《计算机网络第三章 数据链路层.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机网络第三章 数据链路层.ppt（179页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、计计 算算 机机 网网 络络 主 讲：邓 辉计算机网络计算机网络第 3 章 数据链路数据链路层层3.1使用点对点信道的数据链路层3.2点对点协议PPP3.3使用广播信道的数据链路层3.4使用广播信道的以太网3.5扩展的以太网3.6高速以太网3.7其他类型的高速局域网接口计算机网络计算机网络数据链路层的简单模型数据链路层的简单模型局域网广域网主机 H1主机 H2路由器 R1路由器 R2路由器 R3电话网局域网主机 H1 向 H2 发送数据链路层应用层运输层网络层物理层链路层应用层运输层网络层物理层链路层网络层物理层链路层网络层物理层链路层网络层物理层R1R2R3H1H2从层次上来看数据的流动计算
2、机网络计算机网络局域网广域网主机 H1主机 H2路由器 R1路由器 R2路由器 R3电话网局域网主机 H1 向 H2 发送数据链路层应用层运输层网络层物理层链路层应用层运输层网络层物理层链路层网络层物理层链路层网络层物理层链路层网络层物理层R1R2R3H1H2仅从数据链路层观察帧的流动数据链路层的简单模型数据链路层的简单模型计算机网络计算机网络数据链路层的任务数据链路层的任务数据链路层的任务是把网络层的数据组合成帧，加上一定的校验，然后交物理层用某种信号表示二进制数据位送到目的计算机，并通过目的计算机的物理层和数据链路层送到网络层，也就是为网络层提供一条可靠的数据链路。计算机网络计算机网络数据
3、链路层的功能数据链路层的功能n数据链路层要解决向网络层提供透明的数据传送服务。n数据链路层要解决在两个网络实体之间提供数据链路连接的建立、维持和释放管理。n数据链路层要解决如何检测处理传输中出现的差错。计算机网络计算机网络数据链路层服务的区分规则数据链路层服务的区分规则n数据链路层的服务是通过有无连接、有无确认来区分的。无确认无连接有确认无连接有确认有连接计算机网络计算机网络确认和连接确认和连接n确认：接收方在收到数据帧后，必须给发送方发回一个确认。n面向连接：发送方和接收方在传输数据之前必须建立逻辑连接，传输结束后必须释放连接。计算机网络计算机网络无确认的面向无连接服务无确认的面向无连接服务
4、n无确认是指接收方在收到数据帧后，毋需发回一个确认。n无连接服务是指在数据传输前毋需建立逻辑链路。n物理线路的连接并非意味着提供有连接的服务。n无确认并非不可靠，其可靠性由上层负责。计算机网络计算机网络无确认的面向无连接服务举例无确认的面向无连接服务举例n局域网共享信道毋需建立连接信道较为理想，数据传输的误码率很低即使出错或丢失由上层负责恢复计算机网络计算机网络有确认的面向无连接服务有确认的面向无连接服务n使用前不建立连接，即不建立逻辑链路，但每帧传输必须得到确认。n这在信号传播延时较大、线路状态不一定很可靠的情况下是有效的。n例如：卫星通信如建立连接，则信道利用率低。数据传输的误码率相对较高
5、，确认是必要的计算机网络计算机网络有确认的面向连接服务有确认的面向连接服务n使用前先建立连接，即先建立数据链路，并且每帧的传输必须得到确认n有连接的服务必须在使用前先建立连接（即建立逻辑链路），然后使用，最后释放连接。n例如：电话计算机网络计算机网络n点对点信道。这种信道使用一对一的点对点通信方式。n广播信道。这种信道使用一对多的广播通信方式，因此过程比较复杂。广播信道上连接的主机很多，因此必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机的数据发送。数据链路层使用的信道数据链路层使用的信道计算机网络计算机网络3.1 使用点对点信道的数据链路层使用点对点信道的数据链路层3.1.1 数据链路和帧数据链路和
6、帧 n链路(link)是一条无源的点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换结点。一条链路只是一条通路的一个组成部分。n数据链路(datalink)除了物理线路外，还必须有通信协议来控制这些数据的传输。若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。现在最常用的方法是使用适配器（即网卡）来实现这些协议的硬件和软件。一般的适配器都包括了数据链路层和物理层这两层的功能。计算机网络计算机网络IP 数据报1010 0110帧取出数据链路层网络层链路结点 A结点 B物理层数据链路层结点 A结点 B帧(a)(b)发送帧接收链路IP 数据报1010 0110帧装入数据链路层传送的是帧数据链路层传送
7、的是帧数据链路层数据链路层网络层物理层计算机网络计算机网络数据链路层像个数字管道数据链路层像个数字管道 n常常在两个对等的数据链路层之间画出一个数字管道，而在这条数字管道上传输的数据单位是帧。n早期的数据通信协议曾叫作通信规程(procedure)。因此在数据链路层，规程和协议是同义语。结点结点帧帧计算机网络计算机网络3.1.2 三个基本问题三个基本问题 1. 封装成帧封装成帧n封装成帧(framing)就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部，然后就构成了一个帧。确定帧的界限。n首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界。帧结束帧首部IP 数据报帧的数据部分帧尾部 MTU数据链路层的帧长开始发送帧
8、开始计算机网络计算机网络用控制字符进行帧定界的方法用控制字符进行帧定界的方法 SOH装在帧中的数据部分帧帧开始符帧结束符发送在前EOT其中SOH和EOT均为ASCII编码 Data 0000000100000100计算机网络计算机网络2. 透明传输透明传输SOHEOT出现了“EOT”被接收端当作无效帧而丢弃被接收端误认为是一个帧数据部分EOT完整的帧发送在前00000001 0000010000000100计算机网络计算机网络解决透明传输问题解决透明传输问题n发送端的数据链路层在数据中出现控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入一个转义字符“ESC”(其十六进制ASCLL编码是1B)。n字节填
9、充(bytestuffing)或字符填充(characterstuffing)接收端的数据链路层在将数据送往网络层之前删除插入的转义字符。n如果转义字符也出现数据当中，那么应在转义字符前面插入一个转义字符。当接收端收到连续的两个转义字符时，就删除其中前面的一个。计算机网络计算机网络SOHSOHEOTSOHESCESCEOTESCSOHESCESCESCSOH原始数据EOTEOT经过字节填充后发送的数据字节填充字节填充字节填充字节填充发送在前帧开始符帧结束符字节填充法解决透明传输问题字节填充法解决透明传输问题 SOH计算机网络计算机网络SOHESCEOTESCSOHESCESCESCEOTESC
10、ESCESCSOHEOTSOHESCESCEOTESC字节填充例字节填充例接收端发送端计算机网络计算机网络3. 差错检测差错检测n在传输过程中可能会产生比特差错：1可能会变成0而0也可能变成1。n在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比率称为误码率BER(BitErrorRate)。n误码率与信噪比有很大的关系。n为了保证数据传输的可靠性，在计算机网络传输数据时，必须采用各种差错检测措施。n在数据链路层传送的帧中，广泛使用了循环冗余检验CRC的检错技术。(模2运算)计算机网络计算机网络循环冗余检验循环冗余检验n在发送端，先把数据划分为组。假定每组k 个比特。n选定好长度为(n+1)位的
11、除数P。n用二进制的模2运算进行2n 乘M 的运算，这相当于在M 后面添加n 个0。n得到的(k+n)位的数除以除数P，得出商是Q 而余数是R，余数R 比除数P 少1位，即R 是n位。在M 的后面再添加供差错检测用的n位冗余码R一起发送。计算机网络计算机网络冗余码的计算举例冗余码的计算举例 n现在设M=101001，k=6；n设除数P=1101， n=3；n被除数是2nM=101001000；n模2运算的结果是：商Q=110101，余数R=001；n把余数R 作为冗余码添加在数据M 的后面发送出去。发送的数据是：2nM+R即：101001001，共(k+n)位。计算机网络计算机网络 11010
12、1 Q (商) P (除数) 1101 101001000 2nM (被除数) 1101 1110 1101 0111 0000 1110 1101 0110 0000 1100 1101 001 R (余数)，作为 FCS 冗余码的计算举例冗余码的计算举例计算机网络计算机网络接收端对收到的每一帧接收端对收到的每一帧进行进行 CRC 检验检验 n用接收到的数据除以发送端选定的除数。(1)若得出的余数R=0，则判定这个帧没有差错，就接受(accept)。(2)若余数R0，则判定这个帧有差错，就丢弃。n只要经过严格的挑选，并使用位数足够多的除数P，那么出现检测不到的出错的概率就很小很小。n但这种检
13、测方法并不能确定究竟是哪一个或哪几个比特出现了差错。计算机网络计算机网络帧检验序列帧检验序列 FCSn在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列FCS(FrameCheckSequence)。n循环冗余检验CRC和帧检验序列FCS并不等同。CRC是一种常用的检错方法，而FCS是添加在数据后面的冗余码。FCS可以用CRC这种方法得出，但CRC并非用来获得FCS的唯一方法。计算机网络计算机网络多项式表示循环冗余检验多项式表示循环冗余检验n将要发送的二进制数序列看成是一个多项式。n位的数据序列对应n-1次多项式。P(x)=aP(x)=an-1n-1x xn-1n-1 +a +an-2n-2x xn-2n
14、-2 + a + a1 1x + ax + a0 0 除式称为生成多项式。 如除数 P =1101，可用生成多项式表示为： P(x)=X P(x)=X3 3 +X +X2 2 + 1 + 1计算机网络计算机网络常用的生成多项式常用的生成多项式nCRC-12CRC-12： G(x)= G(x)=x x1212+x+x1111+x+x3 3+x+x2 2+x+1+x+1nCRC-16CRC-16： G(x)=G(x)=x x1616+x+x1515+x+x2 2+1+1nCRC-CCITTCRC-CCITT：G(x)=G(x)=x x1616+x+x1212+x+x5 5+1+1nCRC-32CR
15、C-32： G(x)= G(x)=x x3232+x+x2626+x+x2323+x+x2222+x+x16 16 +x+x1212+x+x1111+x+x1010+x+x8 8+x+x7 7+x+x5 5+x+x4 4+x+x2 2+x+1+x+1计算机网络计算机网络应当注意应当注意 n仅用循环冗余检验CRC差错检测技术只能做到无差错接受(accept)。n“无差错接受”是指：“凡是接受的帧（即不包括丢弃的帧），我们都能以非常接近于1的概率认为这些帧在传输过程中没有产生差错”。n也就是说：“凡是接收端数据链路层接受的帧都没有传输差错”（有差错的帧就丢弃而不接受）。n要做到“可靠传输”（即发送
16、什么就收到什么）就必须再加上确认和重传机制。计算机网络计算机网络例例3-1：n信息字段代码为1011001；生成多项式：P(x)= XP(x)= X4 4 + X+ X3 3 + 1 + 1，如用CRC方法进行差错检验，求发送数据。n求得余数为：1010(即校验字段）n 发送方发送方：发送数据10110011010n 接收方接收方：使用相同的生成码进行校验:接收到的字段/生成码，如果能够除尽，则正确，否则出错。计算机网络计算机网络3.2 点对点协议点对点协议 PPP 3.2.1 PPP 协议的特点协议的特点 nPPP（Point-to-PointProtocol点对点协议）是为在同等单元之间传
17、输数据包这样的简单链路设计的数据链路层协议。这种链路提供全双工操作，并按照顺序传递数据包。n设计目的主要是用来通过拨号或专线方式建立点对点连接发送数据，使其成为各种主机、网桥和路由器之间简单连接的一种共通的解决方案。计算机网络计算机网络用户到用户到 ISP 的链路的链路使用使用 PPP 协议协议 用户至因特网已向因特网管理机构申请到一批 IP 地址ISP接入网PPP 协议计算机网络计算机网络路由器路由器调制解调器调制解调器调制解调器调制解调器因特网服务提供者因特网服务提供者(ISP)用户家庭用户家庭拨号电话线拨号电话线 使用使用 TCP/IP 的的 PPP 连接连接使用使用 TCP/IP 的的
18、 客户进程客户进程路由选择 进程至至因因特特网网PC 机机用户到用户到 ISP 的链路的链路使用使用 PPP 协议协议计算机网络计算机网络PPP 协议应满足的需求协议应满足的需求 n简单这是首要的要求n封装成帧n透明性n多种网络层协议n多种类型链路n差错检测n检测连接状态n最大传送单元n网络层地址协商n数据压缩协商计算机网络计算机网络PPP 协议不需要的功能协议不需要的功能n纠错n流量控制n序号n多点线路n半双工或单工链路计算机网络计算机网络不提供使用序号和确认不提供使用序号和确认的可靠传输的可靠传输nPPP协议之所以不使用序号和确认机制是出于以下的考虑：在数据链路层出现差错的概率不大时，使用
19、比较简单的PPP协议较为合理。在因特网环境下，PPP的信息字段放入的数据是IP数据报。数据链路层的可靠传输并不能够保证网络层的传输也是可靠的。帧检验序列FCS字段可保证无差错接受。计算机网络计算机网络PPP 协议的组成协议的组成 n一个将IP数据报封装到串行链路的方法。PPP既支持异步链路，也支持面向比特的同步链路。IP数据报在PPP帧中就是其信息部分。这个信息部分的长度受最大传送单元MTU的限制。n一个用来建立、配置和测试数据链路连接的链路控制协议LCP (Link Control Protocol)。通信的双方可协商一些选项。n一套网络控制协议NCP(Network Control Pro
20、tocol)，其中的每一个协议支持不同的网络层协议，如IP、OSI的网络层、DECnet以及AppleTalk等。所有的PPP帧的长度都是整数个字节。计算机网络计算机网络n在物理层，可在一系列接口上配置PPP，这些接口包括：异步串行同步串行HSSIISDNPPP 协议的组成协议的组成计算机网络计算机网络nLCP是PPP中实际工作的部分。LCP位于物理层的上方，其职责是建立、配置和测试数据链路连接。nPPP提供LCP中的服务选项，主要用于协商和帧检查，以帮助管理员实现对指定点对点的控制。n一旦建立了链路，PPP还会进行LCP鉴别。PPP 协议的组成协议的组成计算机网络计算机网络nPPP允许多个网
21、络层协议在同一通信链路上运行。n对于所使用的每个网络层协议，PPP都分别使用独立的NCP。nNCP包含了功能字段，功能字段中包含的标准化代码用于指示PPP封装的网络层协议。值协议名称8021Internet协议控制协议8023OSI网络层控制协议8029Appletalk控制协议802bNovellIPX控制协议c021LCP链路控制协议c023PAP密码验证协议c223CHAP挑战握手验证协议PPP 协议的组成协议的组成计算机网络计算机网络PPP 协议的帧格式协议的帧格式IP 数据报1211字节12不超过 1500 字节先发送7EFF03FACFCSF7E协议信 息 部 分首部尾部PPP 帧
22、计算机网络计算机网络n标志字段F=0x7E（符号“0x”表示后面的字符是用十六进制表示。十六进制的7E的二进制表示是01111110）。n地址字段A只置为0xFF。地址字段实际上并不起作用。n控制字段C通常置为0x03。PPP 协议的帧格式协议的帧格式计算机网络计算机网络nPPP有一个2个字节的协议字段。协议字段不同，后面的信息字段类型就不同。0x0021信息字段是IP数据报0xC021信息字段是链路控制数据LCP0x8021信息字段是网络控制数据NCP0xC023信息字段是安全性认证PAP0xC025信息字段是LQR0xC223信息字段是安全性认证CHAPPPP 协议的帧格式协议的帧格式计算
23、机网络计算机网络透明传输问题透明传输问题 n当PPP用在异步传输时，就使用一种特殊的字节填充法。n当PPP用在同步传输链路时，协议规定采用硬件来完成比特填充。计算机网络计算机网络字节填充字节填充 n将信息字段中出现的每一个0x7E字节转变成为2字节序列(0x7D,0x5E)。n若信息字段中出现一个0x7D的字节,则将其转变成为2字节序列(0x7D,0x5D)。n若信息字段中出现ASCII码的控制字符（即数值小于0x20的字符），则在该字符前面要加入一个0x7D字节，同时将该字符的编码加以改变。(第6个比特取反码后变成1，前面两种情况均变为0)计算机网络计算机网络例例3-2：一个PPP帧的数据部
24、分是7D5EFE277D5D7D5D657D24。试问真正的数据是什么（用十六进制表示）？答案：7EFE277D7D6504计算机网络计算机网络零比特填充零比特填充 nPPP协议用在SONET/SDH链路时，是使用同步传输（一连串的比特连续传送）。这时PPP协议采用零比特填充方法来实现透明传输。n在发送端，只要发现有5个连续1，则立即填入一个0。接收端对帧中的比特流进行扫描。每当发现5个连续1时，就把这5个连续1后的一个0删除，计算机网络计算机网络0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 00 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 00 1 0
25、0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0信息字段中出现了和标志字段 F 完全一样的 8 比特组合发送端在 5 个连 1 之后填入 0 比特再发送出去在接收端把 5 个连 1之后的 0 比特删除会被误认为是标志字段 F 发送端填入 0 比特接收端删除填入的 0 比特零比特填充零比特填充计算机网络计算机网络例例3-3：PPP协议使用同步传输技术传送比特串0110111111111100。试问经过零比特填充后变成怎样的比特串？若接收端收到的数据是0001110111110111110110，求发送端发送的真实数据？计算机网络计算机网络 3.2.3 PPP 协议的工作状态协议的工作状
26、态 设备之间无链路链路静止链路建立鉴别网络层协议链路打开链路终止物理链路LCP 链路已鉴别的 LCP 链路已鉴别的 LCP 链路和 NCP 链路物理层连接建立LCP 配置协商鉴别成功或无需鉴别NCP 配置协商链路故障或关闭请求LCP 链路终止鉴别失败LCP 配置协商失败计算机网络计算机网络LCP报文中可以携带的配置选项报文中可以携带的配置选项配置参数配置参数类型类型内容内容注释注释0x01Maximum-Receive-Unit可以接受的最大传输单元0x03Authentication-Protocol要求对端进行验证的协议0x04Quality-Protocol传输质量监测协议0x05Mag
27、ic-Number魔术字0x07Protocol-Field-Compression协议域字段压缩，两字节压缩为一个字节0x08Address-And-Control-Field-Compression地址、控制字段压缩。在PPP协议中这两个字段值不变，可以省略之计算机网络计算机网络n假设点对点通信的一端发送了一个Config-Request报文，该报文将携带多种配置选项，具体携带哪些配置选项视应用而定。n当对端正确接收到该报文后，如果接受该报文携带的所有配置选项，则回应一个Config-Ack报文。12Config-RequestConfig-Ack路由器路由器A A路由器路由器B B链路配
28、置报文举例链路配置报文举例(一次交互)计算机网络计算机网络n假设点对点通信的一端发送了一个Config-Request报文。n当对端正确接收到该报文后，如果发现某配置选项可识别，但该配置选项数据域的内容不认可，应发送一个Config-Nak报文且该报文中将携带希望的配置选项内容。n当发端收到该报文后会重新发送一个Config-Request报文，相应的配置选项将改为Config-Nak报文中所希望的配置选项内容。12Config-RequestConfig-Nak路由器路由器A A路由器路由器B B34Config-RequestConfig-Ack链路配置报文举例链路配置报文举例(两次交互)
29、计算机网络计算机网络链路配置报文举例链路配置报文举例(两次交互)n假设点对点通信的一端发送了一个Config-Request报文。n当对端正确接收到该报文后，如果发现某配置选项不识别，应发送一个Config-Reject报文，且该报文中将携带该配置选项内容。n当发端收到该报文后会重新发送一个Config-Request报文，相应的配置选项将被删除。12Config-RequestConfig-Reject路由器路由器A A路由器路由器B B34Config-RequestConfig-Ack计算机网络计算机网络LCP链路鉴别链路鉴别nPPP支持两种授权认证协议：口令验证协议（PAP，Passw
30、ordAuthenticationProtocol）通过两握手机制，为建立远程节点的验证提供了一个简单的方法。挑战握手验证协议（CHAP，ChallengeHandAuthenticationProtocol）使用三次握手机制来启动一条链路和周期性的验证远程节点。计算机网络计算机网络PAP认证认证nPAP验证特点：两次握手协议两次握手协议明文方式进行验证明文方式进行验证ClientServerHostname: ruijiePassword: 123 username ruijiepassword 123 Auth Auth NakNakAuth Auth AckAckRequestReque
31、st用户名用户名用户名用户名+ + + +密码密码密码密码验证成功验证成功验证成功验证成功验证失败验证失败验证失败验证失败RBRA计算机网络计算机网络PAP认证的配置认证的配置n客户端（被验证方）客户端（被验证方）nRA(config)#interface seril 0nRA(config-if)# encapsulation pppnRA(config-if)#ppp pap sent-username ruijie password 123n服务器端（验证方）服务器端（验证方）nRB(config)#username ruijie password 123nRB(config)#inte
32、rface seril 0nRB(config-if)# encapsulation pppnRB(config-if)#ppp authentication pap计算机网络计算机网络CHAP认证认证nCHAPCHAP验证特点：验证特点：CHAP为三次握手协议为三次握手协议只在网络上传输用户名，而并不传输口令只在网络上传输用户名，而并不传输口令安全性要比安全性要比PAP高，但认证报文耗费带宽高，但认证报文耗费带宽ClientServerHostname: RAPassword: 123 Hostname: RBPassword: 123 ChallengeSuccessFailureRBRA
33、RB+RB+挑战报文挑战报文挑战报文挑战报文ResponseResponseRA+RA+加密后的密码加密后的密码加密后的密码加密后的密码验证成功验证成功验证成功验证成功验证失败验证失败验证失败验证失败计算机网络计算机网络CHAP认证配置认证配置n客户端（被验证方）nRA(config)#usernameRBpassword123nRA(config)#interfaceserial0nRA(config-if)#encapsulationpppn服务器端（验证方）nRB(config)#usernameRApassword123nRB(config)#interfaceserial0nRB(c
34、onfig-if)#encapsulationpppnRB(config-if)#pppauthenticationchap计算机网络计算机网络点对点通信设备均设置了点对点通信设备均设置了IP地址地址我知道了我的IP地址是192.168.0.1路由器B路由器A192.168.0.1192.168.0.2我知道了我的IP地址是192.168.0.2IPCP静态地址协商静态地址协商计算机网络计算机网络点对点通信的一方设置了点对点通信的一方设置了IP地址，而另一方则通过从对端获取地址，而另一方则通过从对端获取IP地址地址这个地址不合法，用192.168.0.1这个地址吧我的IP地址是0.0.0.0路
35、由器B路由器A192.168.0.2我知道了我的IP地址是192.168.0.2我的IP地址是192.168.0.1我知道了IPCP动态地址协商动态地址协商计算机网络计算机网络PPP链路配置举例链路配置举例n例3-4：路由器Router1和Router2的S0口均封装PPP协议，采用CHAP做认证，在Router1中应建立一个用户，以对端路由器主机名作为用户名，即用户名应为router2。同时在Router2中应建立一个用户，以对端路由器主机名作为用户名，即用户名应为router1。所建的这两用户的password必须相同。计算机网络计算机网络nRouter1: hostnamerouter1
36、usernamerouter2password123interfaceSerial0ipaddress192.200.10.1255.255.255.0clockrate1000000pppauthenticationchapnRouter2: hostnamerouter2usernamerouter1password123interfaceSerial0ipaddress192.200.10.2255.255.255.0pppauthenticationchap计算机网络计算机网络3.3 使用广播信道的数据链路层使用广播信道的数据链路层3.3.1 局域网的数据链路层局域网的数据链路层 n局
37、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。n局域网具有如下的一些主要优点：具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网。局域网上的主机可共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源。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、可用性和生存性。计算机网络计算机网络局域网的拓扑局域网的拓扑 匹配电阻集线器干线耦合器总线网星形网树形网 环形网计算机网络计算机网络n星型拓扑结构也称“集中式拓扑结构”，是因集线器或交换机连接的各连接节点呈星状分布而得名。星型结构是目前应用最广、实用性最好的一种拓扑结构。无论在局域网中，还是在广域网中都可以见到它的身影
38、。复杂的星型网络就是在基本星型结构的基础上通过多台交换机级联形成的，从而形成多级星型结构，满足更多、不同地理位置分布的用户连接和不同端口带宽需求。星形网星形网计算机网络计算机网络n星型结构传输距离限制因为在星型网络中通常是采用双绞线作为传输介质的（高档网络也有采用光纤的），每一个采用此种结构的集线设备所能连接的网络范围最大直径就达到200米，超过这个范围都将要采用级联或者中继方法。n星型结构主要优缺点：优点：网络传输数据快；实现容易，成本低；节点扩展、移动方便；维护容易等。缺点：核心交换机工作负荷重；网络布线较复杂；广播传输，影响网络性能。星形网星形网计算机网络计算机网络n环型网络拓扑结构主要
39、应用于采用同轴电缆（也可以是光纤）作为传输介质的令牌网中，是由连接成封闭回路的网络节点组成的。因为环型网络结构的传输速率最高只有16Mbps，扩展性能又不好，早已被星型结构双绞线以太网替代了。环形网环形网计算机网络计算机网络n令牌环网工作原理拥有“令牌”的设备才允许在网络中传输数据。这可保证在某一时间内网络中只有一台设备可以传送信息。在环型网络中信息流只能是单方向的，每个收到信息包的站点都向它的下游站点转发该信息包。信息包在环型网络中传输一圈，最后由发送站进行回收。当信息包经过目的站时，目的站根据信息包中的目标地址判断出自己是接收站，并把该信息拷贝到自己的接收缓冲区中。n环型结构的主要优缺点：
40、优点：网络路径选择和网络组建简单投资成本低。缺点：传输速度慢；连接用户数非常少；传输效率低；扩展性能差；维护困难这几个方面。环形网环形网计算机网络计算机网络n总线型拓扑结构主要是利用同轴电缆作为传输介质，总线型拓扑结构网络中所有设备通过连接器并行连接到一个传输电缆上，并在两端加装一个称之为“终接器”的组件。现在也有采用光缆作为传输介质的，如ATM网、CableMODEM所采用的网络等都属于总线型网络结构。为了扩展计算机的台数，还可以在网络中添加其他的扩展设备，如中继器等。总线网总线网计算机网络计算机网络n两种总线网：一种是传统以太网使用的CSMA/CD，已演进为星形网。一种是令牌传递总线网，即
41、物理上是总线网而逻辑上是令牌环形网。现在已经退出市场。n总线型结构主要优缺点：优点：结构简单，便于扩充；网络响应速度快，便于广播式工作；设备量少，价格低廉。缺点：节点多时，网络性能下降；任何节点故障可能导致网络失效。总线网总线网计算机网络计算机网络n树型拓扑结构可以认为是多级星型结构组成的，只不过这种多级星型结构自上而下（从核心交换机到会聚层，再到边缘层）是呈三角形分布的，也就是上层的终端和集中交换节点少，中层的终端和集中交换节点多些，而下层的终端和集中交换节点最多。除了具有星型结构的所有优点外，还具有扩展性能好和易于网络维护。树形网树形网计算机网络计算机网络媒体共享技术媒体共享技术n静态划分
42、信道频分复用时分复用波分复用码分复用n动态媒体接入控制（多点接入）随机接入受控接入，如多点线路探询(polling)，或轮询。计算机网络计算机网络以太网的两个标准以太网的两个标准 nDIXEthernetV2是世界上第一个局域网产品（以太网）的规约。nIEEE的802.3标准。nDIXEthernetV2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”。n严格说来，“以太网”应当是指符合DIXEthernetV2标准的局域网计算机网络计算机网络数据链路层的两个子层数据链路层的两个子层 n为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，802委员会就将局域网的
43、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n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，不管采用何种传输媒体和MAC子层的局域网对LLC子层来说都是透明的。计算机网络计算机网络局域网对局域网对 LLC 子层是透明的子层是透明的 局 域 网网络层物理层站点 1网络层物理层逻辑链路控制LLCLLC媒体接入控制MACMAC数据链路层站点 2LLC LLC 子层看不见子层看不见下面的局域网下面的局域网计算机网络计算机网络n由于TCP/IP体系经常使用的局域网是DIX
44、EthernetV2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。n很多厂商生产的适配器上就仅装有MAC协议而没有LLC协议。部分网络适配器未装部分网络适配器未装LLC协议协议计算机网络计算机网络2. 网络适配器网络适配器n网络接口板又称为通信适配器(adapter)或网络接口卡 NIC (Network Interface Card)，或“网卡”。它是局域网中提供各种网络设备与网络通信介质相连的接口。n网卡作为一种I/O接口卡插在主机板的扩展槽上，其基本结构包括接口控制电路、数据缓冲器、数据链路控制器、编码解码电路、
45、内收发器、介质接口装置等六大部分。计算机网络计算机网络n适配器的重要功能：进行串行/并行转换。对数据进行缓存。编码与译码。实现以太网协议。2. 网络适配器网络适配器计算机网络计算机网络网络适配器网络适配器用于台式用于台式PC机的以太网机的以太网网卡网卡 用于笔记本电用于笔记本电脑的网卡脑的网卡 用于台式用于台式PC机无线机无线局域网网局域网网卡卡 计算机网络计算机网络AUI内部总线内部总线介质接口装介质接口装置置数据缓冲帧数据缓冲帧的装配与拆的装配与拆卸卸MAC层层协议协议控制电路控制电路编码与编码与解码电解码电路路收发电路收发电路网卡的基本结构网卡的基本结构计算机网络计算机网络计算机通过适配
46、器和局域网进行通信计算机通过适配器和局域网进行通信 硬件地址至局域网适配器（网卡）串行通信CPU 和存储器生成发送的数据处理收到的数据把帧发送到局域网从局域网接收帧计算机IP 地址并行通信计算机网络计算机网络3.3.2 CSMA/CD 协议协议 n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。B向 D发送数据 C D A E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只有 D 接受B 发送的数据计算机网络计算机网络以太网的广播方式发送以太网的广播方式发送 n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。
47、n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。n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。n具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。计算机网络计算机网络为了通信的简便为了通信的简便以太网采取了两种重要的措施以太网采取了两种重要的措施 n采用较为灵活的无确认无连接的工作方式，即不必先建立连接就可以直接发送数据。n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。计算机网络计算机网络以太网提供的服务以太网提供的服务 n以太网提供的服务是
48、不可靠的交付，即尽最大努力的交付。n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。n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。计算机网络计算机网络曼彻斯特曼彻斯特(Manchester)编码编码 基带数字信号曼彻斯特编码 码元1111100000出现电平转换n把一个码元分成两个相等的间隔，用“前低后高”来表示码元1，用“前高后低”来表示码元0。计算机网络计算机网络载波监听多点接入载波监听多点接入/碰撞检测碰撞检测 CSMA/CD nCSMA/CD表示CarrierSenseMultipleAccess
49、withCollisionDetection。n“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。n“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。n总线上并没有什么“载波”。因此，“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。计算机网络计算机网络电磁波在总线上的电磁波在总线上的有限传播速率的影响有限传播速率的影响 n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。nA向B发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到B。nB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
50、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。n碰撞的结果是两个帧都变得无用。计算机网络计算机网络碰撞检测碰撞检测n“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。n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）。n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。n所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。计算机网络计算机网络检测到碰撞后检测到碰撞后n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。n每一个正在发送数据的站，一
51、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。计算机网络计算机网络1 kmABt碰撞t = 2 A 检测到发生碰撞 t = B 发送数据B 检测到发生碰撞 t = t = 0单程端到端传播时延记为 传播时延对载波监听的影响传播时延对载波监听的影响 计算机网络计算机网络1 kmABt碰撞t = B 检测到信道空闲发送数据t = / 2发生碰撞t = 2 A 检测到发生碰撞 t = B 发送数据B 检测到发生碰撞 t = ABABAB t = 0 A 检测到信道空闲发送数据ABt = 0t = B 检测到发生碰撞停止发送STOPt = 2 A 检测
52、到发生碰撞STOPAB单程端到端传播时延记为 计算机网络计算机网络重要特性重要特性n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）。n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。n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。计算机网络计算机网络争用期争用期n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。n以太网的端到端往返时延2 称为争用期，或碰撞窗口。n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。计算机网络计算机网络争用期的长度争
53、用期的长度 n10Mb/s以太网取51.2s为争用期的长度。n对于10Mb/s以太网，在争用期内可发送512bit，即64字节。争用期也可以是512比特时间。n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。计算机网络计算机网络最短有效帧长最短有效帧长 n如果发生冲突，就一定是在发送的前64字节之内。n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。n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。计算机网络计算机网络最短有效帧长最短有效帧长如果争用期不变，则n100Mbps以太网：LMIN 51.2
54、x 10-6 x 108 =5120b=640Bn1000Mbps以太网：LMIN 51.2 x 10-6 x 109 =51200b=6400B计算机网络计算机网络例例3-5：假定2km长的CSMA/CD网络的数据率为1Gb/s，设信号在网络上的传播速率为210108 8m/s，求能够使用此协议的最短帧长。解：解： =2 x 103/2 x 108= 10-5（s） L LMIN MIN = 2 C =2 x 10-5 x 109 = 2 x 104 (b) =1250(B)计算机网络计算机网络截断二进制指数退避算法截断二进制指数退避算法(truncatedbinaryexponential
55、type)n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，k 10，且k=Min重传次数,10从整数集合0,1,(2k 1)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，并向高层报告。计算机网络计算机网络强化碰撞强化碰撞 n当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时：立即停止发送数据；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。计算机网络计算机网络数据帧干扰信号 TJABTBt B 发送数据A 检测到冲突开始
56、冲突信道占用时间A 发送数据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。计算机网络计算机网络帧间最小间隔帧间最小间隔 n帧间最小间隔为9.6s，10Mb/s以太网相当于96bit的发送时间。n一个站在检测到总线开始空闲后，还要等待9.6s才能再次发送数据。n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。计算机网络计算机网络站点装配帧并站点装配帧并准备发送准备发送侦听信道侦听信道忙否？忙否？启动发送并检启动发送并检测冲突测冲突冲突否冲突否？发送完发送完成？成？发送冲突加发送冲突加强信号强信号冲突次
57、数冲突次数增增1冲突次数冲突次数16？计算随机延迟计算随机延迟时间时间等待延迟时间后再等待延迟时间后再次启动发送次启动发送发送成功发送成功发送失败发送失败YNYNNYYN工作原理归结：工作原理归结： 先听后发、边听先听后发、边听边发、冲突停止、随边发、冲突停止、随机延迟后重发。机延迟后重发。计算机网络计算机网络CSMA/CD协议要点协议要点n（1）组帧，存入适配器，准备发送。n（2）检测信道，9.6s空闲则发送；否则继续检测并等待，如信道空闲再发送。n（3）发送过程中继续检测，如无碰撞，就把帧发送完毕。有碰撞，中止发送，并发送人为干扰信号。n（4）中止发送后，适配器执行退避算法，等待r倍争用期
58、时间后，返回到步骤（2）。计算机网络计算机网络3.4 使用广播信道的以太网使用广播信道的以太网3.4.1 使用集线器的星形拓扑使用集线器的星形拓扑n传统以太网最初是使用粗同轴电缆，后来演进到使用比较便宜的细同轴电缆，最后发展为使用更便宜和更灵活的双绞线。n这种以太网采用星形拓扑，在星形的中心则增加了一种可靠性非常高的设备，叫做集线器(hub)。计算机网络计算机网络使用集线器的双绞线以太网使用集线器的双绞线以太网 集线器两对双绞线站点RJ-45 插头计算机网络计算机网络星形网星形网 10BASE-T n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。n集线器使用了大规模集
59、成电路芯片，因此这样的硬件设备的可靠性已大大提高了。计算机网络计算机网络以太网在局域网中的统治地位以太网在局域网中的统治地位n10BASE-T的通信距离稍短，每个站到集线器的距离不超过100m。n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。n10BASE-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。计算机网络计算机网络集线器的一些特点集线器的一些特点 n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。n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
60、的还是CSMA/CD 协议，并共享逻辑上的总线。n集线器很像一个多接口的转发器，工作在物理层。每个接口仅仅简单的转发比特，不进行碰撞检测。n集线器采用了专门的芯片，进行自适应串音回波抵消，接口转发的信号不致产生干扰。计算机网络计算机网络具有三个接口的集线器具有三个接口的集线器 集线器网卡工作站网卡工作站网卡工作站双绞线计算机网络计算机网络集线器集线器（a）独立集线器（b）堆叠式集线器计算机网络计算机网络3.4.2 以太网的信道利用率以太网的信道利用率 以太网的信道被占用的情况：n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。n帧长为L(bit)，数据发送速率为C (b/s
61、)，因而帧的发送时间为L/C = T0 (s)。计算机网络计算机网络以太网的信道利用率以太网的信道利用率 n一个帧从开始发送，经可能发生的碰撞后，将再重传数次，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，是发送一帧所需的平均时间。发 送 成 功 争用期 争用期 争用期 2 2 2T0t占用期 发生碰撞 发送一帧所需的平均时间计算机网络计算机网络参数参数 a n要提高以太网的信道利用率，就必须减小 与T0之比。在以太网中定义了参数a，它是以太网单程端到端时延 与帧的发送时间T0之比：(3-2) a0 表示一发生碰撞就立即可以检测出来， 并立即停止发送，因而信道利用率很
62、高。 a 越大，表明争用期所占的比例增大，每发 生一次碰撞就浪费许多信道资源，使得信道 利用率明显降低。 计算机网络计算机网络对以太网参数的要求对以太网参数的要求n当数据率一定时，以太网的连线的长度受到限制，否则 的数值会太大。n以太网的帧长不能太短，否则T0的值会太小，使a 值太大。计算机网络计算机网络信道利用率的最大值信道利用率的最大值 Smax n在理想化的情况下，以太网上的各站发送数据都不会产生碰撞（这显然已经不是CSMA/CD，而是需要使用一种特殊的调度方法），即总线一旦空闲就有某一个站立即发送数据。n发送一帧占用线路的时间是T0+，而帧本身的发送时间是T0。于是我们可计算出理想情况
63、下的极限信道利用率Smax为：计算机网络计算机网络3.4.3 以太网的以太网的 MAC 层层1. MAC 层的硬件地址层的硬件地址 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但鉴于大家都早已习惯了将这种48位的“名字”称为“地址”，所以一般也采用这种习惯用法，尽管这种说法并不太严格。计算机网络计算机网络48 位的位的 MAC 地址地址nIEEE的注册管理机构RA负责向厂家分配地址字段的前三个字节(即高位24位)。n地址字段中的后三个字节(即低位24位)由厂家自行指派，称为扩展标识符，必须保证生产出的适配器没有重复
64、地址。n一个地址块可以生成224个不同的地址。这种48位地址称为MAC-48，它的通用名称是EUI-48。n“MAC地址”实际上就是适配器地址或适配器标识符EUI-48。计算机网络计算机网络第第 1最高位最高位最先发送最先发送最低位最低位最高位最高位最低位最低位最后发送最后发送00110101 01111011 00010010 00000000 00000000 00000001最低位最低位最先发送最先发送最高位最高位最低位最低位最高位最高位最后发送最后发送机构惟一标志符机构惟一标志符 OUI扩展标志符扩展标志符高位在前高位在前低位在前低位在前十六进制表示的十六进制表示的 EUI-48 地址
65、：地址： AC-DE-48-00-00-80二进制表示的二进制表示的 EUI-48 地址：地址：第第 1 字节字节第第 6 字节字节I/G 比特比特I/G 比特比特字节顺序字节顺序第第 2第第 3第第 4第第 5第第 6第第 1字节顺序字节顺序第第 2第第 3第第 4第第 5第第 610101100 11011110 01001000 00000000 00000000 10000000802.5802.6802.3802.4G/L比特计算机网络计算机网络适配器检查适配器检查 MAC 地址地址 n适配器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，
66、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。n“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）计算机网络计算机网络2. MAC 帧的格式帧的格式 n常用的以太网MAC帧格式有两种标准：DIXEthernetV2标准IEEE的802.3标准n最常用的MAC帧是以太网V2的格式。计算机网络计算机网络以太网 MAC 帧物理层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IP层目的地址 源地址类型数 据FCS66
67、24字节46 1500IP 数据报MAC MAC 帧帧以太网的以太网的 MAC MAC 帧格式帧格式 计算机网络计算机网络MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网以太网 V2 的的 MAC 帧格式帧格式目的地址字段 6 字节计算机网络计算机网络MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报源地址字段 6 字节以太网以太网 V2 的的 MAC 帧格式帧格式计算机网络计算机网络MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据
68、报以太网以太网 V2 的的 MAC 帧格式帧格式类型字段 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。 计算机网络计算机网络MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网以太网 V2 的的 MAC 帧格式帧格式数据字段 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计算机网络计算机网络MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网以太网 V2 的
69、的 MAC 帧格式帧格式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。 计算机网络计算机网络MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报10101010101010 10101010101010101011前同步码帧开始定界符7 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
70、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 个字节以太网以太网 V2 的的 MAC 帧格式帧格式计算机网络计算机网络无效的无效的 MAC 帧帧 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461500字节之间。n有效的MAC帧长度为641518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。计算机网络计算机网络3.5 扩展的局域网扩展的局域网3.5.1 在物理层扩展局域网在物理层扩展局域网n主机使用光纤和一对光纤调制解调器连接到集线器，扩展两者
71、之间的距离。以太网集线器光纤光纤调制解调器光纤调制解调器计算机网络计算机网络用多个集线器可连成更大的局域网用多个集线器可连成更大的局域网三个独立的碰撞域一系二系三系碰撞域碰撞域碰撞域n某大学有三个系，各自有一个局域网计算机网络计算机网络用集线器组成更大的局域网用集线器组成更大的局域网都在一个碰撞域中都在一个碰撞域中一系三系二系主干集线器一个更大的碰撞域碰撞域计算机网络计算机网络用集线器扩展局域网用集线器扩展局域网 n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。n缺点碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。仍为一个碰撞域，当节点数目增大时，碰撞域也随
72、之增长，重负荷下可能导致网络瘫痪。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。计算机网络计算机网络3.5.2 在数据链路层扩展局域网在数据链路层扩展局域网 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计算机网络计算机网络1. 网桥的内部结构网桥的内部结构 站表接口管理 软件网桥协议 实体缓存接口 1接口 2网段 B网段 A111222站地址 接口网桥网桥接口 1接口 212计算
73、机网络计算机网络网桥使各网段成为隔离开的碰撞域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计算机网络计算机网络使用网桥带来的好处使用网桥带来的好处 n过滤通信量，增大吞吐量。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10Mb/s和100Mb/s以太网）的局域网。计算机网络计算机网络使用网桥带来的缺点使用网桥带来的缺点 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。计算机网络计算机网络用户
74、层IPMAC站 1用户层IPMAC站 2物理层网桥 1网桥 2AB用户数据IP-HMAC-HMAC-TPPP-HPPP-T 物理层DLRMAC物理层物理层DLRMAC物理层物理层LANLAN两个网桥之间还可使用一段点到点链路 网桥不改变它转发的帧的源地址计算机网络计算机网络网桥和集线器不同网桥和集线器不同 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。若在发送过程中出现碰撞，就必须停止发送和进行退避。计算机网络计算机网络2. 透明网桥透明网桥n目前使用得最多的网桥是透明网桥(transparentbridge)。n“透明”是指局域网上的站点并不知道所发
75、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IEEE802.1D。计算机网络计算机网络网桥的自学习算法网桥的自学习算法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。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。计算机网络计算机网络地址 接口转发表的建立过程举例转发表的建立过
76、程举例B2B1ABCDEF1212地址 接口B 1B AA BA 1F CF 2A BA 1F CF 2计算机网络计算机网络网桥转发表中登记的三个信息网桥转发表中登记的三个信息 n在网桥的转发表中写入的信息除了地址和接口外，还有帧进入该网桥的时间。n这是因为以太网的拓扑可能经常会发生变化，站点也可能会更换适配器（这就改变了站点的地址）。另外，以太网上的工作站并非总是接通电源的。n把每个帧到达网桥的时间登记下来，就可以在转发表中只保留网络拓扑的最新状态信息。这样就使得网桥中的转发表能反映当前网络的最新拓扑状态。计算机网络计算机网络网桥工作流程网桥工作流程自学习部分自学习部分如果从端口如果从端口X
77、 X接收到源终端接收到源终端地址为地址为A A的的MACMAC帧，意味着地帧，意味着地址为址为Y Y的终端在端口的终端在端口X X所连的所连的冲突域中，可以通过端口冲突域中，可以通过端口X X转发目的地址为转发目的地址为A A的的MACMAC帧。帧。转发部分转发部分如果从端口如果从端口X X接收到目的终端地址接收到目的终端地址为为D D的的MACMAC帧，转发表表明地址为帧，转发表表明地址为D D的终端的终端不在端口不在端口X X所连的冲突域，在所连的冲突域，在端口端口Y Y所连的冲突域，则从端口所连的冲突域，则从端口Y Y发发送该送该MACMAC帧。帧。在端口在端口X X所连的冲突域，则丢所
78、连的冲突域，则丢弃该弃该MACMAC帧。帧。转发表中找不到地址为转发表中找不到地址为D D的项，的项，广播该广播该MACMAC帧。帧。计算机网络计算机网络网桥的自学习和转发帧的步骤归纳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目的地址有无相匹配的项目。如没有，则通过所有其他接口（但进入网桥的接口除外）按进行转发。如有，则按转发表中给出的接口进行转发。若转发表中给出的接口就是该帧进入网桥的接口，则应丢弃这个帧
79、（因为这时不需要经过网桥进行转发）。计算机网络计算机网络例例3-6：终端：终端A终端终端D转发过程转发过程MAC A 1MAC A 1MAC A 4计算机网络计算机网络例例3-6：终端：终端E终端终端A转发过程转发过程MAC A 1MAC A 1MAC A 4MAC E2MAC E2MAC E4计算机网络计算机网络透明网桥使用了生成树算法透明网桥使用了生成树算法 n这是为了避免产生转发的帧在网络中不断地兜圈子。局域网 2局域网 1网桥 2网桥 1 AF不停地兜圈子A 发出的帧F1网桥 1 转发的帧F2网桥 2 转发的帧网络资源白白消耗了计算机网络计算机网络生成树的得出生成树的得出n为了避免产生
80、转发的帧在网络中不断地兜圈子。n互连在一起的网桥在进行彼此通信后，就能找出原来的网络拓扑的一个子集。在这个子集里，整个连通的网络中不存在回路，即在任何两个站之间只有一条路径。n为了得出能够反映网络拓扑发生变化时的生成树，在生成树上的根网桥每隔一段时间还要对生成树的拓扑进行更新。计算机网络计算机网络3. 源路由网桥源路由网桥n透明网桥容易安装，但网络资源的利用不充分。n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。n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。n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
81、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。计算机网络计算机网络4. 多接口网桥多接口网桥以太网交换机以太网交换机 n1990年问世的交换式集线器(switchinghub)，可明显地提高局域网的性能。n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）。n以太网交换机通常都有十几个接口。因此，以太网交换机实质上就是一个多接口的网桥，可见交换机工作在数据链路层。计算机网络计算机网络以太网交换机的特点以太网交换机的特点n以太网交换机的每个接口都直接与主机相连，并且一般都工作在全双工方式。n交换机能
82、同时连通许多对的接口，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。n以太网交换机由于使用了专用的交换结构芯片，其交换速率较高。计算机网络计算机网络独占传输媒体的带宽独占传输媒体的带宽 n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。n使用以太网交换机时，虽然在每个接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 对接口的交换机的总容量为N10Mb/s。这正是交换机的最大优点。计算机网络计算机网络用以太网交换机扩展局域网用以太网交换机
83、扩展局域网 一系三系二系10BASE-T至因特网100 Mb/s100 Mb/s100 Mb/s万维网服务器电子邮件 服务器以太网交换机路由器计算机网络计算机网络用以太网交换机实现虚拟局域网用以太网交换机实现虚拟局域网 n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。n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。计算机网络计算机网络以太网交换机A4B1以太网交换机VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太网交换机以
84、太网交换机三个虚拟局域网 VLAN1, VLAN2和 VLAN3 的构成 当 B1 向 VLAN2 工作组内成员发送数据时，工作站 B2 和 B3 将会收到广播的信息。B1 发送数据时，工作站 A1, A2 和 C1都不会收到 B1 发出的广播信息。 虚拟局域网限制了接收广播信息的工作站数，使得网络不会因传播过多的广播信息(即“广播风暴”)而引起性能恶化。 计算机网络计算机网络虚拟局域网使用的以太网帧格式虚拟局域网使用的以太网帧格式n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。 802.3MAC 帧字节6
85、6246 15004MAC 帧目地地址源地址长度/类型数 据FCS长度/类型 = 802.1Q 标记类型 标记控制信息 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 VID 2 字节2 字节插入 4 字节的 VLAN 标记4用户优先级CFI计算机网络计算机网络VLAN 标记标记nTPID(TagProtocolIdentifier，也就是EtherType)是IEEE定义的新的类型，表明这是一个加了802.1Q标签的帧。TPID包含了一个固定的值0x8100。nTCI(TagControlInformation)包括用户优先级(UserPriority)、规范格式指示器(Ca
86、nonicalFormatIndicator)和VLANID。UserPriority：该字段为3-bit，用于定义用户优先级，总共有8个(2的3次方)优先级别。CFI：CFI值为1说明是规范格式，0为非规范格式。它被用在令牌环/源路由FDDI介质访问方法中来指示封装帧中所带地址的比特次序信息。VID：该字段为12-bit，VLANID是对VLAN的识别字段。有效的有效的VLAN ID范围一般为范围一般为1-4094。长度/类型 = 802.1Q 标记类型 标记控制信息 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 VID 2 字节TPID2 字节TCI用户优先级CFI计算机
87、网络计算机网络3.6 高速以太网高速以太网3.6.1 100BASE-T 以太网以太网n速率达到或超过100Mb/s的以太网称为高速以太网。n在双绞线上传送100Mb/s基带信号的星型拓扑以太网，仍使用IEEE802.3的CSMA/CD协议。100BASE-T以太网又称为快速以太网(FastEthernet)。计算机网络计算机网络100BASE-T 以太网的特点以太网的特点n通过使用交换机，可在全双工方式下工作而无冲突发生。在这种情况下，不使用CSMA/CD协议。nMAC帧格式仍然是802.3标准规定的。n保持最短帧长64字节不变，但将一个网段的最大电缆长度减小到100m，则争用期减小至5.1
88、2s。n帧间时间间隔从原来的9.6s改为现在的0.96s。计算机网络计算机网络三种不同的物理层标准三种不同的物理层标准 n100BASE-TX使用2对UTP5类线或屏蔽双绞线STP。n100BASE-FX使用2对光纤。n100BASE-T4使用4对UTP3类线或5类线。计算机网络计算机网络3.6.2 吉比特以太网吉比特以太网n允许在1Gb/s下全双工和半双工两种方式工作。n使用802.3协议规定的帧格式。n在半双工方式下使用CSMA/CD协议（全双工方式不需要使用CSMA/CD协议）。n与10BASE-T和100BASE-T技术向后兼容。计算机网络计算机网络吉比特以太网的物理层吉比特以太网的物
89、理层 n1000BASE-X基于光纤通道的物理层：1000BASE-SXSX表示短波长1000BASE-LXLX表示长波长1000BASE-CXCX表示铜线n1000BASE-T使用4对5类线UTP计算机网络计算机网络载波延伸载波延伸(carrier extension)(carrier extension)n吉比特以太网在工作在半双工方式时，就必须进行碰撞检测。 n由于数据率提高了，因此只有减小最大电缆长度或增大帧的最小长度，才能使参数 a 保持为较小的数值。n吉比特以太网仍然保持一个网段的最大长度为 100 m，但采用了“载波延伸”的办法，使最短帧长仍为 64 字节（这样可以保持兼容性），
90、同时将争用时间增大为 512 字节。计算机网络计算机网络n凡发送的 MAC 帧长不足 512 字节时，就用一些特殊字符填充在帧的后面，使MAC 帧的发送长度增大到 512 字节，但这对有效载荷并无影响。n接收端在收到以太网的 MAC 帧后，要将所填充的特殊字符删除后才向高层交付。目地地址源地址数据长度数 据FCSMAC 帧的最小值 = 64 字节载波延伸前同步码加上载波延伸使 MAC 帧长度 = 争用期长度512 字节在以太网上实际传输的帧长载波延伸载波延伸(carrierextension)计算机网络计算机网络分组突发分组突发发送的数据 分组#1 RRRRRRRR 分组#2 RRRR 分组#
91、3 RRR 分组#4争用期 512 字节将突发计时器设定为 1500 字节载波延伸载波监听 n当很多短帧要发送时，第一个短帧要采用上面所说的载波延伸的方法进行填充。n随后的一些短帧则可一个接一个地发送，只需留有必要的帧间最小间隔即可。这样就形成可一串分组的突发，直到达到 1500 字节或稍多一些为止。计算机网络计算机网络吉比特以太网的配置举例吉比特以太网的配置举例 1 Gb/s 链路吉比特交换机百兆比特或吉比特交换机100 Mb/s 链路中央服务器计算机网络计算机网络Cisco Catalyst 2950 楼层交换机楼层交换机10G1000M1000M1000M1000M1000M1000M1
92、000M1000M1000M1000M1000M1000MCisco Catalyst 2950 楼层交换机楼层交换机Cisco Catalyst 2950 楼层交换机楼层交换机Cisco Catalyst 2950 楼层交换机楼层交换机Cisco Catalyst 2950楼层交换机楼层交换机Cisco Catalyst 2950 楼层交换机楼层交换机Cisco Catalyst 4507 学院汇聚层交换机学院汇聚层交换机Cisco Catalyst 4507学院汇聚层交换机学院汇聚层交换机Cisco Catalyst 3550学院汇聚层交学院汇聚层交换机换机Cisco Catalyst 3
93、550 学院汇聚层交换机学院汇聚层交换机Cisco Catalyst 6509 校区主干交换机校区主干交换机1000MCisco Catalyst 4507宿舍汇聚层交换机宿舍汇聚层交换机Cisco Catalyst 2950 楼层堆叠交换机楼层堆叠交换机Cisco Catalyst 4507宿舍汇聚层交换机宿舍汇聚层交换机Cisco Catalyst 2950 楼层堆叠交换机楼层堆叠交换机三期校园网三期校园网一一/二期校园网二期校园网吉比特以太网应用举例吉比特以太网应用举例吉比特以太网应用举例吉比特以太网应用举例2 2：XXXX大学校园网拓扑结构大学校园网拓扑结构大学校园网拓扑结构大学校园网
94、拓扑结构计算机网络计算机网络吉比特以太网设计的层次化吉比特以太网设计的层次化n接入层由100Mbps以太网交换机加上1000Mbps上行链路组成；n汇聚层由1000Mbps以太网交换机加1000Mbps上行链路组成；n核心层由1000Mbps以太网交换机（可扩展至万兆）加10G主干链路组成。计算机网络计算机网络3.6.3 10 吉比特以太网吉比特以太网n10吉比特以太网与10Mb/s，100Mb/s和1Gb/s以太网的帧格式完全相同。n10吉比特以太网还保留了802.3标准规定的以太网最小和最大帧长，便于升级。n10吉比特以太网不再使用铜线而只使用光纤作为传输媒体。n10吉比特以太网只工作在全
95、双工方式，因此没有争用问题，也不使用CSMA/CD协议。计算机网络计算机网络 10吉比特以太网的物理层吉比特以太网的物理层 n局域网物理层LANPHY。局域网物理层的数据率是10Gb/s。n可选的广域网物理层WANPHY。广域网物理层具有另一种数据率，这是为了和所谓的“Gb/s”的SONET/SDH（即OC-192/STM-64）相连接。为了使10吉比特以太网的帧能够插入到OC-192/STM-64帧的有效载荷中，就要使用可选的广域网物理层，其数据率为9.95328Gb/s。计算机网络计算机网络端到端的以太网传输端到端的以太网传输 n10吉比特以太网的出现，以太网的工作范围已经从局域网（校园网
96、、企业网）扩大到城域网和广域网，从而实现了端到端的以太网传输。n这种工作方式的好处是：成熟的技术互操作性很好在广域网中使用以太网时价格便宜。统一的帧格式简化了操作和管理。计算机网络计算机网络以太网从以太网从 10 Mb/s 到到10 Gb/s 的演进的演进 n以太网从10Mb/s到10Gb/s的演进证明了以太网是：n可扩展的（从10Mb/s到10Gb/s）。n灵活的（多种传输媒体、全/半双工、共享/交换）。n易于安装。n稳健性好。计算机网络计算机网络3.6.4 使用高速以太网进行宽带接入使用高速以太网进行宽带接入n以太网已成功地把速率提高到110Gb/s，所覆盖的地理范围也扩展到了城域网和广域网，因此现在人们正在尝试使用以太网进行宽带接入。n以太网接入的重要特点是它可提供双向的宽带通信，并且可根据用户对带宽的需求灵活地进行带宽升级。n采用以太网接入可实现端到端的以太网传输，中间不需要再进行帧格式的转换。这就提高了数据的传输效率和降低了传输的成本。计算机网络计算机网络光纤到大楼光纤到大楼 FTTB 100 M10 M10 M100 M吉比特以太网光结点汇接点1 Gb/s1 Gb/s高速汇接点 GigaPoP计算机网络计算机网络
