計算機網絡課件講義

3.1數據鏈路層的基本概念1.幀同步FarmeSynchronization2.鏈路管理DataLinkManagement3.差錯控制Errorcontrol4.流量控制FlowControl5.透明傳輸Transparenttransmission6.識別數據和控制信息

7.尋址Addressing數據鏈路層的簡單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(fā)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(續(xù)）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(fā)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3.1.1數據鏈路和幀

鏈路(link)是一條無源的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(xié)議來控制這些數據的傳輸。若把實現這些協(xié)議的硬件和軟件加到鏈路上，就構成了數據鏈路。現在最常用的方法是使用適配器（即網卡）來實現這些協(xié)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。

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物理層數據鏈路層結點A結點B幀(a)(b)發(fā)送幀接收鏈路IP數據報1010……0110幀裝入數據鏈路層傳送的是幀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。早期的數據通信協(xié)議曾叫作通信規(guī)程(procedure)。因此在數據鏈路層，規(guī)程和協(xié)議是同義語。結點結點幀幀數據鏈路層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(xié)議來協(xié)調這些主機的數據發(fā)3．2數據鏈路控制規(guī)程

根據幀控制的格式，可以分為面向字符型面向比特型面向字符型的鏈路控制規(guī)程在這類規(guī)程中，用字符編碼集中的幾個特定字符來控制鏈路的操作，監(jiān)視鏈路的工作狀態(tài)，例如，采用國際5號碼中的SOH、STX作為幀的開始，ETX、ETB作為的結束，ENQ、EOT、ACK、NAK等字符控制鏈路操作。面向字符型規(guī)程有一個很大的缺點，就是它與所用的字符集有密切的關系，使用不同字符集的兩個站之間，很難使用該規(guī)程進行通信。面向字符型規(guī)程主要適用于中低速異步或同步傳輸，很適合于通過電話網的數據通信。面向比特型的鏈路控制規(guī)程在這類規(guī)程中，采用特定的二進制序列01111110作為幀的開始和結束，以一定的比特組合所表示的命令和響應實現鏈路的監(jiān)控功能，命令和響應可以和信息一起傳送。所以它可以實現不編碼限制的、高可靠和高效率的透明傳輸。面向比特型規(guī)程主要適用于中高速同步半雙工和全雙工數據通信，如分組交換方式中的鏈路層就采用這種規(guī)程。隨著通信的發(fā)展，它的應用日益廣泛。在數據鏈路層能夠實現可靠傳輸的協(xié)議主要有：高級數據鏈路控制規(guī)程HDLC點對點協(xié)議PPP。成幀成幀的三個基本問題(1)封裝成幀(2)透明傳輸(3)差錯控制1.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(fā)送幀開始用控制字符進行幀定界的方法舉例SOH裝在幀中的數據部分幀幀開始符幀結束符發(fā)送在前EOT2.透明傳輸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(fā)送在前解決透明傳輸問題發(fā)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(jié)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面插入一個轉義字符。當接收端收到連續(xù)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(jié)填充后發(fā)送的數據字節(jié)填充字節(jié)填充字節(jié)填充字節(jié)填充發(fā)送在前幀開始符幀結束符用字節(jié)填充法解決透明傳輸的問題SOH3.差錯檢測在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(huán)冗余檢驗的原理在數據鏈路層傳送的幀中，廣泛使用了循環(huán)冗余檢驗CRC的檢錯技術。在發(fā)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(fā)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。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(fā)送出去。發(fā)送的數據是：2nM+R

即：101001001，共(k+n)位。

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

循環(huán)冗余檢驗的原理說明幀檢驗序列FCS在數據后面添加上的冗余碼稱為幀檢驗序列

FCS(FrameCheckSequence)。循環(huán)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(1)若得出的余數R=0，則判定這個幀沒有差錯，就接受(accept)。(2)若余數R

0，則判定這個幀有差錯，就丟棄。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。應當注意僅用循環(huán)冗余檢驗CRC差錯檢測技術只能做到無差錯接受(accept)?！盁o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(fā)送什么就收到什么）就必須再加上確認和重傳機制。3.3點對點協(xié)議PPP現在全世界使用得最多的數據鏈路層協(xié)議是點對點協(xié)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(xié)議。用戶到ISP的鏈路使用PPP協(xié)議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(xié)議PPP協(xié)議不需要的功能糾錯流量控制序號多點線路半雙工或單工鏈路1.PPP協(xié)議的組成1992年制訂了PPP協(xié)議。經過1993年和1994年的修訂，現在的PPP協(xié)議已成為因特網的正式標準[RFC1661]。PPP協(xié)議有三個組成部分一個將IP數據報封裝到串行鏈路的方法。鏈路控制協(xié)議

LCP(LinkControlProtocol)。網絡控制協(xié)議

NCP(NetworkControlProtocol)。

2.PPP協(xié)議的幀格式標志字段

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?？刂谱侄?/p>

C

通常置為0x03。PPP是面向字節(jié)的，所有的PPP

幀的長度都是整數字節(jié)。PPP協(xié)議的幀格式PPP有一個2個字節(jié)的協(xié)議字段。當協(xié)議字段為0x0021時，PPP幀的信息字段就是IP數據報。若為0xC021,則信息字段是PPP鏈路控制數據。若為0x8021，則表示這是網絡控制數據。

IP數據報1211字節(jié)12不超過1500字節(jié)PPP幀先發(fā)送7EFF03FACFCSF7E協(xié)議信息部分首部尾部透明傳輸問題當PPP用在同步傳輸鏈路時，通過硬件采用零比特填充法，來實現透明傳輸。當PPP用在異步傳輸時，就使用一種特殊的字符填充法。字符填充法將信息字段中出現的每一個0x7E字節(jié)轉變成為2字節(jié)序列(0x7D,0x5E)。若信息字段中出現一個0x7D的字節(jié),則將其轉變成為2字節(jié)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(jié)，同時將該字符的編碼加以改變。零比特填充法PPP協(xié)議用在SONET/SDH鏈路時，是使用同步傳輸（一連串的比特連續(xù)傳送）。這時PPP協(xié)議采用零比特填充方法來實現透明傳輸。在發(fā)送端，只要發(fā)現有5個連續(xù)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(fā)現5個連續(xù)1時，就把這5個連續(xù)1后的一個0刪除，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(fā)送端在5個連1之后填入0比特再發(fā)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(fā)送端填入0比特接收端刪除填入的0比特零比特填充不提供使用序號和確認

的可靠傳輸PPP協(xié)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(xié)議較為合理。在因特網環(huán)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。

3.PPP協(xié)議的工作過程當用戶撥號接入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(fā)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。設備之間無鏈路鏈路靜止鏈路建立鑒別網絡層協(xié)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(xié)商鑒別成功或無需鑒別NCP配置協(xié)商鏈路故障或關閉請求LCP鏈路終止鑒別失敗LCP配置協(xié)商失敗4．舉例路由器Router1和Router2的S0口均封裝PPP協(xié)議，采用CHAP做認證，在Router1中應建立一個用戶，以對端路由器主機名作為用戶名，即用戶名應為router2。同時在Router2中應建立一個用戶，以對端路由器主機名作為用戶名，即用戶名應為router1。所建的這兩用戶的password必須相同。如圖所示。PPP協(xié)議配置Router1:hostnamerouter1usernamerouter2passwordxxxinterfaceSerial0ipaddress192.200.10.1255.255.255.0clockrate1000000pppauthenticationchapRouter2:hostnamerouter2usernamerouter1passwordxxxinterfaceSerial0ipaddress192.200.10.2255.255.255.0pppauthenticationchap3.4使用廣播信道的以太網

１.常用以太網接口標準

以太網接口描

述10BASE2采用細同軸電纜接口的IEEE802.310Mb/s物理層10BASE5采用粗同軸電纜接口的IEEE802.310Mb/s物理層10BASE-F采用光纖電纜接口的IEEE802.310Mb/s物理層10BASE-T采用雙絞線的IEEE802.310Mb/s物理層100BASE-FX采用兩個光纖的IEEE802.3100Mb/s物理層100BASE-T2采用兩對3類線的IEEE802.3100Mb/s物理層100BASE-T4采用四對3、4、5類線非屏蔽雙絞線的IEEE802.3100Mb/s物理層100BASE-TX采用兩對5類非屏蔽雙絞線或屏蔽雙絞線的IEEE802.3100Mb/s物理層1000BASE-CX1000BASE-X在特制的屏蔽電纜傳輸的接口1000BASE-LX1000BASE-X采用單?；蚨嗄ｉL波激光器的規(guī)格1000BASE-SX1000BASE-X采用多模短波激光器的規(guī)格1000BASE-T采用四對五類平衡電纜的1000Mb/s物理層規(guī)格電口電口采用RJ－45接口，參考第二章內容。我們常用的網線有兩種：直連網線和交叉網線?，F在有些物理層芯片都支持MDI和MDIX自動識別功能。直連網線定義

插頭1針腳插頭2針腳信號芯線顏色備注11發(fā)送白橙white-orange雙絞線22發(fā)送橙orange33接收白綠white-green雙絞線66接收綠green44雙向藍blue雙絞線55白藍white-blue77雙向白棕white-brown雙絞線88棕brown交叉網線定義

插頭1針腳插頭2針腳信號芯線顏色備注13發(fā)送白橙white-orange雙絞線26發(fā)送橙orange31接收白綠white-green雙絞線62接收綠green44雙向藍blue雙絞線55白藍white-blue77雙向白棕white-brown雙絞線88棕brown光口目前以太網光模塊封裝有GBIC、SFF、SFP好，目前推薦使用的是GBIC和SFP兩種可熱插拔的光模塊，有850nm、1310nm、1550

nm波長，分為多模和單模，多模傳輸距離為275～550m，單模則可以達到2Km、10Km、15Km、40Km、70Km，甚至100Km以上。GBIC封裝光模塊SFP封裝光模塊FE自協(xié)商

對端設備接口類型自協(xié)商設備的自協(xié)商結果自協(xié)商100M

FD10M

FD10M

FD10M

HD10M

HD100M

FD100M

FD100M

HD100M

HDFD表示全雙工，HD表示半雙工MII接口

RMII接口

SMII接口

GMII接口

TBI接口

2.以太網數據鏈路層

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(xié)議的局域網對LLC子層來說都是透明的

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(guī)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MAC

幀的格式

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。以太網MAC幀物理層MAC層1010101010101010101010101010101011前同步碼幀開始定界符7字節(jié)1字節(jié)…8字節(jié)插入IP層目的地址源地址類型數據FCS6624字節(jié)46~1500IP數據報MAC幀以太網的MAC

幀格式MAC幀物理層MAC層IP層目的地址源地址類型數據FCS6624字節(jié)46~1500IP數據報以太網V2的MAC幀格式目的地址字段6字節(jié)MAC幀物理層MAC層IP層目的地址源地址類型數據FCS6624字節(jié)46~1500IP數據報以太網V2的MAC幀格式源地址字段6字節(jié)MAC幀物理層MAC層IP層目的地址源地址類型數據FCS6624字節(jié)46~1500IP數據報以太網V2的MAC幀格式類型字段2字節(jié)類型字段用來標志上一層使用的是什么協(xié)議，以便把收到的MAC幀的數據上交給上一層的這個協(xié)議。MAC幀物理層MAC層IP層目的地址源地址類型數據FCS6624字節(jié)46~1500IP數據報以太網V2的MAC幀格式數據字段46~1500

字節(jié)數據字段的正式名稱是MAC

客戶數據字段最小長度64字節(jié)

18字節(jié)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(jié)46~1500IP數據報以太網V2的MAC幀格式FCS字段4

字節(jié)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(jié)時，應在數據字段的后面加入整數字節(jié)的填充字段，以保證以太網的MAC幀長不小于64字節(jié)。MAC幀物理層MAC層IP層目的地址源地址類型數據FCS6624字節(jié)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(jié)1字節(jié)…8字節(jié)插入在幀的前面插入的8字節(jié)中的第一個字段共7個字節(jié)，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(jié)數據字段的長度與長度字段的值不一致；幀的長度不是整數個字節(jié)；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(jié)之間。有效的MAC幀長度為64~1518字節(jié)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。無效的MAC幀幀間最小間隔為9.6s，相當于96bit的發(fā)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(fā)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。幀間最小間隔以太網的

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。48位的MAC地址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(jié)(即高位24位)。地址字段中的后三個字節(jié)(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?！癕AC地址”實際上就是適配器地址或適配器標識符EUI-48。MAC地址的表達形式MAC地址的表達形式：XX-XX-XX-XX-XX-XX。MAC地址可以分為3種類型：單播MAC地址：這種類型的MAC地址唯一的標識了以太網上的一個終端，該地址為全球唯一的硬件地址；廣播MAC地址：全1的MAC地址為廣播地址（FF-FF-FF-FF-FF-FF），用來表示LAN上的所有終端設備；組播MAC地址：除廣播地址外，第8bit為1的MAC地址為組播MAC地址（xxxxxxx1-xxxxxxxx-xxxxxxxx-xxxxxxxx-xxxxxxxx-xxxxxxx），用來代表LAN上的一組終端。24bit組織標識由IEEE定義24bit設備標識由廠商指定適配器檢查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(fā)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?！鞍l(fā)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）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。CSMA/CD協(xié)議B向

D發(fā)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(fā)送的數據以太網的廣播方式發(fā)送總線上的每一個工作的計算機都能檢測到B發(fā)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(fā)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。為了通信的簡便

以太網采取了兩種重要的措施采用較為靈活的無連接的工作方式，即不必先建立連接就可以直接發(fā)送數據。以太網對發(fā)送的數據幀不進行編號，也不要求對方發(fā)回確認。這樣做的理由是局域網信道的質量很好，因信道質量產生差錯的概率是很小的。

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。當目的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(fā)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(fā)送。載波監(jiān)聽多點接入/碰撞檢測CSMA/CDCSMA/CD表示CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection?！岸帱c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?！拜d波監(jiān)聽”是指每一個站在發(fā)送數據之前先要檢測一下總線上是否有其他計算機在發(fā)送數據，如果有，則暫時不要發(fā)送數據，以免發(fā)生碰撞?？偩€上并沒有什么“載波”。因此，“載波監(jiān)聽”就是用電子技術檢測總線上有沒有其他計算機發(fā)送的數據信號。碰撞檢測“碰撞檢測”就是計算機邊發(fā)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(fā)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(fā)送數據，表明產生了碰撞。所謂“碰撞”就是發(fā)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(fā)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(fā)送數據的站，一旦發(fā)現總線上出現了碰撞，就要立即停止發(fā)送，免得繼續(xù)浪費網絡資源，然后等待一段隨機時間后再次發(fā)送。電磁波在總線上的

有限傳播速率的影響當某個站監(jiān)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(fā)出的信息，要經過一定的時間后才能傳送到B。B若在A發(fā)送的信息到達B之前發(fā)送自己的幀(因為這時B的載波監(jiān)聽檢測不到A所發(fā)送的信息)，則必然要在某個時間和A發(fā)送的幀發(fā)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(fā)生碰撞

t=

B發(fā)送數據B檢測到發(fā)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(jiān)聽的影響1kmABt碰撞t=

B檢測到信道空閑發(fā)送數據t=

/2發(fā)生碰撞t=2

A檢測到發(fā)生碰撞

t=

B發(fā)送數據B檢測到發(fā)生碰撞

t=ABABAB

t=0A檢測到信道空閑發(fā)送數據ABt=0t=B檢測到發(fā)生碰撞停止發(fā)送STOPt=2

A檢測到發(fā)生碰撞STOPAB單程端到端傳播時延記為

重要特性使用CSMA/CD協(xié)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(fā)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(fā)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(fā)送數據幀的站，在發(fā)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(fā)送的數據幀是否遭受了碰撞。以太網的端到端往返時延2稱為爭用期，或碰撞窗口。經過爭用期這段時間還沒有檢測到碰撞，才能肯定這次發(fā)送不會發(fā)生碰撞。二進制指數類型退避算法(truncatedbinaryexponentialtype)發(fā)生碰撞的站在停止發(fā)送數據后，要推遲（退避）一個隨機時間才能再發(fā)送數據。確定基本退避時間，一般是取為爭用期2。定義重傳次數k

，k10，即

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。

爭用期的長度以太網取51.2s為爭用期的長度。對于10Mb/s以太網，在爭用期內可發(fā)送512bit，即64字節(jié)。以太網在發(fā)送數據時，若前64字節(jié)沒有發(fā)生沖突，則后續(xù)的數據就不會發(fā)生沖突。最短有效幀長如果發(fā)生沖突，就一定是在發(fā)送的前64字節(jié)之內。由于一檢測到沖突就立即中止發(fā)送，這時已經發(fā)送出去的數據一定小于64字節(jié)。以太網規(guī)定了最短有效幀長為64字節(jié)，凡長度小于64字節(jié)的幀都是由于沖突而異常中止的無效幀。強化碰撞當發(fā)送數據的站一旦發(fā)現發(fā)生了碰撞時：立即停止發(fā)送數據；再繼續(xù)發(fā)送若干比特的人為干擾信號(jammingsignal)，以便讓所有用戶都知道現在已經發(fā)生了碰撞。

數據幀干擾信號TJ人為干擾信號ABTBtB發(fā)送數據A檢測到沖突開始沖突信道占用時間A發(fā)送數據B也能夠檢測到沖突，并立即停止發(fā)送數據幀，接著就發(fā)送干擾信號。這里為了簡單起見，只畫出A發(fā)送干擾信號的情況。以太網流量控制

半雙工以太網的反壓全雙工采用的PAUSE幀流控。反壓（Backpressure）反壓（Backpressure）是一種避免擁塞的流量控制機制，以太網在半雙工模式下可采用反壓進行流量控制。如果一個以太網口的接收隊列發(fā)送擁塞（入口buffer中的數據超過一定的閾值），該網口可向外發(fā)送Jam信號，以模擬線路的擁塞，從而使對端的發(fā)送速率降低，達到避免擁塞丟包的效果。PAUSE流控以太網在全雙工工作方式下采用PAUSE幀進行流量控制。如果一個以太網口的接收隊列發(fā)生擁塞（入口buffer中的數據超過一定的閾值），且該網口支持PAUSE流控，則該網口向外發(fā)送PAUSE幀，幀中的pause-time域的值為N（0<N<=65535）；鏈路對端的以太網口接收到這個PAUSE幀且該接口支持PAUSE流控，將在時間N（單位為512bit數據的發(fā)送時間）內停止數據的發(fā)送。這樣可避免因為接收端口擁塞而導致丟包。如果接收端口的擁塞已經消除（入口buffer中的數據低于一定的閾值）而此時pause-time還沒有結束，該端口將發(fā)送一個pause-time為0的PAUSE幀，通知對端開始發(fā)送數據。PAUSE幀格式

目的地址為多播地址01-80-C2-00-00-01；源地址為源端口的MAC地址；類型/長度域為88-08，表示MAC控制幀；2字節(jié)的MAC操控碼為00-01，表示PAUSE幀2字節(jié)的pause時間，指示對端端口暫停發(fā)送的時間，該域為0表示通知對端暫停發(fā)送的端口可以開始發(fā)送數據。3．5以太網交換傳統(tǒng)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(fā)展為使用更便宜和更靈活的雙絞線。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)使用集線器的雙絞線以太網集線器兩對雙絞線站點RJ-45插頭以太網在局域網中的統(tǒng)治地位10BASE-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(fā)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(tǒng)治地位奠定了牢固的基礎。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(tǒng)仍然像一個傳統(tǒng)的以太網那樣運行。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(xié)議，并共享邏輯上的總線。集線器很像一個多接口的轉發(fā)器，工作在物理層。優(yōu)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。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。

用集線器擴展局域網用集線器組成更大的局域網

都在一個碰撞域中一系三系二系主干集線器一個更大的碰撞域碰撞域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(fā)。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(fā)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(fā)到哪一個接口3.5.1網橋

--在數據鏈路層擴展局域網

網橋的內部結構站表接口管理軟件網橋協(xié)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用戶層IPMAC站1用戶層IPMAC站2物理層網橋1網橋2AB用戶數據IP-HMAC-HMAC-TDL-HDL-T

物理層DLRMAC物理層物理層DLRMAC物理層物理層LANLAN兩個網橋之間還可使用一段點到點鏈路網橋不改變它轉發(fā)的幀的源地址若從A發(fā)出的幀從接口x進入了某網橋，那么從這個接口出發(fā)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(fā)表中的一個項目。在建立轉發(fā)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(fā)幀時，則是根據收到的幀首部中的目的地址來轉發(fā)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(fā)接口。網橋應當按照以下自學習算法

處理收到的幀和建立轉發(fā)表

地址接口轉發(fā)表的建立過程舉例B2B1ABCDEF1212地址接口…………B1B→AA→BA1F→CF2A→BA1F→CF2在網橋的轉發(fā)表中寫入的三個信息：站地址：登記收到的幀的源MAC地址；端口：登記收到的幀進入該網橋的端口號；時間：登記收到的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(fā)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(fā)表中只保留網絡拓撲的最新狀態(tài)信息。這樣就使得網橋中的轉發(fā)表能反映當前網絡的最新拓撲狀態(tài)。網橋的轉發(fā)表網橋的工作原理

--自學習和轉發(fā)幀網橋收到一幀后先進行自學習。查找轉發(fā)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(fā)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(fā)幀。查找轉發(fā)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(fā)。如有，則按轉發(fā)表中給出的接口進行轉發(fā)。若轉發(fā)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(fā)）。過濾通信量。擴大了物理范圍。提高了可靠性?？苫ミB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。使用網橋帶來的好處網橋使各網段成為

隔離開的碰撞域B2B1碰撞域碰撞域碰撞域ABCDEF存儲轉發(fā)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。使用網橋帶來的缺點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。3.5.2以太網交換機

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。以太網交換機的特點對于普通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(yōu)點。獨占傳輸媒體的帶寬用以太網交換機擴展局域網一系三系二系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以太網交換機工作原理

以太網交換機是一種基于MAC地址識別，能完成封裝轉發(fā)數據包功能的網絡設備。交換機可以“學習”MAC地址，并把其存放在內部地址表中，通過在數據幀的始發(fā)者和目標接收者之間建立臨時的交換路徑，使數據幀直接由源地址到達目的地址。以太網交換機的轉發(fā)涉及到兩個關鍵的線程：地址學習線程報文轉發(fā)線程地址學習線程1）交換機接收網段上的所有數據幀，利用接收數據幀中的源MAC地址來建立MAC地址表；2）端口移動機制：交換機如果發(fā)現一個包文的入端口和報文中源MAC地址的所在端口不同，就產生端口移動，將MAC地址重新學習到新的端口；3）地址老化機制：如果交換機在很長一段時間之內沒有收到某臺主機發(fā)出的報文，在該主機對應的MAC地址就會被刪除，等下次報文來的時候會重新學習。注意：老化也是根據源MAC地址進行老化。報文轉發(fā)線程

1）交換機在MAC地址表中查找數據幀中的目的MAC地址，如果找到，就將該數據幀發(fā)送到相應的端口，如果找不到，就向所有的端口發(fā)送；2）如果交換機收到的報文中源MAC地址和目的MAC地址所在的端口相同，則丟棄該報文；3）交換機向入端口以外的其它所有端口轉發(fā)廣播報文。3．6生成樹協(xié)議STP在避免橋接環(huán)路的同時又要保持冗余路徑，為此人們開發(fā)了生成樹協(xié)議（SpanningTreeProtocol--STP）。顧名思義，就是要把環(huán)型拓撲生成樹型拓撲，因為環(huán)型拓撲產生轉發(fā)的廣播報文在網絡中不斷地兜圈子，導致網絡阻塞，而樹型拓撲是無環(huán)的。如圖所示。生成樹協(xié)議有兩個標準，IEEE802.1D，就是通常所說的生成樹協(xié)議；IEEE802.1W，稱為快速生成樹協(xié)議（RapidSpanningTreeProtocol--RSTP）。網絡回路轉發(fā)的幀在網絡中不斷地兜圈子。網絡資源白白消耗了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(fā)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(fā)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。生成樹的得出端口狀態(tài)

交換機的端口處于不同的狀態(tài)有著不同的功能，這些狀態(tài)與生成樹協(xié)議的運行及交換機的工作原理有著重要的關系，端口狀態(tài)及轉換方向如圖3-30所示。阻塞狀態(tài)(Blocking)--只偵聽BPDU幀，不轉發(fā)數據幀。偵聽狀態(tài)(Listening)--只偵聽數據幀，不轉發(fā)數據幀。學習狀態(tài)(Learning)--學習地址信息，不轉發(fā)數據幀。轉發(fā)狀態(tài)(Forwarding)--學習地址信息，并轉發(fā)幀。無效狀態(tài)(Disabled)--不進行轉發(fā)，不偵聽BPDU幀。BPDU幀格式每臺交換機向網絡中發(fā)送一種稱為BPDU（BridgeProtocolDataUnit）的數據幀。如果某臺交換機能夠從兩條或多條鏈路上收到同一臺交換機的BPDU，則說明它們之間存在著冗余路徑，就會產生環(huán)路。當存在環(huán)路時交換機使用生成樹算法最終選擇一條鏈路傳遞數據，而通過把某些相關的端口置于阻塞（blocking）狀態(tài)，虛擬地把其他的冗余鏈路斷開達到避免環(huán)路的目的。一旦當前正在使用的鏈路出現故障，就會把某個阻塞的端口打開接替原來的鏈路工作，這樣既提供了冗余鏈路又避免了環(huán)路。BPDU幀格式RootID：作為根橋的交換機的ID號；Pathcost：路徑開銷；BridgeID：發(fā)送該BPDU的交換機ID號；BridgeID用來標志交換機身份，它由交換機的優(yōu)先級和交換機的MAC地址（MACaddres