数据链数层——计算机网络笔记

一、基本概念及基本问题

1、基本概念

（1）数据发送模型

  当我们专门研究数据链路层的问题时，在许多情况下我们可以只关心在协议栈中水平方向的各数据链路层。

（2）数据链路层使用的信道主要有以下两种类型

• 点对点信道：这种信道使用一对一的点对点通信方式。
• 广播信道：这种信道使用一对多的广播通信方式，因此过程比较复杂。广播信道上连接的主机很多，因此必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机的数据发送。

（3）点对点信道

链路与数据链路

  链路（link）是一条点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换结点。

• 一条链路只是一条通路的一个组成部分。

  数据链路（data link）除了物理线路外，还必须有通信协议来控制这些数据的传输。若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。

• 现最常用的方法是使用适配器（网卡）来实现这些协议的硬件和软件。
• 一般的适配器都包括了数据链路层和物理层这两层的功能。

点对点信道通信的步骤

1. 结点 A 的数据链路层把网络层交下来的 IP 数据报添加首部和尾部封装成帧；
2. 结点 A 把封装好的帧发送给结点 B 的数据链路层；
3. 若结点 B 的数据链路层收到的帧无差错，则从收到的帧中提取出 IP 数据报交给上面的网络层，否则丢弃这个帧。

2、三个基本问题

（1）封装成帧

  封装成帧（framing）就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部，然后就构成了一个帧。确定帧的界限。首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界。

（2）透明传输

  由于帧的开始和结束标记使用的是一串字符，所以当数据中出现了开始或结束标记时，就会出现以下的问题：

  上图所示的帧的传输显然就不是“透明传输”。透明是一个很重要的术语，它表示某一个实际存在的事物看起来却好像不存在一样。

  发送端的数据链路层在数据中出现控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入一个转义字符“ESC”（其十六进制编码是 1B）。接收端的数据链路层在将数据送往网络层之前删除插入的转义字符。如果转义字符也出现数据当中，那么应在转义字符前插入一个转义字符。当接收端收到连续的两个转义字符时，就删除其中前面的一个。

（3）差错控制

  比特传输过程中可能会产生比特差错：1 可能会变成 0，而 0 也可能变成 1，这就叫做比特差错。

  在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比率称为误码率 BER（Bit Error Rate）。 误码率与信噪比有很大的关系。 为了保证数据传输的可靠性，在计算机网络传输数据时，必须采用各种差错检测措施。

循环冗余检验 CRC

  在数据链路层传送的帧中，广泛使用了循环冗余检验 CRC 的检错技术。 在发送端，先把数据划分为组。假定每组 k 个比特。 假设待传送的一组数据 M = 101001（现在 k = 6）。我们在 M 的后面再添加供差错检测用的 n 位冗余码一起发送。

冗余码的计算

• 用二进制的模 2 运算（按位与运算）进行 $2^n$ 乘 M 的运算，这相当于在 M 后面添加 n 个 0。
• 得到的 (k + n) 位的数除以事先选定好的长度为 (n + 1) 位的除数 P，得出商是 Q 而余数是 R，余数 R 比除数 P 少1 位，即 R 是 n 位。

循环冗余检验的计算过程

  其中 M = 101001，假定除数 P = 1101（即 n=3），进行模 2 运算，得到最终的余数 R = 001。把余数 R 作为冗余码添加在数据 M 的后面发送出去。发送的数据是： $2^n M + R $ 即：101001001，共 (k + n) 位。

注：可以用生成多项式来表示循环冗余的除数，例 $P(X)=X^3+X^2+1$ 可以表示 1101 这个除数。

帧检验序列 FCS

  在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列 FCS，循环冗余检验 CRC 和帧检验序列 FCS并不等同。.

• CRC 是一种常用的检错方法，而 FCS 是添加在数据后面的冗余码。
• FCS 可以用 CRC 这种方法得出，但 CRC 并非是获得 FCS 的唯一方法。

接收端对收到的每一帧进行 CRC 检验

• 检验
  • 若得出的余数 R = 0，则判定这个帧没有差错，就接受。
  • 若余数 R != 0，则判定这个帧有差错，就丢弃。
• 特点：
  • 但这种检测方法并不能确定究竟是哪一个或哪几个比特出现了差错。
  • 即使使用 CRC 检验还是有巧合导致差错检验不到。但只要经过严格的挑选，并使用位数足够多的除数 P，那么出现检测不到的差错的概率就很小很小。

总结：CRC差错检测技术

  仅用循环冗余检验 CRC 差错检测技术只能做到无差错接受。无差错接受是指凡是接收端数据链路层接受的帧都没有传输差错（有差错的帧就丢弃而不接受）。要做到可靠传输就必须再加上确认和重传机制。考虑：帧重复、帧丢失、帧乱序的情况。可以说“CRC 是一种无比特差错，而不是无传输差错的检测机制”。（OSI/RM模型的观点：数据链路层要做成无传输差错的！但这种理念目前不被接受！）

二、两种情况下的数据链路层

1、使用点对点信道的数据链路层

  互联网用户通常都要连接到某个 ISP 才能接入到互联网。PPP 协议就是用户计算机和 ISP 进行通信时所使用的数据链路层协议。

（1）PPP 协议应该满足的要求

• 简单——这是首要的要求
• 封装成帧
• 透明性
• 多种网络层协议
• 多种类型链路
• 差错检测
• 检测连接状态
• 最大传送单元—— PPP 协议对每一种类型的点对点链路设置最大传输单元 MTU（1500 字节） 的标志默认值。
• 网络层地址协商
• 数据压缩协商

（2）PPP 协议的组成

  PPP 协议有三个组成部分：

• 一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法。PPP 既支持异步链路，也支持面向比特的同步链路。IP 数据报在 PPP 帧中就是其信息部分。这个信息部分的长度受最大传送单元 MTU 的限制。
• 一个用来建立、配置和测试数据链路连接的链路控制协议（LCP），通信的双方可协商一些选项。
• 一套网络控制协议（NCP），其中的每一个协议支持不同的网络层协议。

  高级数据链路控制协议（HDLC）是一个能够实现可靠传输的数据链路层协议，但现在 HDLC 已经很少使用了，大多使用 PPP。

（3）PPP 协议的帧格式

  PPP 帧的首部和尾部分别为四个字段和两个字段。首部的第一个字段和尾部的第二个字段都是标志字段 F，表示一个帧的开始或结束。首部中的地址字段 A 和控制字段 C，最初曾考虑以后再对这两个字段的值进行其他定义，但至今也没有给出。首部的第四个字段是 2 字节的协议字段。

（4）字节填充

  当信息字段中出现和标志字段一样的比特（0x7E）组合时，就需要进行转义。

• 将信息字段中出现的每个 0x7E 字节转变成 2 字节序列（0x7D，0x5E）；
• 若信息字段中出现一个 0x7D 的字节，则把 0x7D 转变成 2 字节序列（0x7D，0x5D）；
• 若信息字段中出现 ASCII 码的控制字符（即数值小于 0x20 的字符），则在该字符前面要加入一个 0x7D 字节，同时将该字符的编码加以改变。

（5）零比特填充

  PPP 协议用在 SONET/SDH 链路时，是使用同步传输（一连串的比特连续传送）。这时 PPP 协议采用零比特填充方法来实现透明传输。

  在发送端，先扫描整个信息字段，只要发现有 5 个连续的 1，则立即填入 0。接收端在收到一个帧时，先找到标志字段 F 以确定一个帧的边界，接着对比特流进行扫描，当发现 5 个连续 1 时，就把这 5 个 1 后的一个 0 删除，以还原原来的信息比特流，这样就保证了透明传输。

（6）PPP协议的工作状态

  当用户拨号接入 ISP 时，路由器的调制解调器对拨号做出确认，并建立一条物理连接。PC 机向路由器发送一系列的 LCP 分组（封装成多个 PPP 帧）。 这些分组及其响应选择一些 PPP 参数，接着进行网络层配置，NCP 给新接入的 PC 机分配一个临时的 IP 地址，使 PC 机成为因特网上的一个主机。

  通信完毕时，NCP 释放网络层连接，收回原来分配出去的 IP 地址；接着，LCP 释放数据链路层连接；最后释放的是物理层的连接。

2、使用广播信道的数据链路层

  广播信道可以进行一对多的通信，下面讲解在局域网中使用广播信道。

（1）局域网的数据链路层

  局域网最重要的特点是：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。主要优点有：

• 具有广播功能，从一个站点可很方便的访问全网。局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演变，各设备的备注可灵活的调制和改变；
• 提高了系统的可靠性、可用性和生存性。

按网络拓扑分类

（2）共享信道的两种方法

• 静态划分信道
  • 频分复用
  • 时分复用
  • 波分复用
  • 码分复用
• 动态媒体接入控制（多点接入）
  • 随机接入：随机接入的特点是所有的用户可随机地发送信息。但如果恰巧有两个或更多的用户在同一时刻发送信息，那么在共享媒体上就要产送碰撞，使得这些用户的发送都失败。因此，必须有解决碰撞的网络协议。（主要被以太网采用）
  • 受控接入：受控接入的特点时用户不能随机地发送信息而必须服从一定的控制。这类的典型代表有分散控制的令牌环局域网和集中控制的多点线路探询或称为轮询。（目前已不被采用）

3、认识以太网

  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。

  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，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。

4、CSMA/CD 协议

  CSMA/CD 的意思就是载波监听多点接入/碰撞检测。

（1）CSMA/CD 协议的要点

• 多点接入：表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。
• 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。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。
• 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发送数据，表明发生了碰撞。
  • 所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。
  • 检测碰撞后，每一个正在发送数据的站都要停止发送，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。

（2）电磁波在总线上的有限传播速率的影响

  当某个站监听到总线是空闲时，也可能总线并非真正是空闲的。 A 向 B 发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到 B。 B 若在 A 发送的信息到达 B 之前发送自己的帧（因为这时 B 的载波监听检测不到 A 所发送的信息），则必然要在某个时间和 A 发送的帧发生碰撞。 碰撞的结果是两个帧都变得无用。

（2）重要特性

• 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。

（3）争用期

  最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间 2t （两倍的端到端往返时延）就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。 经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。

以太网的争用期

• 以太网的端到端往返时延 2t 称为争用期，或碰撞窗口。通常，取 51.2us 为争用期的长度；
• 对于 10Mb/s 以太网，在争用期内可发送 512bit，即 64 字节；
• 以太网在发送数据时，若前 64 字节未发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。

最短有效帧长

• 如果发生冲突，就一定是在发送的前 64 字节之内；
• 由于一检测到冲突即中止发送，这时发送出去的数据一定小于 64 字节；
• 以太网规定了最短有效帧长为 64 字节（长度不够的用 0 补齐），凡长度小于 64 字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧（丢弃）。

（4）二进制指数类型退避算法

  发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟一个随机时间才能再次发送数据。

• 确定基本退避时间，一般取为争用期；
• 定义参数 k，k=Min[重传次数，10]；
• 从整数集合$[0，1，...，(2^k - 1)]$中随机地取出一个数，记为 r。重传所需的时延就是 r 倍的基本退避时间。
• 当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。

三、以太局域网（以太网）

1、概述

（1）以太网的两个标准

• DIX Ethernet V2 是世界上第一个局域网产品（以太网）的规约。
• IEEE 的 802.3 标准：
  • DIX Ethernet V2 标准与 IEEE 的 802.3 标准只有很小的差别，因此可以将 802.3 局域网简称为“以太网”。
  • 严格说来，“以太网”应当是指符合 DIX Ethernet V2 标准的局域网

（2）以太网与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 子层来说都是透明的 。

  由于 TCP/IP 体系经常使用的局域网是 DIX Ethernet V2 而不是 802.3 标准中的几种局域网，因此现在 802 委员会制定的逻辑链路控制子层 LLC（即 802.2 标准）的作用已经不大了。很多厂商生产的适配器上就仅装有 MAC 协议而没有 LLC 协议。

（3）以太网提供的服务

  以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。当接收站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，其他什么也不做。差错的纠正由高层来决定。如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但以太网并不知道这是一个重传的帧，而是当作一个新的数据帧来发送。

2、拓扑

（1）星型拓扑

  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。不用电缆而使用无屏蔽双绞线。每个站需要用两对双绞线，分别用于发送和接收。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） 。

（2）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。集线器使用了大规模集成电路芯片，因此这样的硬件设备的可靠性已大大提高了。 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。

（3）10Base-T

  10BASE-T：10 代表 10Mbit/s 的数据率，BASE 表示连接线上的信号是基带信号，T 表示双绞线。

  10BASE-T 的通信距离稍短，每个站到集线器的距离不超过 100 m。 这种 10 Mb/s 速率的无屏蔽双绞线星形网的出现，既降低了成本，又提高了可靠性。10BASE-T 双绞线以太网的出现是局域网发展史上的一个非常重要的里程碑，它为以太网在局域网中的统治地位奠定了牢固的基础。其他：100Base-FX、100Base-T 和 100Base-T4….

3、以太网的信道利用率

  争用期长度为 2t，即端到端传播时延的两倍。检测到碰撞后不发送干扰信号。帧长为 L（bit），数据发送速率为 C（b/s），因而帧的发送时间为 L/C=T0(s)。

  一个帧从开始发送，经可能发生的碰撞后，将再重传数次，到发送成功且信道转为空闲（即再经过时间 t 使得信道上无信号在传播）时为止，是发送一帧所需的平均时间。

（1）以太网的信道利用率：参数 a

• 要提高以太网的信道利用率，就必须减小 t 和 T0 之比。在以太网中定义了参数 a，它是以太网单程端到端延时 t 与帧的发送时间 T0 之比：a=t/T0。
• a—>0 表示一发生碰撞就立即可以检测出来，并立即停止发送，因而信道利用率很高。
• a 越大，表明争用期所占的比例增大，每发生一次碰撞就浪费许多信道资源，使得信道利用率明显降低。

（2）以太网的信道利用率：最大值

对以太网参数的要求

• 当数据率一定时，以太网的连线的长度受到限制，否则 t 的数值会太大。
• 以太网的帧长不能太短，否则 T0 的值会太小，使 a 值太大。

信道利用率的最大值

• 在理想化的情况下，发送数据都不会发生碰撞，即总线一旦空闲就有某一个站立即发送数据；
• 发送一帧占用线路的时间是 T0+t，而帧本身的发送时间是 T0。于是我们可计算出理想情况下的极限信道利用率 Smax 为： $Smax=T0/(T0+t)=1/(1+a)$

4、以太网的 MAC 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。

• IEEE 的注册管理机构 RA 负责向厂家分配地址字段的前三个字节（即高位 24 位）。
• 地址字段中的后三个字节（低位 24 位）由厂家自行指派，称为扩展标识符，必须保证生产的适配器没有重复地址。
• 一个地址块可以生成 2 的 24 次方个不同的地址，这种 48 位地址称为 MAC-48，通用名称是 EUI-48。
• “MAC 地址”实际上就是适配器地址或适配器标识符 EUI-48。

（1）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：一对一；
• 广播：一对全体，全 1 地址；
• 多播：一对多。

（2）以太网 V2 的 MAC 帧格式

  最常用的 MAC 帧是以太网 V2 的格式。

（3）无效的 MAC 帧

• 帧的长度不是整数个字节；
• 用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错；
• 数据字段的长度不在 46-1500 字节之间；
• 有效的 Mac 帧长度为 64-1518 字节之间；
• 对于检查出的无效 Mac 帧就简单的丢弃。以太网不负责重传丢弃的帧。

（4）帧间最小间隔

  帧间最小间隔为 9.6 us，相当于 96 bit 的发送时间。一个站在检测到总线开始空闲后，还要等待 9.6 us 才能再次发送数据。这样做是为了使刚刚收到数据帧的站的接收缓存来得及清理，做好接收下一帧的准备。

四、扩展以太网

1、在物理层考虑扩展

  主机使用光纤和一对光纤调制解调器连接到集线器。

  某大学有三个系，各自有一个局域网。

（1）用集线器扩展局域网优点

• 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。

（2）用集线器扩展局域网缺点

• 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。

2、在数据链路层考虑扩展

  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。

（1）用网桥扩展局域网优点

• 过滤通信量；
• 扩大了物理范围；
• 提高了可靠性；
• 可互连不同物理层、不同 Mac 子层和不同速率（如 10Mb/s 和 100Mb/s 以太网）的局域网。

（2）用网桥扩展局域网缺点

• 存储转发增加了时延；
• 在 MAC 子层并没有流量控制功能；
• 具有不同 MAC 子层的网段桥接在一起时时延更大；
• 网桥只适合于用户数不太多和通信量不太大的局域网，否则有时还会因传播过多的广播信息而产生网络堵塞。这就是所谓的广播风暴。

（3）透明网桥

  目前使用得最多的网桥是透明网桥。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，是一种即插即用设备，其标准是 IEEE 802.1D 。

（4）自学习算法

  网桥按照以下自学习算法处理收到的帧和建立转发表：

• 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。

网桥在转发表中登记以下三个信息

  在网桥的转发表中写入的信息除了地址和接口外，还有帧进入该网桥的时间。这是因为以太网的拓扑可能经常会发生变化，站点也可能会更换适配器（这就改变了站点的地址）。另外，以太网上的工作站并非总是接通电源的。把每个帧到达网桥的时间登记下来，就可以在转发表中只保留网络拓扑的最新状态信息。这样就使得网桥中的转发表能反映当前网络的最新拓扑状态。

自学习与帧转发

  网桥收到一帧后先进行自学习。查找转发表中与收到帧的源地址有无相匹配的项目。如没有，就在转发表中增加一个项目（源地址、进入的接口和时间）。如有，则把原有的项目进行更新。

  转发帧，查找转发表中与收到的帧的目的地址有无相匹配的项目。

• 如没有，则通过所有其他接口（但进入网桥的接口除外）按进行转发。
• 如有，则按转发表中给出的接口进行转发。若转发表中给出的接口就是该帧进入网桥的接口，则应丢弃这个帧（因为这时不需要经过网桥进行转发）。

（5）多接口网桥：交换机

  1990 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，可见交换机工作在数据链路层。

交换机的特点：

• 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。
• 交换机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。
• 以太网交换机由于使用了专用的交换结构芯片，其交换速率就较高。

（6）用交换机扩展以太网

独占传输媒体的带宽

  对于普通 10 Mb/s 的共享式以太网，若共有 N 个用户，则每个用户占有的平均带宽只有总带宽(10 Mb/s)的 N 分之一。使用以太网交换机时，虽然在每个接口到主机的带宽还是 10 Mb/s，但由于一个用户在通信时是独占而不是和其他网络用户共享传输媒体的带宽，因此对于拥有 N 对接口的交换机的总容量为 N*10 Mb/s，这正是交换机的最大优点。

3、生成树协议 STP

（1）广播风暴

（2）透明网桥使用了生成树算法

  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。为了避免产生转发的帧在网络中不断地兜圈子。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。

4、虚拟局域网 VLAN

  交换机的使用使得 VLAN 的创建称为可能。虚拟局域网 VLAN 是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组。虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务，而并不是一种新型局域网。

• 这些网段具有某些共同的需求。
• 每一个 VLAN 的帧都有一个明确的标识符，指明发送这个帧的工作站是属于哪一个 VLAN。

（1）跨交换机的VLAN

  每层楼都有一个交换机，将一楼和二楼相同部门的计算机组成VLAN如下图所示：

  若要划分更多 VLAN 可以从交换机分配出不同的 VLAN 并将不同的楼层相同的 VLAN 连通即可，将多个VLAN的连通用同一条链路连接的话，则该链路就是VLAN干道链路。

  VLAN 干道链路：如下图所示，一般使用统计时分复用技术，可以跑多个VLAN的数据。干道链路要跑公共的数据，所以该口带宽一般更高。

  主要链路需要跑多个 VLAN 数据就需要配置成干道链路。如下图中 VLAN4 的市场部的链路中只有一个 VLAN ，该链路可以设置成非干道链路接口即访问链路。

（2）ISL 标记

  ISL 干道使 VLAN 能够跨骨干。

• 通过特定集成电路来实现；
• 不需要再客户计算机上采取配置，客户机不能够看到ISL头；
• 在交换机之间，路由器和交换机，交换机和支持 ISL 网卡的服务器之间配置。

  ISL 思科交换链路内协议，是思科私有协议，主要用于维护交换机和路由器间的通信流量等 VLAN 信息。交换机支持的打标封装协议有 IEEE802.1Q 和 ISL 。其中 IEEE802.1Q 是经过 IEEE认证的对数据帧附加 VLAN 识别信息的协议，属于国际标准协议，适用于各个厂商生产的交换机；而 ISL 是 Cisco 系列交换机支持的一种与 IEEE802.1Q 类似的协议。两者互不兼容，ISL 是 Cisco 独有的协议，只能用于 Cisco 网络设备之间的互联。

虚拟局域网帧格式

  虚拟局域网协议允许在以太网的帧格式中插入一个 4 字节的标识符，称为 VLAN 标记(tag)，用来指明发送该帧的工作站属于哪一个虚拟局域网。

五、高速以太网

  速率达到或超过 100Mb/s 的以太网称为高速以太网。在双绞线上传送 100Mb/s 基带信号的星型拓扑以太网，仍使用 IEEE 802.3 的 CSMA/CD 协议。100BASE-T 以太网又称为快速以太网。

1、100BASE-T

100BASE-T 以太网的物理层：

• 100BASE-TX：使用 2 对 UTP 5 类线或屏蔽双绞线 STP；
• 100BASE-FX：使用 2 对光纤；
• 100BASE-T4：使用 4 对 UTP 3 类线或 5 类线。

100BASE-T 特点：

• 可在全双工方式下工作而无冲突发生。
• 最短帧长不变，但将一个网段的最大电缆长度减小到 100m。
• 帧间时间间隔从原来的 9.6us 改为现在的 0.96us。

2、吉比特以太网

• 允许在 1 Gb/s 下全双工和半双工两种方式工作。
• 使用 802.3 协议规定的帧格式。
• 在半双工方式下使用 CSMA/CD 协议（全双工方式不需要使用 CSMA/CD 协议）。
• 与 10BASE-T 和 100BASE-T 技术向后兼容。
• 当吉比特以太网工作在全双工方式时（即通信双方可同时进行发送和接收数据），不使用载波延伸和分组突发。

吉比特以太网的物理层

  1000BASE-X：基于光纤通道的物理层；

• 1000BASE-SX：SX 表示短波长；
• 1000BASE-LX：LX 表示长波长；
• 1000BASE-CX：CX 表示铜线；
• 1000BASE-T：使用 4 对 5 类线 UTP。

吉比特以太网的配置

10 吉比特以太网

• 10 吉比特以太网与 10 Mb/s，100 Mb/s 和 1 Gb/s 以太网的帧格式完全相同。
• 10 吉比特以太网还保留了 802.3 标准规定的以太网最小和最大帧长，便于升级。
• 10 吉比特以太网不再使用铜线而只使用光纤作为传输媒体。
• 10 吉比特以太网只工作在全双工方式，因此没有争用问题，也不使用 CSMA/CD 协议。