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1、1以太网以太网Network Fundamentals Chapter 92内容内容 说明以太网帧的各个字段说明以太网帧的各个字段以太网介质访问控制方法的功能和特性以太网介质访问控制方法的功能和特性描述以太网的物理层和数据链路层功能描述以太网的物理层和数据链路层功能集线器和交换机工作原理集线器和交换机工作原理地址解析协议地址解析协议 (ARP)(ARP)39.1 9.1 以太网概述以太网概述49.1.1 9.1.1 以太网以太网- -标准和实施标准和实施以太网在以太网在 OSI OSI 模型的下两层，也就是模型的下两层，也就是数据链路层数据链路层和和物理物理层层上运行。上运行。信号信号比特比特
2、流流物理物理元件元件各种各种拓扑拓扑MACMAC子层子层负责将要用于传送负责将要用于传送信息的物理组件，并且准备信息的物理组件，并且准备通过介质传输的数据。通过介质传输的数据。逻辑链路控制逻辑链路控制 (LLC) (LLC) 子层子层保持通信过程所用物理设备保持通信过程所用物理设备的相对独立性。的相对独立性。59.1.5 9.1.5 以太网的物理实现以太网的物理实现在当今的网络中，在当今的网络中，以太网使用以太网使用 UTP UTP 铜缆和光缆通过集铜缆和光缆通过集线器和交换机等中线器和交换机等中间设备连接网络设间设备连接网络设备。备。69.2 9.2 以太网以太网- -通过通过LANLAN的
3、通信的通信79.2.1 9.2.1 以太网历史回顾以太网历史回顾以太网的早期版本以太网的早期版本使用同轴电缆在总使用同轴电缆在总线拓扑中连接计算线拓扑中连接计算机。机。粗缆粗缆 (10BASE5)(10BASE5)细缆细缆 (10BASE2)(10BASE2)最初的同轴粗缆和最初的同轴粗缆和同轴细缆等物理介同轴细缆等物理介质被早期的质被早期的 UTP UTP 类电缆所取代类电缆所取代。 物理拓扑也改为使物理拓扑也改为使用集线器的星型拓用集线器的星型拓扑扑。89.2.2 9.2.2 以太网冲突管理以太网冲突管理传统的以太网传统的以太网-半双工半双工 基于共享的介质，每次只有一个站点能够成功发送。
4、基于共享的介质，每次只有一个站点能够成功发送。随着更多的设备加入以太网，帧的冲突量大幅增加。随着更多的设备加入以太网，帧的冲突量大幅增加。99.2.2 9.2.2 以太网冲突管理以太网冲突管理当前的以太网当前的以太网-全双工全双工交换机可以隔离每个端口，只将帧发送到正确的交换机可以隔离每个端口，只将帧发送到正确的目的地（如果目的地已知），而不是发送每个帧目的地（如果目的地已知），而不是发送每个帧到每台设备，数据的流动因而得到了有效的控制。到每台设备，数据的流动因而得到了有效的控制。109.3 9.3 以太网帧以太网帧 119.3.1 9.3.1 帧帧- -封装数据包封装数据包129.3.1 9
5、.3.1 帧帧- -封装数据包封装数据包“前导码前导码”（7 7 个字节）和个字节）和“帧首定界符帧首定界符 (SFD)(SFD)”（1 1 个字节）个字节）字段用于同步发送设备与字段用于同步发送设备与接收设备。接收设备。“目的目的 MAC MAC 地址地址”字段（字段（6 6 个字节）个字节）是预定接收是预定接收方的标识符。方的标识符。 “源源 MAC MAC 地址地址”字段（字段（6 6 个字节）个字节）标识帧的源网标识帧的源网卡或接口。卡或接口。“长度长度/ /类型类型”字段（字段（2 2 个字节）个字节）定义帧的数据字定义帧的数据字段的准确长度。段的准确长度。“数据数据”和和“填充位填
6、充位”字段（字段（46 - 1500 46 - 1500 个字节）个字节）包含来自较高层次的封装数据（一般是第包含来自较高层次的封装数据（一般是第 3 3 层层 PDU PDU 或更常见的或更常见的 IPv4 IPv4 数据包）。数据包）。“帧校验序列帧校验序列 (FCS) (FCS)”字段（字段（4 4 个字节）个字节）用于检用于检测帧中的错误。它使用循环冗余校验测帧中的错误。它使用循环冗余校验 (CRC) (CRC)。发。发送设备在帧的送设备在帧的 FCS FCS 字段中包含字段中包含 CRC CRC 的结果。的结果。139.3.2 9.3.2 以太网以太网MACMAC地址地址为协助确定以
7、太网中的源地址和目的地址，创建为协助确定以太网中的源地址和目的地址，创建了称为了称为介质访问控制介质访问控制 (MAC)(MAC) 地址的唯一标识符。地址的唯一标识符。MAC MAC 编址作为第编址作为第 2 2 层层 PDU PDU 的一部分添加上去。的一部分添加上去。以太网以太网 MAC MAC 地址是一种表示为地址是一种表示为 12 12 个十六进制个十六进制数字的数字的 48 48 位二进制值。位二进制值。149.3.2 9.3.2 以太网以太网MACMAC地址地址分配给网卡或其它以太网设备的所有分配给网卡或其它以太网设备的所有 MAC MAC 地址地址都必须使用厂商分配的都必须使用厂
8、商分配的 OUI OUI 作为前作为前 3 3 个字节。个字节。OUI OUI 相同的所有相同的所有 MAC MAC 地址的地址的最后最后 3 3 个字节必须个字节必须是唯一的值（厂商代码或序列号）。是唯一的值（厂商代码或序列号）。MAC MAC 地址通常称为烧录地址地址通常称为烧录地址 (BIA) (BIA)，因为它被烧，因为它被烧录到网卡的录到网卡的 ROM ROM（只读存储器）中。（只读存储器）中。159.3.3 9.3.3 十六进制计数和编址十六进制计数和编址十六进制十六进制 (Hex) (Hex) 是以是以 16 16 为基数的计数系统为基数的计数系统使用数字使用数字 0 0 到到
9、9 9 和字母和字母 A A 到到 F F。十六进制通常以十六进制通常以 0x 0x 前导的文本值（如前导的文本值（如 0x73 0x73）或或 16 16 为下标的值表示。为下标的值表示。169.3.5 9.3.5 以太网单播、组播和广播以太网单播、组播和广播在以太网中，第在以太网中，第 2 2 层单播、组播和广播通信会使用层单播、组播和广播通信会使用不同的不同的 MAC MAC 地址。地址。单播单播 MAC MAC 地址是帧从一台发送设备发送到一台目的地址是帧从一台发送设备发送到一台目的设备时使用的唯一地址。设备时使用的唯一地址。179.3.5 9.3.5 以太网单播、组播和广播以太网单播
10、、组播和广播在以太网中，广播在以太网中，广播 MAC MAC 地址长地址长 48 48 位，全部为位，全部为一，以十六进制显示时则为一，以十六进制显示时则为 FF-FF-FF-FF-FF-FFFF-FF-FF-FF-FF-FF。 189.3.5 9.3.5 以太网单播、组播和广播以太网单播、组播和广播组播组播 MAC MAC 地址是一个特殊的十六进制数值，以地址是一个特殊的十六进制数值，以 01-00-5E 01-00-5E 开头。然后将开头。然后将 IP IP 组播组地址的低组播组地址的低 23 23 位换算成以太网地址中剩余的位换算成以太网地址中剩余的 6 6 个十六进制字个十六进制字符，
11、作为组播符，作为组播 MAC MAC 地址的结尾。地址的结尾。199.4 9.4 以太网介质访问控制以太网介质访问控制209.4.1 9.4.1 以太网中的介质访问控制以太网中的介质访问控制以太网使用载波侦听多路访问以太网使用载波侦听多路访问/ /冲突检测冲突检测 (CSMA/CD) (CSMA/CD) 来检测和处理冲突，并管理通信的恢复。来检测和处理冲突，并管理通信的恢复。当设备检测到没有其它计算机在传送帧或载波信号当设备检测到没有其它计算机在传送帧或载波信号时，就会发送其要发送的内容。时，就会发送其要发送的内容。219.4.2 CSMA/CD 9.4.2 CSMA/CD 过程过程载波侦听载
12、波侦听-在在 CSMA/CD CSMA/CD 访问方法中，要发送报访问方法中，要发送报文的所有网络设备在发送之前必须侦听。文的所有网络设备在发送之前必须侦听。多路访问多路访问-如果设备之间的距离导致一台设备如果设备之间的距离导致一台设备的信号延时，则另一台设备可能没有检测到信号，的信号延时，则另一台设备可能没有检测到信号，从而也开始发送。从而也开始发送。冲突检测冲突检测-当设备处于侦听模式时，可以检测当设备处于侦听模式时，可以检测共享介质中发生的冲突。共享介质中发生的冲突。堵塞信号和随机回退堵塞信号和随机回退-发送设备检测到冲突之发送设备检测到冲突之后，将发出堵塞信号。这种堵塞信号用于通知其后
13、，将发出堵塞信号。这种堵塞信号用于通知其它设备发生了冲突，以便它们调用回退算法。回它设备发生了冲突，以便它们调用回退算法。回退算法将使所有设备在随机时间内停止发送，以退算法将使所有设备在随机时间内停止发送，以让冲突消除。让冲突消除。229.4.2 CSMA/CD 9.4.2 CSMA/CD 过程过程12239.4.2 CSMA/CD 9.4.2 CSMA/CD 过程过程34249.4.2 CSMA/CD 9.4.2 CSMA/CD 过程过程56259.4.2 CSMA/CD 9.4.2 CSMA/CD 过程过程78269.4.2 CSMA/CD 9.4.2 CSMA/CD 过程过程910279
14、.4.2 CSMA/CD 9.4.2 CSMA/CD 过程过程如图所示，集线器互连成一个称为如图所示，集线器互连成一个称为“扩展星型扩展星型”的的物理拓扑。扩展星型可以极大地扩展冲突域。物理拓扑。扩展星型可以极大地扩展冲突域。通过一台集线器或一系列直接相连的集线器访问通过一台集线器或一系列直接相连的集线器访问公共介质的相连设备称为冲突域。冲突域也称为公共介质的相连设备称为冲突域。冲突域也称为网段。网段。289.4.3 9.4.3 以太网定时以太网定时延时延时发送的电信号需要一定的时间传播到电缆。信号发送的电信号需要一定的时间传播到电缆。信号路径中的每台集线器或中继器在将比特从一个端路径中的每台
15、集线器或中继器在将比特从一个端口转发到下一个端口时，都会增加延时时间。口转发到下一个端口时，都会增加延时时间。这种累加的延时将会增大冲突发生的机率，因为这种累加的延时将会增大冲突发生的机率，因为侦听节点可能会在集线器或中继器处理报文时跳侦听节点可能会在集线器或中继器处理报文时跳变成发送信号。变成发送信号。299.4.3 9.4.3 以太网定时以太网定时比特时间比特时间不管介质速度如何，将比特发送到介质并在介质不管介质速度如何，将比特发送到介质并在介质上侦听到它都需要一定的时间。这段时间称为比上侦听到它都需要一定的时间。这段时间称为比特时间。特时间。309.4.3 9.4.3 以太网定时以太网定
16、时碰撞槽时间碰撞槽时间实际计算的碰撞槽时间刚好比在冲突域的最远两实际计算的碰撞槽时间刚好比在冲突域的最远两点之间发送所需的理论时间长，与另一个时间最点之间发送所需的理论时间长，与另一个时间最近的发送发生冲突，然后让冲突碎片返回发送站近的发送发生冲突，然后让冲突碎片返回发送站点而被检测到。点而被检测到。319.4.4 9.4.4 帧间隙和回退帧间隙和回退以太网标准要求两个非冲突帧之间有最小的间隙。以太网标准要求两个非冲突帧之间有最小的间隙。这样，介质在发送上一个帧后将获得稳定的时间，这样，介质在发送上一个帧后将获得稳定的时间，设备也获得了处理帧的时间。设备也获得了处理帧的时间。此时间称为帧间隙，
17、其长度是从一个帧的此时间称为帧间隙，其长度是从一个帧的 FCS FCS 字段最后一位到下一个帧的字段最后一位到下一个帧的“前导码前导码”第一位。第一位。329.4.4 9.4.4 帧间隙和回退帧间隙和回退只要一检测到冲突，发送设备就会发送一个只要一检测到冲突，发送设备就会发送一个 32 32 位位“堵塞堵塞”信号以强调该冲突。这可确保信号以强调该冲突。这可确保 LAN LAN 中中的所有设备都能检测到冲突。的所有设备都能检测到冲突。339.4.4 9.4.4 帧间隙和回退帧间隙和回退回退定时回退定时- - 冲突发生后，所有设备都让电缆冲突发生后，所有设备都让电缆变成空闲（各自等待一个完整的帧间
18、隙），发送变成空闲（各自等待一个完整的帧间隙），发送有冲突的设备必须再等待一段时间，然后才可以有冲突的设备必须再等待一段时间，然后才可以重新发送冲突的帧，这段等待时间会逐渐增长。重新发送冲突的帧，这段等待时间会逐渐增长。349.6 9.6 集线器和交换机集线器和交换机359.6.1 9.6.1 传统以太网传统以太网- -使用集线器使用集线器传统以太网使用集线器来连接传统以太网使用集线器来连接 LAN LAN 网段中的节网段中的节点。集线器不执行任何类型的通信过滤，而是将点。集线器不执行任何类型的通信过滤，而是将所有比特转发到其连接的每台设备。所有比特转发到其连接的每台设备。缺点：缺乏可扩展性、
19、延时延长、冲突更多缺点：缺乏可扩展性、延时延长、冲突更多369.6.2 9.6.2 以太网以太网 - - 使用交换机使用交换机交换机可以将交换机可以将 LAN LAN 细分为多个单独的冲突域，细分为多个单独的冲突域，其每个端口都代表一个单独的冲突域，为该端口其每个端口都代表一个单独的冲突域，为该端口连接的节点提供完全的介质带宽。连接的节点提供完全的介质带宽。379.6.2 9.6.2 以太网以太网 - - 使用交换机使用交换机在所有节点直接连接到交换机的在所有节点直接连接到交换机的 LAN LAN 中，网络中，网络的吞吐量大幅增加。这种增加主要缘于三个原因：的吞吐量大幅增加。这种增加主要缘于三
20、个原因：每个端口有专用的带宽每个端口有专用的带宽没有冲突的环境没有冲突的环境全双工操作全双工操作389.6.3 9.6.3 交换机交换机 选择性转发选择性转发以太网交换机选择性地将个别帧从接收端口转发以太网交换机选择性地将个别帧从接收端口转发到连接目的节点的端口。到连接目的节点的端口。交换机维护着一个表，称为交换机维护着一个表，称为MAC MAC 表。该表将目的表。该表将目的 MAC MAC 地址与用于连接节点的端口进行比对。地址与用于连接节点的端口进行比对。399.6.3 9.6.3 交换机交换机 选择性转发选择性转发以太网以太网 LAN LAN 交换机采用五种基本操作来实现其交换机采用五种
21、基本操作来实现其用途：用途：获取获取过期过期泛洪泛洪选择性转发选择性转发过滤过滤1409.6.3 9.6.3 交换机交换机 选择性转发选择性转发32419.6.3 9.6.3 交换机交换机 选择性转发选择性转发54429.6.3 9.6.3 交换机交换机 选择性转发选择性转发76439.6.4 9.6.4 以太网以太网 比较集线器和交换机比较集线器和交换机请根据提供的信息回答以下问题请根据提供的信息回答以下问题449.7 9.7 地址解析协议地址解析协议(ARP)(ARP)459.7.1 ARP9.7.1 ARP过程过程 将将IPIP映射到映射到MACMAC地址地址ARP ARP 协议具有两项
22、基本功能：协议具有两项基本功能：将将 IPv4 IPv4 地址解析为地址解析为 MAC MAC 地址地址维护映射的缓存维护映射的缓存14629.7.1 ARP9.7.1 ARP过程过程 将将IPIP映射到映射到MACMAC地址地址479.7.1 ARP9.7.1 ARP过程过程 将将IPIP映射到映射到MACMAC地址地址3489.7.1 ARP9.7.1 ARP过程过程 将将IPIP映射到映射到MACMAC地址地址4499.7.1 ARP9.7.1 ARP过程过程 将将IPIP映射到映射到MACMAC地址地址5509.7.1 ARP9.7.1 ARP过程过程 将将IPIP映射到映射到MACM
23、AC地址地址6519.7.2 ARP9.7.2 ARP过程过程 目的主机在本地网络外目的主机在本地网络外如果目的如果目的 IPv4 IPv4 主机不在本地网络上，则源节点主机不在本地网络上，则源节点需要将帧传送到作为网关的路由器接口，或用于需要将帧传送到作为网关的路由器接口，或用于到达该目的地的下一跳。到达该目的地的下一跳。源节点将使用网关的源节点将使用网关的 MAC MAC 地址作为帧（其中含地址作为帧（其中含有发往其它网络上主机的有发往其它网络上主机的 IPv4 IPv4 数据包）的目的数据包）的目的地址。地址。529.7.2 ARP9.7.2 ARP过程过程 目的主机在本地网络外目的主机
24、在本地网络外1539.7.2 ARP9.7.2 ARP过程过程 目的主机在本地网络外目的主机在本地网络外2549.7.2 ARP9.7.2 ARP过程过程 目的主机在本地网络外目的主机在本地网络外3559.7.2 ARP9.7.2 ARP过程过程 目的主机在本地网络外目的主机在本地网络外4569.7.2 ARP9.7.2 ARP过程过程 目的主机在本地网络外目的主机在本地网络外5579.7.2 ARP9.7.2 ARP过程过程 目的主机在本地网络外目的主机在本地网络外6589.7.3 ARP9.7.3 ARP过程过程 删除地址映射删除地址映射对于每台设备，对于每台设备，ARP ARP 缓存定时器将会删除在指定缓存定时器将会删除在指定时间内未使用的时间内未使用的 ARP ARP 条目。具体时间取决于设条目。具体时间取决于设备及其操作系统。备及其操作系统。599.7.4 ARP9.7.4 ARP广播广播 问题问题介质开销介质开销安全性安全性ARP ARP 欺欺骗骗/ / ARP ARP 毒化毒化60
