工业数据通信和控制网络(局域网扩展)解析

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1、第 4 章 局域网（二） 以太网的 MAC 层 1 4.3 以太网的 MAC 层 4.3.1 MAC 层的硬件地址 n在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或 MAC 地址 。 n802 标准所说的“地址”严格地讲应当是每一个站的“名字” 或标识符。 n大家都早已习惯将这种 48 bit 的“名字”称为“地址” 。 2 第 1 最高位 最先发送 最低位最高位 最低位 最后发送 00110101 01111011 00010010 00000000 00000000 00000001 最低位 最先发送 最高位 最低位 最高位 最后发送 机构唯一标志符 OUI扩展标志符 高位在前 低位在前 十六进制

2、表示的 EUI-48 地址： AC-DE-48-00-00-80 二进制表示的 EUI-48 地址： 第 1 字节第 6 字节 I/G 比特 I/G 比特 字节顺序第 2第 3第 4第 5第 6 第 1字节顺序第 2第 3第 4第 5第 6 10101100 11011110 01001000 00000000 00000000 10000000 802.5 802.6 802.3 802.4 3 网卡上的硬件地址 路由器 1A-24-F6-54-1B-0E00-00-A2-A4-2C-02 20-60-8C-C7-75-2A08-00-20-47-1F-E420-60-8C-11-D2-F6

3、 路由器由于同时连接到两个网络上， 因此它有两块网卡和两个硬件地址。 4 网卡检查 MAC 地址 n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. n如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他的处理 。 n否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。 n“发往本站的帧”包括以下三种帧： n单播(unicast)帧（一对一） n广播(broadcast)帧（一对全体） n多播(multicast)帧（一对多） 5 4.3.2 两种不同的 MAC 帧格式 n常用的以太网MAC帧格式有两种标准 ： nDIX Ethernet V2 标准 nIEEE 的 802.3 标准

4、 n最常用的 MAC 帧是以太网 V2 的格式。 6 MAC 帧 字节6624 IP 层 物理层 目的地址源地址长度/类型FCS MAC 层 10101010101010 10101010101010101011 前同步码 帧开始 定界符 7 字节1 字节 8 字节 插 入 数 据MAC 子层 IP 层 LLC 子层 802.2 LLC 帧 当长度/类型字段 表示长度时 802.3 MAC 帧 以太网 V2 MAC 帧 这种 802.3 + 802.2 帧已经较少使用 目的地址源地址类型数 据FCS 6624 字节46 1500 43 1497 111 DSAP SSAP 111 控制 数 据

5、 字节 DSAPSSAP 控制 IP 数据报 IP 数据报 7 MAC 帧物理层 MAC 层 IP 层 以太网 V2 MAC 帧 目的地址源地址类型数 据FCS 6624 字节46 1500 IP 数据报 以太网 V2 的 MAC 帧格式 目的地址字段 6 字节 8 MAC 帧物理层 MAC 层 IP 层 以太网 V2 MAC 帧 目的地址源地址类型数 据FCS 6624 字节46 1500 IP 数据报 以太网 V2 的 MAC 帧格式 源地址字段 6 字节 9 MAC 帧物理层 MAC 层 IP 层 以太网 V2 MAC 帧 目的地址源地址类型数 据FCS 6624 字节46 1500 I

6、P 数据报 以太网 V2 的 MAC 帧格式 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。 10 MAC 帧物理层 MAC 层 IP 层 以太网 V2 MAC 帧 目的地址源地址类型数 据FCS 6624 字节46 1500 IP 数据报 以太网 V2 的 MAC 帧格式 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 11 MAC 帧物理层 MAC 层 IP 层 以太网 V2 MAC 帧 目的地址源地址类型数 据FCS 66

7、24 字节46 1500 IP 数据报 以太网 V2 的 MAC 帧格式 FCS 字段 4 字节 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。 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。 12 MAC 帧物理层 MAC 层 IP 层 以太网 V2 MAC 帧 目的地址源地址类型数 据FCS 6624 字节46 1500 IP 数据报 以太网 V2 的 MAC 帧格式 10101010101010 10101010101010101011 前同步码 帧开始 定界符 7

8、 字节1 字节 8 字节 插 入 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。 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 13 n数据字段的长度与长度字段的值不一致； n帧的长度不是整数个字节； n用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错； n数据字段的长度不在 46 1500 字节之间； n有效的 MAC 帧长度为 64 1518 字节之间 n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 14

9、n目的：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。 n帧间最小间隔为 9.6 s，相当于 96 bit 的发送时 间。 n一个站在检测到总线开始空闲后，还要等待 9.6 s 才能再次发送数据。 帧间最小间隔 15 n用多个集线器可连成更大的局域网 4.4 扩展的局域网 4.4.1 在物理层扩展局域网 集线器集线器 一系二系 集线器 三系 三个独立的碰撞域 16 n用多个集线器可连成更大的局域网 4.4 扩展的局域网 4.4.1 在物理层扩展局域网 一系二系 三系 集线器集线器集线器 集线器 主干集线器 17 n优点 n使原来属于不同碰撞域的局域网上的计算机能够进 行

10、跨碰撞域的通信。 n扩大了局域网覆盖的地理范围。 n缺点 n碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。 n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。 用集线器扩展局域网 18 n在数据链路层扩展局域网是使用网桥。 n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。 n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 4.4.2 在数据链路层扩展局域网 19 LAN。 20 网桥使各网段成为 隔离开的碰撞域 B2B1 碰撞域碰撞域碰撞域 ABCDEF 21

11、 分布远的应用 22 大负载的应用 23 24 协议转换的应用 25 26 n过滤通信量。 n扩大了物理范围。 n提高了可靠性。 n可互连不同物理层、不同 MAC 子层和不同速 率（如10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太网）的局域 网。 使用网桥带来的好处 27 n存储转发增加了时延。 n在MAC 子层并没有流量控制功能。 n具有不同 MAC 子层的网段桥接在一起时时延 更大。 n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 28 用户层 IP MAC 站 1 用户层 IP

12、 MAC 站 2 物理层 网桥 1网桥 2 AB 用户数据 IP-H MAC-HMAC-T DL-HDL-T 物理层 DL R MAC 物理层物理层 DL R MAC 物理层物理层 LANLAN 两个网桥之间还可使用一段点到点链路 1.网桥转发前执行CSMA/CD算法 2. 网桥不改变转发帧的源地址 29 n集线器在转发帧时，不对传输媒体进行检测。 n网桥在转发帧之前必须执行 CSMA/CD 算法 。 n若在发送过程中出现碰撞，就必须停止发送和进行 退避。 n在这一点上网桥的接口很像一个网卡。但网桥却没 有网卡。 n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。 网桥和集线器（或转发

13、器）不同 30 n目前使用得最多的网桥是透明网桥 (transparent bridge)。 n“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。 n透明网桥是一种即插即用设备，其标准是 IEEE 802.1D。 2. 透明网桥 31 32 33 n若从 A 发出的帧从接口 x 进入了某网桥，那么从这个接 口出发沿相反方向一定可把一个帧传送到 A。 n网桥每收到一个帧，就记下其源地址和进入网桥的接口 ，作为转发表中的一个项目。 n在建立转发表时是把帧首部中的源地址写在“地址”这一栏 的下面。 n在转发帧时，则是根据收到的帧首部中的目的地址来转 发的

14、。这时就把在“地址”栏下面已经记下的源地址当作目 的地址，而把记下的进入接口当作转发接口。 网桥应当按照以下自学习算法 处理收到的帧和建立转发表 34 (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 地址应当走的端口 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

15、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)。 网桥按照以下算法 处理收到的帧和建立转发表 35 n站地址：登记收到的帧的源 MAC 地址。 n端口：登记收到的帧进入该网桥的端口号。 n时间：登记收到的帧进入该网桥的时间。 n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。 n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。 网桥在转发表中 登记以下三个信息 36 地址 接口 转发表的建立过程举例 B2B1 ABCDEF 1212 地址 接口 B 1B A A BA 1 F CF 2 A BA 1 F CF 2 37 网桥的自学习和转发帧 的步骤归纳 n网桥收到一帧后先进行自学习。查找转发表中与收到 帧的源地址有无相匹配的项目。如没有，就在转发表 中增加一个项目（源地址、进入的接口和时间）。如 有，则把原有的项目进行更新。 n转发帧。查找转发表中与收到帧的