1
第三章 数据链路层
2
主要内容
*使用广播信道的数据链路层4
*使用广播信道的以太网5
数据链路层的地位1
*使用点对点信道的数据链路层2
*点对点协议 PPP3
*扩展以太网6
*高速以太网7
8
第三章 数据链路层
3
第三章 数据链路层（ 2）
4
主要内容第三章 数据链路层（ 2）
使用广播信道的数据链路层
*局域网概述
传统以太网以及 LAN 802.3标准,*CSMA/CD协议
使用广播信道的以太网
以太网的物理层、以太网 MAC层
扩展以太网
*集线器、网桥和交换机
*虚拟局域网
高速以太网
5
3.3.1 局域网的数据链路层
1、局域网概述
（ 1).何谓局域网？
局域网为一个单位所拥有,且地理范围和站点数目均有限 。 这里仅给出 LAN的一般定义,以反映 LAN的基本特征 。
所谓 LAN是指将小范围内的有限的通信设备互连在一起的通信网。
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
6
(2),局域网的特点 （ 早期,与 WAN相比 ）
① 短距离 （ 几公里 ） ；
② 高速率 （ 已可达 10Gbps以上 ） ；
③ 低误码率 （ 10-8～ 10-11） 。
(3).LAN的常见拓扑结构形式局域网通常按网络拓扑进行分类。从目前的发展来看，
LAN的常见拓扑结构有 星型、环型、总线型、树型 以及 混合型等几种。图 3-9给出了四种基本的拓扑结构形式
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
7
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
图 3-9 局域网的常见拓扑匹配电阻总线网树形网集线器星形网干线耦合器环形网
8
(4).LAN中常用的传输介质局域网可使用多种传输介质组成 。
双绞线 最便宜，原来只用于低速 (1～ 2Mbps)基带局域网。现在 10Mbps甚至 10Gbps的局域网也可使用双绞线。
50Ω 细同轴电缆 可支持到 10Mbps； 50Ω粗同轴电缆 可支持到
50Mbps。
光纤 具有很好的抗电磁干扰特性和很宽的频带，过去主要用在环形网中，其数据率可达 100Mbps或到几十 Tbps。现在点到点线路使用光纤已变得普遍。
无线电 由于具有支持灵活构建局域网的特性，目前正在日益受到人们的重视。
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
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(5).LAN中常采用的传输媒体共享技术
① 静态划分信道 (信道共享技术 )
频分复用时分复用波分复用 ………
② 动态媒体接入控制（多点接入）
随机接入,所有的用户可随机地发送信息。
受控接入,用户不能随机地发送信息，必须服从一定的控制 。
以太网选用了 随机接入的方式
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
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(6).局域网的参考模型
① LAN的层次结构从 LAN的定义可知,LAN本质上仅是一个通信网 。
从通信网这一观点出发,如果将其纳入第一章图 1.15所给出的网络层次结构框架下讨论,由于下三层主要负责通信工作
,因而可以推断,LAN的层次结构应只体现在所给层次结构的下三层 。
IEEE802委员会 推荐的局域网参考模型 （ LAN/RM） 如图 3-
10所示 。
3.3 使用广播信道的数据链路第三章 数据链路层（ 2）
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应用层运输层网络层数据链路层物理层逻辑链路控制（ LLC）子层媒体接入控制（ MAC）子层物理层五层架构的网络体系 IEEE802参考模型图 3-10 局域网的参考模型与五层架构的网络体系的对比
LLC,Logic Link Control； MAC,Medium Access Control
服务访问点
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
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② 关于局域网层次结构的讨论局域网为什么采用此种层次结构，主要基于两点考虑,
由于局域网拓扑简单清晰，不存在路由选择问题，因此它 不需要网络层。
由于局域网的种类繁多，其介质接入控制的方法也各不相同
，远比广域网复杂。为了使局域网中的数据链路层不致过于复杂,IEEE认为有必要将局域网的 数据链路层划分成两个子层。
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
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③ 物理层的主要功能
a.信号的编码与译码；
b.前导同步码的产生与去除；
c.比特的传输与接收 。
④ MAC子层的主要功能根据 IEEE的观点,凡与接入各种传输介质有关的问题,都将其放在 MAC子层解决 。
⑤ LLC子层的主要功能根据 IEEE的观点,在数据链路层中凡与 介质接入无关的部分都集中在逻辑链路控制 LLC子层中 。
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
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高层
MAC
物理层传输媒体
LLC
高层
MAC
物理层传输媒体
LLC
局域网
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
⑥ 对 LLC子层与 MAC子层的进一步认识图 3-11给出了 LLC子层与 MAC子层的主要区别
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结论：
在 LLC子层之上的网络各层和网络用户看不到具体的局域网，即 LLC子层提供了 透明性保证 。
在 MAC子层可 清清楚楚 看到不同局域网的 差异,包括拓扑结构、信道共享方式等，所连接的是采用什么标准的局域网（总线网、令牌总线网或令牌环形网）。
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
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⑦ LLC PDU与 MAC PDU之间的关系图 3-12给出了 LLC PDU和 MAC PDU的关系 。
网络层及以上
LLC PDU LLC子层
MAC PDU MAC子层图 3-12 LLC PDU与 MAC PDU的关系高层数据
LLC首部 LLC数据
MAC首部 MAC数据 MAC尾部
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
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⑧ IEEE802标准体系
IEEE802委员会下设若干个分委员会,分别承担 LAN的相关标准制定,图 3-13描述了各标准之间的关系 。
图 3-13 IEEE802各标准之间的关系物理层数据链路层
IEEE 802.1
IEEE 802.2
逻辑链路控制子层
IEEE 802.3
CSMA/CD
IEEE 802.4
令牌总线
IEEE 802.5
令牌环网
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
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2.以太网概述
（ 1） 何为以太网？
以太网最初是美国施乐 (Xerox)公司 1975年 研制成功的,当时的数据率仅为 2.94Mbps。 由于它以 无源的电缆作为总线来传送数据帧,故借用了曾经在历史上表示传播电磁波的以太 (Ether)来命名 。
以太网推出后,以其安装 简单,易于扩充 等优点,获得了人们的高度评价 。
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
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1981年,施乐公司与 DEC以及 Intel公司合作，联合提出了 以太网的规范 。
1982年,修改为第二版规范，即 DIX Ethernet V2，成为世界上第一个局域网产品的规约（ DIX是这三个公司名称第一个字母的缩写）。 该标准后来即成为 IEEE802.3标准的基础 。
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
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（ 2）以太网网卡通常,计算机与电缆的连接是通过主机箱内的 网络接口板 实现 。 网络接口板又称为 通信适配器 （ adapter） 或 网络接口卡
NIC(network interface card),现在人们普遍使用简称,网卡
” 。 图 3-14给出了网卡在计算机内部的位置 。
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
图 3-14 网卡在计算机内部的位置
21
网卡的作用,
数据的封装与解封
进行串行 /并行转换
缓存数据
实现以太网协议
编码与译码（曼彻斯特编码）
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
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（ 3） 总线式以太网的数据交换原理图 3-15对总线式以太网的数据交换原理作了恰当说明 。
匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号） 匹配电阻
DCB EA
不接收接收不接收不接收发送
B向 D发送数据，只有 D才接收
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
图 3-15 总线式以太网的数据交换原理
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（ 4） 总线式以太网的基本通信特征
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；数据帧 不编号,也不要求对方发回确认；以太网 提供的是不可靠交付,即,尽最大努力的交付,。
以太网发送的数据都是使用曼彻斯特编码 （ Manchester） 的信号 。
数据发送本质上 具广播特征 ；采用 CSMA/CD (Carrier Sense
Multiple Access with Collision Detection)协议来协调如何使用总线 。
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
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3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
以太网发送的数据都使用曼彻斯特 (Manchester)编码基带数字信号曼彻斯特编码码元 1 11 110 0 0 0 0
出现电平转换
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3,CSMA/CD协议
（ 1） 协议的基本内容
多点接入,许多计算机同时连接在一根总线上 。
载波监听,在发送数据前,需检查总线上是否有其他计算机在发送数据,有则暂时不发送数据,以免发生碰撞 。
碰撞检测,边发送数据边检测信道上的信号电压大小,以检查是否发生,碰撞,或,冲突,,有则立即停止发送,等待一段随机时间 后再发送 。
A B C D E
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
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（ 2） 协议实现需考虑的几个主要问题
,当信道不空闲时,,发送站点干什么？
什么情况下会发生,碰撞,或,冲突,？
发生,碰撞,或,冲突,后如何处理？
A B C D E
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
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（ 3）,信道不空闲时,时的几种处理技术
a.非坚持技术非坚持 （ Non persistent） 又称为 0-坚持 。
思想：
希望发送数据的站点一旦监听到信道忙 (即发现有其它站在发送数据 ),就不再坚持听下去,而是根据协议制定的相关策略延迟一个随机的时间后再重新监听 。
分析：
非坚持方法无法把信道从,不空变空,的那一时刻找出来，
从而一定程度上降低了信道的利用率。
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
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b.恒坚持技术恒坚持 (persistent)又称为 1-坚持 。
思想,希望发送数据的站点监听到信道忙时，仍继续监听下去，一旦发现信道空闲则 立即抢占 。
分析：
若有两个或更多的站点同时在监听信道，一旦信道空闲，两个或更多的站点同时抢占信道的结果是必然导致碰撞发生，反而不利于信道吞吐率的提高。
CSMA/CD协议采用此种处理技术
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
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（ 4） 什么情况下会发生,碰撞,或,冲突,？
至少存在两种情况会导致冲突产生：
第一情况,当两个以上的站点同时监听到信道空闲，且同时发送数据。
第二情况,由于信号在信道传输上存在传输延迟，从而为“碰撞”
或,冲突,发生带来可能。
下面来分析这种“碰撞”产生的基本原因。抢占信道时，
“碰撞”或,冲突,即会发生。
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
30
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
1 kmA B
t
碰撞
t = / 2
发生碰撞
t = 2
A 检测到发生碰撞 t =
B 发送数据
B 检测到发生碰撞
t =?
A
B
A B
A B
t = 0
A 检测到信道空闲发送数据
A B
t = 0
t = 2
A 检测到发生碰撞
STOP
A
B
单程端到端传播时延记为?
传播时延对载波监听的影响
31
（ 5）,争用期,的概念
a.争用期的定义对 CSMA/CD协议而言,由于参与信道争用的任一站点在发送数据帧后 至多 经过 2τ 时间就可知道是否发生碰撞 。 因而将该时间称为 争用期 （ 碰撞窗口 ） 。
争用期的两种描述：
以太网上任一结点均能检测出冲突发生所需的时间。
以太网端到端的最大往返时延 。
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
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b.争用期的一种计算方法争用期 =2× {信道长度（ km）
× 数据传播速率（ bit/s）
× 信号传播时延（ s/km） }
例,对于一个数据传输速率为 10Mbps，同轴电缆长度为 1km的局域网来讲，从第一章的讨论已知，电磁波在电缆中的传播速率约为 2.3× 105km/s，故可计算出同轴电缆信道中的争用期为：
2× (1km× 107bit/s× 5μ /1km)=100bits
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
33
c.传统以太网争用期的确定传统以太网争用期的基本时间长度定为 51.2μ s，主要是基于如下因素：
端到端发送数据的介质传输时延；
可能引入转发器后增加的时延；
强化碰撞的持续时间。
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
34
（ 6） 以太网关于无效帧的规定对于 10Mb/s以太网，在争用期内任一发送站点可发送 512bit
（ 64字节） 。若前 64字节没有冲突，后续发送的数据就不会发生冲突。如果冲突，就一定在前 64字节之内。
因此，以太网规定最短有效帧长为 64字节。凡长度小于 64字节的帧都是由于冲突而异常终止的 无效帧 。
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
35
（ 7） 发生,碰撞,或,冲突,后如何处理？
a.强化冲突人为加入 干扰信号,以便让所有网络用户都知道现在发生了冲突 。 图
3-16对强化冲突给出了相应说明 。
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
TJ
A B
TB
t
B 发送数据
A 检测到冲突开始冲突信道占用时间
A 发送数据图 3-16 强化冲突示意图
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b.确定随机延迟时间以太网采用了所谓的 截断二进制指数退避算法 来确定随机延迟时间 。 该 算法的思想 是：
确定一个 基本退避时间,取 2倍的信道最大传播时延,即 2τ ；
设置一个参量 k,第一次数据发送时,若发生冲突,令 k=1；
重新发送时,若再次发生冲突,规则为：
k= min（ 重发次数,10),随机从离散的整数集合 [0,1,2，
········,2k-1]中取出一个数 r,重传所需的时间是 r的基本退避时间 。
重传最多 16次,以后丢弃,向高层汇报 。
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
37
例：
A站：第一次发送,发生冲突,取 k=1（ 0,21_ 1 ） ；
第二次发送,发生冲突,取 k=2（ 0,…,22 _ 1 ） ；
第十次发送,发生冲突,取 k=10（ 0,…,210 _ 1 ） ；
第十六次发送,发生冲突,取 k=10（ 0,…,210 _ 1 ） 。
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
38
（ 8） 小结
CSMA/CD协议概貌归纳,
先听后发 ——保证了信道不空闲时，绝对不会有冲突发生
边发边听 ——保证一旦有冲突产生，各冲突站点马上会终止发送
冲突回避 ——保证系统不会出现剧烈冲突
延迟重发 ——保证了系统的稳定
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
39
1.以太网的物理层存在四种基本类型,如图 3-17所示 。
图 3-17 以太网物理层的四种基本类型
10BASE5
粗缆
10BASE－ T
双绞线
10BASE2
细缆
10BASE－ F
光缆以太网媒体接入控制 MAC
3.4 使用广播信道的以太网第三章 数据链路层（ 2）
命名规则：
base表示基带传输，曼彻斯特编码
base前数字表示传输率，单位 Mbps
base后数字表示每段电缆最大长度
,T”表示双绞线,,F”表示光纤
40
2.传统以太网的几种连接方法图 3-18给出了几种传统以太网的连接方式 。
3.4 使用广播信道的以太网第三章 数据链路层（ 2）
主机箱主机箱主机箱双绞线集线器BNC T 型接头收发器电缆网卡插入式分接头MAU
MDI
保护外层外导体屏蔽层内导体收发器
DB-15
连接器
BNC 连接器插口
RJ-45
插头图 3-18 几种传统以太网的连接方式
41
3,使用集线器的星形拓扑 (基于 Hub和双绞线的以太网 )
在以双绞线作为传输媒体的传统以太网中,双绞线总是和专用的网络设备 集线器 Hub一起使用 。
(1)相关标准
1987年,IEEE制定了使用双绞线和 Hub的 lBase5标准 。
这里,5” 代表两站之间的距离不超过 500m（ 每个站到集线器的距离不超过 250m） 。
1990年,IEEE又制订了 10Base—T的标准 802.3i。 10Base—T的通信距离稍短,每个站到集线器的距离不超过 100m。
第三章 数据链路层（ 2）
3.4 使用广播信道的以太网
42
(2)Hub的基本特点
一个 Hub就是一个具有多个连接端口的设备,例如,8至 16个端口,一个端口通过 RJ45插座用双绞线与一个工作站上的网卡相连 。 因此,一个 Hub实际上就是一个多端口的转发器,工作在物理层 。 图 3-19给出了一个具有三个端口的 Hub的示意图 。
第三章 数据链路层（ 2）
3.4 使用广播信道的以太网集线器网卡工作站网卡工作站网卡工作站双绞线图 3-19 一个具有三个端口的 Hub
43
表面上看,使用 Hub的局域网 在物理上是一个星型网,但由于
Hub是使用电子器件来模拟实际电缆的工作机制,因此使用 Hub
的以太网 在逻辑上仍是一个总线网,各工作站仍然共享逻辑上的总线,使用的还是 CSMA/CD协议 。 因而一般又将这类以太网称为 星型总线网,而 将 Hub称为有源总线 。
第三章 数据链路层（ 2）
3.4 使用广播信道的以太网集线器网卡工作站网卡工作站网卡工作站双绞线
44
Hub的每个端口都具有发送和接收数据的功能 。 当 Hub的某个端口接收到工作站发来的有效数据帧时,就将数据帧转送到所有其他各端口,然后发送给其他各工作站 。 若两个端口同时有信号输入,Hub就向所有的端口发送干扰信号 。
第三章 数据链路层（ 2）
3.4 使用广播信道的以太网集线器网卡工作站网卡工作站网卡工作站双绞线
45
一个较大型局域网中用到的多个 Hub既可以堆叠在一起使用 （ 称为 堆叠式集线器 ——Stackable Hub）,也可以分散布局,以构成一个呈树型结构的网络 。
作为一个有源设备,Hub上的 指示灯 可显示网络中各站点的工作情况,给网络管理带来方便第三章 数据链路层（ 2）
3.4 使用广播信道的以太网集线器网卡工作站网卡工作站网卡工作站双绞线
46
4.以太网的 MAC层
（ 1） MAC层的硬件地址
① 何谓 MAC地址？
根据 IEEE802委员会的观点,LAN中的数据交换,,源站,和
,目的站,之间的寻址应由 MAC层完成 。
问题,
从 MAC层看,,源站,和,目的站,应采用何种标识方式呢？
IEEE的基本做法：
采用 6个字节的二进制码来对 全球 的任一台 LAN主机编址，称为
MAC地址或硬件地址 ；
采用 2字节的二进制码来对 局部 （本地）的任一台 LAN主机编址；
第三章 数据链路层（ 2）
3.4 使用广播信道的以太网
47
② MAC地址的分配及使用
由 IEEE掌管 6字节 MAC地址的 高 3个字节 的分配，全球网卡生产厂家均向 IEEE购买，一次一个,号码,，也称为一个,地址块,。规范名称为,机构唯一标识符,OUI
（ Organizationally Unique Identifier） ；
6字节 MAC地址的 低 3个字节 的使用由网卡生产厂家自行决定，前提是 保证唯一性 ；
最终得到的 48比特地址称为 MAC－ 48，更为标准的名称为 EUI－ 48（ Extended Unique Identifier）；
因 MAC地址固化在网卡上，因而有,硬件地址,之称。
第三章 数据链路层（ 2）
3.4 使用广播信道的以太网
48
③ EUI-48地址的十六进制和二进制记法图 3-20对 EUI-48地址的十六进制和二进制标记法作了恰当说明 。
第三章 数据链路层（ 2）
3.4 使用广播信道的以太网第 1
最高位最先发送最低位 最高位 最低位最后发送
00110101 01111011 00010010 00000000 00000000 00000001
最低位最先发送最高位 最低位 最高位最后发送机构惟一标志符 OUI 扩展标志符高位在前低位在前十六进制表示的 EUI-48 地址,AC-DE-48-00-00-80
二进制表示的 EUI-48 地址：
第 1 字节 第 6 字节
I/G 比特
I/G 比特字节顺序 第 2 第 3 第 4 第 5 第 6
第 1字节顺序 第 2 第 3 第 4 第 5 第 6
10101100 11011110 01001000 00000000 00000000 10000000802.5802.6
802.3
802.4
图 3-20 EUI-48地址的十六进制和二进制标记法
50
④ 关于 MAC地址的进一步说明
MAC地址仅代表 LAN网络站点在 MAC层所看到的,名称,，不代表其地理位置；
一台计算机的网卡更换，其,名称,即改变；
一个网络设备可以具有多个,名称,，图 3-21对此作了恰当说明。
第三章 数据链路层（ 2）
3.4 使用广播信道的以太网
20-60-8C-C7-75-2A 08-00-20-47-1F-E4
1A-24-F6-54-1B-0E
00-00-A2-A4-2C-02
20-60-8C-11-D2-F6
图 3-21 具有两个 MAC地址的路由器路由器因特网
51
(2).以太网两种不同的 MAC帧格式
① 常用的以太网 M AC帧格式有两种标准,
DIX Ethernet V2 标准
IEEE 的 802.3 标准
② 最常用的 MAC 帧是 以太网 V2 的格式 。
第三章 数据链路层（ 2）
3.4 使用广播信道的以太网
52
DIX V2标准的帧格式图 3-22给出了 DIX V2标准的帧格式。
第三章 数据链路层（ 2）
3.4 使用广播信道的以太网以太网 MAC 帧 物理层
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
IP层目的地址 源地址 类型 数 据 FCS
6 6 2 4字节 46 ~ 1500
IP 数据报
MAC 帧图 3-22 以太网 V2的 MAC帧格式
53
③ 802.3关于无效帧的规定
802.3规定了四种帧均为无效的 MAC帧,它们是：
a.帧的数据字段长度与,数据长度,字段不一致；
b.帧的实际长度不是整数个字节；
c.用收到的 FCS查出帧有差错；
d.收到的帧的数据字段的长度不在 46-1500之间 。
802.3还规定帧间最小间隔应为 9.6微秒
为什么要引入帧间最小间隔？
为了使刚刚收到数据帧的站的接收缓冲区来得及清理,以做好接收下一帧的准备 。
第三章 数据链路层（ 2）
3.4 使用广播信道的以太网
54
1.问题的提出
关注两个方面的问题,
任何一个 LAN总会受到两个方面的限制,即 工作站个数和网络覆盖距离 。 当工作站较多时,会导致网络的总体性能下降,例如 802.3标准的 LAN就是如此 。
如果一个单位已拥有许多个局域网,常需要将这些 局域网互连 起来,以实现局域网之间的通信 。
如何解决？
在物理层实现
在数据链路层实现
在网络层实现第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术
55
2.在物理层扩展以太网
（ 1）基本方法在物理层扩展局域网的经典方法是借助 转发器 和以太网的 集线器 Hub，图 3-23给出了基于转发器实现局域网扩展的一般模式；图
3-24给出了基于 Hub实现局域网扩展的一般模式。
LAN 1 LAN 2
A
B
C
D
转发器图 3-23 基于转发器实现局域网扩展的一般模式第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术
56
集线器
A用户群 C用户群集线器集线器
B用户群三个独立的碰撞域集线器 集线器集线器集线器主干集线器一个更大的碰撞域
A用户群 C用户群B用户群
(a)三个独立的局域网 (b)一个扩展的局域网图 3-24 用多个集线器连成更大的局域网第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术
57
（ 2） 基于转发器实现局域网扩展存在的问题
扩大了碰撞域,减小了系统的最大吞吐量 。 如三个
10Mbps的以太网,总的最大吞吐量应为 30Mbps,但经集线器互连后,形成一个大的共同碰撞域,最大吞吐量只有 10Mbps。
使用不同以太网技术的局域网不能用转发器互连 。 如
10Mbps的以太网与 10/100Mbps的以太网互连后,都只能工作在 10Mbps速率 。
第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术
58
3.在数据链路层扩展以太网
（ 1）基本方法数据链路层扩展局域网的经典方法是借助所谓 网桥 。
（ 2）网桥的概念及结构
a.何为网桥？
所谓 网桥 （ Bridge），实质上就是一种 存储 —转发 设备，用来实现 MAC层的 LAN互连。
图 3-25给出了网桥的作用第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术
59
LAN 1 LAN 2
A
B
C
D
网桥图 3-25 基于网桥实现局域网扩展的一般模式图中，网桥既可以看成是 LAN1的 工作站,也可以看成是 LAN2的工作站。
注意,如果将上图中的网桥换成转发器，从概念上来讲，互连的道理一样，但两者存在较大的差异。
第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术
60
b.网桥与转发器的区别
转发器 只是将网络的覆盖距离简单的延长,而且距离有限,
具体实现在 物理层 ； 网桥 不仅具有将 LAN的覆盖距离延长的作用,而且理论上可做到无限延长,具体实现在 MAC层 。
转发器 仅具有简单的 信号整形和放大 的功能； 网桥 则属于一种智能互连设备,它主要提供信号的 存储 /转发,数据过滤,
路由选择 等能力 。
转发器 仅是一种硬件设备,而 网桥 既包括硬件又包括软件 。
转发器 仅只能互连同类 LAN,而 网桥 可支持不同类型的 LAN互连 。
第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术
61
c.网桥的概念结构网桥一般为一个具有 N个 LAN连接端口的设备 （ N≥ 2）,通常取
N=2。 图 3-26给出了一个网桥的内部基本结构 。
第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术站表接口管理软件网桥协议实体缓存接口 1 接口 2
① ② ③
网段 B网段 A
1
1
1
2
①
③
⑤ 2
②
④
⑥ 2
站地址 接口网桥网桥
④ ⑤ ⑥
接口 1 接口 2
1 2
图 3-26 网桥的工作原理
62
（ 3） 网桥的工作原理
不断 监听 各端口是否有信号；
收到无差错的帧则 缓存,反之将差错帧丢弃 ;
若所收帧的目的 MAC地址属另一网段，则通过 站表决定向何端口转发；
网桥 不转发 同一网段内通信的帧；
网桥 不修改 所转发的帧的源地址。
分别考查站 1与站 2和站 6的通信第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术
63
（ 4） 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）的局域网第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术
B2B1碰撞域 碰撞域 碰撞域
A B C D E F
64
（ 5） 网桥存在的不足
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 。
第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术
65
4.透明网桥
（ 1） 何为透明网桥？
所谓透明网桥就是由各网桥自己来决定路由选择，而局域网上的各站都不管路由选择 。这种网桥的标准由 IEEE802.1(D)或
S08802.1d给出。
这里所谓,透明,是指局域网上的每个站并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥，即网桥对各站来说是看不见的。
上述特征可用图 3-27说明。
LAN1 LAN2透明网桥1 2
站
1
站
2图 3-27 透明网桥的作用第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术
66
（ 2）透明网桥选路原理第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术地址 接口
B2B1
A B C D E F
1 2 1 2
地址 接口
… …
……B 1B → A
A → B A 1
F → C F 2
A → B A 1
F → C F 2
67
（ 3）值得注意的一个问题 ——兜圈子问题透明网桥的运用前提是假设在整个连通的网络中不存在迴路,
即在任何两个工作站之间只有一条通路 。
为什么要引入这一限定呢？ 分析如图 3-28所示的网络结构 。
第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术局域网 2
局域网 1
网桥 2网桥 1
A
F
F2
④
F1
③
不停地兜圈子
①
②
A 发出的帧
⑥
网桥 2 转发的帧网络资源白白消耗了图 3-28 用两个透明网桥将两个局域网连接成一个环型
68
（ 4）如何解决兜圈子问题引入某种 支撑树算法 来解决因迴路存在而导致的兜圈子问题。
算法思想：
互连在一起的网桥彼此通信后，就能找出原来网络拓扑的一个子集，在这个子集里整个连通的网络中应不存在回路，该子集称之为 支撑树 。
支撑树结构一旦确定，各网桥会将某些端口断开，以确保从原来的拓扑构造出支撑树。
支撑树算法通常会选择一个网桥为树的根，然后以最短路径为依据，找到树上的每一个结点（其他网桥）。
存在的问题：
互连局域网数目非常大时，支撑树算法可能花很多时间。
第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术
69
5.源站选路网桥透明网桥的最大优点是 容易安装,一接上就能工作 。 但是 网桥的工作负担较重 。 因此,支持 IEEE还制定了另一个网桥标准,即源站选路网桥标准 。
（ 1）何为源站选路网桥？
由发送帧的源站点负责路由选择的一种网桥实现技术。
源站选路网桥假定了每一个站点在发送帧时都已经清楚地知道发往各个目的站点的路由，因而在发送帧时可以将详细的路由信息放在帧的首部中。显然,这里网桥对网络工作站不再是透明的了。
问题：
源站如何知道应当选择什么样的路由?
第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术
70
（ 2） 源站选路网桥选路原理为了发现合适的路由,源站点最初以广播方式向欲通信的目的站点发送一个 发现帧 作为探测之用 。
,发现帧,探测要点：
在整个互连的局域网中沿着所有可能的路由传送发现帧。
在传送过程中,发现帧 记录下它所经过的路由。
到达目的站后，再沿着各自的路由返回源站。
源站在得知所有路由后，从中选择出一个 最佳路由 。
经过上述过程，以后凡从这个源站点向某目的站点发送的帧的首部，都必须携带源站点所指定的路由信息。
第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术
71
（ 3）透明网桥和源站选路网桥的比较透 明 网 桥 源 站 选 路 网 桥面向无连接的 面向连接的对主机完全透明 对主机不是透明的完全不需要人工管理 必须由人工进行管理主机负担轻 主机负担重可能会产生帧的兜圈子现象 利用最佳路由第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术
72
6.多端口网桥 ——以太网 （ 二层 ） 交换机
（ 1） 交换式以太网引入的理由
多媒体技术广泛使用后，大量多媒体数据需要在网络上传输，
从而要求局域网有更高的数据率。
总线局域网的工作站共享网络带宽，因而数据传输速率往往成为整个系统的瓶颈。
在交换式以太网中使用所谓的 以太网交换机 （又称交换式集线器或简称交换机）可明显地提高网络的性能。
第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术
73
（ 2）以太网交换机的主要特点
所有端口平时都不连通。当工作站需要通信时，以太网交换机能同时连通许多对的端口,使每一对相互通信的工作站都能像独占通信媒体那样，进行无冲突地数据传输。
图 3-29说明了以太网交换机的工作原理。
以太网交换机图 3-29 以太网交换机的工作原理
A B C D
第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术
74
对于普通 10M的共享式以太网，若共有 N个用户，则每个用户占有的网络平均带宽只有总带宽的 N分之一。 在使用以太网交换机时，虽然数据率还是 10M，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个端口的以太网交换机，其总容量就是 N× 10M。 这正是以太网交换机的最大优点。
保证了以太网的向前兼容性,即从 10BASE-T以太网转到交换式以太网时，所有接入设备的软件和硬件、网卡等都不需要作任何改动。也就是说,所有接入的设备继续使用 CSMA／ CD协议 。此外，
只要增加以太网交换机的数量，整个系统很容易扩充。
图 3-30给出了三种以太网的区别。
第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术
75
A B C D
A B C D
A B C D
共享总线以太网以太网集线器以太网交换机
3-30 三种以太网的主要区别第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术
76
（ 3）以太网交换机的交换原理问题：
对于以太网交换机，是如何保证每个端口具有带宽独占特征的呢？ 其交换原理？
图 3-31给出了典型的以太网交换机内部结构。
图 3-32给出了基于以太网交换机的局域网扩展示意图。
第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术
77
A B C D
1 2 3 4 5 6 交换端口地址表转发机构地址表端口号 地址
1 A
2
3
4 B
5 C
6 D
缓冲区第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术图 3-31 以太网交换机的内部结构
78
图 3-32 采用以太网交换机扩展局域网以太网交换机集线器 集线器 集线器
100Mb/s
100Mb/s
万维网服务器电子邮件服务器 A用户群 B用户群 C用户群
10BASE－ T
路由器100Mb/s
至因特网第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术
79
7.虚拟局域网
（ 1）相关概念
工作组（域）,网络中具有基本 相同工作性质 的用户群称为一个工作组，或叫工作域。
网段,概念上一个独立的 LAN，为一个工作组服务。
在传统的局域网中，通常 一个工作组是在同一个网段上,
多个网段之间通过 网桥 或 路由器 来交换数据。
第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术
80
考虑一个问题,如果一个工作组中的某个站点要从该工作组转移到另一个工作组，就需要将该站点计算机从该网段撤出，连接到另一个网段，甚至需要重新布线，因此 工作组的组成受到了站点所在网段物理位置的限制 。
逻辑工作组,位于 不同网段 的具有基本相同工作性质的用户群 。
第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术
81
（ 2）何谓,虚拟局域网,？
所谓虚拟局域网 VLAN（ Virtual LAN）是指以软件方式来实现逻辑工作组划分与管理的一种网络工作组组建技术。
必须强调,虚拟局域网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）为何要组建,虚拟局域网,？
管理的需要
安全的需要第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术
82
（ 4）虚拟局域网的特征
局域网交换机是组建虚拟局域网的核心设备。
组成逻辑工作组的各结点不受物理位置的限制，换言之同一逻辑工作组的成员不一定要连接在同一个物理网段上。
当一个结点从一个逻辑工作组转移到另一个逻辑工作组时，只需要通过软件设定，而不需要改变它在网络中的物理位置。
图 3-33给出了虚拟局域网构建的示意图。
第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术
83
以太网交换机
A4
B1
以太网交换机
VLAN3
C3B
3
VLAN1 VLAN2
C1
A2
A1
A3
C2B
2以太网交换机以太网交换机图 3-33 三个虚拟局域网 VLAN1,
VLAN2和 VLAN3 的构成第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术以太网交换机
A4
B1
以太网交换机
VLAN3
C3
B3
VLAN1 VLAN2
C1
A2
A1
A3
C2B
2以太网交换机以太网交换机三个虚拟局域网 VLAN1,VLAN2
和 VLAN3 的构成当 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
A4
B1
以太网交换机
VLAN3
C3
B3
VLAN1 VLAN2
C1
A2
A1
A3
C2B
2以太网交换机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
都不会收到 B1 发出的广播信息。
以太网交换机
A4
B1
以太网交换机
VLAN3
C3
B3
VLAN1 VLAN2
C1
A2
A1
A3
C2B
2以太网交换机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。
87
2.虚拟局域网的构建技术不同虚拟局域网构建技术的区别主要表现在对 虚拟局域网成员的定义方法上,通常有三种虚拟局域网构建方式。
（ 1）用交换机端口号定义虚拟局域网局限性：
不允许不同的虚拟局域网包含同一交换端口 。例如，图
3-33中的工作站 A4分配给 VLANl后，就不能再属于 VLAN2。
当用户从一个端口移动到另一个端口时，网络管理者必须对虚拟局域网成员进行重新配置。
第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术
88
（ 2）用用户 MAC地址定义虚拟局域网由于 MAC地址是与硬件相关的地址，所以用用户 MAC地址定义的虚拟局域网，允许用户结点可以自由移动而仍然可保持原来的虚拟局域网成员的地位。显然基于 MAC地址的虚拟局域网可以看作是基于用户的虚拟局域网。
局限性：
要求所有的用户在初始阶段必须配置到至少一个虚拟局域网中，
初始配置由人工完成，随后就可以自动跟踪用户。在大规模网络中，
初始化时把上千个用户配置到某个虚拟局域网中显然是很麻烦的。
第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术
89
（ 3）用网络层 IP地址定义虚拟局域网
用 IP地址来定义虚拟局域网具有明显的优势：
允许按照 协议类型 来组成虚拟局域网，这种方法有利于组成 基于服务或应用 的虚拟局域网。
用户可以随意移动工作站而无需重新配置网络地址，这对于 TCP/IP协议的用户是特别有利的。
存在的问题：
由于检查网络层地址比检查 MAC地址要花费更多的时间，因而虚拟局域网的性能较差。
第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术
90
3.基于 MAC地址的虚拟局域网为支持虚拟局域网,1988年 IEEE批准了 802.3ac标准，该标准定义了以太网帧格式的扩展，如图 3-34所示。
第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术
802.3
MAC 帧字节 6 6 2 46 ~ 1500 4
MAC 帧目地地址 源地址 长度 /类型 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 字节插入 4 字节的 VLAN 标记
4
用户优先级 CFI
图 3-34 虚拟局域网使用的以太网帧格式
91
1.100BASE-T 以太网
（ 1）主要特征
★ 基于基带信号的星型拓扑以太网；
★ IEEE于 1995年推出的标准 IEEE802.3u；
★ 既支持无冲突的全双工工作方式 (CSMA/CD协议不起作用 )，
也支持半双工工作方式 (仍使用 CSMA/CD协议 )；
★ MAC帧格式仍然是 802.3标准规定的帧格式；
★ 不包含对同轴电缆的支持；
★ 为提高信道利用率，修改了 10M以太网的某些规定第三章 数据链路层（ 2）
3.6 高速以太网
92
（ 2）三种物理层标准
a.100BASE-TX
基本特征：
使用 2对 UTP5类线或 STP，一对用于发送，一对用于接收；
编码采用,多电平传输 3（ MLT-3）,方法，即 采用三元组（高电平，零电平，低电平）进行编码 。
编码规则：
输入 0时，输出相对前一个输出值不变；
输入 1时，输出相对前一个输出值的变化规律为：若前一个输出值为高电平或低电平，则输出为零电平；若前一个输出值为零电平，则输出与上次的一个非零输出值符号相反。图 3-35给出了相应的编码描述。
第三章 数据链路层（ 2）
3.6 高速以太网
93
1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1
图 3-35 100BASE-TX的编码说明
b.100BASE-FX
基本特征：
使用 2根光纤，一根用于发送，一根用于接收；
编码采用 4B/5B-NRZI方法。
第三章 数据链路层（ 2）
3.6 高速以太网
94
c.100BASE-T4
基本特征：
使用 4对 UTP5类线，其中 3对线传送数据（每对线
33.33Mb/s）,1对线作为碰撞检测的接收信道；
编码采用 8B/6T-NRZ方法，即将数据每 8bit一组编码成具三种状态（高、低、零）的 6bit组。三状态 bit组共有
729（ 36）个不同的组合，取其中 256个组合表示数据,9
个表示控制信息，其余未用。图 3-36用一个例子进行了说明。 -1 +1 0 +1 -1 0
00011111
图 3-36 8B/6T-NRZ编码方法示例第三章 数据链路层（ 2）
3.6 高速以太网
95
2.吉比特以太网
（ 1）主要特征
★ IEEE802.3z为其标准；
★ 仍使用 802.3协议规定的帧格式；
★ 既支持无冲突的全双工工作方式 (CSMA/CD协议不起作用 )，也支持半双工工作方式 (仍使用 CSMA/CD协议 )；
★ 与 10M和 100M技术向前兼容；
★ 物理层使用两种成熟技术，一种来自现有的以太网，另一种是 ANSI制定的光纤通道，因此，物理层有两个标准：
1000BASE-X(802.3z标准 )：基于光纤通道
1000BASE-T(802.3ab标准 )：基于双绞线第三章 数据链路层（ 2）
3.6 高速以太网
96
（ 2）二种物理层标准
a.1000BASE-X
1000BASE-X 使用三种媒体：
★ 1000BASE-SX：短波长 (850nm激光器 )，支持纤芯直径为
62.5μ m和 50μ m的多模光纤，传输距离分别为 275m和 550m；
★ 1000BASE-LX：长波长 (1300nm激光器 )，支持纤芯直径
62.5μ m和 50μ m的多模光纤，传输距离为 550m。若使用纤芯直径
10μ m的单模光纤，传输距离可达 5km。
★ 1000BASE-CX：屏蔽双绞线，传输距离 25m。
b.1000BASE-T
使用 4对 5类线 UTP，传输距离 100m。
第三章 数据链路层（ 2）
3.6 高速以太网
97
（ 3）吉比特以太网的组网实例图 3-37给出了一个吉比特以太网的组网实例。
百兆比特或吉比特交换机吉比特交换机
100Mb/s链路
1Gb/s链路中央服务器局部服务器 局部服务器图 3-37 一个吉比特以太网的组网实例第三章 数据链路层（ 2）
3.6 高速以太网
98
3,10吉比特以太网主要特征：
★ 标准是 IEEE802.3ae,2002年 6月完成；
★ 帧格式与 10Mb/s,100Mb/s和 1Gb/s以太网帧格式完全相同
，最小和最大帧长也相同；
★ 由于速率很高，只使用光纤作为传输媒体。使用单模光纤传输距离超过 40km；使用多模光纤传输距离 65～ 300m；
★ 只工作在全双工方式，不存在争用问题，也不使用 CSMA/CD
协议。因此，传输距离不受碰撞检测限制而大大提高了。
★ 物理层定义了两种新标准：
局域网物理层 LAN PHY
广域网物理层 WAN PHY
第三章 数据链路层（ 2）
3.6 高速以太网
99
课后练习
3-15
3-18
3-28
3-30
3-31
第三章 数据链路层（ 2）
100
下图是一个基于交换机的数据报转发示意网络图，请画出交换机 2的转发表。
第三章 数据链路层（ 2）
例题：
主机D
交换机1
主机C
主机A
主机F
主机E
交换机2
交换机3
主机G
主机H
主机B
0
3
2
1
0
1
2
3
2
31
0
第三章 数据链路层
2
主要内容
*使用广播信道的数据链路层4
*使用广播信道的以太网5
数据链路层的地位1
*使用点对点信道的数据链路层2
*点对点协议 PPP3
*扩展以太网6
*高速以太网7
8
第三章 数据链路层
3
第三章 数据链路层（ 2）
4
主要内容第三章 数据链路层（ 2）
使用广播信道的数据链路层
*局域网概述
传统以太网以及 LAN 802.3标准,*CSMA/CD协议
使用广播信道的以太网
以太网的物理层、以太网 MAC层
扩展以太网
*集线器、网桥和交换机
*虚拟局域网
高速以太网
5
3.3.1 局域网的数据链路层
1、局域网概述
（ 1).何谓局域网？
局域网为一个单位所拥有,且地理范围和站点数目均有限 。 这里仅给出 LAN的一般定义,以反映 LAN的基本特征 。
所谓 LAN是指将小范围内的有限的通信设备互连在一起的通信网。
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
6
(2),局域网的特点 （ 早期,与 WAN相比 ）
① 短距离 （ 几公里 ） ；
② 高速率 （ 已可达 10Gbps以上 ） ；
③ 低误码率 （ 10-8～ 10-11） 。
(3).LAN的常见拓扑结构形式局域网通常按网络拓扑进行分类。从目前的发展来看，
LAN的常见拓扑结构有 星型、环型、总线型、树型 以及 混合型等几种。图 3-9给出了四种基本的拓扑结构形式
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
7
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
图 3-9 局域网的常见拓扑匹配电阻总线网树形网集线器星形网干线耦合器环形网
8
(4).LAN中常用的传输介质局域网可使用多种传输介质组成 。
双绞线 最便宜，原来只用于低速 (1～ 2Mbps)基带局域网。现在 10Mbps甚至 10Gbps的局域网也可使用双绞线。
50Ω 细同轴电缆 可支持到 10Mbps； 50Ω粗同轴电缆 可支持到
50Mbps。
光纤 具有很好的抗电磁干扰特性和很宽的频带，过去主要用在环形网中，其数据率可达 100Mbps或到几十 Tbps。现在点到点线路使用光纤已变得普遍。
无线电 由于具有支持灵活构建局域网的特性，目前正在日益受到人们的重视。
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
9
(5).LAN中常采用的传输媒体共享技术
① 静态划分信道 (信道共享技术 )
频分复用时分复用波分复用 ………
② 动态媒体接入控制（多点接入）
随机接入,所有的用户可随机地发送信息。
受控接入,用户不能随机地发送信息，必须服从一定的控制 。
以太网选用了 随机接入的方式
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
10
(6).局域网的参考模型
① LAN的层次结构从 LAN的定义可知,LAN本质上仅是一个通信网 。
从通信网这一观点出发,如果将其纳入第一章图 1.15所给出的网络层次结构框架下讨论,由于下三层主要负责通信工作
,因而可以推断,LAN的层次结构应只体现在所给层次结构的下三层 。
IEEE802委员会 推荐的局域网参考模型 （ LAN/RM） 如图 3-
10所示 。
3.3 使用广播信道的数据链路第三章 数据链路层（ 2）
11
应用层运输层网络层数据链路层物理层逻辑链路控制（ LLC）子层媒体接入控制（ MAC）子层物理层五层架构的网络体系 IEEE802参考模型图 3-10 局域网的参考模型与五层架构的网络体系的对比
LLC,Logic Link Control； MAC,Medium Access Control
服务访问点
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
12
② 关于局域网层次结构的讨论局域网为什么采用此种层次结构，主要基于两点考虑,
由于局域网拓扑简单清晰，不存在路由选择问题，因此它 不需要网络层。
由于局域网的种类繁多，其介质接入控制的方法也各不相同
，远比广域网复杂。为了使局域网中的数据链路层不致过于复杂,IEEE认为有必要将局域网的 数据链路层划分成两个子层。
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
13
③ 物理层的主要功能
a.信号的编码与译码；
b.前导同步码的产生与去除；
c.比特的传输与接收 。
④ MAC子层的主要功能根据 IEEE的观点,凡与接入各种传输介质有关的问题,都将其放在 MAC子层解决 。
⑤ LLC子层的主要功能根据 IEEE的观点,在数据链路层中凡与 介质接入无关的部分都集中在逻辑链路控制 LLC子层中 。
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
14
高层
MAC
物理层传输媒体
LLC
高层
MAC
物理层传输媒体
LLC
局域网
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
⑥ 对 LLC子层与 MAC子层的进一步认识图 3-11给出了 LLC子层与 MAC子层的主要区别
15
结论：
在 LLC子层之上的网络各层和网络用户看不到具体的局域网，即 LLC子层提供了 透明性保证 。
在 MAC子层可 清清楚楚 看到不同局域网的 差异,包括拓扑结构、信道共享方式等，所连接的是采用什么标准的局域网（总线网、令牌总线网或令牌环形网）。
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
16
⑦ LLC PDU与 MAC PDU之间的关系图 3-12给出了 LLC PDU和 MAC PDU的关系 。
网络层及以上
LLC PDU LLC子层
MAC PDU MAC子层图 3-12 LLC PDU与 MAC PDU的关系高层数据
LLC首部 LLC数据
MAC首部 MAC数据 MAC尾部
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
17
⑧ IEEE802标准体系
IEEE802委员会下设若干个分委员会,分别承担 LAN的相关标准制定,图 3-13描述了各标准之间的关系 。
图 3-13 IEEE802各标准之间的关系物理层数据链路层
IEEE 802.1
IEEE 802.2
逻辑链路控制子层
IEEE 802.3
CSMA/CD
IEEE 802.4
令牌总线
IEEE 802.5
令牌环网
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
18
2.以太网概述
（ 1） 何为以太网？
以太网最初是美国施乐 (Xerox)公司 1975年 研制成功的,当时的数据率仅为 2.94Mbps。 由于它以 无源的电缆作为总线来传送数据帧,故借用了曾经在历史上表示传播电磁波的以太 (Ether)来命名 。
以太网推出后,以其安装 简单,易于扩充 等优点,获得了人们的高度评价 。
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
19
1981年,施乐公司与 DEC以及 Intel公司合作，联合提出了 以太网的规范 。
1982年,修改为第二版规范，即 DIX Ethernet V2，成为世界上第一个局域网产品的规约（ DIX是这三个公司名称第一个字母的缩写）。 该标准后来即成为 IEEE802.3标准的基础 。
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
20
（ 2）以太网网卡通常,计算机与电缆的连接是通过主机箱内的 网络接口板 实现 。 网络接口板又称为 通信适配器 （ adapter） 或 网络接口卡
NIC(network interface card),现在人们普遍使用简称,网卡
” 。 图 3-14给出了网卡在计算机内部的位置 。
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
图 3-14 网卡在计算机内部的位置
21
网卡的作用,
数据的封装与解封
进行串行 /并行转换
缓存数据
实现以太网协议
编码与译码（曼彻斯特编码）
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
22
（ 3） 总线式以太网的数据交换原理图 3-15对总线式以太网的数据交换原理作了恰当说明 。
匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号） 匹配电阻
DCB EA
不接收接收不接收不接收发送
B向 D发送数据，只有 D才接收
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
图 3-15 总线式以太网的数据交换原理
23
（ 4） 总线式以太网的基本通信特征
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；数据帧 不编号,也不要求对方发回确认；以太网 提供的是不可靠交付,即,尽最大努力的交付,。
以太网发送的数据都是使用曼彻斯特编码 （ Manchester） 的信号 。
数据发送本质上 具广播特征 ；采用 CSMA/CD (Carrier Sense
Multiple Access with Collision Detection)协议来协调如何使用总线 。
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
24
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
以太网发送的数据都使用曼彻斯特 (Manchester)编码基带数字信号曼彻斯特编码码元 1 11 110 0 0 0 0
出现电平转换
25
3,CSMA/CD协议
（ 1） 协议的基本内容
多点接入,许多计算机同时连接在一根总线上 。
载波监听,在发送数据前,需检查总线上是否有其他计算机在发送数据,有则暂时不发送数据,以免发生碰撞 。
碰撞检测,边发送数据边检测信道上的信号电压大小,以检查是否发生,碰撞,或,冲突,,有则立即停止发送,等待一段随机时间 后再发送 。
A B C D E
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
26
（ 2） 协议实现需考虑的几个主要问题
,当信道不空闲时,,发送站点干什么？
什么情况下会发生,碰撞,或,冲突,？
发生,碰撞,或,冲突,后如何处理？
A B C D E
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
27
（ 3）,信道不空闲时,时的几种处理技术
a.非坚持技术非坚持 （ Non persistent） 又称为 0-坚持 。
思想：
希望发送数据的站点一旦监听到信道忙 (即发现有其它站在发送数据 ),就不再坚持听下去,而是根据协议制定的相关策略延迟一个随机的时间后再重新监听 。
分析：
非坚持方法无法把信道从,不空变空,的那一时刻找出来，
从而一定程度上降低了信道的利用率。
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
28
b.恒坚持技术恒坚持 (persistent)又称为 1-坚持 。
思想,希望发送数据的站点监听到信道忙时，仍继续监听下去，一旦发现信道空闲则 立即抢占 。
分析：
若有两个或更多的站点同时在监听信道，一旦信道空闲，两个或更多的站点同时抢占信道的结果是必然导致碰撞发生，反而不利于信道吞吐率的提高。
CSMA/CD协议采用此种处理技术
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
29
（ 4） 什么情况下会发生,碰撞,或,冲突,？
至少存在两种情况会导致冲突产生：
第一情况,当两个以上的站点同时监听到信道空闲，且同时发送数据。
第二情况,由于信号在信道传输上存在传输延迟，从而为“碰撞”
或,冲突,发生带来可能。
下面来分析这种“碰撞”产生的基本原因。抢占信道时，
“碰撞”或,冲突,即会发生。
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
30
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
1 kmA B
t
碰撞
t = / 2
发生碰撞
t = 2
A 检测到发生碰撞 t =
B 发送数据
B 检测到发生碰撞
t =?
A
B
A B
A B
t = 0
A 检测到信道空闲发送数据
A B
t = 0
t = 2
A 检测到发生碰撞
STOP
A
B
单程端到端传播时延记为?
传播时延对载波监听的影响
31
（ 5）,争用期,的概念
a.争用期的定义对 CSMA/CD协议而言,由于参与信道争用的任一站点在发送数据帧后 至多 经过 2τ 时间就可知道是否发生碰撞 。 因而将该时间称为 争用期 （ 碰撞窗口 ） 。
争用期的两种描述：
以太网上任一结点均能检测出冲突发生所需的时间。
以太网端到端的最大往返时延 。
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
32
b.争用期的一种计算方法争用期 =2× {信道长度（ km）
× 数据传播速率（ bit/s）
× 信号传播时延（ s/km） }
例,对于一个数据传输速率为 10Mbps，同轴电缆长度为 1km的局域网来讲，从第一章的讨论已知，电磁波在电缆中的传播速率约为 2.3× 105km/s，故可计算出同轴电缆信道中的争用期为：
2× (1km× 107bit/s× 5μ /1km)=100bits
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
33
c.传统以太网争用期的确定传统以太网争用期的基本时间长度定为 51.2μ s，主要是基于如下因素：
端到端发送数据的介质传输时延；
可能引入转发器后增加的时延；
强化碰撞的持续时间。
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
34
（ 6） 以太网关于无效帧的规定对于 10Mb/s以太网，在争用期内任一发送站点可发送 512bit
（ 64字节） 。若前 64字节没有冲突，后续发送的数据就不会发生冲突。如果冲突，就一定在前 64字节之内。
因此，以太网规定最短有效帧长为 64字节。凡长度小于 64字节的帧都是由于冲突而异常终止的 无效帧 。
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
35
（ 7） 发生,碰撞,或,冲突,后如何处理？
a.强化冲突人为加入 干扰信号,以便让所有网络用户都知道现在发生了冲突 。 图
3-16对强化冲突给出了相应说明 。
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
TJ
A B
TB
t
B 发送数据
A 检测到冲突开始冲突信道占用时间
A 发送数据图 3-16 强化冲突示意图
36
b.确定随机延迟时间以太网采用了所谓的 截断二进制指数退避算法 来确定随机延迟时间 。 该 算法的思想 是：
确定一个 基本退避时间,取 2倍的信道最大传播时延,即 2τ ；
设置一个参量 k,第一次数据发送时,若发生冲突,令 k=1；
重新发送时,若再次发生冲突,规则为：
k= min（ 重发次数,10),随机从离散的整数集合 [0,1,2，
········,2k-1]中取出一个数 r,重传所需的时间是 r的基本退避时间 。
重传最多 16次,以后丢弃,向高层汇报 。
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
37
例：
A站：第一次发送,发生冲突,取 k=1（ 0,21_ 1 ） ；
第二次发送,发生冲突,取 k=2（ 0,…,22 _ 1 ） ；
第十次发送,发生冲突,取 k=10（ 0,…,210 _ 1 ） ；
第十六次发送,发生冲突,取 k=10（ 0,…,210 _ 1 ） 。
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
38
（ 8） 小结
CSMA/CD协议概貌归纳,
先听后发 ——保证了信道不空闲时，绝对不会有冲突发生
边发边听 ——保证一旦有冲突产生，各冲突站点马上会终止发送
冲突回避 ——保证系统不会出现剧烈冲突
延迟重发 ——保证了系统的稳定
3.3 使用广播信道的数据链路层第三章 数据链路层（ 2）
39
1.以太网的物理层存在四种基本类型,如图 3-17所示 。
图 3-17 以太网物理层的四种基本类型
10BASE5
粗缆
10BASE－ T
双绞线
10BASE2
细缆
10BASE－ F
光缆以太网媒体接入控制 MAC
3.4 使用广播信道的以太网第三章 数据链路层（ 2）
命名规则：
base表示基带传输，曼彻斯特编码
base前数字表示传输率，单位 Mbps
base后数字表示每段电缆最大长度
,T”表示双绞线,,F”表示光纤
40
2.传统以太网的几种连接方法图 3-18给出了几种传统以太网的连接方式 。
3.4 使用广播信道的以太网第三章 数据链路层（ 2）
主机箱主机箱主机箱双绞线集线器BNC T 型接头收发器电缆网卡插入式分接头MAU
MDI
保护外层外导体屏蔽层内导体收发器
DB-15
连接器
BNC 连接器插口
RJ-45
插头图 3-18 几种传统以太网的连接方式
41
3,使用集线器的星形拓扑 (基于 Hub和双绞线的以太网 )
在以双绞线作为传输媒体的传统以太网中,双绞线总是和专用的网络设备 集线器 Hub一起使用 。
(1)相关标准
1987年,IEEE制定了使用双绞线和 Hub的 lBase5标准 。
这里,5” 代表两站之间的距离不超过 500m（ 每个站到集线器的距离不超过 250m） 。
1990年,IEEE又制订了 10Base—T的标准 802.3i。 10Base—T的通信距离稍短,每个站到集线器的距离不超过 100m。
第三章 数据链路层（ 2）
3.4 使用广播信道的以太网
42
(2)Hub的基本特点
一个 Hub就是一个具有多个连接端口的设备,例如,8至 16个端口,一个端口通过 RJ45插座用双绞线与一个工作站上的网卡相连 。 因此,一个 Hub实际上就是一个多端口的转发器,工作在物理层 。 图 3-19给出了一个具有三个端口的 Hub的示意图 。
第三章 数据链路层（ 2）
3.4 使用广播信道的以太网集线器网卡工作站网卡工作站网卡工作站双绞线图 3-19 一个具有三个端口的 Hub
43
表面上看,使用 Hub的局域网 在物理上是一个星型网,但由于
Hub是使用电子器件来模拟实际电缆的工作机制,因此使用 Hub
的以太网 在逻辑上仍是一个总线网,各工作站仍然共享逻辑上的总线,使用的还是 CSMA/CD协议 。 因而一般又将这类以太网称为 星型总线网,而 将 Hub称为有源总线 。
第三章 数据链路层（ 2）
3.4 使用广播信道的以太网集线器网卡工作站网卡工作站网卡工作站双绞线
44
Hub的每个端口都具有发送和接收数据的功能 。 当 Hub的某个端口接收到工作站发来的有效数据帧时,就将数据帧转送到所有其他各端口,然后发送给其他各工作站 。 若两个端口同时有信号输入,Hub就向所有的端口发送干扰信号 。
第三章 数据链路层（ 2）
3.4 使用广播信道的以太网集线器网卡工作站网卡工作站网卡工作站双绞线
45
一个较大型局域网中用到的多个 Hub既可以堆叠在一起使用 （ 称为 堆叠式集线器 ——Stackable Hub）,也可以分散布局,以构成一个呈树型结构的网络 。
作为一个有源设备,Hub上的 指示灯 可显示网络中各站点的工作情况,给网络管理带来方便第三章 数据链路层（ 2）
3.4 使用广播信道的以太网集线器网卡工作站网卡工作站网卡工作站双绞线
46
4.以太网的 MAC层
（ 1） MAC层的硬件地址
① 何谓 MAC地址？
根据 IEEE802委员会的观点,LAN中的数据交换,,源站,和
,目的站,之间的寻址应由 MAC层完成 。
问题,
从 MAC层看,,源站,和,目的站,应采用何种标识方式呢？
IEEE的基本做法：
采用 6个字节的二进制码来对 全球 的任一台 LAN主机编址，称为
MAC地址或硬件地址 ；
采用 2字节的二进制码来对 局部 （本地）的任一台 LAN主机编址；
第三章 数据链路层（ 2）
3.4 使用广播信道的以太网
47
② MAC地址的分配及使用
由 IEEE掌管 6字节 MAC地址的 高 3个字节 的分配，全球网卡生产厂家均向 IEEE购买，一次一个,号码,，也称为一个,地址块,。规范名称为,机构唯一标识符,OUI
（ Organizationally Unique Identifier） ；
6字节 MAC地址的 低 3个字节 的使用由网卡生产厂家自行决定，前提是 保证唯一性 ；
最终得到的 48比特地址称为 MAC－ 48，更为标准的名称为 EUI－ 48（ Extended Unique Identifier）；
因 MAC地址固化在网卡上，因而有,硬件地址,之称。
第三章 数据链路层（ 2）
3.4 使用广播信道的以太网
48
③ EUI-48地址的十六进制和二进制记法图 3-20对 EUI-48地址的十六进制和二进制标记法作了恰当说明 。
第三章 数据链路层（ 2）
3.4 使用广播信道的以太网第 1
最高位最先发送最低位 最高位 最低位最后发送
00110101 01111011 00010010 00000000 00000000 00000001
最低位最先发送最高位 最低位 最高位最后发送机构惟一标志符 OUI 扩展标志符高位在前低位在前十六进制表示的 EUI-48 地址,AC-DE-48-00-00-80
二进制表示的 EUI-48 地址：
第 1 字节 第 6 字节
I/G 比特
I/G 比特字节顺序 第 2 第 3 第 4 第 5 第 6
第 1字节顺序 第 2 第 3 第 4 第 5 第 6
10101100 11011110 01001000 00000000 00000000 10000000802.5802.6
802.3
802.4
图 3-20 EUI-48地址的十六进制和二进制标记法
50
④ 关于 MAC地址的进一步说明
MAC地址仅代表 LAN网络站点在 MAC层所看到的,名称,，不代表其地理位置；
一台计算机的网卡更换，其,名称,即改变；
一个网络设备可以具有多个,名称,，图 3-21对此作了恰当说明。
第三章 数据链路层（ 2）
3.4 使用广播信道的以太网
20-60-8C-C7-75-2A 08-00-20-47-1F-E4
1A-24-F6-54-1B-0E
00-00-A2-A4-2C-02
20-60-8C-11-D2-F6
图 3-21 具有两个 MAC地址的路由器路由器因特网
51
(2).以太网两种不同的 MAC帧格式
① 常用的以太网 M AC帧格式有两种标准,
DIX Ethernet V2 标准
IEEE 的 802.3 标准
② 最常用的 MAC 帧是 以太网 V2 的格式 。
第三章 数据链路层（ 2）
3.4 使用广播信道的以太网
52
DIX V2标准的帧格式图 3-22给出了 DIX V2标准的帧格式。
第三章 数据链路层（ 2）
3.4 使用广播信道的以太网以太网 MAC 帧 物理层
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
IP层目的地址 源地址 类型 数 据 FCS
6 6 2 4字节 46 ~ 1500
IP 数据报
MAC 帧图 3-22 以太网 V2的 MAC帧格式
53
③ 802.3关于无效帧的规定
802.3规定了四种帧均为无效的 MAC帧,它们是：
a.帧的数据字段长度与,数据长度,字段不一致；
b.帧的实际长度不是整数个字节；
c.用收到的 FCS查出帧有差错；
d.收到的帧的数据字段的长度不在 46-1500之间 。
802.3还规定帧间最小间隔应为 9.6微秒
为什么要引入帧间最小间隔？
为了使刚刚收到数据帧的站的接收缓冲区来得及清理,以做好接收下一帧的准备 。
第三章 数据链路层（ 2）
3.4 使用广播信道的以太网
54
1.问题的提出
关注两个方面的问题,
任何一个 LAN总会受到两个方面的限制,即 工作站个数和网络覆盖距离 。 当工作站较多时,会导致网络的总体性能下降,例如 802.3标准的 LAN就是如此 。
如果一个单位已拥有许多个局域网,常需要将这些 局域网互连 起来,以实现局域网之间的通信 。
如何解决？
在物理层实现
在数据链路层实现
在网络层实现第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术
55
2.在物理层扩展以太网
（ 1）基本方法在物理层扩展局域网的经典方法是借助 转发器 和以太网的 集线器 Hub，图 3-23给出了基于转发器实现局域网扩展的一般模式；图
3-24给出了基于 Hub实现局域网扩展的一般模式。
LAN 1 LAN 2
A
B
C
D
转发器图 3-23 基于转发器实现局域网扩展的一般模式第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术
56
集线器
A用户群 C用户群集线器集线器
B用户群三个独立的碰撞域集线器 集线器集线器集线器主干集线器一个更大的碰撞域
A用户群 C用户群B用户群
(a)三个独立的局域网 (b)一个扩展的局域网图 3-24 用多个集线器连成更大的局域网第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术
57
（ 2） 基于转发器实现局域网扩展存在的问题
扩大了碰撞域,减小了系统的最大吞吐量 。 如三个
10Mbps的以太网,总的最大吞吐量应为 30Mbps,但经集线器互连后,形成一个大的共同碰撞域,最大吞吐量只有 10Mbps。
使用不同以太网技术的局域网不能用转发器互连 。 如
10Mbps的以太网与 10/100Mbps的以太网互连后,都只能工作在 10Mbps速率 。
第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术
58
3.在数据链路层扩展以太网
（ 1）基本方法数据链路层扩展局域网的经典方法是借助所谓 网桥 。
（ 2）网桥的概念及结构
a.何为网桥？
所谓 网桥 （ Bridge），实质上就是一种 存储 —转发 设备，用来实现 MAC层的 LAN互连。
图 3-25给出了网桥的作用第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术
59
LAN 1 LAN 2
A
B
C
D
网桥图 3-25 基于网桥实现局域网扩展的一般模式图中，网桥既可以看成是 LAN1的 工作站,也可以看成是 LAN2的工作站。
注意,如果将上图中的网桥换成转发器，从概念上来讲，互连的道理一样，但两者存在较大的差异。
第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术
60
b.网桥与转发器的区别
转发器 只是将网络的覆盖距离简单的延长,而且距离有限,
具体实现在 物理层 ； 网桥 不仅具有将 LAN的覆盖距离延长的作用,而且理论上可做到无限延长,具体实现在 MAC层 。
转发器 仅具有简单的 信号整形和放大 的功能； 网桥 则属于一种智能互连设备,它主要提供信号的 存储 /转发,数据过滤,
路由选择 等能力 。
转发器 仅是一种硬件设备,而 网桥 既包括硬件又包括软件 。
转发器 仅只能互连同类 LAN,而 网桥 可支持不同类型的 LAN互连 。
第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术
61
c.网桥的概念结构网桥一般为一个具有 N个 LAN连接端口的设备 （ N≥ 2）,通常取
N=2。 图 3-26给出了一个网桥的内部基本结构 。
第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术站表接口管理软件网桥协议实体缓存接口 1 接口 2
① ② ③
网段 B网段 A
1
1
1
2
①
③
⑤ 2
②
④
⑥ 2
站地址 接口网桥网桥
④ ⑤ ⑥
接口 1 接口 2
1 2
图 3-26 网桥的工作原理
62
（ 3） 网桥的工作原理
不断 监听 各端口是否有信号；
收到无差错的帧则 缓存,反之将差错帧丢弃 ;
若所收帧的目的 MAC地址属另一网段，则通过 站表决定向何端口转发；
网桥 不转发 同一网段内通信的帧；
网桥 不修改 所转发的帧的源地址。
分别考查站 1与站 2和站 6的通信第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术
63
（ 4） 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）的局域网第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术
B2B1碰撞域 碰撞域 碰撞域
A B C D E F
64
（ 5） 网桥存在的不足
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 。
第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术
65
4.透明网桥
（ 1） 何为透明网桥？
所谓透明网桥就是由各网桥自己来决定路由选择，而局域网上的各站都不管路由选择 。这种网桥的标准由 IEEE802.1(D)或
S08802.1d给出。
这里所谓,透明,是指局域网上的每个站并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥，即网桥对各站来说是看不见的。
上述特征可用图 3-27说明。
LAN1 LAN2透明网桥1 2
站
1
站
2图 3-27 透明网桥的作用第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术
66
（ 2）透明网桥选路原理第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术地址 接口
B2B1
A B C D E F
1 2 1 2
地址 接口
… …
……B 1B → A
A → B A 1
F → C F 2
A → B A 1
F → C F 2
67
（ 3）值得注意的一个问题 ——兜圈子问题透明网桥的运用前提是假设在整个连通的网络中不存在迴路,
即在任何两个工作站之间只有一条通路 。
为什么要引入这一限定呢？ 分析如图 3-28所示的网络结构 。
第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术局域网 2
局域网 1
网桥 2网桥 1
A
F
F2
④
F1
③
不停地兜圈子
①
②
A 发出的帧
⑥
网桥 2 转发的帧网络资源白白消耗了图 3-28 用两个透明网桥将两个局域网连接成一个环型
68
（ 4）如何解决兜圈子问题引入某种 支撑树算法 来解决因迴路存在而导致的兜圈子问题。
算法思想：
互连在一起的网桥彼此通信后，就能找出原来网络拓扑的一个子集，在这个子集里整个连通的网络中应不存在回路，该子集称之为 支撑树 。
支撑树结构一旦确定，各网桥会将某些端口断开，以确保从原来的拓扑构造出支撑树。
支撑树算法通常会选择一个网桥为树的根，然后以最短路径为依据，找到树上的每一个结点（其他网桥）。
存在的问题：
互连局域网数目非常大时，支撑树算法可能花很多时间。
第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术
69
5.源站选路网桥透明网桥的最大优点是 容易安装,一接上就能工作 。 但是 网桥的工作负担较重 。 因此,支持 IEEE还制定了另一个网桥标准,即源站选路网桥标准 。
（ 1）何为源站选路网桥？
由发送帧的源站点负责路由选择的一种网桥实现技术。
源站选路网桥假定了每一个站点在发送帧时都已经清楚地知道发往各个目的站点的路由，因而在发送帧时可以将详细的路由信息放在帧的首部中。显然,这里网桥对网络工作站不再是透明的了。
问题：
源站如何知道应当选择什么样的路由?
第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术
70
（ 2） 源站选路网桥选路原理为了发现合适的路由,源站点最初以广播方式向欲通信的目的站点发送一个 发现帧 作为探测之用 。
,发现帧,探测要点：
在整个互连的局域网中沿着所有可能的路由传送发现帧。
在传送过程中,发现帧 记录下它所经过的路由。
到达目的站后，再沿着各自的路由返回源站。
源站在得知所有路由后，从中选择出一个 最佳路由 。
经过上述过程，以后凡从这个源站点向某目的站点发送的帧的首部，都必须携带源站点所指定的路由信息。
第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术
71
（ 3）透明网桥和源站选路网桥的比较透 明 网 桥 源 站 选 路 网 桥面向无连接的 面向连接的对主机完全透明 对主机不是透明的完全不需要人工管理 必须由人工进行管理主机负担轻 主机负担重可能会产生帧的兜圈子现象 利用最佳路由第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术
72
6.多端口网桥 ——以太网 （ 二层 ） 交换机
（ 1） 交换式以太网引入的理由
多媒体技术广泛使用后，大量多媒体数据需要在网络上传输，
从而要求局域网有更高的数据率。
总线局域网的工作站共享网络带宽，因而数据传输速率往往成为整个系统的瓶颈。
在交换式以太网中使用所谓的 以太网交换机 （又称交换式集线器或简称交换机）可明显地提高网络的性能。
第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术
73
（ 2）以太网交换机的主要特点
所有端口平时都不连通。当工作站需要通信时，以太网交换机能同时连通许多对的端口,使每一对相互通信的工作站都能像独占通信媒体那样，进行无冲突地数据传输。
图 3-29说明了以太网交换机的工作原理。
以太网交换机图 3-29 以太网交换机的工作原理
A B C D
第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术
74
对于普通 10M的共享式以太网，若共有 N个用户，则每个用户占有的网络平均带宽只有总带宽的 N分之一。 在使用以太网交换机时，虽然数据率还是 10M，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个端口的以太网交换机，其总容量就是 N× 10M。 这正是以太网交换机的最大优点。
保证了以太网的向前兼容性,即从 10BASE-T以太网转到交换式以太网时，所有接入设备的软件和硬件、网卡等都不需要作任何改动。也就是说,所有接入的设备继续使用 CSMA／ CD协议 。此外，
只要增加以太网交换机的数量，整个系统很容易扩充。
图 3-30给出了三种以太网的区别。
第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术
75
A B C D
A B C D
A B C D
共享总线以太网以太网集线器以太网交换机
3-30 三种以太网的主要区别第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术
76
（ 3）以太网交换机的交换原理问题：
对于以太网交换机，是如何保证每个端口具有带宽独占特征的呢？ 其交换原理？
图 3-31给出了典型的以太网交换机内部结构。
图 3-32给出了基于以太网交换机的局域网扩展示意图。
第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术
77
A B C D
1 2 3 4 5 6 交换端口地址表转发机构地址表端口号 地址
1 A
2
3
4 B
5 C
6 D
缓冲区第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术图 3-31 以太网交换机的内部结构
78
图 3-32 采用以太网交换机扩展局域网以太网交换机集线器 集线器 集线器
100Mb/s
100Mb/s
万维网服务器电子邮件服务器 A用户群 B用户群 C用户群
10BASE－ T
路由器100Mb/s
至因特网第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术
79
7.虚拟局域网
（ 1）相关概念
工作组（域）,网络中具有基本 相同工作性质 的用户群称为一个工作组，或叫工作域。
网段,概念上一个独立的 LAN，为一个工作组服务。
在传统的局域网中，通常 一个工作组是在同一个网段上,
多个网段之间通过 网桥 或 路由器 来交换数据。
第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术
80
考虑一个问题,如果一个工作组中的某个站点要从该工作组转移到另一个工作组，就需要将该站点计算机从该网段撤出，连接到另一个网段，甚至需要重新布线，因此 工作组的组成受到了站点所在网段物理位置的限制 。
逻辑工作组,位于 不同网段 的具有基本相同工作性质的用户群 。
第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术
81
（ 2）何谓,虚拟局域网,？
所谓虚拟局域网 VLAN（ Virtual LAN）是指以软件方式来实现逻辑工作组划分与管理的一种网络工作组组建技术。
必须强调,虚拟局域网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）为何要组建,虚拟局域网,？
管理的需要
安全的需要第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术
82
（ 4）虚拟局域网的特征
局域网交换机是组建虚拟局域网的核心设备。
组成逻辑工作组的各结点不受物理位置的限制，换言之同一逻辑工作组的成员不一定要连接在同一个物理网段上。
当一个结点从一个逻辑工作组转移到另一个逻辑工作组时，只需要通过软件设定，而不需要改变它在网络中的物理位置。
图 3-33给出了虚拟局域网构建的示意图。
第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术
83
以太网交换机
A4
B1
以太网交换机
VLAN3
C3B
3
VLAN1 VLAN2
C1
A2
A1
A3
C2B
2以太网交换机以太网交换机图 3-33 三个虚拟局域网 VLAN1,
VLAN2和 VLAN3 的构成第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术以太网交换机
A4
B1
以太网交换机
VLAN3
C3
B3
VLAN1 VLAN2
C1
A2
A1
A3
C2B
2以太网交换机以太网交换机三个虚拟局域网 VLAN1,VLAN2
和 VLAN3 的构成当 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
A4
B1
以太网交换机
VLAN3
C3
B3
VLAN1 VLAN2
C1
A2
A1
A3
C2B
2以太网交换机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
都不会收到 B1 发出的广播信息。
以太网交换机
A4
B1
以太网交换机
VLAN3
C3
B3
VLAN1 VLAN2
C1
A2
A1
A3
C2B
2以太网交换机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。
87
2.虚拟局域网的构建技术不同虚拟局域网构建技术的区别主要表现在对 虚拟局域网成员的定义方法上,通常有三种虚拟局域网构建方式。
（ 1）用交换机端口号定义虚拟局域网局限性：
不允许不同的虚拟局域网包含同一交换端口 。例如，图
3-33中的工作站 A4分配给 VLANl后，就不能再属于 VLAN2。
当用户从一个端口移动到另一个端口时，网络管理者必须对虚拟局域网成员进行重新配置。
第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术
88
（ 2）用用户 MAC地址定义虚拟局域网由于 MAC地址是与硬件相关的地址，所以用用户 MAC地址定义的虚拟局域网，允许用户结点可以自由移动而仍然可保持原来的虚拟局域网成员的地位。显然基于 MAC地址的虚拟局域网可以看作是基于用户的虚拟局域网。
局限性：
要求所有的用户在初始阶段必须配置到至少一个虚拟局域网中，
初始配置由人工完成，随后就可以自动跟踪用户。在大规模网络中，
初始化时把上千个用户配置到某个虚拟局域网中显然是很麻烦的。
第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术
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（ 3）用网络层 IP地址定义虚拟局域网
用 IP地址来定义虚拟局域网具有明显的优势：
允许按照 协议类型 来组成虚拟局域网，这种方法有利于组成 基于服务或应用 的虚拟局域网。
用户可以随意移动工作站而无需重新配置网络地址，这对于 TCP/IP协议的用户是特别有利的。
存在的问题：
由于检查网络层地址比检查 MAC地址要花费更多的时间，因而虚拟局域网的性能较差。
第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术
90
3.基于 MAC地址的虚拟局域网为支持虚拟局域网,1988年 IEEE批准了 802.3ac标准，该标准定义了以太网帧格式的扩展，如图 3-34所示。
第三章 数据链路层（ 2）
3.5 扩展的以太网 —— LAN互连技术
802.3
MAC 帧字节 6 6 2 46 ~ 1500 4
MAC 帧目地地址 源地址 长度 /类型 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 字节插入 4 字节的 VLAN 标记
4
用户优先级 CFI
图 3-34 虚拟局域网使用的以太网帧格式
91
1.100BASE-T 以太网
（ 1）主要特征
★ 基于基带信号的星型拓扑以太网；
★ IEEE于 1995年推出的标准 IEEE802.3u；
★ 既支持无冲突的全双工工作方式 (CSMA/CD协议不起作用 )，
也支持半双工工作方式 (仍使用 CSMA/CD协议 )；
★ MAC帧格式仍然是 802.3标准规定的帧格式；
★ 不包含对同轴电缆的支持；
★ 为提高信道利用率，修改了 10M以太网的某些规定第三章 数据链路层（ 2）
3.6 高速以太网
92
（ 2）三种物理层标准
a.100BASE-TX
基本特征：
使用 2对 UTP5类线或 STP，一对用于发送，一对用于接收；
编码采用,多电平传输 3（ MLT-3）,方法，即 采用三元组（高电平，零电平，低电平）进行编码 。
编码规则：
输入 0时，输出相对前一个输出值不变；
输入 1时，输出相对前一个输出值的变化规律为：若前一个输出值为高电平或低电平，则输出为零电平；若前一个输出值为零电平，则输出与上次的一个非零输出值符号相反。图 3-35给出了相应的编码描述。
第三章 数据链路层（ 2）
3.6 高速以太网
93
1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1
图 3-35 100BASE-TX的编码说明
b.100BASE-FX
基本特征：
使用 2根光纤，一根用于发送，一根用于接收；
编码采用 4B/5B-NRZI方法。
第三章 数据链路层（ 2）
3.6 高速以太网
94
c.100BASE-T4
基本特征：
使用 4对 UTP5类线，其中 3对线传送数据（每对线
33.33Mb/s）,1对线作为碰撞检测的接收信道；
编码采用 8B/6T-NRZ方法，即将数据每 8bit一组编码成具三种状态（高、低、零）的 6bit组。三状态 bit组共有
729（ 36）个不同的组合，取其中 256个组合表示数据,9
个表示控制信息，其余未用。图 3-36用一个例子进行了说明。 -1 +1 0 +1 -1 0
00011111
图 3-36 8B/6T-NRZ编码方法示例第三章 数据链路层（ 2）
3.6 高速以太网
95
2.吉比特以太网
（ 1）主要特征
★ IEEE802.3z为其标准；
★ 仍使用 802.3协议规定的帧格式；
★ 既支持无冲突的全双工工作方式 (CSMA/CD协议不起作用 )，也支持半双工工作方式 (仍使用 CSMA/CD协议 )；
★ 与 10M和 100M技术向前兼容；
★ 物理层使用两种成熟技术，一种来自现有的以太网，另一种是 ANSI制定的光纤通道，因此，物理层有两个标准：
1000BASE-X(802.3z标准 )：基于光纤通道
1000BASE-T(802.3ab标准 )：基于双绞线第三章 数据链路层（ 2）
3.6 高速以太网
96
（ 2）二种物理层标准
a.1000BASE-X
1000BASE-X 使用三种媒体：
★ 1000BASE-SX：短波长 (850nm激光器 )，支持纤芯直径为
62.5μ m和 50μ m的多模光纤，传输距离分别为 275m和 550m；
★ 1000BASE-LX：长波长 (1300nm激光器 )，支持纤芯直径
62.5μ m和 50μ m的多模光纤，传输距离为 550m。若使用纤芯直径
10μ m的单模光纤，传输距离可达 5km。
★ 1000BASE-CX：屏蔽双绞线，传输距离 25m。
b.1000BASE-T
使用 4对 5类线 UTP，传输距离 100m。
第三章 数据链路层（ 2）
3.6 高速以太网
97
（ 3）吉比特以太网的组网实例图 3-37给出了一个吉比特以太网的组网实例。
百兆比特或吉比特交换机吉比特交换机
100Mb/s链路
1Gb/s链路中央服务器局部服务器 局部服务器图 3-37 一个吉比特以太网的组网实例第三章 数据链路层（ 2）
3.6 高速以太网
98
3,10吉比特以太网主要特征：
★ 标准是 IEEE802.3ae,2002年 6月完成；
★ 帧格式与 10Mb/s,100Mb/s和 1Gb/s以太网帧格式完全相同
，最小和最大帧长也相同；
★ 由于速率很高，只使用光纤作为传输媒体。使用单模光纤传输距离超过 40km；使用多模光纤传输距离 65～ 300m；
★ 只工作在全双工方式，不存在争用问题，也不使用 CSMA/CD
协议。因此，传输距离不受碰撞检测限制而大大提高了。
★ 物理层定义了两种新标准：
局域网物理层 LAN PHY
广域网物理层 WAN PHY
第三章 数据链路层（ 2）
3.6 高速以太网
99
课后练习
3-15
3-18
3-28
3-30
3-31
第三章 数据链路层（ 2）
100
下图是一个基于交换机的数据报转发示意网络图，请画出交换机 2的转发表。
第三章 数据链路层（ 2）
例题：
主机D
交换机1
主机C
主机A
主机F
主机E
交换机2
交换机3
主机G
主机H
主机B
0
3
2
1
0
1
2
3
2
31
0
