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归档日期:08-09       文本归类:点对点协议      文章编辑:爱尚语录

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  计算机网络(第 5 版) 第 3 章 数据链路层 第 3 章 数据链路层 *3.1 使用点对点信道的数据链路层 3.1.1 数据链路和帧 3.1.2 三个基本问题 *3.2 点对点协议 PPP 3.2.1 PPP 协议的特点 3.2.2 PPP 协议的帧格式 3.2.3 PPP 协议的工作状态 第 3 章 数据链路层(续) *3.3 使用广播信道的数据链路层 3.3.1 局域网的数据链路层 3.3.2 CSMA/CD 协议 3.4 使用广播信道的以太网 * 3.4.1 使用集线 以太网的信道利用率 *3.4.3 以太网的 MAC 层 第 3 章 数据链路层(续) *3.5 扩展的以太网 3.5.1 在物理层扩展以太网 3.5.2 在数据链路层扩展以太网 *3.6 高速以太网 3.6.1 100BASE-T 以太网 3.6.2 吉比特以太网 3.6.3 10 吉比特以太网 3.6.4 使用高速以太网进行宽带接入 3.7 其他类型的高速局域网接口 数据链路层 数据链路层为网络层服务,在相邻结点间传递网络层分组。 数据链路层 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 点对点的链路 在实际应用中,点到点链路的通信主要用在几种情况: 第一种是两个网络之间通过路由器互连,即路由器之间的点到点的连接。 第二种是拨号接入 在就是广域网 数据链路层的简单模型 数据链路层的简单模型( 续) 前面图示指出,从数据链路层来看,H1到H2的通信可以看成由4段不同的链路层通信组成。H1→R1,R1→R2,R2←R3,R3→H2 这4段不同的链路层可能采用不同的数据链路层协议。 概述 3.1 使用点对点信道的数据链路层 3.1.1 数据链路和帧 点对点链路是两个结点直接相连的链路,是两个结点之间唯一的一条通路,多用于远程网。 3.1 使用点对点信道的数据链路层 3.1.1 数据链路和帧 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。 在进行数据通信时,两个计算机之间的通信路径往往要经过许多段这样的链路,可见链路只是一条路径的组成部分。 3.1 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(data link) 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。 数据链路层像个数字管道 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。 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。 3.1.2 三个基本问题 数据链路层的协议很多,但有三个基本问题则是共同的。 (1) 封装成帧 (2) 透明传输 (3) 差错控制 1. 封装成帧 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。 首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界。 关于MTU 帧的数据部分的长度上限 显然,为了提高帧的传输效率,应当使帧的数据部分长度尽可能地大于首部和尾部的长度。 但是,每一种数据链路层协议都规定了帧的数据部分的长度上限—最大传输单元MTU 用控制字符进行帧定界的方法举例 2. 透明传输 解决透明传输问题 发送端的数据链路层在数据中出现控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入一个转义字符“ESC”(其十六进制编码是 1B)。 这种方法称为字节填充(byte stuffing)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。 “透明”是一个很重要的术语 它表示:某一个实际存在的事物看起来却好像不存在一样。 比如说,物理层的任务就是“透明地传输比特流”,表示这种传输对所传输的内容没有限制。 数据链路层的透明传输 不管数据链路层所传输的数据是什么样的比特组合,都应该能够在链路上传输,也就是说链路层协议不能禁止传输某种特殊的比特组合。这就是透明传输问题。 当数据中包含了用作帧定界的字符,或有确定含义的控制字符时,协议要有相应的措施,使接收方能够辨认出其是数据还是定界符或控制信息。 用字节填充法解决透明传输的问题 3. 差错检测 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。 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。 循环冗余检验的原理 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。 我们举日常生活的例子来做说明 帧检错原理 日常生活的例子: 假设A给B邮寄了3本书,结果中途丢了一本,B只收到两本。 如果A,B事先没有沟通,B会认为A只寄了两本而不是3本,这样就会出现错误。 但是如果A在寄书的同时附一个纸条,告诉B寄了3本书,那么当B 收到两本书和这个便条时,就知道丢了一本书。 这个便条作为一个附加的信息,起到一个检错的作用。 帧检错原理 在数据链路层,检错采用的是同样的原理。 要发送信息M,如果仅仅就发送M,对方收到后,无法判断收到的信息是否与原来的信息一样。 这就需要再另外发送一个附加的冗余信息R,利用R来发现信息M传递过程中的错误。 当CRC检测出错时,就认为该帧已损坏。 CRC检测通常用硬件实现。 循环冗余检验的原理 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)。CRC运算就是在数据M的后面添加供差错检测用的n 位冗余码,然后构成一个帧发送出去,一共发送(k+n)位。 在发送的数据后面再添加供差错检测用的 n 位冗余码,虽然增加了数据传输的开销,但可以保证无比特差错传输,也是值得的。 冗余码的计算 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。 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。 冗余码的计算举例 现在 k = 6, M = 101001。 设 n = 3, 除数 P = 1101, 被除数是 2nM = 101001000。 模 2 运算[*]的结果是:商 Q = 110101, 余数 R = 001。 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。 循环冗余检验的原理说明 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 的唯一方法。 接收端对收到的每一帧进行 CRC 检验 把收到的每一个帧都除以同样的除数P,然后检查得到的余数R (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 R ? 0,则判定这个帧有差错,就丢弃。 但这种检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。 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差错的概率就很小很小。 另外可以用多项式P(X)=X3+X2+1来表示上面的除数P=1101 。 多项式P(X)被称为生成多项式。 生成多项式 生成多项式P(x) 的结构及检验效果是经过严格的数学分析试验后确定的。已研究制定了几种CRC生成多项式P(x)的国际标准: CRC-CCITT P(x)=x16+x12+x5+1 CRC-16 P(x)=x16+x15+x2+1 CRC-12 P(x)=x12+x11+x3+x2+x+1 CRC-32 P(x)=x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1 使用位数足够多的除数 P,那么出现检测不到的差错的概率就很小很小。 应当注意 使用循环冗余检验 CRC 差错检测技术只能做到无比特差错接受(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”。因为有差错的帧被丢弃了,即没有接受。 应当注意(续) 但是,“无比特差错”和“无传输差错”并不是同样的概念。 数据链路层使用CRC检验,只能实现无比特差错的传输,但这不是可靠传输。 可靠传输除保证比特差错,还要处理帧丢失、帧重复或帧乱序问题。 应当注意(续) OSI的观点是必须把数据链路层做成是可靠传输的,会在CRC检验基础上,增加了帧编号、确认和重传机制。 但随着通信线路的质量大大提高,由通信链路质量不好引起的差错的概率已经大大降低。 现在,因特网广泛使用的数据链路层协议不使用确认和重传机制,即不要求数据链路层向网络层提供可靠传输的服务。 当数据链路层传输出现差错时,改正差错的任务由上层协议完成(TCP)。 3.2 点对点协议 PPP 3.2.1 PPP 协议的特点 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)。 如两个网络之间通过路由器互连,即路由器之间的点到点的连接。 广域网 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协议简介 PPP协议的定义: PPP协议提供了一种标准的方式在点对点的链路上传输多种网络层协议的数据报。 用户到 ISP 的链路使用 PPP 协议 互联网服务提供者ISP是一个能够通过用户拨号入网的机构。 ISP拥有路由器与因特网相连(高速专线),并且和电信公司的电话交换机有专线相连。 用户在某个ISP缴费注册后即可在家中使用计算机通过调制解调器、电话线接入该ISP(如:拨号码为163或169的ISP )。 该ISP收到用户的接入呼叫后,分配给该用户一个临时的IP地址。 一个ISP 拥有很多的调制解调器,并申请得到很多可供分配的IP地址,使很多用户能同时拨通该ISP接入因特网。 用户拨通ISP后,经过ISP识别用户名和口令的过程后,就获得一个临时的IP地址,连接到因特网,使用因特网所提供的各种服务。 用户通信结束发出释放连接的请求, ISP收回IP地址。 用户拨号入网的示意图 1. PPP 协议应满足的需求 简单——这是首要的要求 封装成帧 透明性 多种网络层协议 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 1. PPP 协议应满足的需求 IETF(因特网工程部)认为,在设计PPP协议时应考虑以下多方面的需求: 简单——这是首要的要求 IETF在设计因特网体系结构是把最复杂的部分放在TCP协议中,网际层协议IP则相对简单,它提供的是不可靠的数据报服务,所以数据链路层没有必要提供比IP协议更多的功能。 因此,对数据链路层的帧,不需要纠错、不需要序号、不需要流量控制。 1. PPP 协议应满足的需求(续) 封装成帧 PPP协议必须规定特殊的字符作为帧定界符。 透明性 PPP协议必须保证数据传输的透明性。 多种网络层协议 PPP协议要能够在同一条物理链路上同时支持多种网络层协议的运行(IP或IPX等) 1. PPP 协议应满足的需求(续) 多种类型链路 串行的或并行的;同步的或异步的。 差错检测 PPP协议必须能够对接收到的帧进行检测。否则让无效的帧继续前行,白白浪费网络资源。 检测连接状态 PPP协议要有一种机制能够及时自动检测出链路是否处在正常工作状态。 1. PPP 协议应满足的需求(续) 最大传送单元 网络层地址协商 数据压缩协商 1. PPP 协议应满足的需求(续) 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 2. PPP 协议不需要的功能 纠错 流量控制 序号 多点线路 半双工或单工链路 3. PPP 协议的组成 1992 年制订了 PPP 协议。经过 1993 年和 1994 年的修订,现在的 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 一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法。 链路控制协议 LCP (Link Control Protocol)。 一组网络控制协议 NCP (Network Control Protocol)。 3.2.2 PPP 协议的帧格式 3.2.2 PPP 协议的帧格式 1、字段的意义 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)。 地址字段 A 只置为 0xFF。地址字段实际上并不起作用。 控制字段 C 固定置为 0x03。 PPP 是面向字节的,所有的 PPP 帧的长度都是整数字节。 PPP 协议的帧格式 PPP 有一个 2 个字节的协议字段。 当协议字段为 0x0021 时,PPP 帧的信息字段就是IP 数据报。 若为 0xC021, 则信息字段是 PPP 链路控制协议LCP的数据。 若为 0x8021,则表示这是网络控制数据。 LCP完成数据链路的建立、配置、维护和终止。 PAP和CHAP协议都可以完成用户的身份认证 IPCP协议用来协商网络层的配置,为用户分配IP地址。 IP协议用来发送和接收用户的数据。 FCS是帧校验字段,PPP协议采用CRC校验。当CRC校验错误时,PPP就丢弃数据帧。 2、透明传输问题 当信息字段中出现和标志字段一样的比特( 0x7E)组合时,就要采取措施使这种形式上标志字段一样的比特组合不会出现在信息字段中。 2、透明传输问题 (续) ⑴ 字节填充: 当信息字段中出现和标志字段一样的比特(0x7E)组合时,要采取措施解决 当 PPP 用在异步传输时,转义字符定义为0x7D,并使用字节填充法。 填充方法 RFC1662规定了如下填充法: 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)。 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,同时将该字符的编码加以改变。 接收端收到数据后再进行与发送端字节填充相反的变换,恢复原来的数据。 异步传输的特点是:一个字符为一个传输单位,在字符内部的比特之间是同步的,字符之间的时间间隔可以是任意的。 2、透明传输问题 (续) ⑵ 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(和 HDLC 的做法一样)。 同步传输是以一个数据块为一个传输单位。整个数据块内部是同步的。 数据块和数据块之间的时间间隔可以是任意的。 零比特填充 PPP 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。 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, 不提供使用序号和确认 的可靠传输 PPP 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。 3.2.3 PPP 协议的工作状态 1、建立物理连接。用户家中的计算机通过调制解调器呼叫ISP(如电信)的路由器,路由器的调制解调器给以应答,双方建立物理连接。 2、建立数据链路。这时用户PC机向ISP发送一系列的LCP分组(封装成多个PPP帧),以便建立LCP连接。 PPP 协议的工作状态 (续) 用户向ISP发送PPP帧,帧中封装LCP配置请求包(Configure-request ),协商数据链路选项(最大传输单元、是否要认证、要认证时所采用的认证协议等)。ISP端如果接受选项,就给用户发送LCP配置确认包(Configure-ack),数据链路创建完毕 这里不做过多介绍,感兴趣可以去细读RFC1661 。 PPP 协议的工作状态 (续) 3、用户认证阶段 鉴别阶段是可选的,如果链接协商阶段并没有设置鉴别方式,则将忽略本阶段直接进入网络阶段. 鉴别阶段使用链接协商阶段确定下来的鉴别方式来为连接授权,以起到保证点对点连接安全,防止非法终端接入点对点链路的功能. 常用的鉴别认证方式有CHAP和PAP方式. PPP 协议的工作状态 (续) 用户认证阶段。用户向ISP发送PAP协议的请求认证包(Authenticate-request ),请求认证;如果认证通过, ISP回应Authenticate-ack。 4、进入网络层配置阶段 如果鉴别阶段成功,则PPP状态机进入“网络”阶段,这个阶段主要是使用NCP报文来协商将PPP封装怎样的网络层的问题。 PPP 协议的工作状态 (续) 4、进入网络层配置阶段,此时用到的协议是IPCP。用户向ISP发送IPCP协议的Configure-request ,协商网络层参数;ISP如果接受选项,回应Configure-ack。用户分配到了IP地址,网络层配置完毕,用户接入互联网。 PPP 协议的工作状态 (续) 5、数据传输阶段,此时用到的协议是IP。用户将自己的数据封装在IP报文中,通过PPP链路发送出去,同时通过PPP链路接收因特网中的数据。 6、数据传输完毕,用户断开网络连接,用户端向ISP发送IPCP的Teminate-request,请求断开网络层连接;ISP端回应Teminate-ack,同意断开并收回IP地址。 PPP 协议的工作状态 (续) 7、断开数据链路。用户端向ISP发送LCP的Teminate-request,请求断开数据链路;ISP端回应Teminate-ack,链路断开。 PPP协议的工作过程 (续) 3.3 使用广播信道的数据链路层 广播信道可以进行一对多的通信。局域网使用的就是广播信道。 局域网是20世纪70年代发展起来的。局域网的技术在计算机网络中占有非常重要的地位。 3.3.1 局域网的数据链路层 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、可用性和残存性。 局域网的拓扑 媒体共享技术 局域网使用的是广播信道,共享信道要着重考虑的问题就是如何使众多用户能够合理而方便地共享通信媒体资源。 这在技术上有两种方法: 媒体共享技术(续) 1、静态划分信道 频分复用 时分复用 波分复用 码分复用 用户只要分配到了信道就不会发生冲突。这种划分信道的方法代价较高,不适合局域网使用。 媒体共享技术(续) 2、动态媒体接入控制(多点接入) 它的特点是信道并非在用户通信时固定分配给用户。分为以下两大类: 随机接入:随机接入的特点是所有的用户可随时发送信息。但是如果恰巧有两个或更多的用户在同一时刻发送信息,在共享媒体上就要产生碰撞(即发生冲突),使用户的发送都失败。所以要解决碰撞问题。 媒体共享技术(续) 2、动态媒体接入控制(多点接入) 受控接入 :用户不能随机发送信息而要服从一定的控制。 如典型的代表有分散控制的令牌环局域网和集中控制的多点线路探询(polling),或轮询。 媒体共享技术(续) 令牌传递(Token Passing)方式又分为两种类型:令牌环传递方式和令牌总线传递方式。 令牌是一个特殊的数据帧,既无源地址,又无目的地址,在网络上没有数据传输时,它沿着网络不停地循环传递,从一个站点到下一个站点。 令牌环传递 令牌总线传递 属于随机接入的以太网将重点学习,受控接入目前在局域网中很少使用,不做讨论。 传统以太网 现在以太网的速率已演进到100Mbps,甚至到10吉比特,因此通常用“传统以太网”来表示最早流行的10Mb/s速率的以太网。 先介绍传统以太网 传统以太网的产生与发展 20世纪70年代:以太网(Ethernet)技术产生。 以太网(Ethernet)是在75年代由Xerox(施乐)公司Palo Alto 研究中心推出的 那时的以太网是一种基带总线局域网,当时的数据率为2.94Mb/s。 以太网的命名是因为早先人们认为电磁波是通过以太这种物质来传递的。 传统以太网的产生与发展(续) 后来,1980年Xerox公司又与Intel和Digital公司合作推出了带宽为10Mbit/s的以太网,这就是通常所称的以太网Ⅱ或以太网DIX(Digital,Intel和Xerox三公司首字符),有时也写成DIX Ethernet V2。 DIX Ethernet V2 成为世界上第一个局域网产品的规约。 1、以太网的两个标准 DIX Ethernet V2 IEEE 的 802.3 标准。 IEEE(国际电器和电子工程师协会)成立后,在1983制定了第一个IEEE以太网标准,其编号为802.3。 1、以太网的两个标准 (续) DIX Ethernet V2 标准与 IEEE 的 802.3 标准只有很小的差别,两者都使用CSMA/CD协议,数据率为10Mb/s。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 局域网的多种标准 在各种局域网技术发展的同时,IEEE(国际电器和电子工程师协会)成立了802委员会,专门制定局域网技术标准。 由于厂商们在商业上的激烈竞争, IEEE 802委员会最终未能形成一个统一的、“最佳的”局域网标准,而是被迫制定了几个不同的局域网标准,这些标准互不兼容,其中802.3是以太网标准, 802.4令牌总线是无线网技术的MAC子层协议及物理层技术规范等[*]。 局域网的体系结构 局域网是一种通信网络,只涉及到OSI模型中的数据链路层和物理层,不涉及高层的协议内容。 局域网的物理层规定局域网所使用的编码方式、信号、传输介质、拓扑结构等内容。 在数据链路层上,由于局域网多采用共享的通信介质,在共享的介质上多个结点同时发送数据就会产生冲突,如何控制对介质的访问是局域网要解决的重要问题。 不同的局域网技术介质访问机制不同。 局域网的体系结构 为了使数据链路层能更好地适应各种局域网标准,IEEE的802委员会将局域网数据链路层分为两个子层:MAC子层和LLC子层。 MAC子层主要用来解决多个结点如何使用共享介质的问题。 数据链路层中与媒体接入无关的部分都集中在LLC子层,其主要功能是:数据链路的建立和释放、LLC帧的封装和拆卸、差错控制、提供与高层的接口等。 局域网的体系结构 以后一般不考虑 LLC 子层 到了20世纪90年代后,激烈竞争的局域网市场逐渐明朗,以太网在局域网市场中取得了垄断地位,几乎成为局域网的代名词 由于 TCP/IP 体系经常使用的局域网是 DIX Ethernet V2 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。 2、适配器的作用 计算机是怎样连接到局域网上的?就是通过适配器即网卡。 网卡主要完成数据链路层和物理层的功能: 计算机通过适配器 和局域网进行通信 网卡的功能 1、网卡上装有处理器和存储器,网卡和局域网的通信是通过双绞线以串行传输方式进行。网卡和计算机之间的通信是通过计算机主板上的I/O总线以并行传输方式进行。 2、当网卡收到一个有错的帧时,它将该帧丢弃而不必通知计算机。当网卡收到一个正确的帧时,它将使用中断来通知计算机并交付给网络层。 3、当计算机要发送一个IP报文时,就由协议栈向下交给网卡组成帧后发送到局域网。 3.3.2 CSMA/CD 协议 最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。由于是共享介质的,需要解决的问题 冲突问题:两台主机同时使用网络会发生冲突。 寻址问题 :如何在广播式的网络完成一对一通信。 以太网的广播方式发送 总线的特点是:当一台计算机发送数据时,总线上的每一个工作的计算机都能检测到这个数据。这种就是广播通信方式。 但是并不总是要在局域网上进行一对多的广播通信。为了在总线上实现一对一的通信,让每台计算机的适配器拥有一个与其它适配器不同的地址(MAC地址) 以太网的广播方式发送 在发送数据时在帧的首部写明接收站的地址,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。 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收它。 这样,在具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。 为了通信的简便 以太网采取了两种重要的措施 1、采用较为灵活的无连接的工作方式,即不必先建立连接就可以直接发送数据。 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。 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。 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。 2、以太网发送的数据都使用 曼彻斯特(Manchester)编码 载波监听多点接入/碰撞检测 CSMA/CD 前面已经解决了寻址问题 :使用MAC地址 还要解决冲突问题:解决冲突问题采用的协调方法是使用一种特殊的协议CSMA/CD(载波监听多点接入/碰撞检测 ) 载波监听多点接入/碰撞检测 CSMA/CD CSMA/CD 表示 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection。 “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。 载波侦听过程 目的:检查是否已经有结点利用总线在发送数据。 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小。 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。 电磁波在总线上的 有限传播速率的影响 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。 这是因为电磁波在总线上总是以有限的速率传播的。 设 A向 B 发出的信息,要经过一定的时间后才能传送到 B。 B 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。 碰撞的结果是两个帧都变得无用。 重要特性 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。 但这一小段时间是不确定的,它取决于另一个发送数据的站到本站的距离。 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 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。 以太网的端到端往返时延 2? 称为争用期,或碰撞窗口。 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。 二进制指数类型退避算法 (truncated binary exponential type) 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。 二进制指数类型退避算法就是计算退避的时间。具体的退避算法如下: ⑴确定基本退避时间,一般是取争用期 2?。 ⑵从离散的整数集合[0,1,…, (2k ?1)]中随机地取出一个数,记为 r。重传应推后的时间就是 r 倍的争用期( r2? )。K是冲突次数。 根据[0,1,2,4…, (2k?1)] 第一次冲突,k=1,r可随机从集合[0,1]中取得。 第二次冲突,k=2,r可随机从集合[0,1,2,3]中取得。 第三次冲突,k=3,r可随机从集合[0,1,3,4,5,6,7]中取得,依此类推。 冲突的次数越多,下一次r的选择范围就会越大,r的选择范围会呈指数级的增长,这样两个站点选择到同一个r的可能性就会越小,再次冲突的可能性就会越小。 二进制指数类型退避算法(续) (truncated binary exponential type) ⑶重传次数 k ,k ? 10,即 k = Min[重传次数, 10] 当重传次数不超过10次,参数k等于重传次数,当重传次数超过10次,k就不再增加一直等于10 当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧,并向高层报告。 争用期的长度 以太网取 51.2 ?s 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。 也就是说争用期是512比特时间,1比特时间就是发送1比特所用的时间。可见这种时间单位是与速率密切相关的。 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。 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。 强化碰撞 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(jamming signal),以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。 对于10Mb/s以太网再继续发送32比特或48比特的人为干扰信号 人为干扰信号 CSMA/CD协议的要点 1、适配器从网络层获得分组,加上以太网的首部和尾部组成以太网帧,放入适配器的缓存中,准备发送。 2、若适配器检测到信道空闲,就发送这个帧,否则等待再发。 3、在发送过程中继续检测信道,若一直未检测到碰撞,就顺利把这个帧成功发送完毕。若检测到碰撞,则中止数据发送,并发送人为干扰信号。 CSMA/CD协议的要点(续) 4、中止发送后,适配器执行指数退避算法,等待r倍512比特时间后,返回到步骤2. 3.4 使用广播信道的以太网 3.4.1 使用集线器的星形拓扑 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。 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) 使用集线器的双绞线年IEEE制定出星形以太网10BASE-T 标准,“10”代表10Mb/s的数据率,BASE代表信号是基带信号,T代表传输介质是双绞线。 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。 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。 以太网在局域网中的统治地位 10BASE-T 的通信距离稍短,每个站到集线 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。 集线器的一些特点 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。 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。 具有三个接口的集线 以太网的信道利用率 以太网的信道被占用的情况: 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。 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)。 以太网的信道利用率 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。 参数 a 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: 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 ? 的数值会太大。 以太网的帧长不能太短,否则 T0 的值会太小,使 a 值太大。 信道利用率的最大值 Smax 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 + ?,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 Smax为: 3.4.3 以太网的 MAC 层 1. MAC 层的硬件地址 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。 48 位的 MAC 地址 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。 “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) 2. 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。 以太网 V2 的 MAC 帧格式 以太网 V2 的 MAC 帧格式 以太网 V2 的 MAC 帧格式 以太网 V2 的 MAC 帧格式 以太网 V2 的 MAC 帧格式 注 意 由于MAC帧的首部没有数据长度字段,当数据部分有填充字段的情况下,接收端的数据链路层剥去首部和尾部后将含有填充部分的数据字段一起交给上层协议。 上层协议协议如何知道有效的数据长度以便将没用的填充部分丢弃呢? 答案是:靠上层协议中具有识别有效数据长度字段的功能来识别。 如IP协议首部有一个“总长度”字段,它是IP首部长度与数据部分之和。 IP首部又有一个首部长度字段, 总长度-首部长度=有效数据长度。这样IP协议可以很容易将多余的填充部分丢弃。 以太网 V2 的 MAC 帧格式 无效的 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。 帧间最小间隔 帧间最小间隔为 9.6 ?s,相当于 96 bit 的发送时间。 一个站在检测到总线开始空闲后,还要等待 9.6 ?s 才能再次发送数据。 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。 由于各帧之间存在一定的间隙,接收端只要找到帧开始定界符,后面连续到达的比特流都是属于同一MAC帧。不需要帧结束符,也不需要字节插入保证透明传输。 3.5 扩展的局域网 3.5.1 在物理层扩展局域网 扩展以太网就是希望把以太网的覆盖范围扩展,扩展后的以太网依然是一个网络。 可以在物理层扩展以太网,也可以在数据链路层扩展以太网。 因为以太网上的主机之间的距离不能太远(10BASE-T以太网两主机间距离不超过200米) 3.5 扩展的局域网 3.5.1 在物理层扩展局域网 以太网上的主机之间的距离不能太远(10BASE-T以太网两主机间距离不超过200米),否则信号的衰减使得CSMA/CD协议无法正常工作。 现在,扩展主机和集线器之间的距离常用的方法是:主机使用光纤和一对光纤调制解调器连接到集线器 用多个集线器可连成更大的局域网 某大学有三个系,各自有一个局域网 碰撞域(又称为冲突域) 冲突域是指局域网中的某个区域内,如果两台主机同时发送数据,就会产生冲突,这样的一个区域就称为冲突域。 即在任一时刻,每一个冲突域中只能有一个站在发送数据。 碰撞域(又称为冲突域)(续) 使用集线器互联的局域网结构,它是一种共享介质的局域网结构,所有连接到集线器的结点共享一个“传输介质”。 一个时刻只能有一台主机发送数据,如果有两台主机同时发送就会产生冲突,所以一个集线器都是一个冲突域。 集线器的功能和特点 集线器属于物理层设备,只负责比特流的转发,不对比特流做任何差错处理。 其功能是简单地放大或刷新通过的数据流,以扩大数据的传输距离,主要用于连接同类型的网络和延伸同类型网络的距离。 集线器的功能和特点(续) 集线器(Hub)是对网络进行集中管理的最小单元,像树的主干一样,它是各分枝的汇集点。 Hub是一个共享设备,工作中当一个端口接收到数据信号时,由于信号在从源端口到Hub的传输过程中已有了衰减,所以Hub便将该信号进行整形放大,使被衰减的信号再生(恢复)到发送时的状态, 紧接着转发到Hub上其他所有处于工作状态的端口上。 用集线器组成更大的局域网 都在一个碰撞域中 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。 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 在数据链路层扩展局域网 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 1. 网桥的内部结构 网桥依靠转发表来转发帧 使用网桥带来的好处 1、过滤通信量。 网桥工作在数据链路层,使用MAC地址转发数据,不同网段上的通信互不干扰。 A和B通信时,C和D以及E和F都可以同时通信。只是A和其它网段上的C通信时,需要网桥B1转发。 使用网桥带来的好处 2、扩大了物理范围。 增加以太网上工作站的数目。 3、提高了可靠性。 当网络出现故障时,一般只影响个别网段 4、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。 网桥使各网段成为 隔离开的碰撞域 使用网桥带来的缺点 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。 网桥和集线器(或转发器)不同 集线器在转发帧时,不对传输媒体进行检测。 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。 2. 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。 网桥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。 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。 转发表的建立过程举例 网桥在转发表中 登记以下三个信息 在网桥的转发表中写入的信息除了地址和接口外,还有帧进入该网桥的时间。 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。 网桥的自学习和转发帧 的步骤归纳 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。 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)进行转发(泛洪)。 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,过滤)。 透明网桥使用了生成树算法 这是为了避免产生转发的帧在网络中不断地兜圈子。 生成树的得出 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。 3. 源路由网桥 透明网桥容易安装,但网络资源的利用不充分。 源路由(source route)网桥在发送帧时将详细的路由信息放在帧的首部中。 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。 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。 4. 多接口网桥——以太网交换机 1990 年问世的交换式集线器(switching hub),可明显地提高局域网的性能。 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)。 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。 以太网交换机的特点 以太网交换机的每个接口都直接与主机相连(网桥的接口往往连接一个网段),并且一般都工作在全双工方式。 交换机能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。 以太网交换机由于使用了专用的交换结构芯片,其交换速率就较高。 以太网交换机的特点 和网桥一样交换机的工作也包括有:学习、过滤、转发等几个过程。 在地址学习以及数据转发和数据过滤上,交换机和网桥的功能是类似的。只不过在数据的转发方式上有多种形式。 交换机数据转发方式主要支持2种工作方式:存储转发、直通式。 1.存储转发方式 当交换机运行存储转发模式时,在转发数据帧之前必须接收整个帧,如图5-9所示。交换机接收到完整的数据帧以后,检查其源地址和目标地址,并对整个帧进行CRC(循环冗余校验)。如果交换机没有发现错误,它将继续转发这个帧;如果交换机发现数据帧中存在错误,它将丢弃这个帧。 2.直通转发方式 直通转发方式(也称为直通式)允许交换机在检查到数据帧中的目标地址时就开始转发数据帧。所以直通式的延迟很小。 缺点是不做差错检测,可能会把无效的帧发送出去。 独占传输媒体的带宽 对于普通 10 Mb/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(10 Mb/s)的 N 分之一。 使用以太网交换机时,虽然在每个接口到主机的带宽还是 10 Mb/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 N?10 Mb/s。这正是交换机的最大优点。 用以太网交换机扩展局域网 关于广播域和虚拟局域网 一个局域网是一个广播域。一个广播帧可以到达局域网内的每一个主机。 随着集线器、交换机的级联,局域网的范围在不断扩大,广播域也在不断扩大,随之而来的问题就是“广播风暴”。 在局域网中的设备为什么要发送广播帧?出现了什么情况迫使它需要发送广播? 广播帧在网络中是必不可少的,如客户机通过DHCP自动获得IP地址的过程就是通过广播帧来实现的 关于广播域和虚拟局域网(续) 当网络长时间被大量的广播数据包所占用,使正常的点对点通信无法正常进行,其外在表现为网络速度奇慢无比。出现广播风暴(每秒的广播帧数在1000以上)的原因有很多,一块故障网卡就可能长时间地在网络上发送广播包而导致广播风暴。 隔离广播域可降低广播风暴的问题。 使用路由器可以隔离广播域。路由器收到广播帧时并不处理它,使它无法再传递到其他子网中,从而达到隔离广播风暴的目的。 关于广播域和虚拟局域网(续) 使用路由器可以隔离广播域时,路由器的一个网络接口对应一个广播域。 但路由器所能划分广播域的个数取决于路由器网络接口的数量,而路由器网络接口的数量通常有限,不能满足用户自由分隔广播域的需求。 与路由器相比,交换机上有许多端口,使用交换机来划分广播域的设想便产生了,于是便出现了虚拟网络技术。 利用以太网交换机可以很方便地 实现虚拟局域网 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。 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。 虚拟局域网是为解决以太网的广播风暴问题和安全性而提出的一种技术。 以太网交换机不向虚拟局域网以外的工作站传送广播信息。 虚拟局域网使用的 以太网帧格式 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。 虚拟局域网标准和帧格式 VLAN刚刚出现时,各大厂家都有自己的标准,比如Cisco公司的ISL标准,3COM公司的VLT标准。 不同厂商的设备不能互联在一个VLAN中。 虚拟局域网标准和帧格式 1996年3月, IEEE 802委员会完成了VLAN初期标准的制定,进一步完善了VLAN的体系结构,统一了不同厂商的帧标签格式,形成了802.1Q标准并在业界获得广泛的推广。 802.1Q标准的推出是VLAN史上的一个里程碑,打破了虚拟局域网依赖于单一厂商的局面,推动了VLAN的迅速发展 3.6 高速以太网 3.6.1 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 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 ?s 改为现在的 0.96 ?s。 三种不同的物理层标准 100BASE-TX 使用 2 对 UTP 5 类线或屏蔽双绞线BASE-FX 使用 2 对光纤。 100BASE-T4 使用 4 对 UTP 3 类线 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。 吉比特以太网的物理层 1000BASE-X 基于光纤通道的物理层: 1000BASE-SX SX表示短波长 1000BASE-LX LX表示长波长 1000BASE-CX CX表示铜线 类线 UTP 全双工方式 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。 吉比特以太网的配置举例 3.6.3 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。 吉比特以太网的物理层 局域网物理层 LAN PHY。局域网物理层的数据率是 10.000 Gb/s。 可选的广域网物理层 WAN PHY。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 9.95328 Gb/s。 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。 以太网从 10 Mb/s 到 10 Gb/s 的演进 以太网从 10 Mb/s 到 10 Gb/s 的演进证明了以太网是: 可扩展的(从 10 Mb/s 到 10 Gb/s)。 灵活的(多种传输媒体、全/半双工、共享/交换)。 易于安装。 稳健性好。 3.6.4 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。 以太网接入举例:光纤到大楼 FTTB 二进制模 2 运算算法:加法不进位,减法不借位。0+0=0,0+1=1,1+0=1,1+1=0 ; 0-0=0,0-1=1,1-0=1,1-1=0 SONET/SDH:同步光纤网和同步数字系列. SDH(Synchronous Digital Hierarchy,同步数字体系)是一种将复接、线路传输及交换功能融为一体、并由统一网管系统操作的综合信息传送网络,是美国贝尔通信技术研究所提出来的同步光网络(SONET)。国际电话电报咨询委员会(CCITT)(现ITU-T)于1988年接受了SONET 概念并重新命名为SDH,使其成为不仅适用于光纤也适用于微波和卫星传输的通用技术体制。 当站点A要向站点C发送数据,站点D要向站点B发送数据,在交换机内部建立并发连接。(见备注) 一系 三系 二系 10BASE-T 至因特网 100 Mb/s 100 Mb/s 100 Mb/s 万维网 服务器 电子邮件 服务器 以太网 交换机 路由器 以太网交换机一般都有多种网速的接口,方便各种不同情况的用户。 以太网 交换机 A4 B1 以太网 交换机 VLAN3 C3 B3 VLAN1 VLAN2 C1 A2 A1 A3 C2 B2 以太网 交换机 以太网 交换机 三个虚拟局域网: VLAN1, VLAN2 和 VLAN3 以太网 交换机 A4 B1 以太网 交换机 VLAN3 C3 B3 VLAN1 VLAN2 C1 A2 A1 A3 C2 B2 以太网 交换机 以太网 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。 以太网 交换机 A4 B1 以太网 交换机 VLAN3 C3 B3 VLAN1 VLAN2 C1 A2 A1 A3 C2 B2 以太网 交换机 以太网 交换机 三个虚拟局域网 VLAN1, VLAN2 和 VLAN3 的构成 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。 以太网 交换机 A4 B1 以太网 交换机 VLAN3 C3 B3 VLAN1 VLAN2 C1 A2 A1 A3 C2 B2 以太网 交换机 以太网 交换机 三个虚拟局域网 VLAN1, VLAN2 和 VLAN3 的构成 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。 802.3 MAC 帧 字节 6 6 2 46 ~ 1500 4 MAC 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 1 Gb/s 链路 吉比特 交换 集线器 百兆比特或吉比特集线 Mb/s 链路 中央服务器 100 M 10 M 10 M 100 M 吉比特以太网 光结点汇接点 1 Gb/s 1 Gb/s 高速汇接点 GigaPoP 以太网 集线器 光纤 光纤 调制解调器 光纤 调制解调器 三个独立的碰撞域 一系 二系 三系 碰撞域 碰撞域 碰撞域 一系 三系 二系 主干集线器 一个更大的碰撞域 碰撞域 使用主干集线器互连后,三个碰撞域变成了一个碰撞域。 站表 接口管理 软件 网桥协议 实体 缓存 接口 1 接口 2 ① ② ③ 网段 B 网段 A 1 1 1 2 ① ③ ⑤ 2 ② ④ ⑥ 2 站地址 接口 网桥 网桥 ④ ⑤ ⑥ 接口 1 接口 2 1 2 两个以太网通过网桥连接后,就成为覆盖范围更大的以太网。 站表 接口管理 软件 网桥协议 实体 缓存 接口 1 接口 2 ① ② ③ 网段 B 网段 A 1 1 1 2 ① ③ ⑤ 2 ② ④ ⑥ 2 站地址 接口 网桥 网桥 ④ ⑤ ⑥ 接口 1 接口 2 1 2 若网桥从接口1收到主机①发给主机⑤的帧,经查转发表后,把帧送到接口2转发到另一个网段 若网桥从接口1收到主机①发给主机②的帧,经查转发表后,主机①和主机②同处一个网段,主机②能够直接收到这个,不需要借助网桥的转发,故丢弃该帧。 B2 B1 碰撞域 碰撞域 碰撞域 A B C D E F B2 B1 碰撞域 碰撞域 碰撞域 A B C D E F 用户层 IP MAC 站 1 用户层 IP MAC 站 2 物理层 网桥 1 网桥 2 A B ? ? ? ? ? ? ? ? ? 用户数据 IP-H MAC-H MAC-T PPP-H PPP-T ? ? ? ? ? ? ? ? ? 物理层 DL R MAC 物理层 物理层 DL R MAC 物理层 物理层 LAN LAN 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 地址 接口 B2 B1 A B C D E F 1 2 1 2 地址 接口 … … … … B 1 B → A A → B A 1 F → C F 2 A → B A 1 F → C F 2 局域网 2 局域网 1 网桥 2 网桥 1 A F 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 数据帧 干扰信号 ? TJ A B TB t ? B 发送数据 A 检测 到冲突 开始冲突 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。 集线器 两对双绞线 插头 集 线 器 网卡 工作站 网卡 工作站 网卡 工作站 双绞线 发 送 成 功 争用期 争用期 争用期 τ 2 τ 2 τ 2 T0 τ t 占用期 发生碰撞 发送一帧所需的平均时间 … (3-2) 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。 (3-3) 以太网 MAC 帧 物理层 MAC层 010 01011 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 FCS 6 6 2 4 字节 46 ~ 1500 IP 数据报 MAC 帧 以太网的 MAC 帧格式 MAC 帧 物理层 MAC 层 IP 层 目的地址 源地址 类型 数 据 FCS 6 6 2 4 字节 46 ~ 1500 IP 数据报 目的地址字段 6 字节 MAC 帧 物理层 MAC 层 IP 层 目的地址 源地址 类型 数 据 FCS 6 6 2 4 字节 46 ~ 1500 IP 数据报 源地址字段 6 字节 MAC 帧 物理层 MAC 层 IP 层 目的地址 源地址 类型 数 据 FCS 6 6 2 4 字节 46 ~ 1500 IP 数据报 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。 MAC 帧 物理层 MAC 层 IP 层 目的地址 源地址 类型 数 据 FCS 6 6 2 4 字节 46 ~ 1500 IP 数据报 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 MAC 帧 物理层 MAC 层 IP 层 目的地址 源地址 类型 数 据 FCS 6 6 2 4 字节 46 ~ 1500 IP 数据报 FCS 字段 4 字节 当传输媒体的误码率为 1?10?8 时, MAC 子层可使未检测到的差错小于 1?10?14。 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。 MAC 帧 物理层 MAC 层 IP 层 目的地址 源地址 类型 数 据 FCS 6 6 2 4 字节 46 ~ 1500 IP 数据报 010 01011 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 IEEE 802系列标准间的关系 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 高层 LLC子层 MAC子层 物理层 OSI参考模型 IEEE 802参考模型 局域网 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 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 基带数字信号 曼彻斯特编码 码元 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 出现电平转换 二进制基带信号是高低交错信号,当出现连续的1或连续0时,接收端无法从收到的信号中提取同步信号。曼彻斯特编码把一个码元分成两个相等的间隔。 可以通过判断总线电平是否发生跳变来确定总线 km A B t 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 电磁波在1Km电缆的传播时延约为5μs。因此A向B发出数据,在约5μs以后才能传送到B 1 km A B t 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 = ? A B A B A B t = 0 A 检测到 信道空闲 发送数据 A B t = 0 t = ? B 检测到发生碰撞 停止发送 STOP t = 2? ? ? A 检测到 发生碰撞 STOP A B 单程端到端 传播时延记为? 1 km A B t 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? 发送数据的站总是希望尽早知道是否发生了碰撞。 如A发送数据后,最迟要经过多长时间才能知道自己发送的数据和其他站发送的数据有没有发生碰撞? 从图上看,这个时间最多是两倍的总线 km A B t 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? 由于局域网上任意两个站之间的传播时延有长有短,按最坏的情况设计,取总线两端的两个站之间的传播时延(两个站之间的距离最大)为争用期。 PAP协议 PAP协议非常简单,用户向系统发送用户名和口令,系统验证用户名和口令,如果正确就接受连接,否则就拒绝连接。 PAP包类型和编码 编码 PAP包类型 含义 0116 Authenticate-request 请求认证,发送用户名和口令 0216 Authenticate-ack 认证通过,允许访问 0316 Authenticate-nak 认证未通过,禁止访问 网络控制协议 用户认证通过后,PPP使用网络控制协议(NCP)来建立两端网络层的连接,协商网络层的选项和传递网络层数据。 NCP不是一个协议,而是一组协议,包括IPCP、IP、IPX等。 LCP协商成功将进入NCP的协商阶段,在这个阶段将进行网络层协议的协商,每一种网络层协议(如IP、IPX或AppleTalk)需要单独建立和配置一个NCP,如果任一的NCP协商不成功将随时关闭该NCP。NCP协商通后将可以进行网络报文的通信。如果不成功将关闭链路并进入链路终止状态。 IPCP协议 互联网协议控制协议(Internet Protocol Control Protocol,IPCP)主要用来协商网络层选项,设置用户的IP地址。 IPCP报文在PPP帧中封装 IPCP包格式类型 编码 IPCP包类型 0116 Configure-request 0216 Configure-ack 0316 Configure-nak 0416 Configure-reject 0516 Terminate-request 0616 Terminate-ack 编码字段有7个值,分别定义7种IPCP包: IP 数据报 1 2 1 1 字节 1 2 不超过 1500 字节 PPP 帧 先发送 7E FF 03 F A C FCS F 7E 协议 信 息 部 分 首部 尾部 0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 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 建立连接,用户发出PPP帧,帧中封装LCP请求包 建立连接后,进入用户认证阶段,用户向ISP发出PAP协议Authenticate-request,的认证,通过, ISP回应Authenticate-ack 进入网络配置阶段,用的协议是IPCP,协商网络层的参数。 匹配电阻 集线器 干线耦合器 总线网 星形网 树形网 环形网 有备注 当站点要发送数据时,它必须先获得令牌,然后在令牌中加入控制信息和数据信息以及目标站点的地址,该数据帧沿环被网上站点依次验证并继续传递,直至到达目的站点。 令牌总线型网络物理上看像一个总线型网络,但它是一个逻辑环的结构。网络上每一个站点都有自己的前行站点和后继站点,数据只能先从先行站点传到本站点,再从本站点传到后继站点。 有备注 110101 ← 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 PPP协议与协议栈的对应关系 物理层 数据链路层 网络层 传输层 会话层 表示层 应用层 PPP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 路由

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