第 3 章 数据链路层 西南财经大学经济信息工程学院 刘家芬 jfliu@swufe.edu.cn 计算机网络 第 3 章 数据链路层 西南财经大学经济信息工程学院 刘家芬 jfliu@swufe.edu.cn

本章内容 数据链路层，什么是链路？什么是数据链路？ 数据链路层要解决的三个基本问题？ 数据链路层的两类信道？分别采用的协议？

数据链路层 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

网络通信的简单模型 主机 H1 向 H2 发送数据 从层次上来看数据的流动 路由器 R1 路由器 R3 主机 H1 路由器 R2 主机 H2 电话网 局域网 广域网 局域网 链路层 应用层 运输层 网络层 物理层 R1 R2 R3 H1 H2 从层次上来看数据的流动

数据链路层的简单模型( 续） 主机 H1 向 H2 发送数据 仅从数据链路层观察帧的流动 路由器 R1 路由器 R3 主机 H1 电话网 局域网 广域网 局域网 仅从数据链路层观察帧的流动 H1 H2 应用层 应用层 R1 R2 R3 运输层 运输层 网络层 网络层 网络层 网络层 网络层 链路层 链路层 链路层 链路层 链路层 物理层 物理层 物理层 物理层 物理层

3.1 数据链路层基本概念 3.1.1 数据链路和帧 链路(link)是从一个结点到相邻结点的一段物理线路，中间没有任何其他的交换结点。 3.1 数据链路层基本概念 3.1.1 数据链路和帧 链路(link)是从一个结点到相邻结点的一段物理线路，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。 现在最常用的方法是使用适配器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。

数据链路层传送的是帧 结点 A 结点 B 网络层 IP 数据报 IP 数据报 装入 取出 数据 链路层 帧 帧 物理层 链路 (a) 数据 1010… …0110 1010… …0110 链路 (a) 数据 链路层 结点 A 结点 B 帧 (b) 发送 接收 链路

3.1.2 数据链路层要解决的三个基本问题 (1) 封装成帧 (2) 透明传输 (3) 差错控制

1. 封装成帧 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。确定帧的界限。 1. 封装成帧 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。确定帧的界限。 首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界。 IP 数据报 帧开始 帧结束 开始 发送 帧首部 帧的数据部分 帧尾部  MTU 数据链路层的帧长

用控制字符进行帧定界的方法举例 帧开始符 帧结束符 装在帧中的数据部分 帧 发送在前 SOH 装在帧中的数据部分 EOT 帧 发送在前 SOH: Start of Header 00000001 EOT: End of Transmission 00000100

ASCII码表

2. 透明传输 出现了“EOT” 完整的帧 发送 在前 数据部分 SOH EOT EOT 被接收端 误认为是一个帧 被接收端当作无效帧而丢弃

解决透明传输问题 字符填充(character stuffing)，也称字节填充(byte stuffing) 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)。 接收端的数据链路层收到数据后，在送往网络层之前还需要删除插入的转义字符。 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。

用字符填充法解决透明传输的问题 帧开始符 帧结束符 原始数据 字节填充 字节填充 字节填充 字节填充 经过字节填充后发送的数据 发送 在前 SOH EOT SOH ESC SOH EOT 字节填充 字节填充 字节填充 字节填充 SOH ESC EOT ESC SOH ESC ESC ESC SOH EOT 经过字节填充后发送的数据 发送 在前

3. 差错检测 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。 3. 差错检测 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。 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。

思考 你能想到的差错检测方法是什么呢？

循环冗余检验的原理 在数据链路层传送的帧中，广泛使用了循环冗余检验 CRC 的检错技术。 在发送端，先把数据划分为组。假定每组 k 个比特。 假设待传送的一组数据 M = 101001（假设 k = 6）。我们在 M 的后面再添加供差错检测用的 n 位冗余码一起发送。

冗余码的计算 用二进制的模 2 运算进行 2n 乘 M 的运算，也就是在 M 后面添加 n 个 0。 得到的 (k + n) 位的数除以事先选定好的长度为 (n + 1) 位的除数 P，得出商是 Q 而余数是 R。显然余数 R 比除数 P 少1 位，即 n 位。

冗余码的计算举例 假设 k = 6, M = 101001。 冗余码长度 n = 3, 除数 P = 1101， 被除数是 2nM = 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：2nM + R 即：101001001，共 (k + n) 位。

循环冗余检验的原理说明 110101 ← Q (商) P (除数) → 1101 101001000 ← 2nM (被除数) 1101 1110 0111 0000 0110 1100 001 ← R (余数)，作为 FCS

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)。

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)。 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。 只要选择适合的除数 P，那么出现检测不到的差错的概率就很小很小。

应当注意 仅用循环冗余检验 CRC 差错检测技术能做到“无差错接受”，指：“凡是接收端接受的帧都没有传输差错”，有差错的帧呢? 直接丢掉！ 除了比特差错外，还有帧丢失、帧重复和帧失序。 要做到“可靠传输”，即发送什么就能收到什么，还必须再加上确认和重传机制。由于通信线路质量提高，出现差错概率较小，因此数据链路层不采用。

3.2 点对点协议 PPP 3.2.1 PPP 协议的特点 PPP ≠ P2P 点对点线路中，使用最广泛的数据链路层协议是点对点协议 PPP (Point-to-Point Protocol)。 用户使用拨号电话线接入因特网时，一般都是使用 PPP 协议。

用户到 ISP 的链路使用 PPP 协议 用 户 接入网 至因特网 ISP PPP 协议

PPP 协议的主要需求 简单——这是首要要求 封装成帧 ——规定SOH和EOT 透明性 ——透明传输，包括界定符 校验—接受或丢弃 向上支持IP协议，向下支持多种类型链路 ——串行或并行、光或电等

PPP 协议的组成 PPP 协议有三个组成部分 一套将 IP 数据报封装到串行链路的规则。 一个用来建立、配置和测试数据链路连接的链路控制协议 LCP (Link Control Protocol)。 一套网络控制协议 NCP (Network Control Protocol)。

3.2.2 PPP 协议的帧格式 PPP 有一个 2 个字节的协议字段。 IP 数据报 先发送 首部 尾部 F A C F 协议 信 息 部 分 FCS 7E FF 03 7E 字节 1 1 1 2 不超过 1500 字节 2 1 PPP 帧 PPP 有一个 2 个字节的协议字段。 当协议字段为 0x0021 时，PPP 帧的信息字段就是IP 数据报。 若为 0xC021, 则信息字段是链路控制数据。 若为 0x8021，则表示这是网络控制数据。

3.2.2 PPP 协议的帧格式 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）。 地址字段 A 只置为 0xFF。地址字段实际上并不起作用。 控制字段 C 通常置为 0x03，留待今后使用。 PPP 是面向字节的，所有的 PPP 帧的长度都是整数字节。

透明传输问题 当 PPP 用在异步传输（面向字符，需要由定界标识表示开始和结束，发送方和接受方不要求信号同步）时，就使用字节填充方法。

零比特填充 PPP 协议使用同步传输（一连串的比特连续传送）时，采用零比特填充方法来实现透明传输。 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，

零比特填充 信息字段中出现了和 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 0 标志字段 完全一样 的 8 比特组合 会被误认为是标志字段 F 0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 发送端在 5 个连 1 之后 填入 0 比特再发送出去 发送端填入 0 比特 0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 在接收端把 5 个连 1 之后的 0 比特删除 接收端删除填入的 0 比特

3.3 使用广播信道的数据链路层 3.3.1 局域网的数据链路层 3.3 使用广播信道的数据链路层 3.3.1 局域网的数据链路层 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。 局域网具有如下的一些主要优点：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。

局域网的拓扑 集线器 星形网 总线网 匹配电阻 干线耦合器 环形网 树形网

信道共享技术 局域网由于共用信道要着重考虑共享信道的问题 静态划分信道 动态媒体接入控制（多点接入），信道并非固定地分配给用户 频分复用/ 时分复用/波分复用/码分复用 动态媒体接入控制（多点接入），信道并非固定地分配给用户 随机接入，如以太网 受控接入 ，如多点线路探询或轮询

以太网的两个标准 DIX Ethernet V2 是世界上第一个局域网产品（以太网）的规约。 IEEE 的 802.3 标准。

802.3数据链路层的两个子层 由于有关厂商的商业竞争，IEEE 802标准将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 现在 802 委员会制定的逻辑链路控制子层 LLC（即 802.2 标准）的作用已经不大了。很多厂商生产的适配器上就仅装有 MAC 协议而没有 LLC 协议。

2. 适配器的作用 网络适配器又称为通信适配器(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，与计算机CPU、内存协同工作。 实现以太网协议。

计算机通过适配器 和局域网进行通信 IP 地址 硬件地址 计算机 CPU 和 存储器 适配器 （网卡） 至局域网 并行 通信 串行通信 生成发送的数据 处理收到的数据 把帧发送到局域网 从局域网接收帧

3.3.2 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。因为这样的连接方法既简单又可靠.总线的特点：一台计算机发送数据时，总线上的所有计算机都能检测到。 匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号） 匹配电阻 只有 D 接受 B 发送的数据 A B C D E 不接受 B向 D 发送数据 不接受 接受 不接受

以太网的广播方式发送 总线上的每一个工作的计算机都能检测到 B 发送的数据信号。 由于只有计算机 D 的地址与数据帧首部的目的地址一致，因此只有 D 才接收这个数据帧。 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保存。 在本是广播的总线上实现了一对一的通信。

为了通信的简便 以太网采取的措施 采用无连接的工作方式，即不必先建立连接就可以直接发送数据。并且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。 这样做的理由是局域网信道的质量很好，因信道质量产生差错的概率是很小的。

以太网提供的服务 以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。 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。

以太网发送的数据都使用 曼彻斯特(Manchester)编码 码元 1 1 1 1 1 基带数字信号 曼彻斯特编码 出现电平转换 曼彻斯特编码的优点是容易从比特流中提取位同步信号。

如果多个站点同时发送数据？ CSMA/CD 表示 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection。 “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。 “载波监听”是指每一个站在发送数据之前先要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，以免发生碰撞。 如何监听？就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号。

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

检测到碰撞后 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。 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。

发送前监听过，为何还会冲突？ 由于电磁波的传播需要时间，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。 A 向 B 发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到 B。 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。 碰撞的结果是两个帧都变得无用。

传播时延对载波监听的影响 A B 单程端到端 传播时延记为 1 km t = 0 B 发送数据 碰撞 t =   

单程端到端 传播时延记为 1 km A B t = 0 t =    B 发送数据 碰撞 t = 2   A 检测到发生碰撞 信道空闲 发送数据 A B t =    B 检测到信道空闲 发送数据 A B t =    / 2 发生碰撞 A B t =  B 检测到发生碰撞 停止发送 STOP A B t = 2   A 检测到 发生碰撞 STOP A B

重要特性 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）。 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。 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。

争用期 最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间 2 （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。 以太网的端到端往返时延 2 称为争用期，或碰撞窗口。 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。

二进制指数类型退避算法 (truncated binary exponential type) 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。 确定基本退避时间，一般是取为争用期 2。 定义重传次数 k ，k  10，即 k = Min[重传次数, 10] 从整数集合[0,1,…, (2k 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。 当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。

争用期的长度 以太网取 51.2 s 为争用期的长度。 对于 10 Mb/s 以太网，在争用期内可发送512 bit，即 64 字节。 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。

最短有效帧长 如果发生冲突，就一定是在发送的前 64 字节之内。 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。 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。

强化碰撞 当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时： 立即停止发送数据； 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。

帧间最小间隔 帧间最小间隔为 9.6 s，相当于 96 bit 的发送时间。 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。

3.4 以太网 3.4.1 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)。

使用集线器的双绞线以太网 站点 集线器 RJ-45 插头 两对双绞线

集线器的一些特点 集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线的工作。 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。 集线器很像一个多接口的转发器，工作在物理层。

具有三个接口的集线器 集 线 器 双绞线 网卡 网卡 网卡 工作站 工作站 工作站

3.4.2 以太网的信道利用率 争用期长度为 2，即端到端传播时延的两倍。 帧长为 L (bit)，数据发送速率为 C (b/s)，因此帧的发送时间为 T0 = L/C ，单位为s。 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  使得信号传播到另一端)时为止，是发送一帧所需的平均时间。 发生碰撞 占用期 争用期 争用期 … 争用期 发 送 成 功 t 2τ 2τ 2τ T0 τ 发送一帧所需的平均时间

参数 a 要提高以太网的信道利用率，就必须减小  与 T0 之比。在以太网中定义了参数 a，它是以太网单程端到端时延  与帧的发送时间 T0 之比： (3-2) a→0 表示一发生碰撞就立即可以检测出来， 并立即停止发送，因而信道利用率很高。 a 越大，表明争用期所占的比例增大，每发 生一次碰撞就浪费许多信道资源，使得信道 利用率明显降低。

对以太网参数的要求 当数据率一定时 以太网的连线的长度受到限制，否则  的数值会太大。 以太网的帧长不能太短，否则 T0 的值会太小，使 a 值太大。

信道利用率的最大值 Smax 在理想化的情况下，以太网上的各站发送数据都不会产生碰撞（这显然已经不是 CSMA/CD，而是需要使用一种特殊的调度方法），即总线一旦空闲就有某一个站立即发送数据。 发送一帧占用线路的时间是 T0 + ，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： (3-3)

3.4.3 以太网的 MAC 层 1. MAC 层的硬件地址 在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或 MAC 地址。

48 位的 MAC 地址 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)。 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。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或EUI-48。

适配器检查 MAC 地址 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. 如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他的处理。 否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。 “发往本站的帧”包括以下三种帧： 单播(unicast)帧（一对一） 广播(broadcast)帧（一对全体） 多播(multicast)帧（一对多）

2.以太网的 MAC 帧格式 IP 数据报 IP层 MAC 帧 MAC层 以太网 MAC 帧 物理层 … 帧开始 前同步码 定界符 目的地址 字节 6 6 2 46 ~ 1500 4 MAC 帧 目的地址 源地址 类型 数 据 FCS MAC层 插入 8 字节 以太网 MAC 帧 物理层 7 字节 1 字节 10101010101010 10101010101010101011 … 前同步码 帧开始 定界符

以太网 V2 的 MAC 帧格式 目的地址字段 6 字节 IP 数据报 IP 层 目的地址 源地址 类型 数 据 FCS 6 2 4 字节 数 据 FCS 6 2 4 字节 46 ~ 1500 MAC 层 MAC 帧 物理层

以太网 V2 的 MAC 帧格式 源地址字段 6 字节 IP 数据报 IP 层 目的地址 源地址 类型 数 据 FCS 6 2 4 字节 数 据 FCS 6 2 4 字节 46 ~ 1500 MAC 层 MAC 帧 物理层

以太网 V2 的 MAC 帧格式 类型字段用来标志上一层使用的是什么协议， 以便把收到的 MAC 帧的数据上交给上一层的这个协议。 类型字段 2 字节 IP 数据报 IP 层 目的地址 源地址 类型 数 据 FCS 6 2 4 字节 46 ~ 1500 MAC 层 MAC 帧 物理层

以太网 V2 的 MAC 帧格式 数据字段 46 ~ 1500 字节 当数据字段的长度小于 46 字节时， 最小长度 64 字节  18 字节的首部和尾部 = 数据字段的最小长度 数据字段 46 ~ 1500 字节 IP 数据报 IP 层 目的地址 源地址 类型 数 据 FCS 6 2 4 字节 46 ~ 1500 MAC 层 MAC 帧 物理层 当数据字段的长度小于 46 字节时， 应在数据字段的后面加入整数字节的填充字段， 以保证以太网的 MAC 帧长不小于 64 字节。

以太网 V2 的 MAC 帧格式 FCS 字段 4 字节 IP 数据报 IP 层 目的地址 源地址 类型 数 据 FCS 6 2 4 字节 数 据 FCS 6 2 4 字节 46 ~ 1500 MAC 层 MAC 帧 物理层

以太网 V2 的 MAC 帧格式 在帧的前面插入的 8 字节中的第一个字段共 7 个字节， 是前同步码，用来迅速实现 MAC 帧的比特同步。 IP 数据报 IP 层 目的地址 源地址 类型 数 据 FCS 6 2 4 字节 46 ~ 1500 MAC 层 10101010101010 10101010101010101011 前同步码 帧开始 定界符 7 字节 1 字节 … 8 字节 插入 MAC 帧 物理层 为了达到比特同步， 在传输媒体上实际传送的 要比 MAC 帧还多 8 个字节

无效的 MAC 帧 帧的长度不是整数个字节； 用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错； 数据字段的长度不在 46 ~ 1500 字节之间。

3.5 扩展的局域网 3.5.1 在物理层扩展局域网 10BASE-T以太网的网线距离不能超过200m 如果网络超过这个范围，怎么办？

用多个集线器可连成更大的局域网 某大学有三个系，各自有一个局域网 三个独立的碰撞域 碰撞域 碰撞域 碰撞域 一系 二系 三系

用集线器组成更大的局域网 都在一个碰撞域中 一个更大的碰撞域 主干集线器 碰撞域 一系 二系 三系

3.5.2 在数据链路层扩展局域网 在数据链路层扩展局域网是使用网桥。 3.5.2 在数据链路层扩展局域网 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

1. 网桥的内部结构 网桥 缓存 站地址 接口 站表 ① 1 ② 1 ③ 1 ④ 2 接口管理 软件 网桥协议 实体 ⑤ 2 ⑥ 2 接口 1 缓存 接口 2 网桥 接口 1 接口 2 网段 A 1 2 网段 B ① ② ③ ④ ⑤ ⑥

网桥使各网段成为 隔离开的碰撞域 B1 B2 碰撞域 碰撞域 碰撞域 A B C D E F

网桥和集线器的不同 集线器仅仅简单地转发比特（逐比特转发），不对传输媒体进行检测。 网桥根据目的地址存储转发帧，转发前执行 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。

2. 透明网桥 透明网桥(transparent bridge)是一种即插即用设备，不需要人工配置转发表。 “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。

透明网桥按照自学习算法 处理收到的帧和建立转发表 若从 A 发出的帧从接口 x 进入了网桥，那么从这个接口出发沿相反方向一定可把帧传送到 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。 在转发帧时，根据帧首部中的目的地址来转发。

转发表的建立过程举例 … B1 B2 1 2 1 2 A B C D E F 地址 接口 地址 接口 A → B A 1 A → B A 1 地址 接口 地址 接口 A → B A 1 A → B A 1 F → C F 2 F → C F 2 … B 1 B → A

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。

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）。

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。     不停地 兜圈子  网络资源白白消耗了  F1 网桥 1 转发的帧  F2 网桥 2 转发的帧 局域网 2 不停地 兜圈子 网桥 1 网桥 2   网络资源白白消耗了 A 局域网 1 F A 发出的帧

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。

3. 源路由网桥 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，发现帧沿所有可能的路由传送。传送过程中，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。

4. 多接口网桥——以太网交换机 以太网交换机(switch)也称第二层交换机（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。

以太网交换机的特点 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。

用以太网交换机扩展局域网 万维网 服务器 100 Mb/s 路由器 至因特网 以太网 交换机 100 Mb/s 100 Mb/s 电子邮件 一系 二系 三系 10BASE-T

利用以太网交换机可以很方便地 实现虚拟局域网 虚拟局域网其实只是利用交换机为用户提供的一种服务，而并不是一种新型局域网。 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。

三个虚拟局域网: VLAN1, VLAN2 和 VLAN3 以太网 交换机 C3 B3 A4 VLAN1 VLAN2 VLAN3 以太网

当 B1 向 VLAN2 工作组内成员发送数据时， 三个虚拟局域网 VLAN1, VLAN2 工作站 B2 和 B3 将会收到广播的信息。 以太网 交换机 C3 B3 A4 VLAN1 VLAN2 VLAN3 以太网 交换机 C2 B2 A3 以太网 交换机 C1 B1 A2 A1 当 B1 向 VLAN2 工作组内成员发送数据时， 工作站 B2 和 B3 将会收到广播的信息。 以太网 交换机 三个虚拟局域网 VLAN1, VLAN2 和 VLAN3 的构成

B1 发送数据时，工作站 A1, A2 和 C1 三个虚拟局域网 VLAN1, VLAN2 都不会收到 B1 发出的广播信息。 以太网 交换机 C3 B3 A4 VLAN1 VLAN2 VLAN3 以太网 交换机 C2 B2 A3 以太网 交换机 C1 B1 A2 A1 B1 发送数据时，工作站 A1, A2 和 C1 都不会收到 B1 发出的广播信息。 以太网 交换机 三个虚拟局域网 VLAN1, VLAN2 和 VLAN3 的构成

虚拟局域网限制了接收广播信息的工作站数，使得网络 不会因传播过多的广播信息(即“广播风暴”)而引起性能恶化。 以太网 交换机 C3 B3 A4 VLAN1 VLAN2 VLAN3 以太网 交换机 C2 B2 A3 以太网 交换机 C1 B1 A2 A1 虚拟局域网限制了接收广播信息的工作站数，使得网络 不会因传播过多的广播信息(即“广播风暴”)而引起性能恶化。 以太网 交换机 三个虚拟局域网 VLAN1, VLAN2 和 VLAN3 的构成

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。 插入 4 字节的 VLAN 标记 字节 6 6 4 2 46 ~ 1500 4 802.3 MAC 帧 目地地址 源地址 长度/类型 MAC 帧 数 据 FCS 长度/类型 = 802.1Q 标记类型 标记控制信息 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 VID 2 字节 2 字节 用户优先级 CFI

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)。

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。 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。

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。 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。

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。

以太网接入举例：光纤到大楼 FTTB 吉比特以太网 光结点汇接点 高速汇接点 GigaPoP 1 Gb/s 10 M 10 M 100 M