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1.数据链路层基础

• 
  数据链路层的基本概念
  

  • 数据链路层是OSI参考模型中的第二层，它以物理层为基础，向网络层提供可靠的服务，因此要求该层能够建立和维持一条或多条没有数据发送错误的数据链路，并在数据传输完毕能够释放数据链路。
  • “链路” 是一条无源的点到点的物理线路段，中间没有任何其它的交换节点
  • “数据链路”是在链路上加上了必要的控制规程和实现这些规程的硬件和软件后而构成。
  • 数据链路层最重要的作用就是：
    
    通过一些数据链路层协议（即链路控制规程），在不太可靠的物理链路上实现可靠的数据传输。
    
    • 数据链路层的主要功能
      • 链路管理：即数据链路的建立、维持和释放。
      • 帧同步：是指收方应当能从收到的比特流中准确地区分出一帧的开始和结束在什么地方。数据链路层的数据传送单位是帧。数据一帧一帧传送。
      • 流量控制：发送方发送数据的速率必须使收方来得及接受。
      • 差错控制：将数据传输错误控制在规定的范围内。采用的方法主要有：前向纠错和检错重传。
      • 将数据和控制信息区分开：要有相应的措施使收方能够将它们分开。
      • 透明传输：既不管所传数据是什么样的比特组合，都应当能在链路上传送。
      • 寻址：必须保证每一帧都能发送到正确的目的站
  • 停止等待协议

    • 不需要协议的数据传输

      在发送方和收方的链路层分别有一个发送缓存和接收缓存。如果进行全双工通信，则在每一方都要同时设有发送缓存和接收缓存。
      

    • 具有最简单流量控制的数据链路层协议

      为了使收方的接收缓存在任何情况下都不会溢出，最简单 的方法就是发方每发送一帧就暂时停下来。
      收方收到数据后帧 后就交付主机，然后发一信息给发方，表示接收任务已完成。这时发方才再发送下一个数据帧。
      由收方控制发方的数据流量，是计算机网络中流量控制的一个基本方法。
      

    • 停止等待协议

        收方在收到一个正确的数据帧后，即交付主机，同时向发方发送一个确认帧ACK。收方收到确认帧ACK后才能发送一新的数据帧。
        当发现差错时，收方向发方发送一个否认帧NAK，表示发方应当重传出现差错的那个数据帧。
        要解决死锁问题是让发方发送完一帧就启动一个	超时计时器。
        若到了超时计时器所设置的重传时间仍收不到对方的任何确认帧，则发方就重传前面所发送的这一数据帧。
      
        要解决重复帧的问题，必须使每一个数据帧带上不同的发送序号。每发送一个新的数据帧就把它的发送序号加1。
        若收方收到发送序号相同的数据帧，就表明出现了重复帧。这时应当丢弃这个重复帧，因为已经收到过同样的数据帧并且也交付主机了。
        但这时收方还必须发送一个确认帧ACK。
        在停止等待协议中，由于每发送一个数据帧就停止等待，因此只要用一个比特进行编号。
        数据帧的发送序号就以0和1交替的方式出现在数据帧中。每发送一个新的数据帧，发送序号就和上次的不一样。
        由于发送端对出错的数据帧进行重传是自动的，所以这种差错控制体制常简称为ARQ(Autumatic Repeat request)，直译是自动重传请求，意思就是自动请求重传。
      

  • 连续ARQ协议
    • 连续ARQ协议的特点是在发送完一个数据帧后，不是停下来等待确认帧，而是可以连续再发送若干个数据帧，如这时收到了接收端发来的确认帧，就可以接着发送数据帧。
    • 收方结点可以有两种选择：
      • 一种是在出现差错时就向发方发送否认帧
      • 另一种则是在出现查错时不做任何响应。现在假定采用后一种协议。
    • 要注意两点：
      
      – 接收端只按序接收数据帧。虽然在有错的帧后又收到正确的数据帧，但都必须将它们丢弃。
      
      – 发送方在发送完一个数据帧时都要设置超时计时器。只要到了所设置的超时时间仍未收到确认帧，就要重传相应的数据帧。
    • 连续ARQ又称为Go-back-N ARQ，即当出现差错必须重传，要向回走N个帧，然后再开始重传。
  • 滑动窗口协议
    • 要在发送端和接收端分别设定发送窗口和接收窗口来进行流量控制。
    • 发送窗口用来对发送端进行流量控制，发送窗口的大小WT就代表在还没有收到对方确认信息的情况下发送端最多可以发送多少个数据帧。即用窗口对收到确认之前可以发送的数据帧的数目进行了限制。在发送端只有落入发送窗口的数据帧才能发送出去，发完后如果还没有收到任何确认信息，就不能再发送。
    • 接收窗口是为了控制可以接受哪些数据帧而不可以接受哪些数据帧。在接收端只有当收到的数据帧的发送序号落入接收窗口内才允许将该数据帧收下。其他帧一律丢弃。保证帧的接收顺序。
    • 在连续ARQ协议中，接收窗口的大小WR=1。接收窗口的规则很简单：
      • (1)只有当收到的帧的序号与接收窗口一致时才能接收该帧，否则就丢弃它。
      • (2)每收到一个序号正确的帧，接收窗口就向前（即向右方）滑动一个帧的位置，同时向发送端发送对该帧的确认。
    • 连续ARQ协议还规定接收端不一定每收到一个正确的数据帧就必须发回—个确认帧，而是可以在连续收到好几个正确的数据帧以后，才对最后一个数据帧发确认。对某一数据帧的确认就表明该数据帧和这以前所有的数据帧均已正确无误地收到了。
    • 滑动窗口协议：只有在接收窗口向前移动时，发送窗口才有可能向前移动。由于收发两端的窗口按照一定规律不断向前移动，因此这种协议又称为滑动窗口协议。

• 
  链路控制规程HDLC（High-Level Data Link Control）
  

  • 数据链路分类
    • 数据链路层协议分为两大类:
      • 面向字符的传输控制规程
      • 面向比特的传输控制规程
    • 即它们所传信息的基本单位分别是字符和比特。
    • 面向字符的链路规程
      • 就是在链路上所传送的数据必须是由规定字符集中的字符所组成，同时，在链路上传送的控制信息也必须由同一个字符集中的若干指定的控制字符构成。
      • 如著名的BSC规程，其限制主要是:
        • 通信线路的利用率低；
        • 所有通信的设备必须使用同样的字符代码，而不同版本的BSC规程要求使用不同的代码；
        • 可靠性较差；
        • 不易扩展，每增加一种功能就需要设定一个新的控制字符。
    • 面向比特的链路规程
      • 取消了字符集的限制，数据可以是任意二进制编码。控制信息由协议规定的二进制编码表示。典型代表IBM公司的SDLC
      • ISO把SDLC修改后称为HDLC(High-level Data Link Control)，译为高级数据链路控制，作为国际标准ISO 3309。我国的相应国家标准是GB 7496。
      • CCITT则将HDLC再修改后称为链路接入规程LAP，并作为X.25建议书的一部分。不久，HDLC的新版本又把LAP修改为LAPB，“B”表示平衡型，所以LAPB叫做链路接人规程(平衡型)。
  • HDLC适用环境与数据传输方式
    • HDLC两种基本配置：非平衡配置与平衡配置

  配置类型	特点	数据传输方式
  非平衡配置	♠ 由一个主站控制整个链路的工作。 ♠主站发出的帧叫做命令。 ♠受控的各站叫做次站或从站。 ♠次站负责执行主站指示的操作，次站发出的帧叫做响应。	♠正常响应方式NRM，其特点是只有主站才能发起向次站的数据传输，而次站只有在主站向它发送命令帧进行轮询时，才能以响应帧的形式回答主站。 ♠异步响应方式ARM，次站不需要等待主站发过来命令，而是可以主动向主站发送响应帧。
  平衡配置	♠ 只能是点对点工作。 ♠链路两端的两个站都是复合站。 ♠复合站同时具有主站和从站的功能。 ♠每个复合站都可以发送命令和响应。	♠异步平衡方式ABM，即每个复合站都可以平等地发起数据传输，而不需要得到对方复合站的允许。

  • HDLC的帧结构
    • 数据链路层的数据传送以帧为单位，一个帧的结构具有固定的格式。从网络层交下来的分组，变成数据链路层的数据，被封装在信息字段（长度可变）。在信息字段的首尾各加上24比特的控制信息，就构成了一个完整的帧。
      • 帧结构所具有的固定格式实现了控制信息与数据的分离。
        
        
    • HDLC帧各字段：
      • 
        标志字段F
        
        ：帧同步，透明传输
        • 帧同步：就是从收到的比特流中正确无误地判断出一个帧从那个比特开始以及到那个比特结束
        • HDLC规定的帧边界符：“01111110”也称为标志字段（Flag）。在接收端，只要找到标志字段就可以很容易地确定一个帧在比特流中的位置。
        • 帧的透明传输：在两个标志字段之间的比特串中，如果碰巧出现了和标志字段F一样的比特组合，就会被误认为是帧的边界。HDLC采用了零比特填充法来避免在帧的两个标志字段之间出现6个连续的“1”。

        零比特填充法：
        
        在发送端，对尚未加上标志字段的比特串进行扫描，每当发现5个连续的“1”，就立即插入一个“0”。这样经过零比特填充的数据，就可以保证不会出现6个连续的“1”。
        
        在接收端，每收到一个帧，先找到标志字段以确定帧的边界，接着再对其中的比特流进行扫描，每当发现5个连续的“1”，就将其后紧跟的“0”删去，还原成原来的比特流。

      • 
        地址字段(Address)
        
        ：寻址

        HDLC采用单地址方式。在使用非平衡方式传输数据时，地址字段总是写入次站的地址；在平衡方式时，地址字段总 是填入确认站的地址。
        
        广播地址：“11111111”
        
        无效地址：“00000000”
        
        有效地址数：254个

      • 
        帧校验序列(Frame Check Sequence)
        
        ：差错控制
        • 检验方法：CRC校验。
        • 检验范围：从地址字段的第一个比特起，到信息字段的最末一个比特止。
      • 
        信息字段(Information)
        
        ：信息传递。包含网络层的协议数据单元PDU。
      • 
        控制字段C
        
        ：共8位，是最复杂的字段，HDLC的许多重要功能都靠控制字段来实现。

• 根据该字段最前面两位的取值，可将HDLC帧划分为三大类：信息帧I、监督帧S和无编号帧U。
  
  

  • 信息帧I：执行信息的传输
    • 发送序号N(S)表示当前发送的信息帧的序号。
    • 接收序号N®表示这个站所期望收到的帧的发送序号。
    • N®带有确认的意思，表示序号为N®-1的帧及这以前的各帧都已正确接收。(不必专门发送确认帧，使用信息帧捎带确认信息)
  • 监督帧S：
    • 若控制字段的第1、2比特的值为“1 0”，则对应的帧为监督帧。
    • 监督帧不含要传送的数据信息，因此它只有48bit长。
    • 监督帧共有四种，取决于第3、4位的值。分别是：
      • 00：接收就绪（RR），由主站或从站发送。
      • 01：拒绝（REJ），由主站或从站发送，用以要求发送方对从编号为N®开始的帧及其以后所有的帧进行重发，同时表示N®-1帧及这以前的帧都已正确接收。
      • 10：接收未就绪（RNR），表示目前正处于忙状态，尚未准备好接收编号为N®的帧，但编号N®-1帧及这以前的帧都已正确接收，这可用来对链路流量进行控制。
      • 11：选择拒绝（SREJ），它要求发送方发送编号为N®的单个I帧．并表示其它编号的I帧已全部确认。
  • 无编号帧U：
    • 若控制字段的第1、2比特的值为“11”，则对应的帧为无编号帧。
    • 无编号帧不带编号，即没有N(S)和N®字段。
    • 无编号帧用第3、4、6、7、8比特的各种组合来表示不同的功能。虽然有32种不同的组合，但实际上目前只定义了15种无编号帧。
    • 无编号帧主要起控制作用（如链路的建立和释放），可在需要时随即发出。

  P/F比特说明：
  
  P/F比特为0时无意义。
  
  在非平衡配置的正常响应方式中：
  
  从站不能主动向主站发送信息。从站只有收到主站发出的P比特为1的命令帧(S帧或I帧)以后才能发送响应帧。
  
  从站若有数据发送，则在最后一个数据帧中将F比特置1。若无数据发送，则在响应的S帧中将F比特置1。

• Internet的点对点协议PPP

  • PPP协议简介
    • 用户接入Internet一般有两种方法：拨号接入和专线接入。
    • 不论用那种方法，都要使用数据链路层协议。
    • 其中以PPP协议使用最多，所以说目前世界上用得最多的数据链路层协议不是HDLC，而是PPP（Point to Point Protocol）协议。因为PPP较HDLC简单。
  • PPP协议是目前使用最广泛的数据链路层协议，这是因为它具有以下特性：
    • 能够控制数据链路的建立；
    • 能够对IP地址进行分配和使用；
    • 允许同时采用多种网络层协议；
    • 能够配置和测试数据链路；
    • 能够进行错误检测；
    • 有协商选项，能够对网络层的地址和数据压缩等进行协商
      
      
  • PPP协议的组成：
    • 物理层实现点对点，一个将IP数据报封装到串行链路的方法。PPP即支持异步链路也支持面向比特的同步链路。
    • 数据链路层实现建立和配置连接，用来建立、配置和测试数据链路连接的协议链路控制协议(LCP) 。
    • 网络层用来配置不同的网络，网络控制协议(NCP)支持不同的网络层协议，如IP等
  • PPP协议帧格式
    • PPP不是面向比特而是面向字节的，所有的PPP帧的长度都是整数个字节。
      
      
    • PPP帧格式说明：
      • 由于PPP协议即支持面向字符的异步链路，也支持面向比特的同步链路，所以其帧长都是字节的整倍数。
      • PPP的协议字段：长度2字节。对应该字段的不同取值，指明了数据字段所封装的协议类型。

        如0021H表示信息字段为IP数据报、CO21H表示信息字段为链路控制数据LCP、8021H表示信息字段为网络控制数据NCP
        

      • 传输透明性：对同步链路，采用和HDLC相同的方法(由硬件实现)。对异步链路则采用特殊的字符填充方法：7E变为7D,5E、7D变为7D,5D。
      • PPP不提供使用序号和确认的可靠传输。无流量和差错控制，但PPP有差错检测 ，若发现有差错，则丢弃该帧，因此PPP协议可保证无差错接受。
  • PPP协议的工作过程：
    
    
    • 使用PPP协议接入因特网的过程：
      • 
        1.
        
        .建立物理链路：当用户拨入ISP时，路由器的调制解调器对拨号做出确认，并建立一条物理链路。
      • 
        2.
        
        .建立数据链路：PC机向路由器发送一系列包含LCP协议信息的PPP帧，双方通过交换LCP协议分组，协商一些PPP参数。如：链路最大帧长、鉴别协议、是否使用地址和协议字段、链路质量等。
      • 
        3.
        
        .LCP分组的封装：协议字段值，信息字段值
      • 
        4.
        
        .身份鉴别：PPP协议支持两种鉴别协议。
        • PAP：基于用户名和口令的鉴别方式。
        • CHAP：询问握手鉴别方式。
      • 
        5.
        
        .网络层配置：PPP支持一套网络控制协议，其中的每个协议支持不同的网络层协议。对于常用的IP协议，对应的网络控制协议为IPCP。IPCP分组被封装在PPP帧中传输。
        
        IPCP协议用来对PPP链路的每端配置IP协议(包括分配IP地址)。
      • 
        6.
        
        .数据通信：当完成网络层配置后，链路就进入打开状态，用户这时就可以访问Internet了。
      • 
        7.
        
        .链路终止：当链路的一端发出终止请求后，得到对方的确认，则链路终止。

2.局域网的体系结构

• 什么是局域网

  • 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都有限。所覆盖的地理范围和站点数量均有限。局域网的传输速率较快，误码率较低，安装和使用比较简单。
  • 局域网可以按网络拓扑结构进行分类：有星形网；有环形网；有总线网；有树形网。
  • 局域网可以使用多种传输媒体：双绞线、同轴电缆、光纤

• 局域网的层次模型

  • 局域网的体系结构由美国电气和电子工程师学会IEEE的802委员会制定，称为IEEE802参考模型。
    
    
  • 局域网体系结构的特点：
    • 局域网是一个通信网，且在局域网中没有路由问题，因此它不需要网络层，与OSI模型相比，只有最低的两个层次——物理层和数据链路层。
    • 因为局域网的种类繁多，媒体接入控制的方法也各不相同，所以为使局域网中的数据链路层不致于太过复杂，就将局域网的数据链路层划分为两个子层，即：媒体接入控制或媒体访问控制MAC子层和逻辑链路控制LLC子层。
    • 因为传输媒体和拓扑结构对于局域网非常重要，局域网参考模型中还包括了对传输媒体和拓扑结构的规约。

  MAC地址:
  
  接入局域网的计算机都有一个唯一的物理地址，或称MAC地址。
  
  802标准为局域网上的每一个站规定了一种48bit的全局地址。
  
  MAC地址采用6字节（48位）二进制数表示。
  
  MAC地址的前三个字节由IEEE分配，后三个字节由制造商自行分配。
  
  MAC地址被固化在网卡中。

• IEEE802标准系列

  802.1——主要提供高层标准的框架。
  802.2——逻辑链路控制(LLC)。
  802.3——载波侦听多路访问(CSMA／CD)。
  802.4——令牌总线网。
  802.5——令牌环形网。
  802.6——城域网MAN。
  802.7——宽带技术咨询组。
  802.8——光纤技术咨询组。
  802.9——综合话音／数据局域网。
  802.10——可互操作的局域网安全标准。
  802.11——无线局域网WLAN。
  802.12——按需优先存取网络100VG-ANYLAN。
  802.14——基于有线电视的宽带通信网络。 
  802.15：无线个人网WPAN
  802.16 ：宽带无线接入
  802.17：弹性分组环传输技术PRP
  

• 媒体访问控制方法

  • 局域网中，挂接在网络上的各站点都是使用共享的公共传输媒体发送数据，而且要确保在一个站点发送数据时一定要独享公共传输媒体，当一个站点通过电缆发送数据时，别的站点必须等待。这样就存在着对传输媒体的争用以及争用后如何使用传输媒体的问题，也就构成了对媒体的控制方法，即媒体访问控制方法。
  • 常用的媒体控制方式有：用于以太网的带有冲突检测的载波监听多路访问CSMA/CD；用于令牌环网的令牌控制；以及令牌总线控制。

3. 以太网标准

• 
  CSMA/CD与传统以太网
  
  • 以太网工作原理
    • 所有计算机共享这个单一的总线。
    • 任何计算机都通过总线向其它计算机发送数据，但在任何时候只能有一台计算机发送信号，其它都处于接收状态。
    • 在数据帧的传送过程中发送计算机独占使用整个电缆，此计算机完成数据帧传输后，共享电缆才能为其它计算机使用。
  • 如果多台计算机同时发送数据，就会出现不同信号在总线相互叠加而互相破坏，这就是发生了冲突。因此需要一种机制来协调通信，使冲突发生的可能性最小。在以太网中使用的介质访问控制方法就是带有冲突检测的载波监听多路访问CSMA/CD(802.3标准)。
  • CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）原理

    • 载波监听多路访问CSMA 的基本思想

      网络上任一站点要发送，先监听总线，若总线空闲，则立即发送，若总线正被占用，则等待某一时间后再发送。
      

    • 冲突检测CD

      冲突检测CD就是边发送边监听，只要监听到发生冲突，则冲突的双方就必须停止发送。
      

    • CSMA/CD的要点

      任何想发送数据的站点必须进行监听，监听到总线有空闲就发送数据帧，并继续监听，如监听到发生了冲突，则立即停止此数据帧的发送。
      

    • CSMA/CD流程图
      
      

    • 争用期

      • 强化冲突：当发送帧的站一旦发现发生了冲突时，除了立即停止发送数据外，还要再继续发送若干比特的人为干扰信号，以便让所有用户都知道现在已经发生了冲突。
      • 每个站发送数据刚刚开始的一段可能发生冲突的时间间隔称为争用期。
      • 争用期越是小于一个帧的发送时间，CSMA/CD的优越性就越显著。
        • 以太网取51.2μs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。
        • 51.2s×10Mb/s = 512bit = 64B
        • 因此以太网在发送数据时，如果前64字节没有发生冲突，那么后续的数据就不会发生冲突，以太网就认为这个数据帧的发送是成功的。
        • 换言之，如果发生冲突，就一定是在发送的前64字节之内。由于一检测到冲突就立即中止发送，这时已经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，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。

    • 最小MAC帧长和帧间隔：

      • 802.3以太网的最小帧长46(LLC)+18(MAC)=64字节。
      • 规定最小帧长是为了解决冲突检测中可能出现的问题，即如果帧太短，冲突有可能在帧发送完出现，这样发送端就检测不到了。
      • 最大作用距离和最小帧长两者一起保证了所有冲突都可以被检测到。
      • 802.3标准规定了帧间隔为9.6s，即一个站在检测到介质空闲后，还要等9.6s才能发送数据。可使刚收到数据的站来得及做好接收下一帧的准备。

    • 传统以太网

      • 粗缆以太网10Base5
        
        
      • 细缆以太网10Base2
        
        
        • 构建10Base2使用的设备有：网卡NIC、细同轴电缆、BNC-T连接器、终止器。
      • 10Base-T（802.3i标准）
        • 10BASE-T称为双绞线以太网，它采用星形拓扑结构，使用非屏蔽双绞线电缆，最大长度为100m，数据传输速度仍为10Mb/s。
        • 构建10Base-T的设备：
          • 网卡
          • 集线器
          • 双绞线电缆
          • RJ-45连接器
        • 在使用双绞线媒体时，每个站点需要使用两对双绞线，分别用于发送和接收数据。
          
          
• 
  以太网帧格式
  
  • 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
    
    

    • IEEE 的 802.3规定的MAC帧稍复杂。
      
      
  • 无效的 MAC 帧
    • 数据字段的长度与长度字段的值不一致；
    • 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 帧就简单地丢弃。以太网不负责重传丢弃的帧。
• 
  快速以太网
  
  • 100BASE-T被称为快速以太网，其标准是802.3u。基于集线器在双绞线上传送100Mb/s基带信号的星形拓扑以太网，仍然使用CSMA/CD协议。
  • 100Base-T保持了10 Base-T的最短帧长及帧格式不变，定义了三种不同的物理层标准：100Base-TX、100Base-FX和100Base-T4 。
  • 100Base-T4：4对3类或5类UTP线，3对线传送数据，每对线数据传输率33.3Mb/s，另一对线用作冲突检测。
  • 100Base-TX：2对5类UTP双绞线或1类STP双绞线。
  • 100Base-FX：一对多模光纤，或使用单模光纤距离可达2公里。
• 
  千兆位以太网
  
  • 1000Base-X，802.3z标准（基于光纤通道的物理层）
    • 1000Base-SX：用多模光纤，距离300~550米。
    • 1000Base-LX：用单模光纤距离3km或多模光纤距离300~500m。
    • 1000Base-CX：屏蔽双绞线STP，距离25米。
  • 21000Base-T，802.3ab标准
    • 1000Base-T：用4对5类UTP，距离25~100米。
  • 千兆位以太网引入了载波扩展和分组突发传输技术。
  • 载波扩展就是适当增加帧的长度，即千兆位以太网对用户的最小帧长度要求仍然为64字节时，实际传输的帧长度是512字节，当发送帧长不足512字节时，就用一些特殊字符填充在帧的后面，使其长度达到512字节，以保证在数据发送期间站点能够检测到冲突并采取相应的措施。
  • 分组突发传输技术，是让载波扩展只用于突发数据帧的第1帧。就是当很多短帧要发送时，第一个短帧要用载波扩展的方法进行填充，但随后的短帧则可以一个接一个地发送，它们之间只需留有必要的帧间最小间隔即可。
• 
  万兆位以太网
  
  • 万兆位以太网正式标准于2002年6月完成，即IEEE802.3ae。万兆位以太网又称10吉比特以太网。
  • 万兆位以太网的主要有以下特点：
    • MAC子层的帧格式与10Mb/s、100Mb/s和1Gb/s以太网的帧格式完全相同。
    • 由于数据率很高，万兆位以太网的传输媒体不再使用铜线而只使用光纤。
    • 万兆位以太网只工作在全双工方式，因此不存在争用问题，也就不使用CSMA/CD协议。
    • 万兆位以太网定义了两种不同的物理层：
      • （1）局域网物理层LAN PHY。
      • （2）广域网物理层WAN PHY。

4.以太网设备与相关技术

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  中继器和集线器
  
  • 中继器
    • 中继器的作用是连接两根电缆，当它检测到一根电缆中有信号传来时，便将信号放大并转发到另一根电缆，这样一个中继器就把一个以太网的有效连接距离扩大一倍。
    • 中继器连接的两根以太网电缆称为网段。
    • 中继器是工作在物理层的设备。它没有物理地址。
    • 中继器的缺点是会在网段之间传送无效的信号，使得在一个网段中发生的冲突或干扰被扩散到其他的网段。
  • 集线器
    • 集线器是一个多端口中继器，它接收相连设备的信号并完整转发出去。
    • 在以太网中，集线器通常是支持星形或混合形拓扑结构的。必须遵守5-4-3-2-1规则，即只能连接5个网段，使用4个集线器，只能有3个网段可以连接计算机，2指的是一个网段只能有两个节点，且其中一个节点必须是计算机。
    • 集线器是工作在物理层的设备，它的每个端口都具有发送和接收数据的功能。当集线器的某个端口接收到信号，就简单地将该信号向所有端口转发。
    • 集线器有多种类型：独立式集线器、堆叠式集线器、、模块式集线器、智能型集线器。
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  网桥与生成树算法
  
  • 网桥也称桥接器，是工作在链路层，用于连接两个局域网，扩展网络的距离。一般情况下，被连接的局域网具有相同的逻辑链路控制规程LLC，但在介质访问控制协议MAC上可以不同。
  • 网桥也称桥接器，是工作在链路层，用于连接两个局域网，扩展网络的距离。一般情况下，被连接的局域网具有相同的逻辑链路控制规程LLC，但在介质访问控制协议MAC上可以不同。
  • 当一帧网桥从某个端口到达时，网桥将接收进来的帧存在缓存，通过查找地址映射表完成寻址，若此帧未出现差错，且要发往的目的站MAC地址属于另一个网段，则将收到的帧送到对应的端口转发出去。否则就丢弃此帧。
  • 在同一网段中通信的帧及有差错的帧或无效信息，不会被网桥转发到另一个网段去。
  • 网桥帧过滤功能是阻止某些帧通过网桥。帧过滤有3种类型：目的地址过滤、源地址过滤和协议过滤。
    • 目的地址过滤指的是当网桥接收到一个帧后，首先确定其源地址和目的地址，如果源地址和目的地址处在同一个局域网中，就简单地将其丢弃，否则就将其转发到另一个局域网上。
    • 源地址过滤是指网桥拒绝某一特定地址（站点）发出的帧。
    • 协议过滤是指网桥能用帧中的协议信息来决定是转发还是滤掉该帧。
  • 透明网桥
    • 透明网桥的基本思想是：网桥自动了解每个端口所接网段的机器地址（MAC地址），形成一个地址映射表，网桥每次转发帧时，先查地址映射表表，如查到，则向相应端口转发，如查不到，则向除接收端口之外的所有端口转发或扩散。
    • 透明网桥记录接受帧的源地址与端口的映射，通过查看转发帧的源地址就可以知道通过哪个端口可以访问某个站点。
    • 为了提高扩展局域网的可靠性，可以在局域网之间设置并行的两个或多个网桥，但这样配置引起一个帧在网络中不停地兜圈，从而使网络无法正常工作。
      
      
    • 生成树算法
      • 解决的方法是让网桥相互通信，并用一棵覆盖到每个局域网的生成树覆盖实际的拓扑结构。找出原来的网络拓扑的一个子集，在此子集中整个连通的网络中不存在回路，在任何两个站点之间只有一条通路。一旦生成树确定了，网桥就会将某些接口断开，以确保从原来的拓扑得出一个生成树。生成树算法选择一个网桥作为支撑树的根（例如，选择一个最小序号的网桥），然后以最短通路为依据，找到树上的每一个站点。
  • 源路径网桥
    • 其核心思想是发送站知道目的站的位置，并将路径中间所经过的网桥地址包含在帧头中一并发出，路径中的网桥依照帧头中的下一站网桥地址将帧一一转发，直到将帧传送到目的地。
• 
  交换式以太网和交换机
  
  • 交换式以太网
    • 传统的共享式局域网中，各站点去竞争并共享网络带宽。当用户增多时，分到每个用户的带宽就会相应减少。在10Mb/s的网络中，如果有L个用户，则每个用户占有的平均带宽只有10Mb/s的L分之一。
    • 交换式以太网的核心是一个以太网交换机。交换机的主要特点是：每个端口直接与主机相连，当计算机要通信时，交换机能同时连通许多对的端口，使每一对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样，进行无冲突的传输数据，通信完成后就断开连接。
    • 在使用交换机时，如果每个端口为10Mb/s，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，因此对有N对端口的交换机，系统总带宽可达N×10Mb/s。
  • 交换机
    • 交换机是属于OSI第二层的设备。也被称为是多端口的网桥，其中每个端口构成一个独立的局域网网段，交换机中有一个端口提供到主干网的高速上行链路。它还能够解析出MAC地址信息。交换机的所有端口都共享同一指定的带宽。连接到交换机上的设备都可以享有它们自己的专用信道。
    • 与网桥一样，交换机可以识别帧中的MAC地址，根据MAC地址进行转发，并将MAC地址与对应的端口记录在自己内部的地址映射表中。
    • 从以太网的观点来看，每一个专用信道都代表了一个冲突检测域。冲突检测域是一种从逻辑或物理意义上划分的以太网网段。在一个段内，所有的设备都要检测和处理数据传输冲突。
  • 局域网交换机有三种数据交换方式：直通交换；存储转发交换；无碎片直通交换
    • 直通交换模式：在接受数据帧的同时就立即按帧头中的目的地址，把数据转发到目的端口。只检查数据的帧头（通常只检查14个字节）。
    • 存储转发交换模式：把整个数据帧读入内存并检查其正确性。滤掉不正确的帧，确认帧正确后，取出目的地址，把数据转发到目的端口。
    • 无碎片直通交换模式：是介于直通式和存储转发式之间的一种解决方案，它检查数据帧的长度是否够64字节，如果小于64字节，说明该帧是碎片（即在信息发送过程中由于冲突而产生的残缺不全的帧），则丢弃该帧，如果大于64字节，则发送该帧。
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  虚拟局域网VLAN
  
  • 虚拟局域网（VLAN）：由于交换机所具有的数据处理能力，又引出了一些新的网络服务如VLAN。
    • 不同物理网段的站点可以按需求分成若干个逻辑工作组。每一个逻辑工作组就是一个虚拟网VLAN
    • VLAN在逻辑上等价于广播域。VLAN可类比成一组最终用户的集合。这些用户可以处在不同的物理局域网上，但他们之间可以象在同一 个局域网上那样通信而不受物理位置的限制。
    • 虚拟局域网是以太网交换机为用户提供的一种服务，而不是一种新型局域网。
    • 功能：隔离广播信息，模拟共享环境，增加安全性
  • 虚拟局域网的划分
    • 按交换机端口：将交换机其中的几个端口指定成一个VLAN。缺点是无法保证网络站点在整个网络中方便地移动。
    • 按MAC地址：根据局域网MAC地址划分VLAN。
    • 按网络地址：按站点的网络层地址（例如IP地址或者IPX地址）划分VLAN。
    • 按协议规则：把具有相同的网络层协议的网络站点归并成一个VLAN。
    • 基于用户定义规则：根据帧的指定域中的特定模式或者特定取值，自己定义满足特定应用需要的VLAN。

5. 无线局域网

• 目前，无线局域网技术中使用最为广泛的是IEEE 802.11 系列。该系列有IEEE 802.11a、IEEE 802.11b和IEEE 802.11g三个标准可供选择。IEEE 802.11a 技术使用5GHz频段，传输速率可高达54Mbps；IEEE 802.11b支持11Mbps共享接入速度，使用2.4GHz 频段；IEEE 802.11g是近期出现新标准，与前两者兼容，但还不是很成熟。目前IEEE 802.11b使用较多。
• 目前无线网采用的传输媒体主要有两种，即无线电波与红外线。在采用无线电波做为传输媒体的无线网依调制方式不同，又可分为扩展频谱方式与窄带调制方式。
• 无线局域网的拓扑结构可归结为两类：无中心或对等式（Peer to Peer）拓扑和有中心（HUB-Based）拓扑。
  • 无中心拓扑，要求网中任意两个站点均可直接通信。这种拓扑结构适用于用户相对较少的工作群网络规模。
  • 有中心拓扑，要求一个无线站点充当中心站，所有站点对网络的访问均由其控制。每个站点只需在中心站覆盖范围之内就可与其它站点通信，网络中点站布局受环境限制较小。 在实际应用中，无线网往往与有线主干网络结合起来使用。这时，中心站点充当无线网与有线主干网的转接器。

6. 其他局域网技术

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  令牌环网 IEEE802.5标准
  

  • 令牌环网采用一种特殊的帧——令牌来协调环的使用，在任何时候环上只有一个令牌。为了发送数据，计算机必须等待令牌的到来，然后传输一帧，再向下一台计算机传输令牌。当没有计算机要发送数据时，令牌以高速在环上循环。
  • 令牌环网通过屏蔽或非屏蔽双绞线以4Mb/s或16Mb/s速率传输数据。

• 
  令牌总线局域网 IEEE802.4标准
  

  • 令牌总线局域网在物理上是个总线网，而在逻辑上却是一个令牌网。它既有总线局域网的接入方便和可靠性较高的优点，也具有令牌网的无冲突的优点

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  光纤分布数据接口FDDI
  

  • 光纤分布数据接口FDDI是一个使用光纤作为传输媒体的令牌环形网。
  • 特点是使用令牌传递的MAC协议，它利用多模光纤进行传输，并使用有容错能力的双环拓扑，数据传输率为100Mb/s，两个站间的最大距离为2km，环路长度为100km光纤分布数据接口FDDI是一个使用光纤作为传输媒体的令牌环形网。
  • 特点是使用令牌传递的MAC协议，它利用多模光纤进行传输，并使用有容错能力的双环拓扑，数据传输率为100Mb/s，两个站间的最大距离为2km，环路长度为100km