理解数据链路层服务原理课件.pptx

1、感谢你的观看5-1Chapter 5:The Data Link LayerOur goals:r理解数据链路层服务原理:m差错检测和纠正m共享广播信道:多址接入m链路层编址m可靠传输、流量控制：done!r链路层实现m以太网m虚拟局域网2019年6月9感谢你的观看5-2Link layer,LANs:outline5.1 introduction,services5.2 error detection,correction 5.3 multiple access protocols5.4 LANsaddressing,ARPEthernetswitchesVLANS5.5 link virt

2、ualization5.6 data center networking5.7 a day in the life of a web request2019年6月9感谢你的观看5-3网络层和链路层的关系网络层:r选路：路由器确定去往目的节点的下一跳r转发：在路由器内部将数据报从输入端口转移到输出端口链路层：r将数据报从一个节点传输到相邻的下一个节点，如：m源主机-源路由器m路由器-下一跳路由器m目的路由器-目的主机2019年6月9感谢你的观看5-4一些术语r节点：主机和路由器统称为节点r链路：连接相邻节点的通信信道m有线链路m无线链路m局域网r帧：链路层分组称为帧2019年6月9感谢你的观看5

3、-5链路层服务r组帧（基本服务）m从原始比特流中提取出完整的帧r链路接入（广播链路需要）m在广播信道上协调各个节点的发送行为r差错检测（基本服务）m检测传输错误r差错纠正（有些提供）:m检测并纠正传输错误（不使用重传）2019年6月9感谢你的观看5-6链路层服务（续）r可靠交付（部分协议提供）m通过确认、重传等机制确保接收节点正确收到每一个帧（停-等、GBN、SR）m低误码率链路（如光纤、某些双绞线）上很少使用，高误码率链路（如无线链路）应当使用r流量控制:m调节发送速度，避免接收节点缓存溢出m提供可靠交付的链路层协议，不需要专门的流量控制m不提供可靠交付的链路层协议，需要有流量控制机制r半双

4、工和全双工：m半双工通信时，提供收/发转换2019年6月9感谢你的观看5-7链路层在哪儿实现？r路由器：链路层在线卡中实现r主机：链路层主体部分在网络适配器（网卡）中实现r网络适配器连接物理媒体，所以还实现物理层的功能r链路层由硬件和软件实现：m网卡中的控制器芯片：组帧、链路接入、检错、可靠交付、流量控制等m主机上的链路层软件：与网络层接口，激活控制器硬件、响应控制器中断等controllerphysicaltransmissioncpumemoryhost bus(e.g.,PCI)network adaptercardhost schematicapplicationtransportne

5、tworklinklinkphysical2019年6月9感谢你的观看5-8网络适配器之间的通信r发送侧:m将数据报封装到帧中m生成校验比特m执行可靠传输和流量控制r接收侧：m提取帧，检测传输错误m执行可靠传输和流量控制m解封装数据报，交给上层协议controllercontrollersending hostreceiving hostdatagramdatagramdatagramframe2019年6月9感谢你的观看5-9Link layer,LANs:outline5.1 introduction,services5.2 error detection,correction 5.3 m

6、ultiple access protocols5.4 LANsaddressing,ARPEthernetswitchesVLANS5.5 link virtualization5.6 data center networking5.7 a day in the life of a web request2019年6月9检错和纠错r传输出错的类型m单个错：由随机的信道热噪声引起，一次只影响1位m突发错：由瞬间的脉冲噪声引起，一次影响许多位，使用突发长度表示突发错影响的最大数据位数r差错控制编码的类型m检错码：只能检测出传输错误的编码，不能确定出错位置，通常与反馈重传机制结合进行差错恢复m纠错

7、码：能够确定错误位置并自行纠正的编码5-10感谢你的观看2019年6月9如何检测与纠正错误？r码字（codeword）：由 m 比特的数据加上 r 比特的冗余位（校验位）构成r有效编码集：由 2m 个符合编码规则的码字组成r检错：若收到的码字为无效码字，判定出现传输错误r海明距离（Hamming Distance）：两个码字的对应位取值不同的位数r纠错：将收到的无效码字纠正到距其最近的有效码字r检错码与纠错码的能力都是有限的！5-11感谢你的观看2019年6月9编码集的检错与纠错能力r编码集的海明距离：编码集中任意两个有效码字的海明距离的最小值r检错能力：为检测出所有d比特错误，编码集的海明距

8、离至少应为d+1r纠错能力：为纠正所有d比特错误，编码集的海明距离至少应为2d+15-12感谢你的观看2019年6月9感谢你的观看5-13差错检测的实施 发送端对要保护的数据D（包括帧头字段）生成校验 位EDC，添加在帧头中 接收端对收到的数据D计算校验位EDC，根据EDC判 定是否有错2019年6月9感谢你的观看5-14奇偶校验单比特奇偶校验:可检测单比特错误检错率为50%编码集海明距离为2二维奇偶校验:可检测2比特错和纠正单比特错编码集海明距离为3有利于检测突发错误002019年6月9循环冗余校验（CRC）rCRC是一种多项式编码，它将一个位串看成是某个一元多项式的系数，如1011看成是一

9、元多项式X3+X+1的系数r信息多项式M(x)：由m个信息比特为系数构成的多项式r冗余多项式R(x)：由r个冗余比特为系数构成的多项式r码多项式T(x)：在m个信息比特后加上r个冗余比特构成的码字所对应的多项式，表达式为T(x)=xrM(x)+R(x)r生成多项式G(x)：双方确定用来计算R(x)的一个多项式r编码方法：R(x)=xrM(x)G(x)的余式（减法运算定义为异或操作）r检验方法：若T(x)G(x)的余式为0，判定传输正确rCRC码检错能力极强，可用硬件实现，是应用最广泛的检错码5-15感谢你的观看2019年6月9感谢你的观看5-16CRC举例例1：取G(X)=X3+1，对信息比特

10、101110计算CRC码。解答：r101110000 1001的余式为R=011(CRC code)r码字：101110011例2：取G(X)=X3+1，接收端收到比特串1001001，问是否有错？解答：r10010011001的余式为001（不为0），有传输错误。2019年6月9感谢你的观看5-17Link layer,LANs:outline5.1 introduction,services5.2 error detection,correction 5.3 multiple access protocols5.4 LANsaddressing,ARPEthernetswitchesVLA

11、NS5.5 link virtualization5.6 data center networking5.7 a day in the life of a web request2019年6月9感谢你的观看5-18链路的两种类型r点到点链路：m仅连接了一个发送方和一个接收方的链路m一条全双工链路可以看成是由两条单工链路组成r广播链路：m连接了许多节点的单一共享链路，任何一个节点发送的数据可被链路上的其它节点接收到共享的电缆（如早期以太网）共享的无线射频（如802.11 WiFi）共享的无线射频（如卫星）humans at acocktail party(shared air,acoustica

12、l)2019年6月9感谢你的观看5-19多址接入（Multiple Access）r冲突（collision）m在广播链路上，若两个或多个节点同时发送，发送的信号会发生干扰，导致接收失败r多址接入协议m规定节点共享信道（谁可以发送）的方法m多址接入协议也称媒体接入控制（Medium Access Control，MAC）协议2019年6月9感谢你的观看5-20理想的多址接入协议在速率为R bps的广播信道上1.当只有一个节点发送时，它应能以速率R发送（信道利用率高）2.当有M个节点发送时，每个节点应能以 R/M的平均速率发送（公平性好）3.协议是完全分布式的:m不需要一个特殊的节点来协调发送（

13、健壮性好）m不需要时钟或时隙同步（不需要额外的机制）4.简单（实现和运行开销小）2019年6月9感谢你的观看5-21MAC协议的分类r信道划分m将信道划分为若干子信道，每个节点固定分配一个子信道，不会发生冲突m关注公平性，轻负载时信道利用率不高r随机接入（竞争）m不划分信道，每个节点自行决定何时发送，出现冲突后设法解决m提高轻负载时的信道利用率，但重负载时冲突严重r轮流使用信道m不划分信道，有数据的节点轮流发送，不会出现冲突m信道利用率是以上两种方法的折衷2019年6月9感谢你的观看5-22（1）信道划分的MAC协议TDMA:时分多址r将信道的使用时间划分成帧，每个节点在帧中被分配一个固定长度

14、的时间片，每个时间片可以发送一个分组 r节点只能在分配给自己的时间片内发送 r若节点不发送，其时间片轮空1341346-slotframe2019年6月9感谢你的观看5-23信道划分的MAC协议FDMA:频分多址r将信道频谱划分为若干子频带r每个节点被分配一个固定的子频带r若节点不发送，其子频带空闲 frequency bandstimeFDM cable2019年6月9信道划分的MAC协议CDMA:码分多址r将每个比特时间进一步划分为m个微时隙（称chip）r每个节点被分配一个惟一的m比特码序列（称chip code）r发送方编码：发送“1”=发送chip code；发送“0”=发送chip

15、 code的反码r信号叠加：多个节点发送的信号在信道中线性相加r接收方解码：用发送方的chip code与信道中收到的混合信号计算内积，恢复出原数据r前提条件：任意两个chip code必须是相互正交的rCDMA允许所有节点同时使用整个信道！允许所有节点同时使用整个信道！感谢你的观看5-242019年6月9感谢你的观看5-25（2）随机接入的MAC协议r随机接入的基本思想：m当节点有数据要发送时，以信道速率R发送，发送前不需要协调m随机接入MAC协议规定如何检测冲突，以及如何从冲突中恢复r随机接入MAC协议的例子：m发送前不监听信道：ALOHA家族m发送前监听信道：CSMA家族2019年6月9

16、感谢你的观看5-26时分（Slotted）ALOHA假设:r所有帧长度相同r时间被划分为等长的时隙，每个时隙传一帧r节点只能在时隙开始时发送r节点是时钟同步的（知道时隙何时开始）r所有节点可在时隙结束前检测到是否有冲突发生操作:r节点从上层收到数据后，在下一个时隙发送r若时隙结束前未检测到冲突，节点可在下一个时隙发送新的帧r若检测到冲突，节点在随后的每一个时隙中以概率P重传，直至发送成功2019年6月9感谢你的观看5-27时分ALOHA优点r单个活跃节点可以信道速率连续发送r分布式：节点自行决定什么时候发送r简单缺点r发生冲突的时隙被浪费了r由于概率重传，有些时隙被闲置r需要时钟同步2019年

17、6月9感谢你的观看5-28时分Aloha的效率r假设:有N个活跃节点，每个节点在每个时隙开始时以概率P发送r给定节点在一个时隙中发送成功的概率=p(1-p)N-1r给定时隙中有节点发送成功的概率=Np(1-p)N-1 r最大效率:m找到令Np(1-p)N-1最大的概率p*m代入Np*(1-p*)N-1，并令N趋向于无穷，得到：m最大效率=1/e=0.37效率：当网络中存在大量活跃节点时，长期运行过程中成功时隙所占的比例最佳情况:信道用于有效传输的时间仅为37%！2019年6月9感谢你的观看5-29纯ALOHAr基本思想：m取消同步时钟，任何节点有数据发送就可以立即发送m节点通过监听信道判断本次

18、传输是否成功m若不成功，立即以概率P重传，以概率（1-P）等待一个帧时后再决定。（帧时：发送一帧的时间，假设帧长度相同）r发生冲突的情形：m在时刻t0发送的帧与在 t0-1,t0+1 时段内发送的其它帧冲突2019年6月9感谢你的观看5-30纯Aloha的效率P(给定节点发送成功)=P(节点发送).P(无其它节点在t0-1,t0内发送).P(无其它节点在t0,t0+1内发送)=p.(1-p)N-1.(1-p)N-1 =p.(1-p)2(N-1)求出令节点发送成功概率Np.(1-p)2(N-1)最大的p*，并令N-infty:最大效率=1/(2e)=0.18 2019年6月9感谢你的观看5-31

19、载波侦听多址接入（CSMA）r发送前监听信道（carrier sensing）：m信道空闲：发送整个帧m信道忙：推迟发送r冲突仍可能发生:m由于存在传输延迟，节点可能没有监听到其它节点正在发送m即使忽略传输延迟，当两个（或多个）节点同时发现信道由忙变为空闲、并都决定立即发送时，仍会发生冲突2019年6月9感谢你的观看5-32CSMA/CD(Collision Detection)r若在发送的过程中检测到冲突，怎么办？m继续发送余下的部分（浪费带宽）m停止发送余下的部分rCSMA/CD的基本思想：m在发送的过程中检测冲突（发生冲突时信号较强）m检测到冲突后，立即停止发送剩余的部分m立即启动冲突解

20、决的过程2019年6月9以太网MAC协议r以太网采用CSMA/CD协议:1.NIC从网络层接收数据报，构造以太帧2.若NIC监听到信道空闲，立即发送帧；若信道忙，坚持监听直至发现信道空闲，然后发送帧3.若NIC发送完整个帧而没有检测到冲突，认为发送成功！4.若NIC在传输过程中检测到冲突，立即停止发送帧，并发送一个阻塞信号（加强冲突）感谢你的观看5-332019年6月9以太网MA协议（续）5.NIC进入指数回退阶段，选择一个等待时间:m第一次冲突后:从0,1中选择K，延迟K 512比特时间m第二次冲突后:从0,1,2,3中选择K，m第三次冲突后:从0,1,2,3,4,5,6,7中选择K，mm第

21、10次冲突后，从0,1,2,3,4,1023中选择K，6.返回Step 2r指数回退的目的是根据网络负载调整重传时间：m负载越重（冲突次数越多），重传时间的选择范围越大，再次发生冲突的可能性越小感谢你的观看5-342019年6月9感谢你的观看5-35CSMA/CD的效率rTprop=以太网中任意两个节点之间传播延迟的 最大值rttrans=最长帧的传输时间r在以下情况下，以太网的效率趋近于1：mtprop 趋近于 0，或mttrans 趋向于无穷r结论：应控制以太网的规模transprop/ttefficiency5112019年6月9感谢你的观看5-36（3）轮流MAC协议轮询r主节点轮流“

22、邀请”从节点发送，邀请到的从节点允许发送r缺点:m引入轮询延迟 m单点失效（主节点）主节点从节点polldatadata2019年6月9感谢你的观看5-37轮流MAC协议令牌传递r网络中有一个令牌，按预定顺序在节点间传递r获得令牌的节点可以发送r发送完数据后释放令牌r缺点：m令牌传递延迟m单点失效（令牌）Tdata(nothingto send)T2019年6月9感谢你的观看5-38MAC协议小结r按照时间、频率、编码划分信道：m时分多址，频分多址，码分多址r随机接入：m纯ALOHA,S-ALOHA（ALOHA网络）mCSMA/CD（早期以太网）mCSMA/CA（802.11）（第6章）r轮流

23、访问：m中心节点轮询（蓝牙）m令牌传递（FDDI，IBM令牌环，令牌总线）2019年6月9感谢你的观看5-39MAC协议比较信道划分MAC协议:m重负载下高效：没有冲突，节点公平使用信道m轻负载下低效：即使只有一个活跃节点也只能使用1/N的带宽随机接入MAC协议：m轻负载时高效：单个活跃节点可以使用整个信道m重负载时低效：频繁发生冲突，信道使用效率低轮流协议（试图权衡以上两者）：m按需使用信道（避免轻负载下固定分配信道的低效）m消除竞争（避免重负载下的发送冲突）2019年6月9感谢你的观看5-40Data link layer so far:m服务m差错检测m多址接入Next:LAN tech

24、nologiesm链路层编址 m以太网m交换机mVLAN2019年6月9局域网、城域网和广域网r局域网LAN（Local Area Network）m将小范围内的计算机及外设连接起来的网络，范围在几公里以内，通常为个人或机构所有r城域网MAN（Metropolitan Area Network）m通常覆盖一个城市的范围（几十公里），要能支持数据、音频和视频在内的综合业务，服务质量好，支持用户数量多r广域网WAN（Wide Area Network）m通常覆盖一个国家或一个洲（一百公里以上），规模和容量可任意扩大感谢你的观看5-412019年6月9感谢你的观看5-42Link layer,LAN

25、s:outline5.1 introduction,services5.2 error detection,correction 5.3 multiple access protocols5.4 LANsaddressing,ARPEthernetswitchesVLANS5.5 link virtualization5.6 data center networking5.7 a day in the life of a web request2019年6月9链路层编址r每一块网络适配器（网卡）固定分配一个地址，称为物理地址、硬件地址、链路层地址、MAC地址等rMAC地址长6个字节，一般用由“

26、:”或“-”分隔的6个十六进制数表示rMAC地址由IEEE负责分配，每块适配器的地址是全球唯一的：m网卡生产商向IEEE购买一块MAC地址空间（前3字节）m生产商确保生产的每一块网卡有不同的MAC地址mMAC地址固化在网卡的ROM中m现在用软件改变网卡的MAC地址也是可能的5-43感谢你的观看2019年6月9感谢你的观看5-44每个适配器有一个MAC地址Broadcast address=FF-FF-FF-FF-FF-FF=adapter1A-2F-BB-76-09-AD58-23-D7-FA-20-B00C-C4-11-6F-E3-9871-65-F7-2B-08-53 LAN(wired

27、orwireless)2019年6月9MAC地址类型r目的MAC地址有三种类型：m单播地址：适配器的MAC地址，地址最高比特为0m多播地址：标识一个多播组的逻辑地址，地址最高比特为1m广播地址：ff:ff:ff:ff:ff:ff r网络适配器仅将发送给本节点的帧交给主机：m目的地址为适配器MAC地址的单播帧m所有 广播帧m指定接收的多播帧r若将适配器设置成混收模式，适配器将收到的所有帧交给主机5-45感谢你的观看2019年6月9如何实现直接交付？r当发送节点A、接收节点B位于同一个物理网络上时，数据报可从A直接交付给B：mA的网络层将数据报、以及B的物理地址交给数据链路层m数据链路层将数据报封

28、装在一个链路层帧中，帧的目的地址=B的物理地址mB的适配器收到帧，根据目的地址判断是发给本机的，取出数据报交给网络层r问题：m发送节点如何获得接收节点的物理地址？5-46感谢你的观看2019年6月9地址解析（Address Resolution）r问题：已知IP地址，如何得到对应的MAC地址？r静态映射IP地址-MAC地址的缺点：m主机每次使用的IP地址可能不同（DHCP）m主机可能更换网卡r地址解析协议（ARP）用于动态获得IP地址-MAC地址映射，其基本思想是：m若节点A希望获得节点B的MAC地址，节点A广播B的IP地址（地址解析请求）m节点B用自己的MAC地址进行响应5-47感谢你的观看

29、2019年6月9ARP报文格式r硬件类型：硬件接口类型。对于以太网，该值为“1”。r协议类型：高层协议地址类型。对于IP地址，该值为080016。r操作：ARP请求为1，ARP响应为2r在以太网上，ARP报文封装在以太帧中传输发送方硬件地址（字节4-5）发送方I P 地址（字节0-1）发送方硬件地址（字节0-3）操作协议地址长度硬件地址长度硬件类型协议类型发送方I P 地址（字节2-3）目标硬件地址（字节0-1）目标硬件地址（字节2-5）目标I P 地 址（字节0-3）081624325-48感谢你的观看2019年6月9地址解析的过程A想知道B的MAC地址：rA构造一个ARP请求，在发送方字段

30、填入自己的MAC地址和IP地址，在目标字段填入B的IP地址。rA将ARP请求封装在广播帧中发送r每个收到ARP请求的节点用目标IP地址与自己的IP地址比较，地址相符的节点进行响应（B响应）。rB构造一个ARP响应，交换发送方与目标字段内容，在发送方硬件地址字段填入自己的MAC地址，修改操作字段为2rB将ARP响应封装在单播帧（目的地址为A的MAC地址）中发送。5-49感谢你的观看2019年6月9 IP地址为130.23.43.20、物理地址为oxB23455102210的主机，要获得IP地址为130.23.43.25的主机的MAC地址5-50感谢你的观看2019年6月9改进ARP的措施：ARP

31、缓存r每个节点在内存中维护一个地址映射（绑定）表，称ARP缓存r每次发送数据报前先查询ARP缓存，若找不到则发送ARP请求，并在收到ARP响应后将地址映射缓存起来rARP缓存中的信息，在超时（一般为1520分钟）后删除5-51感谢你的观看2019年6月9改进ARP的措施：主动学习r从ARP请求中获取地址绑定信息：m每个节点可以收到全部的ARP请求报文，可将发送节点的地址映射缓存到自己的ARP表中r节点在启动时自动广播自己的地址映射：m节点A在启动时主动广播一个ARP请求，在目标字段内填入自己的IP地址m收到ARP请求的节点将A的地址映射缓存起来m若A收到ARP响应，报告IP地址重复错误5-52

32、感谢你的观看2019年6月9感谢你的观看5-53数据报如何从源主机到达目的主机R1A-23-F9-CD-06-9B222.222.222.220111.111.111.110E6-E9-00-17-BB-4BCC-49-DE-D0-AB-7D111.111.111.112111.111.111.111A74-29-9C-E8-FF-55222.222.222.22188-B2-2F-54-1A-0FB222.222.222.22249-BD-D2-C7-56-2A数据报从A经过R到达B：rA知道下一跳地址为111.111.111.110（R-1）rR知道B从其端口R-2直接可达2019年6月9

33、感谢你的观看5-54rA创建IP数据报，src IPA,dest IPB rA利用ARP获得下一跳111.111.111.110对应的MAC地址（R-1）rA创建链路层帧，封装IP数据包，src MAC=A,dest MAC=R-1，发送rR接收帧，取出IP数据报，发现目的地址为BrR利用ARP获得B的MAC地址rR创建链路层帧，封装IP数据报，src MAC=R-2,dest MAC=B,发送rB的网卡接收帧，取出IP数据报，交给网络层R1A-23-F9-CD-06-9B222.222.222.220111.111.111.110E6-E9-00-17-BB-4BCC-49-DE-D0-AB

34、-7D111.111.111.112111.111.111.111A74-29-9C-E8-FF-55222.222.222.22188-B2-2F-54-1A-0FB222.222.222.22249-BD-D2-C7-56-2A2019年6月9感谢你的观看5-55Link layer,LANs:outline5.1 introduction,services5.2 error detection,correction 5.3 multiple access protocols5.4 LANsaddressing,ARPEthernetswitchesVLANS5.5 link virtua

35、lization5.6 data center networking5.7 a day in the life of a web request2019年6月9感谢你的观看5-56以太网r第一个广泛应用的局域网技术，也是目前占主导地位的有线局域网技术r与其它的局域网技术相比，技术简单、成本低r为提高速率，以太网技术不断演化和发展 r速率持续提高：10 Mbps-100Mbps-1Gbps-10 Gbps-40Gbps-100Gbps-2019年6月9总线拓扑：共享式以太网r总线（1970s中期）：m以同轴电缆作为共享传输媒体（总线）m所有节点通过特殊接口连接到这条总线上 r集线器（1990s后

36、期）：m一个物理层中继器，从一个端口进入的物理信号（光，电），放大后立即从其它端口输出m集线器相当于共享电缆总线:同轴电缆双绞线hub5-57感谢你的观看2019年6月9星型拓扑：交换式以太网r交换机（21世纪早期）：m主机通过双绞线或光纤连接到交换机m交换机在端口之间存储转发帧（链路层设备）m主机与交换机之间为全双工链路r交换式以太网不会产生冲交换式以太网不会产生冲突，不需使用突，不需使用CSMA/CD协议协议！r星型拓扑：m各节点仅与中心节点直接通信，各节点之间不直接通信m不同于基于hub的星型连接感谢你的观看5-58switch2019年6月9感谢你的观看5-59以太帧结构rPreamb

37、le（前导码）:m7个10101010字节，后跟一个10101011字节，用于在发送方和接收方之间建立时钟同步rDest.Address/Src Address：目的/源MAC地址rType（2字节）:指出Data所属的高层协议（如IP、ARP等），每个协议有一个编号rData：461500字节，不足46字节填充至46字节rCRC（4字节）:对dest addr.、src addr.、type和data四个字段计算得到的CRC码2019年6月9感谢你的观看5-60无连接、不可靠的数据传输r无连接:发送方NIC与接收方NIC之间没有握手 r不可靠:接收方NIC不发送确认mCRC检查出错的帧被丢弃

38、m依靠上层协议（TCP或应用）恢复2019年6月9为什么有最小帧长的要求？r为确保节点在发送结束前检测到冲突，帧的发送时间必须足够长：m节点检测冲突需要时间m假设信号在相距最远的两个适配器之间的往返延迟为2，则帧的发送时间不应小于2，即帧的最小长度链路速率2r为什么最小帧长为64字节（不包括前导码）：m根据早期以太网的最大直径（2500米）和数据速率（10Mbps）计算得到5-61感谢你的观看2019年6月9检测冲突需要时间Collision detection can take as long as 2.5-62感谢你的观看2019年6月9感谢你的观看5-63802.3以太网标准:链路层&物

39、理层r历史上出现过许多不同的以太网技术：m链路层相同：MAC协议，帧格式，帧处理m物理层不同：传输媒体:光纤，同轴电缆，双绞线 数据速率:如10Mbps,100 Mbps,1Gbps,物理层编码方式r所有这些以太网技术由IEEE 802.3工作组标准化，形成IEEE 802.3标准族2019年6月910Mbps以太网（早期以太网）r10Base-5：m基带同轴电缆（粗），每段电缆最大长度500米r10Base-2：m基带同轴电缆（细），每段电缆最大长度约200米r10Base-Tm3类双绞线和集线器，双绞线最大长度100米r10Base-Fm多模光纤和集线器，光纤最大长度2000米感谢你的观看

40、5-642019年6月9100Mbps以太网（快速以太网）仅能使用光纤/双绞线，以及集线器/交换机r100Base-TX（可使用集线器或交换机）：m5类双绞线（2对），不超过100米r100Base-T4（可使用集线器或交换机）：m3类双绞线（4对），不超过100米r100Base-FX（只能使用交换机）：m多模光纤（2条），不超过2000米感谢你的观看5-652019年6月9千兆、万兆以太网使用交换机，并增加了对流量控制的支持r1000Base-SX：m多模光纤，不超过550米r1000Base-LX：m单模或多模光纤，不超过5000米r1000Base-CX（很少用）：m2对屏蔽双绞线，不

41、超过25米r1000Base-T：m4对5类双绞线，不超过100米r10GBase-T：m只使用光纤，长距离用单模光纤，短距离用多模光纤感谢你的观看5-662019年6月9DIX以太帧与802.3帧r最早提出的以太帧称为DIX（DEC-Intel-Xerox）以太帧：mtype：指出处理data域的协议实体r符合IEEE 802.3标准的帧（802.3帧）：mlength：替代DIX帧中的type域，指出data的长度r这两种格式都可使用，当type/length的值大于1500时解释为type，否则解释为length5-67感谢你的观看2019年6月9讨论：共享式以太网和交换式以太网r共享式

42、以太网：m集线器的所有端口位于同一个冲突域m任一时刻最多只允许一个主机发送m网络规模（节点数量）与网络性能的矛盾无法解决r交换式以太网：m交换机的每个端口为一个冲突域m多对端口可以同时通信m网络的集合带宽=各个端口的带宽之和m从根本上解决了网络规模与网络性能的矛盾双绞线hub5-68感谢你的观看2019年6月9交换式以太网的最小帧长及规模r交换式以太网不再使用CSMA/CD协议，理论上不再需要限制帧的最小长度。但为了向后兼容，帧格式及最小帧长度的限制仍然保持不变。r由于交换式以太网不再使用CSMA/CD协议，网络直径不再受到信号最大往返时间的限制。5-69感谢你的观看2019年6月9感谢你的观

43、看5-70Link layer,LANs:outline5.1 introduction,services5.2 error detection,correction 5.3 multiple access protocols5.4 LANsaddressing,ARPEthernetswitchesVLANS5.5 link virtualization5.6 data center networking5.7 a day in the life of a web request2019年6月9感谢你的观看5-71交换机如何转发？rQ:交换机如何知道A通过端口4可达，而B通过端口5可达？rA

44、:每个交换机内部有一张端口转发表，每个表项记录以下信息:mMAC地址，到达该MAC地址的端口rQ:转发表是如何建立和维护的？AABBCCswitch with six interfaces(1,2,3,4,5,6)1234562019年6月9感谢你的观看5-72自主学习r交换机自主学习“哪个主机通过哪个端口可达”：m当一个帧到达时，交换机从源MAC地址了解到发送节点，从帧到来的端口了解到发送节点的位置（从该端口可达）m在转发表中记录发送节点和可达端口AABBCC123456A ASource:ADest:AMAC addr interface TTL转发表（初始为空）A1602019年6月9感

45、谢你的观看5-73帧的过滤和转发当帧到来时:1.记录帧的到来端口 2.用帧的目的MAC地址查找端口转发表3.if 找到目的找到目的MAC地址地址 /已知节点已知节点 then if 目的地址所在端口目的地址所在端口=帧的到来端口帧的到来端口 then 丢弃帧 /过滤不需要转发的帧过滤不需要转发的帧 else 转发帧到表项指定的端口 /按转发表转发帧按转发表转发帧 else 扩散帧 /未知节点，采用扩散法转发未知节点，采用扩散法转发 向输入端口以外的所有端口转发向输入端口以外的所有端口转发2019年6月9交换机收到帧的处理过程r用帧的目的地址查找转发表（转发决策）：m若目的地址所在端口=帧的进入

46、端口，丢弃帧m若目的地址所在端口 帧的进入端口，转发帧m若目的地址不在转发表中，扩散帧r用帧的源地址查找转发表（更新转发表）：m若找到地址，将对应表项的生存期设为最大值m若没有找到该地址，添加源地址和进入端口到转发表，设置表项的生存期为最大值5-74感谢你的观看2019年6月9感谢你的观看5-75举例AABBCC123456A ASource:ADest:AMAC addr interface TTL转发表（初始为空）A160A AA AA AA AA Ar目的地址未知:扩散A Ar目的地址A已知:A460按照转发表转发2019年6月9感谢你的观看5-76级联交换机r多个交换机也可以级联在一起

47、，形成更大范围的局域网ABrQ:数据包要从A发往F，交换机S1如何知道应转发给S4，而S4如何知道应转发给S2？rA:通过自主学习！（与单交换机情形相同）S1CDEFS2S4S3HIG2019年6月9感谢你的观看5-77举例假设C发送一个帧给I，I响应C：rQ:给出 S1,S2,S3,S4 中的交换机表和包转发决策ABS1CDEFS2S4S3HIG123144112019年6月9有环网络和生成树算法r为提高可靠性，网络中通常存在环（冗余链路），这会导致扩散的帧在网络中循环转发r使用生成树构造无环拓扑：m所有交换机运行一个生成树算法，构造一棵覆盖网络中所有主机的生成树m平时只有生成树上的交换机可

48、在属于生成树的边上转发帧m当生成树上的交换机或链路发生故障时，启用冗余链路，重新计算生成树感谢你的观看5-782019年6月9感谢你的观看5-79交换机 vs.路由器r交换机工作于链路层，根据MAC地址存储转发帧r路由器工作于网络层，根据IP地址存储转发数据报r交换机是即插即用设备r路由器需要手工配置r交换机转发速度快，成本低（二层设备）r路由器转发速度慢，成本高（三层设备）2019年6月9交换机 vs.路由器r交换机不能连接异构链路（即MAC协议不同的网络），因为交换机只是按原样转发帧r路由器可以连接异构链路，因为路由器需重新封装链路层帧r交换机需运行生成树算法消除冗余链路，生成树算法假设网

49、络是扁平的，对网络中的节点总数有限制r路由器无此限制5-80感谢你的观看2019年6月9交换机 vs.路由器r交换机不能阻断广播帧的传播：m交换机只能学习到单播MAC地址，所有广播帧都会扩散发送m通过交换机连接的所有主机在同一个广播域中r路由器可以阻断广播帧的传播：m路由器根据IP地址转发包（看不到MAC地址）m每个路由器端口是一个独立的广播域r冲突域：m共享同一条广播链路的主机集合m任何一个主机发送的帧（各种帧），可被冲突域中的其它主机接收到r广播域：m广播帧能够到达的主机集合感谢你的观看5-812019年6月9感谢你的观看5-82Link layer,LANs:outline5.1 int

50、roduction,services5.2 error detection,correction 5.3 multiple access protocols5.4 LANsaddressing,ARPEthernetswitchesVLANS5.5 link virtualization5.6 data center networking5.7 a day in the life of a web request2019年6月9虚拟局域网（VLAN）r在大型机构网络中，管理员通常按部门将用户组织到不同的网络中r管理员配置网络遇到的困难：m同一部门的人员在物理位置上可能很分散（他们的主机连接到在