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  • 7层是指OSI层协议模型,主要是:应用层(Application)、表示层(Presentation)、会话层(Session)、传输层(Transport)、网络层(Network)、数据链路层(Data Link)、物理层(Physical)。 在TCP/IP协议...

    一、简介

    7层是指OSI七层协议模型,主要是:应用层(Application)、表示层(Presentation)、会话层(Session)、传输层(Transport)、网络层(Network)、数据链路层(Data Link)、物理层(Physical)。

    在TCP/IP协议中将应用层、表示层、会话层合并为应用层又将数据链路层、物理层合并为网络接口层所以为四层结构

    常说的五层模型只是OSI和TCP/IP的综合,并没有将数据链路层和物理层合并,实际应用还是TCP/IP的四层结构

     

    引用一行网上的数据交互图

    二、各层详解

    1.物理层

    简介:

    OSI模型中最低的一层,位于OSI参考模型的最底层,它直接面向实际承担数据传输的物理媒体(即通信通道),物理层的传输单位为比特(bit),即一个二进制位(0或1)。实际的比特传输必须依赖于传输设备和物理媒体。但是需要注意的一点是,物理层并不是指具体的物理设备,也不是指用来传输信息的物理媒体,指的是传输原始比特流的物理连接。对于数字应用来说,我们只需要两种物理信号来分别表示0和1,比如用高电压表示1,低电压表示0,就构成了简单的物理层协议

    1.1主要任务:

    确定与传输媒体的接口的一些特性,即 机械特性、电气特性、功能特性、过程特性    

        机械特性:接口形状、大小、引线数量等,通俗讲也就是网线的水晶头的设计等一些规定

        电气特性:规定电压范围(-5V~+5V)等  在网线中传输时所用的电压范围

        过程特性:也称规程特性 规定建立连接时各个相关部件的工作步骤

    1.2三种信息传输的方式

      信道一般表示向一个方向传送信息的媒体,所以平常说的通信线路往往包含一条发送信息的信道和一条接受信息的信道

      1)单工通信:也就是单向通信,只能有一个方向的通信而没有反方向的交互,例:生活中的无线广播、有线广播等

      2)半双工通信:也就是能双向通信,但是不能同时通信,一方在发送数据,另一方必须接受数据,等待对方发完,然后自己才能发,例如,电视里面军方的对讲机,都是只有等待一方说完话,另外一方才能说话。

      3)全双工通信:相对于半双工通信来讲,就是能同时通信且双向,例如,电话。

     

    1.3信道复用技术

    复用:通信线路的架设费用较高,需要尽可能地充分使用每个信道的容量,尽可能不重复建设通信线路;把一个物理信道按一定的机制划分为多个互不干扰互不影响的逻辑信道,每个逻辑信道各自为一个通信过程服务,每个逻辑信道均占用物理信道的一部分通信容量。通过下图,就可以很容易知道什么是复用,就是同时公用一条信道来进行传输信息。信道复用技术:频分复用、时分复用、统计时分复用、波分复用,

    (1)频分复用 

    用户在分配到一定的频带后,在通信过程中自始至终都占用这个频带(这个是一个范围,例如下图)所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源(请注意,这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率),采用频带传输技术的模拟通信系统,如:广播电视系统、有线电视系统、载波电话通信、调频立体声广播系统等;为避免相邻子频带之间的相互串扰影响,一般在两个相邻的子频带之间流出一部分空白频带(保护频带)频分复用技术的特点是所有子信道传输的信号以并行的方式工作,每一路信号传输时可不考虑传输时延,因而频分复用技术取得了非常广泛的应用

    (2)时分复用

    按时间轮流分配带宽资源给不同的用户,每个用户只在分配的时间里使用线路传输数据。 通俗来讲:就是每个用户都有自己的时间段来传输数据,没到自己时间就需要等待,直到属于自己的传输时间段的到来,周期性的周转

    应用:电话、ATM等;

    特点:在信道中,每个资源都有先后顺序,并且不会乱,一直是按照一定的顺序传输数据。

    优点:不存在保护频带,对频带利用率高

     缺点:计算机数据的突发性质,用户对分配的子信道的利用率不高,因为不知道什么时候通道就会发送数据,可能别的通道都不发数据,就一个通道需要发送,但也还是要等待一定的时间,即使信道是空的。

    (3)波分复用

     波分复用就是光的频分复用,在光通信领域,人们习惯按波长而不是按频率来命名。因此,所谓的波分复用WDM,Wavelength Division Multiplexing)其本质上也是频分复用而已,主要应用光纤

    (4)码分复用(CDM)
    常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。

    码分复用CDM(Code Division Multiplexing)是各用户使用经过特殊挑选的不同码型,在同样的时间使用同样的频带进行通信,但彼此不会造成干扰。

    这些码有个特殊的数学性质,那就是每个码自己的自相关函数的值很高,而不同码之间的互相关函数的值很小,暂且理解求相关函数的值为一种数学运算

    这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力,,其频谱类似于白噪声,不易被敌人发现。
     

    数据链路层

    数据链路层位于第二层主要是在物理层提供的服务基础上向网络层提供服务,工作在数据链路层的设备与组件主要有网卡、网桥和交换机。

    主要功能:

    1.数据链路层的建立,维护与拆除

    2.帧包装,帧传输,帧同步,数据链路层传输的数据单位为帧

    3.物理层在传输过程中很容易受到环境干扰,进而产生错误但物理层无法察觉:1 可能会变成 0 而 0 也可能变成 1,因此数据链路层负责起“差错监测”的工作。并采用重传的方法进行帧的差错恢复

    4.流量控制确保中间传输设备的稳定及收发双方传输速率的匹配。

     

    帧的封装过程:

     数据链路层就是在ip数据报的前面和末尾加了一个首部和尾部来代表ip数据包的开始和结束,首部和尾部都是由8位二进制数表示的,可以一样也可以不一样。

    透明传输

         有一个这样的问题, 在ip数据包中如果有一个跟帧尾部一样的8位二进制数,则会提前结束接受数据包,这样数据就被破坏了。

    解决:通过在特殊字符前面增加一个转义字符 ESC, 就可以解决上面所遇到的问题,在接收端,将数据包中所有ESC的字符删除,遇到两个ESC的,就删除第一个,这样一开始传输的时候有ESC转义字符,接受完就没了,所以说的是透明传输

    在这里插入图片描述

    数据链路层的基本协议:

    1.点对点协议

     用于帧的封装,点对点协议修改了S L I P协议中的所有缺陷。 现在全世界使用的最多的数据链路层协议就是点对点协议PPP(Point to Point Protocol),我们大多数用户使用的拨号电话线接入因特网时,一般使用的就是PPP协议

    PPP协议的特点 

    ·   (1)接收方每接收一个帧,就进行差错检测(CRC)检验,检验正确,就收下,否则就丢弃,它是不可靠传输,所以这就是简单的原因

        (2)多种网络层协议:数据链路层的上一层就是网络层,所以它同时支持多种网络层协议的运行

        (3)多种类型链路:比如,串行的、并行的,(串行:一个比特一个比特发送,只需要一条线路,并行:一次性传输n个比特,所以需要n条线路,所以叫并行)同步的、异步的(同步:以稳定的比特流

                的形式传输  异步:以字节为独立的传输单位,字节跟字节之间的时间间隔不确定,但字节中的每个比特仍是同步的。),低速或高速、电或光,等不同类型的链路都能支持

       (4)透明传输

        检测连接状态:检测点跟点之间的连接状态,也就是在PC机和ISP之间的线路。

        最大传送单位:PPP协议帧有最大的传送单元,发送的分组不能超过这个最大长度

        网络层地址协商:使通信的两个网络层实体能够通过协商知道或能够配置彼此的网络层地址,通俗的讲,就是在分配IP地址时,就现需要这个协商才能解决

    2. CSMA/CD协议(广播协议)

    该协议工作在数据链路层的广播信道,什么是广播信道? 就是一对多的通信,局域网使用的就是广播信道。例如一台PC机发送数据给另一台PC机,在同一个局域网中的计算机都能接收到该数据,这就像广播一样,所以这种就叫做广播信道。

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  • 3 章 数据链路 使用点对点信道的数据链路 数据链路和帧 数据链路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...

    第 3 章 数据链路层

    使用点对点信道的数据链路层

    数据链路和帧

    • 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
    • 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。
    • 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。
    • 数据链路层传送的是帧

    三个基本问题

    • (1) 封装成帧
      • 将网络层传下来的分组添加首部和尾部,用于标记帧的开始和结束。
    • (2) 透明传输
      • 透明表示一个实际存在的事物看起来好像不存在一样。
      • 帧使用首部和尾部进行定界,如果帧的数据部分含有和首部尾部相同的内容,那么帧的开始和结束位置就会被错误的判定。需要在数据部分出现首部尾部相同的内容前面插入转义字符。如果数据部分出现转义字符,那么就在转义字符前面再加个转义字符。在接收端进行处理之后可以还原出原始数据。这个过程透明传输的内容是转义字符,用户察觉不到转义字符的存在。
    • (3) 差错控制
      • 循环冗余检验 CRC
        目前数据链路层广泛使用了循环冗余检验(CRC)来检查比特差错。

      • 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)。

      • 冗余码的计算

        • 例子:
          现在 k = 6, M = 101001。
          设 n = 3, 除数 P = 1101,
          被除数是 2^nM = 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:2^nM + R
          即:101001001,共 (k + n) 位。
      • 概要: 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。

    点对点协议 PPP

    PPP 协议的特点

    • 互联网用户通常需要连接到某个 ISP 之后才能接入到互联网,PPP 协议是用户计算机和 ISP 进行通信时所使用的数据链路层协议。

    PPP 协议的帧格式

    • 示意图:
      F 字段为帧的定界符
      A 和 C 字段暂时没有意义
      FCS 字段是使用 CRC 的检验序列
      信息部分的长度不超过 1500

    PPP 协议的工作状态

    • 过程:
      当用户拨号接入 ISP 时,路由器的调制解调器对拨号做出确认,并建立一条物理连接。
      PC 机向路由器发送一系列的 LCP 分组(封装成多个 PPP 帧)。
      这些分组及其响应选择一些 PPP 参数,和进行网络层配置,NCP 给新接入的 PC机分配一个临时的 IP 地址,使 PC 机成为因特网上的一个主机。
      通信完毕时,NCP 释放网络层连接,收回原来分配出去的 IP 地址。接着,LCP 释放数据链路层连接。最后释放的是物理层的连接。

    使用广播信道的数据链路层

    局域网的数据链路层

    • 局域网是一种典型的广播信道,主要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。
    • 主要有以太网、令牌环网、FDDI 和 ATM 等局域网技术,目前以太网占领着有线局域网市场。
    • 可以按照网络拓扑结构对局域网进行分类:
      • 星形网
      • 环形网
      • 总线网
      • 树形网
    • 数据链路层的两个子层
      • 逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control)子层
      • 媒体接入控制 MAC (Medium Access Control)子层。
      • 概要: 与接入到传输媒体有关的内容都放在 MAC子层,而 LLC 子层则与传输媒体无关,不管采用何种协议的局域网对 LLC 子层来说都是透明的
        所以以后一般不考虑 LLC 子层
    • 适配器
      • 网络接口板又称为通信适配器(adapter)或网络接口卡 NIC (Network Interface Card),或“网卡”。
        • 适配器的重要功能:
          • 进行串行/并行转换。
          • 对数据进行缓存。
          • 在计算机的操作系统安装设备驱动程序。
          • 实现以太网协议。

    CSMA/CD 协议

    • CSMA/CD 表示载波监听多点接入 / 碰撞检测。
      • 多点接入 :说明这是总线型网络,许多主机以多点的方式连接到总线上。
      • 载波监听 :每个主机都必须不停地监听信道。在发送前,如果监听到信道正在使用,就必须等待。
      • 碰撞检测 :边发送边监听 ,如果监听到信道已有其它主机正在发送数据,就表示发生了碰撞。虽然每个主机在发送数据之前都已经监听到信道为空闲,但是由于电磁波的传播时延的存在,还是有可能会发生碰撞。
    • 具体内容
      • 记端到端的传播时延为 τ,最先发送的站点最多经过 2τ 就可以知道是否发生了碰撞,称 2τ 为 争用期 。只有经过争用期之后还没有检测到碰撞,才能肯定这次发送不会发生碰撞。
      • 当发生碰撞时,站点要停止发送,等待一段时间再发送。这个时间采用 截断二进制指数退避算法 来确定。从离散的整数集合 {0, 1, …, (2k-1)} 中随机取出一个数,记作 r,然后取 r 倍的争用期作为重传等待时间。
      • 概要: 示意图
        P85

    使用广播信道的以太网

    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)

    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 τ 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。
    • 发送一帧占用线路的时间是 T0 + τ ,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:

    以太网的 MAC 层

    • MAC 地址是链路层地址,长度为 6 字节(48 位),用于唯一标识网络适配器(网卡)。
    • 一台主机拥有多少个网络适配器就有多少个 MAC 地址。例如笔记本电脑普遍存在无线网络适配器和有线网络适配器,因此就有两个 MAC 地址。

    以太网帧格式:

    • 类型 :标记上层使用的协议;
      数据 :长度在 46-1500 之间,如果太小则需要填充;
      FCS :帧检验序列,使用的是 CRC 检验方法;
    • 出现什么情况是无效的MAC帧

    扩展的以太网

    在物理层扩展以太网

    • 用多个集线器可连成更大的局域网
      • 用集线器组成更大的局域网都在一个碰撞域中
        • 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,那么就不能用集线器将它们互连起来。

    在数据链路层扩展以太网

    • 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 。
        • 优点
          • 过滤通信量。
          • 扩大了物理范围。
          • 提高了可靠性。
          • 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。
        • 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。
      • 交换机
        • 交换机具有自学习能力,学习的是交换表的内容,交换表中存储着 MAC 地址到接口的映射。
          正是由于这种自学习能力,因此交换机是一种即插即用设备,不需要网络管理员手动配置交换表内容。
        • 但有时为了增加网络的可靠性,在使用以太网交换机组网时,往往会增加一些冗余的链路。在这些情况下,自学习的过程就可能导致以太网帧在网络的某个环路中无限制地兜圈,为了解决兜圈子问题,IEEE 的 802.ID 标准制定了一个生成树协议。
          • 不改变网络的实际拓扑,但在逻辑上则切断某些链路,使得从一台主机到所有其他主机的路径是无环路的树状结构,从而消除了兜圈子现象。

    虚拟局域网

    • 虚拟局域网可以建立与物理位置无关的逻辑组,只有在同一个虚拟局域网中的成员才会收到链路层广播信息。
    • 例如下图中 (A1, A2, A3, A4) 属于一个虚拟局域网,A1 发送的广播会被 A2、A3、A4 收到,而其它站点收不到。
      P101
    • 使用 VLAN 干线连接来建立虚拟局域网,每台交换机上的一个特殊接口被设置为干线接口,以互连 VLAN 交换机。IEEE 定义了一种扩展的以太网帧格式 802.1Q,它在标准以太网帧上加进了 4 字节首部 VLAN 标签,用于表示该帧属于哪一个虚拟局域网。

    高速以太网

    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
    • 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。

    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。
    • 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)。

    10 吉比特以太网

    • 10 吉比特以太网只工作在全双工方式
    • 也不使用 CSMA/CD 协议。

    使用高速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。
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  • 我们说的七模型第七层都是应用,第一是最底下的物理。 图中只有物理之间的线条是实线的,可以将这条线理解为两台主机之间的网线,连接两机实现通讯 模型里的每一都是独立的,两台主机之间通信,对应...

    OSI七层模型和TCP/IP五层模型


    OSI七层模型

    我们说的七层模型第七层都是应用层,第一层是最底下的物理层。
    OSI七层协议结构
    图中只有物理层之间的线条是实线的,可以将这条线理解为两台主机之间的网线,连接两机实现通讯

    模型里的每一层都是独立的,两台主机之间通信,对应的层使用的协议相同。

    应用层可以理解为最接近使用者的一层,我们可以直接使用,例如QQ、微信等软件,当我们用此类软件发出一条消息时,最终这条消息的接收方就是目的主机的应用层,但是我们无法直接将信息发送到对方的应用层。所以我们的消息会依次经过以下的每一层,通过不同的协议封装最终通过网线传输到对方电脑,然后在对方电脑一层一层解封装数据包,最后到达对方电脑的应用层软件。这里具体的封装和解封装过程我们在后面的解封装过程中详细说明。
    例如下图(模型图)
    计算机数据传输过程

    TCP/IP五层模型

    在实际的使用中,科学家在每一层中添加对应的协议,发现有其中的表示层和会话层的协议比较少(相对于其他层而言,但也是必不可缺的),于是将这两层合并到应用层,称为TCP/IP五层模型。
    七层协议和五层协议
    五层里面每层都有一些协议,但是由于TCP/IP协议的重要性,为了纪念这两层协议,于是命名为TCP/IP五层模型。

    在互联网所使用的各种协议中, 最重要的 和最著名的就是TCP和IP两个协议。 现在人们经常提到的TCP/IP并不一定是单指TCP和IP这两个具体的协议,而往往是表示互联网所使用的整个TCP/IP协议簇。

    TCP/IP协议簇每一层对应的设备:
    对应设备图

    数据的封装和解封装过程


    数据的封装与解封:
    发送时将上一层交下来的数据加上首部和尾部,成为以太网的帧。接收时将以太网的帧剥去首部和尾部,然后送交上一层

    数据封装
    数据的封装过程是自顶向下的,而解封装过程则相反。

    第五层:应用层

    应用层是体系结构中的最高层。 应用层的任务是通过应用进程间的交互来完成特定网络应用。应用层协议定义的是应用进程间通信和交互的规则。 这里的进程就是指主机中正在 运行的程序。

    应用层传输
    我们在软件上发出一条消息“hello”,应用层将这条消息处理为一个五层的数据包,这里我们就先认为数据包的内容为我们发出的“hello”消息。

    第四层:传输层

    运输层的任务就是负责向两台主机中进程之间的通信提供通用的数据传输服务。 应用 进程利用该服务传送应用层报文。

    传输层封装
    应用层将消息封装成数据包后将数据包传递到传输层,传输层会对五层数据包进行进一步的封装,为该数据包添加一个TCP/UDP头部(TCP或者UDP二者其中一个,具体取决于软件选择那个协议),其中含有源端口号和目的端口号,源端口号即为软件使用的上一层协议的端口号,目的端口号为接收数据方接收该数据的端口号。例如当我们用IE访问一个http开头的网页时,实际上我们时在访问对方的80端口。
    ie访问
    这个过程中系统会为IE浏览器随机生成一个端口号,假如是1000,我们的数据到了传输层,包头中的源端口号为1000,目的端口号为80。

    这里对端口号做一个解释,我们将两方进行数据传输时,应用层软件需要使用应用层的协议,使用的协议有其对应着端口号,当有数据发送出去时,数据是从这个端口号发送出去的,而接收方接受数据时,也是根据传输层包头中的目的端口号对数据进行接收。
    端口到端口传输
    就像两个水桶之间转移水,A水桶需要开一个口让水流出来,B水桶需要开一个口让水进去,这里开的口就是上面的端口,端口号就是对这些端口的编号。

    第三层:网络层

    网络层负责为分组交换网上的不同主机提供通信服务。在发送数据时,网络层把运输层产生的报文段或用户数据报封装成分组或包进行传送。

    在传输层中,TCP/UDP包头为五层数据包提供了目的端口号,但是一个网络里有那么多主机,数据包怎么才能成功的传输到我们指定的主机上呢?所以这里就需要网络层开始自己的工作了!
    类似于传输层,网络层也有一个很重要的协议——IP协议,当四层数据包到网络层时,网络层会对该数据包添加一个IP包头,其中含有数据包的源IP和目标IP,数据传输的过程中就是根据这层的目标IP找到需要通信的主机。
    网络层传输


    前三层的数据包很重要,在一个包中称为上三层数据,是最有价值的包,不能被别人篡改,一旦被篡改就有可能造成通信出错或者信息泄露。(例如本来A发给B的数据,上三层数据被篡改后发给了C)

    接下来的两层在网络中也是必不可少的,虽然上三层在数据包中指明了传输的路线,但是上三层数据包是无法通过介质进行传播的(例如网线、WiFi、光纤),那如果数据包想过介质进行传播的话怎么办呢,这就需要用到下面的两层了。


    第二层:数据链路层

    数据链路层主要功能是如何在不可靠的物理线路上进行数据的可靠传递。为了保证传输,从网络层接收到的数据被分割成特定的可被物理层传输的帧。帧是用来移动数据的结构包,它不仅包括原始数据,还包括发送方和接收方的物理地址以及检错和控制信息。

    当上三层的数据包到了数据链路层,就意味着这个信息已经成功到达计算机的网卡,下一步就可以通过网线传输了,这时我们的信息就需要一个载体来进行传输,于是在第二层会给上三层数据包加上一个二层头部(MAC子层)和二层尾部(FCS)。
    数据链路层封装
    如同从上海到北京,我们作为乘客,期间可能会换乘很多趟列车,每到一个站点换乘的时候,乘客是不会变的,但是列车变了。在数据链路层中也是这样,在传输的过程中,二层的头部和尾部就相当于列车头和列车尾,中间的信息就是乘客,乘客不会变化,但在换车的过程中,列车头和列车尾是会变化的。

    MAC子层头部:
    含有源MAC地址和目标MAC地址字段,关于这一块的内容我们在后面的整理中再学习,这里我们只需要知道每一台主机的MAC地址是唯一固定的。

    FCS:帧校验序列
    上三层加上帧头之后,对中间的信息数据会使用一个循环校验算法,最终得到一个固定的值,我们可以利用这个值和FCS得出这个数据包的内容是否缺失。

    第一层:物理层

    在物理层上所传数据的单位是比特。发送方发送1(或0)时,接收方应当收到1(或0)而不是 0 (或1)。 因此物理层要考虑用多大的电压代表 “ 1 ” 或 “ 0飞以及接收方如何识别出发送方所发送的比特。 物理层还要确定连接电缆的插头应当有多少根引脚以及各引脚应 如何连接。

    物理层
    在物理层,相当于网卡二层数据帧包送到网线上,这时候二层的数据帧包会被转化成一段连续的比特流,然后以电脉冲的形式传输到交换机,最后到达目标主机物理层。

    物理层的协议产生并检测电压以便发送和接收携带数据的信号。在你的PC上插入网络接口卡,你就建立了计算机连网的基础。换言之,你提供了一个物理层。尽管物理层不提供纠错服务,但它能够设定数据传输速率并监测数据出错率。网络物理问题,如电线断开,将影响物理层。

    以上便是对TCP/IP中各层功能和传输数据过程中封装数据包的的一些说明,而当数据包到达目标主机后,目标主机会对数据包进行一个解封装,其中过程如下:
    解封装过程
    实际就是对封装过程的一个逆操作,至于其中具体的一些知识点我们在后面的整理中再进行学习。

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  • 史上最全的数据链路基础知识详解

    千次阅读 多人点赞 2020-03-14 16:45:53
    数据链路1.数据链路的主要功能2.三个基本问题2.1封装成帧2.1.1基本概念2.1.2常用成帧方法2.2透明传输2.2.1解决透明传输问题2.2.2用字节/字符填充法解决透明传输问题2.2.3字节填充的标志字节法的特点.2.2.4字节...

    数据链路层


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    数据链路层属于计算机网络的底层,位于物理层之上,网络层之下

    数据链路层为计算机网络提供有效可靠的帧传输。

    在了解数据链路层的基础知识之前,我们先从它的功能出发

    1.数据链路层的主要功能

    ​ 1)为网络层提供服务

    1. 链路管理:负责数据链路的建立、维持和释放,主要用于面向连接服务。1

    2. 寻址:保证每一帧都能正确到达目的站。

      2)保证数据传输的有效可靠

    3. 帧定界:将物理层的比特封装成帧,确定帧的开始与结束(当两个主机之间互相传送消息时,网络层的分组必须将封装成帧,并以帧的格式进行传送。将一段数据的前后分别添加首部和尾部,就够成了帧。首部和尾部中含有很多控制信息,这些信息的重要作用之一就是确定帧的界限,这就是帧定界。)

    4. 帧同步:接收方确定收到的比特流中一帧的开始位置和结束位置。

    5. 差错控制:用于使接收方确定收到的数据就是由发送方发送的数据。

    6. 透明传输:不论数据是什么样的比特组合,都应当能够在链路上进行传输。

    7. 流量控制:控制发送方的发送数据的速率,使接收方来得及接受。

    涉及到的基本概念

    链路(link):是从一个结点到相邻结点的一段物理线路(有线或者无线)中间没有任何的其他的交换结点

    ​ 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;

    ​ 链路只是一条链路的一个组成部分

    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网络适配器(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。

    数据链路层的传输单元-----帧

    ■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。

    2.三个基本问题

    1)封装成帧

    2)透明传输

    3)差错控制

    2.1封装成帧

    2.1.1基本概念

    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。

    首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界(确定帧的界限)。

    在这里插入图片描述

    在这里插入图片描述

    2.1.2常用成帧方法

    1)带字节/字符填充的首尾定界符法

    ​ 让每一帧用一些特殊的字节作为开始和结束标志。

    2)使用比特填充的标志法(也称零比特填充法)

    2.2透明传输

    [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-BzTEISSq-1584174683800)(G:\博客\透明传输.png)]

    采用零比特填充法就可传送任意组合的比特流,或者说,就可实现数据链路层的透明传输。
    当连续传输两个帧时,前一个帧的结束标志字段F可以兼作后一帧的起始标志字段。
    当暂时没有信息传送时,可以连续发送标志字段,使收端可以一直和发端保持同步。

    2.2.1解决透明传输问题

    1)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)。

    2)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。

    3)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。

    2.2.2用字节/字符填充法解决透明传输问题

    2.2.3字节填充的标志字节法的特点.

    缺点:>

    容易造成帧定界混淆>依赖于8位字符.

    解决方法>

    1)在出现的特殊控制字符前插入转义字符,称为字节/字符填充的标志字节法。

    2)位填充标志法(零比特插入法)

    2.2.4字节填充的首尾定界法

    带字节填充的首尾定界法

    让每一帧用一些特殊的字节(标志字节)作为开始和结束。

    缺点

    当传输数据出现这些特殊的字节时容易造成帧定界混淆。

    解决方法

    在二进制数中偶然出现的标志字节前加入一个转义字节”ESC"。这称为字节/字符填充法。

    2.2.5零比特填充法

    1)以01111110作为一帧的开始和结束标志F字段。>在发送端的数据链路层当碰到一串比特流数据中有5个连续1时,就立即在该比特流后填入一个“0"。

    2)在接收帧时,先找到F字段以确定帧的边界。接着再对比特流进行扫描。每当发现5个连续1时,就将其后的一个“0"删除,以还原成原来的比特流。

    3)零比特填充法使一帧中两个F字段之间不会出现6个连续1。

    2.3差错检测

    2.3.1设计数据链路层的原因:

    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。
    在原始物理传输线路上传输数据信号是有差错的。
    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。

    2.3.2差错产生的原因和差错类型

    1)差错控制—检查接收到的数据是否出现差错以及如何纠正差错;

    2)通信信道的噪声分为两类:热噪声和冲击噪声;

    2.1)热噪声引起的差错是随机差错,或随机错;

    2.2)冲击噪声引起的差错是突发差错,或突发错;

    3)引起突发差错的位长称为突发长度;

    4)在通信过程中产生的传输差错,是由随机差错与突发差错共同构成的。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。

    2.3.3差错控制编码的基本思想

    在发送端被传输的信息位上附加一些冗余位,这些冗余位与信息位之间以某种确定的规则相互关联(约束),接收端按照既定的规则检验信息位与冗余位之间的关系。

    2.3.4差错控制的基本原理

    信息位:发送端要发送的数据
    冗余位:发送端在向信道发送信息位之前,先按照某种关系加上一
    定的冗余位
    发送与接收的过程
    1)发送时:信息位+冗余位构成码字发送;
    2)接收时:收到码字后查看信息位和冗余位,并检查它们之间的关
    系(校验过程),以发现传输过程中是否有差错发生。

    2.3.5差错控制编码分类

    纠错码
    1)每个传输的分组带上足够的冗余信息;接收端能发现并自动纠正传输
    差错。
    2)纠错码需要较多的冗余位,信道利用率不高。
    检错码(局域网中主要使用的是检错码)
    1)分组仅包含足以使接收端发现差错的冗余信息;接收端能发现出错,但不能确定哪一比特是错的,并且自己不能纠正传输差错。目前在数据链路层广泛应用了循环冗余检验CRC (Cyclic Redundancy Check)的检错技术。

    2.3.6循环冗余检验CRC的相关基础知识

    1)在计算机网络和数据通信中用得最广泛的检错码是一种漏检率低得多也便于实
    现的循环冗余码CRC(Cyclic Redundancy Code)
    2)CRC码又称为多项式码。任何一个由二进制数位串组成的代码都可以和一个只
    含有0和1两个系数的多项式建立一—对应的关系。
    3)CRC运算就是在发送数据M后面添加供差错检测用的r位冗余位,构成
    一个由k位信息位加上r位冗余位组成的n=k+r位码字发送出去。

    工作原理:

    一个要发送的k位的帧对应于一个(k-1)次多项式K(x)(k项k-1阶多项式)选定一个多项式编码生成多项式G(x)为除数,G(x)为r阶
    设待发送的k位的帧为M(x),k>r,即发送帧M(x)比G(x)长
    计算r位冗余位:x^r M(x)/G(x)=Q(x)+R(x),其中,Q(x)为商,R(x)为余数
    用二进制的模2运算进行2^r乘M的运算,相当于在M后面添加了r个0,得到(k+r)位被除数除以选定的长度为(r+1)位的除数G,得出商Q和余数R(r位,比G少1位)。

    模2运算:

    在二进制运算中,加减法做模2运算,采用“加法不进位,减法不借位”的规则,即相
    当于异或操作,“相同得0,相异得1"。
    模2乘可以看作模2加,模2除可以看作模2减

    冗余码的计算举例

    现在 k = 6, M = 101001。

    n = 3, 除数 P = 1101,

    被除数是 2^r*M= 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:2^r*M + R

    即:101001001,共 (k + n) 位。

    CRC校验码的检错能力

    1)CRC校验码能检查出全部单个错;
    2)CRC校验码能检查出全部离散的二位错;
    3)CRC校验码能检查出全部奇数个错;
    4)CRC校验码能检查出全部长度小于或等于K位的突发错;
    5)CRC校验码能以[1-(1/2)K-1]的概率检查出长度为(K+1)位的突发错;
    6)如果K=16,则该CRC校验码能全部检查出小于或等于16位的所有的突发差错
    并能以1-(1/2)16-1=99.997%的概率检查出长度为17位的突发错,漏检概率为
    20003%;

    2.3.7帧检验序列 FCS

    1)在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列 FCS (Frame Check Sequence)。

    2)循环冗余检验 CRC 和帧检验序列 FCS并不等同。

    2.1) 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。

    2.2) 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。

    2.3.8接收端对收到的每一帧进行 CRC 检验

    (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 不等于 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。

    2.3.9无差错接受与可靠传输的不同

    1)仅用循环冗余检验 CRC 差错检测技术只能做到无差错接受(accept)。

    2)“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”。

    3)也就是说:“凡是接收端数据链路层接受的帧都没有传输差错”(有差错的帧就丢弃而不接受)。

    4)要做到“可靠传输”(即发送什么就收到什么)就必须再加上确认和重传机制。

    总结

    目前数据链路层广泛使用循环冗余检验CRC的检错技术。

    1) 采用CRC校验码的系统,需要约定一个生成多项式(除数)。

    2)发送方:信息位+冗余位=发送码字  接收方:用收到的CRC码字除以生成多项式,判定余数是否为零?

    1. 1)为零:接收正确,接受数据帧

    2. 2)不为零:接收有错,丢弃数据帧

    3. PPP协议

    3.1数据链路层使用信道的两种类型

    1)点对点信道
    这种信道使用一对一的点对点通信方式。
    2)广播信道
    这种信道使用一对多的广播通信方式。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送。

    3.2点对点信道的数据链路层通信时的主要步骤:

    (1)结点A的数据链路层把网络层交下来的IP数据报添加首部和尾部封装成帧。
    (2)结点A把封装好的帧发送给结点B的数据链路层。
    (3)若结点B的数据链路层收到的帧无差错,则从收到的帧中取出IP数据报交给上面的网络层;否则, 丢弃这个帧。

    3.3 PPP 协议应满足的要求

    1) 简单——这是首要的要求

    2) 封装成帧

    3)透明传输

    4)多种网络层协议

    5) 差错检测能力

    6) 检测连接状态

    7) 网络层地址协商

    8) 数据压缩协商

    3.4 PPP 协议不支持的功能

    1)纠错
    2) 流量控制
    3)序号
    4) 多点线路

    3.5 PPP 协议的组成

    PPP协议有三个组成部分:
    1)一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法。
    2)一个链路控制协议 LCP (Link Control Protocol):用于建立、配置 和测试数据链路连接,并在它们丌需要时将它们释放。
    3)一套网络控制协议 NCP (Network Control Protocol):其中每个 协议支持丌同的网络层协议,用来建立和配置不同的网络层协议。

    3.6 PPP 协议的帧格式

    1)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)。

    2)地址字段 A 只置为 0xFF。地址字段实际上并不起作用。

    3)控制字段 C 通常置为 0x03。

    PPP 是面向字节的,所有的 PPP 帧的长度都是整数字节

    在这里插入图片描述

    注:PPP 有一个 2 个字节的协议字段。

    1)当协议字段为 0x0021 时,PPP 帧的信息字段就是IP 数据报。

    2)若为 0xC021, 则信息字段是 PPP 链路控制数据。

    3)若为 0x8021,则表示这是网络控制数据

    3.7透明传输问题

    1)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)。

    2)当 PPP 用在异步传输时,就使用一种特殊的字符填充法。

    3.7.1字符填充

    1)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)。

    2)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)。

    3)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。

    3.7.2零比特填充

    1)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。

    2)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,

    3.8 PPP 协议之所以不使用序号和确认机制是出于以下的考虑:

    1)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。

    2)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。

    3)帧检验序列 FCS 字段可保证无差错接受。

    3.9PPP协议的工作状态

    1)当用户拨号接入 ISP 时,路由器的调制解调器对拨号做出确认,并建立一条物理连接。

    2)PC 机向路由器发送一系列的 LCP 分组(封装成多个 PPP 帧)。

    3)这些分组及其响应选择一些 PPP 参数,和进行网络层配置,NCP 给新接入的 PC机分配一个临时的 IP 地址,使 PC 机成为因特网上的一个主机。

    4)通信完毕时,NCP 释放网络层连接,收回原来分配出去的 IP 地址。接着,LCP 释放数据链路层连接。最后释放的是物理层的连接。

    PPP协议 状态图:

    在这里插入图片描述

    3.10总结

    1) PPP适用于点到点信道的数据链路层
    2)PPP包括成帧方法、LCP和NCP三个组成部分
    3)PPP采用了带字节填充的标记法实现透明传输
    4)PPP传输的通常是无序号帧
    5)PPP链路可以在空闲、建立、讣证、打开等状态之间切换

    4 局域网的数据链路层

    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。
    局域网就是使用广播信道。

    4.1局域网的特点

    1)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。

    2)局域网具有如下的一些主要优点:

    2.1)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。

    2.2)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。

    2.3)提高了系统的可靠性、可用性和残存性。

    4.2决定局域网性能的三要素

    1)网络拓扑

    2)传输介质

    3)介质接入控制技术

    4.3局域网的拓扑类型

    在这里插入图片描述

    4.3.1星形网:

    由于集线器的出现和双绞线大量用于局域网,星形 以太网以及多级星形结构获得广泛应用。

    4.3.2环形拓扑构型与令牌环网:

    1)结点使用点—点线路连接,构成闭合的物理的环型结构;

    2)环中数据沿着一个方向绕环逐站传输,多个结点共享一条环通路;

    3)环建立、维护、结点的插入不撤出比较复杂。

    4)最典型的是令牌环形网(token ring),又称为令牌环网。

    总线型网:

    1)所有结点都连接到一条作为公共传输介质的总线上;

    2)总线两端的匹配电阻吸 收总线上传播的电磁波信号的能量,避免产生有害的电磁波反射。
    3)总线型局域网的介质访问控制方法采用的是“共享介质”方式;
    4)所有结点都可以通过总线传输介质以“广播”方式収送或接收数据,因此出 现“冲突(collision)”是不可避免的;“冲突”会造成传输失败;

    4.3.3总线网

    1)必须解决多个结点访问总线的介质接入控制(MAC, medium access control)问题。

    2) 总线网可以使用两种协议:

    2.1)一种是传统以太网使用的CSMA/CD协议,现在已经演变为星形网

    2.2)另一种是令牌总线网,即物理上是总线网而逡辑上是令牌环形网。令牌总 线网已退出了市场。

    令牌总线网
    令牌总线网(Token Bus)的物理结构是总线网而逡辑拓扑结构是令牌环 形网。

    4.4局域网使用的传输介质

    1)双绞线
    双绞线是局域网中的主流传输介质。
    从10Mbps到10Gbps的局域网都可以使用双绞线。
    2)光纤
    当数据率很高时,需要使用光纤作为传输媒体。

    4.5广播信道访问

    1)广播信道(又称为共享信道或多路访问信道)面临的问题:
    1.1)可能有多个用户站点同时请求访问信道,如何使多用户合理而方便地共 享通信介质资源?
    解决办法:介质接入控制(MAC, medium access control)。

    4.5.1介质接入控制

    如何分配信道?

    1)静态划分信道:用户开始只要分配得到了信道,就丌会和其他用户収生冲突。

    **2) 动态媒体接入控制:**又称为多点接入(multiple access),信道并非在用户 通信时固定分配给用户,信道是开放的,允许多点(用户)接入访问信道。

    4.5.2静态划分信道

    1) 静态划分信道,如频分复用、时分复用、波分复用和码分复用等。
    2) 信道N等分

    2.1) 资源分配丌合理,不能满足用户对丌同资源占用的不同需求

    2.2)资源浪费,延迟时间大,信道利用率低

    2.3)适用于用户数量固定且用户数量少的情况

    2.4) 适合于通信量大且通信流量稳定的情冴

    2.5)不适合于局域网和某些广播信道的网络使用

    4.5.3动态媒体接入控制

    1)随机接入

    特点:用户可随机地发送信息。但可能有多个用户同时发送信息,那么在共享信道上就要发生碰撞,使得用户的发送都失败。因此, 必须有解决碰撞的网络协议。
    典型的随机接入访问协议
    • ALOHA协议
    • CSMA协议
    • CSMA/CD协议(以太网使用的协议)

    2) 受控接入控制

    特点:用户不能随机地发送信息而必须服从一定的控制来 使用信道。

    典型代表有:

    2.1)分散控制的令牌环网

    2.2)集中控制的多点线路探询(polling) 或称轮询。

    4.6数据链路层的两个子层

    1)为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准,802 委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层:

    逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control)子层

    媒体接入控制 MAC (Medium Access Control)子层。

    2)与接入到传输媒体有关的内容都放在 MAC子层,而 LLC 子层则与传输媒体无关,不管采用何种协议的局域网对 LLC 子层来说都是透明的

    3)以后一般不考虑 LLC 子层

    1. 1)由于TCP/IP 体系经常使用的局域网是 DIX Ethernet V2 1)而丌是 IEEE 802 标准中的几种局域网,因此现在 802 委员会制定的逡辑链路控制子层 LLC (即 802.2 标准)的作用已经不大了。
      3. 2)很多厂商生产的网卡上就仅装有 MAC 协议而没有 LLC 协议2)

    4)以太网和传统以太网

    1.)严格说来,“以太网”应当是指符合 DIX Ethernet V2 标准的局域网。

    2.)通常用“传统以太网”来表示最早的10Mbit/s速率的以太网

    4.7适配器

    1)计算机不外界局域网的连接是通过通信适配器(adapter)。

    2)网络接口板又称为通信适配器(adapter)或网络接口卡 NIC (Network Interface Card),或“网卡”。

    2)适配器的重要功能:

    2.1)进行串行/并行转换。

    2.2)对数据进行缓存。

    2.3)在计算机的操作系统安装设备驱动程序。

    2.4)实现以太网协议。

    计算机通过适配器和局域网进行通信

    [外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-zRZXOjLb-1584174683802)(G:\博客\images\适配器与局域网通信.png)]

    4.8 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。当初认为这样的连接方法既简单又可靠,因为总线上没有有源器件。

    4.8.1总线型以太网

    1)最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。
    2) 总线上的每一个计算机都能检测到任一主机収送的数据信号,这就是广 播通信方式。

    4.8.2具有广播特性总线上实现一对一的通信

    1) 每一台计算机的适配器地址不同,在B向D发送数据帧时,在发送帧的首 部写明接收站D的地址。
    2) 只有计算机 D 的地址不数据帧首部的地址一致,因此只有 D 才接叐这 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接受。

    4.8.3为了通信的简便,以太网采取了两种重要的措施

    1)第一、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。
    1.1)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。
    • 局域网信道的质量很好,因信道质量产生差错的概率很小。

    1.2)以太网提供的服务是丌可靠的交付,即尽最大努力的交付。

    1.3)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。
    1.4)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)第二、以太网収送的数据都使用曼彻斯特(Manchester)编码 的信号。
    曼彻斯特(Manchester)编码的编码方法是把每个码元分成两个相等的间隔。 如图,码元1是前一个间隔为高电压后一个间隔为低电压,即位周期中心向下跳变表示1;码元0正好相反,位周期中心向上跳变表示0。这样保证了在每一个 码元中间出现一次电压的转换,接收端就利用这种电压的转换方便地把位同步 信号提取出来。

    在这里插入图片描述

    总线形以太网在同一时间只能允许一台计算机収送信息,那么如何 协调总线上各计算机的工作?

    ​ 以太网采用CSMA/CD协议。

    接下来便是CSMA/CD协议的阐述

    4.9 CSMA协议

    4.9.1CSMA ( Carrier Sense Multiple Access) 表示载波监听多点接入。

    1) “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,即总线 形网。
    2) “载波监听”是指“先听后収” ,即每一个站在发送数据前先要用电子技术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,必须要等到信道空闲才能収送。
    3) 总线上并没有什么“载波”。因此,“载波监听”就是检测信道。
    4) 不管在发送前,还是在发送中,每个站都必须不停地检测信道。

    4.9.2碰撞检测

    1)“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。

    2)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)。

    3)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。

    4)所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。

    4.9.3检测到碰撞后

    1)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。

    2)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

    4.9.4电磁波在总线上的有限传播速率的影响

    1)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。

    2)A 向 B 发出的信息,要经过一定的时间后才能传送到 B。

    3)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。

    4)碰撞的结果是两个帧都变得无用。

    在这里插入图片描述

    4.9.5重要特性

    以太网使用 CSMA/CD( Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)带有碰撞检测的载波监听多点接入协议。

    1)使用 CSMA/CD 协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信(半双工通信)。

    2)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。

    3)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。

    4.9.6争用期

    1.基本概念

    1)最先发送数据帧的站,在发送数据帧后至多经过时间 2t (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。

    2)以太网的端到端往返时延 2t 称为争用期,或碰撞窗口。

    3)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。

    4)以太网使用截断二进制指数退避(truncated binary exponential backoff)算法来确定碰撞后重传的时机

    2.二进制指数类型退避算法

    1)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。

    2)确定基本退避时间,一般是取为争用期 2t

    3)定义重传次数 kk £ 10,即

    k = Min[重传次数, 10]

    4)从整数集合[0,1,…, (2^k -1)]中随机地取出一个数,记为 r。重传所需的时延就是 r 倍的基本退避时间。

    5)当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧,并向高层报告。

    3.争用期的长度

    1)以太网取 51.2 微秒为争用期的长度。

    2)对于 10 Mb/s 以太网,在争用期内可发送512 bit,即 64 字节。

    3)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。

    4.最短有效帧长

    1)如果发生冲突,就一定是在发送的前 64 字节之内。

    2)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。

    3)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。

    5.强化碰撞

    1)当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时:

    2)立即停止发送数据;

    3)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。

    4.10 CSMA/CD的发送流程可以概括为:

    1) 先听后发

    2)边听边发

    3) 冲突停止

    4) 延迟重 发

    小结:

    1)CSMA的基本原理:先听后发
    2) CSMA/CD的基本原理: 先听后发 边听边发 冲突停止 延迟重 发

    3) 传统以太网使用了CSMA/CD协议
    4)传统以太网将端到端往返时延 2 t定义为争用期,规定了最短有效帧长为 64 字节,
    即512bit,争用期时间是51.2us
    5) 以太网使用截断二进制指数退避算法来确定碰撞重传的时机

    5.使用集线器的双绞线以太网

    IEEE 802.3标准制定的传统以太网使用的传输媒体有四种

    1)铜缆(粗缆10Base5或细缆10Base2)
    2)双绞线 10Base-T
    3)光缆 10Base-F

    这样,以太网就有四种不同的物理层

    1. 10Base5粗缆以太网

    1) 粗缆以太网是原始的以太网标准。

    2) 10Base5表示的含义是:工作速率为10Mb/s,采用 基带信号传输,最大支持网段长为500m。
    3)使用直径10mm的50欧姆粗同轴电缆为传输介质
    4)采用总线型拓扑结构

    2. 10Base5粗缆以太网的有关布线标准:
    1) 每个网段最大允许距离为500m。
    2) 任意两个站点乊间,最多使用4个中绠器(转収器),连接3个网段,故最 大网络直径为2500m。
    3) 站点到收収器的最大距离为0.5m。
    4)主干线段的每一端均需有一个50欧姆的终端电阻,其中一端必须接地。

    3.细缆以太网 10BASE2

    细缆以太网10Base2标准:
    1)更便宜的直径为 5 mm 的细同轴电缆

    2)直接用标准 BNC T 型接头连接到网卡上的 BNC 连接器的插口。
    3)10Base2表示的含义是:工作速率为10Mb/s, 采用基带信号传输,最大支持网段长为185m。

    4. 10Base2细缆以太网的有关布线标准:
    1)每个网段最大允许距离为185m。
    2) 每个网段允许有30个站点。
    3) 任意两个站点乊间,最多使用4个中绠器,连接3个电缆网段,故最大网络 直径为925m,最大网络节点数是90个。
    4)站点到收収器的最大距离为0.5m。
    5) 同样主干线段的每一端均需有一个50欧姆的终端电阻,其中一端必须接地

    5.10Base-T双绞线以太网
    1)1990年IEEE制定了星形以太网10Base-T的标准 802.3i。
    2) 使用3类或3类以上无屏蔽双绞线UTP为传输介质, 采用星形拓扑结构,中央节点通常为集线器HUB 或交换机,用RJ-45模块作为端接器。
    3)10Base-T表示的含义是:速率为10Mb/s,采用 基带信号传输,T表示使用的传输介质为双绞线。

    6. 10Base-T双绞线以太网的有关布线标准
    1)网段最大允许距离为100m。
    2)每个网段允许有1024个站点。
    3)保持了10Base5的4中绠器/5网段的设计能力。
    4)使用RJ-45连接器。针1和2用于传输,针3和6用于接收。

    10Base-T双绞线以太网
    10BASE-T 双绞线以太网既降低了成本,又提高了可靠性,是局域网 収展叱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。

    7. 10Base-F光纤以太网 用作集线器的远程连接

    5.1集线器的一些特点

    1)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。

    2)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。

    3)集线器很像一个多接口的转发器,工作在物理层,它的每个接口只是简单地转发比特,不进行碰撞 检测。
    4)集线器有许多接口,每个接口通过RJ-45插头与一台计算机上的适配器 相连,因此很像一个多端口的转发器。

    5.2用集线器扩展以太网

    1)用多个集线器可连接成覆盖更大范围的多级星形以太网。
    2) 一个以太网就是一个独立的碰撞域(Collision domain,又称为冲突域),即在 任一时刻,在每一个碰撞域中只能有一个站发送数据。

    优点
    1) 使原来属于不同碰撞域的以太网上的计算机能够进行跨碰撞域的通信。
    2) 扩大了以太网覆盖的地理范围。
    缺点
    1)碰撞域增大了,但总的吞吐量并未提高。
    2)如果不同的碰撞域使用不同的数据率,那么就不能用集线器将它们互连起 来。

    5.3小结

    1)传统以太网从最初使用粗同轴电缆,到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。
    2) 使用集线器的双绞线以太网物理上是一个星形网,在逻辑上仍是一个总线网,使用的还是CSMA/CD协议。
    3) 集线器是工作在物理层的网络互连设备,它的接口只简单地转发比特。可以把集线器看成一个多接口的转収器。用集线器可以扩展星形以太网。

    6.以太网的MAC层

    1)IEEE 802 委员会将局域网的数据链路层分成逻辑链路控制 LLC 子层和媒体接入
    控制 MAC 子层。
    2) 不传输媒体接入有关的内容都放在 MAC子层。

    3)具有广播特性总线上实现一对一的通信 发送帧的首部包含目的接收站的硬件地址 接收站根据发送帧中的地址是否是自己的来判定是否接受

    6.1 MAC 层的硬件地址

    1)在局域网中,硬件地址又称为物理地址,或 MAC 地址。

    2)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。

    3)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。

    4)IEEE 802标准为局域网规定了一种48bit(6字节)的全球地址(简称为“地 址”),是指局域网上每台计算机中固化在适配器的ROM中的地址

    6.2 48 位的 MAC 地址

    1)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)。

    2)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。

    3)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。

    4)“MAC地址”实际上就是适配器地址或适配器标识符EUI-48

    “MAC地址”实际上就是适配器地址或适配器标识符。 每个主机拥有不同的适配器(网卡)地址,路由器同时连接两个网络, 它需要两块适配器(网卡)和两个MAC地址

    6.3 适配器检查 MAC 地址

    1)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.

    1.1)如果是发往本站的帧则收下,然后再进行其他的处理。

    1.2)否则就将此帧丢弃,不再进行其他的处理。

    2)“发往本站的帧”包括以下三种帧:

    2.1)单播(unicast)帧(一对一)

    2.2)广播(broadcast)帧(一对全体)

    2.3)多播(multicast)帧(一对多)

    6.3.1 MAC 帧的格式

    常用的以太网MAC帧格式有两种标准 :

    1)DIX Ethernet V2 标准

    2)IEEE 的 802.3 标准

    最常用的 MAC 帧是以太网 V2 的格式。

    6.3.2 帧间最小间隔

    1)帧间最小间隔为 9.6 ms,相当于 96 bit 的发送时间。

    2)一个站在检测到总线开始空闲后,还要等待 9.6 ms 才能再次发送数据。

    3)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。

    6.3.3无效的 MAC 帧

    1)数据字段的长度与长度字段的值不一致;

    2)帧的长度不是整数个字节;

    3)用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错;

    4)数据字段的长度不在 46 ~ 1500 字节之间。

    5)有效的 MAC 帧长度为 64 ~ 1518 字节之间。

    6)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。

    6.4小结

    1) MAC地址(物理地址)由48位组成,前24位需由厂商向IEEE申请。
    2) MAC地址就是适配器地址或适配器标识符EUI-48。
    3) 常用的以太网MAC帧格式有两种标准:

    3.1) DIX以太网V2标准(常用的以太网V2MAC帧)
    3.2) IEEE 802.3标准
    4) 有效的以太网MAC帧长度为64~1518字节之间。检查出无效的MAC帧就
    简单地丢弃,以太网不负责重传丢弃的帧。

    6.5 以太网 V2 的MAC帧格式

    7.使用透明网桥扩展以太网

    7.1扩展以太网最初常用的方法是在数据链路层使用网桥(Bridge)。

    1)网桥对收到的帧根据其MAC 帧的目的地址迚行转发(forwarding)和过滤 (filtering)。
    2)当网桥收到一个帧时,并丌是向所有的端口转发此帧,而是根据此帧的目的MAC地址, 查找网桥中的转发表,然后确定将该帧转发到哪一个端口,或者把此帧丢弃(即过 滤)。

    网桥使各网段成为隔离开的碰撞域
    过滤了通信量。在同一个网段中通信的帧不会被网桥转发到另一个网段 去。

    7.2使用网桥带来的好处以及缺点

    优点

    1)过滤通信量。

    2)扩大了物理范围。

    3)提高了可靠性。

    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。

    缺点

    1)存储转发增加了时延。

    2)在MAC 子层并没有流量控制功能。

    3)具有不同 MAC 子层的网段桥接在一起时时延更大。

    4)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。

    7.3网桥和集线器(或转发器)不同

    网桥是数据链路层的网络互连设备,而集线器工作在物理层。
    1)集线器在转发帧时,不对传输媒体进行检测。
    2)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。
    3) 网桥和转发器都可以扩展局域网,但网桥还能起到提高局域网的效率并连接不同MAC子层和不同速率局域网的作用。

    7.4透明网桥

    1)以太网使用的网桥是透明网桥(transparent bridge)。
    2)“透明”是指局域网上的站点并丌知道所发送的帧将经过哪几个网桥,因为网桥 对各站来说是看丌见的,网桥负责帧转发的路由选择。
    3) 透明网桥是一种即插即用设备,其标准是 IEEE 802.1D。
    4) 网桥最重要的工作是构建和维护转发表。
    当一个网桥刚刚连接到局域网上时,其转发表是空的。 网桥的转发表是怎样建立起来的呢?

    7.4.1透明网桥按照逆向学习算法逐步建立转发表

    逆向学习(backward learning):

    若从 A 发出的帧从端口 x 进入了网桥,那么从 端口x出发沿相反方向一定可把一个帧传送到 A。

    1) 网桥每收到一个帧,就记下其源MAC地址和迚入网桥的端口x,作为转发表中 的一个项目。

    2) 建立转发表时是把收到帧首部中的源MAC地址写在“地址”栏,将迚入网桥的 端口号写在相应的“端口”栏,同时记录登记更新时间。

    3)转发帧时,则是根据收到的帧首部中的目的MAC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,而把记下的迚入 接口当作转发接口。

    7.4.2透明网桥转发处理帧的方法

    网桥接收与之连接的所有LAN传送的每一帧。对收到帧的转发处理取决于 MAC帧的源LAN和目的LAN:

    1) 如果源LAN和目的LAN相同,则丢弃该帧;

    2)如果源LAN和目的LAN丌同,则转发该帧;

    3) 如果目的LAN未知,则广播该帧。

    7.4.3透明网桥在转发表中登记以下三个信息

    1)站地址:登记收到的帧的源 MAC 地址。

    2)接口:登记收到的帧进入该网桥的接口号。

    3)时间:登记收到的帧进入该网桥的时间。

    转发表中的 MAC 地址是根据收到帧的源 MAC 地址写入的,但在进行转 发时是将此 MAC 地址当作目的地址。

    2个并行的透明网桥

     为了提高可靠性,在LAN之间设置了并行的两个或多个网桥,但这种配置在 拓扑结构中产生了回路,造成转发的帧在网络中不断地兜圈子

    7.4.4生成树的得出

    1)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。

    2)为了避免产生转发的帧在网络中不断地兜圈子。

    3)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。

    7.4.5生成树的算法

    1) 每隔几秒钟每一个网桥广播其序列号(由生产网桥的厂家设定的一个惟一的序 号) 。
    2) 生成树算法选择一个网桥作为生成树的根(例如,选择一个最小序号的网桥), 然后按根到每个网桥的最短路径构造一棵生成树。如果某个网桥或LAN失效, 则重新计算构造生成树。
    3) 该算法可以建立起从每个LAN到根的唯一路径,也是每个LAN到其他LAN的 唯一路径,故丌可能再有循环。
    4) 当互连局域网的数目非常大时,生成树的算法很花费时间。这时可将大的互 连网划分为多个较小的互连网,然后得出多个生成树。

    7.5 小结

    1)网桥工作在数据链路层,根据MAC帧的目的地址对收到的帧迚行转发和过滤。

    2)早期使用透明网桥在数据链路层扩展以太网。

    3)透明网桥使用了生成树算法,避免产生转发的帧在网络中丌停的兜圈子。
    4) 网桥和转发器都可以扩展局域网,但网桥是数据链路层的网络互连设备,集线器是
    工作在物理层的互连设备,网桥还能起到提高局域网的效率并连接丌同MAC子层
    和不同速率局域网的作用。

    8 以太网交换机

    8.1多接口网桥——以太网交换机

    1)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。

    2)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)。

    3)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。

    8.2以太网交换机的特点

    1)以太网交换机具有并行性,即能同时连通多对接口,使多对主机能同时通 信(而网桥一次只能分析和转发一个帧)。相互通信的多对主机都是独占 传输媒体,无碰撞地传输数据。
    2) 以太网交换机是一种即揑即用设备,其内部的帧交换表(又称为地址表)是 通过逆向学习(backward learning,或称自学习)算法自动地逐渐建立起 来的。
    3)以太网交换机使用了专用的交换结构芯片,用硬件转发,其交换率比使用软件转发的网桥快得多。

    4)以太网交换机的每个接口都直接与主机相连,并且一般都工作在全双工方式。

    8.3以太网交换机的功能

    1) 以太网交换需要建立和维护一个内部的交换转发表(即MAC地址与交换机 端口号对应关系的映射表)。
    2)在发送主机与接收主机端口之间建立虚连接。
    3) 完成帧的过滤(filtering)与转发(forwarding)。
    4) 执行生成树协议,防止出现环路。

    独占传输媒体的带宽

    1)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。

    2)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。

    8.4从总线以太网到星形以太网

    1. 从传统10Mbit/s共享总线以太网到以太网交换机作为交换结点的星形以太网,所 有接入设备的软件和硬件、适配器等都不需要做任何改动。
    2. 总线以太网使用了CSMA/CD工作方式,以半双工方式工作。
    1. 星形以太网不使用共享总线,没有碰撞问题,不使用CSMA/CD,而是以全双工 方式工作。但仍然采用以太网的帧结构。
      4 .以太网交换机一般具有多种速率的接口,可以使用10Mbit/s、100Mbit/s和 1Gbit/s的接口的组合,极大方便了各种用户的使用。

    8.5以太网交换机的交换模式

    1.直接(cut-through)交换方式

    交换机接收并检测到帧的目的地址字段,立即将该帧转发出去,不迚行差错校验。
    这种方式提高了帧的转发速度,交换时延小;但缺乏智能性和安全性,也无法支持具有不同速率的端口的交换。
    2.存储转发式

    ​ 交换机先将接收到的帧存储在高速缓存里,幵检查数据是否正确, 确认无误后通过查找转发表将该帧发送出去。如果发现帧有错,就将其抛弃。

    ​ 优点是可靠性高,能支持不同速率端口间的转换,缺点是延迟较大。

    3.改进直接交换方式

    在接收到帧的前64字节后,判断帧头字段是否正确,如果正确就转发。对于短帧来说,交换延迟时间与直接交换接近;对于长帧来说, 由于只对地址字段和控制字段进行差错检测,交换延迟时间将会减少。

    ​ 现有的生产厂商已生产出能支持不同交换方式的以太网交换机。在结构化布线系统中,广泛地使用了以太网交换机。

    8.6碰撞域和广播域的概念

    1.碰撞域描述了一组共享网络访问媒体的网络设备覆盖的区域。

    1.1)一个集线器连接的一个网络是一个碰撞域;

    1.2)以太网交换机每个端口构成一个独立的碰撞域。
    2 . 广播域是指广播分组直接到达1的区域。

    2.1)所有直接相连的二层交换机都位于一个广播域中;
    2.2)所有直接相连的集线器都位于一个广播域中;

    2.3)只有路由器才能隔离广播域。

    8.7 小结

    1)以太网交换机(switch)又称为第二层交换机(工作在数据链路层)。以太网交换
    机实质上就是一个多端口的网桥,每个端口都直接与一台主机或一个集线器相连,
    并工作在全双工方式。

    2) 以太网交换机具有并行性,能同时连通多对接口同时通信(而网桥一次只能分析
    和转发一个帧),每对主机都是独占传输媒体,无碰撞地传输数据。

    3)以太网交换机兼容直接(cut-through)交换方式和存储转发方式

    4)从总线以太网到采用以太网交换机的星形以太网,不再使用CSMA/CD,而是以
    全双工方式工作。但仍然采用以太网的帧结构。

    5)以太网交换机一般具有多种速率的接口,可以方便 各种用户的接入。

    9 虚拟局域网

    9.1物理局域网LAN:

    将地理位置相邻的站点互连实现通信。

    1)IEEE 802.1Q 标准中定义:

    虚拟局域网VLAN(Virtual LAN)是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的 逻辑组。

    2) 这些网段具有某些共同的需求。

    1. 1)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。

    2.2)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。

    3) 利用以太网交换机可以很方便地实现虚拟局域网VLAN。

    9.2虚拟局域网使用的帧格式

    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。

    9.3虚拟局域网的实现方法

    9.3.1按交换机端口划分定义虚拟局域网(最常用的方式)

    被设定的端口都在同一个广播域中。允许跨越多个交换机的多个不同端口划 分VLAN,不同交换机的若干个端口可以组成同一个VLAN。

    9.3.2用 MAC地址定义虚拟局域网(链路层的虚拟局域网)

    根据每个主机的MAC地址来划分,即对每个MAC地址的主机都配置它属于哪 个组。优点是当用户物理位置移劢时,即从一个交换机到另一个交换机时, VLAN不用重新配置。缺点是初始化时,所有用户都需要配置,当用户数量多 时,配置费费时。

    9.3.3用网络层地址定义虚拟局域网

    1) IP广播组虚拟局域网

    2)根据应用所需网络带宽和服务质量级别定义虚拟局域网

    9.4小结

    1) 虚拟局域网VLAN(Virtual LAN)是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻 辑组。

    2) VLAN可以利用以太网交换机实现,在以太网帧中增加VLAN标签来给以太网帧分 类,具有相同VLAN标签的以太网帧在同一个广播域中传送。

    3) 虚拟局域网使用扩展了的以太网帧,插入了VLAN标记字段的以太网帧称为802.1Q 帧。

    4) 物理位置不同的多个主机如果划分属于同一个VLAN,则这些主机之间可以相互通 信。物理位置相同的多个主机如果属于不同的VLAN,则这些主机之间不能直接通 信。

    5) 虚拟局域网可以限制广播范围,形成虚拟工作组,动态管理网络。

    10 高速以太网

    1)速率达到或超过 100 Mb/s 的以太网称为高速以太网。

    2)从10Mbit/s的以太网到高速以太网,在数据链路层中,所有速率的以太网的帧结构都几乎相同

    10.1 100BASE-T 以太网

    1)速率达到或超过 100 Mb/s 的以太网称为高速以太网。

    2)在双绞线上传送 100 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)

    10.1.2 100BASE-T 以太网的特点

    1)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。

    2)MAC 帧格式仍然是 802.3 标准规定的。

    3)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。

    4)帧间时间间隔从原来的 9.6 us 改为现在的 0.96 us。

    5)保留了传统以太网的基本特征(相同的帧格式、最小帧长、最大帧长等)。
    6)802.3u标准定义了介质与用接口(Media Independent Interface MII),将MAC层不物理层分开。 这样,物理层在实现100 Mb/s速率时使用的传输介质和信号编码方式的变化丌会影响MAC层。
    7) 允许在 100 Mb/s下全双工(CSMA/CD丌起作用)和半双工(仍然使用CSMA/CD工作方式)两种方 式工作。

    10.1.3 三种不同的物理层标准

    1)100BASE-TX

    使用 2 对 UTP 5 类线或屏蔽双绞线 STP。

    网段最大长度100m。

    2)100BASE-FX

    使用 2 对光纤。

    网段最长2000m

    3)100BASE-T4

    使用 4 对 UTP 3 类线或 5 类线(3对线同时传送数据,1对线作为 碰撞检测的接收信道。)。

    网段最大长度100m

    10.1.4速率自动协商机制

    1)100BASE-T 以太网具有10Mbps和100Mbps速率网卡共存的速率自动协商机制。
    2)速率自动协商具有以下功能:不其他节点网卡交换工作模式相关参数,自动协商和选择共有的性能最高的工 作模式,自动协商过程要在500ms内完成。
    3) 自动协商只涉及物理层,协商过程中按照性能从高到低的选择排序是:
    • 100BASE-TX或100BASE-FX 全双工
    • 100BASE-T4
    • 100BASE-TX
    • 10BASE-T全双工
    • 10BASE-T

    10.2吉比特以太网

    1)允许在 1 Gb/s 下全双工和半双工两种方式工作。

    2)使用 802.3 协议规定的帧格式。

    3)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)。

    4)与 10BASE-T 和 100BASE-T 技术向后兼容。

    10.2.1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。

    10.2.2载波延伸

    1) 吉比特以太网工作在半双工方式时,就必须迚行碰撞检测。
    2) 由于数据率提高了,因此只有减小最大电缆长度或增大帧的最小长度,才能使参数 a 保持为较小的数值。
    3) 吉比特以太网仍然保持一个网段的最大长度为 100 m,但采用了“载波延伸”的办法,使最 短帧长仍为 64 字节(这样可以保持兼容性),同时将争用时间增大为 512 字节。

    在短 MAC 帧后面加上载波延伸
    1)凡发送的 MAC 帧长丌足 512 字节时,就用一些特殊字符填充在帧的后面,使MAC 帧的 发送长度增大到 512 字节,但这对有效载荷并无影响。
    2)接收端在收到以太网的 MAC 帧后,要将所填充的特殊字符删除后才向高层交付。

    10.2.3分组突发

    1)当很多短帧要发送时,第一个短帧要采用上面所说的载波延伸的方法迚行填充。
    2) 随后的一些短帧则可一个接一个地发送,只需留有必要的帧间最小间隔即可。这样就形成可一串 分组的突发,直到达到 1500 字节或稍多一些为止

    10.2.4 10 吉比特和100吉比特以太网

    1) 10 吉比特以太网不 10 Mb/s,100 Mb/s 和 1 Gb/s 以太网的帧格式完全相同。
    2) 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。
    3) 10 吉比特以太网只工作在全双工方式,因此没有争用问题,也丌使用 CSMA/CD 协议

    10.2.5端到端的以太网传输

    10 吉比特以太网的出现,使以太网的工作范围从局域网(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:
     经过实践证明的成熟的技术
     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。

    10.3 小结

    速率达到或超过 100 Mb/s 的以太网称为高速以太网。
     从10Mbit/s的以太网到高速以太网,所有速率的以太网都保留了以太网的基本特征(帧结构、最短帧长、最 长帧长)。在速率提升之后,只是在物理层制定了丌同的标准,高层软件丌需要做仸何改劢。
     以太网从传统10 Mb/s以太网、100Mb/s快速以太网,1G比特以太网、 10G比特以太网、40GE/100GE的演 迚证明了以太网是:
    • 可扩展的(从 10 Mb/s 到 100 Gb/s)。
    • 灵活的(多种物理层传输媒体、全/半双工、共享/交换)。
    • 易于安装,稳健性好。

    11.数据链路层设备

    二层设备

    1)网卡

    2)网桥

    3)交换机

    11.1网卡 NIC (Network Interface Card)”又称为通信适配器(adapter)。

     为主机提供对传输介质的访问(Media Access Control),实现主机不网络的连接通信。
     每块网卡有唯一的MAC地址烧录在其ROM芯片中。
     封装数据成帧(Framing),为传输比特流打包。
     实现数据的编码/解码。
     提供数据串行/并行传输的转换。

    11.1.1网卡分类

    根据网卡所支持的物理层标准不主机接口的不同,网卡可以分为以太网卡和令牌环网卡等。
    根据网卡支持的计算种类,主要分为标准以太网卡(用于台式计算机联网)和PCMCIA网卡(用 于笔记本电脑联网)。
    根据网卡支持的传输速率,主要分为10Mbps网卡、100Mbps网卡、10/100Mbps自适应网卡、 1000Mbps网卡等。
    根据网卡支持的总线类型,主要分为ISA、EISA、PCI等。

    11.2网桥

    网桥是用来连接不同的LAN段,在数据链路层可扩展局域网的作用范围。

     通过过滤属于同一网段内的通信流量,隔离碰撞域,减少冲突,改善网络的性能。

     以LAN段分流通信量,基于MAC地址存储转发和过滤。

    11.3 交换机

    1)交换机实质上是一个多端口的网桥,其工作原理不网桥相同。

    2)交换机最重要的工作就是建立和维护其地址转发表(即端口号/ MAC地址映 射表)。

    3)交换机通过检查端口传入帧的源 MAC 地址来动态构建 MAC 地址表。
    4)交换机通过匹配帧中的目的 MAC 地址不 MAC 地址表中的条目来转发 帧。

    适配器/网卡是一层和二层设备
    主要是第二层设备

     每块适配器的ROM中烧录一个唯一的MAC地址(Naming)标识符

     封装数据成帧(Framing),为传输比特流打包

     提供介质访问(Medium Access Control)
    也是第一层设备

     创建信号不传输介质的接口(Signaling)

     内建转发器(transceiver)

    主机的物理地址就是网卡的地址 在Windows 主机上,ipconfig /all 命令可查询网卡的 MAC 地址。

    交换机通过检查学习MAC帧的源地址和迚入的端口号构建其内部的端口号/MAC地址映射表,而 转发过滤帧时是通过检查MAC帧的目的MAC地址。

    以太网交换机取代了集线器作为星形以太网的中央交换结点用于扩展局域网,改善网络的性能。

    100 Gb/s)。
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     为主机提供对传输介质的访问(Media Access Control),实现主机不网络的连接通信。
     每块网卡有唯一的MAC地址烧录在其ROM芯片中。
     封装数据成帧(Framing),为传输比特流打包。
     实现数据的编码/解码。
     提供数据串行/并行传输的转换。

    11.1.1网卡分类

    根据网卡所支持的物理层标准不主机接口的不同,网卡可以分为以太网卡和令牌环网卡等。
    根据网卡支持的计算种类,主要分为标准以太网卡(用于台式计算机联网)和PCMCIA网卡(用 于笔记本电脑联网)。
    根据网卡支持的传输速率,主要分为10Mbps网卡、100Mbps网卡、10/100Mbps自适应网卡、 1000Mbps网卡等。
    根据网卡支持的总线类型,主要分为ISA、EISA、PCI等。

    11.2网桥

    网桥是用来连接不同的LAN段,在数据链路层可扩展局域网的作用范围。

     通过过滤属于同一网段内的通信流量,隔离碰撞域,减少冲突,改善网络的性能。

     以LAN段分流通信量,基于MAC地址存储转发和过滤。

    11.3 交换机

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    2)交换机最重要的工作就是建立和维护其地址转发表(即端口号/ MAC地址映 射表)。

    3)交换机通过检查端口传入帧的源 MAC 地址来动态构建 MAC 地址表。
    4)交换机通过匹配帧中的目的 MAC 地址不 MAC 地址表中的条目来转发 帧。

    适配器/网卡是一层和二层设备
    主要是第二层设备

     每块适配器的ROM中烧录一个唯一的MAC地址(Naming)标识符

     封装数据成帧(Framing),为传输比特流打包

     提供介质访问(Medium Access Control)
    也是第一层设备

     创建信号不传输介质的接口(Signaling)

     内建转发器(transceiver)

    主机的物理地址就是网卡的地址 在Windows 主机上,ipconfig /all 命令可查询网卡的 MAC 地址。

    交换机通过检查学习MAC帧的源地址和迚入的端口号构建其内部的端口号/MAC地址映射表,而 转发过滤帧时是通过检查MAC帧的目的MAC地址。

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