陈庆章全套配套课件TCPIP网络原理与技术 第二讲－网络接口

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1、第二讲 网络接口 1 前言 数据从TCP IP应用程序 通过TCP或UDP端口 传递到两个传输层协议 TCP或UDP 中的一个 然后交给IP IP协议提供了逻辑地址信息 并 将数据封装在数据报中 接下来 IP数据报进入 网络接口层 网络接口层创建一个或多个数据帧 以便进入物理网络 数据帧最终被转换成在网 络传输介质上的传送的比特 Bits 流 本章将介绍网络接口层的协议 这些协议包括 我们常常用到的数据链路层协议IEEE802 3协议 拨号连接或点点通信协议SLIP PPP 对于 FDDI 和无线局域网做了简单的介绍 2 2 1 以太和IEEE802 x LAN 2 1 1 以太网技术 以太网

2、络 Ethernet 是我们最常涉及的网络 从数据链路层角度看 它使用的是 IEEE802 3协议 如果TCP IP网络的网络接口层是运转在以 太网络上 或者说是跑IEEE802 3协议 则IP分组 分组 指网络层的数据包 将被 封装在以太帧 帧 指链路层的数据包 之中放到物理层传送 3 1 网络硬件地址 每种网络硬件技术都定义了一种编址机制 计算 机使用这种机制指定每个分组的目的地 每台连 到网络的计算机都被赋予一个惟一地址 在数据链路层上传送的帧 包括一个目的地址字 段 destination address field 其中有接收机器的 地址 以太网络的硬件地址就是我们常常提及的MAC

3、Media Access Control 地址 它由48比特组成 TCP IP协议中使IP地址 是一种逻辑地址 4 2 以太网 以太网是Xerox公司的PARC在20世纪70年 代早期发明的 Xerox公司 Intel公司和DEC公司于1978年 把以太网标准化 IEEE用号码802 3发布了一个与该标准兼容 的版本 以太网已经是一种最流行的局域网技术 许多中等规模和大规模的公司都使用以太 网 5 最初设计的以太网 10Base5 使用了较粗的一种同轴电缆来连接 入网设备 有时就称它为粗缆一台网 thick Ethernet或thicknet 10Base2 称为细缆以太网thinnet 这种

4、同轴 电缆较细 较便宜 柔韧性也更好 10BaseT 这是我们目前广泛使用的以太网络 形式 它采用双绞线来连接入网设备 我们也称 它双绞线以太网 twisted pair Ethernet 最初 的双绞线以太网工作在10Mb s 正式名称为 10Base T 6 最初设计的以太网 快速以太网 速度达到100M 是100BaseT 通常称为 快速以太网 首先 尽管计算机的运行速度已经变得更快 但很少有计 算机系统能够以持续不变的100Mb s速率传输数据 其次 100BaseT标准没有改变以太网标准的其他部分 而且 帧最大尺寸仍和10BaseT的相同 这两个事实暗示着快速 以太网并没有优化为在一

5、对计算机间提供可能的最高吞吐 量 而是优化为允许更多的节点入网以及更多的通信总量 10 100以太网 为了能够适应10或100Mb s连接的设备 这种技术称为双速以太网或10 100以太网 7 最初设计的以太网 G比特以太网 到20世纪90年代后期 当100BaseT以 太网的市场份额逐渐增长 对更高容量以太网的需求变得 更加明显 因此 工程师们把以太网技术扩展到了1Gb s 吉比特每秒 这种技术称为1000BaseT 这种高吞吐率 使得该技术十分适合用在公司主干网络中 来自许多计算 机的通信量都要通过网络进行传输 容易受到电子干扰的影响 与快速以太网类似 吉比特以太网的设计是为整体吞吐量 进

6、行优化的 最初的帧格式和最大帧尺寸仍保留着 使得 10BaseT 100BaseT和1000BaseT网络上的帧可互换使 用 因此 就可能从10个均以全速运行的100BaseT以太 网上收集通信量 然后通过1000BaseT传输通信量 8 以太网的设计思想 共享总线 share bus 技术 所有网点连接到一个共享的 单一通信信道 可支持广播 所有网点都能收到每次发送 因此可把一 个帧同时传输到所有的网点 该拓扑方式又称为广播技术 使用尽最大努力交付 best effort delivery 的机制 因 为硬件没有向发送者提供任何信息来判断帧是否已被发送 分布式接入控制 因为以太网与某些网络技

7、术不同 它 没有任何中央权力来授权接入 以太网的接方式称为具有 冲突检测的载波监听多点接入 CSMA CD Carried Sense Multiple Access with Collision Detect 9 以太网的冲突检测与恢复 当一个站点开始传送时 信号并未同时到达网络 各处 而是大约以70 光速的速率在电缆上传输 这样就可能有两个收发器同时探测到网络空闲 并同时开始发送 当这两个电信号交汇时 它 们混杂在一起 每个信号都失去了意义 这种事 件称为冲突 collision 以太网以一种巧妙的方式处理冲突 每个收发器 在发送时监视电缆 看是否有外来信号干扰其发 送 从技术上说 这种监

8、视称为冲突检测 CD Collision Detect 使以太网成为一个 CSMA CD网 当检测到冲突时 主机接口放弃本 次发送 等待活动停止 并再次试发送 10 以太网硬件地址 以太网定义了一个48比特寻址方式 每台 连接到以太网络的计算机分配到一个惟一 的48比特数字 即它的以太网地址 为分 配地址 以太网硬件制造商购买以太网地 址空间 电气与电子工程师协会 IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers 管理以太网地址空间并按照需要 分配地址值 在生产以太网接口硬件时按 顺序进行分配 11 以太网硬件地址 通常 以太网地址是以

9、机器可读形式固定在主机 接口硬件上的 因为以太网地址属于硬件设备 所以它们有时也称为硬件地址 hardware address 物理地址 physical address 媒体接 入 media access MAC 地址或 2层 layer 2 地 址 显然 以太地址是随着网卡移动的 MAC地址表示方法有两种 直接用二进制表示 用十六进制表示 如02 60 8C 00 00 80 12 以太网硬件地址 一个48比特地址不仅仅指定目的计算机地址 地 址可以是以下三种形式之一 一个网络接口 网卡 的物理地址 单播地址 unicast address 网络广播地址 broadcast addres

10、s 组播地址 multicast address 按照惯例 广播地址 全1 被预留下来用于同时发 送到所有网点 组播地址提供了一种有限广播形 式 网络上计算机的某个子集同意收听一给定组 播地址 13 2 1 2 以太帧格式 有两种类型的以太帧结构 DIX Ethernet V2和IEEE802 3 前者是由美国施乐 Xerox 公司 数字装备公司 Digital 和英特 尔 Intel 公司联合推出以太网规约 后者是 美国电气和电子工程师学会IEEE 802委员 会制定出以太网规约 14 1 DIX Ethernet V2帧结构 由目的地址 源地址 类型 数据 帧校验等字段组成 当MAC帧在

11、物理层传输时还必须插入前同步码和帧定界符 如图2 1 a 所示 各字段说明如下 15 DIX Ethernet V2帧结构字段说明 前同步码 7个字节的前同步码用来使接收方的 时钟与发送方的时钟同步 前同步码是一个 1 0 相间的序列 帧分界符 帧分界符SFD标志一帧的开始 它的 字符串是 10101011 目的地址 若目的地址第一位为0 则这个字段 指定了一个特定站点 若为1 则表示该目的地址 为一组地址 该组地址是事先定义好的 若所有 位全为1 则表示接收者为局域网上的所有站点 即该地址是一个广播地址 16 DIX Ethernet V2帧结构字段说明 源地址 6字节的源地址是指源主机的M

12、AC地址 表明该帧来自哪个主机 类型 2字节的类型字段说明上一层使用的是什 么协议 如类型字段的值为0 x0800时 就表示上 层使用的是IP数据报 类型字段的值为0 x8137时 则表示该帧是从Novell IPX发过来的 数据字段 数据字段是指来自上层的IP数据报 其长度在46 1500字节之间 若数据不足46字节 时 在数据字段后面加入一个整数字节的填充字 段来补足差额 帧校验字段 使用4字节 32位 循环冗余校验 码进行错误检验 17 2 IEEE802 3帧结构 1 长度 类型字段 以太网V2中该字段为类型字 段 因此当长度 类型字段的值大于0 x0600 即十 进制的1536 这个

13、字段就表示类型 此时 802 3帧结构和以太网帧结构一样 当长度 类型 字段的值小于1500字节时 这个字段就表示MAC 帧的数据长度 此时MAC帧必须装入802 2的LLC 帧 LLC帧的首部有三个字段 即目的服务访问 点DSAP 1字节 源服务访问点 1字节 和 控制字段 1字节 DSAP指出LLC帧的数据应 上交给哪个协议 SSAP指出数据是从哪个协议来 的 而控制字段则指出LLC帧的类型 其它均与 以太网V2类似 18 IEEE802 3帧结构 MAC帧的最短长度和最长长度 802 3标准采用CSMA CD协议 该协议的一 个要点是当发送方正在发送数据时 若检 测出冲突则立即中止发送

14、然后延迟一段 时间再发送 如果所发送的帧太短 还没 来得及检测到冲突就发送完了 也就检测 不出冲突了 19 MAC帧的最短长度和最长长度 当总线速率为10Mbps时 相当于发送512比特 即64字 节 因此 MAC帧的最短长度就应为64字节 其次 目 前规定数据字段最大长度为1 500字节 加上源 目的地 址 长度 类型和帧校验序列共18字节 就可得出MAC帧 的最长长度为1518字节 因此就可得出有效MAC帧的总 长度为64 1518字节 另外 MAC层还规定了两个帧之间的最小间隔为9 6 s 相当于96比特的发送时间 也就是说 一个站在检测到总 线开始空闲后 还要等待9 6 s才能发送数据

15、 这样做是 为了使刚刚收到数据帧的站点的接收缓冲区来得及准备接 收下一帧 20 2 1 3 以太网的组网 以太网是由电缆组成的总线型网络 IEEE802 3 电缆类型有10Base5 10Base2 10BaseT 1Base5 100BaseT及100BaseF等 Base表示 采用的是基带信号 Base前的数字表示传输速率 单位为Mbps 而Base后的数字一般表示最大 支持多少长度的距离 其中T表示双绞线 F表示 光纤 如 10Base5的意思是工作速率为 10Mbps 采用基带信号 最大支持500m长度的 距离 所有的电缆类型均使用曼彻斯特 Manchester 编码 一般用得较多的是

16、前面四种 电缆 由于不同的电缆 其特性也不相同 因此 组成的以太网也不一样 21 2 2 SLIP 和 PPP Internet由各种各样的主机 网络设备和通 信网基础设施互连而成 目前 主要有两 种互连情形 一种是采用局域网来互连这 些设备 另一种是在广域网的场合中 采 用 点到点 Point to Point 链路 一般是 租用线路 来互连这些设备 Internet中点到点到点协议有两个 即SLIP 串行线路Internet协议 和PPP 点到点 协议 22 SLIP协议 较早使用的Internet链路层协议 用于工作站通过 拨号线路 经调制解调器 Modem 接入 Internet 但是由于SLIP存在以下缺陷 没有差 错检测和恢复措施 只支持IP协议 通信双 方必须事先知道对方的IP地址 而SLIP不能在拨 号连接时动态地分配IP地址 目前也不可能为每 个家庭Internet用户分配一个惟一的IP地址 没 有提供任何形式的用户身份验证 因此SLIP一直 没有成为Internet的标准协议 为改进SLIP这些不 足 人们又提出了PPP协议 目前广泛使用的是 PPP协议 23 2