計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程 第7章

1、,計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)教程—自頂向下的分析與設(shè)計方法吳功宜 吳英編著,1,,第7章 數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議及編程方法,2,3,主要內(nèi)容,,,,7.1 數(shù)據(jù)鏈路層的基本概念,7.1.1 物理線路與數(shù)據(jù)鏈路物理線路與數(shù)據(jù)鏈路的關(guān)系,4,,7.1.2 數(shù)據(jù)鏈路層的主要功能,鏈路管理幀同步流量控制,差錯控制透明傳輸尋址,5,7.1.3 數(shù)據(jù)鏈路層向網(wǎng)絡(luò)層提供的服務(wù),設(shè)立數(shù)據(jù)鏈路層的主要目的是將存在數(shù)據(jù)傳輸差錯的物理線路變

2、為對于網(wǎng)絡(luò)層來說是無差錯的數(shù)據(jù)鏈路；數(shù)據(jù)鏈路層提供：鏈路管理、幀傳輸、流量控制、差錯控制等功能； 數(shù)據(jù)鏈路層為網(wǎng)絡(luò)層提供的服務(wù)表現(xiàn)在：正確傳輸網(wǎng)絡(luò)層的用戶數(shù)據(jù)；向網(wǎng)絡(luò)層屏蔽物理層采用傳輸技術(shù)的差異性。,6,7.2 差錯產(chǎn)生與差錯控制方法,7.2.1 設(shè)計數(shù)據(jù)鏈路層的原因7.2.2 差錯產(chǎn)生的原因與類型,7,7.2.3 誤碼率的定義,誤碼率是指二進(jìn)制比特序列在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中被傳錯的概率；在數(shù)值上近似等于：

3、Pe = Ne/N；其中：N為傳輸?shù)亩M(jìn)制比特總數(shù)，Ne為被傳錯的比特數(shù)。,8,理解誤碼率的定義應(yīng)該注意的幾個問題：,誤碼率是衡量數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下傳輸可靠性的參數(shù)；對于一個實際的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，不能籠統(tǒng)地說誤碼率越低就越好，要根據(jù)實際傳輸要求提出誤碼率要求；對于實際數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，如果傳輸?shù)牟皇嵌M(jìn)制位，需要折合成二進(jìn)制位來計算；差錯的出現(xiàn)具有隨機性，在實際測量一個數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)時，只有被測量的傳輸二進(jìn)制位數(shù)越大，才會越接

4、近真正的誤碼率值。,9,7.2.4 檢錯碼與糾錯碼,差錯控制—在通信通信過程中能夠自動檢測出錯 誤并進(jìn)行糾正的方法；差錯控制有兩種基本的方案：糾錯碼：為每個分組加上足夠多的冗余信息， 接收方能發(fā)現(xiàn)并自動糾正傳輸差錯；檢錯碼：為每個分組加上一定的冗余信息，接 收方能發(fā)現(xiàn)傳輸差錯，但是自己不能

5、 糾正，必須通過重發(fā)機制來解決。,10,7.2.5 循環(huán)冗余編碼工作原理,,11,標(biāo)準(zhǔn)的CRC生成多項式：,CRC-12 G(x)=x12+x11+x3+x2+x+1CRC-16 G(x)=x16+x15+x2+1CRC-CCITT G(x)=x16+x12+x5+1CRC-32 G(x)=x32+x26+x23+x22+

6、x16+x12+x11+x10+x8 +x7+x5+x4+x2+x+1,12,CRC校驗的工作過程,發(fā)送方生成數(shù)據(jù)多項式f(x)·xK，其中K 為生成多項式的最高冪N值減1；將f(x)·xK除以生成多項式G（x），得f(x)·xK/G(x)=Q(x)+R(x)/G(x)。其中，式中R(x)為余數(shù)多項式；將f(x)·xK+R(x)作為整體，從發(fā)送方通過通信信道

7、傳送到接收方；接收方對多項式f′(x)采用同樣的運算， f ′(x)·xK/G(x)=Q(x)+ R′(x)/G(x)，求得余數(shù)多項式 R′(x)；根據(jù)計算余數(shù)多項式R′(x)是否等于接收余數(shù)多項式R(x)判斷是否出現(xiàn)錯誤。,13,CRC檢錯方法的特點,CRC校驗碼的檢錯能力很強，它除了能檢查出離散錯，還能檢查出突發(fā)錯；CRC校驗碼具有以下檢錯能力：CRC校驗碼能檢查出全部單個錯；CRC校驗

8、碼能檢查出全部離散的二位錯；CRC校驗碼能檢查出全部奇數(shù)個錯；CRC校驗碼能檢查出全部長度小于或等于K位突發(fā)錯；CRC校驗碼能以［1-(1/2)K-1］的概率檢查出長度為K+1位的突發(fā)錯。,14,7.2.6 差錯控制機制,反饋重發(fā)（ARQ）糾錯：收發(fā)雙方在發(fā)現(xiàn)傳輸錯誤時，采用反饋和重發(fā)的方法來糾正錯誤；反饋重發(fā)糾錯的實現(xiàn)機制：,15,,7.3 面向字符型數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議,7.3.1 數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的分類面向字符型面向比特

9、型7.3.2 面向字符型數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議利用已定義好的一種標(biāo)準(zhǔn)字編碼（如ACSII碼）的一個子集來執(zhí)行通信控制功能；典型的面向字符型數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議是二進(jìn)制同步通信（BSC）協(xié)議。,16,面向字符型協(xié)議實例—BSC協(xié)議,BSC協(xié)議中使用的控制字符,17,數(shù)據(jù)報文格式,,18,,,面向字符型協(xié)議執(zhí)行過程,19,,7.4 面向比特型數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議實例—HDLC協(xié)議,7.4.1 HDLC協(xié)議產(chǎn)生的背景面向字符

10、型鏈路控制協(xié)議的缺點：控制報文與數(shù)據(jù)報文的格式不一致；通信雙方只能交替工作，協(xié)議效率低，通信線路的利用率低；協(xié)議只對數(shù)據(jù)部分進(jìn)行差錯控制，如果控制字符出錯無法控制，系統(tǒng)可靠性較差。系統(tǒng)每增加一種新的功能，需要設(shè)定一個新的控制字符，因此功能擴展困難。,20,7.4.2 數(shù)據(jù)鏈路的配置方式和數(shù)據(jù)傳送方式,非平衡配置方式：主站從站非平衡配置兩種類型：點對點方式多點方式非平衡配置兩種數(shù)據(jù)傳送方式：正常響應(yīng)模式（NRM）

11、異步響應(yīng)模式（ARM）,21,7.4.3 HDLC的幀結(jié)構(gòu),標(biāo)志字段F幀同步是指如何從接收到的比特流中正確判斷一個幀開始和結(jié)束的位置；HDLC規(guī)定標(biāo)志字段F（flag）就是幀的開始與結(jié)束的標(biāo)記；標(biāo)志字段F為“011111110”特定的比特序列。,22,,HDLC幀數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐该餍员ＷC措施,0比特插入/刪除方法,23,,地址字段A當(dāng)使用非平衡方式傳送數(shù)據(jù)時，地址字段總是填入從站地址；當(dāng)使用平衡方式傳送數(shù)據(jù)時，地址字段填入應(yīng)答

12、站地址；如果地址字段為全1時，表示為廣播地址，則要求網(wǎng)中所有站都要接收該幀。,24,HDLC控制字段結(jié)構(gòu),HDLC幀分為：信息幀：I（information）幀監(jiān)控幀：S（supervisory）幀無編號幀：U（unnumbered）幀,25,,,信息字段I由于采用了0比特插入/刪除方法，信息字段允許任意的二進(jìn)制比特序列的組合；信息字段僅出現(xiàn)在信息幀（I幀）與無編號幀（U幀）中，它是網(wǎng)絡(luò)層的用戶數(shù)據(jù)。幀校驗字段FCSH

13、DLC采用CRC校驗方式，生成多項式采用CRC-CCITT（即X16+X12+X5+1）；CRC校驗的范圍是A、C、I字段。,26,信息幀,發(fā)送序號N（S）與接收序號N（R）的意義N（S）表示當(dāng)前發(fā)送的信息幀的序號；N（R）表示該站已正確接收序號為 [N（R）-1]的幀及以前各幀，通知發(fā)送站應(yīng)發(fā)送序號為N（R）的幀；N（R）帶有捎帶確認(rèn)的意義；全雙工通信中，通信雙方各有自己的N（S）和N（R）序列值。,27,探

14、詢/終止位的意義,控制字段C的b4為探詢/終止（poll/final）位，簡稱為P/F位；對于正常響應(yīng)模式NRM，只有主站向從站發(fā)出“探詢”后，從站才能向主站發(fā)送信息幀，這時主站置探詢位P=1，從站在接收的信息幀中檢查出P=1時，如果從站有幀要發(fā)送就可以向主站發(fā)送；發(fā)送的最后一幀要置終止位F=1，表示從站此次發(fā)送結(jié)束；P=1與F=1在幀交換過程中應(yīng)成對出現(xiàn)。,28,監(jiān)控幀,監(jiān)控幀共有4種，取決于b2、b3的取值；,29,無編號幀,

15、無編號幀格式與鏈路控制功能,30,,7.4.4 數(shù)據(jù)鏈路層的工作過程,信息幀的簡化結(jié)構(gòu),31,,,信息幀的例子無編號幀的表示方法SNRM幀與UA幀的表示方法,32,,,,,正常響應(yīng)模式工作過程,33,,7.4.5 數(shù)據(jù)鏈路層與物理層的關(guān)系,,34,7.5 數(shù)據(jù)鏈路層滑動窗口協(xié)議及幀傳輸效率分析,7.5.1 數(shù)據(jù)鏈路層滑動窗口協(xié)議的分類,35,7.5.2 單幀停止等待ARQ協(xié)議,ARQ實現(xiàn)方法主

16、要有兩種：單幀的停止等待方式多幀連續(xù)發(fā)送方式單幀停止等待ARQ協(xié)議執(zhí)行過程：,36,,單幀停止等待ARQ協(xié)議效率的分析,停止等待ARQ協(xié)議的幀傳輸過程,37,幀傳輸總延時分析,傳播延時：發(fā)送方將表示數(shù)據(jù)的電信號經(jīng)過傳輸介質(zhì)傳播到接收方時需要的傳播時間；數(shù)值上等于傳輸介質(zhì)的長度除電磁波傳播速度；計算中將傳播延時記為tp；發(fā)送延時幀發(fā)送所需的時間，數(shù)值等于發(fā)送速率除幀長度；如果發(fā)送速率不變，幀越長所需的發(fā)送延時越長；t

17、f和ta表示數(shù)據(jù)幀1與確認(rèn)幀ACK的發(fā)送延時；,38,,處理延時當(dāng)接收方接收到一個數(shù)據(jù)幀時，需要檢查數(shù)據(jù)幀的幀頭地址、校驗字段，以確定幀傳輸是否正確；當(dāng)接收方接收到一個確認(rèn)幀，同樣需要進(jìn)行檢查；結(jié)點對數(shù)據(jù)幀處理的時間與對確認(rèn)幀處理的時間稱為處理延時；為了簡化計算，分析幀傳輸總延時忽略結(jié)點對數(shù)據(jù)幀處理時間與對確認(rèn)幀處理時間的細(xì)微區(qū)別，統(tǒng)一將數(shù)據(jù)幀處理延時和確認(rèn)幀處理延時記為tpr。,39,,理想狀態(tài)下，幀傳輸總延時為：tT=tp+

18、tf+tpr+ta+tp+tpr=2tp+2tpr+tf+ta 簡化：結(jié)點對幀的處理延時tpr小于幀發(fā)送延時tf與傳播延時tp，tpr可以忽略；確認(rèn)幀通常很短，確認(rèn)幀ACK的發(fā)送延時ta可以忽略；簡化后的幀傳輸總延時為：tT≈tf+ 2tp 假設(shè)：α=傳播延時/發(fā)送延時= tp／tfU=1／1+ 2α,40,討論,影響協(xié)議效率的因素如果電磁波在有線傳輸介質(zhì)中，例如電纜中傳播速度約為空間電磁波的2/3，空間電磁波傳播速度

19、為為3×108(m／s)，則在電纜中傳播速度約為2×108(m/s)。如果連接收發(fā)雙方的傳輸介質(zhì)長度為1000m，則傳輸延時tp約等于5.0×10-6(s)；如果一個數(shù)據(jù)幀的長度為100bit，結(jié)點的發(fā)送速率為10Mbps，則發(fā)送延時tf等于8×10-5 s；α1=tp／tf=5.0×10-6/1.0×10-5=0.50U1=1／（1+ 2×0. 50）＝ 0

20、.50,41,,推論：在保持tf+ 2tp時間內(nèi)不出現(xiàn)差錯的條件下，連續(xù)發(fā)送多個幀，可以提高ARQ協(xié)議的傳輸效率。,42,,7.5.3 多幀連續(xù)發(fā)送協(xié)議,43,,,滑動窗口控制流量的工作原理,44,滑動窗口控制機制對幀傳輸出錯的處理,選擇重發(fā)糾錯滑動窗口控制過程,45,7.6 PPP協(xié)議,7.6.1 互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議PPP協(xié)議的特點不使用幀序號，不提供流量控制功能;只支持點-點連接，不支持點-多點連接;只支持全

21、雙工通信，不支持單工與半雙工通信;可以支持異步、串行通信，也可以支持同步、并行傳輸。,46,,PPP協(xié)議是大多數(shù)個人計算機和ISP之間使用的協(xié)議，它在高速廣域網(wǎng)上也有一定的應(yīng)用;PPP協(xié)議不僅用于撥號電話線上，在路由器之間的專用線路上也得到廣泛應(yīng)用。,47,7.6.2 PPP協(xié)議的基本內(nèi)容,PPP協(xié)議的基本功能用于串行鏈路的基于HDLC數(shù)據(jù)幀封裝機制;鏈路控制協(xié)議（LCP）用于建立、配置、管理和測試數(shù)據(jù)鏈路連接;網(wǎng)絡(luò)

22、控制協(xié)議（NCP）用于建立和配置不同的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。,48,PPP協(xié)議的幀結(jié)構(gòu),PPP協(xié)議的幀分為：PPP信息幀PPP鏈路控制幀PPP網(wǎng)絡(luò)控制幀,49,PPP信息幀,PPP信息幀的格式標(biāo)志字段標(biāo)志字節(jié)長度為1字節(jié)，用于比特流的同步;值為“7E” （01111110）;地址字段地址字段長度為1字節(jié);值為“FF”(11111111)。,50,,,控制字段控制字段長度為1字節(jié);值為“03”（00000011）;協(xié)

23、議字段協(xié)議字段長度為2字節(jié);標(biāo)識網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議數(shù)據(jù)域的類型;0021H表示TCP/IP;信息字段信息字段長度可變;最長為1500字節(jié);,51,,幀校驗字段字段幀校驗字段長度為2字節(jié);用于保證數(shù)據(jù)的完整性。,52,PPP協(xié)議保證幀傳輸“透明性”問題的方法：,RFC1662定義了在用于異步通信中的轉(zhuǎn)義字符是“0x7D”，并且使用字節(jié)填充。字節(jié)填充規(guī)則：在信息字段中出現(xiàn)的每一個“0x7E”字節(jié)，要轉(zhuǎn)換成雙字節(jié)“0x7D 0

24、x5E”；在信息字段中出現(xiàn)的每一個“0x7D”字節(jié)，要轉(zhuǎn)換成雙字節(jié)“0x7D 0x5D”；在信息字段中出現(xiàn)ASCII中控制字符（即數(shù)值小于0x20）時，在該字符前加一個“0x7D”字節(jié)，同時改變該字節(jié)，例如傳輸結(jié)束“ETX”（0x03），轉(zhuǎn)換后的雙字節(jié)是“0x7D 0x31”；由于在發(fā)送端進(jìn)行字節(jié)填充，接收端需要檢測并還原成填充前的數(shù)據(jù)。,53,PPP 鏈路控制幀,PPP鏈路控制幀的格式PPP協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路選項主要包括：

25、鏈路控制幀可以用來與對方進(jìn)行協(xié)商，異步鏈路中將什么字符當(dāng)做轉(zhuǎn)義字符；為了提高線路的利用率，鏈路控制幀可以用來與對方協(xié)商，是否可以不傳輸標(biāo)志字節(jié)或地址字節(jié)，并將協(xié)議字段從2字節(jié)縮短為1字節(jié)；如果在線路建立期間，收發(fā)雙方不使用鏈路控制協(xié)商，固定的數(shù)據(jù)字段長度為1500B。,54,,PPP網(wǎng)絡(luò)控制幀,PPP網(wǎng)絡(luò)控制幀的格式網(wǎng)絡(luò)控制幀可以用來協(xié)商是否采用報頭壓縮CSLIP協(xié)議，也可用來動態(tài)協(xié)商確定鏈路每端的IP地址。,55,,7.

26、7 Ethernet工作原理與局域網(wǎng)組網(wǎng),7.7.1 IEEE 802參考模型IEEE 802與OSI參考模型的對應(yīng)關(guān)系,56,,簡化的IEEE 802協(xié)議結(jié)構(gòu),,57,,IEEE 802去標(biāo)準(zhǔn)可以分為3類：,定義局域網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，以及網(wǎng)絡(luò)管理與性能測試的802.1標(biāo)準(zhǔn)；定義邏輯鏈路控制LLC子層功能與服務(wù)的802.2標(biāo)準(zhǔn)；定義不同介質(zhì)訪問控制技術(shù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；,58,目前主要的IEEE 802標(biāo)準(zhǔn),802.3標(biāo)準(zhǔn)：定

27、義CSMA/CD總線介質(zhì)訪問控制子層與物理層標(biāo)準(zhǔn)；802.11標(biāo)準(zhǔn)：定義無線局域網(wǎng)訪問控制子層與物理層的標(biāo)準(zhǔn)；802.15標(biāo)準(zhǔn)：定義近距離個人無線網(wǎng)絡(luò)訪問控制子層與物理層的標(biāo)準(zhǔn)；802.16標(biāo)準(zhǔn)：定義寬帶無線城域網(wǎng)訪問控制子層與物理層的標(biāo)準(zhǔn)；,59,7.7.2 Ethernet基本工作原理,CSMA/CD的工作過程,60,,CSMA/CD的發(fā)送流程要點：先聽后發(fā)邊聽邊發(fā)沖突停止延遲重發(fā),61,Ethernet數(shù)據(jù)發(fā)送

28、流程,,62,,載波偵聽過程,總線電平跳變與總線忙閑狀態(tài)的判斷,63,,沖突檢測方法,沖突窗口的概念,64,,曼徹斯特編碼信號的波形疊加,,65,,Ethernet協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的沖突窗口值,在Ethernet協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定的沖突窗口（collision window）長度為51.2µs；Ethernet的數(shù)據(jù)傳輸速率為10Mbps，沖突窗口的51.2µs可以發(fā)送512bit（64B）數(shù)據(jù)，64B是Etherne

29、t的最短幀長度；當(dāng)一個結(jié)點發(fā)送一個最短幀，或一個長幀的前64個字節(jié)數(shù)據(jù)時沒有發(fā)現(xiàn)沖突，則表示該結(jié)點已經(jīng)獨自獲得總線發(fā)送權(quán)，并可以繼續(xù)發(fā)送后續(xù)的字節(jié)。,66,發(fā)現(xiàn)沖突、停止發(fā)送,如果在發(fā)送數(shù)據(jù)過程中檢測出沖突，為了解決信道爭用沖突，發(fā)送結(jié)點要進(jìn)入停止發(fā)送數(shù)據(jù)、隨機延遲后重發(fā)的流程；隨機延遲重發(fā)的第一步是發(fā)送“沖突加強信號”。發(fā)送沖突加強信號的目的是確保有足夠的沖突持續(xù)時間，使網(wǎng)中所有結(jié)點都能檢測出沖突存在，立即丟棄沖突幀，減少由于沖突

30、浪費的時間，提高信道利用率。,67,隨機延遲重發(fā),Ethernet協(xié)議規(guī)定一個幀的最大重發(fā)次數(shù)為16；CSMA/CD后退延遲算法是截止二進(jìn)制指數(shù)后退延遲算法；該算法可以表示為：τ＝2k×R×a。其中，τ為重新發(fā)送所需的后退延遲時間，a為沖突窗口值，R為隨機數(shù)。結(jié)點重發(fā)后退的延遲時間是沖突窗口值的整數(shù)倍，并與以沖突次數(shù)為二進(jìn)制指數(shù)的冪值成正比。,68,,為了避免延遲過長，截止二進(jìn)制指數(shù)后退延遲算法限定作為二進(jìn)制指

31、數(shù)k的范圍，定義為k=min（n，10）；在n10時，重發(fā)延遲時間不再增長；由于限制了二進(jìn)制的指數(shù)k的范圍，則第n次重發(fā)延遲分布在0與〔2 min（n，10）-1〕個時間片內(nèi)，最大可能延遲時間為1023個時間片。,69,Ethernet幀結(jié)構(gòu),前導(dǎo)碼與幀前定界符字段前導(dǎo)碼由56位（7B）的10101010…101010比特序列組成；幀前定界符可以視為前導(dǎo)碼的延續(xù)。1字節(jié)的幀前定界符結(jié)構(gòu)為10101011；前導(dǎo)碼與幀前定界符主要

32、用于接收同步階段。；8個字節(jié)的前導(dǎo)碼與幀前定界符在接收后不需要保留，也不計入幀頭長度中。,70,,,目的地址和源地址字段目的地址與源地址分別表示幀的接收結(jié)點與發(fā)送結(jié)點的硬件地址；硬件地址通常稱為MAC地址、物理地址或Ethernet地址。地址長度為6B（48bit）；目的地址可以是單一結(jié)點的單播地址、多播地址與廣播地址等3類；目的地址的第1位為0表示單一結(jié)點地址，該幀只被與目的地址相同的結(jié)點所接收；目的地址的第1位為1表示多點

33、地址，該幀只被一組結(jié)點所接收；目的地址為全1表示是廣播地址，該幀將被所有的結(jié)點接收。,71,,類型字段類型字段表示的是網(wǎng)絡(luò)層使用的協(xié)議類型；類型字段值等于0x0800時，表示網(wǎng)絡(luò)層使用IP協(xié)議；數(shù)據(jù)字段數(shù)據(jù)字段是高層待發(fā)送的數(shù)據(jù)部分；數(shù)據(jù)字段最小長度為46B，如果幀的數(shù)據(jù)字段值小于46B，則將它填充至46B；填充字符是任意的，不計入長度字段值中；數(shù)據(jù)字段最大長度為1500B；Ethernet幀最小長度為64B，最大長度為1

34、518B；幀校驗字段采用32位的CRC校驗；CRC校驗的范圍是：目的地址、源地址、長度、LLC數(shù)據(jù)等字段。,72,Ethernet接收流程,,73,,7.7.3 Ethernet網(wǎng)卡設(shè)計與物理地址,Ethernet網(wǎng)卡設(shè)計方法,74,Ethernet網(wǎng)卡結(jié)構(gòu),,75,,Ethernet物理地址,Ethernet物理地址長度為48位，每一塊網(wǎng)卡有一個固定不變的物理地址；IEEE注冊管理委員會為每個網(wǎng)卡生產(chǎn)商分配Ethernet

35、物理地址的前三字節(jié)，即公司標(biāo)識也稱為機構(gòu)惟一標(biāo)識符；后面三字節(jié)由網(wǎng)卡的廠商自行分配；在網(wǎng)卡生產(chǎn)過程中，將該地址寫入網(wǎng)卡的只讀存儲器 （EPROM）；如果網(wǎng)卡的物理地址是00-60-08-00-A6-38，那么不管它連接在哪個具體的局域網(wǎng)中，其物理地址都是不變的；世界上沒有任何兩塊網(wǎng)卡的Ethernet物理地址是相同的。,76,,Ethernet物理地址的十六進(jìn)制與二進(jìn)制表示方法,,77,,7.8 高速以太網(wǎng)工作原理,7.8

36、.1 快速以太網(wǎng)（Fast Ethernet）數(shù)據(jù)傳輸速率為100Mbps；保留著傳統(tǒng)的10Mbps速率Ethernet的基本特征，即相同的幀格式、最小幀長度、介質(zhì)訪問控制方法與組網(wǎng)方法；1995年9月，IEEE 802委員會正式批準(zhǔn)Fast Ethernet標(biāo)準(zhǔn)—IEEE 802.3u。,78,Fast Ethernet的協(xié)議結(jié)構(gòu),,79,,100ASE-T的物理層標(biāo)準(zhǔn),100BASE-TX支持2對5類非屏蔽雙絞線UT

37、P或2對1類屏蔽雙絞線STP；一對雙絞線用于發(fā)送，另一對雙絞線用于接收；全雙工系統(tǒng)，可同時以100Mbps速率發(fā)送與接收數(shù)據(jù)。100BASE-T4100BASE-T4支持4對3類非屏蔽雙絞線UTP，其中3對用于數(shù)據(jù)傳輸，1對用于沖突檢測。100BASE-FX100BASE-FX支持2芯的多模或單模光纖；從結(jié)點到集線器的距離可以達(dá)到2km；全雙工系統(tǒng)。,80,10Mbps與100Mbps速率自動協(xié)商功能,Fast Ethe

38、rnet以速率自動協(xié)商機制來支持在一個局域網(wǎng)中10Mbps與100Mbps速率網(wǎng)卡共存的組網(wǎng)方式；速率自動協(xié)商機制的主要功能：自動確定遠(yuǎn)端連接設(shè)備使用的是CSMA/CD的10Mbps工作模式，還是全雙工的100Mbps工作模式；向其它結(jié)點發(fā)布遠(yuǎn)端連接設(shè)備的工作模式；與遠(yuǎn)端連接設(shè)備交換工作模式相關(guān)參數(shù)，協(xié)調(diào)和確定雙方的工作模式；自動協(xié)商功能自動選擇共有的最高性能的工作模式。,81,,自動協(xié)商機制的功能是為鏈路兩端的設(shè)備選擇

39、10/100Mbps與半雙工/全雙工模式中共有的高性能工作模式，并在鏈路本地設(shè)備與遠(yuǎn)端設(shè)備之間激活鏈路；自動協(xié)商功能只能用于使用雙絞線的Ethernet，并且規(guī)定自動協(xié)商過程需要在500ms內(nèi)完成；按工作模式性能從高到低，這些協(xié)議的優(yōu)先級從高到低的排序是： 100BASE-TX或100BASE-FX全雙工模式 100BASE-T4 100BASE-TX半雙工模式 10BASE-T全雙工模式

40、 10BASE-T半雙工模式,82,7.8.2 千兆以太網(wǎng),制定千兆以太網(wǎng)GE標(biāo)準(zhǔn)的工作是從1995年開始的；1995年11月，IEEE 802.3委員會成立了高速網(wǎng)研究組；1998年2月，IEEE 802委員會正式批準(zhǔn)了GE標(biāo)準(zhǔn)—IEEE 802.3z。GE的傳輸速率比FE快10倍，它的數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到了1000Mbps；GE保留著傳統(tǒng)的10Mbps速率Ethernet的基本特征，它們具有相同的幀格式、最小幀長度與類

41、似的組網(wǎng)方法，,83,GE的協(xié)議結(jié)構(gòu),,84,,,1000BASE-T標(biāo)準(zhǔn)定義千兆介質(zhì)專用接口（GMII），將MAC 子層與物理層分隔開，物理層實現(xiàn)1Gbps速率時傳輸介質(zhì)和信號編碼方式的變化不影響MAC子層；1000BASE-T物理層標(biāo)準(zhǔn)： 1000BASE-T：5類非屏蔽雙絞線，長度達(dá)到100m； 1000BASE-CX：屏蔽雙絞線，長度達(dá)到25m。 1000BASE-LX：單模光纖，長度達(dá)到3000m

42、。 1000BASE-SX：多模光纖，長度達(dá)到300～550m。,85,7.8.3 十千兆以太網(wǎng),在GE標(biāo)準(zhǔn)802.3z通過后不久，1999年3月IEEE成立高速研究組（HSSG），其任務(wù)是致力于十千兆以太網(wǎng)（10GE）技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)的研究；10GE標(biāo)準(zhǔn)由IEEE 8023ae委員會制定，正式標(biāo)準(zhǔn)在2002年完成。,86,10GE主要特點：,10GE的幀格式與10Mbps的Ethernet的幀格式基本相同；10GE仍保留802

43、.3標(biāo)準(zhǔn)對Ethernet最小幀長度和最大幀長度的規(guī)定；由于數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)10Gbps，傳輸介質(zhì)只使用光纖，可以應(yīng)用于廣域網(wǎng)與城域網(wǎng)的范圍；10GE只工作在全雙工方式，因此不存在爭用問題，這就使10GE的傳輸距離不受沖突檢測的限制。,87,10GE的物理層協(xié)議,局域網(wǎng)物理層（LAN PHY）標(biāo)準(zhǔn)局域網(wǎng)物理層標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳輸速率是10Gbps，一個10GE交換機支持10個GE端口。廣域網(wǎng)物理層（WAN PHY）標(biāo)準(zhǔn)對于廣域網(wǎng)應(yīng)用

44、，10GE使用光纖通道技術(shù)；10GE廣域網(wǎng)物理層采用光纖通道技術(shù)速率體系SONET/SDH的OC-192/STM-64的標(biāo)準(zhǔn)，速率為9.95328Gbps；10GEt幀將插入OC-192/STM-64幀的凈載荷區(qū)域中，與光纖通道傳輸系統(tǒng)相連接。,88,10GE應(yīng)用前景,由于10GE技術(shù)的出現(xiàn)，Ethernet工作范圍已從校園網(wǎng)、企業(yè)網(wǎng)主流選型的局域網(wǎng)，擴大到城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)；同樣規(guī)模的10GE造價只有SONET的1/5，只有ATM的

45、1/10；從10Mbps Ethernet到10Gbps Ethernet都使用相同的Ethernet幀格式，，簡化操作和管理，提高系統(tǒng)的效率；GE和10GE產(chǎn)品的問世，進(jìn)一步提高Ethernet的市場占有率。,89,7.9 交換式局域網(wǎng)與虛擬局域網(wǎng)技術(shù),7.9.1 交換式局域網(wǎng)技術(shù)局域網(wǎng)交換機結(jié)構(gòu)與工作原理示意圖,90,,交換機的交換方式,交換方式的類型直接交換（cut through）存儲轉(zhuǎn)發(fā)（store and fo

46、rward）方式改進(jìn)直接交換方式直接交換方式交換機只要接收并檢測到目的地址字段，立即將該幀轉(zhuǎn)發(fā)出去，而不管數(shù)據(jù)是否出錯；幀出錯檢測任務(wù)由結(jié)點主機完成；這種交換方式的交換延遲時間短，但是缺乏差錯檢測能力。,91,,存儲轉(zhuǎn)發(fā)交換方式交換機首先完整的接收發(fā)送幀，并先進(jìn)行差錯檢測。如果接收幀正確，則根據(jù)幀目的地址確定輸出端口號，然后轉(zhuǎn)發(fā)出去；這種交換方式的優(yōu)點是具有幀差錯檢測能力，并支持不同輸入速率與輸出速率端口之間的幀轉(zhuǎn)發(fā)，缺點是

47、交換延遲時間將會增長。改進(jìn)直接交換方式改進(jìn)的直接交換方式則將二者結(jié)合起來，在接收到以太幀的前64字節(jié)后，判斷以太網(wǎng)幀的幀頭字段是否正確，如果正確則轉(zhuǎn)發(fā)出去；由于只對幀的地址字段與控制字段進(jìn)行差錯檢測，因此交換延遲時間將會減少。,92,局域網(wǎng)交換機的性能參數(shù),最大轉(zhuǎn)發(fā)速率兩個端口之間每秒最多能轉(zhuǎn)發(fā)的幀數(shù)量；匯集轉(zhuǎn)發(fā)速率所有端口每秒可以轉(zhuǎn)發(fā)的最多幀數(shù)量；轉(zhuǎn)發(fā)等待時間交換機作出過濾或轉(zhuǎn)發(fā)決策需要的時間，它與交換機采用的交

48、換技術(shù)相關(guān)。,93,7.9.2 虛擬局域網(wǎng)（VLAN）技術(shù),虛擬局域網(wǎng)并不是一種新型的局域網(wǎng)，是局域網(wǎng)向用戶提供的一種新的服務(wù)；虛擬局域網(wǎng)建立在交換技術(shù)的基礎(chǔ)上；局域網(wǎng)中的結(jié)點按工作性質(zhì)與需要，劃分成若干個“邏輯工作組”，則一個邏輯工作組就是一個虛擬網(wǎng)絡(luò)；邏輯工作組的組成不受結(jié)點所在網(wǎng)段物理位置的限制。,94,虛擬局域網(wǎng)的工作原理示意圖,,95,,7.10 Ethernet組網(wǎng)設(shè)備與組網(wǎng)方法,傳統(tǒng)Ethernet的物理層標(biāo)準(zhǔn)的

49、命名方法： IEEE 802.3 X Type-Y NameX表示數(shù)據(jù)傳輸速率，單位為Mbps；Y表示網(wǎng)段的最大長度，單位為100m；Type表示傳輸方式是基帶還是頻帶；Name表示局域網(wǎng)的名稱。,96,集線器與10BASE-T 的Ethernet組網(wǎng),集線器（hub）集線器作為Ethernet中的中心連接設(shè)備時，所有結(jié)點通過非屏蔽雙絞線與集線器連接形成星型結(jié)構(gòu)；所以連接在一個集線器上

50、的主機屬于一個“沖突域”。,97,使用集線器與非屏蔽雙絞線的組網(wǎng)方法,使用集線器與非屏蔽雙絞線組網(wǎng)：單一集線器結(jié)構(gòu)多集線器級聯(lián)結(jié)構(gòu)堆疊式集線器結(jié)構(gòu)單一集線器結(jié)構(gòu)示意圖,98,,兩個集線器通過RJ-45端口的級聯(lián)結(jié)構(gòu)使用堆疊式集線器的結(jié)構(gòu),99,,,在設(shè)計GE網(wǎng)絡(luò)時，需要注意以下幾個問題:,在網(wǎng)絡(luò)主干部分通常使用高性能的GE主干交換機，以解決應(yīng)用中的主干網(wǎng)絡(luò)帶寬的瓶頸問題;在網(wǎng)絡(luò)支干部分考慮使用價格與性能相對較低的GE

51、支干交換機，以滿足實際應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)帶寬的需要；在樓層或部門一級，根據(jù)實際需要選擇100Mbps的FE交換機;在用戶端使用10/100Mbps網(wǎng)卡，將工作站連接到100Mbps的FE交換機。,100,典型的GE組網(wǎng)結(jié)構(gòu),,101,7.11 局域網(wǎng)互聯(lián)與網(wǎng)橋的基本工作原理,7.11.1 局域網(wǎng)互聯(lián)的基本概念兩個局域網(wǎng)通過網(wǎng)橋互聯(lián)的結(jié)構(gòu),102,7.11.2 網(wǎng)橋的層次結(jié)構(gòu),,103,,網(wǎng)橋結(jié)構(gòu)示意圖,,104,,7.11.3 網(wǎng)

52、橋的路由選擇策略,透明網(wǎng)橋（transparent bridge）透明網(wǎng)橋由網(wǎng)橋自己決定路由選擇，局域網(wǎng)上的各結(jié)點不負(fù)責(zé)路由選擇，網(wǎng)橋?qū)τ诨ヂ?lián)的局域網(wǎng)中各結(jié)點來說“透明”；透明網(wǎng)橋常用在兩個使用相同MAC層協(xié)議的網(wǎng)段之間的互聯(lián)；例如，連接兩個Ethernet網(wǎng)或兩個令牌環(huán)網(wǎng)；透明網(wǎng)橋的最大優(yōu)點是容易安裝，它是一種即插即用設(shè)備。,105,生成樹算法,網(wǎng)橋互聯(lián)的環(huán)狀結(jié)構(gòu),106,,為了防止出現(xiàn)環(huán)狀結(jié)構(gòu)這種現(xiàn)象，透明網(wǎng)橋使用生成樹（s

53、panning tree）算法；為了建造生成樹，需要選擇一個網(wǎng)橋作為生成樹的根；按根到每個網(wǎng)橋的最短路徑來構(gòu)造生成樹，如果某個網(wǎng)橋或局域網(wǎng)失敗，則重新計算；算法建立從每個局域網(wǎng)到根的惟一路徑；該過程由生成樹算法軟件自動產(chǎn)生，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化時將更新計算生成樹。,107,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c對應(yīng)的生成樹,,108,,源路選網(wǎng)橋（source routing bridge）,源路選網(wǎng)橋由發(fā)送幀的源結(jié)點負(fù)責(zé)路由選擇，在發(fā)送幀時將詳細(xì)的路由信息放在幀

54、頭部；為了發(fā)現(xiàn)合適的路由，源結(jié)點以廣播方式向目的結(jié)點發(fā)送用于探測的發(fā)現(xiàn)幀；在傳送過程中，發(fā)現(xiàn)幀都記錄經(jīng)過的路由；當(dāng)這些發(fā)現(xiàn)幀到達(dá)目的結(jié)點時，就沿著各自的路由返回源結(jié)點；源結(jié)點得到這些路由信息后，從可能的路由中選擇出一個最佳（跳數(shù)最少）的路由；發(fā)現(xiàn)幀的另一個作用是幫助源結(jié)點確定整個網(wǎng)絡(luò)可以通過的幀最大長度。,109,本章總結(jié)（1）,設(shè)置數(shù)據(jù)鏈路層的目的是將存在傳輸差錯的物理線路變成對網(wǎng)絡(luò)層無差錯的數(shù)據(jù)鏈路。數(shù)據(jù)鏈路層要執(zhí)行鏈路管理

55、、幀傳輸、流量控制、差錯控制等功能；誤碼率是指二進(jìn)制比特序列在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中被傳錯的概率；收發(fā)雙方在發(fā)現(xiàn)幀傳輸錯誤時，采用反饋和重發(fā)（ARQ）方法來糾正錯誤；差錯控制是指檢測并糾正數(shù)據(jù)傳輸差錯。最常用的檢錯方法是循環(huán)冗余編碼（CRC）方法；,110,本章總結(jié)（2）,面向比特型的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議HDLC數(shù)據(jù)傳輸單元是幀，幀具有固定的結(jié)構(gòu)；互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議主要是PPP協(xié)議。PPP協(xié)議不僅在撥號電話線，在路由器之間的專用線上也廣泛應(yīng)

56、用。PPP協(xié)議支持異步傳輸鏈路（面向字符的鏈路）、同步傳輸鏈路（面向比特的鏈路），以及IP協(xié)議及其它網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。局域網(wǎng)的MAC層協(xié)議用于解決多個結(jié)點利用共享傳輸介質(zhì)的隨機爭用控制；Ethernet采用帶有沖突檢測的載波偵聽多路訪問CSMA/CD方法。,111,本章總結(jié)（3）,由于10GE技術(shù)的出現(xiàn)，Ethernet工作范圍已從校園網(wǎng)、企業(yè)網(wǎng)，擴大到城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)；局域網(wǎng)交換機可以在多個端口之間建立多個并發(fā)連接；虛擬局域網(wǎng)VLAN建立在