【计算机网络笔记】- 3.数字链路层概述

梦里梦外; 2023-03-13 09:27 126阅读 0赞

### 文章目录 ###

*   *   *  1.基本概念
         *   *  数据发送模型
             *  数据链路层的信道类型
             *  链路与数据链路
             *  帧
         *  2.数据链路层的三个基本问题
         *   *  封装成帧
             *   *  用控制字符进行帧定界的方法举例
             *  透明传输
             *   *  用字节填充法解决透明传输的问题
                 *  小结
             *  差错控制
             *   *  循环冗余检验 CRC
                 *  帧检验序列 FCS
             *  奇偶校验码（Parity Codes）
         *  3.数据链路层点对点通信（ppp协议）
         *   *  ppp协议
             *   *  PPP协议应该满足的要求:
                 *  PPP协议不需要满足的要求
                 *  ppp协议的组成
                 *  ppp协议的帧格式
                 *  字节填充
                 *  零比特填充方法.
                 *  不使用序号和确认机制
                 *  ppp协议的工作状态
                 *  LCP
                 *  NCP
         *  4.数据链路层的广播信道
         *   *   *  局域网的拓扑
                 *  局域网的特点和优点
                 *  共享媒体
             *  初始以太网
             *   *  两站点方式数据的过程
             *  载波监听多点接入/碰撞检测 以太网使用CSMA/CD协议
             *   *  碰撞检测
                 *  重要特性
             *  争用期
             *   *  二进制指数类型退避算法
         *  5.以太局域网
         *   *  概述
             *   *  以太网的两个标准
                 *  以太网与数据链路层的两个子层
                 *  以太网提供的服务
             *  拓扑
             *   *  星型拓扑
                 *  集线器
                 *  10Base-t
             *  以太网信道利用率
             *  MAC层
             *   *  适配器检查MAC地址
                 *  MAC帧的格式
                 *  无效MAC帧
                 *  帧最小间隔
         *  6.扩展以太网
         *   *  物理层考虑的扩展
             *   *  主机使用光纤和一对光纤调制解调器连接集线器
                 *  使用集线器扩展以太网的冲突域
                 *  在数据链路层扩展
                 *  网桥的结构
                 *  使用网桥扩展以太网
                 *  透明网桥
                 *  网桥在转发表中具体记录的三个信息
                 *  网桥自学习与帧转发小结
                 *  网桥转发表的自定义（安全规则）
             *  交换机
             *  生成树
             *   *  透明网桥使用了生成树算法
                 *  生成树算法
         *  7.虚拟局域网
         *   *  LAN和VLAN
             *   *  一个交换机建立VLAN
                 *  跨交换机VLAN
                 *  ISL标记
                 *  ISL封装
                 *  虚拟局域网帧格式
         *  8.高速以太网
         *   *  100BASE-T 以太网
             *   *  特点
             *  吉比特以太网
             *   *  吉比特以太网
                 *  10 吉比特以太网
                 *  端到端的以太网传输
             *  使用高速以太网进行宽带接入
             *   *  cisco建网3层模型

### 1.基本概念 ###

#### 数据发送模型 ####

![在这里插入图片描述][20200513085847946.png]  
从层次来看数据流动  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d5aGR4d2FuZw_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
数据到路由器后经路由器解析获取数据包到数据链路层mac看是不是发给自己的数据，然后到网络层ip，通过ip选择转发的方式。

本次我们只讨论**数据链路层的帧的流动**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d5aGR4d2FuZw_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

#### 数据链路层的信道类型 ####

**数据链路层使用的信道主要有以下两种类型:**

*  点对点信道。这种信道使用一对一的点对点通信方式。
 *  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。

#### 链路与数据链路 ####

*  链路(link)是一条点到点的物理线路段，中间没有任何其他点。  
    一条链路只是一条通路的一个组成部分。
 *  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。

#### 帧 ####

数据链路层传输的数据  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d5aGR4d2FuZw_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

### 2.数据链路层的三个基本问题 ###

封装成帧  
透明传输  
差错控制

#### 封装成帧 ####

*  封装成帧就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部，然后就构成一个帧。确定帧的界限
 *  首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界。  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d5aGR4d2FuZw_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
    帧的数据部分<=MTU MTU=1500bit

##### 用控制字符进行帧定界的方法举例 #####

试想:帧还未发送完，发送端出了问题，只能重发该帧。接收端接收前面的“半截子帧”，它会抛弃吗?为什么?  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d5aGR4d2FuZw_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]  
对于不完整的帧，会被抛弃。

#### 透明传输 ####

*  若传输的数据是ASCI I码中“可打印字符(共95个)”集时,可以正常传输
 *  若传输的数据不是仅由“可打印字符”组成时，就会出问题  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d5aGR4d2FuZw_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]

##### 用字节填充法解决透明传输的问题 #####

发送端的数据链路层在数据中出现控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入一个特殊字符“ESC" (其十六进制编码是1B)。

**字节填充**(byte stuff ing)或**字符填充**(character stuffing)——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。

如果转义字符也出现数据当中，那么应在转义字符前插入一个转义字符。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。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d5aGR4d2FuZw_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]

##### 小结 #####

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)。

*  “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”。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)。

要做到“可靠传输”(即发送 什么就收到什么)就必须再加上确认和重传机制。

*  考虑:帧重复、帧丢失、帧乱序的情况  
    可以说“**CRC是一种无比特差错，而不是无传输差错的检测机制**”
 *  OSI/RM模型的观点:数据链路层要做成无传输差错的!但这种理念目前不被接受!

#### 差错控制 ####

差错检测不是100%可靠!

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

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 (Bit Error Rate) 。

误码率与信噪比有很大的关系。

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。

##### 循环冗余检验 CRC #####

在数据链路层传送的帧中，广泛使用了循环冗余检验CRC的校验技术。

在发送端，先把数据划分为组。假定每组k个比特。  
假设待传送的一组数据M=101001(现在k=6)。我们在M的后面再添加供差错检测用的n位冗余码一起发送。

冗余码的计算

*  用二进制的模2运算进行2^n乘M的运算，这相当于在M后面添加n个0。
 *  得到的(k + n)位的数除以事先选定好的长度为(n + 1) 位的除数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。  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d5aGR4d2FuZw_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]

##### 帧检验序列 FCS #####

在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列FCS （Frame Check Sequence)。  
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唯一方法。

#### 奇偶校验码（Parity Codes） ####

奇偶校验码最简单,但只能检测出奇数位出错. 如果发生偶数位错误就无法检测. 但经研究是奇数位发生错误的概率大很多. 而且奇偶校验码无法检测出哪位出错.所以属于无法矫正错误的校验码。奇偶校验码是奇校验码和偶校验码的统称. 它们都是通过在要校验的编码上加一位校验位组成. 如果是奇校验加上校验位后,编码中1的个数为奇数个。如果是偶校验加上校验位后,编码中1的个数为偶数个。

### 3.数据链路层点对点通信（ppp协议） ###

ppp协议使用的场合  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d5aGR4d2FuZw_size_16_color_FFFFFF_t_70 8]

#### ppp协议 ####

ppp协议可以分配IP地址

现在全世界使用得最多的数据链路层协议是点对点协议PPP(Point-to-Point Protocol)。  
用户使用拨号电话线接入因特网时，一般都是使用PPP 协议。

##### PPP协议应该满足的要求: #####

*  简单——这是首要的要求
 *  封装成帧
 *  透明性
 *  支持多种网络层协议
 *  支持多种类型链路
 *  差错检测
 *  检测连接状态
 *  最大传送单元
 *  网络层地址协商
 *  数据压缩协商

##### PPP协议不需要满足的要求 #####

*  纠错
 *  流量控制
 *  序号
 *  多点线路
 *  半双工或单工链路

##### ppp协议的组成 #####

1992 年制订了PPP协议。经过1993 年和1994年的修订，PPP协议已成为因特网的正式标准\[RFC 1661\]。

PPP协议有三个组成部分

*  数据链路层协议可以用于异步串行或同步串行介质。
 *  它使用LCP (链路控制协议)建立并维护数据链路连接。
 *  网络控制协议(NCP) 允许在点到点连接上使用多种网络层协议，  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d5aGR4d2FuZw_size_16_color_FFFFFF_t_70 9]

##### ppp协议的帧格式 #####

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d5aGR4d2FuZw_size_16_color_FFFFFF_t_70 10]  
帧一7E（0111 1110）开始，以7E结尾。  
协议：表示信息部分具体是什么。具体对应关系在上图中已经给出

##### 字节填充 #####

问题:信息字段中出现了标志字段的值，可能会被误认为是“标志位“怎么办?

*  将信息字段中出现的每个0x7E字节转变成为2字节序列(0x7D,0x5E)。
 *  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) 。
 *  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字节转义，同时将该字符的编码加以改变。

##### 零比特填充方法. #####

PPP协议用在SONET/SDH链路时，是使用同步传输(相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。

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，**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d5aGR4d2FuZw_size_16_color_FFFFFF_t_70 11]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d5aGR4d2FuZw_size_16_color_FFFFFF_t_70 12]

##### 不使用序号和确认机制 #####

PPP协议之所以不使用序号和确认机制是出于下的考虑:

*  在数据链路层出现差错的概率不大时，使用比较简单的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。

##### ppp协议的工作状态 #####

当用户拨号接入ISP 时，路由器的调制解调器对拨号做出确认，并建立一条物理连接。

PC机向路由器发送一系列的LCP分组(封装成多个PPP帧)，这些分组及其响应选择一些PPP 参数，和进行网络层配置，NCP 给新接入的PC机分配一个临时的IP地址，使PC机成为因特网上的一个主机。

通信完毕时，NCP 释放网络层连接，收回原来分配出去的IP 地址。接着，LCP释放数据链路层连接。最后释放的是物理层的连接。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d5aGR4d2FuZw_size_16_color_FFFFFF_t_70 13]

##### LCP #####

LCP链路控制协议(Link Control Protocol)赋予PPP以多功能性，考虑到包格式、包大小和认证的协商。它还使PPP具有确定何时线路为失败、何时正常运行的功能。 LCP用于配置和测试数据链路，工作方式如下：

第1步 链路建立阶段―――首先打开连接，然后确定相关通信参数(包括MTU、compress type、及链路认证类型。链路设置完后确认帧，然后是可选的链路质量确认阶段，LCP确定链路质量

第2步 可选(必要)的认证阶段―――两种认证方式：质询应答握手认证协议(CHAP)和密码认证协议(PAP)。PPP本身不需要认证，cisco路由器异步线路需要认证，建议使用CHAP认证方式。

第3步 网络层协议阶段―――LCP引导NCP激活和配置网络层协议。这一阶段结束后即可传输数据包。

第4步 链路终止阶段―――LCP指导NCP关闭layer 3。

##### NCP #####

NCP网络控制协议(Network Control Protocol)实际上是一套协议。每个子协议都是为处理各自网络层协议所需的错综复杂的配置而设计的。 当LCP将链路建立好了以后，PPP要开始根据不同用户的需要，配置上层协议所需的环境。PPP使用网络控制协议NCP（Network Control Protocol，NCP）来为上层提供服务接口。针对上层不同的协议类型，会使用不同的NCP组件。如对于IP提供IPCP接口，对于IPX提供IPXCP接口，对于APPLETALK提供ATCP接口等。同时对于IP网络，提供IP地址，子网掩码和默认网关等地址的配置。

### 4.数据链路层的广播信道 ###

##### 局域网的拓扑 #####

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d5aGR4d2FuZw_size_16_color_FFFFFF_t_70 14]

##### 局域网的特点和优点 #####

局域网最主要的特点是:网络为一个单位所拥有，且地理范围程和站点数目均有限。

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。

##### 共享媒体 #####

静态划分信道

*  频分复用
 *  时分复用
 *  波分复用
 *  码分复用  
    当设备过多时静态划分不能满足我们的需求

动态媒体接入控制(多点接入)

*  随机接入(主要被以太网采用! )
 *  受控接入，如多点线路探询(polling)， 或轮询。 (目前已不被采用)

#### 初始以太网 ####

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。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d5aGR4d2FuZw_size_16_color_FFFFFF_t_70 15]

##### 两站点方式数据的过程 #####

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d5aGR4d2FuZw_size_16_color_FFFFFF_t_70 16]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d5aGR4d2FuZw_size_16_color_FFFFFF_t_70 17]

#### 载波监听多点接入/碰撞检测 以太网使用CSMA/CD协议 ####

CSMACD表示Carrier Sense Multiple Access with CollisionDetect ion。

*  “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。
 *  “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。
    
    “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。

##### 碰撞检测 #####

‘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

*  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)
 *  当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的i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。
 *  所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”

检测到碰撞后

*  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。
 *  每一个正在发送数据的站，一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。  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d5aGR4d2FuZw_size_16_color_FFFFFF_t_70 18]  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d5aGR4d2FuZw_size_16_color_FFFFFF_t_70 19]

##### 重要特性 #####

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)

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。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。

#### 争用期 ####

最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间2τ ( 两倍的端到端返时延)就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。

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。

以太网的争用期（带宽10MBps）：

*  以太网的端到端往返时延2τ称为争用期，或碰撞窗口。通常，取51.2 μs为争用期的长度。
 *  对于10 Mb/s以太网，在争用期内可发送512 bit，即64字节。
 *  以太网在发送数据时，若前4字节未发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。

最短有效帧长

*  如果发生冲突，就一定是在发送的前64字节之内。
 *  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。
 *  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。

##### 二进制指数类型退避算法 #####

发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟(退避) 一个随机时间间隔再发送数据。

*  确定基本退避时间，一般是取为争用期2τ。
 *  定义参数k：  
    k = Min\[重传次数， 10\]
 *  从整数集合\[0, 1.,.，(2^k -1)\]中随机地取出一个数，记为r0。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。

### 5.以太局域网 ###

#### 概述 ####

##### 以太网的两个标准 #####

ODIX Ethernet V2是世界上第一个局域网产品(以太网)的规约。

OIEEE的802.3标准。

*  DIXEthernetV2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
 *  严格说来，“以太网” 应当是指符合DIX Ethernet V2标准的局域网

##### 以太网与数据链路层的两个子层 #####

为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，802委员会就将思域网的数据链路层拆成两个子层:

*  逻辑链路控制LLC (Logical Link Control)子层
 *  媒体接入控制MAC (Medium Access Control)子层。

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，不管采用何种协议的局域网对LLC子层来说都是透明的

由于TCP/IP体系经常使用的局域网是DIXEthernetV2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。

**很多厂商生产的适配器上就仅装有MAC协议而没有LLC协议。**

##### 以太网提供的服务 #####

**以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。  
当接收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。  
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。**

#### 拓扑 ####

##### 星型拓扑 #####

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。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

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)  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d5aGR4d2FuZw_size_16_color_FFFFFF_t_70 20]

##### 集线器 #####

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。集线器使用了大规模集成电路芯片，因此这样的硬件设备的可靠性已大大提高了。

使用集线器的以太网在逻辑.上仍是一个总线网，各工作站使用的还是CSMA/CD协议，并共享逻辑上的总线。

集线器很像一个多接口的转发器，工作在物理层。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d5aGR4d2FuZw_size_16_color_FFFFFF_t_70 21]

##### 10Base-t #####

10BASE-T的通信距离稍短，每个站到集线器的距离不超过100m；这种10 Mb/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。

10BASE-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。

其他: 100Base -FX、100Base-T和100Base-T4…-.

#### 以太网信道利用率 ####

以太网的信道被占用的情况:

争用期长度为2τ,即端到端传播时延的两倍。检测到碰撞后不发送干扰信号。

帧长为L (bit)， 数据发送速率为C (b/s)，因而帧的发送时间为L/C=T0(s)

**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τ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。**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d5aGR4d2FuZw_size_16_color_FFFFFF_t_70 22]  
要提高以太网的信道利用率，就必须减小τ与T。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τ与帧的发送时间To之比:  
![在这里插入图片描述][20200513233745489.png]

*  a→0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。

对以太网参数的要求

*  当数据率一定时，以太网的连线的长度受到限制，否则τ的数值会太大
 *  以太网的帧长不能太短，否则To 的值会太小，使a值太大。

信道利用率的最大值

*  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。
 *  发送一帧占用线路的时间是T0 + r，而帧本身的发送时间是T0。 于是我们可计算出理想情况下的极限信道利用率Sa为:  
    ![在这里插入图片描述][20200513234227216.png]

#### MAC层 ####

在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或MAC地址。

802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.

但鉴于大家都早已习惯了将这种48位的“名字”称为“地址”，所以本书也采用这种习惯用法，尽管这种说法并不太严格。

*  IEEE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)。
 *  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地址。
 *  一个地址块可以生成24个不同的地址。这种48位地址称为MAC-48,它的通用名称是EU1-48。
 *  “MAC地址”实际上就是适配器地址或适配器标识符EUI-48.

##### 适配器检查MAC地址 #####

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，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。

“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)

mac地址可以在电脑中进行修改，修改后再次进行网络通信就会使用该虚拟地址。但是电脑硬件上的mac地址不会发生变化

##### MAC帧的格式 #####

常用的以太网MAC帧格式有两种标准:

*  DIX Ethernet V2标准
 *  IEEE的802.3标准

最常用的MAC帧是以太网V2的格式。

**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=46**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d5aGR4d2FuZw_size_16_color_FFFFFF_t_70 23]

*  目的地址：要发往的目标机器的MAC地址
 *  源地址：发送方的MAC地址
 *  类型：指名IP数据报的类型
 *  FCS：帧校验序列
 *  为了达到比特同步，在传输媒体上实际传送要比MAC帧还多8个字。**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**
 *  **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。**

物理层使用曼彻斯特编码来通过电频变化来确定数据，故当传输数据时有电频变化，而不传递数据时无变化，故物理层只需要表明开始即可，不用同sjllc一样需要帧结束符。

通过抓包工具抓到的MAC数据包  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d5aGR4d2FuZw_size_16_color_FFFFFF_t_70 24]

##### 无效MAC帧 #####

*  帧的长度不是整数个字节;
 *  用收到的帧检验序列FCS查出有差错;
 *  数据字段的长度不在46~ 1500 字节之间。
 *  有效的MAC帧长度为64~1518字节之间。

**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。**

##### 帧最小间隔 #####

![在这里插入图片描述][20200514230513904.png]

### 6.扩展以太网 ###

#### 物理层考虑的扩展 ####

##### 主机使用光纤和一对光纤调制解调器连接集线器 #####

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d5aGR4d2FuZw_size_16_color_FFFFFF_t_70 25]

##### 使用集线器扩展以太网的冲突域 #####

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d5aGR4d2FuZw_size_16_color_FFFFFF_t_70 26]  
当主机A向B通信时，C不能向D通信。发生了冲突  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d5aGR4d2FuZw_size_16_color_FFFFFF_t_70 27]  
两个主机间通信，其他10个主机都不能通信。

用集线器扩展局域网优点

*  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。

用集线器扩展局域网缺点

*  碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。
 *  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。

##### 在数据链路层扩展 #####

在数据链路层扩展局域网是使用网桥。  
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。

**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**

##### 网桥的结构 #####

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d5aGR4d2FuZw_size_16_color_FFFFFF_t_70 28]

##### 使用网桥扩展以太网 #####

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d5aGR4d2FuZw_size_16_color_FFFFFF_t_70 29]  
优点：

*  过滤通信量。
 *  扩大了物理范围。
 *  提高了可靠性。
 *  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。  
    缺点：
 *  存储转发增加了时延。
 *  在MAC 子层并没有流量控制功能。
 *  具有不同 MAC 子层的网段桥接在一起时时延更大。
 *  **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**

##### 透明网桥 #####

目前使用得最多的网桥是透明网桥(transparent bridge)。

**“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。 透明网桥是一种即插即用设备**，其标准是 IEEE 802.1D。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d5aGR4d2FuZw_size_16_color_FFFFFF_t_70 30]  
网桥中有一个MAC地址表，记录mac地址及其对应的进入网桥的接口，初始MAC地址表为空，当使用网桥时，网桥会自动学习，来记录发送者的MAC地址。

如A——>B会记录A的MAC地址，因为此时网桥不知道B的MAC对应接口，所以会把A的数据向网桥B1的所有接口传播。A、B在同一个网段，所以AB称为同网帧。

在网桥记录下所有主机MAC地址及其对应接口后，A——>B时，到B1因为B1中有A的MAC地址，所以不做记录，而又有B的MAC地址，比较发现AB属于同一个网段就会把帧丢弃

如果发送方与接收方在网桥记录表中记录的接口不同，就会向目标MAC地址所在的接口发送数据，而不会向其他接口发送。

总结：  
按照以下自学习算法处理收到的帧和建立转发表

*  若从A发出的帧从按口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
 *  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。
 *  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。
 *  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。

##### 网桥在转发表中具体记录的三个信息 #####

在网桥的转发表中写入的信息除了**地址和接口外，还有帧进入网桥的时间。**

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。

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。

##### 网桥自学习与帧转发小结 #####

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。

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(因为这时不需要经过网桥进行转发)。**

##### 网桥转发表的自定义（安全规则） #####

网桥转发表可以通过以上的自动学习来建立，也可以人为在网桥进行定义，把MAC地址与网桥接口进行绑定，当接口与主机的MAC与接口绑定的MAC地址不同时，网桥对应接口停止工作。

#### 交换机 ####

交换机就是高速的网桥。交换机拥有网桥的所以功能，但比网桥的接口多，而且直连主机

交换机转发表演示：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d5aGR4d2FuZw_size_16_color_FFFFFF_t_70 31]

#### 生成树 ####

##### 透明网桥使用了生成树算法 #####

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d5aGR4d2FuZw_size_16_color_FFFFFF_t_70 32]

##### 生成树算法 #####

**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。**

为了避免产生转发的帧在网络中不断地兜圈子。

**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。**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d5aGR4d2FuZw_size_16_color_FFFFFF_t_70 33]  
通过优先级（优先级可以人为更改）和MAC地址的大小（小优先）来选择根交换机

通过与根之间的距离和带宽，来决定根与其他交换机的路径。

### 7.虚拟局域网 ###

#### LAN和VLAN ####

交换机的使用使得VLAN的创建成为可能。

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。

虛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。

##### 一个交换机建立VLAN #####

如图所示，将一个交换机划分了两个VLAN,你就可以想象成将交换机逻辑上分成了两个交换机，这两个不同的VLAN之间通信必须通过路由器转发，同时这两个VLAN的IP地址必须在不同的网段。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d5aGR4d2FuZw_size_16_color_FFFFFF_t_70 34]

##### 跨交换机VLAN #####

在两个交换机.上分别创建VLAN 2,将连接销售部计算机的端口指定到VLAN2。将连接财务部计算机的端口指定到VLAN 1.为了确保两个交换机上的VLAN1能够直接通信，可以使用一根网线将两个交换机属于VLAN1的端口连接，使用一根网线将两个交换机属于VLAN2的端口连接。这样VLAN1的计算机A、B、C、D就属于同一个逻辑网段了，销售部的计算机E、F、G、H就属于同一个逻辑网段了。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d5aGR4d2FuZw_size_16_color_FFFFFF_t_70 35]  
按照上面的方法，如果有10个VLAN跨这两个交换机，每一个VLAN使用一根网线连接两个交换机，这也太浪费交换机端口和网线了。有没有更好的方法呢?有那就是使用干道链路。

交换机的端口有两种类型:

*  访问端口:访问端口只能属于某一个VLAN, 它只能承载某一个VLAN的流量， 连接访问端口的链路称为访问链路。
 *  中继端口:中继端口能够同时承载多个VLAN的流量，连接中继端口的链路称为干道链路。数据帧进入干道链路时需要添加帧标记(或称VLAN ID) ，离开干道链路时去掉帧标记，这个过程对计算机来说透明。（属于统计时分复用）  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d5aGR4d2FuZw_size_16_color_FFFFFF_t_70 36]  
    如图所示，接入层交换机SwitchA、SwitchB、SwitchC、Swi tchD于汇聚层交换机SwitchE链接。

市场部计算机都连接到SwitchA，属于VLAN 4。

销售部和研发部以及财务部的计算机分别属于VLAN1、VLAn2和VLAN3, 这三个VLAN跨SwitchB、SwitchC、 Swi tchD三个交换机。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d5aGR4d2FuZw_size_16_color_FFFFFF_t_70 37]  
总结:交换机组建的网络，如果需要多个VLAN通过的链路就需要配置为干道链路。如果链路上只需要单一VLAN的数据通过就可以配置为访问随路

##### ISL标记 #####

ISL标记使VLAN可以跨骨干  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d5aGR4d2FuZw_size_16_color_FFFFFF_t_70 38]

*  通过特定集成电路来实现
 *  不需要再客户计算机上采取配置，客户机不能够看到ISL头
 *  在交换机之间，路由器和交换机，交换机和支持ISL网卡的服务器之间配置

##### ISL封装 #####

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d5aGR4d2FuZw_size_16_color_FFFFFF_t_70 39]

*  使用ISL头和CRC封装Frames
 *  支持1024个
 *  VLAN字段
 *  BPDU bit

##### 虚拟局域网帧格式 #####

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。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d5aGR4d2FuZw_size_16_color_FFFFFF_t_70 40]

### 8.高速以太网 ###

#### 100BASE-T 以太网 ####

速率达到或超过 100 Mb/s 的以太网称为高速以太网。

在双绞线上传送 100 Mb/s 基带信号的星型拓扑以太网，仍使用 IEEE 802.3 的CSMA/CD 协议。100BASE-T 以太网又称为快速以太网(Fast Ethernet)。

100Base-T以太网的物理层：

*  100BASE-TX：使用 2 对 UTP 5 类线或屏蔽双绞线 STP。
 *  100BASE-FX ：使用 2 对光纤。
 *  100BASE-T4：使用 4 对 UTP 3 类线或 5 类线。

##### 特点 #####

可在全双工方式下工作而无冲突发生。因此，不使用 CSMA/CD 协议。

MAC 帧格式仍然是 802.3 标准规定的。

保持最短帧长不变，但将一个网段的最大电缆长度减小到 100 m。

帧间时间间隔从原来的 9.6 us 改为现在的 0.96 s。

#### 吉比特以太网 ####

允许在 1 Gb/s 下全双工和半双工两种方式工作。

使用 802.3 协议规定的帧格式。

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）。

与 10BASE-T 和 100BASE-T 技术向后兼容。

当吉比特以太网工作在全双工方式时（即通信双方可同时进行发送和接收数据），不使用载波延伸和分组突发。

##### 吉比特以太网 #####

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d5aGR4d2FuZw_size_16_color_FFFFFF_t_70 41]  
配置  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d5aGR4d2FuZw_size_16_color_FFFFFF_t_70 42]

##### 10 吉比特以太网 #####

10 吉比特以太网与 10 Mb/s，100 Mb/s 和 1 Gb/s 以太网的帧格式完全相同。  
10 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。  
10 吉比特以太网不再使用铜线而只使用光纤作为传输媒体。  
10 吉比特以太网只工作在全双工方式，因此没有争用问题，也不使用 CSMA/CD 协议。

##### 端到端的以太网传输 #####

10 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、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。

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。

#### 使用高速以太网进行宽带接入 ####

以太网已成功地把速率提高到 1 ~ 10 Gb/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。

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。

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。

##### cisco建网3层模型 #####

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2d5aGR4d2FuZw_size_16_color_FFFFFF_t_70 43]

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