收发器。

收发器由两部分组成：

含有电子元器件的媒体连接单元MAU

没有电子元器件的插入式分接头tap，直接插入电缆中。

以太网所用的这种同轴电缆的最大程度被限制为500m。若实际网络需要跨越更长的距离，必须采用转发器（又称中继器）。2022/4/3以太网的最大作用距离网段1500m50m网段3转发器500m50m转发器图5.11以太网的作用距离750m250m转发器转发器网段250m500m2022/4/3细缆以太网10BASE2的特点

用更便宜的直径为5mm的细同轴电缆(特性阻抗仍为50W)，可代替粗同轴电缆。

将媒体连接单元MAU和媒体相关接口MDI都安装在网卡上，取消了外部的AUI电缆。

细缆直接用标准BNCT型接头连接到网卡上的BNC连接器的插口。2022/4/3网卡的功能

数据的封装与解封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。接收时将以太网的帧剥去首部和尾部，然后送交上一层。

链路管理

编码与译码主要是CSMA/CD协议的实现。即曼彻斯特编码与译码。2022/4/3星形网10BASE-T

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。

在星形网的中心则增加了一种可靠性非常高的设备，叫做集线器(hub)。

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。2022/4/3以太网在局域网中的统治地位

10BASE-T的通信距离稍短，每个站到集线器的距离不超过100m。

这种10Mb/s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。

10BASE-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。2022/4/3集线器的一些特点

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。

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。

集线器很像一个多端口的转发器，工作在物理层。2022/4/3具有三个端口的集线器集线器双绞线网卡网卡网卡工作站工作站工作站图5.12集线器2022/4/35.2.3以太网的信道利用率我们假定：

总线上共有N个站，每个站发送帧的概率都是p。

争用期长度为2，即端到端传播时延的两倍。检测到碰撞后不发送干扰信号。

帧长为L(bit)，数据发送速率为C(b/s)，因而帧的发送时间为L/C=T0(s)。2022/4/3以太网的信道利用率

一个帧从开始发送，经碰撞后再重传数次，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，共需平均时间为Tav。争用期的平均个数NR占用期争用期争用期…争用期发送成功t2τ2τ2τT0τ发送一帧所需的平均时间Tav图5.13帧的发送时间2022/4/3以太网的信道利用率（续）令A为某个站发送成功的概率，则A=P[某个站发送成功]=Np(1–p)N–1(4-1)显然，某个站发送失败的概率为1A。因此，P[争用期为j个]=P[发送j次失败但下一次成功]=(1–A)jA(4-2)争用期的平均个数等于帧重发的次数NR：

jNjAAAAR

()()/11(4-3)j02022/4/3以太网的信道利用率（续）以太网的信道利用率（它又称为归一化吞吐量）为：T0T01S1(4-4)Tav2NRT01a(2A1)这里

a(4-5)T0参数a是总线的单程传播时延与帧的发送时延之比。2022/4/3最大信道利用率若设法使A为最大，则可获得最大的信道利用率。将(4-4)式对p求极大值，得出当p=1/N时可使A等于其极大值Amax：N1

1Amax1N(4-6)当N→∞时，Amax=1/e0.368。2022/4/3信道利用率的最大值Smax将(4-6)式中的Amax值代入(4-4)式，即得出信道利用率的最大值Smax。取A=Amax=e10.368时，(4-4)式可简化为：1Smax

14.44aN→(4-7)

若a→0，则信道利用率的最大值可达到100%。

参数a远小于1（即传播时延远小于发送时延）才能得到尽可能高的极限信道利用率。

若参数远大于1，则极限信道利用率就远小于1，实际的信道利用率就更小了。2022/4/3a>1时的信道利用情况（a=4）t=T0ABt=2T0ABt=3T0ABt=4T0ABt=5T0AB图5.14参数a=4使得信道利用率很低。2022/4/3参数a和时延带宽积

考虑到T0是帧长L与数据的发送速率C之比，于是参数a可写为：Ca(4-9)

(4-9)式的分子正是时延带宽积，或以比特T0L/CL为单位的信道长度，而分母是以比特为单位的帧长。2022/4/3a=0.01时的信道利用情况t=0.5ABt=AB……t=100ABt=100.5AB图5.15参数a=0.01使得信道利用率很高。2022/4/35.3以太网的MAC层5.3.1MAC层的硬件地址

在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或MAC地址。

802标准为局域网定义了一种48bit的全球地址，是指局域网上的每一台主机所插入的网卡上固化在ROM中的地址。2022/4/3MAC层的硬件地址

MAC地址的长度为48位(6个字节)，通常表示为12个十六进制数，每两个十六进制数之间用冒号隔开，如AA:BB:CC:DD:EE:FF。前6位十六进制数代表网络硬件制造商的编号，由生产厂家向IEEE购买，这个号的正式名称是机构唯一标识符OUI(OrganizationallyUniqueIdentifier)。后6位十六进制数代表该制造商所制造的某个网络产品(如网卡)的系列号。每个网络制造商必须确保它所制造的每个以太网设备都具有相同的前三字节以及不同的后三个字节。这样就可保证世界上每个以太网设备都具有惟一的MAC地址。I/G比特，表示Individual/Group。为0时表示一个单个站地址，为1时表示组地址。

2022/4/3第1字节第6字节十六进制表示的EUI-48地址：AC-DE-48-00-00-80二进制表示的EUI-48地址：机构惟一标志符OUI扩展标志符字节顺序第1第2第3第4第5第6802.5802.5802.6802.6高位在前101011001101111001001000000000000000000010000000最高位最低位最高位最低位最先发送I/G比特最后发送字节顺序第1第2第3第4第5第6802.3802.4低位在前001101010111101100010010000000000000000000000001最低位最高位最低位最高位I/G比特最先发送最后发送图5.16两种硬件地址网卡上的硬件地址

网卡上的硬件地址可用来标志插有该网卡的计算机。路由器上，网卡上的硬件地址可用来标志插有该网卡的路由器的某个接口。路由器由于至少同时连接到两个网络上，因此它至少有两块网卡和两个硬件地址。

1A-24-F6-54-1B-0E路由器00-00-A2-A4-2C-0220-60-8C-C7-75-2A08-00-20-47-1F-E420-60-8C-11-D2-F6图5.17硬件地址2022/4/3网卡检查MAC地址

网卡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.

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）

广播(broadcast)帧（一对全体）

多播(multicast)帧（一对多）2022/4/35.3.2两种不同的MAC帧格式

常用的以太网MAC帧格式有两种标准：

DIXEthernetV2标准

IEEE的802.3标准

最常用的MAC帧是以太网V2的格式。2022/4/3这种802.3+802.2帧已经较少使用IP数据报IP层当长度/类型字段字节111表示长度时802.2DSAPSSAP控制数据LLC子层LLC帧字节66211143~14974802.3目的地址源地址长度/类型DSAPSSAP控制数据FCSMAC子层MAC帧IP数据报IP层字节66246~15004以太网V2目的地址源地址类型数据FCSMAC层MAC帧插入8字节MAC帧物理层7字节1字节1010101010101010101010101010101011…图5.18以太网的帧格式前同步码帧开始定界符以太网V2的MAC帧格式目的地址字段6字节IP数据报IP层字节66246~15004以太网V2目的地址源地址类型数据FCSMAC层MAC帧MAC帧物理层图5.19V2的帧格式以太网V2的MAC帧格式源地址字段6字节IP数据报IP层字节66246~15004以太网V2目的地址源地址类型数据FCSMAC层MAC帧MAC帧物理层图5.20V2的帧格式以太网V2的MAC帧格式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。类型字段2字节IP数据报IP层字节66246~15004以太网V2目的地址源地址类型数据FCSMAC层MAC帧MAC帧物理层图5.21V2的帧格式以太网V2的MAC帧格式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数据字段46~1500字节IP数据报IP层字节66246~15004以太网V2目的地址源地址类型数据FCSMAC层MAC帧MAC帧物理层图5.22V2的帧格式以太网V2的MAC帧格式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。FCS字段4字节IP数据报IP层字节66246~15004以太网V2目的地址源地址类型数据FCSMAC层MAC帧MAC帧物理层图5.23V2的帧格式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。以太网V2的MAC帧格式在帧的前面插入的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。IP数据报IP层字节66246~15004以太网V2目的地址源地址类型数据FCSMAC层MAC帧插入8字节MAC帧物理层7字节1字节为了达到比特同步，1010101010101010101010101010101011…在传输媒体上实际传送的前同步码帧开始定界符要比MAC帧还多8个字节无效的MAC帧

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。2022/4/3帧间最小间隔

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。

这样做是为了使刚刚收到数据帧的站的接收缓存来得及清理，做好接收下一帧的准备。2022/4/35.4扩展的局域网5.4.1在物理层扩展局域网

在物理层扩展局域网是使用转发器和集线器。用多个集线器可连成更大的局域网。

三个独立的冲突域（碰撞域）一系二系三系集线器集线器集线器图5.25碰撞域2022/4/3用集线器扩展局域网

优点

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。

扩大了局域网覆盖的地理范围。

缺点

碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。

在任一时刻，只能有一个站在发送数据。

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。2022/4/35.4.2在数据链路层扩展局域网

在数据链路层扩展局域网是使用网桥。

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。

网桥具有过滤帧的功能。当网桥收到一个帧时，并不是向所有的端口转发此帧，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端口2022/4/31.网桥的内部结构网桥站地址端口站表①1②1③1端口管理网桥协议④2软件实体⑤2⑥2网桥端口1缓存端口2网段A网段B①②③④⑤⑥

网桥从端口接收帧，先进行缓存，若此帧未出现差错，且目的MAC属于另一个网段，则查找转发表，将帧送往对应的端口转发出去。若该帧出现差错，则丢弃。仅在一个网段中通信的帧，不会被网桥转发到另一个网段。

图5.26网桥的结构使用网桥带来的好处

过滤通信量。

扩大了物理范围。

提高了可靠性。

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。2022/4/3使用网桥带来的缺点

存储转发增加了时延。

在MAC子层并没有流量控制功能。

具有不同MAC子层的网段桥接在一起时时延更大。

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。2022/4/3站1两个网桥之间还可使用一段点到点链路站2用户层用户层①②③网桥1网桥2⑨⑧⑦IPIPRRMACA④MACDLDLMAC⑥BMAC物理层物理层物理层物理层物理层物理层LAN⑤LAN①⑨用户数据②⑧IP-H③④⑥⑦MAC-HMAC-T⑤DL-HDL-T图5.27网桥的协议栈网桥和集线器的不同

集线器在转发帧时，不对传输媒体进行检测。

网桥在转发帧之前必须执行CSMA/CD算法。

若在发送过程中出现碰撞，就必须停止发送和进行退避。在这一点上网桥的接口很像一个网卡。但网桥却没有网卡。

由于网桥没有网卡，因此网桥并不改变它转发的帧的源地址。2022/4/32.透明网桥

目前使用得最多的网桥是透明网桥(transparentbridge)。

“透明”是指局域网上的站点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥，因为网桥对各站来说是看不见的。

透明网桥是一种即插即用设备，其标准是IEEE802.1D。2022/4/3透明网桥

基于源MAC地址进行学习

基于目的MAC地址进行转发2022/4/3网桥工作过程－－学习与转发(1)从端口x收到无差错的帧（如有差错即丢弃），在转发表中查找目的站MAC地址。(2)如有，则查找出到此MAC地址的端口d，然后进行(3)，否则转到(5)。(3)如到这个MAC地址去的端口d=x，则丢弃此帧（因为这表示不需要经过网桥进行转发）。否则从端口d转发此帧。(4)转到(6)。(5)向网桥除x以外的所有端口转发此帧（这样做可保证找到目的站）。(6)如源站不在转发表中，则将源站MAC地址加入到转发表，登记该帧进入网桥的端口号，设置计时器。然后转到(8)。如源站在转发表中，则执行(7)。(7)更新计时器。(8)等待新的数据帧。转到(1)。2022/4/3网桥转发表中的信息

站地址：登记收到的帧的源MAC地址。端口：登记收到的帧进入该网桥的端口号。时间：登记收到的帧进入该网桥的时间。转发表中的MAC地址是根据源MAC地址写入的，但在进行转发时是将此MAC地址当作目的地址。

如果网桥现在能够从端口x收到从源地址A发来的帧，那么以后就可以从端口x将帧转发到目的地址A。2022/4/3透明网桥使用了支撑树算法

这是为了避免产生转发的帧在网络中不断地兜圈子。⑤⑥网桥1转发的帧F1F2网桥2转发的帧局域网2③④网桥1不停地兜圈子网桥2A①网络资源白白消耗了②局域网1FA发出的帧图5.28转发帧的问题2022/4/3支撑树的得出

每隔几秒钟每一个网桥要广播其标识号(由生产网桥的厂家设定的一个惟一的序号)和它所知道的其他所有在网上的网桥。支撑树算法选择一个网桥作为支撑树的根(例如，选择一个最小序号的网桥)，然后以最短路径为依据，找到树上的每一个结点。当互连局域网的数目非常大时，支撑树的算法很花费时间。这时可将大的互连网划分为多个较小的互连网，然后得出多个支撑树。

2022/4/33.源路由网桥

透明网桥容易安装，但网络资源的利用不充分。源路由(sourceroute)网桥在发送帧时将详细的路由信息放在帧的首部中。源站以广播方式向欲通信的目的站发送一个发现帧，每个发现帧都记录所经过的路由。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选择出一个最佳路由。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一路由信息。

2022/4/35.多端口网桥——以太网交换机

1990年问世的交换式集线器(switchinghub)，可明显地提高局域网的性能。交换式集线器常称为以太网交换机(switch)或第二层交换机（表明此交换机工作在数据链路层）。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多端口的网桥，可见交换机工作在数据链路层。

2022/4/3以太网交换机的特点

以太网交换机的每个端口都直接与主机或另一个集线器相连，并且一般都工作在全双工方式。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，进行无碰撞地传输数据。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。

2022/4/3独占传输媒体的带宽

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。使用以太网交换机时，虽然在每个端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对端口的交换机的总容量为N10Mb/s。这正是交换机的最大优点。

2022/4/3用以太网交换机扩展局域网

交换机一般都具有多种速率的端口。万维网服务器100Mb/s路由器至因特网以太网100Mb/s100Mb/s交换机电子邮件二系三系服务器一系集线器集线器集线器10BASE-T图5.29交换机与碰撞域2022/4/3与互连相关的三个术语

网段：连接在同一共享介质上，相互能听到对方发出的广播帧，处在同一冲突碰撞区域的站点组成的网络区域。

冲突域：在共享介质型局域网中，会发生冲突碰撞的区域称为一个冲突域。在一个冲突域中，同时只能有一个站点发送数据。

广播域：当局域网上任意一个站点发送广播帧时，凡能收到广播帧的区域称为广播域，这一2022/4/3区域中的所有站点称为处在同一个广播域。传统以太网与交换式以太网比较SwtichHub冲突域冲突域冲突域/广播域广播域Hub工作在物理层简单地再生，放大信号Switch工作在数据链路层根据MAC地址转发或过滤数据帧2022/4/3图5.30二者的比较5.5虚拟局域网5.5.1虚拟局域网的概念

IEEE802.1Q标准虚拟局域网VLAN是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组。

这些网段具有某些共同的需求。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。

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。2022/4/3引入VLAN

扁平式二层网络的缺点：

广播域过大

安全性问题（信息访问控制、病毒）

解决办法

路由器

VLAN2022/4/3以太网交换机C3A4B3VLAN1VLAN2VLAN3BC2以太网交换机2A3C1以太网交换机AB12A1以太网图5.31三个虚拟局域网VLAN1,VLAN2交换机和VLAN3的构成以太网交换机C3A4B3VLAN1VLAN2VLAN3BC2以太网交换机2A3C1以太网交换机AB12A1以太网当B1向VLAN2工作组内成员发送数据时，三个虚拟局域网VLAN1,VLAN2交换机工作站B2和B3将会收到广播的信息。和VLAN3的构成以太网交换机C3A4B3VLAN1VLAN2VLAN3BC2以太网交换机2A3C1以太网交换机AB12A1以太网B1发送数据时，工作站三个虚拟局域网A1,A2和VLANC11,VLAN2交换机都不会收到B1发出的广播信息。和VLAN3的构成以太网交换机C3A4B3VLAN1VLAN2VLAN3BC2以太网交换机2A3C1以太网交换机AB12A1虚拟局域网限制了接收广播信息的工作站数，使得网络以太网三个虚拟局域网VLAN1,VLAN2不会因传播过多的广播信息交换机(即“广播风暴和VLAN”3)的构成而引起性能恶化。5.5.2VLAN帧格式

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。插入4字节的VLAN标记字节664246~15004802.3目地地址源地址长度MAC/类型帧数据FCSMAC帧长度/类型=802.1Q标记类型标记控制信息1000000100000000VID2字节2字节用户优先级CFI2022/4/3图5.35VLAN的帧格式5.6QinQ技术QinQ产生背景►解决日益紧缺的公网VLANID资源问题—————————————————————————4096个VLAN不能满足大规模网络的需求运营商需要根据VLANID对接入用户进行区分►用户可以规划自己的私网VLANID，不会导致和公网VLANID冲突—————————————————————————二层VPN技术能够透传用户的VLAN信息及以太网配置信息QinQ技术：解决日益紧缺的公网VLANID资源问题为小型城域网或企业网提供一种较为简单的二层VPN解决方案Page1045.6.1QinQ技术基础QinQ基本思想

QinQ的基本思想是在基于802.1Q封装的报文的Tag前再加一个Tag以增加Tag数量或以前一个Tag来区分隧道(用户)的一种形象化的称呼.

目前很多厂商的网络设备都能支持这个特性，但是名称各不相同

HUAWEICisco802.1QTunnelingExtremeRiverstoneVLANVPN

VirtualMAN/vMANsStackableVLAN/SVLAN

总的思想都是将用户私网VLANTag封装在公网VLANTag中，报文带着两层Tag穿越服务商的骨干网络，从而为用户提供一种较为简单的二层VPN隧道。Page105QinQ技术基础QinQ封装DASATypeDataCRC标准以太网帧DASATPIDtagTypeDataCRC标准802.1Q以太网帧DASATPIDtagTPIDtagTypeDataCRC同802.1Q的帧相比QinQ在这里插入了一层标签,通常我们称之为外层标签QinQ以太网帧内层标签，是由用户打上去的Page106图5.36OinO封装QinQ技术基础QinQ典型应用VLAN200客户BSISP运营商网络VLAN200SSVLAN100Sheader10uservlandatauserSheaderuserdataheadervlandatavlanheader20uservlandataVLAN100SS客户A外层标签：Trunk端口，客户侧单tag，运营商侧双tag：Tunnel端口，打上或剥掉外层标签图5.37QinQ的应用QinQ技术基础QinQ典型应用

Tunnel端口：配置了支持QinQ的端口，Tunnel端口被配置为属于运营商分配给客户的VLAN，Tunnel端口只在运营商设备上配置。上图中客户A被分配了VLAN10，所有和客户A相连的Tunnel端口，在运营商网络中属于VLAN10

A客户数据（已经有一层客户VLAN标签）到达Tunnel端口，会再添加外层标签，VLANID为10，在运营商网络中，带着Tag在VLAN10中按正常二层转发流程转发。

A客户数据离开Tunnel端口，外层标签会被剥离掉，剩下内层客户VLAN标签，到达客户侧交换机按正常的Tag报文在客户网络中转发。

MAC学习：客户数据到达Tunnel端口，其MAC学习在运营商分配给客户的VLAN中（A客户的数据MAC学习在VLAN10）；数据到达客户侧，MAC学习在内层客户VLAN标签标注的VLAN中

QinQ功能对客户侧交换机不可见，运营商网络对客户透明。Page108QinQ技术基础QinQ的优点

QinQ可以简单认为是报文携带了两层8021QTag。

QinQ技术的出现让运营商可以以较低成本为客户提供二层VPN。QinQ完全在运营商网络上实施，用户对QinQ不感知。

在运营商网络中的报文，内层Tag为客户私有VLAN标识，外层Tag为运营商分配给客户的VLAN。客户可以独立规划自己的VLANID，运营商网络的变化不影响客户网络。

QinQ不需要单独的信令协议，只需要静态配置，简洁稳定。

QinQ扩展了VLAN资源,为运营商按VLAN区分接入用户提供了可能Page109QinQ技术基础QinQ的QOS

客户侧带8021Qtag的报文携带了8021p优先级，TunnelPort打上外层标签后，外层标签以后的报文内容对于二层转发是不可识别的，如何在QinQ的网络中实现以太网QOS？核心交换机S8500QOS功能能够实现：对于上行流量：（向85汇聚的单TAG报文）根据内层VLANID实现QOS功能根据内层COS向外层COS映射根据内层COS向DSCP映射根据内层COS向本地优先级队列映射Page110QinQ技术基础QinQ技术的挑战

以上介绍的QinQ为基于端口的QinQ，其实现机理如下：

当该设备端口接收到报文，无论报文是否带有VLANTag，交换机都会为该报文打上本端口缺省VLAN的VLANTag。这样，如果接收到的是已经带有VLANTag的报文，该报文就成为双Tag的报文；如果接收到的是untagged的报文，该报文就成为带有端口缺省VLANTag的报文新的挑战

QinQ网络中，运营商网络对客户透明，当客户和运营商网络之间的连接有冗余时必然导致环路问题。（QinQ应用示意图中的A客户。）这一挑战要求运营商网络能透明传输STP/RSTP/MSTP报文，这样客户可以跨运营商网络构建自己的STP树，切断冗余链路BPDU-Tunnel运营商提出了新的要求,不按用户接入端口来划分VLAN，而是按其用户的VID或其他特征来对用户进行分组灵活QinQ

Page111QinQBPDUTunnelBPDUTunnel原理

二层协议报文，也称BPDU报文在运营商网络的透传，我们称为Layer2Protocoltunnel或者BPDUtunnel。

BPDU报文在运营商QinQ网络中的透传，必须达到以下要求：

同一个客户网络的所有分支必须都能收到自己的BPDU报文。

不同客户网络中的BPDU必须隔离，不能互相影响。

两个问题可以一起解决：

在Tunnel端口收到BPDU时，给BPDU打上运营商分配给客户的一个标识，根据这个标识来区分不同VPN的BPDU，同时在运营商网络中BPDU报文按正常的数据报文进行转发

为了避免客户BPDU报文被运营商网络设备处理，需要给封装的BPDU赋一个特殊的组播MAC作为目的MAC，这一方面可以保证报文能在运营商分配给客户的VLAN中被发送到各个分支，在出Tunnel端口时，去掉VLANtag并把目的MAC改回BPDU的MAC。Page1125.6.2QinQBPDUTunnelBPDUTunnel的实现

Tunnel端口收到BPDU后，把目的MAC修改为一个组播MAC（01-00-0c-cd-cd-d0），在FCS前插入用户信息等相关标识,组播MAC保证报文在VLAN内广播，同时标识这个报文是个BPDU-Tunnel报文，交换机在收到这个报文时上送CPU处理，还原其BPDU身份，并根据报文中的用户信息标识部分的内容，把报文送到相应的客户网络。BPDUPacket01DA-80-C2-00-00-00SA00-0F-E2-07-F2-E0Length(2)DSAP(1)0x42SSAP(1)0x420x03Control(1)ProtocolDataFCSBPDU-TunnelPacketDA01-00-0C-CD-CD-D0SA00-0F-E2-07-F2-E0Length(2)0x42DSAP(1)0x42SSAP(1)Control(1)0x03ProtocolDataUser_InfoFCS修改了BPDU的目的地址为多播MAC增加了该字段用来区分是那一个用户网络图5.38BPDUTunnel的实现Page1135.6.3灵活Q