【山外筆記】第03章：數(shù)據(jù)鏈路層
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本章最重要的內(nèi)容是：
（1）數(shù)據(jù)鏈路層的點(diǎn)對點(diǎn)信道和廣播信道的特點(diǎn)，以及這兩種信道所使用的協(xié)議（PPP協(xié)議以及CSMA/CD協(xié)議）的特點(diǎn)。
（2）數(shù)據(jù)鏈路層的三個基本問題：封裝成幀、透明傳輸和差錯檢測。
（3）以太網(wǎng)MAC層的硬件地址。
（4）適配器、轉(zhuǎn)發(fā)器、集線器、網(wǎng)橋、以太網(wǎng)交換機(jī)的作用以及使用場合。
一、使用點(diǎn)對點(diǎn)信道的數(shù)據(jù)鏈路層
1.1 數(shù)據(jù)鏈路層簡介
1、數(shù)據(jù)鏈路層使用的信道主要類型：
（1）點(diǎn)對點(diǎn)信道：使用一對一的點(diǎn)對點(diǎn)通信方式。
（2）廣播信道：使用一對多的廣播通信方式，廣播信道上連接的主機(jī)很多，因此必須使用專用的共享信道協(xié)議來協(xié)調(diào)這些主機(jī)的數(shù)據(jù)發(fā)送。
2、兩臺主機(jī)通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行通信時數(shù)據(jù)鏈路層所處的地位
（1）用戶主機(jī)H1通過電話線上網(wǎng)，中間經(jīng)過三個路由器（R1，R2和R3）連接到遠(yuǎn)程主機(jī)H2。
（2）從協(xié)議的層次上看，數(shù)據(jù)的流動是主機(jī)H1和H2都有完整的五層協(xié)議棧，但路由器在轉(zhuǎn)發(fā)分組時使用的協(xié)議棧只有下面的三層。
（3）數(shù)據(jù)進(jìn)入路由器后要先從物理層上到網(wǎng)絡(luò)層，在轉(zhuǎn)發(fā)表中找到下一跳的地址后，再下到物理層轉(zhuǎn)發(fā)出去。因此，數(shù)據(jù)從主機(jī)H1傳送到主機(jī)H2需要在路徑中的各結(jié)點(diǎn)的協(xié)議棧向上和向下流動多次。
（4）當(dāng)主機(jī)H1向主機(jī)H2發(fā)送數(shù)據(jù)時，可以想象數(shù)據(jù)就是在數(shù)據(jù)鏈路層從左向右沿水平方向傳送的，即通過以下這樣的鏈路：H1的鏈路層→R1的鏈路層→R2的鏈路層→R3的鏈路層→H2的鏈路層。
（4）從數(shù)據(jù)鏈路層來看，H1到H2的通信可以看成由四段不同的鏈路層通信組成，即：H1→R1，R1→R2，R2→R3和R3→H2。這四段不同的鏈路層可能采用不同的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。
1.2 數(shù)據(jù)鏈路和幀
1、鏈路和數(shù)據(jù)鏈路的區(qū)別
（1）鏈路（link）是從一個結(jié)點(diǎn)到相鄰結(jié)點(diǎn)的一段物理線路（有線/無線），中間沒有任何其他的交換結(jié)點(diǎn)。
（2）數(shù)據(jù)鏈路（data link）是指一條物理線路和通信協(xié)議以及實(shí)現(xiàn)這些協(xié)議的硬件和軟件。
（3）實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議最常用的方法是使用網(wǎng)絡(luò)適配器（既有硬件，也包括軟件），一般的適配器都包括了數(shù)據(jù)鏈路層和物理層這兩層的功能。
（4）早期的數(shù)據(jù)通信協(xié)議曾叫做通信規(guī)程（procedure），在數(shù)據(jù)鏈路層，規(guī)程和協(xié)議是同義語。
（5）另一種說法：把鏈路分為物理鏈路和邏輯鏈路。物理鏈路就是上面所說的鏈路，而邏輯鏈路就是上面的數(shù)據(jù)鏈路，是物理鏈路加上必要的通信協(xié)議。
2、數(shù)據(jù)幀
（1）幀是點(diǎn)對點(diǎn)信道的數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元。
（1）數(shù)據(jù)鏈路層把網(wǎng)絡(luò)層交下來的數(shù)據(jù)構(gòu)成幀發(fā)送到鏈路上，以及把接收到的幀中的數(shù)據(jù)取出并上交給網(wǎng)絡(luò)層，網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議數(shù)據(jù)單元就是IP數(shù)據(jù)報（或簡稱為數(shù)據(jù)報、分組或包）。
（3）在點(diǎn)對點(diǎn)信道的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議上，鏈路上的通信可以采用三層模型，即每個結(jié)點(diǎn)只有下三層—網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。
3、點(diǎn)對點(diǎn)信道的數(shù)據(jù)鏈路層在進(jìn)行通信時的主要步驟：
（1）結(jié)點(diǎn)A的數(shù)據(jù)鏈路層把網(wǎng)絡(luò)層交下來的IP數(shù)據(jù)報添加首部和尾部封裝成幀。
（2）結(jié)點(diǎn)A把封裝好的幀發(fā)送給結(jié)點(diǎn)B的數(shù)據(jù)鏈路層。
（3）若結(jié)點(diǎn)B的數(shù)據(jù)鏈路層收到的幀無差錯，則從收到的幀中提取出IP數(shù)據(jù)報交給上面的網(wǎng)絡(luò)層；否則丟棄這個幀。
1.3 三個基本問題
數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議有三個基本問題是共同的：封裝成幀、透明傳輸和差錯檢測。
1、封裝成幀
（1）封裝成幀（framing）就是在一段數(shù)據(jù)的前后分別添加首部和尾部構(gòu)成一個幀。
（2）接收端接收到物理層上交的比特流后，根據(jù)首部和尾部的標(biāo)記，從比特流中識別幀的開始和結(jié)束。
（3）幀是數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)傳送單元，一個幀的幀長等于幀的數(shù)據(jù)部分長度加上幀首部和幀尾部的長度。
（4）幀的數(shù)據(jù)部分：從網(wǎng)絡(luò)層傳送到數(shù)據(jù)鏈路層的IP數(shù)據(jù)報。
（5）幀的首部和尾部：在發(fā)送幀時從幀首部開始發(fā)送的。
① 幀的首部和尾部能夠進(jìn)行幀定界，即確定幀的界限，并且包括了許多必要的控制信息。
② 各種數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議都對幀首部和幀尾部的格式有明確的規(guī)定。
③ 每一種鏈路層協(xié)議都規(guī)定了所能傳送的幀的數(shù)據(jù)部分長度上限—最大傳送單元MTU（Maximum Transfer Unit）。
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④ 幀定界：使用特殊的幀定界符，控制字符SOH和控制字符EOT。
? 控制字符SOH（Start Of Header）放在一幀的最前面，表示幀的首部開始。
? 控制字符EOT（End Of Transmission）放在一幀的最后面，表示幀的結(jié)束。
? SOH和EOT都是控制字符的名稱，十六進(jìn)制編碼是01和04，二進(jìn)制是00000001和00000100。
? SOH（或EOT）并不是S，O，H（或E，O，T）三個字符。
? 幀定界符的作用：發(fā)送端發(fā)送幀時中斷重發(fā)。接收端接收幀時有首部開始符SOH才開始接收，沒有幀結(jié)束符EOT的不完整幀必須丟棄。完整的幀必須有明確的幀定界符（SOH和EOT）。
2、透明傳輸
（1）透明傳輸：傳送的幀中數(shù)據(jù)部分不會出現(xiàn)SOH或EOT幀定界控制字符。
① 透明：表示某一個實(shí)際存在的事物看起來卻好像不存在一樣。
② 透明傳輸：表示無論什么樣的比特組合的數(shù)據(jù)，都能夠按照原樣沒有差錯地通過數(shù)據(jù)鏈路層傳輸。
（2）傳輸?shù)膸胁荒艹霈F(xiàn)和幀定界控制字符SOH或EOT一樣的比特編碼，否則會出現(xiàn)幀定界的錯誤。
（3）如果傳輸?shù)膸谐霈F(xiàn)和幀結(jié)束符EOT一樣的比特編碼，數(shù)據(jù)鏈路層會錯誤地找到幀的邊界，剩下的數(shù)據(jù)會被接收端當(dāng)作無效幀丟棄。
（4）透明傳輸問題的解決方法：字節(jié)填充（byte stuffing）或字符填充（character stuffing）
① 發(fā)送端的數(shù)據(jù)鏈路層在中出現(xiàn)控制字符SOH或EOT的前面插入一個轉(zhuǎn)義字符ESC。
② 接收端的數(shù)據(jù)鏈路層在把幀的數(shù)據(jù)部分送往網(wǎng)絡(luò)層之前刪除插入的轉(zhuǎn)義字符ESC。
③ 如果轉(zhuǎn)義字符也出現(xiàn)在數(shù)據(jù)當(dāng)中，那么解決方法仍然是在轉(zhuǎn)義字符的前面插入一個轉(zhuǎn)義字符。
④ 當(dāng)接收端收到連續(xù)的兩個轉(zhuǎn)義字符時，就刪除其中前面的一個。
⑤ ESC的十六進(jìn)制編碼是1B，二進(jìn)制是00011011。
3、差錯檢測（error detection）
（1）比特差錯：比特在傳輸過程中可能會產(chǎn)生差錯，1會變成0， 0變成1，是傳輸差錯的一種。
（2）誤碼率BER（Bit Error Rate）：在一段時間內(nèi)傳輸錯誤的比特占所傳輸比特總數(shù)的比率稱。
（3）誤碼率與信噪比有很大的關(guān)系。信噪比越高，誤碼率就越小。
（4）目前在數(shù)據(jù)鏈路層廣泛使用了循環(huán)冗余檢驗(yàn)CRC（Cyclic Redundancy Check）的檢錯技術(shù)。
（5）循環(huán)冗余檢驗(yàn)的工作原理
① 在發(fā)送端，先把數(shù)據(jù)劃分為組，假定每組k個比特。CRC運(yùn)算就是在數(shù)據(jù)M的后面添加供差錯檢測用的n位冗余碼，然后構(gòu)成一個幀發(fā)送出去，一共發(fā)送（k＋n）位。
② 在接收端把接收到的數(shù)據(jù)以幀為單位進(jìn)行CRC檢驗(yàn)：把收到的每一個幀都除以同樣的除數(shù)P（模2運(yùn)算），然后檢查得到的余數(shù)R。
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③ 在接收端對收到的每一幀經(jīng)過CRC檢驗(yàn)后，有以下兩種情況：
? 若得出的余數(shù)R＝0，則判定這個幀沒有差錯，就接受（accept）。
? 若余數(shù)R≠0，則判定這個幀有差錯，但無法確定哪里出現(xiàn)了差錯，就丟棄。
（6）n位冗余碼的得出方法：
① 用二進(jìn)制的模2運(yùn)算進(jìn)行2n乘M的運(yùn)算，相當(dāng)于在M后面添加n個0。
② 用得到的（k＋n）位的數(shù)除以收發(fā)雙方事先商定的長度為（n＋1）位的除數(shù)P，得出商是Q而余數(shù)是R（n位，比P少一位）。余數(shù)R作為冗余碼拼接在數(shù)據(jù)M的后面發(fā)送出去。這種為了進(jìn)行檢錯而添加的冗余碼常稱為幀檢驗(yàn)序列FCS（Frame Check Sequence）。
（7）CRC的特點(diǎn)
① CRC是一種檢錯方法，而FCS是添加在數(shù)據(jù)后面的冗余碼。
② 在發(fā)送的數(shù)據(jù)后面增加n位的冗余碼，雖然增大了數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_銷，但卻可以進(jìn)行差錯檢測。
③ 在數(shù)據(jù)鏈路層，發(fā)送端幀檢驗(yàn)序列FCS的生成和接收端的CRC檢驗(yàn)都是用硬件完成的。
④ 如果在數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行差錯檢驗(yàn)，就必須把數(shù)據(jù)劃分為幀，每一幀都加上冗余碼，一幀接一幀地傳送，然后在接收方逐幀進(jìn)行差錯檢驗(yàn)。
（8）傳輸差錯的分類：一類是比特差錯，另一類是沒有出現(xiàn)比特差錯，但出現(xiàn)了幀丟失、幀重復(fù)或幀失序。
（9）OSI的觀點(diǎn)：讓數(shù)據(jù)鏈路層向上提供可靠傳輸。CRC檢錯的基礎(chǔ)上，增加了幀編號、確認(rèn)和重傳機(jī)制。
二、點(diǎn)對點(diǎn)協(xié)議PPP
2.1 點(diǎn)對點(diǎn)協(xié)議PPP協(xié)議的特點(diǎn)（Point-to-Point Protocol）
PPP協(xié)議就是用戶計(jì)算機(jī)和ISP進(jìn)行通信時所使用的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。
1、PPP協(xié)議應(yīng)滿足的需求
（1）簡單：作為首要的需求。
數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議非常簡單：接收方每收到一個幀，就進(jìn)行CRC檢驗(yàn)。如CRC檢驗(yàn)正確，就收下這個幀；反之，就丟棄這個幀，其他什么也不做。
（2）封裝成幀
PPP協(xié)議必須規(guī)定特殊的字符作為幀定界符，即標(biāo)志一個幀的開始和結(jié)束的字符，以便使接收端從收到的比特流中能準(zhǔn)確地找出幀的開始和結(jié)束位置。
（3）透明性：PPP協(xié)議必須保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐该餍浴?/p>
（4）多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議：PPP協(xié)議必須能夠在在同一條物理鏈路上同時支持多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的運(yùn)行。
（5）多種類型鏈路：PPP必須能夠在多種類型的鏈路上運(yùn)行。
① PPPoE：PPP over Ethernet，是在以太網(wǎng)上運(yùn)行的PPP，即把PPP幀再封裝在以太網(wǎng)幀中。
② PPPoE是為寬帶上網(wǎng)的主機(jī)使用的鏈路層協(xié)議。
（6）差錯檢測：PPP協(xié)議必須能夠?qū)邮斩耸盏降膸M(jìn)行檢測，并立即丟棄有差錯的幀。
（7）檢測連接狀態(tài)：PPP協(xié)議必須具有一種機(jī)制能夠及時自動檢測出鏈路是否處于正常工作狀態(tài)。
（8）最大傳送單元
① PPP協(xié)議必須對每一種類型的點(diǎn)對點(diǎn)鏈路設(shè)置最大傳送單元MTU的標(biāo)準(zhǔn)默認(rèn)值。
② MTU是數(shù)據(jù)鏈路層的幀可以載荷的數(shù)據(jù)部分的最大長度，而不是幀的總長度。
③ 如果高層協(xié)議發(fā)送的分組過長并超過MTU的數(shù)值，PPP就要丟棄這樣的幀，并返回差錯。
（9）網(wǎng)絡(luò)層地址協(xié)商：PPP協(xié)議必須提供一種機(jī)制使通信的兩個網(wǎng)絡(luò)層的實(shí)體能夠知道彼此的網(wǎng)絡(luò)層地址。
（10）數(shù)據(jù)壓縮協(xié)商：PPP協(xié)議必須提供一種方法來協(xié)商使用數(shù)據(jù)壓縮算法。
2、PPP協(xié)議的特點(diǎn)
（1）PPP協(xié)議不需要進(jìn)行糾錯，不需要設(shè)置序號，也不需要進(jìn)行流量控制。
（2）PPP協(xié)議不支持多點(diǎn)線路，而只支持點(diǎn)對點(diǎn)的鏈路通信。
（3）PPP協(xié)議只支持全雙工鏈路。
3、PPP協(xié)議的組成
（1）一個將IP數(shù)據(jù)報封裝到串行鏈路的方法：PPP既支持異步鏈路，也支持面向比特的同步鏈路。
（2）一個用來建立、配置和測試數(shù)據(jù)鏈路連接的鏈路控制協(xié)議LCP（Link Control Protocol）。
（3）一套網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議NCP（Network Control Protocol）：其中的每一個協(xié)議支持不同的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。
2.2 PPP協(xié)議的幀格式
1、PPP協(xié)議各字段的意義
（1）PPP幀的首部和尾部分別為四個字段和兩個字段。
（2）首部的第一個字段和尾部的第二個字段都是標(biāo)志字段F，規(guī)定為0x7E（01111110）。
① 標(biāo)志字段F（Flag）表示一個幀的開始或結(jié)束，是PPP幀的定界符。
② 連續(xù)兩幀之間只需要用一個標(biāo)志字段。
③ 如果出現(xiàn)連續(xù)兩個標(biāo)志字段，就表示這是一個空幀，應(yīng)當(dāng)丟棄。
（3）首部中的地址字段A規(guī)定為0xFF（即11111111），控制字段C規(guī)定為0x03（即00000011）。
（4）PPP首部的第四個字段是2字節(jié)的協(xié)議字段。
① 當(dāng)協(xié)議字段為0x0021時，PPP幀的信息字段是IP數(shù)據(jù)報。
② 當(dāng)協(xié)議字段為0xC021時，PPP幀的信息字段是PPP鏈路控制協(xié)議LCP的數(shù)據(jù)。
③ 當(dāng)協(xié)議字段為0x8021時，PPP幀的信息字段是網(wǎng)絡(luò)層的控制數(shù)據(jù)。
（5）信息字段的長度是可變的，不超過1500字節(jié)。
（6）尾部中的第一個字段（2字節(jié)）是使用CRC的幀檢驗(yàn)序列FCS。
2、字節(jié)填充
當(dāng)PPP使用異步傳輸時，在發(fā)送端把轉(zhuǎn)義符定義為0x7D（即01111101），并使用字節(jié)填充：
（1）把信息字段中出現(xiàn)的每一個0x7E字節(jié)轉(zhuǎn)變成為2字節(jié)序列（0x7D，0x5E）。
（2）若信息字段中出現(xiàn)一個0x7D的字節(jié)（即出現(xiàn)了和轉(zhuǎn)義字符一樣的比特組合），則把0x7D轉(zhuǎn)變成為2字節(jié)序列（0x7D，0x5D）。
（3）若信息字段中出現(xiàn)ASCII碼的控制字符（即數(shù)值小于0x20的字符），則在該字符前面要加入一個0x7D字節(jié)，同時將該字符的編碼加以改變。
（4）信息字段在發(fā)送端進(jìn)行了字節(jié)填充，在鏈路上傳送的信息字節(jié)數(shù)就超過了原來的信息字節(jié)數(shù)。但接收端在收到數(shù)據(jù)后再進(jìn)行與發(fā)送端字節(jié)填充相反的變換，就可以正確地恢復(fù)出原來的信息。
3、零比特填充
（1）PPP協(xié)議用在SONET/SDH鏈路時，使用同步傳輸（比特幀傳輸）而不是異步傳輸（字符傳輸）。
（2）PPP協(xié)議采用零比特填充方法來實(shí)現(xiàn)透明傳輸。
（3）零比特填充的具體做法是：
① 在發(fā)送端，先掃描整個信息字段（通常用硬件實(shí)現(xiàn)，但也可用軟件實(shí)現(xiàn)，只是會慢些）。
② 只要發(fā)現(xiàn)有5個連續(xù)1，則立即填入一個0，保證在信息字段中不會出現(xiàn)6個連續(xù)1。
③ 接收端收到一個幀時，先找到標(biāo)志字段F確定一個幀的邊界，再用硬件對其中的比特流進(jìn)行掃描。
④ 每當(dāng)發(fā)現(xiàn)5個連續(xù)1時，就把這5個連續(xù)1后的一個0刪除，還原成原來的信息比特流。
2.3 PPP協(xié)議的工作狀態(tài)
1、PPP協(xié)議的工作流程
（1）當(dāng)用戶撥號接入ISP后，就建立了一條從用戶個人電腦到ISP的物理連接。
（2）用戶個人電腦向ISP發(fā)送一系列的鏈路控制協(xié)議LCP分組（封裝成多個PPP幀）建立LCP連接。
（3）進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)層配置，網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議NCP給新接入的用戶個人電腦分配一個臨時的IP地址。
（4）當(dāng)用戶通信完畢時，NCP釋放網(wǎng)絡(luò)層連接，收回原來分配出去的IP地址，然后LCP釋放數(shù)據(jù)鏈路層連接，最后釋放物理層的連接。
2、PPP協(xié)議的工作狀態(tài)
從設(shè)備之間無鏈路開始，到先建立物理鏈路，再建立鏈路控制協(xié)議LCP鏈路。經(jīng)過鑒別后再建立網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議NCP鏈路，然后才能交換數(shù)據(jù)。
（1）PPP鏈路的起始和終止?fàn)顟B(tài)永遠(yuǎn)是“鏈路靜止”（Link Dead）狀態(tài)，這時在用戶個人電腦和ISP的路由器之間并不存在物理層的連接。
（2）用戶個人電腦通過調(diào)制解調(diào)器呼叫路由器，路由器檢測到調(diào)制解調(diào)器發(fā)出的載波信號，雙方建立了物理層連接，PPP進(jìn)入“鏈路建立”（Link Establish）狀態(tài)，其目的是建立鏈路層的LCP連接。
（3）“鏈路建立”（Link Establish）狀態(tài)
① LCP開始協(xié)商一些配置選項(xiàng)，即發(fā)送LCP的配置請求幀（Configure-Request），該幀中協(xié)議字段置為LCP對應(yīng)的代碼，而信息字段包含特定的配置請求。
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② 鏈路的另一端可以發(fā)送以下幾種響應(yīng)中的一種：
? 配置確認(rèn)幀（Configure-Ack）：所有選項(xiàng)都接受。
? 配置否認(rèn)幀（Configure-Nak）：所有選項(xiàng)都理解但不能接受。
? 配置拒絕幀（Configure-Reject）：選項(xiàng)有的無法識別或不能接受，需要協(xié)商。
③ LCP配置選項(xiàng)包括鏈路上的最大幀長、所使用的鑒別協(xié)議（authentication protocol）的規(guī)約，以及不使用PPP幀中的地址和控制字段。
④ 協(xié)商結(jié)束后雙方就建立了LCP鏈路，接著就進(jìn)入“鑒別”（Authenticate）狀態(tài)。
（4）“鑒別”狀態(tài)
① 鑒別狀態(tài)下只允許傳送LCP協(xié)議的分組、鑒別協(xié)議的分組以及監(jiān)測鏈路質(zhì)量的分組。
② 鑒別協(xié)議包括令鑒別協(xié)議PAP和更加復(fù)雜的口令握手鑒別協(xié)議CHAP。
③ 若鑒別身份失敗，則轉(zhuǎn)到“鏈路終止”（Link Terminate）狀態(tài)。
④ 若鑒別成功，則進(jìn)入“網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議”（Network-Layer Protocol）狀態(tài)。
（5）“網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議”狀態(tài)
① PPP鏈路的兩端的網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議NCP根據(jù)網(wǎng)絡(luò)層的不同協(xié)議互相交換網(wǎng)絡(luò)層特定的網(wǎng)絡(luò)控制分組。
② PPP協(xié)議兩端的網(wǎng)絡(luò)層可以運(yùn)行不同的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，但可使用同一個PPP協(xié)議進(jìn)行通信。
③ 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)層配置完畢后，鏈路就進(jìn)入可進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的“鏈路打開”（Link Open）狀態(tài)。
（6）“鏈路打開”狀態(tài)
① 鏈路的兩個PPP端點(diǎn)可以彼此向?qū)Ψ桨l(fā)送分組。
② 兩個PPP端點(diǎn)還可發(fā)送回送請求LCP分組（Echo-Request）和回送回答LCP分組（Echo-Reply），以檢查鏈路的狀態(tài)。
③ 數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后，可以由鏈路的一端發(fā)出終止請求LCP分組（Terminate-Request）請求終止鏈路連接，在收到對方發(fā)來的終止確認(rèn)LCP分組（Terminate-Ack）后，轉(zhuǎn)到“鏈路終止”狀態(tài)。
④ 如果鏈路出現(xiàn)故障，也會從“鏈路打開”狀態(tài)轉(zhuǎn)到“鏈路終止”狀態(tài)。
⑤ 當(dāng)調(diào)制解調(diào)器的載波停止后，則回到“鏈路靜止”狀態(tài)。
三、使用廣播信道的數(shù)據(jù)鏈路層
3.1 局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層
1、局域網(wǎng)最主要的特點(diǎn)是：
（1）網(wǎng)絡(luò)為一個單位所擁有，且地理范圍和站點(diǎn)數(shù)目均有限。
（2）局域網(wǎng)比廣域網(wǎng)具有較高的數(shù)據(jù)率、較低的時延和較小的誤碼率。
2、局域網(wǎng)主要的優(yōu)點(diǎn)：
（1）具有廣播功能，從一個站點(diǎn)可很方便地訪問全網(wǎng)。局域網(wǎng)上的主機(jī)可共享連接在局域網(wǎng)上的各種硬件和軟件資源。
（2）便于系統(tǒng)的擴(kuò)展和逐漸演變，各設(shè)備的位置可靈活調(diào)整和改變。
（3）提高了系統(tǒng)的可靠性（reliability）、可用性（availability）和生存性（survivability）。
3、局域網(wǎng)分類：按網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞譃樾切尉W(wǎng)、環(huán)形網(wǎng)、總線網(wǎng)。
4、共享信道共享通信媒體資源的方法：
（1）靜態(tài)劃分信道：頻分復(fù)用、時分復(fù)用、波分復(fù)用和碼分復(fù)用等。
① 用戶只要分配到了信道就不會和其他用戶發(fā)生沖突。
② 這種劃分信道的方法代價較高，不適合于局域網(wǎng)使用。
（2）動態(tài)媒體接入控制：又稱為多點(diǎn)接入（multiple access）
① 多點(diǎn)接入的特點(diǎn)是信道并非在用戶通信時固定分配給用戶。這里又分為以下兩類：
-
② 多點(diǎn)接入分為隨機(jī)接入和受控接入兩種。
? 隨機(jī)接入：特點(diǎn)是所有的用戶可隨機(jī)地發(fā)送信息。但如果多個用戶在同一時刻發(fā)送信息，會產(chǎn)生碰撞（即發(fā)生了沖突），使得這些用戶的發(fā)送都失敗。因此，必須有解決碰撞的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。
? 受控接入：特點(diǎn)是用戶不能隨機(jī)地發(fā)送信息而必須服從一定的控制。這類的典型代表有分散控制的令牌環(huán)局域網(wǎng)和集中控制的多點(diǎn)線路探詢（polling），或稱為輪詢。
5、以太網(wǎng)的兩個標(biāo)準(zhǔn)
（1）以太網(wǎng)是美國施樂（Xerox）公司的PARC研究中心于1975年研制成功的。
① 初期的以太網(wǎng)是一種基帶總線局域網(wǎng)，當(dāng)時的數(shù)據(jù)率為2.94Mbit/s。
② 以太網(wǎng)用無源電纜作為總線來傳送數(shù)據(jù)幀，并以表示傳播電磁波的以太（Ether）來命名。
③ DIX Ethernet V2規(guī)約是世界上第一個局域網(wǎng)產(chǎn)品的規(guī)約。
（2）第一個IEEE的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.3，數(shù)據(jù)率為10Mbit/s，常把802.3局域網(wǎng)簡稱為“以太網(wǎng)”。
① IEEE 802委員會未能形成一個統(tǒng)一的、“最佳的”局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。
② IEEE 802委員會制定了幾個不同的局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，如802.4令牌總線網(wǎng)、802.5令牌環(huán)網(wǎng)等。
-
③ IEEE 802委員會把局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層拆成兩個子層：邏輯鏈路控制LLC（Logical Link Control）子層和媒體接入控制MAC（Medium Access Control）子層。
? 與接入到傳輸媒體有關(guān)的內(nèi)容都放在MAC子層，而LLC子層則與傳輸媒體無關(guān)。
? 不管采用何種傳輸媒體和MAC子層的局域網(wǎng)對LLC子層來說都是透明的。
（3）TCP/IP體系經(jīng)常使用的局域網(wǎng)只剩下DIX Ethernet V2而不是IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)中的局域網(wǎng)。
（4）很多廠商生產(chǎn)的適配器上就僅裝有MAC協(xié)議而沒有LLC協(xié)議。
6、適配器的作用
（1）計(jì)算機(jī)通過通信適配器（adapter）與外界局域網(wǎng)進(jìn)行連接。
（2）適配器是在主機(jī)箱內(nèi)插入的一塊網(wǎng)絡(luò)接口板，又稱網(wǎng)絡(luò)接口卡NIC或簡稱為“網(wǎng)卡”。
（3）通信適配器上面裝有處理器和存儲器（包括RAM和ROM）。
① 在適配器中必須裝有對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存的存儲芯片。
② 計(jì)算機(jī)的硬件地址就在適配器的ROM中，而計(jì)算機(jī)的軟件地址（IP地址）在計(jì)算機(jī)的存儲器中。
（4）適配器的一個重要功能就是要進(jìn)行數(shù)據(jù)串行傳輸和并行傳輸?shù)霓D(zhuǎn)換。
① 適配器和局域網(wǎng)之間的通信通過電纜或雙絞線以串行傳輸方式進(jìn)行。
② 適配器和計(jì)算機(jī)之間的通信通過計(jì)算機(jī)主板上的I/O總線以并行傳輸方式進(jìn)行。
（5）計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)必須安裝管理適配器的設(shè)備驅(qū)動程序，適配器還要能夠?qū)崿F(xiàn)以太網(wǎng)協(xié)議。
（6）適配器在接收和發(fā)送各種幀時，不使用計(jì)算機(jī)的CPU。
① 當(dāng)適配器收到有差錯的幀時，就把這個幀直接丟棄而不必通知計(jì)算機(jī)。
② 當(dāng)適配器收到正確的幀時，就使用中斷來通知該計(jì)算機(jī)，并交付協(xié)議棧中的網(wǎng)絡(luò)層。
③ 當(dāng)計(jì)算機(jī)要發(fā)送IP數(shù)據(jù)報時，由協(xié)議棧把IP數(shù)據(jù)報向下交給適配器組裝成幀后發(fā)送到局域網(wǎng)。
3.2 CSMA/CD協(xié)議
1、總線的特點(diǎn)
（1）廣播通信：當(dāng)一臺計(jì)算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時，總線上的所有計(jì)算機(jī)都能檢測到這個數(shù)據(jù)。
（2）一對一通信：
① 在發(fā)送數(shù)據(jù)幀時，在幀的首部寫明接收站的地址。
② 僅當(dāng)數(shù)據(jù)幀中的目的地址與適配器ROM中存放的硬件地址一致時，該適配器才能接收這個數(shù)據(jù)幀。
③ 適配器對不是發(fā)送給自己的數(shù)據(jù)幀就丟棄。
2、以太網(wǎng)采取的通信措施：
（1）采用較為靈活的無連接的工作方式，即不必先建立連接就可以直接發(fā)送數(shù)據(jù)。
① 適配器對發(fā)送的數(shù)據(jù)幀不進(jìn)行編號，也不要求對方發(fā)回確認(rèn)。
-
② 以太網(wǎng)提供的服務(wù)是盡最大努力的交付，即不可靠的交付。
? 當(dāng)目的站收到有差錯的數(shù)據(jù)幀時，就把幀丟棄，其他什么也不做。
? 對有差錯幀是否需要重傳則由高層來決定。
? 對于重傳的數(shù)據(jù)幀，以太網(wǎng)并不知道是重傳幀，而是當(dāng)作新的數(shù)據(jù)幀來發(fā)送。
③ 總線上只要有一臺計(jì)算機(jī)在發(fā)送數(shù)據(jù)，總線的傳輸資源就被占用。即在同一時間只能允許一臺計(jì)算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，否則各計(jì)算機(jī)之間就會互相干擾，使得所發(fā)送數(shù)據(jù)被破壞。
④ 以太網(wǎng)采用最簡單的隨機(jī)接入，但使用CSMA/CD協(xié)議用來減少沖突發(fā)生的概率。CSMA/CD是載波監(jiān)聽多點(diǎn)接入/碰撞檢測（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）。
（2）以太網(wǎng)發(fā)送的數(shù)據(jù)都使用曼徹斯特（Manchester）編碼的信號。
① 二進(jìn)制基帶數(shù)字信號通常就是高、低電壓交替出現(xiàn)的信號。
② 當(dāng)出現(xiàn)一長串的連1或連0時，接收端就無法從收到的比特流中提取位同步（即比特同步）信號。
③ 曼徹斯特編碼的缺點(diǎn)：所占的頻帶寬度比原始的基帶信號增加一倍，即每秒傳送的碼元數(shù)加倍了。
④ 曼徹斯特編碼的編碼方法是把每一個碼元再分成兩個相等的間隔。即在每一個碼元的正中間出現(xiàn)一次電壓的轉(zhuǎn)換，碼元1電壓“前高后低”，碼元0“前低后高”，也可采用相反的約定。
3、CSMA/CD協(xié)議簡介
（1）“多點(diǎn)接入”：說明是總線型網(wǎng)絡(luò)，許多計(jì)算機(jī)以多點(diǎn)接入的方式連接在一根總線上。
（2）CSMA/CD協(xié)議的實(shí)質(zhì)是“載波監(jiān)聽”和“碰撞檢測”。
（3）載波監(jiān)聽就是檢測信道，用電子技術(shù)檢測總線上有沒有其他計(jì)算機(jī)在發(fā)送數(shù)據(jù)。
① 不管在發(fā)送前，還是在發(fā)送中，每個站都必須不停地檢測信道。
② 在發(fā)送前檢測信道，是為了獲得發(fā)送權(quán)。
③ 如果檢測出已經(jīng)有其他站在發(fā)送，自己就暫時不發(fā)送數(shù)據(jù)，必須要等到信道變?yōu)榭臻e時才能發(fā)送。
④ 在發(fā)送中檢測信道，是為了及時發(fā)現(xiàn)有沒有其他站的發(fā)送和本站發(fā)送的碰撞，稱為碰撞檢測。
（4）碰撞檢測就是邊發(fā)送邊監(jiān)聽，即適配器邊發(fā)送數(shù)據(jù)邊檢測信道上的信號電壓的變化情況，判斷自己在發(fā)送數(shù)據(jù)時其他站是否也在發(fā)送數(shù)據(jù)。也稱為沖突檢測。
（5）碰撞就是發(fā)生了沖突，總線上傳輸?shù)男盘柈a(chǎn)生了嚴(yán)重的失真，無法從中恢復(fù)出有用的信息來。
（6）使用CSMA/CD協(xié)議時，一個站不可能同時進(jìn)行發(fā)送和接收，必須邊發(fā)送邊監(jiān)聽信道。因此使用CSMA/CD協(xié)議的以太網(wǎng)不可能進(jìn)行全雙工通信而只能進(jìn)行雙向交替通信（半雙工通信）。
（7）以太網(wǎng)不能保證某一時間之內(nèi)一定能夠把自己的數(shù)據(jù)幀成功地發(fā)送出去，稱為發(fā)送的不確定性。
（8）以太網(wǎng)的端到端往返時間，即兩倍的傳播時延稱為爭用期（contention period），又稱為碰撞窗口。
（9）以太網(wǎng)使用截?cái)喽M(jìn)制指數(shù)退避算法來確定碰撞后重傳的時機(jī)，讓發(fā)生碰撞的站在停止發(fā)送數(shù)據(jù)后，不是等待信道變?yōu)榭臻e后就立即再發(fā)送數(shù)據(jù)，而是推遲（這叫做退避）一個隨機(jī)的時間。若連續(xù)多次發(fā)生沖突，就表明可能有較多的站參與爭用信道，重傳需要推遲的平均時間隨重傳次數(shù)而增大（這也稱為動態(tài)退避），因而減小發(fā)生碰撞的概率，有利于整個系統(tǒng)的穩(wěn)定。
（10）適配器每發(fā)送一個新的幀，就要執(zhí)行一次CSMA/CD算法。適配器對過去發(fā)生過的碰撞并無記憶功能。
（11）以太網(wǎng)在發(fā)送數(shù)據(jù)時，如果在爭用期沒有發(fā)生碰撞，那么后續(xù)發(fā)送的數(shù)據(jù)就一定不會發(fā)生沖突。如果發(fā)生碰撞，就一定是在發(fā)送的前64字節(jié)之內(nèi)。
4、CSMA/CD協(xié)議的要點(diǎn)
（1）準(zhǔn)備發(fā)送：適配器從網(wǎng)絡(luò)層獲得一個分組，加上以太網(wǎng)的首部和尾部，組成以太網(wǎng)幀，放入適配器的緩存中。但在發(fā)送之前，必須先檢測信道。
（2）檢測信道：若檢測到信道忙，則應(yīng)不停地檢測，一直等待信道轉(zhuǎn)為空閑。若檢測到信道空閑，并在96比特時間內(nèi)信道保持空閑（保證了幀間最小間隔），就發(fā)送這個幀。
（3）在發(fā)送過程中仍不停地檢測信道，即網(wǎng)絡(luò)適配器要邊發(fā)送邊監(jiān)聽。這里只有兩種可能性：
① 發(fā)送成功：在爭用期內(nèi)一直未檢測到碰撞，這個幀發(fā)送成功。
② 發(fā)送失敗：在爭用期內(nèi)檢測到碰撞，就立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)，并按規(guī)定發(fā)送人為干擾信號。適配器接著就執(zhí)行指數(shù)退避算法，等待r倍512比特時間后，繼續(xù)檢測信道。但若重傳達(dá)16次仍不能成功，則停止重傳而向上報錯。
（4）以太網(wǎng)每發(fā)送完一幀，一定要把已發(fā)送的幀暫時保留一下。如果在爭用期內(nèi)檢測出發(fā)生了碰撞，那么還要在推遲一段時間后再把這個暫時保留的幀重傳一次。
3.3 使用集線器的星形拓?fù)?/h5>
1、傳統(tǒng)以太網(wǎng)
（1）傳統(tǒng)以太網(wǎng)采用星形拓?fù)?，在星形的中心則增加了一種可靠性非常高的設(shè)備集線器（hub）。
（2）雙絞線以太網(wǎng)總是和使用了大規(guī)模集成電路芯片的集線器配合使用的。
（3）每個站需要用兩對無屏蔽雙絞線（放在一根電纜內(nèi)），分別用于發(fā)送和接收。
（4）雙絞線的兩端使用RJ-45插頭。
（5）星形以太網(wǎng)10BASE-T的標(biāo)準(zhǔn)802.3i。10代表10Mbit/s的數(shù)據(jù)率，BASE表示連接線上的信號是基帶信號，T代表雙絞線。
（6）10BASE-T以太網(wǎng)的通信距離稍短，每個站到集線器的距離不超過100m。
（7）IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)可使用光纖作為傳輸媒體，標(biāo)準(zhǔn)是10BASE-F系列，F(xiàn)代表光纖，主要用作集線器之間的遠(yuǎn)程連接。
2、集線器的特點(diǎn)：
（1）從表面上看，使用集線器的局域網(wǎng)在物理上是一個星形網(wǎng)，但整個系統(tǒng)仍像傳統(tǒng)以太網(wǎng)那樣運(yùn)行。
① 使用集線器的以太網(wǎng)在邏輯上仍是一個總線網(wǎng)，各站共享邏輯上的總線，還是使用CSMA/CD協(xié)議。
② 網(wǎng)絡(luò)中的各站必須競爭對傳輸媒體的控制，并且在同一時刻至多只允許一個站發(fā)送數(shù)據(jù)。
（2）一個集線器有許多接口，每個接口通過RJ-45插頭用兩對雙絞線與計(jì)算機(jī)上的適配器相連。
（3）集線器工作在物理層，每個接口僅僅簡單地轉(zhuǎn)發(fā)比特，即收到1就轉(zhuǎn)發(fā)1，收到0就轉(zhuǎn)發(fā)0，不進(jìn)行碰撞檢測。若兩個接口同時有信號輸入（即發(fā)生碰撞），那么所有的接口都將收不到正確的幀。
（4）集線器采用了專門的芯片，進(jìn)行自適應(yīng)串音回波抵消。
（5）集線器一般都有少量的容錯能力和網(wǎng)絡(luò)管理功能。
3、集線器的發(fā)展
（1）堆疊式集線器（stackable）：由4-8個集線器堆疊起來使用。
（2）模塊化的機(jī)箱式智能集線器：
① 集線器上全部的網(wǎng)絡(luò)功能都以模塊方式實(shí)現(xiàn)。
② 各模塊均可進(jìn)行熱插拔，出故障時不斷電即可更換或增加新模塊。
③ 集線器上的指示燈還可顯示網(wǎng)絡(luò)上的故障情況，方便網(wǎng)絡(luò)的管理。
3.4 以太網(wǎng)的信道利用率
據(jù)統(tǒng)計(jì)，以太網(wǎng)的利用率達(dá)到30％時就已經(jīng)處于重載的情況，很多的網(wǎng)絡(luò)容量被網(wǎng)上的碰撞消耗掉了。
3.5 以太網(wǎng)的MAC層
1、MAC層的硬件地址
（1）在局域網(wǎng)中，硬件地址又稱為物理地址或MAC地址（因?yàn)檫@種地址用在MAC幀中）。
（2）“名字指出我們所要尋找的那個資源，地址指出那個資源在何處，路由告訴我們?nèi)绾蔚竭_(dá)該處?！?/p>
（3）IEEE 802標(biāo)準(zhǔn)為局域網(wǎng)規(guī)定了一種48位的全球地址，稱為EUI-48。
① EUI表示擴(kuò)展的唯一標(biāo)識符（Extended Unique Identifier）。
② EUI-48是局域網(wǎng)中每臺計(jì)算機(jī)固化在適配器ROM中的地址。
③ MAC地址實(shí)際上就是適配器地址或適配器標(biāo)識符EUI-48。
④ EUI-48的使用范圍并不局限于局域網(wǎng)的硬件地址，而是可以用于軟件接口。
⑤ 如果連接在局域網(wǎng)上的主機(jī)或路由器安裝有多個適配器，那么就有多個“地址”。
（4）IEEE 802標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定MAC地址字段可采用6字節(jié)（48位）或2字節(jié)（16位）這兩種中的一種。
① 現(xiàn)在的局域網(wǎng)適配器實(shí)際上使用的都是6字節(jié)MAC地址。
-
② 前三個字節(jié)（即高位24位）由IEEE的注冊管理機(jī)構(gòu)RA（Registration Authority）出售，生產(chǎn)局域② 網(wǎng)適配器的廠家購買，是組織唯一標(biāo)識符OUI，通常也叫做公司標(biāo)識符（company_id）。
? 地址字段的第一字節(jié)的最低位為I/G位（Individual/Group）。
? 當(dāng)I/G位為0時，地址字段表示一個單個站地址。為1時表示組地址，用來進(jìn)行多播。
③ 地址字段中的后三個字節(jié)（即低位24位）則由廠家自行指派，稱為擴(kuò)展標(biāo)識符（extended identifier），只要保證生產(chǎn)出的適配器沒有重復(fù)地址即可。
④ 一個地址塊可以生成224個不同的地址。
（5）路由器如果同時連接到兩個網(wǎng)絡(luò)上，那么它就需要兩個適配器和兩個硬件地址。
① 當(dāng)路由器通過適配器連接到局域網(wǎng)時，適配器上的硬件地址就用來標(biāo)志路由器的某個接口。
② 適配器具有過濾功能。適配器從網(wǎng)絡(luò)上每收到一個MAC幀就先用硬件檢查MAC幀中的目的地址。如果是發(fā)往本站的幀則收下，然后再進(jìn)行其他的處理。否則就將此幀丟棄，不再進(jìn)行其他的處理。
-
③ 發(fā)往本站的幀包括以下三種幀：
? 單播（unicast）幀（一對一），即收到的幀的MAC地址與本站的硬件地址相同。
? 廣播（broadcast）幀（一對全體），即發(fā)送給本局域網(wǎng)上所有站點(diǎn)的幀（全1地址）。
? 多播（multicast）幀（一對多），即發(fā)送給本局域網(wǎng)上一部分站點(diǎn)的幀。
④ 以太網(wǎng)適配器可設(shè)置為一種特殊的工作方式，即混雜方式（promiscuous mode）。工作在混雜方式的適配器只要“聽到”有幀在以太網(wǎng)上傳輸就都悄悄地接收下來，而不管這些幀是發(fā)往哪個站。
2、MAC幀的格式
（1）常用的以太網(wǎng)MAC幀格式有兩種標(biāo)準(zhǔn)，一種是DIX Ethernet V2標(biāo)準(zhǔn)（即以太網(wǎng)V2標(biāo)準(zhǔn)），另一種是IEEE的802.3標(biāo)準(zhǔn)。使用最多的是以太網(wǎng)V2的MAC幀格式。
（2）以太網(wǎng)V2的MAC幀由五個字段組成。
① 前兩個字段分別為6字節(jié)長的目的地址和源地址字段。
② 第三個字段是2字節(jié)的類型字段，用來標(biāo)志上一層使用的協(xié)議。
③ 第四個字段是數(shù)據(jù)字段，其長度在46到1500字節(jié)之間。
④ 最后一個字段是4字節(jié)的幀檢驗(yàn)序列FCS（使用CRC檢驗(yàn)）。
（3）從MAC子層向下傳到物理層時還要在幀的前面插入8字節(jié)（由硬件生成），由兩個字段構(gòu)成。
① 第一個字段是7個字節(jié)的前同步碼（1和0交替碼），作用是使接收端的適配器在接收MAC幀時能夠迅速調(diào)整其時鐘頻率，使它和發(fā)送端的時鐘同步，也就是“實(shí)現(xiàn)位同步”，即實(shí)現(xiàn)比特同步。
② 第二個字段是幀開始定界符，定義為10101011。它的前六位的作用和前同步碼一樣，最后的兩個連續(xù)的1是告訴接收端適配器注意接收MAC幀的信息。
③ MAC幀的FCS字段的檢驗(yàn)范圍不包括前同步碼和幀開始定界符。
④ 在使用SONET/SDH進(jìn)行同步傳輸時則不需要用前同步碼。
（4）IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的無效MAC幀：
① 幀的長度不是整數(shù)個字節(jié)；
② 用收到的幀檢驗(yàn)序列FCS查出有差錯；
③ 收到的幀的MAC客戶數(shù)據(jù)字段的長度不在4-1500字節(jié)之間。
（5）以太網(wǎng)上傳送數(shù)據(jù)以幀為單位傳送，各幀之間必須有一定的間隙。
① 接收端只要找到幀開始定界符，其后面的連續(xù)到達(dá)的比特流就都屬于同一個MAC幀。
② 以太網(wǎng)不需要使用幀結(jié)束定界符，也不需要使用字節(jié)插入來保證透明傳輸。
③ 對于檢查出的無效MAC幀就簡單地丟棄。以太網(wǎng)不負(fù)責(zé)重傳丟棄的幀。
四、擴(kuò)展的以太網(wǎng)
4.1 在物理層擴(kuò)展以太網(wǎng)
1、擴(kuò)展主機(jī)和集線器之間的距離的方法
（1）使用光纖（通常是一對光纖）和一對光纖調(diào)制解調(diào)器。
（2）光纖調(diào)制解調(diào)器的作用就是進(jìn)行電信號和光信號的轉(zhuǎn)換。
2、多級結(jié)構(gòu)的集線器以太網(wǎng)
（1）多級結(jié)構(gòu)的集線器以太網(wǎng)：使用多個集線器連接成覆蓋更大范圍的多級星形結(jié)構(gòu)的以太網(wǎng)。
（2）多級結(jié)構(gòu)的集線器以太網(wǎng)的好處：
① 不同域的以太網(wǎng)上的計(jì)算機(jī)能夠進(jìn)行跨域通信。
② 擴(kuò)大了以太網(wǎng)覆蓋的地理范圍。
（3）多級結(jié)構(gòu)的集線器以太網(wǎng)的缺點(diǎn)。
① 每一個域的10BASE-T以太網(wǎng)是一個獨(dú)立的碰撞域（collision domain，又稱為沖突域），即在任一時刻，在每一個碰撞域中只能有一個站在發(fā)送數(shù)據(jù)。
② 如果不同的域使用不同的以太網(wǎng)技術(shù)（如數(shù)據(jù)率不同），那么就不可能用集線器將它們互連起來。集線器基本上是個多接口（即多端口）的轉(zhuǎn)發(fā)器，并不能把幀進(jìn)行緩存。
4.2 在數(shù)據(jù)鏈路層擴(kuò)展以太網(wǎng)
擴(kuò)展以太網(wǎng)常用的方法是在數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行。
1、網(wǎng)橋（bridge）
（1）網(wǎng)橋?qū)κ盏降膸鶕?jù)其MAC幀的目的地址進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)和過濾。當(dāng)網(wǎng)橋收到一個幀時，根據(jù)幀中的目的MAC地址，查找網(wǎng)橋中的地址表，然后確定將該幀轉(zhuǎn)發(fā)到哪一個接口，或者是把它丟棄（即過濾）。
（2）網(wǎng)橋只能一次分析和轉(zhuǎn)發(fā)一個幀）
2、以太網(wǎng)交換機(jī)的特點(diǎn)（switching hub）
（1）交換式集線器常稱為以太網(wǎng)交換機(jī)或第二層交換機(jī)（L2switch），工作在數(shù)據(jù)鏈路層。
（2）以太網(wǎng)交換機(jī)實(shí)質(zhì)上就是一個多接口的網(wǎng)橋，通常都有十幾個或更多的接口。
（3）以太網(wǎng)交換機(jī)的每個接口都直接與一個單臺主機(jī)或另一個以太網(wǎng)交換機(jī)相連。
（4）以太網(wǎng)交換機(jī)一般都工作在全雙工方式。
（5）以太網(wǎng)交換機(jī)還具有并行性，即能同時連通多對接口，使多對主機(jī)能同時通信，相互通信的主機(jī)都是獨(dú)占傳輸媒體，無碰撞地傳輸數(shù)據(jù)。
（6）以太網(wǎng)交換機(jī)的接口還有存儲器，能在輸出端口繁忙時把到來的幀進(jìn)行緩存。
（7）以太網(wǎng)交換機(jī)是一種即插即用設(shè)備，其內(nèi)部的幀交換表（又稱地址表）是通過自學(xué)習(xí)算法自動建立的。
（8）以太網(wǎng)交換機(jī)由于使用了專用的交換結(jié)構(gòu)芯片，用硬件轉(zhuǎn)發(fā)，其轉(zhuǎn)發(fā)速率要比網(wǎng)橋快很多。
（9）交換機(jī)的最大優(yōu)點(diǎn)是交換機(jī)的總?cè)萘渴墙粨Q機(jī)所有接口容量之和。
（10）以太網(wǎng)交換機(jī)的轉(zhuǎn)發(fā)方式：
① 大部分以太網(wǎng)交換機(jī)對收到的幀采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。
-
② 也有一些交換機(jī)采用直通（cut-through）的交換方式。
? 接收數(shù)據(jù)幀的同時立即按數(shù)據(jù)幀的目的MAC地址決定該幀的轉(zhuǎn)發(fā)接口，提高了幀的轉(zhuǎn)發(fā)速度。
? 直通交換的一個缺點(diǎn)是不檢查差錯就直接將幀轉(zhuǎn)發(fā)出去，有可能會轉(zhuǎn)發(fā)無效幀。
2、以太網(wǎng)交換機(jī)的自學(xué)習(xí)功能
（1）假定在圖3-25中的以太網(wǎng)交換機(jī)有4個接口，各連接一臺計(jì)算機(jī)，其MAC地址分別是A，B，C和D。在一開始，以太網(wǎng)交換機(jī)里面的交換表是空的（圖3-25（a））。
（2）A先向B發(fā)送一幀，從接口1進(jìn)入到交換機(jī)。交換機(jī)收到幀后，先查找交換表，找不到目的地址為B的項(xiàng)目，沒有查到應(yīng)從哪個接口轉(zhuǎn)發(fā)這個幀。
（3）交換機(jī)把這個幀的源地址A和接口1寫入交換表中，并向除接口1以外的所有接口廣播這個幀。
（4）C和D將丟棄這個幀，因?yàn)槟康牡刂凡粚?。只B才收下這個目的地址正確的幀。這也稱為過濾。
（5）假定接下來B通過接口3向A發(fā)送一幀。交換機(jī)查找交換表，發(fā)現(xiàn)交換表中的MAC地址有A。就把目的地址為A的幀應(yīng)從接口1轉(zhuǎn)發(fā)給A。交換表這時新增加的項(xiàng)目（B，3），表明今后如有發(fā)送給B的幀，就應(yīng)當(dāng)從接口3轉(zhuǎn)發(fā)出去。
（6）在交換表中每個項(xiàng)目都設(shè)有一定的有效時間，過期的項(xiàng)目會自動被刪除。
（7）以太網(wǎng)交換機(jī)的這種自學(xué)習(xí)方法使得以太網(wǎng)交換機(jī)能夠即插即用，不必人工進(jìn)行配置，非常方便。
（8）為了增加網(wǎng)絡(luò)的可靠性，在使用以太網(wǎng)交換機(jī)組網(wǎng)時，往往會增加一些冗余的鏈路。在這種情況下，自學(xué)習(xí)的過程就可能導(dǎo)致以太網(wǎng)幀在網(wǎng)絡(luò)的某個環(huán)路中無限制地兜圈子。
（9）為了解決以太網(wǎng)幀在網(wǎng)絡(luò)的某個環(huán)路中無限制地兜圈子問題，IEEE的802.1D標(biāo)準(zhǔn)制定了一個生成樹協(xié)議STP（Spanning Tree Protocol），其要點(diǎn)就是不改變網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際拓?fù)?，但在邏輯上則切斷某些鏈路，使得從一臺主機(jī)到所有其他主機(jī)的路徑是無環(huán)路的樹狀結(jié)構(gòu)，從而消除了兜圈子現(xiàn)象。
3、從總線以太網(wǎng)到星形以太網(wǎng)
（1）傳統(tǒng)的電話網(wǎng)是星形結(jié)構(gòu)，其中心就是電話交換機(jī)。
（2）早期的以太網(wǎng)就采用無源的總線結(jié)構(gòu)?？偩€以太網(wǎng)使用CSMA/CD協(xié)議，以半雙工方式工作。
（3）隨著大規(guī)模集成電路以及專用芯片的發(fā)展，采用以太網(wǎng)交換機(jī)的星形結(jié)構(gòu)又成為以太網(wǎng)的首選拓?fù)?。以太網(wǎng)交換機(jī)不使用共享總線，沒有碰撞問題，因此不使用CSMA/CD協(xié)議，而是以全雙工方式工作。
4.3 虛擬局域網(wǎng)VLAN（Virtual LAN）
1、虛擬局域網(wǎng)VLAN的定義：
（1）虛擬局域網(wǎng)VLAN是由一些具有某些共同的需求局域網(wǎng)網(wǎng)段構(gòu)成的與物理位置無關(guān)的邏輯組。
（2）每一個VLAN的幀都有一個明確的標(biāo)識符，指明發(fā)送這個幀的計(jì)算機(jī)屬于哪一個VLAN。
（3）虛擬局域網(wǎng)其實(shí)只是局域網(wǎng)給用戶提供的一種服務(wù)，而并不是一種新型局域網(wǎng)。
（4）在虛擬局域網(wǎng)上的每一個站都可以收到同一個虛擬局域網(wǎng)上的其他成員所發(fā)出的廣播。
（5）虛擬局域網(wǎng)協(xié)議允許在以太網(wǎng)的幀格式中插入一個4字節(jié)的標(biāo)識符，稱為VLAN標(biāo)記（tag），用來指明發(fā)送該幀的計(jì)算機(jī)屬于哪一個虛擬局域網(wǎng)。插入VLAN標(biāo)記得出的幀稱為802.1Q幀。
① VLAN標(biāo)記字段的長度是4字節(jié)，插入在以太網(wǎng)MAC幀的源地址字段和類型字段之間。
② VLAN標(biāo)記的前兩個字節(jié)設(shè)置為0x8100（二進(jìn)制1000000100000000），稱為IEEE 802.1Q標(biāo)記類型。
③ VLAN標(biāo)記的后兩個字節(jié)中，前3位是用戶優(yōu)先級字段，接著的一位是規(guī)范格式指示符CFI，最后的12位是該虛擬局域網(wǎng)VLAN標(biāo)識符VID（VLAN ID），它唯一地標(biāo)志了這個以太網(wǎng)幀屬于哪一個VLAN。
④ 用于VLAN的以太網(wǎng)幀的首部增加了4個字節(jié)，以太網(wǎng)的最大幀長從1518字節(jié)變?yōu)?522字節(jié)。
五、高速以太網(wǎng)
5.1 100BASE-T以太網(wǎng)
1、快速以太網(wǎng)（Fast Ethernet）
（1）100BASE-T是在雙絞線上傳送100M bit/s基帶信號的星形拓?fù)湟蕴W(wǎng)，仍使用IEEE 802.3的CSMA/CD協(xié)議，又稱為快速以太網(wǎng)（Fast Ethernet）。
（2）100BASE-T的適配器有很強(qiáng)的自適應(yīng)性，能夠自動識別10Mb it/s和100M bit/s。
（3）100BASE-T的快速以太網(wǎng)的正式標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.3u。
（4）快速以太網(wǎng)使用的MAC幀格式仍然是IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的幀格式。
（5）現(xiàn)在10/100Mbit/s以太網(wǎng)都使用無屏蔽雙絞線布線。
（6）在100Mb it/s的以太網(wǎng)中采用的方法是保持最短幀長不變，對于銅纜100M bit/s以太網(wǎng)，一個網(wǎng)段的最大長度是100m，其最短幀長仍為64字節(jié)，即512比特。因此100Mbit/s以太網(wǎng)的爭用期是5.12μs，幀間最小間隔現(xiàn)在是0.96μs，都是10Mbit/s以太網(wǎng)的1/10。
2、100Mbit/s以太網(wǎng)的物理層標(biāo)準(zhǔn)
（1）100BASE-TX和100BASE-FX合在一起稱為100BASE-X。
（2）100BASE-T4使用4對UTP 3類線或5類線時， 3對線用于傳送數(shù)據(jù)， 1對線用作碰撞檢測的接收信道。
5.2 吉比特以太網(wǎng)
1、吉比特以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.3z的特點(diǎn)：
（1）允許在1Gbit/s下以全雙工和半雙工兩種方式工作。
（2）使用IEEE 802.3協(xié)議規(guī)定的幀格式。
（3）在半雙工方式下使用CSMA/CD協(xié)議，而在全雙工方式不使用CSMA/CD協(xié)議。
（4）與10BASE-T和100BASE-T技術(shù)向后兼容。
2、吉比特以太網(wǎng)
（1）吉比特以太網(wǎng)可用作現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的主干網(wǎng)，也可在高帶寬的應(yīng)用場合中用來連接計(jì)算機(jī)和服務(wù)器。
（2）吉比特以太網(wǎng)的物理層使用兩種成熟的技術(shù)：一種來自現(xiàn)有的以太網(wǎng)，另一種則是美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會ANSI制定的光纖通道FC（Fibre Channel）。
（3）吉比特以太網(wǎng)工作在半雙工方式時，就必須進(jìn)行碰撞檢測。
（4）吉比特以太網(wǎng)一個網(wǎng)段的最大長度為100m，采用了載波延伸（carriere xtension）的辦法使最短幀長仍為64字節(jié)，同時將爭用期增大為512字節(jié)。當(dāng)發(fā)送的MAC幀長不足512字節(jié)時，就用一些特殊字符填充在幀的后面，使MAC幀的發(fā)送長度增大到512字節(jié)，這對有效載荷并無影響。接收端在收到以太網(wǎng)的MAC幀后，要把所填充的特殊字符刪除后才向高層交付。
（4）吉比特以太網(wǎng)增加了一種功能稱為分組突發(fā)（packet bursting）：就是當(dāng)很多短幀要發(fā)送時，第一個短幀要采用上面所說的載波延伸的方法進(jìn)行填充。但隨后的一些短幀則可一個接一個地發(fā)送，它們之間只需留有必要的幀間最小間隔即可。這樣就形成一串分組的突發(fā)，直到達(dá)到1500字節(jié)或稍多一些為止。
（5）吉比特以太網(wǎng)工作在全雙工方式時，即通信雙方同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，不使用載波延伸和分組突發(fā)。
3、吉比特以太網(wǎng)物理層標(biāo)準(zhǔn)
（1）1000BASE-X的標(biāo)準(zhǔn)是IEEE 802.3z，包括1000BASE-SX、1000BASE-LX和1000BASE-CX。
（2）1000BASE-T的標(biāo)準(zhǔn)是IEEE 802.3ab。
5.3 10吉比特以太網(wǎng)（10GE）和更快的以太網(wǎng)
1、10吉比特以太網(wǎng)
（1）10GE的幀格式與10Mbit/s，100M bit/s和1G bit/s以太網(wǎng)的幀格式完全相同，并保留了802.3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的以太網(wǎng)最小幀長和最大幀長。
（2）10GE只工作在全雙工方式，不存在爭用問題，也不使用CSMA/CD協(xié)議，不再受必須進(jìn)行碰撞檢測的限制。
2、10GE的物理層標(biāo)準(zhǔn)
（1）10GBASE-SR、10GBASE-LR和10GBASE-ER的標(biāo)準(zhǔn)是IEEE 802.3ae。
（2）10GBASE-CX4的標(biāo)準(zhǔn)是IEEE 802.3ak。
（3）10GBASE-T的標(biāo)準(zhǔn)是IEEE 802.3an。
3、40GE/100GE以太網(wǎng)
（1）40吉比特以太網(wǎng)和100吉比特以太網(wǎng)40GE/100GE的標(biāo)準(zhǔn)是IEEE 802.3ba-2010和802.3bm-2015。
（2）40GE/100GE只工作在全雙工的傳輸方式，不使用CSMA/CD協(xié)議，并且仍然保持了以太網(wǎng)的幀格式以及802.3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的以太網(wǎng)最小和最大幀長。
（3）100GE在使用單模光纖傳輸時，仍然可以達(dá)到40km的傳輸距離，但需要波分復(fù)用。
（4）40GE/100GE的出現(xiàn)，使以太網(wǎng)的工作范圍從局域網(wǎng)擴(kuò)大到城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)了端到端的以太網(wǎng)傳輸。
4、以太網(wǎng)的特點(diǎn)：根據(jù)以太網(wǎng)從10Mbit/s到10Gbit/s甚至到100Gbit/s的演進(jìn)
（1）可擴(kuò)展的（速率從10Mbit/s到100Gbit/s）。
（2）靈活的（多種媒體、全/半雙工、共享/交換）。
（3）易于安裝。
（4）穩(wěn)健性好。
5.4 使用以太網(wǎng)進(jìn)行寬帶接入
1、以太網(wǎng)的寬帶接入技術(shù)
（1）IEEE成立了802.3EFM工作組，專門研究高速以太網(wǎng)的寬帶接入技術(shù)問題。
（2）以太網(wǎng)接入的一個重要特點(diǎn)是可以提供雙向的寬帶通信，并且可以根據(jù)用戶對帶寬的需求靈活地進(jìn)行帶寬升級。
（3）當(dāng)城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)都采用吉比特以太網(wǎng)或10吉比特以太網(wǎng)時，采用以太網(wǎng)接入可以實(shí)現(xiàn)端到端的以太網(wǎng)傳輸，中間不需要再進(jìn)行幀格式的轉(zhuǎn)換。這就提高了數(shù)據(jù)的傳輸效率且降低了傳輸?shù)某杀尽?/p>
（4）如果網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商要利用以太網(wǎng)接入到互聯(lián)網(wǎng)，就必須解決這個問題：以太網(wǎng)的幀格式標(biāo)準(zhǔn)中，在地址字段部分并沒有用戶名字段，也沒有讓用戶鍵入密碼來鑒別用戶身份的過程。
（5）解決方法：把數(shù)據(jù)鏈路層的兩個成功的協(xié)議結(jié)合起來，即把PPP協(xié)議中的PPP幀再封裝到以太網(wǎng)中來傳輸。即PPPoE（PPP over Ethernet），意思是“在以太網(wǎng)上運(yùn)行PPP”?，F(xiàn)在的光纖寬帶接入FTTx都要使用PPPoE的方式進(jìn)行接入。
2、光纖到大樓FTTB的方案：
（1）在每個大樓的樓口安裝一個光網(wǎng)絡(luò)單元ONU（實(shí)際上就是一個以太網(wǎng)交換機(jī)）.
（2）根據(jù)用戶所申請的帶寬，用5類線接到用戶家中。
（3）如果大樓里上網(wǎng)的用戶很多，那么還可以在每一個樓層再安裝一個100Mbit/s的以太網(wǎng)交換機(jī)。
（4）各大樓的以太網(wǎng)交換機(jī)通過光纜匯接到光結(jié)點(diǎn)匯接點(diǎn)，光匯接點(diǎn)通過城域網(wǎng)連接到互聯(lián)網(wǎng)的主干網(wǎng)。
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