802.3以太網(wǎng)學(xué)習(xí)(三)

1、802.3以太網(wǎng)一、一、 以太網(wǎng)的來(lái)源以太網(wǎng)的來(lái)源為了使數(shù)據(jù)鏈路層能更好地適應(yīng)多種局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，802 委員會(huì)就將局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層拆成兩個(gè)子層：邏輯鏈路控制 LLC (Logical Link Control)子層介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制 MAC (Medium Access Control)子層。與接入到傳輸媒體有關(guān)的內(nèi)容都放在 MAC子層，而 LLC 子層則與傳輸媒體無(wú)關(guān)，不管采用何種協(xié)議的局域網(wǎng)對(duì) LLC 子層來(lái)說(shuō)都是透明的。由于TCP/IP 體系經(jīng)常使用的局域網(wǎng)是 DIX Ethernet V2 而不是 802.3 標(biāo)準(zhǔn)中的幾種局域網(wǎng)，因此 802 委員會(huì)制定的邏輯鏈路控制子層 LLC（即 802

2、.2 標(biāo)準(zhǔn)）的作用已經(jīng)不大了。二、以太網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu)下面主要介紹了四種不同格式的以太網(wǎng)幀格式。 在每種格式的以太網(wǎng)幀的開(kāi)始處都有64比特（8字節(jié)）的前導(dǎo)字符，如圖1所示。其中，前7個(gè)字節(jié)稱(chēng)為前同步碼前同步碼（Preamble），內(nèi)容是16進(jìn)制數(shù)0 xAA，最后1字節(jié)為幀起始幀起始標(biāo)志符標(biāo)志符0 xAB，它標(biāo)識(shí)著以太網(wǎng)幀的開(kāi)始。前導(dǎo)字符的作用是使接收節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步并做好接收數(shù)據(jù)幀的準(zhǔn)備。 除此之外，不同格式的以太網(wǎng)幀的各字段定義都不相同，彼此也不兼容。下面分別介紹下各自的幀格式。Ethernet II即DIX 2.0：Xerox與DEC、Intel在1982年制定的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)幀格式，Ethernet

3、802.3 rawNovell在1983年公布的專(zhuān)用以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)幀格式，Ethernet 802.3 SAPIEEE在1985年公布的Ethernet 802.3的SAP（服務(wù)訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)，即邏輯接口）版本以太網(wǎng)幀格式，Ethernet 802.3 SNAPIEEE在1985年公布的Ethernet 802.3的SNAP版本以太網(wǎng)幀格式，三、以太網(wǎng)的傳輸介質(zhì)以太網(wǎng)可以采用多種連接介質(zhì)，包括同軸纜、雙絞線(xiàn)和光纖等。其中雙絞線(xiàn)多用于從主機(jī)到集線(xiàn)器或交換機(jī)的連接，而光纖則主要用于交換機(jī)間的級(jí)聯(lián)和交換機(jī)到路由器間的點(diǎn)到點(diǎn)鏈路上。同軸纜作為早期的主要連接介質(zhì)已經(jīng)逐漸趨于淘汰。 注意區(qū)分雙絞線(xiàn)中的直通線(xiàn)和交叉線(xiàn)兩

4、種連線(xiàn)方法. 直通電纜：電纜兩端線(xiàn)序完全一致 交叉電纜：兩端線(xiàn)序相反 以下連接應(yīng)使用直通電纜： 交換機(jī)到路由器以太網(wǎng)端口 計(jì)算機(jī)到交換機(jī) 計(jì)算機(jī)到集線(xiàn)器 交叉電纜用于直接連接 LAN 中的下列設(shè)備： 交換機(jī)到交換機(jī) 交換機(jī)到集線(xiàn)器 集線(xiàn)器到集線(xiàn)器 路由器到路由器的以太網(wǎng)端口連接 計(jì)算機(jī)到計(jì)算機(jī) 計(jì)算機(jī)到路由器的以太網(wǎng)端口 注：雙絞線(xiàn)的規(guī)范有兩種，即EIA/TIA 568A和EIA/TIA 568B四、以太網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 總線(xiàn)型：所需的電纜較少、價(jià)格便宜、管理成本高，不易隔離故障點(diǎn)、采用共享的訪(fǎng)問(wèn)機(jī)制，易造成網(wǎng)絡(luò)擁塞。早期以太網(wǎng)多使用總線(xiàn)型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用同軸纜作為傳輸介質(zhì)，連接簡(jiǎn)單，通常在小規(guī)模

5、的網(wǎng)絡(luò)中不需要專(zhuān)用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，但由于它存在的固有缺陷，已經(jīng)逐漸被以集線(xiàn)器和交換機(jī)為核心的星型網(wǎng)絡(luò)所代替。 星型：管理方便、容易擴(kuò)展、需要專(zhuān)用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)的核心節(jié)點(diǎn)、需要更多的網(wǎng)線(xiàn)、對(duì)核心設(shè)備的可靠性要求高。采用專(zhuān)用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（如集線(xiàn)器或交換機(jī)）作為核心節(jié)點(diǎn)，通過(guò)雙絞線(xiàn)將局域網(wǎng)中的各臺(tái)主機(jī)連接到核心節(jié)點(diǎn)上，這就形成了星型結(jié)構(gòu)。星型網(wǎng)絡(luò)雖然需要的線(xiàn)纜比總線(xiàn)型多，但布線(xiàn)和連接器比總線(xiàn)型的要便宜。此外，星型拓?fù)淇梢酝ㄟ^(guò)級(jí)聯(lián)的方式很方便的將網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到很大的規(guī)模，因此得到了廣泛的應(yīng)用，被絕大部分的以太網(wǎng)所采用。五、以太網(wǎng)分類(lèi) 共享式以太網(wǎng)共享式以太網(wǎng) 共享式以太網(wǎng)的典型代表是使用10Base2/10

6、Base5的總線(xiàn)型網(wǎng)絡(luò)和以集線(xiàn)器為核心的星型網(wǎng)絡(luò)。在使用集線(xiàn)器的以太網(wǎng)中，集線(xiàn)器將很多以太網(wǎng)設(shè)備集中到一臺(tái)中心設(shè)備上，這些設(shè)備都連接到集線(xiàn)器中的同一物理總線(xiàn)結(jié)構(gòu)中。 集線(xiàn)器的工作原理： 集線(xiàn)器并不處理或檢查其上的通信量，僅通過(guò)將一個(gè)端口接收的信號(hào)重復(fù)分發(fā)給其他端口來(lái)擴(kuò)展物理介質(zhì)。所有連接到集線(xiàn)器的設(shè)備共享同一介質(zhì)，其結(jié)果是它們也共享同一沖突域、廣播和帶寬。因此集線(xiàn)器和它所連接的設(shè)備組成了一個(gè)單一的沖突域。如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)出一個(gè)廣播信息，集線(xiàn)器會(huì)將這個(gè)廣播傳播給所有同它相連 的節(jié)點(diǎn)，因此它也是一個(gè)單一的廣播域。 交換式以太網(wǎng)交換式以太網(wǎng) 交換式結(jié)構(gòu)： 在交換式以太網(wǎng)中，交換機(jī)根據(jù)收到的數(shù)據(jù)幀中的M

7、AC地址決定數(shù)據(jù)幀應(yīng)發(fā)向交換機(jī)的哪個(gè)端口。因?yàn)槎丝陂g的幀傳輸彼此屏蔽，因此節(jié)點(diǎn)就不擔(dān)心自己發(fā)送的幀在通過(guò)交換機(jī)時(shí)是否會(huì)與其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的幀產(chǎn)生沖突。 為什么要用交換式網(wǎng)絡(luò)替代共享式網(wǎng)絡(luò)： 減少?zèng)_突：交換機(jī)將沖突隔絕在每一個(gè)端口（每個(gè)端口都是一個(gè)沖突域），避免了沖突的擴(kuò)散。 提升帶寬：接入交換機(jī)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以使用全部的帶寬，而不是各個(gè)節(jié)點(diǎn)共享帶寬。六、共享式以太網(wǎng) 在傳統(tǒng)的共享以太網(wǎng)中，所有的節(jié)點(diǎn)共享傳輸介質(zhì)。如何保證傳輸介質(zhì)有序、高效地為許多節(jié)點(diǎn)提供傳輸服務(wù)，就是以太網(wǎng)的介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制協(xié)議要解決的問(wèn)題。 介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制協(xié)議 作用，有效的分配傳輸介質(zhì)的使用權(quán)。 在哪里控制：集中式和分布式。 怎樣控制

8、：1）集中式控制中有一個(gè)鍵空戰(zhàn)專(zhuān)門(mén)實(shí)施介質(zhì)的訪(fǎng)問(wèn)控制功能，任何工作站必須得到監(jiān)控站的允許擦能向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)；2）分布式控制方案中，所有工作站共同完成介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制功能。其中分布式有同步式和異步式，同步式是各個(gè)連接分配固定的帶寬，異步式是按需分配帶寬。異步分配方法可劃分為循環(huán)，預(yù)約和競(jìng)爭(zhēng)。 對(duì)于總線(xiàn)型、星型和樹(shù)型拓?fù)渥钸m合的介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制協(xié)議是CSMA/CDCSMA/CD CSMA/CD是Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection 的縮寫(xiě)，可譯為“載波偵聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)/沖突檢測(cè)” 1）載波偵聽(tīng)（carrier sense），意思是網(wǎng)絡(luò)上各

9、個(gè)工作站在發(fā)送數(shù)據(jù)前都要偵聽(tīng)總線(xiàn)上有沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸。若有數(shù)據(jù)傳輸 （稱(chēng)總線(xiàn)為忙），則不發(fā)送數(shù)據(jù)；若無(wú)數(shù)據(jù)傳輸（稱(chēng)總線(xiàn)為空），立即發(fā)送準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)。 2）多路訪(fǎng)問(wèn)（multiple access)意思是網(wǎng)絡(luò)上所有工作站收發(fā)數(shù)據(jù)共同使用同一條總線(xiàn)，且發(fā)送數(shù)據(jù)是廣播式的。 3）沖突（collision），意思是，若網(wǎng)上有兩個(gè)或兩個(gè)以上工作站同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，在總線(xiàn)上就會(huì)產(chǎn)生信號(hào)的混合，兩個(gè)工作站都辨別不出真正的數(shù)據(jù)是什么。這種情況稱(chēng)數(shù)據(jù)沖突又稱(chēng)碰撞。 4）沖突檢測(cè)（collision detected），為了減少?zèng)_突發(fā)生后的影響。工作站在發(fā)送數(shù)據(jù)過(guò)程中還要不停地檢測(cè)自己發(fā)送的數(shù)據(jù)，有沒(méi)有在傳輸過(guò)程中與其它

10、工作站的數(shù)據(jù)發(fā)生沖突CSMA/CD協(xié)議 CSMA/CD的原理為：先聽(tīng)后發(fā)，邊發(fā)邊聽(tīng)，沖突停發(fā)，隨機(jī)延遲后重發(fā)監(jiān)聽(tīng)算法當(dāng)一個(gè)站準(zhǔn)備好幀，發(fā)送之前先監(jiān)聽(tīng)信道，有以下三種監(jiān)聽(tīng)算法：1）非堅(jiān)持型監(jiān)聽(tīng)算法1、若信道空閑，立即發(fā)送，否則轉(zhuǎn)22、若信道忙，則后退一個(gè)隨機(jī)時(shí)間，重復(fù)12）1-堅(jiān)持型監(jiān)聽(tīng)算法1、若信道空閑，立即發(fā)送，否則轉(zhuǎn)22、若信道忙，繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)，直到信道空閑后立即發(fā)送3）P-堅(jiān)持型監(jiān)聽(tīng)算法1、若信道空閑，以概率P發(fā)送，以概率（1-P）延遲一個(gè)時(shí)間單位。一個(gè)時(shí)間單位等于網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)2、若信道忙，繼續(xù)監(jiān)聽(tīng)直到信道空閑，轉(zhuǎn)13、如果發(fā)送延遲一個(gè)時(shí)間單位，則重復(fù)1沖突檢測(cè) 載波監(jiān)聽(tīng)只能減小沖突的概率，

11、不能完全避免沖突。為了減少?zèng)_突產(chǎn)生的寬帶浪費(fèi)，發(fā)送站應(yīng)采取邊發(fā)邊聽(tīng)的沖突檢測(cè)方法 1、發(fā)送幀的同時(shí)接收： 1）發(fā)送期間同時(shí)接收，并把接收的數(shù)據(jù)與站中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較 2）若比較結(jié)果一致，說(shuō)明沒(méi)有沖突，重復(fù)1 3）若比較結(jié)果不一致，說(shuō)明發(fā)生沖突，立即停止發(fā)送，并發(fā)送一個(gè)簡(jiǎn)短的干擾信號(hào)（jamming），使所有站都停止發(fā)送 4）發(fā)送jamming信號(hào)后，等待一段隨機(jī)長(zhǎng)的時(shí)間，重新監(jiān)聽(tīng)，再試著發(fā)送。 沖突窗口：網(wǎng)絡(luò)傳播延遲的兩倍最小幀長(zhǎng)min2/LRd v2、比較接收到的信號(hào)的電壓大小。只要接收到的信號(hào)的電壓擺動(dòng)值超過(guò)某一門(mén)限值，就可以認(rèn)為發(fā)生了沖突二進(jìn)制退避算法 具體步驟如下： 1）確定基本退避

12、時(shí)間（基數(shù)），一般定為2，也就是一個(gè)爭(zhēng)用期時(shí)間，對(duì)于以太網(wǎng)就是51.2s。 2）定義一個(gè)參數(shù)K，為重傳次數(shù)，Kmin重傳次數(shù)，10，可見(jiàn)K10。 3）從離散型整數(shù)集合0，1，2，(2k1)中，隨機(jī)取出一個(gè)數(shù)記做R。那么重傳所需要的退避時(shí)間為R倍的基本退避時(shí)間：即：TR2。 4）當(dāng)重傳16次不成功，就丟棄該幀，傳輸失敗，報(bào)告給高層協(xié)議。 如：第一次重傳K1，R0，1；T0，2t。T在二者中隨機(jī)選擇。 那么第二次重傳K2，R0，1，2，3；T0，2t，4t，6t。 如此可見(jiàn)，重傳數(shù)次越多，則退避的時(shí)間就越長(zhǎng)，稱(chēng)為動(dòng)態(tài)退避。七、交換式以太網(wǎng) 交換式以太網(wǎng)是以交換式集線(xiàn)器（switching hub）

13、或交換機(jī)（switch）為中心構(gòu)成，是一種星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)。交換機(jī)原理 1）交換機(jī)根據(jù)收到數(shù)據(jù)幀中的源MAC地址建立該地址同交換機(jī)端口的映射，并將其寫(xiě)入MAC地址表中。 2）交換機(jī)將數(shù)據(jù)幀中的目的MAC地址同已建立的MAC地址表進(jìn)行比較，以決定由哪個(gè)端口進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。 3）如數(shù)據(jù)幀中的目的MAC地址不在MAC地址表中，則向所有端口轉(zhuǎn)發(fā)。這一過(guò)程稱(chēng)之為泛洪（flood）。 4）廣播幀和組播幀向所有的端口轉(zhuǎn)發(fā)。 交換機(jī)的三個(gè)主要功能： 學(xué)習(xí)：以太網(wǎng)交換機(jī)了解每一端口相連設(shè)備的MAC地址，并將地址同相應(yīng)的端口映射起來(lái)存放在交換機(jī)緩存中的MAC地址表中。 轉(zhuǎn)發(fā)/過(guò)濾：當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)幀的目的地址在MAC地址表

14、中有映射時(shí)，它被轉(zhuǎn)發(fā)到連接目的節(jié)點(diǎn)的端口而不是所有端口（如該數(shù)據(jù)幀為廣播/組播幀則轉(zhuǎn)發(fā)至所有端口）。 消除回路：當(dāng)交換機(jī)包括一個(gè)冗余回路時(shí)，以太網(wǎng)交換機(jī)通過(guò)生成樹(shù)協(xié)議避免回路的產(chǎn)生，同時(shí)允許存在后備路徑。交換機(jī)的學(xué)習(xí)： 交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)方式 1）. 直通轉(zhuǎn)發(fā)（cut-through switching ） 2） 存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)（Store-and-Forward switching） 3.） 碎片隔離式轉(zhuǎn)發(fā)（segment-free switching）七、高速以太網(wǎng) 1、快速以太網(wǎng) 100Mbps的快速以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.3u2、千兆以太網(wǎng)千兆以太網(wǎng)傳輸速度更快，作為主干網(wǎng)提供無(wú)阻塞的數(shù)據(jù)傳輸服

15、務(wù)。標(biāo)準(zhǔn)是IEEE802.3z和IEEE802.3ab3、萬(wàn)兆以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)是IEEE802.3ae與千兆以太網(wǎng)一樣，萬(wàn)兆以太網(wǎng)基本應(yīng)用于點(diǎn)到點(diǎn)線(xiàn)路，不在共享寬帶，沒(méi)有沖突檢測(cè)，載波監(jiān)聽(tīng)和多路訪(fǎng)問(wèn)技術(shù)也不再重要八、虛擬局域網(wǎng) 虛擬局域網(wǎng)（VLAN）是一組邏輯上的設(shè)備和用戶(hù)，這些設(shè)備和用戶(hù)并不受物理位置的限制，可以根據(jù)功能、部門(mén)及應(yīng)用等因素將它們組織起來(lái)，相互之間的通信就好像它們?cè)谕粋€(gè)網(wǎng)段中一樣 把物理網(wǎng)絡(luò)化分為VLAN的好處如下： 1）控制網(wǎng)絡(luò)流量 2）提高網(wǎng)絡(luò)安全性 3）靈活的網(wǎng)絡(luò)管理 VLAN的幀格式 現(xiàn)在使用最廣泛的VLAN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)是 IEEE 802.1Q，許多廠(chǎng)家的交換機(jī)/路由器產(chǎn)品都

16、支持IEEE 802.1Q標(biāo)準(zhǔn)。Type：長(zhǎng)度為2 bytes，表示幀類(lèi)型，802.1Q tag幀中Type字段取固定值0 x8100，如果不支持802.1Q的設(shè)備收到802.1Q幀，則將其丟棄。PRI：priority字段，長(zhǎng)度為3 bit，表示 以太網(wǎng)幀的優(yōu)先級(jí)，取值范圍是07，數(shù)值越大，優(yōu)先級(jí)越高。當(dāng)交換機(jī)/路由器發(fā)生傳輸擁塞時(shí)，優(yōu)先發(fā)送優(yōu)先級(jí)高的數(shù)據(jù)幀。CFI：Canonical Format Indicator規(guī)范格式指示，長(zhǎng)度為1bit，表示MAC地址是否是經(jīng)典格式。CFI為0說(shuō)明是經(jīng)典格式，CFI為1表示為非經(jīng)典格式。該字段用于區(qū)分以太網(wǎng)幀、FDDI幀和令牌環(huán)網(wǎng)幀，在以太網(wǎng)幀中，

17、CFI取值為0。VID：VLAN ID，長(zhǎng)度為12 bit，取值范圍是04095，其中0和4095是保留值，不能給用戶(hù)使用。 VLAN虛擬局域網(wǎng)分類(lèi): 1）靜態(tài)VLAN： 基于端口的VLAN 2）動(dòng)態(tài)VLAN： 基于MAC地址的VLAN 基于路由的VLAN 基于策略的VLAN 以上劃分VLAN的方式中，基于端口的VLAN方式建立在物理層上；MAC方式建立在數(shù)據(jù)鏈路層上；基于路由的VLAN方式建立在第三層上。 VLAN的工作模式： Access模式的交換端口往往只能屬于1個(gè)VLAN，通常用于連接普通計(jì)算機(jī)的端口； Trunk模式的交換端口可以屬于多個(gè)VLAN，能夠發(fā)送和接收多個(gè)VLAN的數(shù)據(jù)報(bào)文

18、，通常使用在交換機(jī)之間的級(jí)聯(lián)端口上； multi模式的交換端口可以屬于多個(gè)VLAN，能夠發(fā)送和接受多個(gè)VLAN的數(shù)據(jù)報(bào)文，可以用于交換機(jī)之間的連接，也可以用于連接普通計(jì)算機(jī)的端口。 multi端口和trunk端口的不同之處在于multi毒啊口可以語(yǔ)序多個(gè)VLAN的報(bào)文不打標(biāo)簽，而trunk端口只允許默認(rèn)VLAN的報(bào)文不打標(biāo)簽。 VLAN的配置方式： 1）在全局模式下創(chuàng)建VLAN 2）在VTP域配置模式下創(chuàng)建VLANVTP VTP（VLAN Trunking Protocol）：是VLAN中繼協(xié)議，也被稱(chēng)為虛擬局域網(wǎng)干道協(xié)議。它是一個(gè)OSI參考模型第二層的通信協(xié)議，主要用于管理在同一個(gè)域的網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)VLANs的建立、刪除和重命名。然后同步到其他所有交換機(jī)上，從而在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上維持VLAN配置的一致性。