《计算机网络技术》课件-项目二：数据链路层技术

1.共享式以太网以太网标准以太网是美国施乐公司于1975年研制成功的。以太网的两个标准DIXEthernetV2（DEC公司、英特尔公司和施乐公司）IEEE的802.3标准（IEEE802委员会）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”。但由于在802.3标准公布之前，DIXEthernetV2已被大量使用，因此最后802.3标准并没有被广泛应用。课件制作人：谢钧谢希仁总线型以太网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。课件制作人：谢钧谢希仁B向

D发送数据CDAE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实现了B到D的一对一通信采用无连接工作方式以太网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。适配器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，因通信质量不好产生差错的概率是很小的。当目的站收到有差错的数据帧时，就把帧丢弃，其他什么也不做。对有差错帧是否需要重传则由高层来决定。但以太网并不知道这是重传帧，而是当作新的数据帧来发送。课件制作人：谢钧谢希仁总线型以太网物理层采用基带传输课件制作人：谢钧谢希仁

基带数字信号曼彻斯特编码

码元1111100000出现电平转换总线型以太网物理层采用基带传输，并使用曼彻斯特编码使用CSMA/CD媒体接入控制协议总线上只要有一个站点在发送数据，总线的传输资源就被占用。因此，在同一时间只能允许一个站点发送数据，否则各站点之间就会互相干扰，结果大家都无法正常发送数据。共享式以太网使用CSMA/CD媒体接入控制协议来协调总线上各站点的工作。课件制作人：谢钧谢希仁2.CSMA/CD协议共享式以太网最初的以太网用一根总线将多台计算机连接起来使用CSMA/CD协议简单、低成本、性能价格比高以太网力克群雄以太网令牌环FDDI令牌总线AnyLAN双队列双总线有线局域网市场以太网力克群雄以太网令牌环FDDI令牌总线AnyLAN双队列双总线以太网令牌环FDDI令牌总线AnyLAN双队列双总线以太网令牌环FDDI令牌总线AnyLAN双队列双总线以太网令牌环FDDI令牌总线AnyLAN双队列双总线有线局域网市场鲍勃梅特卡夫以太网发明人CSMA/CD的设计者3Com创始人入选互联网名人堂BobMetcalfe传统总线型以太网问题当多个站点共享同一个广播信道进行通信时会有什么问题？共享广播信道冲突当多个站点同时发送数据时，信号会相互叠加（冲突），导致严重的失真多址接入/多路访问(MultipleAccess)媒体访问/接入控制(MAC)MediumAccessControl问题静态信道划分时分多址、频分多址、……共享广播信道对于突发业务，信道利用率低！CSMA/CD采用随机使用信道的方法!计算机的通信具有高度的突发性类比圆桌会议类比一个没有主持人的圆桌会议当两个以上的人同时说话时，谁都听不清圆桌会议?先听再说！CSMA/CD协议CSMA/CD(CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection)载波监听多址接入/冲突检测共享式以太网的多址接入协议1.载波监听(CarrierSense)“载波监听”即“先听再发”先监听信道上传播的信号等信道空闲再发送数据载波监听能完全避免冲突吗？传播时延对冲突的影响AB冲突传播时延对冲突的影响传播时延对冲突的影响ABt冲突总线单程端到端传播时延记为

t

t=0B发送数据在开始发送数据后的

时间内可能会有其它站点发送数据而导致冲突信号叠加的时空区A检测到发生冲突B检测到发生冲突

越大，发生冲突的概率就越大！2.冲突检测(CollisionDetection)边发送边检测信号是否出现叠加检测到冲突就立即停止发送ABt冲突t=0单程端到端传播时延记为

t

B发送数据每次冲突，最多持续2

时间A检测到发生冲突无效信号最多持续多久？2

越大被称为争用期

越大，冲突信号无效占用信道的时间就越长！B检测到发生冲突何时进行重传？立即重传会导致再次冲突ABt冲突t=0单程端到端传播时延记为

t

冲突应随机等待一段时间再重传！B发送数据B检测到发生冲突A检测到发生冲突3.退避重传检测到冲突停止发送数据后，要推迟（称为退避）r

倍的单位退避时间后再监听信道进行重传（r

为随机的整数）。单位退避时间要尽可能小，但要保证两站点选择不同的r

值时，一定不会再发生冲突。如何确定这个单位退避时间？单位退避时间的选择ABt冲突t=0单程端到端传播时延记为

单位退避时间的选择t

B发送数据至少推迟2

时间才能保证不再冲突B检测到发生冲突A检测到发生冲突假设：B选择随机数0，而A选择了13.退避重传检测到冲突停止发送数据后，要推迟（称为退避）r

倍的争用期后再监听信道进行重传（r为随机的整数）。如何选择这个随机数r呢？

越大，重传前平均等待时间就越长！r的取值范围越大再次冲突的概率就越小，但重传平均等待时间就越长。冲突的站点越多，r的取值范围就应该相应越大。二进制指数退避算法重传退避时间为

r

倍争用期，r等概率地从{0,1,…,2k-1}中随机选取，k为重传次数

k=1,选择范围:{0,1}

;

k=2,选择范围:{0,1,2,3}

;

k=3,选择范围:{0,1,…,7}

;

…选择范围随重传次数k呈指数扩大。CSMA/CD的基本流程0

k边发边听冲突即停k＋1

k

r从

0到2k–1中随机选择等待r2

时间是否是否否是有待发帧？冲突？信道忙？CSMA/CD的基本流程0

k边发边听冲突即停k＋1

k

r从

0到2k–1中随机选择等待r2

时间是否是否否是有待发帧？冲突？信道忙？载波监听冲突检测退避重传分析总线单程端到端传播时延

对CSMA/CD协议性能的影响，说明CSMA/CD协议为何只能适用于局域网。思考题CSMA/CD协议3.网桥在物理层扩展局域网一系集线器三系集线器二系集线器用集线器扩展局域网主干集线器在物理层扩展局域网在物理层扩展局域网三个独立的以太网，最多可有3个站点同时发送帧三个独立的碰撞域一系集线器二系集线器三系集线器碰撞域碰撞域碰撞域10Mb/s10Mb/s10Mb/s30Mbit/s在物理层扩展局域网一个更大的碰撞域碰撞域在一个碰撞域内，任一时刻最多只能有一个站点正在发送数据10Mbit/s一系集线器三系集线器二系集线器主干集线器用集线器扩展局域网将多个隔离的局域网上的计算机连接起来，扩大了局域网连接计算机的数量。扩大了局域网覆盖的地理范围。作用缺点碰撞域增大了，但总的吞吐量却减小了。不能用集线器互连工作在不同速率的局域网。在数据链路层扩展局域网使用网桥在数据链路层扩展局域网。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。转发表接口管理软件网桥协议实体接口1接口

2缓存①②③⑥⑤④网段B网段

A网桥要执行CSMA/CD协议可以互连工作在不同速率的网段！网桥的内部结构111①③⑤②④⑥站地址接口222网桥网桥的内部结构转发表接口管理软件网桥协议实体接口1接口

2缓存①②③⑥⑤④网段B网段

A111①③⑤②④⑥站地址接口222对于目的MAC地址为广播地址的帧，网桥向所有其他接口转发！同时发送数据互不冲突！B2B1碰撞域碰撞域碰撞域ABCDEF仍然是一个广播域10Mb/s10Mb/s10Mb/s30Mbit/s网桥隔离碰撞域网桥和集线器的区别网桥根据目的MAC地址选择某接口转发01OPTION02OPTION集线器向所有接口转发03OPTION网桥以帧为单位存储转发，在向以太网网段转发帧时必须执行CSMA/CD协议04OPTION集线器在转发帧时，按比特转发，不识别帧，也不执行CSMA/CD协议网桥可以互连不同速率的网段05OPTION集线器不能互连不同速率的网段06OPTION以太网争用期对于用集线器扩展以太网和用网桥扩展以太网各有什么影响？思考题网桥4.路由信息协议RIP问题主机A主机B网1R1R2R4R3目的下一跳网1 R2网2 R4…R1的路由表网2如何得到路由表？网3网4网5网6网7静态路由表不能及时适应网络状态的变化，只能用于简单的小型网络需要自动计算到达每个网络的最佳路径（动态路由选择）网1,主机B路由器之间要互相不断交换网络拓扑和状态信息，然后根据这些信息求出到所有目的网络的最佳路由用于交换路由信息，进行路由选择的协议称为路由选择协议互联网的路由选择协议：RIPOSPF…路由选择协议经过路由器最少的路由RIP中的“距离”：一个路由器到某个网络的路径距离定义为到该网络路径所经过的路由器数加1。RIP中“距离”缺省指的就是最短路径距离。

RIP协议中的最佳路由路由信息协议(RoutingInformationProtoco)主机A主机B网1R1R2R4R3网2网3网4网5网6网7RIP中的距离路由器R1到网3的距离为1，到网1的距离为2RIP协议的基本思想

网络NR......目的网络最短路径距离为1RIP协议的基本思想

网络NR......目的网络最短路径必然经过相邻路由器中的一个

如果一个路由器知道其所有邻居到目的网络的最短距离，则可计算出它到该目的网络的最短距离和下一跳路由器

相邻结点间互相不断通告到目的网络的目前已知的最短距离，不断计算新的最短距离每个路由器定期（如每隔30秒）将自己当前知道的到所有目的网络的最短距离通过UDP报文通告给所有相邻路由器。RIP协议的具体算法每个路由器根据收到的路由信息计算最短路径并更新自己的路由表。网NdXY我到网N的距离为d路由器Y通过邻居X到网N的距离为d+1目的下一跳距离N Xd+1Y的路由表：RIP协议路由表的更新XY路由器Y通过邻居X到网N的距离为d+1RIP协议路由表的更新Z我到网N的距离为d网Nd目的下一跳距离N Z bN X d+1(若d+1<b)Y的路由表：原来已有一条路由！比较两条路径的距离，选择最短路径！网NdXY我到网N的距离为d路由器Y通过邻居X到网N的距离为d+1RIP协议路由表的更新目的下一跳距离N X bN X d+1(采用最新信息)将新路由表发送给他的所有邻居Y的路由表：原来通过X到网络N距离为b，现在通过X到网络N距离为d+1！该算法被称为：距离向量算法每个结点都维护一个距离向量，即到所有目的结点的（最短）距离列表。不同的具体路由选择协议对“距离”有各自的定义，表示到目的网络的最低路径代价。距离向量算法2111522335ABCDEF初始每个结点仅知道自己到相邻结点的距离，并向相邻结点通告自己的距离向量。当结点到相邻结点的距离发生变化（网络拓扑发生变化），或收到相邻结点发送的距离向量时，根据自己到相邻结点的距离和相邻结点到目的结点的距离选择一条到目的结点距离最短的路径，并更新自己的距离向量。若结点的距离向量发生变化，则向所有相邻结点通告自己的距离向量。距离向量算法以Bellman-Ford算法为基础RichardBellman(1920～1984)美国数学家，美国国家科学院院士，动态规划的创始人。1957年他的专著《动态规划》出版后，被迅速译成俄文、日文、德文和法文，对控制理论界和数学界有深远影响。距离向量算法R2R1网A网C网B网A1网A2R3的更新路由表为“A,R2,3”，但R1不会更改到网A的距离。R3网D网A2RIP协议交互过程举例R1说：“我到网A距离为1”R2说：“我到网A距离为2”R2R1网A网C网B网A

网A2(A,-,1)(A,R1,2)(A,-,

)R1说：“我到网A的距离无穷（表示无法到达）”

R2在收到R1

的更新报文之前，可能会先发送自己的路由信息给R1

。?RIP协议交互过程举例R1收到R2的更新报文后，误认为可经过R2

到达网A，于是更新自己的路由表，到网络A下一跳R2距离为3，并向邻居通告该路由。网A3RIP协议交互过程举例R2R1网A网C网B网A

网A2R2收到R1的更新信息后，又更新自己的路由表为：到网A下一跳R1距离为4，并向邻居通告该路由信息。网A4……RIP协议交互过程举例网A3R2R1网A网C网B网A

网A2为了避免无穷计数问题，RIP规定当距离为16

时表示不可达！…网A5网A16网A16…这样不断更新下去，直到R1

和R2

到网A的距离都增大到16时，R1

和R2

才知道网A不可达。这就是好消息传播得快，坏消息传播得慢。这是RIP的一个主要缺点。在算法收敛前会导致错误的路由：路由环路。RIP协议交互过程举例网A4网A3R2R1网A网C网B网A16网A2触发更新：为加快协议的收敛速度，减少出现以上问题的概率，只要路由表一发生变化就立即向相邻路由器通告路由信息，而不必等待更新周期。“坏消息传播得慢”问题…网A5网A16网A16…网A4网A3R2R1网A网C网B网A16网A2水平分割：路由器不向某路由的下一跳路由器通告该路由信息。但不能彻底解决该问题!“坏消息传播得慢”问题…网A5网A16网A16…网A4网A3R2R1网A网C网B网A16网A2由于R2

到网络A的下一跳路由器为R1，因此R2不会向R1

通告它到网络A的距离。采用距离向量算法，相邻路由器之间周期性交换各自的路由表（包含到各网络的距离），根据收到的信息计算到各网络的最短距离及下一跳，并更新自己的路由表。为加快协议的收敛速度，当路由表发生变化也及时向相邻路由器通告路由信息。使用运输层协议UDP来传送RIP报文。存在距离向量算法固有的“坏消息传播得慢的问题”，最大距离不能超过15，只能适用于小规模网络。RIP协议的要点举例说明“水平分割”不能彻底解决RIP协议“坏消息传播得慢”的问题，并分析产生该问题的本质原因。思考题路由信息协议RIP5.虚拟局域网VLAN虚拟局域网的概念虚拟局域网（VirtualLAN，VLAN）是交换机提供的一种网络服务。管理员可以将连接在交换机上的站点按需要划分为多个与物理位置无关的逻辑组，每个逻辑组就是一个VLAN。属于同一VLAN的站点之间可以直接进行通信，而不属于同一VLAN的站点之间不能直接通信。连接在同一交换机上的两个站点可以属于不同的VLAN，而属于同一VLAN中的两个站点可以连接在不同的交换机上。虚拟局域网的实例以太网交换机B1VLAN3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2A4C3B3在同一个VLAN中的主机，即使连接在不同的交换机上，就如同在同一个局域网里一样而在不同的VLAN中的主机，即使连接在同一个交换机上，却如同在不同的局域网里，不能直接进行通信每个VLAN是一个独立的广播域X虚拟局域网的优点简化网络管理。由于站点物理位置与逻辑分组无关，当站点从一个工作组迁移到另一个工作组时，网络管理员仅需调整VLAN配置即可，无需改变网络布线或将站点搬移到新的物理位置。01OPTION02OPTION控制广播风暴。当用交换机构建较大局域网时，大量的广播报文会导致网络性能下降，甚至会引发广播风暴。VLAN将大的局域网分隔成多个独立的广播域，可有效防止或控制广播风暴，提高网络整体性能。03OPTION增强网络安全。便于管理员根据用户的安全需要划分隔离域，限制或控制各虚拟局域网之间的通信，降低在广播域中随意通信所带来的安全风险。VLAN的实现方法基于接口的VLAN。根据站点连接的交换机接口来划分VLAN。基于MAC地址的VLAN。根据站点的MAC地址来划分VLAN。基于网络层地址的VLAN。根据站点的网络层地址（如IP地址）来划分VLAN。基于网络层协议的VLAN。根据站点使用的网络层协议类型来划分VLAN。基于接口的VLANA1VLAN1A2A3VLAN2B1B2B3交换机123456VLAN1接口：1,3,5VLAN2接口：2,4,6135A1A3B2A2B1B3站地址接口246112122VLAN转发表VLAN仅在同一VLAN内的接口间才能转发帧基于接口的VLANVLAN1接口：1,3,5VLAN2接口：2,4,6135A1A3B2A2B1B3站地址接口246112122VLAN转发表VLANA1VLAN1A2A3VLAN2B2B1B3135246交换机将一个物理的交换机划分成了两个逻辑上独立的交换机跨越多个交换机的VLANA1VLAN1A2VLAN2B1交换机112345A3B3B4交换机212345VLAN1VLAN2跨越多个交换机的VLANA1VLAN1A2VLAN2B1交换机112345A3B3B4交换机212345N

个VLAN就需要N

对接口连接A1VLAN1A2VLAN2B1交换机112345A4B3B4交换机212345VLAN干道（Trunk）多个VLAN可以共享同一条干道Trunk接口VLAN干道（Trunk）Trunk接口可以同时属于多个VLANB2A3交换机如何知道从一个Trunk接口上接收到的一个帧是属于哪个VLAN的呢？802.Q帧格式802.1Q虚拟局域网协议标准允许交换机在以太网帧格式中插入一个4字节的标识符，称为VLAN标记(tag)，用来指明该帧来自于哪一个VLAN。交换机将帧从Trunk接口发送出去时要插入该VLAN标记；当插入VLAN标记的帧要从非Trunk接口转发出去的时候要将该VLAN标记删除！字节66246~15004MAC帧目地地址源地址类型数据FCS4插入4字节的VLAN标记VLAN干道（Trunk）A1VLAN1A2VLAN2B1交换机112345A4B3B4交换机212345原广播帧VLAN干道（Trunk）B2A3VLAN2原广播帧原广播帧原广播帧VLAN2VLAN标记只在交换机间复用的Trunk链路上使用，而主机完全感觉不到！VLAN间的通信当各站点被划分到不同的VLAN后，它们是不能直接进行通信的。因为每个VLAN在逻辑上都是独立的局域网。01OPTION02OPTION