第3章 数据链路层

3.1使用点到点通道的数据链层

• 点到点通道:该通道使用一个到一个点到点通信方法。
• 广播频道:使用多种广播通信方法,因此需要使用专门的共享频道协议来协调这些主机的数据传输。

3.1.1数据链和框架

链是一个点到点的物理线段,没有其他中间的交换点。

链只是一条路径的组成部分。

除了物理线,数据链必须有一个通信协议来控制这些数据的传输。 如果将实现这些协议的硬件和软件添加到链上,数据链就会形成。

1. 目前最常见的方法是使用适配器(即网络卡)实现这些协议的硬件和软件。
2. 常见的适配器包括数据链层和物理层的功能。

有些人使用不同的术语,这将链分成物理和逻辑链。

• 物理链是上面提到的。
• 逻辑链是上面的数据链, 是物理链加上必要的通信协议.

早期的数据通信协议被称为程序,因此在数据链层中,协议和协议是同义的。

数据链层传输帧

数据链层不需要考虑物理层如何实现位移的细节,甚至更容易想象在数据链的两个层之间向水平方向直接发送帧。

3.1.2三个基本问题

1. 封装成帧

框架是数据前后的第一和最后部分的添加,然后创建一个框架。
第一个和最后一部分的一个重要部分是设置框架边界。

当数据是一个由可打印的ASCII代码组成的文本文件时,一个帧边界可以用一个特殊的帧边界字符。
控制字符SOH(Start Of Header)位于帧的前面,表示帧的开端。另一个控制字符EOT(End Of Transmission)表示帧的开端。

2. 透明传输

如果数据中的单个字符串的二进制代码与SOH或EOT完全相同,数据链层将错误地“找到帧的边界”。

解决方案: 字节填充或字符填充.
发送器数据链层在数据中出现的控制字符“SOH”或“EOT”前面插入“ESC”字符(它的16英寸编码是1B)。
接收器数据链层在发送数据到网络层之前,删除插入的翻译字符。
如果数据中还存在一个转写字符,应在转写字符前面插入一个转写字符ESC。 当接收器接收两个连续的转写字符时,删除第一个。

透明度数据在数据链层中传输的透明度意味着,任何传输的数据的比特组合都可以通过数据链层,没有错误,正如最初的意图。

3. 差错检测

在传输过程中可能出现赌注错误: 1 可能变为 0, 0 可能变为 1.

有些时候,比特误差与发送的总数比特的比率被称为BER(Bit Error Rate)。
误差系数与噪声比有很大关系.
为了保证数据传输的可靠性,在计算机网络数据传输中必须采取各种误差检测措施。
在数据链层传输的帧中,循环冗余测试CRC的误差检测技术被广泛应用。

循环冗余检验CRC

在发送结束时,首先将数据分成组。
在每个组M之后,添加n-bit冗余代码来检测错误,并一起发送。

冗余码的计算

2^n乘以M是用二进制模式2操作计算的,它相当于在M之后添加n 0s。
得到的(k + n)数字的数目不包括预选长度的(n + 1)数字P的数目,结果是Q和R,其中R比P小1个数目,即R是n个数目。
剩余的R被嵌入在数据M后面作为冗余代码,并一起发送。

二进制除法就是异或

(1)如果结果的残留 R = 0, 如果确定没有错误,则框架被接受。
(2)如果剩余的 R ≠ 0, 如果确定错误,则将帧丢弃。
然而,这个方法不能用于确定哪些或哪些错误小块发生。
不能检测的错误的概率非常小,只要它们被严格选择并使用足够数量的十进制位P。

帧检验序列FCS

数据后添加的冗余代码称为帧检查序列(FCS)。
循环冗余测试CRC和框架测试序列FCS不等价.

• CRC是一个常用的错误检测方法,而FCS是数据后面添加的冗余代码。
• FCS可以用CRC方法获得,但CRC不是唯一使用FCS的方法。

只有通过循环冗余测试才能实现CRC误差检测技术不能获得误差的接受。
**“不接受错误”**表示“任何被接受的帧(即不包括丢弃的帧)都可以被视为在传输过程中没有产生错误,并且很接近的概率为1”。
这意味着“任何被接收器数据链层接受的帧不会传输错误”(如果有错误,帧被丢弃而不被接受)。
简单使用CRC误差检测技术不能实现“没有误差传输”或“可靠传输”

在数据链层中使用CRC测试可以实现异常的无误传输,但并不可靠。
为了实现“零误差传输”(即你发送的是你接收的),需要添加确认和重传输机制。
本章所介绍的数据链层协议不是可靠的传输协议。

3.Point-to-pointPP

3.2.1PP的特征

• 简单 - 这是第一个要求.

• 包含在帧中 - 必须指定特殊字符作为帧边界字符.

• 透明度—必须确保数据传输的透明度。

• 多个网络层协议:可以在同一物理链上同时支持多个网络层协议。

• 多个类型的链—可以在多个类型的链上运行。

• 错误检测 - 可以检测接收机接收的帧,并立即丢弃有错误的帧.

• 检测连接状态-自动检测链子是否处于正常工作状态。

• 最大传输单元(Maximum Transmission Units) — 最大传输单元(Maximum Transmission Unit MTU)的标准默认值必须为每个类型的点到点链设置,以促进不同实现之间的互操作性。

• 网络层地址协商-必须提供一种机制,使两个通信网络层实体通过协商了解或配置彼此的网络层地址。

• 数据压缩咨询 - 必须提供一种使用数据压缩算法进行咨询的方法.

不需要的功能：
纠错
流量控制
序号
多点线路
半双工或单工链路

PPP协议的组成

1. 将IP数据消息包入序列链的一种方法.
2. LCP(Link Control Protocol)。
3. 网络控制协议(NCP)。

3.2.2PP协议框架格式

PP框架的顶部和底部分别是4个和2个字段。
符号字段F = 0x7E(符号"0x"表示下列字符是16位数形式的,16位数的7E二进制代表0110)。
地址字段A只设置为0xFF。地址字段实际上没有作用。
控制字段C通常设置为0x03.
PP是 word-oriented的,所有PP帧长度都是整数节点。

关于透明传输：

• 在非同步传输中使用PP时, 使用特殊字符填充方法.

  信息字段中的每个0x7E字符被转换为2D序列(0x7D, 0x5E)。
  如果在信息字段中出现0x7D字符,则将其转换为2D序列(0x7D, 0x5D)。
  如果一个 ASCII编码的控制字符(即0x20以下的字符)出现在信息字段中,将0x7D节点添加到字符前面,并更改字符的代码。

• 当PP在同步传输链中使用时,协议指定硬件用于完成位填充(如HDLC)。

  PP协议使用SONET/SDH链中的同步传输(字符串的位数连续传输),然后使用零位数填充方法实现透明传输。
  在传送器上,如果找到5个连续的,立即填一个0。
  接收器扫描帧中的位流。 每当发现连续5个字符时,这些连续5个字符之后的0字符都会被删除。

PP协议不使用序列和验证机制的原因是:

1. 当数据链层发生错误的概率很小时,使用更简单的PP协议是合理的。
2. 在网络环境中,PP信息字段中输入的数据是IP数据信息。 数据链层的可靠传输并不保证网络层的传输也是可靠的。
3. 框架检查序列FCS字段确保无误接受.

3.2.3PP议定书的工作状况

当用户拨入ISP时,路由器的解码器确认拨号并建立物理连接。
PC向路由器发送一系列LCP子集(包入多个PP帧)。
这些子组及其响应选择一些PP参数并配置网络层,NCP将临时IP地址分配给新登录的PC,使PC成为互联网上的主机。
当通信完成时,NCP释放了网络层的连接,并取得原来分配的IP地址,然后LCP释放了数据链层的连接,最后释放是物理层的连接。
可以看出,PP协议不再是纯粹的数据链层协议,它还包含物理层和网络层的内容。

3.3使用广播频道的数据链层

3.3.1本地网络数据链层

网络的主要特点是:

1. 网络由一个单位拥有;
2. 地理范围和地点数目有限。

宽带网络的主要优点是:

1. 通过广播功能,可以方便地从一个站点访问整个网络。 网络主机可以共享与网络连接的各种硬件和软件资源。
2. 系统易于扩展和逐步发展,每个设备的位置可以灵活调整和改变。
3. 提高了系统可靠性、可用性和存放性。

使用多对无线电通信的问题是,如果多个设备同时在共享无线电频道上发送数据,它们相互干涉并导致故障。

媒体共享技术

• 静态分离通道(见物理层)

  1. 频分复用
  2. 时分复用
  3. 波分复用
  4. 码分复用

• 动态媒体输入控制(多点输入)

  1. 随机接入
  2. 控制访问,如多线投票或轮询。

以太网的两个标准

• DIX Ethernet V2是世界上第一个以太网产品。
• IEE 802.3是第一台IEE Ethernet标准。
• DIX Ethernet V2标准和IEE 802.标准中只有小差别,因此可以设置为802.3。
• 严格地说, “ 以太网 ” 应该指一个符合DIX 以太网 V2 标准的本地区域网络.

数据链层的两个子层

为了更好地适应数据链层的多种宽带标准,IEE802委员会将宽带网络的数据链层分成两个分层:

• 逻辑链路控制有限公司(逻辑链路控制)分层;
• 媒体访问控制(MAC)子层。

与访问传输媒体相关的内容置于MA子层,而LLC子层与传输媒体无关。
不管使用什么协议,本地网络对LLC子层是透明的。

一般忽略LLC子层

因为TCP/IP系统通常使用DIX Ethernet V2而不是802.3标准中的多个本地网络,因此,逻辑链控制子层 LLC(也称为802)现在由802委员会开发,标准的作用已不再重要。
许多制造商生产只有MAC协议的适配器,没有LLC协议。

适配器的作用

网络接口卡也被称为适配器或网络接口卡(NIC)。
适配器的重要功能：

1. 执行序列/同步转换。
2. 对数据进行缓存。
3. 在计算机操作系统上安装设备驱动程序。
4. 实现以太网协议。

该卡属于OSI的物理层和链层,并且在物理层和数据链层的MAC子层中运行。

3.3.2DA/CD协议

最初的Ethernet是将多个计算机连接到一个总线,实现无线通信的简单。 最初人们认为这种连接方法是简单可靠的,因为总线上没有源设备。

• 为了实现单一通信,接收机的硬件地址在帧的第一部分的目的地地址字段中写入。 数据帧中的目标地址与适配器的硬件地址相匹配,才能接收数据帧。
• 当多个计算机或多个站点同时发送时,发送时发生碰撞或冲突,导致发送失败。

为了 简化 通讯, 以太网 采取 了 两 项 重要 措施 :
(一)使用更灵活的非连接工作方法

• 不需要创建连接来直接发送数据。
• 传输的数据框架没有编码,不需要对方的确认。
• 这样做的原因是本地网络频道的质量好,由于频道的质量导致的错误的概率很小。
• 以太网提供的服务不是可靠的交货,即最好的交货。
• 当目标站接收一个错误的数据帧时,这个帧被丢弃,没有做任何其他事情。 错误的修正由最高级别决定。
• 如果高级别发现一些数据已经丢失,则将其重新传输,但以太网不知道这是重新传输的帧,而是将其发送为新的数据帧。

使用CSDA/CD以避免同时传输的碰撞

(二)通过互联网发送的所有数据都是在曼彻斯特编码的

曼彻斯特编码的缺点是它占有原始基带信号的带宽的两倍(见物理层2.2.2)。

CSMA/CD: Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection。
“多点接入”指许多计算机在单一总线上以多点接入方式连接。
负载监视意味着每次在数据发送之前站立的人首先检查有其他计算机在公共汽车上发送数据,如果有,不要暂时发送数据以避免碰撞。
线路上没有“载体”,因此“载体监视”指电子检测是否存在其他计算机在巴士上传输数据信号。

碰撞检测是计算机传输数据侧检测通道信号电压的大小。
当多个站点同时在总线上发送数据时,总线上的信号电压坡度值会增加(重叠)。
当一个车站检测到的信号电压振荡值超过一定阈值时,假设至少两个车站同时在总线上传输数据,表明发生了碰撞。
所谓冲突就是冲突,因此,碰撞检测也称为碰撞检测
测”

检测到碰撞后：
当碰撞发生时,在公共汽车上传输的信号产生严重的扭曲,无法从中取得任何有用的信息。
每个发送数据的站点,一旦发现在公共汽车上发生碰撞,便立即停止发送,避免进一步浪费网络资源,然后等待随机的时间再发送数据。

为什么碰撞检测? 因为信号传输的延迟对载体监控有影响.

争用期

第一个发送数据帧的站点能够知道数据帧是否在超过2 tau (double end-to-end 延迟) 的时间内碰撞。
Ethernet 2tao的端到端延迟称为争端期间,或碰撞窗口。
比赛期间之后的这段时间没有发现碰撞,因此不能确定该传输不会发生碰撞。

二进制索引类型回避算法

当碰撞发生并停止发送数据时,必须在再次发送数据之前延迟(避免)一个随机时间。

• 基本撤回时间被视为争端期间2tao.
• 从整数集合[0, 1,.., (2k - 1)]中取出一个数,随机写成r。
• 参数k由以下公式计算:
  k = 最小 [重传频率, 10]
• 当k ≤10时,参数k等于再传输频率。
• 当重新传输16失败时, 将帧丢弃并报告到顶层.

10 Mbit/s Ethernet 51.2 μs是争议期间的长度。
对于10Mbit/s Ethernet,在争端期间可以发送512位元,即64位元。

这意味着：
如果在 Ethernet 发送数据时,以前 64 字节中没有冲突,以后的数据就不会冲突。

最短有效帧长

• 如果存在冲突,它必须在64个字符预发送中。
• 当冲突被检测并立即停止时,已发送的数据必须少于64字节。
• Ethernet 指定最短的有效帧长为64字节,任何小于64字节的帧都是因冲突而异常中断的无效帧。

覆盖范围

在10Mbit/s的Ethernet 51.在2μs的争端期间,该信号可以传输到多远?
以太网的最大端到端延迟必须低于争端期间的一半(25.6μs),这相当于以太网的最大端到端长约5公里。

CSMA/CD协议的重要特征

• 使用CSMA/CD协议的Ethernet无法完全双向通信,但只能双向(半双向)通信。
• 在数据发送后,有可能会与每个站发生碰撞。
• 由于传输的不确定性,以太网的平均通信量远远低于以太网的最大数据速率。

3.3.3使用集群器的星形补丁

• 传统的Ethernet首先使用粗糙轴线,然后演化为更便宜的细轴线,最后演化为更便宜和更灵活的双线缆。
• 雙線的Ethernet使用恆星形拓撲,並且在恆星中心添加一個非常可靠的裝置,稱為哈勃。

一个星形拓扑用于使用无防双线。
每个站需要两对双线缆,分别用于发送和接收。
双线的两端使用RJ-45插头。
该集装机采用大规模集成电路芯片,提高了集装机的可靠性。
10BASE-T通信距离略短,每站距离集装机不超过100米。

这种10Mbit/s无屏蔽双线网的出现既降低了成本,又提高了可靠性,具有很高的成本效益。
10BASE-T双线 Ethernet的出现是本地区域网络发展史上一个非常重要的里程碑,它为 Ethernet在本地区域网络中占主导地位奠定了坚实的基础。
从那时起,以太网的拓扑已经从一般线转变为更方便的星际网络,以太网在本地网络中占据了主导地位。

集线器

聚合器使用电子设备模拟实际的电路,因此整个系统仍像传统的Ethernet一样运行。
**使用集群器的Ethernet网络仍然是一个逻辑总线网络,每个工作站使用CSMA/CD协议并共享逻辑总线。
收集器就像一个多界面传输器,在物理层中工作。
收集器使用一个专门的芯片来抵御自适应弦共振和减少近端弦。

3.3.4以太网的渠道利用率

当多个人同时在Ethernet上工作时,可能会发生碰撞。
当发生碰撞时,通道资源实际上被浪费,因此,在计算碰撞所造成的通道损失后,Ethernet的总通道使用量无法达到100%。
假设 tao 是 Ethernet 上 单一 线程 从 端到 端 的 传输 中 的 延迟 。 争端 的 时间 为 2tao, 即 延迟 的 端到 端 传输 的 两 倍 。
如果帧长度为L(bit),数据传输速率为C(bit/s),则帧传输时间为T0 = L/C(s)。

注意,成功发送一个帧以占领频道的时间是T0 + tao,并且超过一个单个线程end-to-end tao的发送时间比这个帧的发送时间慢。
这是因为当一个站发送最后的位数时,位数也通过以太网传输。
在最极端的情况下,传输器在传输介质的一端是静止的,而比特在介质上传输到另一端所需的时间是 tao。

为了提高 Ethernet 的通道利用率,必须降低 τ 对 T0 的比率。
在Ethernet中,定义了参数a,即Ethernet单线程端到端延迟与帧发送时间T0的比率:

A → 0,这意味着碰撞可以立即检测,并且立即停止发送,因此通道利用率很高。
a 争论 期间 的 比例 越 大, 一 次 碰撞 的 许多 渠道 资源 的 浪费 导致 渠道 利用 的 显著 减少 。

为了提高使用率, Ethernet 参数 a 的值应尽可能小。
Ethernet 参数 a 的 要求 是 :

• 当数据速率不变时,以太网连接的长度是有限的,否则 τ 的值会太大。
• 以太网的帧长度不能太短,否则T0的值太小,不能使太大的值。

**最大频道使用量Smax **

理想情况下,传输数据的站间不会发生碰撞(这显然不是CSMA/CD,但需要特殊的编程方法),即当空站时,公共汽车会立即发送数据。
占线的帧传输时间为T0+ τ,而帧本身的传输时间为T0。 因此,在理想条件下,我们可以计算最大信道使用量Smax:

只有当参数 a 远低于 1 时,才能得到最大通道利用。
根据统计,当网络的利用率达到30%时,它已经处于重载状态。

3.3.5Ethernet MAC层

1. MAC层的硬件地址

   在本地网络中,硬件地址也称为物理地址,或MAC地址。
   802标准中所指的“地址”应严格是每个站的“名称”或标识符。
   但由于每个人都习惯用这个48位数字的“名字”和“地址”,这本书也使用了这种习惯用法,虽然并不太严格。

   注意,如果多个适配器安装在与本地网络连接的主机或路由器上,那么这些主机或路由器具有多个"地址"。

   48位MAC地址

   IEE 802标准指定MAC地址字段可以为6(48位)或2(16位)。
   IEE的注册管理机构RA负责将六位地址字段的第一三个(高级别24位)分配给制造商,称为该组织唯一的标识符。
   地址字段的最后三个字符(即低24位字符)由制造商自己指定,称为扩展唯一标识符,并且必须确保生成的适配器不会重复地址。

   

   一个地址块可以生成224个不同的地址。 这个48位地址叫MAC-48,其共同名称是EUI-48。
   当生产一个适配器时,一个六字节的MAC地址被编码到适配器的ROM中,因此MAC地址也被称为硬件地址或物理地址。
   "MAC Address"实际上是适配器地址或适配器标识符EUI-48。

   IEE 指定地址字段的第一个节点的最低位为 I/G.I/G 代表个人/团体。
   当I/G bit = 0时,地址字段代表一个单站地址。
   当I/G bit = 1时,群地址用于多播(以前被翻译为群播)。
   当I/G位数为0和1时,地址块可以生成分别223个单站地址和223个群地址。
   所有48个频道为广播地址提供1小时服务,仅作为目标地址使用。

   IEE将地址字段的第一个节点的最小二位设置为G/L,即Global/Local。
   当G/L为0时,它是全球管理的(只要全球没有相同的地址),而由制造商从IEE购买的OUI是全球管理的。
   当G/L bit = 1时,是本地管理,用户可以任意分配网络上的地址。

   适配器检查MAC地址

   每当一个适配器从网络接收MAC帧时,它首先通过硬件检查MAC帧中的MAC地址。

   1. 如果帧被发送到站点,它就会被删除,然后再进行处理。
   2. 否则,这个帧将被丢弃,不再进行进一步的处理。

   发送到车站的帧包括以下三个帧:

   1. 单播帧(一对一)
   2. 广播(广播)帧(总共有一对)
   3. 多播帧(一对或以上)

   所有适配器都能够识别至少两个帧,即单个广播地址和广播地址。
   一些适配器可以通过编程方法识别多播地址。
   只有目标地址可以使用广播地址和多播地址。
   使用 promiscuous 模式 Ethernet 适配器接收所有在 Ethernet 上传输的帧,只要它“听到”它们。

2. MAC帧的格式

   通用的Ethernet MAC帧格式有两个标准:

   • DIX Ethernet V2标准
   • IEE 802标准3

   最常用的MAC帧格式是EthernetV2格式

   

   在帧前面插入的8个字符(硬件生成)中,第一个7个字符是预同步代码,用来快速实现MAC帧的位同步。

   类型字段用于标记在层上使用哪些协议,
   将接收的MAC帧数据转移到该协议的顶层。

   数据字段的正式名称是MAC客户端数据字段。
   最小长度64字节 - 18字节 = 最小长度的数据字段(46字节)

   当传输介质的误差率为1x10-8时,MAC子层可以使未检查的误差小于1x10-14。

   无效的MAC帧：

   • 数据字段的长度与长度字段的值不符;
   • 帧的长度不是整数;
   • 用FCS检查接收的帧序列以检测错误;
   • 数据字段的长度不是46到1500字节之间。
   • 有效MAC帧长度为64到1518字节。

   检查的无效的MAC帧被简单地丢弃。

   IEE 802.3 MAC帧格式:
   与Ethernet V2 MAC帧格式类似,其区别在于:
   IEE 802.3 指定的MAC帧的第三个字段是“长度/类型”。

   1. 当这个字段的值超过0x0600(相当于1536)时,它意味着"类型"。
   2. 如果这个字段小于0x0600,则表示“长度”。

   当“长度/类型”字段值低于0x0600时,数据字段必须装入上述逻辑链路控制 LLC 子层 LLC 框架中。

   帧间最小间隔：

   最小帧间隔为9.6微秒,相当于96位传输时间。
   一个站在那里等待公共汽车开始冻结6微秒再发送数据。
   这是为了清理刚刚接收数据帧的站点的接收缓存,并为下一个帧做好准备。

3.4扩展Ethernet

3.4.1在物理层中扩展Ethernet

• 使用光纤拓展

  主机使用纤维(通常是一对纤维)和一对纤维调制器连接到集结器。
  把主机连接到几公里远的集装机是很容易的.

• 使用集线器拓展

  使用集群扩展:将多个Ethernet分段连接到一个更大的多级星结构。

  优点：

  1. 它使原本属于不同的碰撞域的计算机能够通过碰撞域进行通信。
  2. 以太网的地理覆盖范围已经扩大。

  缺点：

  1. 碰撞面积增加,但总吞吐量没有增加。
  2. 如果不同的碰撞域使用不同的数据速率,那么它们不能与集群器相互连接。

  碰撞域(英语:Collision domain),又称冲突域(英语:Conflict domain),指由一个站点发射的帧导致与另一个站点发射的帧发生碰撞或冲突的网络部分。
  碰撞面积越大, 碰撞概率越高.

3.4.2在数据链层上扩展Ethernet

最常见的扩展Ethernet的方法是通过数据链层。
早期使用桥梁, 现在使用Ethernet开关.

网络桥在数据链层中工作.
它根据MA帧目标地址发送和筛选接收帧。
当一个帧通过网络桥接收时,它不会向所有接口发送,但首先检查MAC地址,然后决定将该帧发送到哪个接口,或者将它丢弃。

1990年引入的交换中心大大提高了Ethernet的性能。
交换阵列通常被称为Ethernet开关或L2开关,强调这些开关在数据链层中工作。

以太网交换机的特点

以太网交换机基本上是一个多界面的网络桥梁。

• 通常有十个或更多的接口。

每个接口直接连接到一个主机或另一个Ethernet交换机,一般使用全双重模式。
网路交换机具有平行性.

• 多个端口可以同时连接, 允许多个主机同时通信.

接口的主机是唯一的传输媒体, 传输数据不发生碰撞.

Ethernet交换机的接口有一个存储器,可以在输出端口忙时缓存帧。
Ethernet开关是一个即时插件设备,其内部帧开关表(也称为地址表)是通过自学习算法自动构建的。
以太网交换机使用一种专门的交换结构芯片,由硬件传输,其传输速度比由软件传输的网络桥快得多。
以太网交换机比普通路由器要强得多,而且并不昂贵。

以太网交换机的交换方法:

• 存储转发方式
  在重新处理数据之前,缓冲整个数据帧。
• 切口法
  MAC地址决定数据帧的传输接口,同时根据数据帧的目的立即接收数据帧,从而提高数据帧的传输速度。
  它的缺点是它直接传输帧,而不检查错误,因此它可以传输一些无效的帧到其他站点。

自学习功能：

交换表由以太网交换机运行的自学习算法自动维护。

优点：

用户拥有专属的带宽和增加的总容量.

当从共享总线的Ethernet转换为交换的Ethernet时,所有访问设备的软件、硬件、适配器等不需要更改。
以太网交换机一般具有多种速度接口, 使不同情况下的用户更容易使用.

交换器使用生成树协议:
IEE 802.1D标准建立生成树协议STP(Spanning Tree Protocol)。
主点是它不改变网络的实际拓扑,而是逻辑上切断了某些链路,使得从一个主机到所有其他主机的路径是没有环形的树状结构,从而消除了桶现象。

从总线以太网到星网:
在早期,Ethernet使用了无源总线结构。
以太网交换机的星形结构现在是以太网的优先拓扑。
主线以太网使用CSMA/CD协议以运行半双向模式。
以太网交换机不使用共享总线和没有碰撞问题,因此它们不使用CSMA/CD协议和工作在完全双重模式,然而,以太网框架结构仍然使用。

局域网存在的问题：

1. 扩展性
2. 安全性
3. 可管理性 等

总线 Ethernet和10Base_T星 Ethernet:

所有计算机都在同一碰撞区(或冲突区)和同一广播区。

广播域是指网络的一部分,其中任何由任何设备传输的广播都可以由该部分的所有其他设备接收。

星形以太网：

每个接口都处于独立碰撞区(或冲突区),但所有计算机都处于相同的广播区。

3.4.3虚拟域名网络

使用Ethernet交换机可以轻松实现虚拟LAN(Virtual LAN)。
IEE 802.1Q虚拟LAN的VLAN定义:
虚拟LAN VLAN是一个由没有物理位置的网络节点组成的逻辑群,这些节点具有一些共同的要求。 每个VLAN帧都有一个明确的标识符,表明发送帧的计算机属于哪个VLAN。

虚拟网路实际上是网路向用户提供的服务,而不是一种新的网路。
由于虚拟网路是用户和网络资源的逻辑结合,因此在需要时可以重新组合相关设备和资源,让用户从不同服务器或数据库中访问必要的资源。

VLAN1、VLAN2和VLAN3是三个不同的广播区域

虚拟域网限制接收广播信息的工作站数目,因此网络不会因过度广播信息而恶化性能(即“广播风暴”)。

优点：

1. 改善了性能
2. 简化了管理
3. 降低了成本
4. 改善了安全性

分隔虚拟网路的方法如下:

• 基于交换机端口

  最简单的和最常见的方法.
  它属于虚拟域网在第一层分隔的方法.
  缺点: 用户不能移动.

• 基于计算机网络卡的MAC地址

  根据用户计算机的MAC地址,虚拟域网被分开。
  它属于虚拟域网在第二层分隔的方法.
  允许用户移动。
  缺点:需要输入和管理大量的MAC地址。如果更改用户MAC地址,管理者需要重新配置VLAN。

• 基于协议类型

  基于Ethernet框架的第三个字段,“类型”字段决定该协议属于哪个虚拟域网。
  它属于虚拟域网在第二层分隔的方法.

• 基于IP子网地址

  根据Ethernet框架的第三个字段,IP子集的第一部分的“类型”字段和源IP地址字段决定IP子集属于哪个虚拟LAN网络。
  它属于虚拟域网在第三层的分割方法.

• 基于高层应用或服务

  基于高级应用程序或服务,或它们的组合,虚拟域网被分开。
  更灵活,但更复杂。

在虚拟LAN中使用的Ethernet帧格式:

• IEE批准802.3ac标准定义了以太网框架格式的扩展,以支持虚拟网络。
• VLAN协议允许将一个4位元标识符插入以太网的帧格式,称为**VLAN标签,以显示该帧属于哪个虚拟LAN帧。
• 通过插入VLAN标签记载的帧称为802.1Q帧或标记的Ethernet帧。

3.5 高速以太网

3.5.1100BASE-T Ethernet

具有100Mbit/s或以上的速度的Ethernet称为高速Ethernet。
100BASE-T星拓扑Ethernet使用IEE 802.3 CSMA/CD协议,通过双线线传输100Mbit/s基带信号。
100BASE-T Ethernet也被称为 Fast Ethernet。
1995年,IEE正式定义100BASE-T高速网路为IEE 802.3u。

特点：

在完全双重模式下工作时,不需要使用CSMA/CD协议。
MAC帧格式仍为802.3标准。
保持最短的帧长度不变,但减少网络段的最大电缆长度到100米。
帧-帧时间间隔从原来的9.6μs改为当前的0.96分钟。

1. 100BASE-TX
   使用2对UTP5线或shield双线STP。
   最高高度:100米。

2. 100BASE-T4
   使用4到UTP类3或5行。
   最高高度:100米。

3. 100BASE-FX
   使用 2 对光纤。
   最高高度:2,00米。

3.5.2 Gibit Ethernet

在全双重模式和半双重模式中工作是允许在1 Gbit/s以下的。
IEE 802.3 协议规定的框架格式。
CSMA/CD协议在半双重模式中使用,而全双重模式不使用CSMA/CD协议。
它与10BASE-T和100BASE-T技术相容。

Gibit Ethernet可以作为现有网络的主要接口网络,也可以用于高带宽(高速)应用。

物理层：

它使用了两个成熟的技术:一个来自现有的Ethernet,另一个来自由美国国家标准协会 ANSI开发的纤维通道FC(纤维通道)。

半双工时：

当Gibit Ethernet在半双向模式下运行时,必须进行碰撞检测。
为了保持最低帧长度为64字节和最大网格段长度为100米,Gibit Ethernet增加了两个特点:

• 载体扩展

• 包爆炸

载波延伸

让最短的帧仍然长64字节(以便保持兼容性),同时增加冲突时间到512字节。
当发送MAC帧长度少于512字节时,在帧后面插入一些特殊字符,以增加MAC帧的发送长度到512字节。 从Ethernet接收机接收MAC帧仅在删除填充的特殊字符后才能到达顶层。

分组突发

当需要发送许多短帧时,第一个需要用载体扩展方法填充,接下来的几个则要单独发送,留下必要的帧间的最小间隔。 这样创建一个级群 cascade,直到它达到1500字节或以上。

全双工时：
当Gibit Ethernet在完全双重模式(即两个通信可以同时发送和接收数据)时,带宽扩展或故障不会发生。

3.5.10 Gibit Ethernet (10GE)和更快的Ethernet

10 Gibit Ethernet (10GE)不是简单的提高速度到10倍的吉比特 Ethernet的速度,其主要特点是:

1. 帧格式与10Mbit/s、100Mbit/s和1Gbit/s Ethernet相同。
2. 标准规定的 Ethernet 的最小和最大帧长度可升级。
3. 不再使用铜线,而是用光纤作为传输媒介.
4. **只在全双重模式下运行,因此没有使用冲突,也没有使用CSMA/CD协议。

以太网端到端传输:

以太网的工作范围从本地网络(校园网络、企业网络)延伸到城市网络和宽带网络,实现端到端的以太网传输。
这种工作方式的优点是:
技术成熟；

1. 互操作性很好；
2. 在宽带网络中使用以太网时低价;
3. 使用统一的Ethernet框架格式简化了操作和管理。

3.5.用以太网为宽带访问

IEE于2001年初成立了802 EFM工作组,专门从事高速Ethernet的宽带访问技术。
以太网宽带访问具有以下特点:

1. 可以提供双向宽带通信。
2. 带宽升级可以根据用户对带宽的需求进行灵活的升级。
3. 可以实现端到端的Ethernet传输,不需要在中间转换帧格式,从而提高数据传输效率,降低传输成本。
4. 但它不支持用户识别。

PPPoE

• PPoE(PP over Ethernet)是指“在Ethernet上运行PP”,它将PP协议和Ethernet协议结合起来 — — 重新包装到Ethernet上传输的PP帧。
• 当前的光纤宽带连接FTTx使用PPoE连接。 在PPoE pop-up窗口中,输入网络运营商购买的用户名和密码,可以进入宽带。
• 为宽带互联网使用ADSL时,从用户个人电脑到家庭的ADSL调制器,同时使用RJ-45和5级线(用于Ethernet的网络线),它还使用PPoE pop-up窗口来拨入连接。

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