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1、课件制作人：谢希仁,第 3 章 数据链路层,3.1 数据链路层基础3.1.1 数据链路和帧3.1.2 三个基本问题3.2 局域网和以太网3.2.1 局域网基础3.2.2 以太网基础3.2.3 CSMA/CD 协议3.2.4 扩展的局域网3.3 虚拟局域网3.3.1 虚拟局域网基础3.3.2 VLAN配置基础3.3.3 VLAN Trunk3.3.4 VTP3.3.5 STP(选学),课件制作人：谢希仁,3.2 局域网和以太网,3.2.1 局域网基础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
2、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。提高了系统的可靠性、可用性。,局域网的拓扑,匹配电阻,集线器,干线耦合器,总线网,星形网,环形网,课件制作人：谢希仁,数据链路层的两个子层,为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，802 委员会就将局域网的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。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
3、 子层来说都是透明的,课件制作人：谢希仁,局域网对 LLC 子层是透明的,局 域 网,网络层,物理层,站点 1,网络层,物理层,数据链路层,站点 2,LLC 子层看不见下面的局域网,课件制作人：谢希仁,3.2.2 以太网基础（1）以太网与集线器,以太网(Ethernet)与IEEE802.3系列标准相类似，是由Xerox公司创建并由Xerox、Intel和DEC公司联合开发的基带局域网规范，是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。以太网络使用CSMA/CD（载波监听多路访问及冲突检测）技术，并以10M/S的速率运行在多种类型的电缆上。我们把将符合以太网或802.3标准的局域网简称为“以太网
4、”。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),课件制作人：谢希仁,使用集线器的双绞线以太网,集线器,两对双绞线,站点,RJ-45 插头,课件制作人：谢希仁,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。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。,集线器,总线网,星形网,物理结构,
5、逻辑结构,课件制作人：谢希仁,具有三个接口的集线器,集线器,网卡,工作站,网卡,工作站,网卡,工作站,双绞线,课件制作人：谢希仁,（2）以太网的 MAC 层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”，所以本书也采用这种习惯用法，尽管这种说法并不太严格。,课件制作人：谢希仁,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
6、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）,课件制作人：谢希仁,MAC 帧的格式,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 帧是以太网 V2 的格式。,课件制作人：谢希仁,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
7、,6,6,2,4,字节,46 1500,MAC 帧,以太网的 MAC 帧格式,课件制作人：谢希仁,最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。当初认为这样的连接方法既简单又可靠，因为总线上没有有源器件。,3.2.3 CSMA/CD 协议,B向 D发送数据,C,D,A,E,匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号）,匹配电阻,不接受,不接受,不接受,接受,B,只有 D 接受B 发送的数据,课件制作人：谢希仁,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
8、 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够收下来。具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。,课件制作人：谢希仁,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是很小的。,课件制作人：谢希仁,载波监听多点接入/碰撞检测 CSMA/CD,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
9、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。总线上并没有什么“载波”。因此，“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。,课件制作人：谢希仁,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”。,课件制
10、作人：谢希仁,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。,课件制作人：谢希仁,重要特性,在以太网中，如果某个一个CSMA/CD网络上的两台计算机在同时通信时会发生冲突，那么这个CSMA/CD网络就是一个冲突域。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。,
11、课件制作人：谢希仁,3.2.4 扩展的局域网（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,以太网集线器,光纤,光纤调制解调器,光纤调制解调器,课件制作人：谢希仁,某大学有三个系，各自有一个局域网,用多个集线器可连成更大的局域网,三个独立的碰撞域,一系,二系,三系,碰撞域,碰撞域,碰撞域,课件制作人：谢希仁,用集线器组成更大的局域网都在一个碰撞域中,一系,三系,二系,主干集线器,一个更大的碰撞域,碰撞域,课件制作人：谢希仁,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范围。缺点碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。如果不同的碰撞
12、域使用不同的数据率，那么就不能用集线器将它们互连起来(连接后只能按照最低速率通信)。,用集线器扩展局域网,课件制作人：谢希仁,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 网桥和集线器（或转发器）不同集线器在转发帧时，不对传输媒体进行检测。网桥在转发帧之前必须执行 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）在数据链路层扩展局域网,网桥的内部结构,站表,接口管理
13、软件,网桥协议 实体,缓存,接口 1,接口 2,A,B,C,接口 1,1,1,1,2,A,C,E,2,B,D,F,2,站地址,接口,网桥,网桥,D,E,F,接口 1,接口 2,接口 2,如何得来？,课件制作人：谢希仁,网桥使各网段成为隔离开的碰撞域,网桥 1,碰撞域,碰撞域,碰撞域,A,B,C,D,E,F,网桥 2,隔离的本质是隔离了广播,课件制作人：谢希仁,目前使用得最多的网桥是透明网桥(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。,透明网桥,
14、课件制作人：谢希仁,若从 A 发出的帧从接口 x 进入了某网桥，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。在建立转发表时是把帧首部中的源地址写在“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。这时就把在“地址”栏下面已经记下的源地址当作目的地址，而把记下的进入接口当作转发接口。如果转发表中没有对应的目的地址，则将该帧从除收到该帧的接口以外的所有接口进行转发。,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,课件制作人：谢希仁,地址 接口,转发表的建立过程举例,网桥 1,A,B,
15、C,D,E,F,1,2,1,2,地址 接口,网桥 2,课件制作人：谢希仁,这是为了避免某帧的目的地址不在网桥的转发表中时，该帧在局域网内循环转发的情况发生。,透明网桥使用了生成树算法,局域网 2,局域网 1,网桥 2,网桥 1,A,F,不停地兜圈子,A 发出的帧,网络资源白白消耗了,课件制作人：谢希仁,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。(STP协议)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。,生成树的得出,课件制作人：谢希仁,1
16、990 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，以太网交换机实质上就是一个多接口的网桥。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。它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。并且以太网交换机通常使用专用的交换结构芯片，所以交换速率较高。,多接口网桥以太网交换机,交换机背板交换矩阵结构,交换机的每个端口访问另一个端口时，都有一条专有的线路，不会产生冲突。,课件制作人：谢希仁,用以太网交换机扩展局域网,一系,三系,二系,10BASE-T,至因特网,100 Mb/s,100 Mb/s,100 Mb/s,万维网服务器,电子邮件 服务器,以太网交换机,路由器,调研报告：常见的局域网扩展设备对比下周最后一次课上交，提交txt文档文档命名格式：学号-姓名-级-班-第次作业文档命名示例：007-秦鹏-2015级-云计算1班-第1次作业,作业4：,
