数据链路层使用的信道主要是有以下两种类型：

• 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送

数据链路层的简单模型

3.1使用点对点信道的数据链路层

3.1.1数据链路和帧

• 链路是一条无源的点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换结点。
  • 一条链路只是一条通路的一个组成部分。
• 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载链路上，就构成了数据链路。
  • 现在最常用的方法是使用适配器（即网卡）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

数据链路层像个数字管道

• 常常在两个对等的数据链路层之间画出一个数字管道，而在这条数字管道上传输的数据单位是帧。

  
  

• 早期的数据通信协议曾叫做通信规程（procedure）。因此在数据链路层，规程和协议是同义语。

3.1.2三个基本问题

• 封装成帧
• 透明传输
• 差错控制

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。

  
  

用控制字符进行帧定界的方法举例

透明传输

• 若传输的数据是ASCII码中“可打印字符（共95个）”，一切正常。

• 若传输的数据不是仅有“可打印字符”组成时，就会出现问题

  
  

用字节填充法解决透明传输的问题

• 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）。
• 字节填充（byte stuffing）或字符填充（character stuffing）-- 接收端的数据链路层在将数据送往网络层之前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。

  
  

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。

循环冗余检验CRC

在数据链路层传送的帧中，广泛使用循环冗余检验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 （现在 k=6）。我们在M的后面再添加供查获错检测用的n为冗余码一起发送。

冗余码的计算

• 用二进制的模2运算进行乘M的运算，这相当于在M后面添加n个0.
• 得到（k+n）为的数除以事先选好的长度为（n+1）位的除数P，得出商是Q而余数是R，余数R比除数P少1位，即R是n位

循环冗余检验CRC的计算过程

冗余码的计算举例

帧检验序列FCS

在数据后面添加上的冗余称为帧检验序列FCS（Frame Check Sequence）。
循环冗余检验CRC和帧检验序列FCS并不等同。

• CRC是一种常用的检错方法，而FCS是添加在数据后面的冗余码。
• FCS可以用CRC这种方法得出，但CRC并非用来获得FCS的唯一方法。

接收端对收到的每一帧进行CRC检验

检验：

• 若得出的余数R=0，则判定这个帧并没有差错，就接受（accept）。
• 若余数R=0，则判定这个帧有差错，就丢弃。

特点：

• 但这种检测方法并不能确定究竟是哪一种或那几个比特出现差错。
• 只要经过严格的挑选，并使用位数足够多的除数P，那么出现检测不到的差错的概率就很小很小。

小结

使用循环冗余检验CRC差错检测技术只能做到无差错接受（accept）。

• “无差错接受”是指：“凡是接受的帧（即不包括丢弃的帧），我们都能以非常接近于1的概率认为这些帧在传输过程中没有产生差错”。也就是说“凡是接收端数据链路层接受的帧都没有传输差错”（有差错的帧就丢弃而不接受）。
  要做到“可靠传输”（即发送什么就收到什么）就必须加上确定和重传机制。
• 考虑：帧重复、帧丢失、帧乱序的情况
  可以说“CRC是一种无比特差错，而不是无传输差错的检测机制”
• OSI/RM模型的观点：数据链路层要做成无传输差错的！但这种理念目前不被接受！

3.2点对点协议PPP

3.2.1PPP协议的特点

• 现在全世界使用得最多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。

PPP协议使用场合

1.PPP协议应满足的需求

• 简单-这是首要的要求
• 封装成帧
• 透明性
• 多种网络层协议
  多种类型链路
• 差错检测
• 检测连接状态
• 最大传送单元
• 网络层地址协商
• 数据压缩协商

2.PPP协议不需要的功能

• 纠错
• 流量控制
• 序号
• 多点线路
• 半双工或单工链路

3.PPP协议的组成

1992年制订了PPP协议。经过1993和1994年的修订，现在的PPP协议已成为因特网的正式标准[RFC 1661]。
PPP协议有三个组成部分

• 一个将IP数据封装到串行链路的方法
• 使用链路控制协议LCP（Link Control Protocol）建立并维护数据链路连接

• 网络控制协议NCP（Network Control Protocol）允许点到点连接上使用多层网络层协议

  
  

3.2.2PPP协议帧格式

标志字段F = Ox7E（符号“0x”表示后面的字符使用十六进制表示。十六进制的7E的二进制表示01111110）。

地址字段A只置为0xFF。地址字段实际并不起作用。

控制字段C通常C通常置为0x03.

PPP是面向字节的，所有的PPP帧的长度都是整数字节。

PPP有一个2个字节的协议字段
0x0021 --- PPP帧的信息字段就是IP数据报。
0xC021 ---- 信息字段是PPP链路控制数据。
0x8021 --- 表示这是网络控制数据
0xC023 --- 信息字段是安全性认证PAP。
0xC025 --- 信息字段是LQR。
0xC223 --- 信息字段是安全性认证CHAP。

字节填充

• 将信息字段中出现的每个0x7E字节转变为2字节序列（0x7D，0x5E）。
• 若信息字段中出现一个0x7D的字节，则将其转变成为2字节序列（0x7D，0x5D）。
• 若信息字段中出现ASCII码控制字符（即数值小于0x20的字符），则在该字符前面加一个0x7D字节，同时将该字符的编码加以改变

零比特填充方法

PPP协议用在SONET/SDH链路时，是使用同步传输（一连串的比特连续传送）。这时PPP协议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2个连续的1，即立即填入一个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。

不使用序号和确认机制

PPP协议之所以不使用序号和确认机制是出于一下的考虑

• 在数据链路层出现差错的概率不大的时，使用比较简单的PPP协议较为合理。
• 在因特网环境下，PPP的信息字段放入的数据是IP数据报。数据链路层的可靠传输并不能够保证网络层的传输也是可靠的。
• 帧检验序列FCS字段可保证无差错接受。

3.2.3PPP协议的工作状态

当用户拨号接入ISP时，路由器的调制解调器对拨号做出确认，并建立一条物理连接。

PC机像路由器发送一系列的LCP分组（封装成多个PPP帧）。

这些分组及其响应选择一些PPP参数，和进行网络层配置，NCP给新接入的PC机分配一个临时的IP地址，使PC机成为因特网上的一个主机

通信完毕时，NCP释放网络层连接，收回原来分配出去的IP地址。接着LCP释放数据链路层连接。

最后释放的是物理层连接。

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

局域网的主要的特点是：网络作为一个单位所拥有，且地理范围和站点数据均有限。

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。
• 便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活调整和改变
• 提高系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活调整和改变。
• 提高了系统的可靠性、可用性和残存性。

局域网的拓扑

媒体共享技术

• 静态划分信道
  • 频分复用
  • 时分复用
  • 波分复用
  • 码分复用
• 动态媒体介入控制（多点控制）
  • 随机接入
  • 受控接入，如多点线路探寻（polling），或轮询。

以太网的两个标准

• DIXEthernet 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。
  • DIX Ethernet V2标准与IEEE的802.3标准只有很小的差别，因此可将802.3局域网简称为“以太网”。
  • 严格说来，“以太网”应当是指符合DIX Ethernet V2的局域网

以太网与数据链路层的两个子层

为了使数据链路层能更好的适用多种局域网标准，802委员会就将局域网的数据链路层拆分两个子层：

• 逻辑链路控制LLC（Logical Link Control）子层
• 媒体接入控制MAC（Medium Access Control）子层

与接入到传输媒体有关的内容都放在MAC子层，而LLC子层则与传输媒体无关，不管采用何种协议的局域网对LLC子层来说都是透明的。

由于TCP/IP体系经常使用的局域网DIXEthernet V2而不是802.3标准中的几种局域网，因此现在802委员会制定的逻辑链路控制子层LLC（即802.2标准）的作用已经不打了。

很多厂商生产的适配器上就仅装有MAC协议而没有LLC协议。

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。

当接收站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，其他什么也不做。差错的纠正由高层来决定。

如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但以太网并不知道这是一个重传的帧，而是当做一个新的数据帧来发送。

2.适配器的作用

• 网络接口板又称为通信适配器（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。
  • 实现以太网协议

计算机通过适配器和局域网进行通信

认识以太网

• 最初的以太网是将许多计算机连接到一根总线上。当初认为这样连接方法既简单又可靠，因此总线上没有源器件。

  
  

• 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。

• 由于计算机D的地址与数据帧首部写入的地址一致，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能接收下来。

• 具有广播特性的总线上实现一对一的通信

为了通信的简便以太网采取了两种重要的措施

• 采用较为灵活的无连接的工作方式，即不必先建立连接就可以直接发送数据。
• 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很小的。

载波监听多点接入/碰撞检测 以太网使用CSMA/CD协议

CSMA/CD表示Carrier Sense Multiple Access with collision Detection。

“多点接入”表示血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。

“载波监听”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，也就认为总线上至少有两个站同时发送数据，表明产生碰撞。

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。

电磁波在总线上的有限传播速率的影响

• 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

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（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。

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碰撞。

以太网的争用期

• 以太网的端到端往返时延称为争用期，或碰撞窗口。通常，去51.2s为争用期的长度
• 对于10Mb/s以太网，在争用期内可发送512bit，即64字节。
• 以太网在发送数据时，若前64字节未发生冲突，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，就一定是在发送的钱64字节以内。
• 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异常中止的无效帧。

二进制指数类型退避算法

发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟（退避）一个随机事件才能再发送数据。

• 确定基本退避事件，一般是取争用期。
• 定义参数k，k = Min[重传次数，10]
• 从整数集合[0，1，.... ，（）]中随机取出一个数，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

• 以太网去51.2s为争用期的长度。
• 对于10Mb/s以太网，在争用期内可发送512bit，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，就一定是在发送的钱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认为干扰信号（jamming signal），以便让所有用户都知道心在已经发生碰撞。

3.4使用广播信道的以太网

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一种可靠性非常高的设备，叫做集线器（hub）

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，因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行。集线器使用了大规模集成电路芯片，因此这样的硬件设备的可靠性已大大提高了。

使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，个工作站使用的耗时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。

10Base-T

10Base-T的通信距离稍短，每个站到集线器的距离不超过100m。
这种10Mb/s速率的无屏蔽双绞线星形网的出现，既降低了成本，又提高了可靠性。
10Base-T双绞线以太网的出现，是局域网发展史上的一个非常重要的里程碑，它为以太网在局域网中的统治地位奠定了牢固的基础。

其他：10Base-FX、10Base-T和10Base-T4

3.4.2以太网的信道利用率

以太网的信道被占用的情况：
争用期长度为，即端到端传播时延的两倍。碰撞到碰撞后不发送干扰信号。
帧长为为L（bit），数据发送速率为C（b/s），因此帧的发送时间为L/C = 。

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道上无信号在传播）时为止，是发送一阵所需的平均时间。

• 要提高以太网的信道利用率，就必须减小与之比。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之比：
  
• 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，表明争用期所占比例增大，没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

以太网的信道利用率：最大值

对以太网参数的要求

• 当数据率一定时，以太网的连线长度受到限制，否则的数值会太大
• 以太网的帧长不能太短，否则的值会太小，使a值太大

信道利用率的最大值

• 在理想化的条件下，以太网上的各种发送数据都不会发生碰撞（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，而帧本身发送时间是。于是我们可计算出理想情况下的极限信道利用率为：
  

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。

802标准所说的“地址”严格地讲应当是每一个站的“名字”或标识符。

但鉴于大家都早已习惯了将这种48位的“名字”称为“地址”，尽管这种说法并不太严格

• IEEEE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24位）由厂家分配地址字段的钱三个字节（即高位24位）。
• 一个地址块可以生成个不同的地址。这种48位地址称为MAC-48，它的通用名称是EUI-48.
• “MAC地址”实际上就是适配器地址或适配器标识符EUI-48。

适配器检查MAC地址

适配器从网上上每收到一个MAC帧就首先用硬件检测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.MAC帧格式

常用的以太网MAC帧格式有两种标准：

• DIX Ethernet V2 标准
• IEEE的802.3标准

最常用的MAC帧时以太网V2的格式。

以太网V2的MAC帧格式

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64~1500字节之间
• 有效的MAC帧长度为64~1518字节之间
• 对于检查出的无效MAC帧就简单地丢弃。以太网不负责重传丢弃的帧

帧间最下间隔

帧间最小间隔为9.6s，相当于96bit的发送时间。

一个站在检测到总线开始空闲后，还要等待9.6s才能再次发送数据。

这样做是为了使刚刚收到数据帧的站的结合搜缓存来得及清理，做好接收下一帧的准备

3.5扩展的局域网

3.5.1在物理层扩展局域网

• 主机使用光纤和一对光纤调制解调器连接到集线器

  
  

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位置

用集线器扩展局域网缺点

• 碰撞域大了，但总的吞吐量并未提高
• 如果有不同的碰撞域使用不同的数据率，那么就不能集线器将它们互连起来

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使用是网桥

网桥工作在数据链路层，它根据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，并不是像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

使用网桥扩展以太网

使用网桥扩展以太网：好与坏

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10Mb/s和100Mb/s以太网）的局域网

网桥使个网段称为隔离开的碰撞域

坏处：

• 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。

  
  

2.透明网桥

• 目前使用得最多的网桥使透明网桥（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

网桥应当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进入可某网桥，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。
• 网桥没收到一个帧，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。
• 在建立准发表时是把帧首部中的源地址卸载“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。这是这就把“地址”栏下面已经记下的源地址当做目的地址，而把记下的进入接口当做转发接口。

转发表的建立过程举例

网桥在转发表中登记一下三个信息

• 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够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

• 这时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.源路由网络

• 透明网桥容易安装，但网络资源的利用不充分。
• 源路由（source route）网桥在法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

4.多接口网桥---以太网交换机

• 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，以太网交换机的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10Mb/s的共享式以太网，若工会有N个用户，则每个用户占有的平均带宽只有总带宽（10Mb/s）的N分之一
• 使用以太网交换机时，虽然在每个接口道主机的带宽还是10Mb/s，但由于一个用户在通信时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Nx10Mb/s。这正是交换的最大优点。

用以太网交换机扩展局域网

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给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表记（tag），用来指明发送该帧的工作站属于哪一个虚拟局域网。

  
  

3.6高速以太网

3.6.1 100BASE-T以太网

• 速率达到或超过100Mb/s的以太网称为告诉以太网。

• 在双绞线上传送100Mb/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）。

• 100BASE-T以太网的物理层：

  • 100BASE-TX：使用两对UTP 5类线或屏蔽双绞线STP
  • 100BASE-FX：使用两对光纤。
  • 100BASE-T4：使用4对UTP 3类线或5类线。

100BASE-T的特点

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100m。
帧间时间间隔从原来的9.6s改成现在的0.96s

3.6.2吉比特以太网

允许在1Gb/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（全双工不需要使用CSMA/CD协议）。
与10BASE-T和100BASE-T技术向后兼容。
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接受数据），不使用载波延伸和分组突发。

吉比特以太网的物理层

1000BASE-X 基于光纤通道的物理层：
- 1000BASE-SE SX表示短波长 传输距离275或550米
- 1000BASE-LX LX表示长波长 550米或5000米
- 1000BASE-CX CX表示铜线 传输距离25米

1000BASE-T
- 使用4对5类线UTP

吉比特以太网的配置举例

3.6.3 10吉比特以太网

10吉比特以太网与10Mb/s，100Mb/s和1Gb/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，也不实用CSMA/CD协议

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。
这种工作的好处：
- 成熟的技术
- 互操性很好
- 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10Mb/s到10Gb/s的演进

以太网10Mb/s到10Gb/s的演进证明了以太网是：
- 可扩展的（从10Mb/s到10Gb/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

3.6.4使用高速以太网进行宽带接入

以太网成功地把速率提高到1~10Gb/s，所覆盖的地理范围也扩展到了城域网和广域网，因此人们正在尝试使用以太网进行宽带接入。
以太网接入的重要的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宽带升级。
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减低了传输的成本

建网三层模型

企业局域网设计

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