计算机网络第三章 链路层(以太网)资料

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1、第三章 以太网,内容概要,以太网 HUB Bridge Switch VLAN,以太网的由来,是目前使用最广泛的局域网。 传输媒体：同轴电缆双绞线光纤 共享交换 共享：半双工，依赖单条共享信道 1997年，全双工的以太网（802.3x） 最早DIX80：以太网蓝皮书。（1980） DEC、Intel和Xerox 数据链路层和物理层规范1.0版 1982年，DIX82 2.0版本 以太网名字由来：电磁辐射是可以通过发光的以太来传输的,以太网,Ethernet IEEE802.2：1982年底开始发展 正式的标准,以太网,发展历程,局域网标准,IEEE802 802.1A：概述和体系结构 802.

2、1B：寻址、网络管理、网际互连 802.2：逻辑链路控制LLC 802.3：带碰撞检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD) 802.4：令牌传递总线（Token Bus） 802.5：令牌环访问和物理规范（Token Ring） 802.6：城域网访问方法 802.9：LAN-ISDN接口 802.10：互操作LAN安全标准 802.11：WLAN 802.12：100VG ANY LAN网 802.14：交互式电视网,802,体系构架,以太网,LLC： 提供链路的多路访问功能 提供流控功能 屏蔽下层物理硬件,以太网寻址,两级寻址 站地址和LLC地址 地址分为单播、多播 通信涉及的3个要素：

3、进程、主机、网络,用户数据,LLC PDU,MAC帧,LH,MH,LH,MH,LLC帧结构,媒介访问控制方式与帧结构有关 前导码：同步工作方式 SFD：对帧的第一位定位 DA、SA：地址（单播地址，多播地址） TYPE：类型，IP、IPX DATA：最小、最长,以太网与802.3帧结构比较,区别： TYPE与L、Data与LLC-PDU 需要找出方法兼容,CSMA/CD,共享型网络：如何控制接入访问？ 公共传输媒体上，解决“下一个轮到谁发送数据的问题” CSMA/CD：带碰撞检测的载波侦听多路访问技术（Carrier Sense Multiple Access Protocols） 不停的检测

4、信道 媒体空闲，则进行发送； 媒体忙，则继续侦听，一旦发现空闲，就进行发送； 若检测到发送帧时有碰撞，则停止发送；会形成不完整的帧碎片 发送Jam信号，等待一个随机时间后尝试重新发送；,CSMA/CD,CSMA/CD接收规则 各站点不处在发送帧的状态，都处在接收状态； 完成接收后，先判断是否是碎片；是则丢弃，不是进行下一步； 识别目的地址；是则进行下一步，不是则丢弃； 判断帧检验序列是否有效（正确否？）； 确定长度（L）还是类型（TYPE）字段；相应处理； 接收成功；,三种状态: contention, transmission, or idle.,CSMA/CD,CSMA/CD,以太网的物理

5、层,数据传输 基带、 Manchester Code（一定的纠错能力） 根据速度分为：10M、100M、1G 10M 10Base5：外置收发器、粗缆、500m，中继器 10Base2：内置、细缆、185m，中继器、T型头 10BaseT：内置芯片、双绞线、100m、hub、RJ-45 10BaseFL：内置、光缆、2km、hub、ST,快速以太网,100Mbps快速以太网 100BaseTX 4种不同的100Mbps以太网物理层； 100BaseTx：2对5类UTP 100BaseFx： 100BaseT4：4对3类UTP 100BaseT2：2对3类UTP 1GMbps：6类UTP、光纤

6、1000BaseX 1000BaseT 10GMbps：万兆，光纤,快速以太网,不同的系列，主要区别在物理层，链路层变化少 物理层：延时、碰撞监测时间，都在变化 链路层：帧长需要改变 帧扩展技术：最小帧长度与传输速度、跨距有关。64字节最小帧长度。速率越快，工作范围越小。 把帧扩展到512字节 帧突发技术：传大量短帧时，帧扩展填充太多 连续发送多个帧,万兆以太网 （10Gigabit）,10Gb/s的以太网：IEEE802.3 HSSG(High Speed Study Group)小组专门研究的标准IEEE802.3ae规定， 在2002年6月完成标准制定。 对物理层进行了重新定义分别为 L

7、AN物理层：广泛应用的以太网接口，传输速率为10G WAN物理层(可选)：与 SONET OC-192c (STS-192c) 和SDH STM-64相兼容的接口，传输速率为9.95328 Gb/s。 只使用光纤作为传输媒体。 只工作在全双工方式，不存在争用问题，也不使用 CSMA/CD协议。 传输距离不再受进行冲突检测的限制而大大提高。,局域网拓扑,星型 公共中心 总线型 一条线传输媒体 环型 中继、封闭 树型 无环、无冗余,传输媒体,双绞线 非屏蔽、屏蔽 同轴电缆 光缆 无线介质 根据环境、成本选择,局域网互连,中继器（重发器） 放大信号 集线器 中心节点 网桥 交换机 路由器,中继,放大

8、器：延长传输范围 个数有限制，有延时要求，CSMA/CD的特征 帧长与延时有关,中继器,冲突域 = 广播域 冲突：一个发，其它都等着 广播域：广播的范围,HUB,集线器：汇接器，相当于物理媒介（总线）的微缩 以前的网络是共享型，所有连接到“一根总线上”。 整个网络中只有网卡、集线器（中继器）、媒介 整个系统处于一个“碰撞域”（冲突域、广播域） 所有用户共享一个带宽（总线），采用CSMA/CD，一个用户工作，其它都等着。 冲突域 = 广播域,网桥Bridge,网桥（bridge）：网络连接器，连接两个分开的网络。 早期连接两个不同媒介的网络，如令牌环、以太网等 至少两个连接不同网络的端口 后期可

9、连接相同的网络。 具有智能学习和简单的“路由”（二层交换）功能 学习记忆MAC地址，根据帧的终点地址（MAC）处于哪一网段（端口）来进行转发和滤除，工作在第二层 从共享型交换型以太网,网桥Bridge,通过LLC连接两个网段 分离网段，工作在第二层,网桥Bridge,网桥一般至少有两个端口，连接两个分开的网络,网桥Bridge,Bridge需要不停的学习两边网段各自的MAC地址，并在端口上建立MAC地址表，根据MAC地址表，做简单的“交换（路由）”功能。 如果源地址和目的地在同一端口，不转发到其它端口 反之，则转发,网桥Bridge,MAC地址学习的方法,网桥Bridge,网桥对来自网段1的M

10、AC帧，首先要检查其终点地址。 如果是发往网段1上某一站，网桥则不将帧转发到网段2，而将其滤除； 如果是发往网段2上某一站，网桥则将它转发到网段2。 这表明，如果LAN1和LAN2上各有一对用户在本网段上同时进行通信，显然是可以实现的。因为网桥起到了隔离作用。 网桥在一定条件下具有增加网络带宽的作用。 网段1和2是两个不同的冲突域。网桥的每一端口为一个冲突域，但整个网桥处于一个广播域中，仍然转发广播包。,网桥Bridge,三种方式 无端口（未知）：广播 有端口 本地端口：不处理（滤除） 其它端口：转发,网桥Bridge,冲突域：每个端口，每个端口仍然共享 广播域：所有端口，因为广播MAC地址未

11、知 冲突域！=广播域,交换机Switch,交换机：是网桥和集线器的联合的产物，相当于每个端口都是一个微型网桥的集线器。 背板：指连接各个微型网桥的装置 总线 矩阵 软件等,交换机Switch,交换机有三种工作方式： 切入方式（cut through）：指交换机收到帧的前14个字节，根据MAC地址，就判断是否转发，速度快，无效验功能，管理功能差。 存储转发方式（store and forward）：指先读整个帧到内存中，再判断如何转发，便于管理。 改进型直通（Modified Cut-Through：两者的结合，接收前64个字节，然后转发,交换机Switch,以太网交换器结构（背板） 软件执行交

12、换结构：速度慢 矩阵交换结构：硬件处理，速度快，难升级 总线交换结构：便于升级（堆叠，串联） 共享存储器交换结构：需要大量的RAM，方便升级 以太网交换器产品的基本架构分类为： 单台（不可叠堆）： 可叠堆集成：多个（背板）连接在一起 箱体模块式：插板式，总线,背板Backhaul,背板：连接各个端口的设备 不是单纯的集线器，可以使通个端口同时通信 背板的交换速度决定了多少个端口能同时通信 交换型以太网： 不在共享一个带宽 用户使用速度大幅提高 取代了Hub,交换机Switch,交换机的每个端口是网桥，因此每个端口处于一个独立的冲突域，容量大，但所有的端口处于一个广播域中。 交换机对于数据包的形

13、式：转发、过滤、广播。 对于明确知道目的地MAC地址的，在某一特定的端口给予转发。 对于不允许到达的目的地，给予过滤。 对于不知道目的地MAC地址或是组播或是广播，采取广播到所有的端口去。 交换机本质仍然是网桥。,交换机Switch,每个端口是一个冲突域,简单区别,路由器Router,分割广播域,生成树算法（SPT）,当多个网桥相互成环时，可能造成数据循环发送 冗余设计：消除了单点故障 误操作：误成环 交换机对不知道地址的帧（包括广播、组播）进行泛洪（flooding） 结果：冗余交换拓扑或许会带来 广播风暴 多帧拷贝 MAC地址表不稳定,冗余网络拓扑,冗余拓扑消除了由于单点故障所引致的网络不

14、通问题 冗余拓扑却带来了广播风暴、重复帧和MAC地址表不稳定的问题,网段 1,网段 2,服务器/主机 X,路由器 Y,广播,交换机 A,交换机 B,主机 X 发送一广播信息,广播风暴,网段 1,网段 2,服务器/主机 X,路由器 Y,广播,广播风暴,交换机 A,交换机 B,主机 X 发送一广播信息,网段 1,网段 2,服务器/主机 X,路由器 Y,广播,交换机不停地发出广播信息,广播风暴,交换机 A,交换机 B,网段 1,网段 2,服务器/主机 X,路由器 Y,重复帧,单点帧,主机X发一单点帧给路由器Y 路由器Y的MAC地址还没有被交换机A和B学习到,交换机 A,交换机 B,网段 1,网段 2

15、,服务器/主机 X,路由器 Y,主机X发送一单点帧给路由器Y 路由器Y的MAC地址还没有被交换机A和B学习到 路由器Y会收到同一帧的两个拷贝,重复帧,交换机 A,交换机 B,网段 1,网段 2,服务器/主机 X,路由器 Y,单点帧,单点帧,主机X发送一单点帧给路由器Y 路由器Y的MAC地址还没有被交换机A和B学习到 交换机A和B都学习到主机X的MAC地址对应端口0,端口 0,端口1,端口0,端口1,MAC地址表不稳定,交换机 A,交换机 B,网段 1,网段 2,服务器/主机 X,路由器 Y,Unicast,主机X发送一单点帧给路由器Y 路由器Y的MAC地址还没有被交换机A和B学习到 交换机A和

16、B都学习到主机X的MAC地址对应端口0 到路由器Y的数据帧在交换机A和B上会泛洪处理 交换机A和B都错误学习到主机X的MAC地址对应端口1,MAC地址表不稳定,单点帧,端口 0,端口1,端口0,端口1,交换机 A,交换机 B,网段 1,网段 2,服务器/主机 X,路由器 Y,更复杂的拓扑结构可能导致多重回路 在第2层没有能够防止这种回路的机制,服务器/主机,工作站,回路,回路,回路,多重回路问题,回路的解决办法: 生成树协议 Spanning-Tree Protocol,将某些端口置于阻塞状态就能防止冗余结构的网络拓扑中产生回路 无环路的树,阻塞,x,创建逻辑无环路拓扑,冗余增加了可靠性，但也将物理环路带进网络。 解决办法就是创建逻辑无环路拓扑，同时保留物理环存在 无环路拓扑称为树，并且是可扩展的树。 树只有根结点，树叶连接到枝干上