河北師范大學軟件學院計算機網絡：數據鏈路層韓立剛458717185 hanligang顧數據信號模擬信號模擬數據基帶信號帶通信號數字信號數字數據碼元信道單工通信半雙工通信全雙工通信奈奎斯特Nyquist定理

香農Shannon公式頻分復用時分復用波分復用CDMACDMA計算指引數據鏈路層基本概念及基本問題基本概念三個基本問題兩種情況下的數據鏈路層使用點對點信道的數據鏈路層使用廣播信道的數據鏈路層以太局域網（以太網）擴展以太網高速以太網應用層運輸層數據鏈路層網絡層物理層局域網廣域網主機

H1主機

H2路由器

R1路由器

R2路由器

R3電話網局域網主機

H1

向

H2

發送數據鏈路層應用層運輸層網絡層物理層鏈路層應用層運輸層網絡層物理層鏈路層網絡層物理層鏈路層網絡層物理層鏈路層網絡層物理層R1R2R3H1H2從層次上來看數據的流動數據鏈路層的簡單模型數據發送模型局域網廣域網主機

H1主機

H2路由器

R1路由器

R2路由器

R3電話網局域網主機

H1

向

H2

發送數據鏈路層應用層運輸層網絡層物理層鏈路層應用層運輸層網絡層物理層鏈路層網絡層物理層鏈路層網絡層物理層鏈路層網絡層物理層R1R2R3H1H2僅從數據鏈路層觀察幀的流動數據鏈路層的簡單模型(cont.)數據發送模型數據鏈路層的信道類型數據鏈路層使用的信道主要有以下兩種類型：點對點信道。這種信道使用一對一的點對點通信方式。廣播信道。這種信道使用一對多的廣播通信方式，因此過程比較復雜。廣播信道上連接的主機很多，因此必須使用專用的共享信道協議來協調這些主機的數據發送。鏈路與數據鏈路鏈路(link)是一條點到點的物理線路段，中間沒有任何其他的交換結點。一條鏈路只是一條通路的一個組成部分。數據鏈路(datalink)

除了物理線路外，還必須有通信協議來控制這些數據的傳輸。若把實現這些協議的硬件和軟件加到鏈路上，就構成了數據鏈路。現最常用的方法是使用適配器(即網卡)來實現這些協議的硬件和軟件。一般的適配器都包括了數據鏈路層和物理層這兩層的功能。幀數據鏈路層傳送的是幀IP數據報1010……0110幀取出數據鏈路層網絡層鏈路結點A結點B物理層IP數據報1010……0110幀裝入數據鏈路層像個數字管道常常在兩個對等的數據鏈路層之間畫出一個數字管道，而在這條數字管道上傳輸的數據單位是幀。指引數據鏈路層基本概念及基本問題基本概念三個基本問題兩種情況下的數據鏈路層使用點對點信道的數據鏈路層使用廣播信道的數據鏈路層以太局域網（以太網）擴展以太網高速以太網應用層運輸層數據鏈路層網絡層物理層數據鏈路層的三個基本問題封裝成幀透明傳輸差錯控制封裝成幀封裝成幀(framing)就是在一段數據的前后分別添加首部和尾部，然后就構成了一個幀。確定幀的界限。首部和尾部的一個重要作用就是進行幀定界。幀結束幀首部IP數據報幀的數據部分幀尾部MTU數據鏈路層的幀長開始發送幀開始用控制字符進行幀定界的方法舉例試想：幀還未發送完，發送端出了問題，只能重發該幀。接收端卻收到了前面的“半截子幀”，它會拋棄嗎？為什么？SOH裝在幀中的數據部分幀幀開始符幀結束符發送在前EOT透明傳輸若傳輸的數據是ASCII碼中“可打印字符(共95個)”集時，一切正常。若傳輸的數據不是僅由“可打印字符”組成時，就會出問題，如下圖。SOHEOT出現了“EOT”被接收端當作無效幀而丟棄被接收端誤認為是一個幀數據部分EOT完整的幀發送在前用字節填充法解決透明傳輸的問題發送端的數據鏈路層在數據中出現控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入一個轉義字符“ESC”(其十六進制編碼是1B)。字節填充(bytestuffing)或字符填充(characterstuffing)——接收端的數據鏈路層在將數據送往網絡層之前刪除插入的轉義字符。如果轉義字符也出現數據當中，那么應在轉義字符前插入一個轉義字符。當接收端收到連續的兩個轉義字符時，就刪除其中前面的一個。SOHSOHEOTSOHESCESCEOTESCSOHESCESCESCSOH原始數據EOTEOT經過字節填充后發送的數據字節填充字節填充字節填充字節填充發送在前幀開始符幀結束符SOH差錯控制傳輸過程中可能會產生比特差錯：1可能會變成0而0也可能變成1。在一段時間內，傳輸錯誤的比特占所傳輸比特總數的比率稱為誤碼率

BER(BitErrorRate)。誤碼率與信噪比有很大的關系。為了保證數據傳輸的可靠性，在計算機網絡傳輸數據時，必須采用各種差錯檢測措施。循環冗余檢驗CRC在數據鏈路層傳送的幀中，廣泛使用了循環冗余檢驗CRC的檢錯技術。在發送端，先把數據劃分為組。假定每組k個比特。假設待傳送的一組數據M=101001（現在k=6）。我們在M的后面再添加供差錯檢測用的n

位冗余碼一起發送。冗余碼的計算用二進制的模

2

運算進行2n乘M的運算，這相當于在M后面添加n個0。得到的(k+n)位的數除以事先選定好的長度為(n+1)位的除數

P，得出商是Q而余數是R，余數R比除數P少1位，即R是n

位。循環冗余檢驗的計算過程

110101

←

Q

(商)P(除數)→

1101101001000

←

2nM(被除數)

1101

1110

1101

0111

0000

1110

1101

0110

0000

1100

1101

001←R(余數)，作為FCS

冗余碼的計算舉例現在

k=6,M=101001。設

n=3,除數P=1101，被除數是2nM=101001000。模2運算的結果是：商

Q=110101，

余數

R=001。把余數R作為冗余碼添加在數據M的后面發送出去。發送的數據是：2nM+R

即：101001001，共(k+n)位。注：可以用生成多項式來表示循環冗余的除數，例P(X)=X3+X2+1可以表示1101這個除數。練：101101的生成多項式P(X)=？幀檢驗序列FCS在數據后面添加上的冗余碼稱為幀檢驗序列

FCS(FrameCheckSequence)。循環冗余檢驗CRC和幀檢驗序列FCS并不等同。CRC是一種常用的檢錯方法，而FCS是添加在數據后面的冗余碼。FCS可以用CRC這種方法得出，但CRC并非用來獲得FCS的唯一方法。接收端對收到的每一幀進行CRC檢驗檢驗：若得出的余數R=0，則判定這個幀沒有差錯，就接受(accept)。若余數R

0，則判定這個幀有差錯，就丟棄。特點：但這種檢測方法并不能確定究竟是哪一個或哪幾個比特出現了差錯。只要經過嚴格的挑選，并使用位數足夠多的除數

P，那么出現檢測不到的差錯的概率就很小很小。關于CRC的更多的知識/u2/69737/showart_1658667.html小結：CRC差錯檢測技術僅用循環冗余檢驗CRC差錯檢測技術只能做到無差錯接受(accept)。“無差錯接受”是指：“凡是接受的幀（即不包括丟棄的幀），我們都能以非常接近于

1

的概率認為這些幀在傳輸過程中沒有產生差錯”。也就是說：“凡是接收端數據鏈路層接受的幀都沒有傳輸差錯”（有差錯的幀就丟棄而不接受）。要做到“可靠傳輸”（即發送什么就收到什么）就必須再加上確認和重傳機制。考慮：幀重復、幀丟失、幀亂序的情況可以說“CRC是一種無比特差錯，而不是無傳輸差錯的檢測機制”OSI/RM模型的觀點：數據鏈路層要做成無傳輸差錯的！但這種理念目前不被接受！指引數據鏈路層基本概念及基本問題基本概念三個基本問題兩種情況下的數據鏈路層使用點對點信道的數據鏈路層使用廣播信道的數據鏈路層以太局域網（以太網）擴展以太網高速以太網應用層運輸層數據鏈路層網絡層物理層PPP協議使用場合用戶至因特網已向因特網管理機構申請到一批

IP地址ISP接入網PPP

協議PPP協議現在全世界使用得最多的數據鏈路層協議是點對點協議

PPP(Point-to-PointProtocol)。用戶使用撥號電話線接入因特網時，一般都是使用PPP協議。PPP協議PPP協議應該滿足的要求：簡單——這是首要的要求封裝成幀透明性多種網絡層協議多種類型鏈路差錯檢測檢測連接狀態最大傳送單元網絡層地址協商數據壓縮協商PPP協議不需要滿足的要求：糾錯流量控制序號多點線路半雙工或單工鏈路PPP協議的組成1992年制訂了PPP協議。經過1993年和1994年的修訂，現在的PPP協議已成為因特網的正式標準[RFC1661]。PPP協議有三個組成部分數據鏈路層協議可以用于異步串行或同步串行介質。它使用LCP（鏈路控制協議）建立并維護數據鏈路連接。網絡控制協議（NCP）允許在點到點連接上使用多種網絡層協議，如圖所示。PPP有一個2個字節的協議字段。0x0021—

PPP幀的信息字段就是IP數據報。0xC021—信息字段是PPP鏈路控制數據。0x8021—表示這是網絡控制數據。0xC023—信息字段是安全性認證PAP。0xC025—信息字段是LQR。0xC223—信息字段是安全性認證CHAP。

IP數據報1211字節12不超過1500字節PPP幀先發送7EFF03FACFCSF7E協議信息部分首部尾部FF、03是固定的PPP協議幀格式PPP協議幀格式標志字段

F

=0x7E（符號“0x”表示后面的字符是用十六進制表示。十六進制的

7E

的二進制表示是01111110）。地址字段

A

只置為0xFF。地址字段實際上并不起作用。控制字段

C

通常置為0x03。PPP是面向字節的，所有的PPP幀的長度都是整數字節。IP數據報1211字節12不超過1500字節先發送7EFF03FACFCSF7E協議信息部分首部尾部字節填充問題：信息字段中出現了標志字段的值，可能會被誤認為是“標志”，怎么辦？將信息字段中出現的每個0x7E字節轉變成為2字節序列(0x7D,0x5E)。若信息字段中出現一個0x7D的字節,則將其轉變成為2字節序列(0x7D,0x5D)。若信息字段中出現ASCII碼的控制字符（即數值小于0x20的字符），則在該字符前面要加入一個0x7D字節，同時將該字符的編碼加以改變。IP數據報1211字節12不超過1500字節先發送7EFF03FACFCSF7E協議信息部分首部尾部零比特填充方法PPP協議用在SONET/SDH鏈路時，是使用同步傳輸（一連串的比特連續傳送）。這時PPP協議采用零比特填充方法來實現透明傳輸在發送端，只要發現有5個連續1，則立即填入一個0。接收端對幀中的比特流進行掃描。每當發現5個連續1時，就把這5個連續1后的一個0刪除，IP數據報1211字節12不超過1500字節先發送7EFF03FACFCSF7E協議信息部分首部尾部零比特填充法01001111101000101001001111110001010010011111010001010信息字段中出現了和標志字段F完全一樣的8比特組合發送端在5個連1之后填入0比特再發送出去在接收端把5個連1之后的0比特刪除會被誤認為是標志字段F發送端填入0比特接收端刪除填入的0比特不使用序號和確認機制PPP協議之所以不使用序號和確認機制是出于以下的考慮：在數據鏈路層出現差錯的概率不大時，使用比較簡單的PPP協議較為合理。在因特網環境下，PPP的信息字段放入的數據是IP數據報。數據鏈路層的可靠傳輸并不能夠保證網絡層的傳輸也是可靠的。幀檢驗序列FCS字段可保證無差錯接受。PPP協議的工作狀態當用戶撥號接入ISP時，路由器的調制解調器對撥號做出確認，并建立一條物理連接。PC機向路由器發送一系列的LCP分組（封裝成多個PPP幀）。這些分組及其響應選擇一些PPP參數，和進行網絡層配置，NCP給新接入的PC機分配一個臨時的IP地址，使PC機成為因特網上的一個主機。通信完畢時，NCP釋放網絡層連接，收回原來分配出去的IP地址。接著，LCP釋放數據鏈路層連接。最后釋放的是物理層的連接。PPP協議的工作狀態設備之間無鏈路鏈路靜止鏈路建立鑒別網絡層協議鏈路打開鏈路終止物理鏈路LCP鏈路已鑒別的LCP鏈路已鑒別的LCP鏈路和NCP鏈路物理層連接建立LCP配置協商鑒別成功或無需鑒別NCP配置協商鏈路故障或關閉請求LCP鏈路終止鑒別失敗LCP配置協商失敗擴展實驗3-1：驗證PPPPPP應用舉例Router1:

hostnamerouter1

usernamerouter2passwordxxx

interfaceSerial0

ipaddress

clockrate1000000

pppauthenticationchap

Router2:

hostnamerouter2

usernamerouter1passwordxxx

interfaceSerial0

ipaddress

pppauthenticationchapPPP應用舉例指引數據鏈路層基本概念及基本問題基本概念三個基本問題兩種情況下的數據鏈路層使用點對點信道的數據鏈路層使用廣播信道的數據鏈路層以太局域網（以太網）擴展以太網高速以太網應用層運輸層數據鏈路層網絡層物理層匹配電阻集線器干線耦合器總線網星形網樹形網環形網局域網的拓撲局域網的特點與優點局域網最主要的特點是：網絡為一個單位所擁有，且地理范圍和站點數目均有限。局域網具有如下的一些主要優點：具有廣播功能，從一個站點可很方便地訪問全網。局域網上的主機可共享連接在局域網上的各種硬件和軟件資源。便于系統的擴展和逐漸地演變，各設備的位置可靈活調整和改變。提高了系統的可靠性、可用性和生存性。共享通信媒體靜態劃分信道頻分復用時分復用波分復用碼分復用

動態媒體接入控制（多點接入）隨機接入（主要被以太網采用！）受控接入，如多點線路探詢(polling)，或輪詢。（目前已不被采用）認識以太網最初的以太網是將許多計算機都連接到一根總線上。當初認為這樣的連接方法既簡單又可靠，因為總線上沒有有源器件。B向

D發送數據

C

D

A

E匹配電阻（用來吸收總線上傳播的信號）匹配電阻不接受不接受不接受接受B只有D接受B發送的數據認識以太網總線上的每一個工作的計算機都能檢測到B發送的數據信號。由于只有計算機D的地址與數據幀首部寫入的地址一致，因此只有D才接收這個數據幀。其他所有的計算機（A,C和E）都檢測到不是發送給它們的數據幀，因此就丟棄這個數據幀而不能夠收下來。具有廣播特性的總線上實現了一對一的通信。載波監聽多點接入/碰撞檢測以太網使用CSMA/CD協議CSMA/CD表示CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection。“多點接入”表示許多計算機以多點接入的方式連接在一根總線上。“載波監聽”是指每一個站在發送數據之前先要檢測一下總線上是否有其他計算機在發送數據，如果有，則暫時不要發送數據，以免發生碰撞。“載波監聽”就是用電子技術檢測總線上有沒有其他計算機發送的數據信號。碰撞檢測“碰撞檢測”就是計算機邊發送數據邊檢測信道上的信號電壓大小。當幾個站同時在總線上發送數據時，總線上的信號電壓擺動值將會增大（互相疊加）。當一個站檢測到的信號電壓擺動值超過一定的門限值時，就認為總線上至少有兩個站同時在發送數據，表明產生了碰撞。所謂“碰撞”就是發生了沖突。因此“碰撞檢測”也稱為“沖突檢測”。檢測到碰撞后在發生碰撞時，總線上傳輸的信號產生了嚴重的失真，無法從中恢復出有用的信息來。每一個正在發送數據的站，一旦發現總線上出現了碰撞，就要立即停止發送，免得繼續浪費網絡資源，然后等待一段隨機時間后再次發送。電磁波在總線上的有限傳播速率的影響當某個站監聽到總線是空閑時，也可能總線并非真正是空閑的。A向B發出的信息，要經過一定的時間后才能傳送到B。B若在A發送的信息到達B之前發送自己的幀(因為這時B的載波監聽檢測不到A所發送的信息)，則必然要在某個時間和A發送的幀發生碰撞。碰撞的結果是兩個幀都變得無用。1kmABt碰撞t=2

A檢測到發生碰撞

t=

B發送數據B檢測到發生碰撞

t=t=0單程端到端傳播時延記為

傳播時延對載波監聽的影響

1kmABt碰撞t=

B檢測到信道空閑發送數據t=

/2發生碰撞t=2

A檢測到發生碰撞

t=

B發送數據B檢測到發生碰撞

t=ABABAB

t=0A檢測到信道空閑發送數據ABt=0t=B檢測到發生碰撞停止發送STOPt=2

A檢測到發生碰撞STOPAB單程端到端傳播時延記為

重要特性使用CSMA/CD協議的以太網不能進行全雙工通信而只能進行雙向交替通信（半雙工通信）。每個站在發送數據之后的一小段時間內，存在著遭遇碰撞的可能性。這種發送的不確定性使整個以太網的平均通信量遠小于以太網的最高數據率。爭用期最先發送數據幀的站，在發送數據幀后至多經過時間2（兩倍的端到端往返時延）就可知道發送的數據幀是否遭受了碰撞。經過爭用期這段時間還沒有檢測到碰撞，才能肯定這次發送不會發生碰撞。以太網的爭用期以太網的端到端往返時延2稱為爭用期，或碰撞窗口。通常，取51.2s為爭用期的長度。對于10Mb/s以太網，在爭用期內可發送512bit，即64字節。以太網在發送數據時，若前64字節未發生沖突，則后續的數據就不會發生沖突。最短有效幀長如果發生沖突，就一定是在發送的前64字節之內。由于一檢測到沖突就立即中止發送，這時已經發送出去的數據一定小于64字節。以太網規定了最短有效幀長為64字節，凡長度小于64字節的幀都是由于沖突而異常中止的無效幀。二進制指數類型退避算法發生碰撞的站在停止發送數據后，要推遲（退避）一個隨機時間才能再發送數據。確定基本退避時間，一般是取為爭用期2。定義參數k

，

k=Min[重傳次數,10]從整數集合[0,1,…,(2k

1)]中隨機地取出一個數，記為r。重傳所需的時延就是r倍的基本退避時間。當重傳達16次仍不能成功時即丟棄該幀，并向高層報告。P82例子指引數據鏈路層基本概念及基本問題基本概念三個基本問題兩種情況下的數據鏈路層使用點對點信道的數據鏈路層使用廣播信道的數據鏈路層以太局域網（以太網）概述拓撲信道利用率MAC層擴展以太網高速以太網應用層運輸層數據鏈路層網絡層物理層以太網的兩個標準DIXEthernetV2是世界上第一個局域網產品（以太網）的規約。IEEE的802.3標準。DIXEthernetV2標準與IEEE的802.3標準只有很小的差別，因此可以將802.3局域網簡稱為“以太網”。嚴格說來，“以太網”應當是指符合DIXEthernetV2標準的局域網以太網與數據鏈路層的兩個子層為了使數據鏈路層能更好地適應多種局域網標準，802委員會就將局域網的數據鏈路層拆成兩個子層：邏輯鏈路控制LLC(LogicalLinkControl)子層媒體接入控制

MAC(MediumAccessControl)子層。與接入到傳輸媒體有關的內容都放在MAC子層，而LLC子層則與傳輸媒體無關，不管采用何種協議的局域網對LLC子層來說都是透明的。由于TCP/IP體系經常使用的局域網是DIXEthernetV2而不是802.3標準中的幾種局域網，因此現在802委員會制定的邏輯鏈路控制子層LLC（即802.2標準）的作用已經不大了。很多廠商生產的適配器上就僅裝有MAC協議而沒有LLC協議。以太網提供的服務以太網提供的服務是不可靠的交付，即盡最大努力的交付。當接收站收到有差錯的數據幀時就丟棄此幀，其他什么也不做。差錯的糾正由高層來決定。如果高層發現丟失了一些數據而進行重傳，但以太網并不知道這是一個重傳的幀，而是當作一個新的數據幀來發送。指引數據鏈路層基本概念及基本問題基本概念三個基本問題兩種情況下的數據鏈路層使用點對點信道的數據鏈路層使用廣播信道的數據鏈路層以太局域網（以太網）概述拓撲信道利用率MAC層擴展以太網高速以太網應用層運輸層數據鏈路層網絡層物理層星型拓撲傳統以太網最初是使用粗同軸電纜，后來演進到使用比較便宜的細同軸電纜，最后發展為使用更便宜和更靈活的雙絞線。不用電纜而使用無屏蔽雙絞線。每個站需要用兩對雙絞線，分別用于發送和接收這種以太網采用星形拓撲，在星形的中心則增加了一種可靠性非常高的設備，叫做集線器(hub)。集線器兩對雙絞線站點RJ-45插頭集線器的一些特點集線器是使用電子器件來模擬實際電纜線的工作，因此整個系統仍然像一個傳統的以太網那樣運行。集線器使用了大規模集成電路芯片，因此這樣的硬件設備的可靠性已大大提高了。使用集線器的以太網在邏輯上仍是一個總線網，各工作站使用的還是CSMA/CD協議，并共享邏輯上的總線。集線器很像一個多接口的轉發器，工作在物理層。集線器網卡工作站網卡工作站網卡工作站雙絞線10Base-T10BASE-T

的通信距離稍短，每個站到集線器的距離不超過100m。這種10Mb/s速率的無屏蔽雙絞線星形網的出現，既降低了成本，又提高了可靠性。10BASE-T

雙絞線以太網的出現，是局域網發展史上的一個非常重要的里程碑，它為以太網在局域網中的統治地位奠定了牢固的基礎。其他：100Base-FX、100Base-T和100Base-T4….指引數據鏈路層基本概念及基本問題基本概念三個基本問題兩種情況下的數據鏈路層使用點對點信道的數據鏈路層使用廣播信道的數據鏈路層以太局域網（以太網）概述拓撲信道利用率MAC層擴展以太網高速以太網應用層運輸層數據鏈路層網絡層物理層以太網的信道利用率以太網的信道被占用的情況：爭用期長度為2，即端到端傳播時延的兩倍。檢測到碰撞后不發送干擾信號。幀長為L

(bit)，數據發送速率為C(b/s)，因而幀的發送時間為L/C=T0(s)。以太網的信道利用率一個幀從開始發送，經可能發生的碰撞后，將再重傳數次，到發送成功且信道轉為空閑(即再經過時間使得信道上無信號在傳播)時為止，是發送一幀所需的平均時間。發送成功爭用期爭用期爭用期2τ2τ2τT0τt占用期發生碰撞發送一幀所需的平均時間……以太網的信道利用率:參數a要提高以太網的信道利用率，就必須減小與T0

之比。在以太網中定義了參數a，它是以太網單程端到端時延與幀的發送時間T0

之比：a→0表示一發生碰撞就立即可以檢測出來，并立即停止發送，因而信道利用率很高。a越大，表明爭用期所占的比例增大，每發生一次碰撞就浪費許多信道資源，使得信道利用率明顯降低。以太網的信道利用率：最大值對以太網參數的要求當數據率一定時，以太網的連線的長度受到限制，否則的數值會太大以太網的幀長不能太短，否則T0的值會太小，使a值太大。信道利用率的最大值在理想化的情況下，以太網上的各站發送數據都不會產生碰撞（這顯然已經不是CSMA/CD，而是需要使用一種特殊的調度方法），即總線一旦空閑就有某一個站立即發送數據。發送一幀占用線路的時間是T0+，而幀本身的發送時間是T0。于是我們可計算出理想情況下的極限信道利用率Smax為：指引數據鏈路層基本概念及基本問題基本概念三個基本問題兩種情況下的數據鏈路層使用點對點信道的數據鏈路層使用廣播信道的數據鏈路層以太局域網（以太網）概述拓撲信道利用率MAC層擴展以太網高速以太網應用層運輸層數據鏈路層網絡層物理層MAC層的硬件地址(MAC地址)在局域網中，硬件地址又稱為物理地址，或MAC地址。802標準所說的“地址”嚴格地講應當是每一個站的“名字”或標識符。但鑒于大家都早已習慣了將這種48位的“名字”稱為“地址”，所以本書也采用這種習慣用法，盡管這種說法并不太嚴格。IEEE的注冊管理機構

RA負責向廠家分配地址字段的前三個字節(即高位24位)。地址字段中的后三個字節(即低位24位)由廠家自行指派，稱為擴展標識符，必須保證生產出的適配器沒有重復地址。一個地址塊可以生成224個不同的地址。這種48位地址稱為MAC-48，它的通用名稱是EUI-48。“MAC地址”實際上就是適配器地址或適配器標識符EUI-48。適配器檢查MAC地址適配器從網絡上每收到一個MAC幀就首先用硬件檢查MAC幀中的MAC地址.如果是發往本站的幀則收下，然后再進行其他的處理。否則就將此幀丟棄，不再進行其他的處理。“發往本站的幀”包括以下三種幀：單播(unicast)幀（一對一）廣播(broadcast)幀（一對全體）多播(multicast)幀（一對多）MAC幀格式常用的以太網MAC幀格式有兩種標準：DIXEthernetV2標準IEEE的802.3標準最常用的MAC幀是以太網V2的格式。MAC幀格式以太網MAC幀物理層MAC層1010101010101010101010101010101011前同步碼幀開始定界符7字節1字節…8字節插入IP層目的地址源地址類型數據FCS6624字節46~1500IP數據報MAC幀MAC幀物理層MAC層IP層目的地址源地址類型數據FCS6624字節46~1500IP數據報以太網V2的MAC幀格式目的地址字段6字節MAC幀物理層MAC層IP層目的地址源地址類型數據FCS6624字節46~1500IP數據報以太網V2的MAC幀格式源地址字段6字節MAC幀物理層MAC層IP層目的地址源地址類型數據FCS6624字節46~1500IP數據報以太網V2的MAC幀格式類型字段2字節類型字段用來標志上一層使用的是什么協議，以便把收到的MAC幀的數據上交給上一層的這個協議。MAC幀物理層MAC層IP層目的地址源地址類型數據FCS6624字節46~1500IP數據報以太網V2的MAC幀格式數據字段46~1500

字節數據字段的正式名稱是MAC

客戶數據字段最小長度64字節

18字節的首部和尾部=數據字段的最小長度

MAC幀物理層MAC層IP層目的地址源地址類型數據FCS6624字節46~1500IP數據報以太網V2的MAC幀格式FCS字段4

字節當傳輸媒體的誤碼率為1108

時，MAC子層可使未檢測到的差錯小于11014。當數據字段的長度小于46字節時，應在數據字段的后面加入整數字節的填充字段，以保證以太網的MAC幀長不小于64字節。MAC幀物理層MAC層IP層目的地址源地址類型數據FCS6624字節46~1500IP數據報以太網V2的MAC幀格式1010101010101010101010101010101011前同步碼幀開始定界符7字節1字節…8字節插入在幀的前面插入的8字節中的第一個字段共7個字節，是前同步碼，用來迅速實現MAC幀的比特同步。第二個字段是幀開始定界符，表示后面的信息就是MAC幀。為了達到比特同步，在傳輸媒體上實際傳送的要比MAC幀還多8個字節無效的MAC幀幀的長度不是整數個字節；用收到的幀檢驗序列FCS查出有差錯；數據字段的長度不在46~1500字節之間。有效的MAC幀長度為64~1518字節之間。對于檢查出的無效MAC幀就簡單地丟棄。以太網不負責重傳丟棄的幀。幀間最小間隔幀間最小間隔為9.6s，相當于96bit的發送時間。一個站在檢測到總線開始空閑后，還要等待9.6s才能再次發送數據。這樣做是為了使剛剛收到數據幀的站的接收緩存來得及清理，做好接收下一幀的準備。指引數據鏈路層基本概念及基本問題基本概念三個基本問題兩種情況下的數據鏈路層使用點對點信道的數據鏈路層使用廣播信道的數據鏈路層以太局域網（以太網）概述拓撲信道利用率MAC層擴展以太網高速以太網應用層運輸層數據鏈路層網絡層物理層在物理層考慮擴展主機使用光纖和一對光纖調制解調器連接到集線器以太網集線器光纖光纖調制解調器光纖調制解調器在物理層考慮擴展某大學有三個系，各自有一個局域網三個獨立的碰撞域一系二系三系碰撞域碰撞域碰撞域在物理層考慮擴展一系三系二系主干集線器一個更大的碰撞域碰撞域在物理層考慮擴展用集線器擴展局域網優點使原來屬于不同碰撞域的局域網上的計算機能夠進行跨碰撞域的通信。擴大了局域網覆蓋的地理范圍。用集線器擴展局域網缺點碰撞域增大了，但總的吞吐量并未提高。如果不同的碰撞域使用不同的數據率，那么就不能用集線器將它們互連起來。在數據鏈路層考慮擴展在數據鏈路層擴展局域網是使用網橋。網橋工作在數據鏈路層，它根據MAC幀的目的地址對收到的幀進行轉發。網橋具有過濾幀的功能。當網橋收到一個幀時，并不是向所有的接口轉發此幀，而是先檢查此幀的目的MAC地址，然后再確定將該幀轉發到哪一個接口網橋的內部結構站表接口管理軟件網橋協議實體緩存接口1接口2①②③網段B網段A1112①③⑤2②④⑥2站地址接口網橋網橋④⑤⑥接口1接口212使用網橋擴展以太網B2B1碰撞域碰撞域碰撞域ABCDEF使用網橋擴展以太網：好與壞好：過濾通信量。擴大了物理范圍。提高了可靠性。可互連不同物理層、不同MAC子層和不同速率（如10Mb/s和100Mb/s以太網）的局域網。壞：存儲轉發增加了時延。在MAC子層并沒有流量控制功能。具有不同MAC子層的網段橋接在一起時時延更大。網橋只適合于用戶數不太多(不超過幾百個)和通信量不太大的局域網，否則有時還會因傳播過多的廣播信息而產生網絡擁塞。這就是所謂的廣播風暴。透明網橋目前使用得最多的網橋是透明網橋(transparentbridge)。“透明”是指局域網上的站點并不知道所發送的幀將經過哪幾個網橋，因為網橋對各站來說是看不見的。透明網橋是一種即插即用設備，其標準是IEEE802.1D。地址接口B2B1ABCDEF1212地址接口…………B1B→AA→BA1F→CF2A→BA1F→CF2自學習算法按照以下自學習算法處理收到的幀和建立轉發表若從A發出的幀從接口x進入了某網橋，那么從這個接口出發沿相反方向一定可把一個幀傳送到A。網橋每收到一個幀，就記下其源地址和進入網橋的接口，作為轉發表中的一個項目。在建立轉發表時是把幀首部中的源地址寫在“地址”這一欄的下面。在轉發幀時，則是根據收到的幀首部中的目的地址來轉發的。這時就把在“地址”欄下面已經記下的源地址當作目的地址，而把記下的進入接口當作轉發接口。網橋在轉發表中登記以下三個信息在網橋的轉發表中寫入的信息除了地址和接口外，還有幀進入該網橋的時間。這是因為以太網的拓撲可能經常會發生變化，站點也可能會更換適配器（這就改變了站點的地址）。另外，以太網上的工作站并非總是接通電源的。把每個幀到達網橋的時間登記下來，就可以在轉發表中只保留網絡拓撲的最新狀態信息。這樣就使得網橋中的轉發表能反映當前網絡的最新拓撲狀態。小結：自學習與幀轉發網橋收到一幀后先進行自學習。查找轉發表中與收到幀的源地址有無相匹配的項目。如沒有，就在轉發表中增加一個項目（源地址、進入的接口和時間）。如有，則把原有的項目進行更新。轉發幀。查找轉發表中與收到幀的目的地址有無相匹配的項目。如沒有，則通過所有其他接口（但進入網橋的接口除外）按進行轉發。如有，則按轉發表中給出的接口進行轉發。若轉發表中給出的接口就是該幀進入網橋的接口，則應丟棄這個幀（因為這時不需要經過網橋進行轉發）。組建局域網組建高可用局域網透明網橋使用了生成樹算法這是為了避免產生轉發的幀在網絡中不斷地兜圈子。局域網2局域網1網橋2網橋1

AF不停地兜圈子A發出的幀F1網橋1轉發的幀F2網橋2轉發的幀網絡資源白白消耗了生成樹算法互連在一起的網橋在進行彼此通信后，就能找出原來的網絡拓撲的一個子集。在這個子集里，整個連通的網絡中不存在回路，即在任何兩個站之間只有一條路徑。為了避免產生轉發的幀在網絡中不斷地兜圈子。為了得出能夠反映網絡拓撲發生變化時的生成樹，在生成樹上的根網橋每隔一段時間還要對生成樹的拓撲進行更新。多接口網橋：交換機1990年問世的交換式集線器(switchinghub)，可明顯地提高局域網的性能。交換式集線器常稱為以太網交換機(switch)或第二層交換機（表明此交換機工作在數據鏈路層）。以太網交換機通常都有十幾個接口。因此，以太網交換機實質上就是一個多接口的網橋，可見交換機工作在數據鏈路層。交換機特點：以太網交換機的每個接口都直接與主機相連，并且一般都工作在全雙工方式。交換機能同時連通許多對的接口，使每一對相互通信的主機都能像獨占通信媒體那樣，進行無碰撞地傳輸數據。以太網交換機由于使用了專用的交換結構芯片，其交換速率就較高。用交換機擴展以太網一系三系二系10BASE-T至因特網100Mb/s100Mb/s100Mb/s萬維網服務器電子郵件服務器以太網交換機路由器獨占傳輸媒體的帶寬對于普通10Mb/s的共享式以太網，若共有N個用戶，則每個用戶占有的平均帶寬只有總帶寬(10Mb/s)的N分之一。使用以太網交換機時，雖然在每個接口到主機的帶寬還是10Mb/s，但由于一個用戶在通信時是獨占而不是和其他網絡用戶共享傳輸媒體的帶寬，因此對于擁有N對接口的交換機的總容量為N10Mb/s。這正是交換機的最大優點。動手實驗實驗3-1：PacketTracer的使用及路由器的基本命令實驗3-2：局域網連接實驗3-3：查看交換機的MAC地址表擴展實驗3-2：生成樹虛擬局域網LAN和VLAN交換機的使用使得VLAN的創建成為可能虛擬局域網

VLAN是由一些局域網網段構成的與物理位置無關的邏輯組。這些網段具有某些共同的需求。每一個VLAN的幀都有一個明確的標識符，指明發送這個幀的工作站是屬于哪一個VLAN。虛擬局域網其實只是局域網給用戶提供的一種服務，而并不是一種新型局域網。VLAN示意圖以太網交換機A4B1以太網交換機VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太網交換機以太網交換機三個虛擬局域網:VLAN1,VLAN2和VLAN3以太網交換機A4B1以太網交換機VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太網交換機以太網交換機三個虛擬局域網VLAN1,VLAN2和VLAN3

的構成當B1

向VLAN2

工作組內成員發送數據時，工作站B2和B3將會收到廣播的信息。以太網交換機A4B1以太網交換機VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太網交換機以太網交換機三個虛擬局域網VLAN1,VLAN2和VLAN3

的構成B1發送數據時，工作站A1,A2和C1都不會收到B1發出的廣播信息。以太網交換機A4B1以太網交換機VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太網交換機以太網交換機三個虛擬局域網VLAN1,VLAN2和VLAN3

的構成虛擬局域網限制了接收廣播信息的工作站數，使得網絡不會因傳播過多的廣播信息(即“廣播風暴”)而引起性能惡化。打開第7章練習“05創建和管理VLAN.pkt”，網絡拓撲如圖所示，網絡中的計算機已經配置好了IP地址，交換機所有接口默認都屬于VLAN1。PC0和PC1分別連接到交換機的Fa0/1和Fa0/2接口，PC3和PC4分別連接在交換機的Fa0/13和Fa0/14。本實驗將會查看交換機上的VLAN，端口所屬的VLAN，創建VLAN2，將13-24端口指定到VLAN2，然后測試PC0和PC1和PC2是否能通信。刪除VLAN2，查看屬于VLAN2的端口。創建和管理VLAN56班進度總結：如圖所示，將一個交換機劃分了兩個VLAN，你就可以想象成將交換機邏輯上分成了兩個交換機，這兩個不同的VLAN之間通信必須通過路由器轉發，同時這兩個VLAN的IP地址必須在不同的網段。創建和管理VLAN在兩個交換機上分別創建VLAN2，將連接銷售部計算機的端口指定到VLAN2。將連接財務部計算機的端口指定到VLAN1。為了確保兩個交換機上的VLAN1能夠直接通信，可以使用一根網線將兩個交換機屬于VLAN1的端口連接，使用一根網線將兩個交換機屬于VLAN2的端口連接。這樣VLAN1的計算機A、B、C、D就屬于同一個邏輯網段了，銷售部的計算機E、F、G、H就屬于同一個邏輯網段了。跨交換機的VLAN按照上面的方法，如果有10個VLAN跨這兩個交換機，每一個VLAN使用一根網線連接兩個交換機，這也太浪費交換機端口和網線了。有沒有更好的方法呢？有！那就是使用干道鏈路。交換機的端口有兩種類型：訪問端口：訪問端口只能屬于某一個VLAN，它只能承載某一個VLAN的流量，連接訪問端口的鏈路稱為訪問鏈路。中繼端口：中繼端口能夠同時承載多個VLAN的流量，連接中繼端口的鏈路稱為干道鏈路。數據幀進入干道鏈路時需要添加幀標記（或稱VLANID），離開干道鏈路時去掉幀標記，這個過程對計算機來說透明。跨交換機的VLAN如圖所示，接入層交換機SwitchA、SwitchB、SwitchC、SwitchD于匯聚層交換機SwitchE鏈接。市場部計算機都連接到SwitchA，屬于VLAN4。銷售部和研發部以及財務部的計算機分別屬于VLAN1、VLAn2和VLAN3，這三個VLAN跨SwitchB、SwitchC、SwitchD三個交換機。7.5.3跨交換機的VLAN總結：交換機組建的網絡，如果需要多個VLAN通過的鏈路就需要配置為干道鏈路。如果鏈路上只需要單一VLAN的數據通過就可以配置為訪問鏈路。114ISL標記通過特定集成電路來實現不需要再客戶計算機上采取配置，客戶機不能夠看到ISL頭在交換機之間，路由器和交換機，交換機和支持ISL網卡的服務器之間配置ISL干道使VLAN能夠跨骨干VLAN標記在進端口時添加VLAN標記在出端口時剝離Inter-SwitchLinkcarriesVLANidentifier115ISL封裝ISLHeader26bytesEncapsulatedEthernetframeCRC4bytes使用ISL頭和CRC封裝Frames支持1024個VLAN字段BPDUbitDATypeUserSALENVLANAAAA03BPDUHSAVLANBPDUBPDUINDEXRES虛擬局域網幀格式虛擬局域網協議允許在以太網的幀格式中插入一個4字節的標識符，稱為VLAN標記(tag)，用來指明發送該幀的工作站屬于哪一個虛擬局域網。

802.3MAC幀字節66246~15004MAC幀目地地址源地址長度/類型數據FCS長度/類型=802.1Q標記類型標記控制信息

1000000100000000VID2字節2字節插入4字節的VLAN標記4用戶優先級CFI(規范格式指示符)動手實驗實驗3-3：劃分VLAN指引數據鏈路層基本概念及基本問題基本概念三個基本問題兩種情況下的數據鏈路層使用