路由交換技術(shù)電子教案-ch03-構(gòu)建企業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)（一）

教案序號4周次授課形式講練結(jié)合授課章節(jié)名稱項目3構(gòu)建企業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)（一）教學目的1．熟悉以太網(wǎng)（Ethernet）協(xié)議的基本概念。2．熟悉以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的格式。教學重點1.掌握以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的組成結(jié)構(gòu)。教學難點1.理解沖突域與廣播域的基本概念。使用教具計算機、ppt、eNSP、觸摸白板課外作業(yè)復(fù)習本節(jié)，預(yù)習下節(jié)課后體會同學們對本堂課的掌握情況良好授課主要內(nèi)容本項目知識圖譜3.1局域網(wǎng)種類局域網(wǎng)的實現(xiàn)技術(shù)多種多樣，每種技術(shù)都有其特定的應(yīng)用場景和優(yōu)勢。以下是一些常見的局域網(wǎng)實現(xiàn)技術(shù)。1．以太網(wǎng)（Ethernet）以太網(wǎng)是目前應(yīng)用最廣泛的局域網(wǎng)技術(shù)，基于CSMA/CD介質(zhì)訪問控制方法，使用雙絞線、光纖或同軸電纜等物理介質(zhì)來傳輸數(shù)據(jù)。以太網(wǎng)支持多種速率，從10Mbit/s到100Gbit/s不等。以太網(wǎng)技術(shù)具有高度的靈活性和可擴展性，可以適應(yīng)不同規(guī)模和復(fù)雜度的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。2．令牌環(huán)（TokenRing）令牌環(huán)是一種早期的局域網(wǎng)技術(shù)，由IBM開發(fā)。在令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)中，每個設(shè)備都連接到一個閉環(huán)上，并且通過一個稱為“令牌”的特殊數(shù)據(jù)包來控制訪問。只有持有令牌的設(shè)備才能發(fā)送數(shù)據(jù)，從而避免了數(shù)據(jù)沖突。然而，隨著以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)逐漸被淘汰。3．FDDI（FiberDistributedDataInterface）光纖分布式數(shù)據(jù)接口（FDDI）是由美國國家標準化組織（ANSI）制定的在光纜上發(fā)送數(shù)字信號的一組協(xié)議。FDDI使用雙環(huán)令牌，傳輸速率可以達到100Mb/s。由于支持高寬帶和遠距離通信網(wǎng)絡(luò)，F(xiàn)DDI通常用作骨干網(wǎng)。4．ATM（AsynchronousTransferMode）ATM是一種面向連接的、固定長度的數(shù)據(jù)包交換技術(shù)。它最初是為寬帶綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（B-ISDN）設(shè)計的，但也可以用于局域網(wǎng)環(huán)境。ATM網(wǎng)絡(luò)支持多種服務(wù)質(zhì)量（QoS）級別，適用于需要實時傳輸?shù)膽?yīng)用，如視頻和音頻。3.2以太網(wǎng)協(xié)議以Detection，CSMA/CD）機制，它賦予了以太網(wǎng)廣播型網(wǎng)絡(luò)的特性。通過這一機制，以太網(wǎng)能夠在局域網(wǎng)中實現(xiàn)高效且穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸。1．沖突域沖圖3-2集線器的沖突域在共享網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，以太網(wǎng)采用CSMA/CD技術(shù)來有效管理數(shù)據(jù)傳輸，進而減少沖突的發(fā)生。CSMA/CD的工作機制可描述如下。終端設(shè)備始終監(jiān)控共享線路的狀態(tài)。一旦發(fā)現(xiàn)線路空閑，即開始發(fā)送數(shù)據(jù)；若線路處于忙碌狀態(tài)，則設(shè)備會保持等待，直至線路空閑。在特定情況下，若兩個或多個設(shè)備同時嘗試發(fā)送數(shù)據(jù)，便會發(fā)生數(shù)據(jù)沖突，導(dǎo)致線路信號變得不穩(wěn)定。一旦終端設(shè)備檢測到這種不穩(wěn)定狀態(tài)，會立即停止數(shù)據(jù)發(fā)送，并發(fā)送一串干擾脈沖。這串脈沖的作用在于通知其他設(shè)備，特別是那些與自己同時發(fā)送數(shù)據(jù)的設(shè)備，線路已發(fā)生沖突。隨后，設(shè)備會等待一段隨機時長，再次嘗試發(fā)送數(shù)據(jù)。因此，CSMA/CD技術(shù)的工作邏輯可概括為：先聽后發(fā)，邊發(fā)邊聽，沖突停發(fā)，隨機延遲后重發(fā)。如果把中間的集線器換成是交換機，如圖

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所示，因為交換機的每個接口都屬于獨立的沖突域，所以交換機通過其不同接口獨立地發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。這一機制有效地隔離了網(wǎng)絡(luò)中的物理層沖突域，從而消除了通過交換機互連的主機或網(wǎng)絡(luò)間因流量大小而引發(fā)的沖突。交換機不僅提升了網(wǎng)絡(luò)性能，也簡化了網(wǎng)絡(luò)管理的復(fù)雜性。圖3-3交換機的沖突域集線器所構(gòu)成的以太網(wǎng)，本質(zhì)是共享介質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)，為了有效避免數(shù)據(jù)沖突，必須依賴于CSMA/CD機制。一旦我們將集線器替換為交換機，所有的終端設(shè)備便不再處于同一沖突域之中。這種變化是由交換機獨特的工作原理所決定的。后續(xù)我們將會了解到交換機的工作機制。2．廣播域廣播域是指在二層網(wǎng)絡(luò)中廣播報文所能到達的整個訪問范圍，同一廣播域內(nèi)的主機都能收到廣播報文。全1的MAC地址FFFF-FFFF-FFFF為廣播地址，所有節(jié)點都會處理目的地址為廣播地址的數(shù)據(jù)幀。在傳統(tǒng)的以太網(wǎng)中，多個節(jié)點共同使用集線器連接多個終端的網(wǎng)絡(luò)，如圖3-4所示，當某臺設(shè)備發(fā)送廣播報文時，所有與之相連的設(shè)備均能夠接收到這個報文，同時也帶來了潛在的沖突問題。圖3-4集線器的廣播域如圖3-5所示，交換機在處理廣播報文時，會將其轉(zhuǎn)發(fā)至所有接口，這意味著連接到交換機的所有節(jié)點共同構(gòu)成1個廣播域，但同時也需要注意廣播報文可能帶來的網(wǎng)絡(luò)擁堵問題。圖3-5交換機的廣播域3.3以太網(wǎng)幀

以太網(wǎng)技術(shù)主要依賴于以太網(wǎng)幀進行數(shù)據(jù)傳輸。本書在討論幀的概念時，若未做特別說明，一般默認指的是以太網(wǎng)幀，這是因為在眾多網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，以太網(wǎng)以其廣泛的應(yīng)用和成熟的技術(shù)體系成為了主流。1．MAC地址MAC地址（MediumAccessControl，MAC）即介質(zhì)訪問控制地址，在IEEE802標準中被嚴格定義與規(guī)范。所有遵循IEEE802標準的網(wǎng)絡(luò)接口卡（如以太網(wǎng)卡）都必須配備一個獨一無二的MAC地址。就像每個人擁有一個獨特的身份證號碼來標明身份一樣，每塊網(wǎng)卡也有一個專屬的標識號碼，那就是MAC地址，它的長度為48位（即6個字節(jié)）。不同網(wǎng)卡的MAC地址也各不相同，這意味著每塊網(wǎng)卡的MAC地址都具有全球范圍內(nèi)的唯一性。制造商在網(wǎng)卡的生產(chǎn)制造之前，需先行向IEEE申請注冊，以獲取一個24位（即3個字節(jié)）的廠商代碼，業(yè)內(nèi)通常將其稱作組織唯一標識符（Organizationally-UniqueIdentifier，OUI）。在網(wǎng)卡的生產(chǎn)過程中，制造商會在每塊網(wǎng)卡的只讀存儲器（ReadOnlyMemory，ROM）中永久性地寫入一個48位的BIA地址（Burned-InAddress，BIA）。這個BIA地址的前3個字節(jié)即為制造商的OUI，而后3個字節(jié)則由制造商自行決定，但須確保不同網(wǎng)卡間的后3個字節(jié)各不相同。一旦BIA地址被寫入網(wǎng)卡，便無法更改，僅支持讀取操作。圖3-6直觀地展示了BIA地址的構(gòu)成格式。圖3-6BIA地址格式BIA地址是MAC地址的一種特定形式，它屬于單播MAC地址。MAC地址主要分為三種類別：單播、組播和廣播。這三種MAC地址各自具有獨特的定義，具體如下。單播MAC地址的特征在于其第一個字節(jié)的最低位為0，這樣的地址用于一對一的通信。組播MAC地址則是通過其第一個字節(jié)的最低位為1來標識的，它用于一對多的通信模式。廣播MAC地址的特點是它的每一個比特都是1，這種地址用于向網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備發(fā)送信息，是組播MAC地址的一個特殊形式。圖3-7單播MAC地址、組播MAC地址和廣播MAC地址觀察圖3-7，我們可以發(fā)現(xiàn)，并非所有MAC地址的前3個字節(jié)都是組織唯一標識符OUI。實際上，只有單播MAC地址的前3個字節(jié)才是OUI。而組播或廣播MAC地址的前3個字節(jié)則不是OUI。值得注意的是，OUI的第1個字節(jié)的最低位必須是0。MAC地址由48位二進制數(shù)組成，為了便于理解和表達，我們通常采用十六進制數(shù)的形式來表示。具體而言，可以將MAC地址分為六組，每組兩位十六進制數(shù)，即1個字節(jié)，中間使用中劃線進行連接。另一種表示方法是將MAC地址分為三組，每組四位十六進制數(shù)，即2個字節(jié)，同樣使用中劃線進行分隔。圖3-8展示了這兩種表示方法的示例，有助于我們更直觀地理解MAC地址的結(jié)構(gòu)和表示方式。圖3-8MAC地址格式2．以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀格式以太網(wǎng)技術(shù)中使用的幀被稱為以太網(wǎng)幀，簡稱以太幀。關(guān)于以太幀的格式，存在兩個主要標準。其中一個是IEEE802.3標準定義的格式，通常被稱為IEEE802.3格式。另一個則是由DEC、Intel和Xerox三家公司聯(lián)合定義的格式，這一格式被廣泛稱為EthernetII格式，也常被稱為DIX格式。圖3-9展示了EthernetII格式與IEEE802.3格式在細節(jié)上的一些差異，但它們都適用于以太網(wǎng)環(huán)境。目前市場上的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通常都能夠兼容這兩種格式的幀。然而，在實際應(yīng)用中，EthernetII格式幀更為普遍，被更廣泛地采用。通常，只有在以太幀需要承載某些特定的協(xié)議信息時，才會選擇使用IEEE802.3格式幀。圖3-9MAC地址格式以下是對EthernetII格式幀的各個字段的解釋。（1）目標MAC地址：這是一個由6個字節(jié)構(gòu)成的字段，它專門用于標識該網(wǎng)絡(luò)幀的預(yù)定接收者，即目的地。此地址可以是針對單一接收者的單播MAC地址，也可以同時發(fā)送給多個接收者的組播MAC地址，或者發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有設(shè)備的廣播MAC地址。（2）源MAC地址：同樣是一個包含6個字節(jié)的字段，用于標識該網(wǎng)絡(luò)幀的發(fā)送者，即出發(fā)地。與目的MAC地址不同，源MAC地址只能是單播MAC地址，即它只能指向單一的發(fā)送者。（3）類型：這個字段包含2個字節(jié)，其主要功能是標識緊隨其后的數(shù)據(jù)的具體類型。例如，當字段值為0x0800時，意味著數(shù)據(jù)是一個IPv4數(shù)據(jù)包；值為0x86dd時，表示數(shù)據(jù)是IPv6數(shù)據(jù)包；值為0x0806時，則表明數(shù)據(jù)是一個ARP數(shù)據(jù)包；而值為0x8848時，則代表數(shù)據(jù)是一個MPLS報文。這一字段確保了數(shù)據(jù)的正確解析和處理。（4）數(shù)據(jù)：這個字段的長度并不固定，它的最小長度是46字節(jié)，最大長度可以達到1500字節(jié)。這是數(shù)據(jù)幀的主體部分，承載著實際要傳輸?shù)男畔?。?shù)據(jù)的具體類型由前面的類型字段來指示，從而確保接收端能夠正確識別和處理這些數(shù)據(jù)。（5）FCS：幀校驗序列（FrameCheckSequenc），這一序列用于確保數(shù)據(jù)幀在傳輸過程中的完整性。通過FCS，接收方能夠準確地判斷數(shù)據(jù)幀是否在傳輸過程中出現(xiàn)了任何差錯。這一機制對于保障網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性和穩(wěn)定性至關(guān)重要。IEEE802.3格式幀較EthernetII格式幀有點不同，類型字段改成了長度字段；增加了LLC字段和SNAP字段，以下對這三個字段進行解釋。（1）長度字段：確定數(shù)據(jù)幀中數(shù)據(jù)載荷部分的長度。鑒于EthernetII標準在IEEE802.3標準出臺之前已經(jīng)廣泛應(yīng)用，為了確保網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能夠準確識別數(shù)據(jù)幀是基于EthernetII標準還是IEEE802.3標準封裝的，IEEE802.3x-1997標準進行了明確規(guī)定：當該字段的值大于或等于0x0600時，它表示的是一個類型字段，表明數(shù)據(jù)幀采用的是EthernetII標準封裝；而如果字段的值小于0x05DC，則它作為長度字段，表明數(shù)據(jù)幀是按照IEEE802.3標準進行封裝的。目前，市面上的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備普遍支持這兩種不同標準的數(shù)據(jù)幀，展現(xiàn)了高度的兼容性和互操作性。（2）LLC字段：邏輯鏈路控制（LogicalLinkControl）由三個字段構(gòu)成，分別是目的服務(wù)訪問點（DestinationServiceAccessPoint，DSAP）字段、源服務(wù)訪問點（SourceServiceAccessPoint，SSAP）字段，以及控制（Control）字段。這些字段各自發(fā)揮著特定的作用。DSAP/SSAP字段：兩者均占據(jù)1字節(jié)的空間。這些服務(wù)訪問點字段的意思與EthernetII標準中定義的類型字段或IP頭部中的協(xié)議字段類似，但其表達的含義并不僅限于上層的協(xié)議。舉例來說，若服務(wù)訪問點的值為06，則表明這是一個IP數(shù)據(jù)包；而若取值為AA，則意味著該數(shù)據(jù)幀使用了緊隨其后的SNAP字段。Control字段：長度為1字節(jié)，其常見的取值為0x03，發(fā)揮著特定的控制作用。（3）SNAP字段