計算機網(wǎng)絡(luò)（第13講）第4章 數(shù)據(jù)鏈路層

1、計算機網(wǎng)絡(luò)講義1上次課主要內(nèi)容傳統(tǒng)的以太網(wǎng)以太網(wǎng)的MAC層計算機網(wǎng)絡(luò)講義24.7.4 擴展的局域網(wǎng)在物理層擴展局域網(wǎng) 1、利用中繼器； 2、集線器是一個多口的中繼器； 3、利用集線器的堆疊和級聯(lián)在物理層擴展局域網(wǎng)； 4、在物理層擴展網(wǎng)絡(luò)，廣播域和碰撞域都不發(fā)生改變，網(wǎng)絡(luò)的性能受到極大的影響； 5、要改善網(wǎng)絡(luò)的性能，需要盡量減少碰撞的可能。 （1）減小碰撞域 （2）減小廣播域 6、如何減小碰撞域和廣播域呢？計算機網(wǎng)絡(luò)講義31、減小碰撞域的分析減小碰撞域的分析 1、通過減小碰撞域可以大大減少碰撞的概率； 2、減少了碰撞的概率，提高了性能； 3、對于廣播幀來講，即使減小了碰撞域，也不能減少碰撞的概率

2、。1112132122233132廣播域碰撞域2碰撞域1碰撞域31112132122233132廣播域1- p(1-p)8-11- p(1-p)3-11- p(1-p)3-1計算機網(wǎng)絡(luò)講義42、物理分段將上述過程，稱為物理分段 1、每個碰撞域為一個物理網(wǎng)段； 2、物理分段在數(shù)據(jù)鏈路層實現(xiàn)。如何實現(xiàn)物理分段 1、物理分段后，需要一個工作在數(shù)據(jù)鏈路層的設(shè)備將各個物理分段連接起來； 2、該設(shè)備需要具有如下功能。 （1）該設(shè)備連接兩個物理網(wǎng)段； （2）該設(shè)備能接收來自兩個物理網(wǎng)段的任何數(shù)據(jù)幀； （3）對于廣播幀，該設(shè)備象集線器一樣工作； （4）對于非廣播幀，該設(shè)備首先獲得數(shù)據(jù)幀中的目的MAC地址，然后

3、根據(jù)該設(shè)備內(nèi)部存放的MAC地址和物理網(wǎng)段對照表進行轉(zhuǎn)發(fā)。計算機網(wǎng)絡(luò)講義53、物理分段示例111213212223廣播域碰撞域1工作在數(shù)據(jù)鏈路層的設(shè)備碰撞域2碰撞域MAC地址碰撞域111碰撞域113碰撞域112碰撞域221碰撞域222碰撞域2232113DATAFCB具有MAC地址為13的工作站向具有MAC地址21的工作站發(fā)送數(shù)據(jù)幀計算機網(wǎng)絡(luò)講義64、物理分段后的拓撲結(jié)構(gòu)示意圖物理分段后的以太網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)示意圖計算機網(wǎng)絡(luò)講義75、網(wǎng)橋該設(shè)備稱為網(wǎng)橋 1、網(wǎng)橋工作在數(shù)據(jù)鏈路層，用來連接不同的碰撞域； 2、通過將一個大的碰撞域劃分成小的碰撞域，減少碰撞的概率； 3、利用網(wǎng)橋不能劃分廣播域，網(wǎng)橋?qū)Υ龔V播

4、幀和集線器一樣處理； 4、網(wǎng)橋內(nèi)部存放一個MAC地址與物理網(wǎng)段的對照表，網(wǎng)橋通過對收到數(shù)據(jù)幀中包含的目的MAC地址處理實現(xiàn)數(shù)據(jù)幀的轉(zhuǎn)發(fā)； 5、網(wǎng)橋具有過濾功能，當網(wǎng)橋收到一個非廣播數(shù)據(jù)幀后，并不是向所有的端口轉(zhuǎn)發(fā)，而是根據(jù)數(shù)據(jù)幀中的目的MAC地址進行轉(zhuǎn)發(fā)，正是利用此功能實現(xiàn)了碰撞域的劃分； 6、利用網(wǎng)橋可以改善網(wǎng)絡(luò)的性能，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的擴展； 7、網(wǎng)橋通過對數(shù)據(jù)幀中的源MAC地址進行學(xué)習(xí)，從而構(gòu)造MAC地址與物理網(wǎng)段的對照表。計算機網(wǎng)絡(luò)講義85-1、網(wǎng)橋的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理站地址端口MAC11MAC22MACnn端口1緩存端口2網(wǎng)橋協(xié)議實體端口管理軟件端口n站表網(wǎng)橋計算機網(wǎng)絡(luò)講義95-2、網(wǎng)橋的優(yōu)

5、點細劃碰撞域，過濾通信量，減少碰撞。擴大了網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模。提高了可靠性?？苫ミB不同物理層，不同速率的網(wǎng)段。計算機網(wǎng)絡(luò)講義105-3、網(wǎng)橋的缺點增加了時延。沒有流量控制功能，緩存可能發(fā)生溢出。由于只細劃了碰撞域，而廣播域還是一個，因此可能會產(chǎn)生廣播風(fēng)暴。計算機網(wǎng)絡(luò)講義116-1、透明網(wǎng)橋目前使用最多的是基于透明網(wǎng)橋原理的設(shè)備。所謂的“透明”的含義。 1、站點發(fā)出的數(shù)據(jù)幀不知道要經(jīng)過哪些網(wǎng)橋； 2、網(wǎng)橋?qū)Ω鱾€網(wǎng)段來講是沒有影響的，也就是所謂的“看不見”； 3、透明橋是一種既插既用的設(shè)備； 4、透明橋?qū)鬏數(shù)臄?shù)據(jù)幀不做任何的修改； 5、透明橋的工作過程。 （1）通過數(shù)據(jù)幀中的源MAC地址進行學(xué)習(xí)； （2

6、）學(xué)習(xí)的內(nèi)容包括:源站地址、端口和時間； （3）定時更新站表； （4）利用站表轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀； （5）表中如無有匹配表項，就進行廣播。計算機網(wǎng)絡(luò)講義126-2、透明網(wǎng)橋的任務(wù)透明網(wǎng)橋必須執(zhí)行如下任務(wù) 1、網(wǎng)橋不能修改它所轉(zhuǎn)發(fā)的幀； 2、網(wǎng)橋通過在端口上偵聽數(shù)據(jù)幀中的源MAC地址來建立端口、MAC地址映射表； 3、網(wǎng)橋必須將它所接收到的廣播幀轉(zhuǎn)發(fā)到除接收端口之外的所有端口； 4、如果一個數(shù)據(jù)幀的目的MAC地址是未知的，則網(wǎng)橋?qū)⒃摂?shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)到除接收該幀端口之外的所有端口； 5、當網(wǎng)橋接收到的數(shù)據(jù)幀的目的地址位于接收端口所連的網(wǎng)絡(luò)上，網(wǎng)橋拋棄該幀，否則，轉(zhuǎn)發(fā)該幀。在沒有環(huán)路的網(wǎng)絡(luò)中，透明網(wǎng)橋可以工作得非

7、常好，但當網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)環(huán)路時，由于透明網(wǎng)橋不能像路由器那樣知道數(shù)據(jù)幀可以經(jīng)過多少次轉(zhuǎn)發(fā)，就會造成報文在環(huán)路內(nèi)不斷循環(huán)、增生，造成廣播風(fēng)暴 。計算機網(wǎng)絡(luò)講義136-3、透明網(wǎng)橋中的廣播風(fēng)暴 當網(wǎng)橋A發(fā)出一個廣播幀時，該廣播幀將被轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)橋B、網(wǎng)橋C。而網(wǎng)橋B、網(wǎng)橋C將通過環(huán)形拓撲將該廣播幀再次轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)橋A。如此下去廣播幀將在具有冗余的環(huán)形拓撲中不斷轉(zhuǎn)發(fā)下去，形成廣播風(fēng)暴。由于該廣播幀形成的廣播風(fēng)暴占據(jù)鏈路的帶寬，將導(dǎo)致正常的數(shù)據(jù)幀不能被轉(zhuǎn)發(fā)，從而使網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，最終導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)不可用。廣播幀A廣播幀B廣播幀C廣播幀A1廣播幀A2計算機網(wǎng)絡(luò)講義146-4、透明網(wǎng)橋中的生成樹協(xié)議利用生成樹協(xié)議避免廣播風(fēng)暴

8、。利用生成樹協(xié)議可以提供冗余鏈路，提高可靠性。圖1圖2圖3計算機網(wǎng)絡(luò)講義157、其他網(wǎng)橋源路由網(wǎng)橋-令牌環(huán)的標準。多端口網(wǎng)橋交換機。 1、又稱交換式集線器； 2、能對網(wǎng)絡(luò)實施物理分段； 3、能擴大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍； 4、能改善網(wǎng)絡(luò)的性能； 5、在交換機上實現(xiàn)了眾多的局域網(wǎng)技術(shù)，用于改善網(wǎng)絡(luò)的性能可提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性。計算機網(wǎng)絡(luò)講義168、以太網(wǎng)交換機分類及二層交換機以太網(wǎng)交換機分為：二層交換機、三層交換機和四層交換機。二層交換機工作在數(shù)據(jù)鏈路層，是多端口網(wǎng)橋。 1、交換機內(nèi)部具有輸入/輸出緩存； 2、具有端口/MAC地址映射表CAM表； 3、實現(xiàn)了網(wǎng)橋的所有功能。計算機網(wǎng)絡(luò)講義178-1、交換機組

9、網(wǎng)拓撲示意圖物理拓撲是星型邏輯拓撲也是星型 計算機網(wǎng)絡(luò)講義188-2、以太網(wǎng)二層交換機交換方式以太網(wǎng)二層交換機交換方式 1、第二層以太網(wǎng)交換機工作在數(shù)據(jù)鏈路層； 2、以太網(wǎng)交換機具有流控制和差錯控制功能； 3、以太網(wǎng)交換機對輸入的信號采取兩種方法進行交換，存儲轉(zhuǎn)發(fā)模式和直通模式。 計算機網(wǎng)絡(luò)講義198-3、存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式所謂的存儲轉(zhuǎn)發(fā)模式是將整個數(shù)據(jù)幀讀入交換機的高速緩存，進行檢查，如果發(fā)現(xiàn)該數(shù)據(jù)幀是不完整的數(shù)據(jù)幀則將該數(shù)據(jù)幀拋棄，否則進行轉(zhuǎn)發(fā)。 1、這種方式提高了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的效率； 2、但由于要進行數(shù)據(jù)幀的拆開和重組，需要時間和資源，因此，這種方式將減低交換機的性能。緩存結(jié)果查詢高速緩沖存儲器交

10、換控制器端口地址映射表以 太 網(wǎng) 端 口檢查存儲轉(zhuǎn)發(fā)模式工作示意圖 計算機網(wǎng)絡(luò)講義208-4、直通方式所謂的直通方式是將以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀包含目標地址的前（16）64字節(jié)讀入交換機的高速緩存，解析出目標MAC地址后進行交換 1、這種方法速度快； 2、但容易將不完整的或錯誤的數(shù)據(jù)幀交換出去 。 （1）由于沒有讀取完整的數(shù)據(jù)幀，位于幀尾部的FCS不能被讀出，不能進行差錯校驗； （2）不能進行差錯校驗的結(jié)果是可能將錯誤的數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)出去； （3）對于某些只接受前16字節(jié)的交換機，由于不能判斷是否發(fā)生碰撞，可能會轉(zhuǎn)發(fā)不完整的數(shù)據(jù)幀。 查詢結(jié)果交換控制器端口地址映射表以 太 網(wǎng) 端 口檢查緩存直通模式工作示意圖

11、 計算機網(wǎng)絡(luò)講義218-5、兩種不同轉(zhuǎn)發(fā)方式的比較兩種不同轉(zhuǎn)發(fā)方式的比較 1、直通式方式速度快、延時小，但可靠性差，容易擴散錯誤，使交換機效率減低，適用于網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量較高的應(yīng)用場合。 （1）沒有外來干擾的機房、辦公室 （2）光纖網(wǎng)絡(luò) 2、存儲轉(zhuǎn)發(fā)式可以將錯誤過濾掉，提高了交換機的交換效率和可靠性，但延時較大，速度較低，適用與網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量較差的應(yīng)用場合。 （1）工廠的生產(chǎn)車間 （2）開放的環(huán)境在某些廠家的交換機中還有介于存儲轉(zhuǎn)發(fā)式和直通式在產(chǎn)品，實際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)線路的質(zhì)量設(shè)置交換機的交換方式。計算機網(wǎng)絡(luò)講義228-6、以太網(wǎng)二層交換機交換通道實現(xiàn)的方式在以太網(wǎng)二層交換機中存在著多條并行的數(shù)據(jù)交換

12、通道。 1、多條數(shù)據(jù)交換通道的實現(xiàn)方式 （1）軟件執(zhí)行交換結(jié)構(gòu)； （2）交換矩陣； （3）共享的高速緩存； （4）高速背板總線分時復(fù)用。RAM串并轉(zhuǎn)換串并轉(zhuǎn)換輸入輸出CPU軟件執(zhí)行交換結(jié)構(gòu)輸入輸出交換矩陣交換總線輸入輸出高速背板總線共享高速緩存輸入輸出共享高速緩存計算機網(wǎng)絡(luò)講義238-7、多交換通道支持多個工作站同時進行數(shù)據(jù)交換 2、多條數(shù)據(jù)交換通道可使多個工作站同時進行數(shù)據(jù)交換。 （1）不必在共享同一個媒體，是全雙工傳輸?shù)幕A(chǔ)； （2）與集線器相比，傳輸效率有質(zhì)的提高； （3）CSMA/CD協(xié)議失效。以太網(wǎng)交換模塊以太網(wǎng)交換模塊交換引擎模塊備用電源模塊電源主模塊母板插槽計算機網(wǎng)絡(luò)講義248-

13、8、以太網(wǎng)二層交換機的容量如果交換機每個端口的速率是C，具有N個端口，則交換機的容量為C x N。交換機的每個端口是一個獨立的碰撞域。 1、利用交換機將原來的碰撞域細劃； 2、當交換機的每個端口只連接一個工作站時，對于非廣播幀將不會出現(xiàn)碰撞，性能最佳； 3、交換機的端口也可連接一個集線器，這時，連接到集線器上的所有工作站構(gòu)成一個碰撞域。計算機網(wǎng)絡(luò)講義258-9、以太網(wǎng)二層交換機全雙工模式 支持全雙工模式 1、采用雙絞線的星型網(wǎng)絡(luò)使得以太網(wǎng)傳輸介質(zhì)從共享型轉(zhuǎn)入了專用型，并且采用交換式集線器或交換機，從而引入了一種高效的運行模式全雙工模式。所謂全雙工，就是數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收可以同時進行，互不干擾。

14、2、每一個連接到交換機端口上的LAN均與端口上的以太網(wǎng)接口相連，而傳統(tǒng)的以太網(wǎng)接口則要按CSMA/CD協(xié)議進行數(shù)據(jù)的傳輸，即包括載波監(jiān)聽、沖突檢測和回送等機制，這是半雙工操作的機制。要實現(xiàn)全雙工操作必須屏蔽掉上述過程，使發(fā)送和接收能同時進行。 3、全雙工操作排除了半雙工以太網(wǎng)中鏈路長度的限制。因為全雙工操作不使用CSMA/CD，因此距離限制不再起作用，全雙工以太網(wǎng)的鏈路長度僅受介質(zhì)的物理傳輸特性限制 。 4、全雙工操作可以增加鏈路容量。計算機網(wǎng)絡(luò)講義268-10、以太網(wǎng)二層交換機自動協(xié)商支持自動協(xié)商（自適應(yīng)） 1、在實際應(yīng)用中，以太網(wǎng)的運行有許多種組合，比如雙工模式可以選擇全雙工和半雙工，速率

15、可以選擇10Mbps或100Mbps ，物理介質(zhì)可以選擇五類雙絞線和三類雙絞線等等。這樣如果對每個終端設(shè)備都進行手工配置，必然是一項繁雜而且不可維護的工作。為了應(yīng)付這樣多種多樣的運行模式，自動協(xié)商應(yīng)運而生。 2、自動協(xié)商的主要功能就是使物理鏈路兩端的設(shè)備自動通過交互信息，自動選擇一種運行模式來運行。它只對雙絞線以太網(wǎng)有效。自動協(xié)商的內(nèi)容主要包括雙工模式，運行速率，流量控制等內(nèi)容，一旦協(xié)商通過，鏈路兩端的設(shè)備就鎖定在這樣一種運行模式下，直到重新引導(dǎo)設(shè)備或重新插拔電纜。計算機網(wǎng)絡(luò)講義274.7.5 虛擬局域網(wǎng)第二層交換機是工作在數(shù)據(jù)鏈路層的設(shè)備，因此，它只能減小碰撞域，而不能減小廣播域。 1、對于

16、目的地址不明確的幀，仍采用廣播形式； 2、而廣播幀則必須采用廣播的形式； 3、這些廣播導(dǎo)致了巨大的碰撞可能，極大的影響網(wǎng)絡(luò)的性能； 4、要從根本上改變這種情況，在數(shù)據(jù)鏈路層無能為力； 5、解決的辦法是減小廣播域，這必須有網(wǎng)絡(luò)層參與。在細劃了碰撞域（物理分段）之后，影響網(wǎng)絡(luò)性能的將主要是以廣播形式傳播的廣播幀。 1、廣播幀突破了碰撞域，在廣播域內(nèi)是封閉的； 2、要解決這個性能問題，必須減小廣播幀； 3、減小廣播幀是否會影響到網(wǎng)絡(luò)的正常工作呢？計算機網(wǎng)絡(luò)講義281、網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流量的特點計算機局域網(wǎng)中的數(shù)據(jù)流量從應(yīng)用的角度大體分為兩種： 1、在一個相對獨立的范圍內(nèi)傳播的本地流量 2、在各個相對獨立的范

17、圍之間的數(shù)據(jù)流量這與組織的各組成部門之間的關(guān)系恰好相吻合。一個部門的本地數(shù)據(jù)流量沒有必要，也不應(yīng)該傳播到其他的部門。只有部門之間的數(shù)據(jù)流量才在各個部門之間流動。計算機網(wǎng)絡(luò)講義292、利用虛擬局域網(wǎng)細化廣播域上述的討論給了細劃廣播域的可能。做如下設(shè)想: 1、將各個部門劃分為不同的廣播域，則原來的局域網(wǎng)的一個廣播域被劃分成多個小的廣播域； 2、本地數(shù)據(jù)流量被限制在劃分后的廣播域內(nèi)，性能會大大的改善； 3、那么，各個廣播域之間如何通訊呢？ （1）由于是廣播域之間的通訊，數(shù)據(jù)鏈路層無能為力； （2）各個廣播域事實上是一個獨立的局域網(wǎng)； （3）局域網(wǎng)之間的通訊需要網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)備-路由器； （4）利用路由設(shè)

18、備在各個廣播域之間進行通訊，將數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層的功能融合在一起，產(chǎn)生了第三層交換機。事實上，實現(xiàn)上述功能的技術(shù)就是虛擬局域網(wǎng)。細劃廣播域又稱為邏輯分組。計算機網(wǎng)絡(luò)講義303、虛擬局域網(wǎng)劃分原則虛擬局域網(wǎng)是由一些局域網(wǎng)物理網(wǎng)段構(gòu)成的與物理位置無關(guān)的邏輯組，而這些網(wǎng)段具有某些共同的需求。 1、相同的部門； 2、相同的業(yè)務(wù)。虛擬局域網(wǎng)與物理位置無關(guān)是指 1、可以跨越不同的物理范圍劃分虛擬局域網(wǎng)； 2、虛擬局域網(wǎng)在物理上是“透明”的，所謂的“虛擬”也正是此含義。計算機網(wǎng)絡(luò)講義314、虛擬局域網(wǎng)劃分方法虛擬局域網(wǎng)劃分分為動態(tài)和靜態(tài)兩種也可以以端口、MAC地址和IP地址來劃分計算機網(wǎng)絡(luò)講義325、虛擬局域網(wǎng)作用細劃了廣播域，減少了碰撞，提高了性能。 1、徹底解決了廣播幀的