计算机网络原理笔记 第三章 数据链路层（三）

计算机网络原理笔记 第三章 数据链路层（三）

• • 3.5 扩展的以太网
  • • 3.5.1在物理层扩展以太网
    • 3.5.2在数据链路层扩展以太网
  • 3.6高速以太网
  • • 3.6.1 100BASE-T以太网
  • 3.6.2 吉比特以太网
  • • 3.6.3 10吉比特以太网
    • 3.6.4 使用高速以太网进行宽带接入

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3.5 扩展的以太网

3.5.1在物理层扩展以太网

• 主机使用光纤和一对光纤调制解调器连接到集线器
• 某大学有三个系，各自有一个局域网
  
• 用集线器组成更大的局域网都在一个碰撞域中
  
  用集线器扩展局域网

优点：

• 使原来属于不同碰撞域的局域网上的计算机能够进行跨碰撞域的通信。

• 扩大了局域网覆盖的地理范围。

缺点：

• 碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。
• 如果不同的碰撞域使用不同的数据率，那么就不能用集线器将它们互连起来。

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3.5.2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

网桥使各网段成为隔离开的碰撞域

使用网桥带来的好处

• 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。

网桥和集线器（或转发器）不同

• 集线器在转发帧时，不对传输媒体进行检测。

• 网桥在转发帧之前必须执行 CSMA/CD 算法。

  • 若在发送过程中出现碰撞，就必须停止发送和进行退避。

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透明网桥

• 目前使用得最多的网桥是透明网桥(transparent bridge)。

  • “透明”是指局域网上的站点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥，因为网桥对各站来说是看不见的。

  • 透明网桥是一种即插即用设备，其标准是 IEEE 802.1D。
    

自学习算法

按照以下自学习算法处理收到的帧和建立转发表

• 若从 A 发出的帧从接口 x 进入了某网桥，那么从这个接口出发沿相反方向一定可把一个帧传送到 A。

• 网桥每收到一个帧，就记下其源地址和进入网桥的接口，作为转发表中的一个项目。

• 在建立转发表时是把帧首部中的源地址写在“地址”这一栏的下面。

• 在转发帧时，则是根据收到的帧首部中的目的地址来转发的。这时就把在“地址”栏下面已经记下的源地址当作目的地址，而把记下的进入接口当作转发接口。

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网桥在转发表中登记以下三个信息

在网桥的转发表中写入的信息除了地址和接口外，还有帧进入该网桥的时间。

•这是因为以太网的拓扑可能经常会发生变化，站点也可能会更换适配器（这就改变了站点的地址）。另外，以太网上的工作站并非总是接通电源的。

•把每个帧到达网桥的时间登记下来，就可以在转发表中只保留网络拓扑的最新状态信息。这样就使得网桥中的转发表能反映当前网络的最新拓扑状态。

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网桥的自学习和转发帧的步骤归纳

网桥收到一帧后先进行自学习。查找转发表中与收到帧的源地址有无相匹配的项目。如没有，就在转发表中增加一个项目（源地址、进入的接口和时间）。如有，则把原有的项目进行更新。

• 转发帧。查找转发表中与收到帧的目的地址有无相匹配的项目。
  • 如没有，则通过所有其他接口（但进入网桥的接口除外）按进行转发。
  • 如有，则按转发表中给出的接口进行转发。
  • 若转发表中给出的接口就是该帧进入网桥的接口，则应丢弃这个帧（因为这时不需要经过网桥进行转发）。

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透明网桥使用了生成树算法

• 这是为了避免产生转发的帧在网络中不断地兜圈子。
  

生成树的得出

• 互连在一起的网桥在进行彼此通信后，就能找出原来的网络拓扑的一个子集。在这个子集里，整个连通的网络中不存在回路，即在任何两个站之间只有一条路径。

• 为了避免产生转发的帧在网络中不断地兜圈子。

• 为了得出能够反映网络拓扑发生变化时的生成树，在生成树上的根网桥每隔一段时间还要对生成树的拓扑进行更新。

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源路由网桥

• 透明网桥容易安装，但网络资源的利用不充分。

• 源路由(source route)网桥在发送帧时将详细的路由信息放在帧的首部中。

• 源站以广播方式向欲通信的目的站发送一个发现帧，每个发现帧都记录所经过的路由。

• 发现帧到达目的站时就沿各自的路由返回源站。源站在得知这些路由后，从所有可能的路由中选择出一个最佳路由。凡从该源站向该目的站发送的帧的首部，都必须携带源站所确定的这一路由信息。

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多接口网桥——交换机

• 1990 年问世的交换式集线器(switching hub)，可明显地提高局域网的性能。

• 交换式集线器常称为以太网交换机(switch)或第二层交换机（表明此交换机工作在数据链路层）。

• 以太网交换机通常都有十几个接口。因此，以太网交换机实质上就是一个多接口的网桥，可见交换机工作在数据链路层。

  交换机特点：

• 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。

• 交换机能同时连通许多对的接口，使每一对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样，进行无碰撞地传输数据。

• 以太网交换机由于使用了专用的交换结构芯片，其交换速率就较高。

  独占传输媒体的带宽

  • 对于普通 10 Mb/s 的共享式以太网，若共有 N 个用户，则每个用户占有的平均带宽只有总带宽(10 Mb/s)的 N 分之一。

  • 使用以太网交换机时，虽然在每个接口到主机的带宽还是 10 Mb/s，但由于一个用户在通信时是独占而不是和其他网络用户共享传输媒体的带宽，因此对于拥有 N 对接口的交换机的总容量为 N´10 Mb/s。这正是交换机的最大优点。

用交换机扩展局域网：

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虚拟局域网：

虚拟局域网 VLAN 是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组。

• 这些网段具有某些共同的需求。
• 每一个 VLAN 的帧都有一个明确的标识符，指明发送这个帧的工作站是属于哪一个 VLAN。

虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务，而并不是一种新型局域网。

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虚拟局域网使用的以太网帧格式

• 虚拟局域网协议允许在以太网的帧格式中插入一个 4 字节的标识符，称为 VLAN 标记(tag)，用来指明发送该帧的工作站属于哪一个虚拟局域网。
  

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3.6高速以太网

3.6.1 100BASE-T以太网

• 速率达到或超过 100 Mb/s 的以太网称为高速以太网。

• 在双绞线上传送 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)。

特点

• 可在全双工方式下工作而无冲突发生。因此，不使用 CSMA/CD 协议。

• MAC 帧格式仍然是 802.3 标准规定的。

• 保持最短帧长不变，但将一个网段的最大电缆长度减小到 100 m。

• 帧间时间间隔从原来的 9.6 ms 改为现在的 0.96 ms。

三种不同的物理层标准

100BASE-TX

• 使用 2 对 UTP 5 类线或屏蔽双绞线 STP。

100BASE-FX

• 使用 2 对光纤。

100BASE-T4

• 使用 4 对 UTP 3 类线或 5 类线。

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3.6.2 吉比特以太网

• 允许在 1 Gb/s 下全双工和半双工两种方式工作。

• 使用 802.3 协议规定的帧格式。

• 在半双工方式下使用 CSMA/CD 协议（全双工方式不需要使用 CSMA/CD 协议）。

• 与 10BASE-T 和 100BASE-T 技术向后兼容。

吉比特以太网的物理层

1000BASE-X 基于光纤通道的物理层：

• 000BASE-SX SX表示短波长

• 1000BASE-LX LX表示长波长

• 1000BASE-CX CX表示铜线

1000BASE-T

• 使用 4对 5 类线 UTP

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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。

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吉比特以太网的配置举例

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3.6.3 10吉比特以太网

• 10 吉比特以太网与 10 Mb/s，100 Mb/s 和 1 Gb/s 以太网的帧格式完全相同。

• 10 吉比特以太网还保留了 802.3 标准规定的以太网最小和最大帧长，便于升级。

• 10 吉比特以太网不再使用铜线而只使用光纤作为传输媒体。

• 10 吉比特以太网只工作在全双工方式，因此没有争用问题，也不使用 CSMA/CD 协议

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吉比特以太网的物理层

• 局域网物理层 LAN PHY。局域网物理层的数据率是 10.000 Gb/s。

• 可选的广域网物理层 WAN PHY。广域网物理层具有另一种数据率，这是为了和所谓的“Gb/s”的 SONET/SDH（即OC-192/STM-64）相连接。

  • 为了使 10 吉比特以太网的帧能够插入到 OC-192/STM-64 帧的有效载荷中，就要使用可选的广域网物理层，其数据率为 9.95328 Gb/s。

端到端的以太网传输

• 10 吉比特以太网的出现，以太网的工作范围已经从局域网（校园网、企业网）扩大到城域网和广域网，从而实现了端到端的以太网传输。

• 这种工作方式的好处是：

  • 成熟的技术
  • 互操作性很好
  • 在广域网中使用以太网时价格便宜。
  • 统一的帧格式简化了操作和管理。

以太网从 10 Mb/s 到 10 Gb/s 的演进

以太网从 10 Mb/s 到 10 Gb/s 的演进证明了以太网是：

• 可扩展的（从 10 Mb/s 到 10 Gb/s）。

• 灵活的（多种传输媒体、全/半双工、共享/交换）。

• 易于安装。

• 稳健性好。

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3.6.4 使用高速以太网进行宽带接入

• 以太网已成功地把速率提高到 1 ~ 10 Gb/s ，所覆盖的地理范围也扩展到了城域网和广域网，因此现在人们正在尝试使用以太网进行宽带接入。

• 以太网接入的重要特点是它可提供双向的宽带通信，并且可根据用户对带宽的需求灵活地进行带宽升级。

• 采用以太网接入可实现端到端的以太网传输，中间不需要再进行帧格式的转换。这就提高了数据的传输效率和降低了传输的成本。