數(shù)據(jù)鏈路層是實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間通信的非常重要的一層：

數(shù)據(jù)鏈路層的作用：


數(shù)據(jù)鏈路層使用的信道：

1.使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信道的數(shù)據(jù)鏈路層

1.1 數(shù)據(jù)鏈路和幀

• 鏈路 (link) 是一條無源的點(diǎn)到點(diǎn)的物理線路段，中間沒有任何其他的交換結(jié)點(diǎn)。一條鏈路只是一條通路的一個(gè)組成部分。
  • 數(shù)據(jù)鏈路 (data link) 除了物理線路外，還必須有通信協(xié)議來控制這些數(shù)據(jù)的傳輸。若把實(shí)現(xiàn)這些協(xié)議的硬件和軟件加到鏈路上，就構(gòu)成了數(shù)據(jù)鏈路。①.現(xiàn)在最常用的方法是使用適配器（即網(wǎng)卡）來實(shí)現(xiàn)這些協(xié)議的硬件和軟件。②.一般的適配器都包括了數(shù)據(jù)鏈路層和物理層這兩層的功能。

也有人采用另外的術(shù)語。這就是把鏈路分為物理鏈路和邏輯鏈路。

物理鏈路就是上面所說的鏈路。

邏輯鏈路就是上面的數(shù)據(jù)鏈路，是物理鏈路加上必要的通信協(xié)議。

早期的數(shù)據(jù)通信協(xié)議曾叫做通信規(guī)程 (procedure)。因此在數(shù)據(jù)鏈路層，規(guī)程和協(xié)議是同義語。

⑴.數(shù)據(jù)鏈路層傳送的是幀

⑵.數(shù)據(jù)鏈路層像個(gè)數(shù)字管道
常常在兩個(gè)對(duì)等的數(shù)據(jù)鏈路層之間畫出一個(gè)數(shù)字管道，而在這條數(shù)字管道上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單位是幀。

數(shù)據(jù)鏈路層不必考慮物理層如何實(shí)現(xiàn)比特傳輸?shù)募?xì)節(jié)。甚至還可以更簡單地設(shè)想好像是沿著兩個(gè)數(shù)據(jù)鏈路層之間的水平方向把幀直接發(fā)送到對(duì)方。

1.2 三個(gè)基本問題

數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議有許多種，但有三個(gè)基本問題則是共同的。這三個(gè)基本問題是：

封裝成幀

透明傳輸

差錯(cuò)控制

⑴.封裝成幀

封裝成幀 (framing) 就是在一段數(shù)據(jù)的前后分別添加首部和尾部，然后就構(gòu)成了一個(gè)幀。首部和尾部的一個(gè)重要作用就是進(jìn)行幀定界。

用控制字符進(jìn)行幀定界的方法舉例

當(dāng)數(shù)據(jù)是由可打印的 ASCII 碼組成的文本文件時(shí)，幀定界可以使用特殊的幀定界符。
控制字符 SOH (Start Of Header) 放在一幀的最前面，表示幀的首部開始。另一個(gè)控制字符 EOT (End Of Transmission) 表示幀的結(jié)束。

⑵.透明傳輸

如果數(shù)據(jù)中的某個(gè)字節(jié)的二進(jìn)制代碼恰好和 SOH 或 EOT 一樣，數(shù)據(jù)鏈路層就會(huì)錯(cuò)誤地“找到幀的邊界”。

解決透明傳輸問題

解決方法：字節(jié)填充 (byte stuffing) 或字符填充 (character stuffing)。

發(fā)送端的數(shù)據(jù)鏈路層在數(shù)據(jù)中出現(xiàn)控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入一個(gè)轉(zhuǎn)義字符“ESC”(其十六進(jìn)制編碼是1B)。

接收端的數(shù)據(jù)鏈路層在將數(shù)據(jù)送往網(wǎng)絡(luò)層之前刪除插入的轉(zhuǎn)義字符。

如果轉(zhuǎn)義字符也出現(xiàn)在數(shù)據(jù)當(dāng)中，那么應(yīng)在轉(zhuǎn)義字符前面插入一個(gè)轉(zhuǎn)義字符 ESC。當(dāng)接收端收到連續(xù)的兩個(gè)轉(zhuǎn)義字符時(shí)，就刪除其中前面的一個(gè)。

透明:指某一個(gè)實(shí)際存在的事物看起來卻好像不存在一樣。
用“字節(jié)填充”法解決透明傳輸?shù)膯栴}:

⑶.差錯(cuò)檢測

在傳輸過程中可能會(huì)產(chǎn)生比特差錯(cuò)：1 可能會(huì)變成 0， 而 0 也可能變成 1。

在一段時(shí)間內(nèi)，傳輸錯(cuò)誤的比特占所傳輸比特總數(shù)的比率稱為誤碼率 BER (Bit Error Rate)。誤碼率與信噪比有很大的關(guān)系。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?#xff0c;在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，必須采用各種差錯(cuò)檢測措施。 在數(shù)據(jù)鏈路層傳送的幀中，廣泛使用了循環(huán)冗余檢驗(yàn) CRC 的檢錯(cuò)技術(shù)。

①.循環(huán)冗余檢驗(yàn)的原理：
在發(fā)送端，先把數(shù)據(jù)劃分為組。假定每組 k 個(gè)比特。
在每組 M 后面再添加供差錯(cuò)檢測用的 n 位冗余碼，然后一起發(fā)送出去。

②.冗余碼的計(jì)算：

用二進(jìn)制的模 2 運(yùn)算進(jìn)行 2n 乘 M 的運(yùn)算，這相當(dāng)于在 M 后面添加 n 個(gè) 0。

得到的 (k + n) 位的數(shù)除以事先選定好的長度為 (n + 1) 位的除數(shù) P，得出商是 Q 而余數(shù)是 R，余數(shù) R 比除數(shù) P 少 1 位，即 R 是 n 位。

將余數(shù) R 作為冗余碼拼接在數(shù)據(jù) M 后面，一起發(fā)送出去。

③.接收端對(duì)收到的每一幀進(jìn)行 CRC 檢驗(yàn)
(1) 若得出的余數(shù) R = 0，則判定這個(gè)幀沒有差錯(cuò)，就接受 (accept)。
(2) 若余數(shù) R ≠ 0，則判定這個(gè)幀有差錯(cuò)，就丟棄。
但這種檢測方法并不能確定究竟是哪一個(gè)或哪幾個(gè)比特出現(xiàn)了差錯(cuò)。只要經(jīng)過嚴(yán)格的挑選，并使用位數(shù)足夠多的除數(shù) P，那么出現(xiàn)檢測不到的差錯(cuò)的概率就很小很小。

④.冗余碼的計(jì)算舉例
現(xiàn)在 k = 6, M = 101001。
設(shè) n = 3, 除數(shù) P = 1101，
被除數(shù)是 2nM = 101001000。
模 2 運(yùn)算的結(jié)果是：商 Q = 110101，余數(shù) R = 001。
把余數(shù) R 作為冗余碼添加在數(shù)據(jù) M 的后面發(fā)送出去。發(fā)送的數(shù)據(jù)是：2nM + R，即：101001001，共 (k + n) 位。

⑤.循環(huán)冗余檢驗(yàn)的原理說明

⑥.幀檢驗(yàn)序列 FCS
在數(shù)據(jù)后面添加上的冗余碼稱為幀檢驗(yàn)序列 FCS (Frame Check Sequence)。
循環(huán)冗余檢驗(yàn) CRC 和幀檢驗(yàn)序列 FCS 并不等同。
CRC 是一種常用的檢錯(cuò)方法，而 FCS 是添加在數(shù)據(jù)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。

應(yīng)當(dāng)注意:

僅用循環(huán)冗余檢驗(yàn) CRC 差錯(cuò)檢測技術(shù)只能做到無差錯(cuò)接受 (accept)。

“無差錯(cuò)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(rèn)為這些幀在傳輸過程中沒有產(chǎn)生差錯(cuò)”。

也就是說：“凡是接收端數(shù)據(jù)鏈路層接受的幀都沒有傳輸差錯(cuò)”（有差錯(cuò)的幀就丟棄而不接受）。

單純使用 CRC 差錯(cuò)檢測技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)“無差錯(cuò)傳輸”或“可靠傳輸”。

應(yīng)當(dāng)明確，“無比特差錯(cuò)”與“無傳輸差錯(cuò)”是不同的概念。

在數(shù)據(jù)鏈路層使用 CRC 檢驗(yàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)無比特差錯(cuò)的傳輸，但這還不是可靠傳輸。

要做到“無差錯(cuò)傳輸”（即發(fā)送什么就收到什么）就必須再加上確認(rèn)和重傳機(jī)制。

本章介紹的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議都不是可靠傳輸?shù)膮f(xié)議。

2.點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議 PPP

2.1 PPP 協(xié)議的特點(diǎn)
對(duì)于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的鏈路，目前使用得最廣泛的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議 PPP (Point-to-Point Protocol)。PPP 協(xié)議在 1994 年就已成為互聯(lián)網(wǎng)的正式標(biāo)準(zhǔn)。
⑴.用戶到 ISP 的鏈路使用 PPP 協(xié)議

⑵.PPP 協(xié)議應(yīng)滿足的需求

簡單 —— 這是首要的要求。

封裝成幀 —— 必須規(guī)定特殊的字符作為幀定界符。

透明性 —— 必須保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐该餍浴?/li>

多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議 —— 能夠在同一條物理鏈路上同時(shí)支持多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。

多種類型鏈路 —— 能夠在多種類型的鏈路上運(yùn)行。

差錯(cuò)檢測 —— 能夠?qū)邮斩耸盏降膸M(jìn)行檢測，并立即丟棄有差錯(cuò)的幀。

檢測連接狀態(tài) —— 能夠及時(shí)自動(dòng)檢測出鏈路是否處于正常工作狀態(tài)。

最大傳送單元 —— 必須對(duì)每一種類型的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路設(shè)置最大傳送單元 MTU 的標(biāo)準(zhǔn)默認(rèn)值，促進(jìn)各種實(shí)現(xiàn)之間的互操作性。

網(wǎng)絡(luò)層地址協(xié)商 —— 必須提供一種機(jī)制使通信的兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)層實(shí)體能夠通過協(xié)商知道或能夠配置彼此的網(wǎng)絡(luò)層地址。

數(shù)據(jù)壓縮協(xié)商 —— 必須提供一種方法來協(xié)商使用數(shù)據(jù)壓縮算法。

⑶. PPP 協(xié)議不需要的功能

糾錯(cuò)

流量控制

序號(hào)

多點(diǎn)線路

半雙工或單工鏈路

⑷.PPP 協(xié)議的組成

PPP 協(xié)議有三個(gè)組成部分：

一個(gè)將 IP 數(shù)據(jù)報(bào)封裝到串行鏈路的方法。

鏈路控制協(xié)議 LCP (Link Control Protocol)。

網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議 NCP (Network Control Protocol)。

2.2 PPP 協(xié)議的幀格式

PPP 幀的首部和尾部分別為 4 個(gè)字段和 2 個(gè)字段。

標(biāo)志字段 F = 0x7E （符號(hào)“0x”表示后面的字符是用十六進(jìn)制表示。十六進(jìn)制的 7E 的二進(jìn)制表示是 01111110）。

地址字段 A 只置為 0xFF。地址字段實(shí)際上并不起作用。

控制字段 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(shù)字節(jié)。

⑴.透明傳輸問題

• 當(dāng) PPP 用在異步傳輸時(shí)，就使用一種特殊的字符填充法。
  • 當(dāng) PPP 用在同步傳輸鏈路時(shí)，協(xié)議規(guī)定采用硬件來完成比特填充（和 HDLC 的做法一樣）。

①.字符填充

將信息字段中出現(xiàn)的每一個(gè) 0x7E 字節(jié)轉(zhuǎn)變成為 2 字節(jié)序列 (0x7D, 0x5E)。

若信息字段中出現(xiàn)一個(gè) 0x7D 的字節(jié), 則將其轉(zhuǎn)變成為 2 字節(jié)序列 (0x7D, 0x5D)。

若信息字段中出現(xiàn) ASCII 碼的控制字符（即數(shù)值小于 0x20 的字符），則在該字符前面要加入一個(gè) 0x7D 字節(jié)，同時(shí)將該字符的編碼加以改變。

②.零比特填充

PPP 協(xié)議用在 SONET/SDH 鏈路時(shí)，使用同步傳輸（一連串的比特連續(xù)傳送）。這時(shí) PPP 協(xié)議采用零比特填充方法來實(shí)現(xiàn)透明傳輸。

在發(fā)送端，只要發(fā)現(xiàn)有 5 個(gè)連續(xù) 1，則立即填入一個(gè) 0。

接收端對(duì)幀中的比特流進(jìn)行掃描。每當(dāng)發(fā)現(xiàn) 5 個(gè)連續(xù)1時(shí)，就把這 5 個(gè)連續(xù) 1 后的一個(gè) 0 刪除。

⑵.不提供使用序號(hào)和確認(rèn)的可靠傳輸

• 在數(shù)據(jù)鏈路層出現(xiàn)差錯(cuò)的概率不大時(shí)，使用比較簡單的 PPP 協(xié)議較為合理。
  • 在因特網(wǎng)環(huán)境下，PPP 的信息字段放入的數(shù)據(jù)是 IP 數(shù)據(jù)報(bào)。數(shù)據(jù)鏈路層的可靠傳輸并不能夠保證網(wǎng)絡(luò)層的傳輸也是可靠的。
    • 幀檢驗(yàn)序列 FCS 字段可保證無差錯(cuò)接受。

2.3 PPP 協(xié)議的工作狀態(tài)

當(dāng)用戶撥號(hào)接入 ISP 時(shí)，路由器的調(diào)制解調(diào)器對(duì)撥號(hào)做出確認(rèn)，并建立一條物理連接。

PC 機(jī)向路由器發(fā)送一系列的 LCP 分組（封裝成多個(gè) PPP 幀）。

這些分組及其響應(yīng)選擇一些 PPP 參數(shù)，并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)層配置，NCP 給新接入的 PC 機(jī)分配一個(gè)臨時(shí)的 IP 地址，使 PC 機(jī)成為因特網(wǎng)上的一個(gè)主機(jī)。

通信完畢時(shí)，NCP 釋放網(wǎng)絡(luò)層連接，收回原來分配出去的 IP 地址。接著，LCP 釋放數(shù)據(jù)鏈路層連接。最后釋放的是物理層的連接。

可見，PPP 協(xié)議已不是純粹的數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議，它還包含了物理層和網(wǎng)絡(luò)層的內(nèi)容。

3.使用廣播信道的數(shù)據(jù)鏈路層

3.1 局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層

局域網(wǎng)最主要的特點(diǎn)是：

網(wǎng)絡(luò)為一個(gè)單位所擁有；

地理范圍和站點(diǎn)數(shù)目均有限。

局域網(wǎng)具有如下主要優(yōu)點(diǎn)：

具有廣播功能，從一個(gè)站點(diǎn)可很方便地訪問全網(wǎng)。局域網(wǎng)上的主機(jī)可共享連接在局域網(wǎng)上的各種硬件和軟件資源。

便于系統(tǒng)的擴(kuò)展和逐漸地演變，各設(shè)備的位置可靈活調(diào)整和改變。

提高了系統(tǒng)的可靠性、可用性和殘存性。

⑴.局域網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

⑵.局域網(wǎng)傳輸媒體

⑶.共享信道帶來的問題

⑷.媒體共享技術(shù)

頻分復(fù)用

時(shí)分復(fù)用

波分復(fù)用

碼分復(fù)用
動(dòng)態(tài)媒體接入控制（多點(diǎn)接入）
①.隨機(jī)接入
②.受控接入 ，如多點(diǎn)線路探詢 (polling)，或輪詢。

⑸.以太網(wǎng)的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)

• DIX Ethernet V2 是世界上第一個(gè)局域網(wǎng)產(chǎn)品（以太網(wǎng)）的規(guī)約。
  • IEEE 802.3 是第一個(gè) IEEE 的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。
    • DIX Ethernet V2 標(biāo)準(zhǔn)與 IEEE 的 802.3 標(biāo)準(zhǔn)只有很小的差別，因此可以將 802.3 局域網(wǎng)簡稱為“以太網(wǎng)”。
    • 嚴(yán)格說來，“以太網(wǎng)”應(yīng)當(dāng)是指符合 DIX Ethernet V2 標(biāo)準(zhǔn)的局域網(wǎng) 。

⑹.數(shù)據(jù)鏈路層的兩個(gè)子層

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)，IEEE 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；

媒體接入控制 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關(guān)。不管采用何種協(xié)議的局域網(wǎng)，對(duì) LLC 子層來說都是透明的。

局域網(wǎng)對(duì) LLC 子層是透明的:

一般不考慮 LLC 子層
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)，因此現(xiàn)在 802 委員會(huì)制定的邏輯鏈路控制子層 LLC（即 802.2 標(biāo)準(zhǔn)）的作用已經(jīng)不大了。
很多廠商生產(chǎn)的適配器上就僅裝有 MAC 協(xié)議而沒有 LLC 協(xié)議。

⑺.適配器的作用
網(wǎng)絡(luò)接口板又稱為通信適配器 (adapter) 或網(wǎng)絡(luò)接口卡 NIC (Network Interface Card)，或“網(wǎng)卡”適配器的重要功能：

進(jìn)行串行/并行轉(zhuǎn)換。

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存。

在計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)安裝設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)協(xié)議。

①.計(jì)算機(jī)通過適配器和局域網(wǎng)進(jìn)行通信

3.2 CSMA/CD 協(xié)議
最初的以太網(wǎng)是將許多計(jì)算機(jī)都連接到一根總線上。易于實(shí)現(xiàn)廣播通信。當(dāng)初認(rèn)為這樣的連接方法既簡單又可靠，因?yàn)榭偩€上沒有有源器件。

為了實(shí)現(xiàn)一對(duì)一通信，將接收站的硬件地址寫入幀首部中的目的地址字段中。僅當(dāng)數(shù)據(jù)幀中的目的地址與適配器的硬件地址一致時(shí)，才能接收這個(gè)數(shù)據(jù)幀。

總線也有缺點(diǎn)。若多臺(tái)計(jì)算機(jī)或多個(gè)站點(diǎn)同時(shí)發(fā)送時(shí)，會(huì)產(chǎn)生發(fā)送碰撞或沖突，導(dǎo)致發(fā)送失敗。

⑴.以太網(wǎng)采取了兩種重要的措施
為了通信的簡便，以太網(wǎng)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

不必先建立連接就可以直接發(fā)送數(shù)據(jù)。

對(duì)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀不進(jìn)行編號(hào)，也不要求對(duì)方發(fā)回確認(rèn)。

這樣做的理由是局域網(wǎng)信道的質(zhì)量很好，因信道質(zhì)量產(chǎn)生差錯(cuò)的概率是很小的。

⑵.以太網(wǎng)提供的服務(wù)

• 以太網(wǎng)提供的服務(wù)是不可靠的交付，即盡最大努力的交付。
  • 當(dāng)目的站收到有差錯(cuò)的數(shù)據(jù)幀時(shí)就丟棄此幀，其他什么也不做。差錯(cuò)的糾正由高層來決定。
    • 如果高層發(fā)現(xiàn)丟失了一些數(shù)據(jù)而進(jìn)行重傳，但以太網(wǎng)并不知道這是一個(gè)重傳的幀，而是當(dāng)作一個(gè)新的數(shù)據(jù)幀來發(fā)送。

⑶.如何避免同時(shí)發(fā)送產(chǎn)生的碰撞？ 采用 CSMA/CD

以太網(wǎng)采取了兩種重要的措施:
①. 以太網(wǎng)發(fā)送的數(shù)據(jù)都使用曼徹斯特 (Manchester) 編碼

⑷.以太網(wǎng)提供的服務(wù)

• CSMA/CD 含義：載波監(jiān)聽多點(diǎn)接入 / 碰撞檢測 (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) 。
  • “多點(diǎn)接入”表示許多計(jì)算機(jī)以多點(diǎn)接入的方式連接在一根總線上。
    • “載波監(jiān)聽”是指每一個(gè)站在發(fā)送數(shù)據(jù)之前先要檢測一下總線上是否有其他計(jì)算機(jī)在發(fā)送數(shù)據(jù)，如果有，則暫時(shí)不要發(fā)送數(shù)據(jù)，以免發(fā)生碰撞。
    • 總線上并沒有什么“載波”。因此， “載波監(jiān)聽”就是用電子技術(shù)檢測總線上有沒有其他計(jì)算機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)信號(hào)。

①.碰撞檢測
“碰撞檢測”就是計(jì)算機(jī)邊發(fā)送數(shù)據(jù)邊檢測信道上的信號(hào)電壓大小。當(dāng)幾個(gè)站同時(shí)在總線上發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，總線上的信號(hào)電壓擺動(dòng)值將會(huì)增大（互相疊加）。
當(dāng)一個(gè)站檢測到的信號(hào)電壓擺動(dòng)值超過一定的門限值時(shí)，就認(rèn)為總線上至少有兩個(gè)站同時(shí)在發(fā)送數(shù)據(jù)，表明產(chǎn)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(shí)，總線上傳輸?shù)男盘?hào)產(chǎn)生了嚴(yán)重的失真，無法從中恢復(fù)出有用的信息來。
每一個(gè)正在發(fā)送數(shù)據(jù)的站，一旦發(fā)現(xiàn)總線上出現(xiàn)了碰撞，就要立即停止發(fā)送，免得繼續(xù)浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)資源，然后等待一段隨機(jī)時(shí)間后再次發(fā)送。

②.CSMA/CD 協(xié)議工作流程

為什么要進(jìn)行碰撞檢測？ 因?yàn)樾盘?hào)傳播時(shí)延對(duì)載波監(jiān)聽產(chǎn)生了影響

⑹.爭用期

最先發(fā)送數(shù)據(jù)幀的站，在發(fā)送數(shù)據(jù)幀后至多經(jīng)過時(shí)間 2? （兩倍的端到端往返時(shí)延）就可知道發(fā)送的數(shù)據(jù)幀是否遭受了碰撞。以太網(wǎng)的端到端往返時(shí)延 2? 稱為爭用期，或碰撞窗口。經(jīng)過爭用期這段時(shí)間還沒有檢測到碰撞，才能肯定這次發(fā)送不會(huì)發(fā)生碰撞。

⑺.二進(jìn)制指數(shù)類型退避算法 (truncated binary exponential type)
發(fā)生碰撞的站在停止發(fā)送數(shù)據(jù)后，要推遲（退避）一個(gè)隨機(jī)時(shí)間才能再發(fā)送數(shù)據(jù)。

基本退避時(shí)間取為爭用期 2 τ時(shí) 。

從整數(shù)集合 [0, 1, … , (2k - 1)] 中隨機(jī)地取出一個(gè)數(shù)，記為 r。重傳所需的時(shí)延就是 r 倍的基本退避時(shí)間。

參數(shù) k 按下面的公式計(jì)算：k = Min[重傳次數(shù), 10];當(dāng) k ≤10 時(shí)，參數(shù) k 等于重傳次數(shù)。

當(dāng)重傳達(dá) 16 次仍不能成功時(shí)即丟棄該幀，并向高層報(bào)告。
例如：
第 1 次沖突重傳時(shí)：
k = 1，r 為 {0，1} 集合中的任何一個(gè)數(shù)。
第 2 次沖突重傳時(shí)：
k = 2，r 為 {0，1，2，3} 集合中的任何一個(gè)數(shù)。
第 3 次沖突重傳時(shí)：
k = 3，r 為 {0，1，2，3，4，5，6，7} 集合中的任何一個(gè)數(shù)。

⑻.10 Mbit/s 以太網(wǎng)爭用期的長度
10 Mbit/s 以太網(wǎng)取 51.2μs 為爭用期的長度。對(duì)于 10 Mbit/s 以太網(wǎng)，在爭用期內(nèi)可發(fā)送 512 bit，即 64 字節(jié)。這意味著：以太網(wǎng)在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，若前 64 字節(jié)沒有發(fā)生沖突，則后續(xù)的數(shù)據(jù)就不會(huì)發(fā)生沖突。

⑼.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(nèi)。
由于一檢測到?jīng)_突就立即中止發(fā)送，這時(shí)已經(jīng)發(fā)送出去的數(shù)據(jù)一定小于 64 字節(jié)。
以太網(wǎng)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。

在 10 Mbit/s 以太網(wǎng) 51.2 μs 的爭用期內(nèi)，信號(hào)能傳輸多遠(yuǎn)的距離？
以太網(wǎng)上最大的端到端單程時(shí)延必須小于爭用期的一半（即 25.6 μs），這相當(dāng)于以太網(wǎng)的最大端到端長度約為 5 km。

⑽.人為干擾信號(hào)

CSMA/CD 協(xié)議的重要特性

使用 CSMA/CD 協(xié)議的以太網(wǎng)不能進(jìn)行全雙工通信而只能進(jìn)行雙向交替通信（半雙工通信）。每個(gè)站在發(fā)送數(shù)據(jù)之后的一小段時(shí)間內(nèi)，存在著遭遇碰撞的可能性。 這種發(fā)送的不確定性使整個(gè)以太網(wǎng)的平均通信量遠(yuǎn)小于以太網(wǎng)的最高數(shù)據(jù)率。

3.3 使用集線器的星形拓?fù)?/p>

傳統(tǒng)以太網(wǎng)最初是使用粗同軸電纜，后來演進(jìn)到使用比較便宜的細(xì)同軸電纜，最后發(fā)展為使用更便宜和更靈活的雙絞線。采用雙絞線的以太網(wǎng)采用星形拓?fù)?#xff0c;在星形的中心則增加了一種可靠性非常高的設(shè)備，叫做集線器 (hub)。

⑴.傳統(tǒng)以太網(wǎng)使用同軸電纜，采用總線形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

⑵.使用集線器的雙絞線以太網(wǎng)

⑶.星形以太網(wǎng) 10BASE-T

使用無屏蔽雙絞線，采用星形拓?fù)洹?br /> 每個(gè)站需要用兩對(duì)雙絞線，分別用于發(fā)送和接收。
雙絞線的兩端使用 RJ-45 插頭。
集線器使用了大規(guī)模集成電路芯片，因此集線器的可靠性提高。
10BASE-T 的通信距離稍短，每個(gè)站到集線器的距離不超過 100m。

①.10BASE-T 以太網(wǎng)在局域網(wǎng)中的統(tǒng)治地位

這種 10 Mbit/s 速率的無屏蔽雙絞線星形網(wǎng)的出現(xiàn)，既降低了成本，又提高了可靠性。 具有很高的性價(jià)比。
10BASE-T 雙絞線以太網(wǎng)的出現(xiàn)，是局域網(wǎng)發(fā)展史上的一個(gè)非常重要的里程碑，它為以太網(wǎng)在局域網(wǎng)中的統(tǒng)治地位奠定了牢固的基礎(chǔ)。
從此以太網(wǎng)的拓?fù)渚蛷目偩€形變?yōu)楦臃奖愕男切尉W(wǎng)絡(luò)，而以太網(wǎng)也就在局域網(wǎng)中占據(jù)了統(tǒng)治地位。

⑷.集線器的一些特點(diǎn)
集線器是使用電子器件來模擬實(shí)際電纜線的工作，因此整個(gè)系統(tǒng)仍然像一個(gè)傳統(tǒng)的以太網(wǎng)那樣運(yùn)行。
使用集線器的以太網(wǎng)在邏輯上仍是一個(gè)總線網(wǎng)，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(gè)多接口的轉(zhuǎn)發(fā)器，工作在物理層。
集線器采用了專門的芯片，進(jìn)行自適應(yīng)串音回波抵消，減少了近端串音。
具有三個(gè)接口的集線器:

3.4 以太網(wǎng)的信道利用率

多個(gè)站在以太網(wǎng)上同時(shí)工作就可能會(huì)發(fā)生碰撞。
當(dāng)發(fā)生碰撞時(shí)，信道資源實(shí)際上是被浪費(fèi)了。因此，當(dāng)扣除碰撞所造成的信道損失后，以太網(wǎng)總的信道利用率并不能達(dá)到 100%。
假設(shè)? 是以太網(wǎng)單程端到端傳播時(shí)延。則爭用期長度為 2? ，即端到端傳播時(shí)延的兩倍。檢測到碰撞后不發(fā)送干擾信號(hào)。
設(shè)幀長為 L (bit)，數(shù)據(jù)發(fā)送速率為 C (bit/s)，則幀的發(fā)送時(shí)間為 T0 = L/C (s)。

⑴.以太網(wǎng)信道被占用的情況
一個(gè)站在發(fā)送幀時(shí)出現(xiàn)了碰撞。經(jīng)過一個(gè)爭用期 2? 后，可能又出現(xiàn)了碰撞。這樣經(jīng)過若干個(gè)爭用期后，一個(gè)站發(fā)送成功了。假定發(fā)送幀需要的時(shí)間是 T0。

注意到，成功發(fā)送一個(gè)幀需要占用信道的時(shí)間是 T0 +τ，比這個(gè)幀的發(fā)送時(shí)間要多一個(gè)單程端到端時(shí)延 τ。
這是因?yàn)楫?dāng)一個(gè)站發(fā)送完最后一個(gè)比特時(shí)，這個(gè)比特還要在以太網(wǎng)上傳播。
在最極端的情況下，發(fā)送站在傳輸媒體的一端，而比特在媒體上傳輸?shù)搅硪欢怂璧臅r(shí)間是 τ。

⑵.參數(shù) a 與利用率

要提高以太網(wǎng)的信道利用率，就必須減小 ? 與 T0 之比。在以太網(wǎng)中定義了參數(shù) a ，它是以太網(wǎng)單程端到端時(shí)延 τ與幀的發(fā)送時(shí)間 T0 之比：

a → 0，表示一發(fā)生碰撞就立即可以檢測出來， 并立即停止發(fā)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(fā)生一次碰撞就浪費(fèi)許多信道資源，使得信道利用率明顯降低。
①.對(duì)以太網(wǎng)參數(shù) a 的要求
為提高利用率，以太網(wǎng)的參數(shù) a 的值應(yīng)當(dāng)盡可能小些。
對(duì)以太網(wǎng)參數(shù) a 的要求是：
當(dāng)數(shù)據(jù)率一定時(shí)，以太網(wǎng)的連線的長度受到限制，否則 τ 的數(shù)值會(huì)太大。
以太網(wǎng)的幀長不能太短，否則 T0 的值會(huì)太小，使 a 值太大。
⑶.信道利用率的最大值 Smax

在理想化的情況下，以太網(wǎng)上的各站發(fā)送數(shù)據(jù)都不會(huì)產(chǎn)生碰撞（這顯然已經(jīng)不是 CSMA/CD，而是需要使用一種特殊的調(diào)度方法），即總線一旦空閑就有某一個(gè)站立即發(fā)送數(shù)據(jù)。發(fā)送一幀占用線路的時(shí)間是 T0 + τ，而幀本身的發(fā)送時(shí)間是 T0。于是，我們可計(jì)算出理想情況下的極限信道利用率 Smax 為：

3.5 以太網(wǎng)的 MAC 層

1.MAC 層的硬件地址
在局域網(wǎng)中，硬件地址又稱為物理地址，或 MAC 地址。
802 標(biāo)準(zhǔn)所說的“地址”嚴(yán)格地講應(yīng)當(dāng)是每一個(gè)站的“名字”或標(biāo)識(shí)符。 但鑒于大家都早已習(xí)慣了將這種 48 位的“名字”稱為“地址”，所以本書也采用這種習(xí)慣用法，盡管這種說法并不太嚴(yán)格。
請(qǐng)注意，如果連接在局域網(wǎng)上的主機(jī)或路由器安裝有多個(gè)適配器，那么這樣的主機(jī)或路由器就有多個(gè)“地址”。更準(zhǔn)確些說，這種 48 位“地址”應(yīng)當(dāng)是某個(gè)接口的標(biāo)識(shí)符。

⑴.48 位的 MAC 地址
IEEE 802 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定 MAC 地址字段可采用 6 字節(jié) ( 48位) 或 2 字節(jié) ( 16 位) 這兩種中的一種。
IEEE 的注冊(cè)管理機(jī)構(gòu) RA 負(fù)責(zé)向廠家分配地址字段 6 個(gè)字節(jié)中的前三個(gè)字節(jié) (即高位 24 位)，稱為組織唯一標(biāo)識(shí)符。
地址字段 6 個(gè)字節(jié)中的后三個(gè)字節(jié) (即低位 24 位) 由廠家自行指派，稱為擴(kuò)展唯一標(biāo)識(shí)符，必須保證生產(chǎn)出的適配器沒有重復(fù)地址。

一個(gè)地址塊可以生成 224 個(gè)不同的地址。這種 48 位地址稱為 MAC-48，它的通用名稱是 EUI-48。
生產(chǎn)適配器時(shí)，6 字節(jié)的 MAC 地址已被固化在適配器的 ROM，因此，MAC 地址也叫做硬件地址 (hardware address) 或物理地址。
“MAC 地址”實(shí)際上就是適配器地址或適配器標(biāo)識(shí)符 EUI-48。

⑵.單站地址，組地址，廣播地址
IEEE 規(guī)定地址字段的第一字節(jié)的最低位為 I/G 位。I/G 表示 Individual / Group。
當(dāng) I/G 位 = 0 時(shí)，地址字段表示一個(gè)單站地址。
當(dāng) I/G 位 = 1 時(shí)，表示組地址，用來進(jìn)行多播（以前曾譯為組播）。此時(shí)，IEEE 只分配地址字段前三個(gè)字節(jié)中的 23 位。
當(dāng) I/G 位分別為 0 和 1 時(shí)，一個(gè)地址塊可分別生成 223 個(gè)單個(gè)站地址和 223 個(gè)組地址。
所有 48 位都為 1 時(shí)，為廣播地址。只能作為目的地址使用。
⑶.全球管理與本地管理
IEEE 把地址字段第一字節(jié)的最低第 2 位規(guī)定為 G/L 位，表示 Global / Local。
當(dāng) G/L 位 = 0 時(shí)，是全球管理（保證在全球沒有相同的地址），廠商向 IEEE 購買的 OUI 都屬于全球管理。
當(dāng) G/L 位 = 1 時(shí)， 是本地管理，這時(shí)用戶可任意分配網(wǎng)絡(luò)上的地址。

⑷.適配器檢查 MAC 地址
適配器從網(wǎng)絡(luò)上每收到一個(gè) 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(jìn)行其他的處理。否則就將此幀丟棄，不再進(jìn)行其他的處理。
“發(fā)往本站的幀”包括以下三種幀：
①單播 (unicast) 幀（一對(duì)一）
②廣播 (broadcast) 幀（一對(duì)全體）
③多播 (multicast) 幀（一對(duì)多）
所有的適配器都至少能夠識(shí)別前兩種幀，即能夠識(shí)別單播地址和廣播地址。
有的適配器可用編程方法識(shí)別多播地址。
只有目的地址才能使用廣播地址和多播地址。
以混雜方式 (promiscuous mode) 工作的以太網(wǎng)適配器只要“聽到”有幀在以太網(wǎng)上傳輸就都接收下來。

MAC 幀的格式

常用的以太網(wǎng) MAC 幀格式有兩種標(biāo)準(zhǔn)：
⒈DIX Ethernet V2 標(biāo)準(zhǔn)
⒉IEEE 的 802.3 標(biāo)準(zhǔn)
最常用的 MAC 幀是以太網(wǎng) V2 的格式。

⑴.以太網(wǎng) V2 的 MAC 幀格式







⑴.無效的 MAC 幀

數(shù)據(jù)字段的長度與長度字段的值不一致；
幀的長度不是整數(shù)個(gè)字節(jié)；
用收到的幀檢驗(yàn)序列 FCS 查出有差錯(cuò)；
數(shù)據(jù)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(duì)于檢查出的無效 MAC 幀就簡單地丟棄。以太網(wǎng)不負(fù)責(zé)重傳丟棄的幀。

⑵.IEEE 802.3 MAC 幀格式

與以太網(wǎng) V2 MAC 幀格式相似，區(qū)別在于：
IEEE 802.3 規(guī)定的 MAC 幀的第三個(gè)字段是“長度 / 類型”。
①當(dāng)這個(gè)字段值大于 0x0600 時(shí)（相當(dāng)于十進(jìn)制的 1536），就表示“類型”。這樣的幀和以太網(wǎng) V2 MAC 幀完全一樣。
②當(dāng)這個(gè)字段值小于 0x0600 時(shí)才表示“長度”。
當(dāng)“長度/類型”字段值小于 0x0600 時(shí)，數(shù)據(jù)字段必須裝入上面的邏輯鏈路控制 LLC 子層的 LLC 幀。
現(xiàn)在市場上流行的都是以太網(wǎng) V2 的 MAC 幀，但大家也常常把它稱為 IEEE 802.3 標(biāo)準(zhǔn)的 MAC 幀。

⑶.幀間最小間隔
幀間最小間隔為 9.6 ?s，相當(dāng)于 96 bit 的發(fā)送時(shí)間。
一個(gè)站在檢測到總線開始空閑后，還要等待 9.6 ?s 才能再次發(fā)送數(shù)據(jù)。
這樣做是為了使剛剛收到數(shù)據(jù)幀的站的接收緩存來得及清理，做好接收下一幀的準(zhǔn)備。

4.擴(kuò)展的以太網(wǎng)

4.1 在物理層擴(kuò)展以太網(wǎng)

⑴使用光纖擴(kuò)展

主機(jī)使用光纖（通常是一對(duì)光纖）和一對(duì)光纖調(diào)制解調(diào)器連接到集線器。 很容易使主機(jī)和幾公里以外的集線器相連接。

將多個(gè)以太網(wǎng)段連成更大的、多級(jí)星形結(jié)構(gòu)的以太網(wǎng)。

⑵.用集線器擴(kuò)展以太網(wǎng)

優(yōu)點(diǎn):

使原來屬于不同碰撞域的以太網(wǎng)上的計(jì)算機(jī)能夠進(jìn)行跨碰撞域的通信。

擴(kuò)大了以太網(wǎng)覆蓋的地理范圍。

缺點(diǎn)：

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(shù)據(jù)率，那么就不能用集線器將它們互連起來。

⑶.碰撞域

碰撞域（collision domain）又稱為沖突域，是指網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)站點(diǎn)發(fā)出的幀會(huì)與其他站點(diǎn)發(fā)出的幀產(chǎn)生碰撞或沖突的那部分網(wǎng)絡(luò)。
碰撞域越大，發(fā)生碰撞的概率越高。

4.2 在數(shù)據(jù)鏈路層擴(kuò)展以太網(wǎng)

擴(kuò)展以太網(wǎng)更常用的方法是在數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行。早期使用網(wǎng)橋，現(xiàn)在使用以太網(wǎng)交換機(jī)。

⑴.網(wǎng)橋與以太網(wǎng)交換機(jī)

網(wǎng)橋工作在數(shù)據(jù)鏈路層。它根據(jù) MAC 幀的目的地址對(duì)收到的幀進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)和過濾。當(dāng)網(wǎng)橋收到一個(gè)幀時(shí)，并不是向所有的接口轉(zhuǎn)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(zhuǎn)發(fā)到哪一個(gè)接口，或把它丟棄。

1990 年問世的交換式集線器 (switching hub) 可明顯地提高以太網(wǎng)的性能。交換式集線器常稱為以太網(wǎng)交換機(jī) (switch) 或第二層交換機(jī) (L2 switch)，強(qiáng)調(diào)這種交換機(jī)工作在數(shù)據(jù)鏈路層。

⑵.以太網(wǎng)交換機(jī)的特點(diǎn)

以太網(wǎng)交換機(jī)實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)多接口的網(wǎng)橋。
通常都有十幾個(gè)或更多的接口。

每個(gè)接口都直接與一個(gè)單臺(tái)主機(jī)或另一個(gè)以太網(wǎng)交換機(jī)相連，并且一般都工作在全雙工方式。

以太網(wǎng)交換機(jī)具有并行性。能同時(shí)連通多對(duì)接口，使多對(duì)主機(jī)能同時(shí)通信。

以太網(wǎng)交換機(jī)的接口有存儲(chǔ)器，能在輸出端口繁忙時(shí)把到來的幀進(jìn)行緩存。

以太網(wǎng)交換機(jī)是一種即插即用設(shè)備，其內(nèi)部的幀交換表（又稱為地址表）是通過自學(xué)習(xí)算法自動(dòng)地逐漸建立起來的。

以太網(wǎng)交換機(jī)使用了專用的交換結(jié)構(gòu)芯片，用硬件轉(zhuǎn)發(fā)，其轉(zhuǎn)發(fā)速率要比使用軟件轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)橋快很多。

以太網(wǎng)交換機(jī)的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過普通的集線器，而且價(jià)格并不貴。

相互通信的主機(jī)都是獨(dú)占傳輸媒體，無碰撞地傳輸數(shù)據(jù)。

①.以太網(wǎng)交換機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

用戶獨(dú)享帶寬，增加了總?cè)萘俊?/li>

從共享總線以太網(wǎng)轉(zhuǎn)到交換式以太網(wǎng)時(shí)，所有接入設(shè)備的軟件和硬件、適配器等都不需要做任何改動(dòng)。

以太網(wǎng)交換機(jī)一般都具有多種速率的接口，方便了各種不同情況的用戶。

②.以太網(wǎng)交換機(jī)的交換方式

• 存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式:把整個(gè)數(shù)據(jù)幀先緩存后再進(jìn)行處理。
  • 直通 (cut-through) 方式: 接收數(shù)據(jù)幀的同時(shí)就立即按數(shù)據(jù)幀的目的 MAC 地址決定該幀的轉(zhuǎn)發(fā)接口，因而提高了幀的轉(zhuǎn)發(fā)速度。缺點(diǎn)是它不檢查差錯(cuò)就直接將幀轉(zhuǎn)發(fā)出去，因此有可能也將一些無效幀轉(zhuǎn)發(fā)給其他的站。

在某些情況下，仍需要采用基于軟件的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式進(jìn)行交換，例如，當(dāng)需要進(jìn)行線路速率匹配、協(xié)議轉(zhuǎn)換或差錯(cuò)檢測時(shí)。

⑶.以太網(wǎng)交換機(jī)的自學(xué)習(xí)功能
以太網(wǎng)交換機(jī)運(yùn)行自學(xué)習(xí)算法自動(dòng)維護(hù)交換表:

⑷.交換機(jī)自學(xué)習(xí)和轉(zhuǎn)發(fā)幀的步驟歸納

⑸.理解以太網(wǎng)交換機(jī)的自學(xué)習(xí)功能

存在的問題·：回路

⑹.交換機(jī)使用了生成樹協(xié)議

IEEE 802.1D 標(biāo)準(zhǔn)制定了一個(gè)生成樹協(xié)議 STP (Spanning Tree Protocol)。
其要點(diǎn)是：不改變網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際拓?fù)?#xff0c;但在邏輯上則切斷某些鏈路，使得從一臺(tái)主機(jī)到所有其他主機(jī)的路徑是無環(huán)路的樹狀結(jié)構(gòu)，從而消除了兜圈子現(xiàn)象。

⑺.從總線以太網(wǎng)到星形以太網(wǎng)

早期，以太網(wǎng)采用無源的總線結(jié)構(gòu)。
現(xiàn)在，采用以太網(wǎng)交換機(jī)的星形結(jié)構(gòu)成為以太網(wǎng)的首選拓?fù)洹?br /> 總線以太網(wǎng)使用 CSMA/CD 協(xié)議，以半雙工方式工作。
以太網(wǎng)交換機(jī)不使用共享總線，沒有碰撞問題，因此不使用 CSMA/CD 協(xié)議，以全雙工方式工作。但仍然采用以太網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu)。

⑻.局域網(wǎng)存在的問題

局域網(wǎng)存在的以下幾個(gè)方面的問題：

擴(kuò)展性

安全性

可管理性 等

⑼.總線以太網(wǎng) 和 10Base_T 星形以太網(wǎng)

所有計(jì)算機(jī)都處于同一個(gè)碰撞域（或沖突域）中和同一個(gè)廣播域中。

⑽.廣播域
廣播域（broadcast domain）：指這樣一部分網(wǎng)絡(luò)，其中任何一臺(tái)設(shè)備發(fā)出的廣播通信都能被該部分網(wǎng)絡(luò)中的所有其他設(shè)備所接收。

⑾.采用以太網(wǎng)交換機(jī)的星形以太網(wǎng)

每個(gè)接口都處于一個(gè)獨(dú)立的碰撞域（或沖突域）中，但所有計(jì)算機(jī)都處于同一個(gè)廣播域中。


4.3 虛擬局域網(wǎng)
①.利用以太網(wǎng)交換機(jī)可以很方便地實(shí)現(xiàn)虛擬局域網(wǎng) VLAN (Virtual LAN)。
②.IEEE 802.1Q 對(duì)虛擬局域網(wǎng) VLAN 的定義：
虛擬局域網(wǎng) VLAN 是由一些局域網(wǎng)網(wǎng)段構(gòu)成的與物理位置無關(guān)的邏輯組，而這些網(wǎng)段具有某些共同的需求。每一個(gè) VLAN 的幀都有一個(gè)明確的標(biāo)識(shí)符，指明發(fā)送這個(gè)幀的計(jì)算機(jī)是屬于哪一個(gè) VLAN。
③.虛擬局域網(wǎng)其實(shí)只是局域網(wǎng)給用戶提供的一種服務(wù)，而并不是一種新型局域網(wǎng)。
④.由于虛擬局域網(wǎng)是用戶和網(wǎng)絡(luò)資源的邏輯組合，因此可按照需要將有關(guān)設(shè)備和資源非常方便地重新組合，使用戶從不同的服務(wù)器或數(shù)據(jù)庫中存取所需的資源。

⑴.虛擬局域網(wǎng)優(yōu)點(diǎn)

虛擬局域網(wǎng)（VLAN）技術(shù)具有以下主要優(yōu)點(diǎn)：

改善了性能

簡化了管理

降低了成本

改善了安全性

⑵.劃分虛擬局域網(wǎng)的方法

基于交換機(jī)端口

基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)卡的MAC地址

基于協(xié)議類型

基于IP子網(wǎng)地址

基于高層應(yīng)用或服務(wù)

①.基于交換機(jī)端口的方法

最簡單、也是最常用的方法。
屬于在第一層劃分虛擬局域網(wǎng)的方法。
缺點(diǎn)：不允許用戶移動(dòng)。

②.基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)卡的MAC地址的方法

根據(jù)用戶計(jì)算機(jī)的MAC地址劃分虛擬局域網(wǎng)。
屬于在第二層劃分虛擬局域網(wǎng)的方法。
允許用戶移動(dòng)。
缺點(diǎn)：需要輸入和管理大量的MAC地址。如果用戶的MAC地址改變了，則需要管理員重新配置VLAN。


③.基于協(xié)議類型的方法

根據(jù)以太網(wǎng)幀的第三個(gè)字段“類型”字段確定該類型的協(xié)議屬于哪一個(gè)虛擬局域網(wǎng)。
屬于在第二層劃分虛擬局域網(wǎng)的方法。

④.基于IP子網(wǎng)地址的方法

根據(jù)以太網(wǎng)幀的第三個(gè)字段“類型”字段和IP分組首部中的源 IP 地址字段確定該 IP 分組屬于哪一個(gè)虛擬局域網(wǎng)。
屬于在第三層劃分虛擬局域網(wǎng)的方法。


⑤.基于高層應(yīng)用或服務(wù)的方法

根據(jù)高層應(yīng)用或服務(wù)、或者它們的組合劃分虛擬局域網(wǎng)。更加靈活，但更加復(fù)雜。

⑶.虛擬局域網(wǎng)使用的以太網(wǎng)幀格式

IEEE 批準(zhǔn)了 802.3ac 標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)定義了以太網(wǎng)的幀格式的擴(kuò)展，以支持虛擬局域網(wǎng)。
虛擬局域網(wǎng)協(xié)議允許在以太網(wǎng)的幀格式中插入一個(gè)4字節(jié)的標(biāo)識(shí)符，稱為 VLAN 標(biāo)記 (tag)，用來指明該幀屬于哪一個(gè)虛擬局域網(wǎng)。
插入VLAN標(biāo)記得出的幀稱為 802.1Q 幀或帶標(biāo)記的以太網(wǎng)幀。

5.高速以太網(wǎng)

5.1 100BASE-T 以太網(wǎng)

速率達(dá)到或超過 100 Mbit/s 的以太網(wǎng)稱為高速以太網(wǎng)。
100BASE-T 在雙絞線上傳送 100 Mbit/s 基帶信號(hào)的星形拓?fù)湟蕴W(wǎng)，仍使用 IEEE 802.3 的 CSMA/CD 協(xié)議。
100BASE-T 以太網(wǎng)又稱為快速以太網(wǎng) (Fast Ethernet)。
1995 年IEEE已把 100BASE-T 的快速以太網(wǎng)定為正式標(biāo)準(zhǔn)，其代號(hào)為 IEEE 802.3u。

⑴.100BASE-T 以太網(wǎng)的特點(diǎn)

可在全雙工方式下工作而無沖突發(fā)生。在全雙工方式下工作時(shí)，不使用 CSMA/CD 協(xié)議。
MAC 幀格式仍然是 802.3 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的。
保持最短幀長不變，但將一個(gè)網(wǎng)段的最大電纜長度減小到 100 米。
幀間時(shí)間間隔從原來的 9.6 μs 改為現(xiàn)在的 0.96 μs 。

⑵.100 Mbit/s 以太網(wǎng)的三種不同的物理層標(biāo)準(zhǔn)

• 100BASE-TX
  ①.使用 2 對(duì) UTP 5 類線 或 屏蔽雙絞線 STP。
  ②.網(wǎng)段最大程度：100 米。
  • 100BASE-T4
    ①.使用 4 對(duì) UTP 3 類線 或 5 類線。
    ②.網(wǎng)段最大程度：100 米。
    • 100BASE-FX
      ①.使用 2 對(duì)光纖。
      ②.網(wǎng)段最大程度：2000 米。

5.2 吉比特以太網(wǎng)

允許在 1 Gbit/s 下以全雙工和半雙工兩種方式工作。使用 IEEE 802.3 協(xié)議規(guī)定的幀格式。在半雙工方式下使用 CSMA/CD 協(xié)議，全雙工方式不使用 CSMA/CD 協(xié)議。與 10BASE-T 和100BASE-T 技術(shù)向后兼容。吉比特以太網(wǎng)可用作現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的主干網(wǎng)，也可在高帶寬（高速率）的應(yīng)用場合中。

⑴.吉比特以太網(wǎng)的物理層

使用兩種成熟的技術(shù)：一種來自現(xiàn)有的以太網(wǎng)，另一種則是美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì) ANSI 制定的光纖通道 FC (Fiber Channel)。

⑵.半雙工方式工作的吉比特以太網(wǎng)

吉比特以太網(wǎng)工作在半雙工方式時(shí)，就必須進(jìn)行碰撞檢測。
為保持 64 字節(jié)最小幀長度，以及 100 米的網(wǎng)段的最大長度，吉比特以太網(wǎng)增加了兩個(gè)功能：
①.載波延伸 (carrier extension)
②.分組突發(fā) (packet bursting)

⑶.載波延伸

使最短幀長仍為 64 字節(jié)（這樣可以保持兼容性），同時(shí)將爭用時(shí)間增大為 512 字節(jié)。
凡發(fā)送的 MAC 幀長不足 512 字節(jié)時(shí)，就用一些特殊字符填充在幀的后面，使MAC 幀的發(fā)送長度增大到 512 字節(jié)。接收端在收到以太網(wǎng)的 MAC 幀后，要將所填充的特殊字符刪除后才向高層交付。

⑷.分組突發(fā)

當(dāng)很多短幀要發(fā)送時(shí)，第一個(gè)短幀要采用載波延伸方法進(jìn)行填充，隨后的一些短幀則可一個(gè)接一個(gè)地發(fā)送，只需留有必要的幀間最小間隔即可。這樣就形成可一串分組的突發(fā)，直到達(dá)到 1500 字節(jié)或稍多一些為止。

⑸.全雙工方式工作的吉比特以太網(wǎng)

當(dāng)吉比特以太網(wǎng)工作在全雙工方式時(shí)（即通信雙方可同時(shí)進(jìn)行發(fā)送和接收數(shù)據(jù)），不使用載波延伸和分組突發(fā)。

5.3 10 吉比特以太網(wǎng)和更快的以太網(wǎng)

10 吉比特以太網(wǎng)（10GE）并非把吉比特以太網(wǎng)的速率簡單地提高到 10 倍，其主要特點(diǎn)有：

與 10 Mbit/s、100 Mbit/s 和 1 Gbit/s 以太網(wǎng)的幀格式完全相同。

保留了 802.3 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的以太網(wǎng)最小和最大幀長，便于升級(jí)。

不再使用銅線而只使用光纖作為傳輸媒體。

只工作在全雙工方式，因此沒有爭用問題，也不使用 CSMA/CD 協(xié)議。

⑴.吉比特以太網(wǎng)的物理層

⑵.40GE/100GE 的物理層

⑶.端到端的以太網(wǎng)傳輸

以太網(wǎng)的工作范圍已經(jīng)從局域網(wǎng)（校園網(wǎng)、企業(yè)網(wǎng)）擴(kuò)大到城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)了端到端的以太網(wǎng)傳輸。
這種工作方式的好處有：

技術(shù)成熟；

互操作性很好；

在廣域網(wǎng)中使用以太網(wǎng)時(shí)價(jià)格便宜；

采用統(tǒng)一的以太網(wǎng)幀格式，簡化了操作和管理。

5.4 使用以太網(wǎng)進(jìn)行寬帶接入

IEEE 在 2001 年初成立了 802.3 EFM 工作組，專門研究高速以太網(wǎng)的寬帶接入技術(shù)問題。
以太網(wǎng)寬帶接入具有以下特點(diǎn)：

可以提供雙向的寬帶通信。

可以根據(jù)用戶對(duì)帶寬的需求靈活地進(jìn)行帶寬升級(jí)。

可以實(shí)現(xiàn)端到端的以太網(wǎng)傳輸，中間不需要再進(jìn)行幀格式的轉(zhuǎn)換。這就提高了數(shù)據(jù)的傳輸效率且降低了傳輸?shù)某杀尽?/li>

但是不支持用戶身份鑒別。

⑴.PPPoE

PPPoE (PPP over Ethernet) 的意思是“在以太網(wǎng)上運(yùn)行 PPP”，它把 PPP 協(xié)議與以太網(wǎng)協(xié)議結(jié)合起來 —— 將 PPP 幀再封裝到以太網(wǎng)中來傳輸。
現(xiàn)在的光纖寬帶接入 FTTx 都要使用 PPPoE 的方式進(jìn)行接入。在 PPPoE 彈出的窗口中鍵入在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商購買的用戶名和密碼，就可以進(jìn)行寬帶上網(wǎng)了。
利用 ADSL 進(jìn)行寬帶上網(wǎng)時(shí)，從用戶個(gè)人電腦到家中的 ADSL 調(diào)制解調(diào)器之間，也是使用 RJ-45 和 5 類線（即以太網(wǎng)使用的網(wǎng)線）進(jìn)行連接
的，并且也是使用 PPPoE 彈出的窗口進(jìn)行撥號(hào)連接的。

本章重要概念

鏈路是從一個(gè)結(jié)點(diǎn)到相鄰結(jié)點(diǎn)的一段物理線路，數(shù)據(jù)鏈路則是在鏈路的基礎(chǔ) 上增加了一些必要的硬件(如網(wǎng)絡(luò)適配器)和軟件(如協(xié)議的實(shí)現(xiàn))。

數(shù)據(jù)鏈路層使用的信道主要有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信道和廣播信道兩種。

數(shù)據(jù)鏈路層傳送的協(xié)議數(shù)據(jù)單元是幀。數(shù)據(jù)鏈路層的三個(gè)基本問題則是:封裝成幀、透明傳輸和差錯(cuò)檢測。

循環(huán)冗余檢驗(yàn)CRC是一種檢錯(cuò)方法。而幀檢驗(yàn)序列FCS是添加在數(shù)據(jù)后面的冗余碼。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議PPP是數(shù)據(jù)鏈路層使用最多的一種協(xié)議，它的特點(diǎn)是: 簡單:只檢測差錯(cuò)，而不是糾正差錯(cuò)。不使用序號(hào)，也不進(jìn)行流量控制:可同時(shí)支持多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。

PPPoE足為寬帶上網(wǎng)的主機(jī)使用的鏈路層協(xié)議。

局域網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)是:具有廣播功能，從一個(gè)站點(diǎn)可很方便地訪問全網(wǎng):便于系統(tǒng)的擴(kuò)展和逐漸演變:提高了系統(tǒng)的可靠性、可用性和生存性。

共享通信媒體資源的方法有二:一是靜態(tài)劃分信道(各種復(fù)用技術(shù))，二足動(dòng)態(tài)媒體接入控制，又稱為多點(diǎn)接入(隨機(jī)接入或受控接入)。

IEEE 802委員會(huì)曾把局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層拆成兩個(gè)子層，即邏輯鏈路控制(LLC)子層(與傳輸媒體無關(guān))和媒體接入控制(MAC)子層(與傳輸媒體有關(guān))。但現(xiàn)在LLC子層己成為歷史。

計(jì)算機(jī)與外界局城網(wǎng)的通信要通過通信適配器(或網(wǎng)絡(luò)適配器),它又稱為網(wǎng)絡(luò)接口卡或網(wǎng)卡。計(jì)算機(jī)的硬件地址就在適配器的ROM中，

以太網(wǎng)采用無連接的工作方式，對(duì)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀不進(jìn)行編號(hào)，也不要求對(duì)方發(fā)回確認(rèn)。目的站收到有差錯(cuò)幀就把它丟棄，其他什么也不做。

以太網(wǎng)采用的協(xié)議是 具有沖突檢測的載波監(jiān)聽多點(diǎn)接入CSMAVCD。 協(xié)議的要點(diǎn)是:發(fā)送前先監(jiān)聽，邊發(fā)送邊監(jiān)聽，旦發(fā)現(xiàn)總線 上出現(xiàn)了碰撞，就立即停止發(fā)送。然后按照退避算法等待段隨機(jī)時(shí)間后 再次發(fā)送。因此，每一個(gè)站在 自己發(fā)送數(shù)據(jù)之后的一小段時(shí)間內(nèi)，存在著遭遇碰撞的可能性。以太網(wǎng)上各站點(diǎn)都平等地爭用以太網(wǎng)信道。

傳統(tǒng)的總線以太網(wǎng)基本上都是使用集線器的雙絞線以太網(wǎng)。這種以太網(wǎng)在物理上是星形網(wǎng)，但在邏輯上則是總線形網(wǎng)。集線器工作在物理層，它的每個(gè)接口僅僅簡單地轉(zhuǎn)發(fā)比特，不進(jìn)行碰撞檢測。

以太網(wǎng)的硬件地址，即MAC地址實(shí)際上就是適配器地址或適配器標(biāo)識(shí)符，與主機(jī)所在的地點(diǎn)無關(guān)。源地址和目的地址都是48位長。

以太網(wǎng)的適配器有過濾功能，它只接收單播幀、廣播幀或多播幀。

使用集線器可以在物理層擴(kuò)展以太網(wǎng)(擴(kuò)展后的以太網(wǎng)仍然是一個(gè)網(wǎng)絡(luò))。

交換式集線器常稱為以太網(wǎng)交換機(jī)或第二層交換機(jī)(工作在數(shù)據(jù)鏈路層)，它就是一個(gè)多接口的網(wǎng)橋，而每個(gè)接口都直接與某臺(tái)單主機(jī)或另一個(gè)集線器相連，且工作在全雙工方式。以太網(wǎng)交換機(jī)能同時(shí)連通許多對(duì)的接口，使每一對(duì)相互通信的主機(jī)都能像獨(dú)占通信媒體那樣，無碰撞地傳輸數(shù)據(jù)。

高速以太網(wǎng)有100 Mbit/s的快速以太網(wǎng)，吉比特以太網(wǎng)和10 Gbit/s的10吉比特以太網(wǎng)。最近還發(fā)展到100吉比特以太網(wǎng)。在寬帶接入技術(shù)中，也常使用高速以太網(wǎng)進(jìn)行接入。

總結(jié)

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