【山外筆記】第03章：資料鏈路層

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本章最重要的內容是：

（1）資料鏈路層的點對點通道和廣播通道的特點，以及這兩種通道所使用的協議（PPP協議以及CSMA/CD協議）的特點。

（2）資料鏈路層的三個基本問題：封裝成幀、透明傳輸和差錯檢測。

（3）乙太網MAC層的硬體地址。

（4）介面卡、轉發器、集線器、網橋、乙太網交換機的作用以及使用場合。

一、使用點對點通道的資料鏈路層

1.1 資料鏈路層簡介

1、資料鏈路層使用的通道主要型別：

（1）點對點通道：使用一對一的點對點通訊方式。

（2）廣播通道：使用一對多的廣播通訊方式，廣播通道上連線的主機很多，因此必須使用專用的共享通道協議來協調這些主機的資料傳送。

2、兩臺主機通過網際網路進行通訊時資料鏈路層所處的地位

（1）使用者主機H1通過電話線上網，中間經過三個路由器（R1，R2和R3）連線到遠端主機H2。

（2）從協議的層次上看，資料的流動是主機H1和H2都有完整的五層協議棧，但路由器在轉發分組時使用的協議棧只有下面的三層。

（3）資料進入路由器後要先從物理層上到網路層，在轉發表中找到下一跳的地址後，再下到物理層轉發出去。因此，資料從主機H1傳送到主機H2需要在路徑中的各結點的協議棧向上和向下流動多次。

（4）當主機H1向主機H2傳送資料時，可以想象資料就是在資料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）從資料鏈路層來看，H1到H2的通訊可以看成由四段不同的鏈路層通訊組成，即：H1→R1，R1→R2，R2→R3和R3→H2。這四段不同的鏈路層可能採用不同的資料鏈路層協議。

1.2 資料鏈路和幀

1、鏈路和資料鏈路的區別

（1）鏈路（link）是從一個結點到相鄰結點的一段物理線路（有線/無線），中間沒有任何其他的交換結點。

（2）資料鏈路（data link）是指一條物理線路和通訊協議以及實現這些協議的硬體和軟體。

（3）實現通訊協議最常用的方法是使用網路介面卡（既有硬體，也包括軟體），一般的介面卡都包括了資料鏈路層和物理層這兩層的功能。

（4）早期的資料通訊協議曾叫做通訊規程（procedure），在資料鏈路層，規程和協議是同義語。

（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資料鏈路，是物理鏈路加上必要的通訊協議。

2、資料幀

（1）幀是點對點通道的資料鏈路層的協議資料單元。

（1）資料鏈路層把網路層交下來的資料構成幀傳送到鏈路上，以及把接收到的幀中的資料取出並上交給網路層，網路層協議資料單元就是IP資料報（或簡稱為資料報、分組或包）。

（3）在點對點通道的資料鏈路層協議上，鏈路上的通訊可以採用三層模型，即每個結點只有下三層—網路層、資料鏈路層和物理層。

3、點對點通道的資料鏈路層在進行通訊時的主要步驟：

（1）結點A的資料鏈路層把網路層交下來的IP資料報新增首部和尾部封裝成幀。

（2）結點A把封裝好的幀傳送給結點B的資料鏈路層。

（3）若結點B的資料鏈路層收到的幀無差錯，則從收到的幀中提取出IP資料報交給上面的網路層；否則丟棄這個幀。

1.3 三個基本問題

資料鏈路層協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）就是在一段資料的前後分別新增首部和尾部構成一個幀。

（2）接收端接收到物理層上交的位元流後，根據首部和尾部的標記，從位元流中識別幀的開始和結束。

（3）幀是資料鏈路層的資料傳送單元，一個幀的幀長等於幀的資料部分長度加上幀首部和幀尾部的長度。

（4）幀的資料部分：從網路層傳送到資料鏈路層的IP資料報。

（5）幀的首部和尾部：在傳送幀時從幀首部開始傳送的。

• ① 幀的首部和尾部能夠進行幀定界，即確定幀的界限，並且包括了許多必要的控制資訊。

• ② 各種資料鏈路層協議都對幀首部和幀尾部的格式有明確的規定。

• ③ 每一種鏈路層協議都規定了所能傳送的幀的資料部分長度上限—最大傳送單元MTU（Maximum Transfer Unit）。

• ④ 幀定界：使用特殊的幀定界符，控制字元SOH和控制字元EOT。

  • ❶ 控制字元SOH（Start Of Header）放在一幀的最前面，表示幀的首部開始。

  • ❷ 控制字元EOT（End Of Transmission）放在一幀的最後面，表示幀的結束。

  • ❸ SOH和EOT都是控制字元的名稱，十六進位制編碼是01和04，二進位制是00000001和00000100。

  • ❹ SOH（或EOT）並不是S，O，H（或E，O，T）三個字元。

  • ❺ 幀定界符的作用：傳送端傳送幀時中斷重發。接收端接收幀時有首部開始符SOH才開始接收，沒有幀結束符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：傳送的幀中資料部分不會出現SOH或EOT幀定界控制字元。

① 透明：表示某一個實際存在的事物看起來卻好像不存在一樣。

② 透明傳輸：表示無論什麼樣的位元組合的資料，都能夠按照原樣沒有差錯地通過資料鏈路層傳輸。

（2）傳輸的幀中不能出現和幀定界控制字元SOH或EOT一樣的位元編碼，否則會出現幀定界的錯誤。

（3）如果傳輸的幀中出現和幀結束符EOT一樣的位元編碼，資料鏈路層會錯誤地找到幀的邊界，剩下的資料會被接收端當作無效幀丟棄。

（4）透明傳輸問題的解決方法：位元組填充（byte stuffing）或字元填充（character stuffing）

• ① 傳送端的資料鏈路層在中出現控制字元SOH或EOT的前面插入一個轉義字元ESC。

• ② 接收端的資料鏈路層在把幀的資料部分送往網路層之前刪除插入的轉義字元ESC。

• ③ 如果轉義字元也出現在資料當中，那麼解決方法仍然是在轉義字元的前面插入一個轉義字元。

• ④ 當接收端收到連續的兩個轉義字元時，就刪除其中前面的一個。

• ⑤ ESC的十六進位制編碼是1B，二進位制是00011011。

3、差錯檢測（error detection）

（1）位元差錯：位元在傳輸過程中可能會產生差錯，1會變成0， 0變成1，是傳輸差錯的一種。

（2）誤位元速率BER（Bit Error Rate）：在一段時間內傳輸錯誤的位元佔所傳輸位元總數的比率稱。

（3）誤位元速率與信噪比有很大的關係。信噪比越高，誤位元速率就越小。

（4）目前在資料鏈路層廣泛使用了迴圈冗餘檢驗CRC（Cyclic Redundancy Check）的檢錯技術。

（5）迴圈冗餘檢驗的工作原理

• ① 在傳送端，先把資料劃分為組，假定每組k個位元。CRC運算就是在資料M的後面新增供差錯檢測用的n位冗餘碼，然後構成一個幀傳送出去，一共傳送（k＋n）位。

• ② 在接收端把接收到的資料以幀為單位進行CRC檢驗：把收到的每一個幀都除以同樣的除數P（模2運算），然後檢查得到的餘數R。

• ③ 在接收端對收到的每一幀經過CRC檢驗後，有以下兩種情況：

  • ❶ 若得出的餘數R＝0，則判定這個幀沒有差錯，就接受（accept）。

  • ❷ 若餘數R≠0，則判定這個幀有差錯，但無法確定哪裡出現了差錯，就丟棄。

（6）n位冗餘碼的得出方法：

• ① 用二進位制的模2運算進行2n乘M的運算，相當於在M後面新增n個0。

• ② 用得到的（k＋n）位的數除以收發雙方事先商定的長度為（n＋1）位的除數P，得出商是Q而餘數是R（n位，比P少一位）。餘數R作為冗餘碼拼接在資料M的後面傳送出去。這種為了進行檢錯而新增的冗餘碼常稱為幀檢驗序列FCS（Frame Check Sequence）。

（7）CRC的特點

• ① CRC是一種檢錯方法，而FCS是新增在資料後面的冗餘碼。

• ② 在傳送的資料後面增加n位的冗餘碼，雖然增大了資料傳輸的開銷，但卻可以進行差錯檢測。

• ③ 在資料鏈路層，傳送端幀檢驗序列FCS的生成和接收端的CRC檢驗都是用硬體完成的。

• ④ 如果在資料鏈路層進行差錯檢驗，就必須把資料劃分為幀，每一幀都加上冗餘碼，一幀接一幀地傳送，然後在接收方逐幀進行差錯檢驗。

（8）傳輸差錯的分類：一類是位元差錯，另一類是沒有出現位元差錯，但出現了幀丟失、幀重複或幀失序。

（9）OSI的觀點：讓資料鏈路層向上提供可靠傳輸。CRC檢錯的基礎上，增加了幀編號、確認和重傳機制。

二、點對點協議PPP

2.1 點對點協議PPP協議的特點（Point-to-Point Protocol）

PPP協議就是使用者計算機和ISP進行通訊時所使用的資料鏈路層協議。

1、PPP協議應滿足的需求

（1）簡單：作為首要的需求。

資料鏈路層的協議非常簡單：接收方每收到一個幀，就進行CRC檢驗。如CRC檢驗正確，就收下這個幀；反之，就丟棄這個幀，其他什麼也不做。

（2）封裝成幀

PPP協議必須規定特殊的字元作為幀定界符，即標誌一個幀的開始和結束的字元，以便使接收端從收到的位元流中能準確地找出幀的開始和結束位置。

（3）透明性：PPP協議必須保證資料傳輸的透明性。

（4）多種網路層協議：PPP協議必須能夠在在同一條物理鏈路上同時支援多種網路層協議的執行。

（5）多種型別鏈路：PPP必須能夠在多種型別的鏈路上執行。

• ① PPPoE：PPP over Ethernet，是在乙太網上執行的PPP，即把PPP幀再封裝在乙太網幀中。

• ② PPPoE是為寬頻上網的主機使用的鏈路層協議。

（6）差錯檢測：PPP協議必須能夠對接收端收到的幀進行檢測，並立即丟棄有差錯的幀。

（7）檢測連線狀態：PPP協議必須具有一種機制能夠及時自動檢測出鏈路是否處於正常工作狀態。

（8）最大傳送單元

• ① PPP協議必須對每一種型別的點對點鏈路設定最大傳送單元MTU的標準預設值。

• ② MTU是資料鏈路層的幀可以載荷的資料部分的最大長度，而不是幀的總長度。

• ③ 如果高層協議傳送的分組過長並超過MTU的數值，PPP就要丟棄這樣的幀，並返回差錯。

（9）網路層地址協商：PPP協議必須提供一種機制使通訊的兩個網路層的實體能夠知道彼此的網路層地址。

（10）資料壓縮協商：PPP協議必須提供一種方法來協商使用資料壓縮演算法。

2、PPP協議的特點

（1）PPP協議不需要進行糾錯，不需要設定序號，也不需要進行流量控制。

（2）PPP協議不支援多點線路，而只支援點對點的鏈路通訊。

（3）PPP協議只支援全雙工鏈路。

3、PPP協議的組成

（1）一個將IP資料報封裝到序列鏈路的方法：PPP既支援非同步鏈路，也支援面向位元的同步鏈路。

（2）一個用來建立、配置和測試資料鏈路連線的鏈路控制協議LCP（Link Control Protocol）。

（3）一套網路控制協議NCP（Network Control Protocol）：其中的每一個協議支援不同的網路層協議。

2.2 PPP協議的幀格式

1、PPP協議各欄位的意義

（1）PPP幀的首部和尾部分別為四個欄位和兩個欄位。

（2）首部的第一個欄位和尾部的第二個欄位都是標誌欄位F，規定為0x7E（01111110）。

• ① 標誌欄位F（Flag）表示一個幀的開始或結束，是PPP幀的定界符。

• ② 連續兩幀之間只需要用一個標誌欄位。

• ③ 如果出現連續兩個標誌欄位，就表示這是一個空幀，應當丟棄。

（3）首部中的地址欄位A規定為0xFF（即11111111），控制欄位C規定為0x03（即00000011）。

（4）PPP首部的第四個欄位是2位元組的協議欄位。

• ① 當協議欄位為0x0021時，PPP幀的資訊欄位是IP資料報。

• ② 當協議欄位為0xC021時，PPP幀的資訊欄位是PPP鏈路控制協議LCP的資料。

• ③ 當協議欄位為0x8021時，PPP幀的資訊欄位是網路層的控制資料。

（5）資訊欄位的長度是可變的，不超過1500位元組。

（6）尾部中的第一個欄位（2位元組）是使用CRC的幀檢驗序列FCS。

2、位元組填充

當PPP使用非同步傳輸時，在傳送端把轉義符定義為0x7D（即01111101），並使用位元組填充：

（1）把資訊欄位中出現的每一個0x7E位元組轉變成為2位元組序列（0x7D，0x5E）。

（2）若資訊欄位中出現一個0x7D的位元組（即出現了和轉義字元一樣的位元組合），則把0x7D轉變成為2位元組序列（0x7D，0x5D）。

（3）若資訊欄位中出現ASCII碼的控制字元（即數值小於0x20的字元），則在該字元前面要加入一個0x7D位元組，同時將該字元的編碼加以改變。

（4）資訊欄位在傳送端進行了位元組填充，在鏈路上傳送的資訊位元組數就超過了原來的資訊位元組數。但接收端在收到資料後再進行與傳送端位元組填充相反的變換，就可以正確地恢復出原來的資訊。

3、零位元填充

（1）PPP協議用在SONET/SDH鏈路時，使用同步傳輸（位元幀傳輸）而不是非同步傳輸（字元傳輸）。

（2）PPP協議採用零位元填充方法來實現透明傳輸。

（3）零位元填充的具體做法是：

① 在傳送端，先掃描整個資訊欄位（通常用硬體實現，但也可用軟體實現，只是會慢些）。

② 只要發現有5個連續1，則立即填入一個0，保證在資訊欄位中不會出現6個連續1。

③ 接收端收到一個幀時，先找到標誌欄位F確定一個幀的邊界，再用硬體對其中的位元流進行掃描。

④ 每當發現5個連續1時，就把這5個連續1後的一個0刪除，還原成原來的資訊位元流。

2.3 PPP協議的工作狀態

1、PPP協議的工作流程

（1）當用戶撥號接入ISP後，就建立了一條從使用者個人電腦到ISP的物理連線。

（2）使用者個人電腦向ISP傳送一系列的鏈路控制協議LCP分組（封裝成多個PPP幀）建立LCP連線。

（3）進行網路層配置，網路控制協議NCP給新接入的使用者個人電腦分配一個臨時的IP地址。

（4）當用戶通訊完畢時，NCP釋放網路層連線，收回原來分配出去的IP地址，然後LCP釋放資料鏈路層連線，最後釋放物理層的連線。

2、PPP協議的工作狀態

從裝置之間無鏈路開始，到先建立物理鏈路，再建立鏈路控制協議LCP鏈路。經過鑑別後再建立網路控制協議NCP鏈路，然後才能交換資料。

（1）PPP鏈路的起始和終止狀態永遠是“鏈路靜止”（Link Dead）狀態，這時在使用者個人電腦和ISP的路由器之間並不存在物理層的連線。

（2）使用者個人電腦通過調變解調器呼叫路由器，路由器檢測到調變解調器發出的載波訊號，雙方建立了物理層連線，PPP進入“鏈路建立”（Link Establish）狀態，其目的是建立鏈路層的LCP連線。

（3）“鏈路建立”（Link Establish）狀態

• ① LCP開始協商一些配置選項，即傳送LCP的配置請求幀（Configure-Request），該幀中協議欄位置為LCP對應的程式碼，而資訊欄位包含特定的配置請求。

• ② 鏈路的另一端可以傳送以下幾種響應中的一種：

  • ❶ 配置確認幀（Configure-Ack）：所有選項都接受。

  • ❷ 配置否認幀（Configure-Nak）：所有選項都理解但不能接受。

  • ❸ 配置拒絕幀（Configure-Reject）：選項有的無法識別或不能接受，需要協商。

• ③ LCP配置選項包括鏈路上的最大幀長、所使用的鑑別協議（authentication protocol）的規約，以及不使用PPP幀中的地址和控制欄位。

• ④ 協商結束後雙方就建立了LCP鏈路，接著就進入“鑑別”（Authenticate）狀態。

（4）“鑑別”狀態

• ① 鑑別狀態下只允許傳送LCP協議的分組、鑑別協議的分組以及監測鏈路質量的分組。

• ② 鑑別協議包括令鑑別協議PAP和更加複雜的口令握手鑑別協議CHAP。

• ③ 若鑑別身份失敗，則轉到“鏈路終止”（Link Terminate）狀態。

• ④ 若鑑別成功，則進入“網路層協議”（Network-Layer Protocol）狀態。

（5）“網路層協議”狀態

• ① PPP鏈路的兩端的網路控制協議NCP根據網路層的不同協議互相交換網路層特定的網路控制分組。

• ② PPP協議兩端的網路層可以執行不同的網路層協議，但可使用同一個PPP協議進行通訊。

• ③ 當網路層配置完畢後，鏈路就進入可進行資料通訊的“鏈路開啟”（Link Open）狀態。

（6）“鏈路開啟”狀態

• ① 鏈路的兩個PPP端點可以彼此向對方傳送分組。

• ② 兩個PPP端點還可傳送回送請求LCP分組（Echo-Request）和回送回答LCP分組（Echo-Reply），以檢查鏈路的狀態。

• ③ 資料傳輸結束後，可以由鏈路的一端發出終止請求LCP分組（Terminate-Request）請求終止鏈路連線，在收到對方發來的終止確認LCP分組（Terminate-Ack）後，轉到“鏈路終止”狀態。

• ④ 如果鏈路出現故障，也會從“鏈路開啟”狀態轉到“鏈路終止”狀態。

• ⑤ 當調變解調器的載波停止後，則回到“鏈路靜止”狀態。

三、使用廣播通道的資料鏈路層

3.1 區域網的資料鏈路層

1、區域網最主要的特點是：

（1）網路為一個單位所擁有，且地理範圍和站點數目均有限。

（2）區域網比廣域網具有較高的資料率、較低的時延和較小的誤位元速率。

2、區域網主要的優點：

（1）具有廣播功能，從一個站點可很方便地訪問全網。區域網上的主機可共享連線在區域網上的各種硬體和軟體資源。

（2）便於系統的擴充套件和逐漸演變，各裝置的位置可靈活調整和改變。

（3）提高了系統的可靠性（reliability）、可用性（availability）和生存性（survivability）。

3、區域網分類：按網路拓撲分為星形網、環形網、匯流排網。

4、共享通道共享通訊媒體資源的方法：

（1）靜態劃分通道：頻分複用、時分複用、波分複用和碼分複用等。

• ① 使用者只要分配到了通道就不會和其他使用者發生衝突。

• ② 這種劃分通道的方法代價較高，不適合於區域網使用。

（2）動態媒體接入控制：又稱為多點接入（multiple access）

• ① 多點接入的特點是通道並非在使用者通訊時固定分配給使用者。這裡又分為以下兩類：

• ② 多點接入分為隨機接入和受控接入兩種。

  • ❶ 隨機接入：特點是所有的使用者可隨機地傳送資訊。但如果多個使用者在同一時刻傳送資訊，會產生碰撞（即發生了衝突），使得這些使用者的傳送都失敗。因此，必須有解決碰撞的網路協議。

  • ❷ 受控接入：特點是使用者不能隨機地傳送資訊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區域網和集中控制的多點線路探詢（polling），或稱為輪詢。

5、乙太網的兩個標準

（1）乙太網是美國施樂（Xerox）公司的PARC研究中心於1975年研製成功的。

• ① 初期的乙太網是一種基帶匯流排區域網，當時的資料率為2.94Mbit/s。

• ② 乙太網用無源電纜作為匯流排來傳送資料幀，並以表示傳播電磁波的以太（Ether）來命名。

• ③ DIX Ethernet V2規約是世界上第一個區域網產品的規約。

（2）第一個IEEE的乙太網標準IEEE 802.3，資料率為10Mbit/s，常把802.3區域網簡稱為“乙太網”。

• ① IEEE 802委員會未能形成一個統一的、“最佳的”區域網標準。

• ② IEEE 802委員會制定了幾個不同的區域網標準，如802.4令牌匯流排網、802.5令牌環網等。

• ③ IEEE 802委員會把區域網的資料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。

  • ❶ 與接入到傳輸媒體有關的內容都放在MAC子層，而LLC子層則與傳輸媒體無關。

  • ❷ 不管採用何種傳輸媒體和MAC子層的區域網對LLC子層來說都是透明的。

（3）TCP/IP體系經常使用的區域網只剩下DIX Ethernet V2而不是IEEE 802.3標準中的區域網。

（4）很多廠商生產的介面卡上就僅裝有MAC協議而沒有LLC協議。

6、介面卡的作用

（1）計算機通過通訊介面卡（adapter）與外界區域網進行連線。

（2）介面卡是在主機箱內插入的一塊網路介面板，又稱網路介面卡NIC或簡稱為“網絡卡”。

（3）通訊介面卡上面裝有處理器和儲存器（包括RAM和ROM）。

• ① 在介面卡中必須裝有對資料進行快取的儲存晶片。

• ② 計算機的硬體地址就在介面卡的ROM中，而計算機的軟體地址（IP地址）在計算機的儲存器中。

（4）介面卡的一個重要功能就是要進行資料序列傳輸和並行傳輸的轉換。

• ① 介面卡和區域網之間的通訊通過電纜或雙絞線以序列傳輸方式進行。

• ② 介面卡和計算機之間的通訊通過計算機主機板上的I/O匯流排以並行傳輸方式進行。

（5）計算機的作業系統必須安裝管理介面卡的裝置驅動程式，介面卡還要能夠實現乙太網協議。

（6）介面卡在接收和傳送各種幀時，不使用計算機的CPU。

• ① 當介面卡收到有差錯的幀時，就把這個幀直接丟棄而不必通知計算機。

• ② 當介面卡收到正確的幀時，就使用中斷來通知該計算機，並交付協議棧中的網路層。

• ③ 當計算機要傳送IP資料報時，由協議棧把IP資料報向下交給介面卡組裝成幀後傳送到區域網。

3.2 CSMA/CD協議

1、匯流排的特點

（1）廣播通訊：當一臺計算機發送資料時，總線上的所有計算機都能檢測到這個資料。

（2）一對一通訊：

• ① 在傳送資料幀時，在幀的首部寫明接收站的地址。

• ② 僅當資料幀中的目的地址與介面卡ROM中存放的硬體地址一致時，該介面卡才能接收這個資料幀。

• ③ 介面卡對不是傳送給自己的資料幀就丟棄。

2、乙太網採取的通訊措施：

（1）採用較為靈活的無連線的工作方式，即不必先建立連線就可以直接傳送資料。

• ① 介面卡對傳送的資料幀不進行編號，也不要求對方發回確認。

• ② 乙太網提供的服務是盡最大努力的交付，即不可靠的交付。

  • ❶ 當目的站收到有差錯的資料幀時，就把幀丟棄，其他什麼也不做。

  • ❷ 對有差錯幀是否需要重傳則由高層來決定。

  • ❸ 對於重傳的資料幀，乙太網並不知道是重傳幀，而是當作新的資料幀來發送。

• ③ 總線上只要有一臺計算機在傳送資料，匯流排的傳輸資源就被佔用。即在同一時間只能允許一臺計算機發送資料，否則各計算機之間就會互相干擾，使得所傳送資料被破壞。

• ④ 乙太網採用最簡單的隨機接入，但使用CSMA/CD協議用來減少衝突發生的概率。CSMA/CD是載波監聽多點接入/碰撞檢測（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）。

（2）乙太網傳送的資料都使用曼徹斯特（Manchester）編碼的訊號。

• ① 二進位制基帶數字訊號通常就是高、低電壓交替出現的訊號。

• ② 當出現一長串的連1或連0時，接收端就無法從收到的位元流中提取位同步（即位元同步）訊號。

• ③ 曼徹斯特編碼的缺點：所佔的頻頻寬度比原始的基帶訊號增加一倍，即每秒傳送的碼元數加倍了。

• 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一次電壓的轉換，碼元1電壓“前高後低”，碼元0“前低後高”，也可採用相反的約定。

3、CSMA/CD協議簡介

（1）“多點接入”：說明是匯流排型網路，許多計算機以多點接入的方式連線在一根總線上。

（2）CSMA/CD協議的實質是“載波監聽”和“碰撞檢測”。

（3）載波監聽就是檢測通道，用電子技術檢測總線上有沒有其他計算機在傳送資料。

• ① 不管在傳送前，還是在傳送中，每個站都必須不停地檢測通道。

• ② 在傳送前檢測通道，是為了獲得傳送權。

• ③ 如果檢測出已經有其他站在傳送，自己就暫時不傳送資料，必須要等到通道變為空閒時才能傳送。

• ④ 在傳送中檢測通道，是為了及時發現有沒有其他站的傳送和本站傳送的碰撞，稱為碰撞檢測。

（4）碰撞檢測就是邊傳送邊監聽，即介面卡邊傳送資料邊檢測通道上的訊號電壓的變化情況，判斷自己在傳送資料時其他站是否也在傳送資料。也稱為衝突檢測。

（5）碰撞就是發生了衝突，總線上傳輸的訊號產生了嚴重的失真，無法從中恢復出有用的資訊來。

（6）使用CSMA/CD協議時，一個站不可能同時進行傳送和接收，必須邊傳送邊監聽通道。因此使用CSMA/CD協議的乙太網不可能進行全雙工通訊而只能進行雙向交替通訊（半雙工通訊）。

（7）乙太網不能保證某一時間之內一定能夠把自己的資料幀成功地傳送出去，稱為傳送的不確定性。

（8）乙太網的端到端往返時間，即兩倍的傳播時延稱為爭用期（contention period），又稱為碰撞視窗。

（9）乙太網使用截斷二進位制指數退避演算法來確定碰撞後重傳的時機，讓發生碰撞的站在停止傳送資料後，不是等待通道變為空閒後就立即再發送資料，而是推遲（這叫做退避）一個隨機的時間。若連續多次發生衝突，就表明可能有較多的站參與爭用通道，重傳需要推遲的平均時間隨重傳次數而增大（這也稱為動態退避），因而減小發生碰撞的概率，有利於整個系統的穩定。

（10）介面卡每傳送一個新的幀，就要執行一次CSMA/CD演算法。介面卡對過去發生過的碰撞並無記憶功能。

（11）乙太網在傳送資料時，如果在爭用期沒有發生碰撞，那麼後續傳送的資料就一定不會發生衝突。如果發生碰撞，就一定是在傳送的前64位元組之內。

4、CSMA/CD協議的要點

（1）準備傳送：介面卡從網路層獲得一個分組，加上乙太網的首部和尾部，組成乙太網幀，放入介面卡的快取中。但在傳送之前，必須先檢測通道。

（2）檢測通道：若檢測到通道忙，則應不停地檢測，一直等待通道轉為空閒。若檢測到通道空閒，並在96位元時間內通道保持空閒（保證了幀間最小間隔），就傳送這個幀。

（3）在傳送過程中仍不停地檢測通道，即網路介面卡要邊傳送邊監聽。這裡只有兩種可能性：

• ① 傳送成功：在爭用期內一直未檢測到碰撞，這個幀傳送成功。

• ② 傳送失敗：在爭用期內檢測到碰撞，就立即停止傳送資料，並按規定傳送人為干擾訊號。介面卡接著就執行指數退避演算法，等待r倍512位元時間後，繼續檢測通道。但若重傳達16次仍不能成功，則停止重傳而向上報錯。

（4）乙太網每傳送完一幀，一定要把已傳送的幀暫時保留一下。如果在爭用期內檢測出發生了碰撞，那麼還要在推遲一段時間後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撲

1、傳統乙太網

（1）傳統乙太網採用星形拓撲，在星形的中心則增加了一種可靠性非常高的裝置集線器（hub）。

（2）雙絞線乙太網總是和使用了大規模積體電路晶片的集線器配合使用的。

（3）每個站需要用兩對無遮蔽雙絞線（放在一根電纜內），分別用於傳送和接收。

（4）雙絞線的兩端使用RJ-45插頭。

（5）星形乙太網10BASE-T的標準802.3i。10代表10Mbit/s的資料率，BASE表示連線線上的訊號是基帶訊號，T代表雙絞線。

（6）10BASE-T乙太網的通訊距離稍短，每個站到集線器的距離不超過100m。

（7）IEEE 802.3標準可使用光纖作為傳輸媒體，標準是10BASE-F系列，F代表光纖，主要用作集線器之間的遠端連線。

2、集線器的特點：

（1）從表面上看，使用集線器的區域網在物理上是一個星形網，但整個系統仍像傳統乙太網那樣執行。

• ① 使用集線器的乙太網在邏輯上仍是一個匯流排網，各站共享邏輯上的匯流排，還是使用CSMA/CD協議。

• ② 網路中的各站必須競爭對傳輸媒體的控制，並且在同一時刻至多隻允許一個站傳送資料。

（2）一個集線器有許多介面，每個介面通過RJ-45插頭用兩對雙絞線與計算機上的介面卡相連。

（3）集線器工作在物理層，每個介面僅僅簡單地轉發位元，即收到1就轉發1，收到0就轉發0，不進行碰撞檢測。若兩個介面同時有訊號輸入（即發生碰撞），那麼所有的介面都將收不到正確的幀。

（4）集線器採用了專門的晶片，進行自適應串音回波抵消。

（5）集線器一般都有少量的容錯能力和網路管理功能。

3、集線器的發展

（1）堆疊式集線器（stackable）：由4-8個集線器堆疊起來使用。

（2）模組化的機箱式智慧集線器：

• ① 集線器上全部的網路功能都以模組方式實現。

• ② 各模組均可進行熱插拔，出故障時不斷電即可更換或增加新模組。

• ③ 集線器上的指示燈還可顯示網路上的故障情況，方便網路的管理。

3.4 乙太網的通道利用率

據統計，乙太網的利用率達到30％時就已經處於過載的情況，很多的網路容量被網上的碰撞消耗掉了。

3.5 乙太網的MAC層

1、MAC層的硬體地址

（1）在區域網中，硬體地址又稱為實體地址或MAC地址（因為這種地址用在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，路由告訴我們如何到達該處。”

（3）IEEE 802標準為區域網規定了一種48位的全球地址，稱為EUI-48。

• ① EUI表示擴充套件的唯一識別符號（Extended Unique Identifier）。

• ② EUI-48是區域網中每臺計算機固化在介面卡ROM中的地址。

• ③ MAC地址實際上就是介面卡地址或介面卡識別符號EUI-48。

• ④ EUI-48的使用範圍並不侷限於區域網的硬體地址，而是可以用於軟體介面。

• ⑤ 如果連線在區域網上的主機或路由器安裝有多個介面卡，那麼就有多個“地址”。

（4）IEEE 802標準規定MAC地址欄位可採用6位元組（48位）或2位元組（16位）這兩種中的一種。

• ① 現在的區域網介面卡實際上使用的都是6位元組MAC地址。

• ② 前三個位元組（即高位24位）由IEEE的註冊管理機構RA（Registration Authority）出售，生產局域② 網介面卡的廠家購買，是組織唯一識別符號OUI，通常也叫做公司識別符號（company_id）。

  • ❶ 地址欄位的第一位元組的最低位為I/G位（Individual/Group）。

  • ❷ 當I/G位為0時，地址欄位表示一個單個站地址。為1時表示組地址，用來進行多播。

• ③ 地址欄位中的後三個位元組（即低位24位）則由廠家自行指派，稱為擴充套件識別符號（extended identifier），只要保證生產出的介面卡沒有重複地址即可。

• ④ 一個地址塊可以生成224個不同的地址。

（5）路由器如果同時連線到兩個網路上，那麼它就需要兩個介面卡和兩個硬體地址。

• ① 當路由器通過介面卡連線到區域網時，介面卡上的硬體地址就用來標誌路由器的某個介面。

• ② 介面卡具有過濾功能。介面卡從網路上每收到一個MAC幀就先用硬體檢查MAC幀中的目的地址。如果是發往本站的幀則收下，然後再進行其他的處理。否則就將此幀丟棄，不再進行其他的處理。

• ③ 發往本站的幀包括以下三種幀：

  • ❶ 單播（unicast）幀（一對一），即收到的幀的MAC地址與本站的硬體地址相同。

  • ❷ 廣播（broadcast）幀（一對全體），即傳送給本區域網上所有站點的幀（全1地址）。

  • ❸ 多播（multicast）幀（一對多），即傳送給本區域網上一部分站點的幀。

• ④ 乙太網介面卡可設定為一種特殊的工作方式，即混雜方式（promiscuous mode）。工作在混雜方式的介面卡只要“聽到”有幀在乙太網上傳輸就都悄悄地接收下來，而不管這些幀是發往哪個站。

2、MAC幀的格式

（1）常用的乙太網MAC幀格式有兩種標準，一種是DIX Ethernet V2標準（即乙太網V2標準），另一種是IEEE的802.3標準。使用最多的是乙太網V2的MAC幀格式。

（2）乙太網V2的MAC幀由五個欄位組成。

• ① 前兩個欄位分別為6位元組長的目的地址和源地址欄位。

• ② 第三個欄位是2位元組的型別欄位，用來標誌上一層使用的協議。

• ③ 第四個欄位是資料欄位，其長度在46到1500位元組之間。

• ④ 最後一個欄位是4位元組的幀檢驗序列FCS（使用CRC檢驗）。

（3）從MAC子層向下傳到物理層時還要在幀的前面插入8位元組（由硬體生成），由兩個欄位構成。

• ① 第一個欄位是7個位元組的前同步碼（1和0交替碼），作用是使接收端的介面卡在接收MAC幀時能夠迅速調整其時鐘頻率，使它和傳送端的時鐘同步，也就是“實現位同步”，即實現位元同步。

• ② 第二個欄位是幀開始定界符，定義為10101011。它的前六位的作用和前同步碼一樣，最後的兩個連續的1是告訴接收端介面卡注意接收MAC幀的資訊。

• ③ MAC幀的FCS欄位的檢驗範圍不包括前同步碼和幀開始定界符。

• ④ 在使用SONET/SDH進行同步傳輸時則不需要用前同步碼。

（4）IEEE 802.3標準規定的無效MAC幀：

• ① 幀的長度不是整數個位元組；

• ② 用收到的幀檢驗序列FCS查出有差錯；

• ③ 收到的幀的MAC客戶資料欄位的長度不在4-1500位元組之間。

（5）乙太網上傳送資料以幀為單位傳送，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，其後面的連續到達的位元流就都屬於同一個MAC幀。

• ② 乙太網不需要使用幀結束定界符，也不需要使用位元組插入來保證透明傳輸。

• ③ 對於檢查出的無效MAC幀就簡單地丟棄。乙太網不負責重傳丟棄的幀。

四、擴充套件的乙太網

4.1　在物理層擴充套件乙太網

1、擴充套件主機和集線器之間的距離的方法

（1）使用光纖（通常是一對光纖）和一對光纖調變解調器。

（2）光纖調變解調器的作用就是進行電訊號和光訊號的轉換。

2、多級結構的集線器乙太網

（1）多級結構的集線器乙太網：使用多個集線器連線成覆蓋更大範圍的多級星形結構的乙太網。

（2）多級結構的集線器乙太網的好處：

• ① 不同域的乙太網上的計算機能夠進行跨域通訊。

• ② 擴大了乙太網覆蓋的地理範圍。

（3）多級結構的集線器乙太網的缺點。

• ① 每一個域的10BASE-T乙太網是一個獨立的碰撞域（collision domain，又稱為衝突域），即在任一時刻，在每一個碰撞域中只能有一個站在傳送資料。

• ② 如果不同的域使用不同的乙太網技術（如資料率不同），那麼就不可能用集線器將它們互連起來。集線器基本上是個多介面（即多埠）的轉發器，並不能把幀進行快取。

4.2 在資料鏈路層擴充套件乙太網

擴充套件乙太網常用的方法是在資料鏈路層進行。

1、網橋（bridge）

（1）網橋對收到的幀根據其MAC幀的目的地址進行轉發和過濾。當網橋收到一個幀時，根據幀中的目的MAC地址，查詢網橋中的地址表，然後確定將該幀轉發到哪一個介面，或者是把它丟棄（即過濾）。

（2）網橋只能一次分析和轉發一個幀）

2、乙太網交換機的特點（switching hub）

（1）交換式集線器常稱為乙太網交換機或第二層交換機（L2switch），工作在資料鏈路層。

（2）乙太網交換機實質上就是一個多介面的網橋，通常都有十幾個或更多的介面。

（3）乙太網交換機的每個介面都直接與一個單臺主機或另一個乙太網交換機相連。

（4）乙太網交換機一般都工作在全雙工方式。

（5）乙太網交換機還具有並行性，即能同時連通多對介面，使多對主機能同時通訊，相互通訊的主機都是獨佔傳輸媒體，無碰撞地傳輸資料。

（6）乙太網交換機的介面還有儲存器，能在輸出埠繁忙時把到來的幀進行快取。

（7）乙太網交換機是一種即插即用裝置，其內部的幀交換表（又稱地址表）是通過自學習演算法自動建立的。

（8）乙太網交換機由於使用了專用的交換結構晶片，用硬體轉發，其轉發速率要比網橋快很多。

（9）交換機的最大優點是交換機的總容量是交換機所有介面容量之和。

（10）乙太網交換機的轉發方式：

• ① 大部分乙太網交換機對收到的幀採用儲存轉發方式進行轉發。

• ② 也有一些交換機採用直通（cut-through）的交換方式。

  • ❶ 接收資料幀的同時立即按資料幀的目的MAC地址決定該幀的轉發介面，提高了幀的轉發速度。

  • ❷ 直通交換的一個缺點是不檢查差錯就直接將幀轉發出去，有可能會轉發無效幀。

2、乙太網交換機的自學習功能

（1）假定在圖3-25中的乙太網交換機有4個介面，各連線一臺計算機，其MAC地址分別是A，B，C和D。在一開始，乙太網交換機裡面的交換表是空的（圖3-25（a））。

（2）A先向B傳送一幀，從介面1進入到交換機。交換機收到幀後，先查詢交換表，找不到目的地址為B的專案，沒有查到應從哪個介面轉發這個幀。

（3）交換機把這個幀的源地址A和介面1寫入交換表中，並向除介面1以外的所有介面廣播這個幀。

（4）C和D將丟棄這個幀，因為目的地址不對。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通過介面3向A傳送一幀。交換機查詢交換表，發現交換表中的MAC地址有A。就把目的地址為A的幀應從介面1轉發給A。交換表這時新增加的專案（B，3），表明今後如有傳送給B的幀，就應當從介面3轉發出去。

（6）在交換表中每個專案都設有一定的有效時間，過期的專案會自動被刪除。

（7）乙太網交換機的這種自學習方法使得乙太網交換機能夠即插即用，不必人工進行配置，非常方便。

（8）為了增加網路的可靠性，在使用乙太網交換機組網時，往往會增加一些冗餘的鏈路。在這種情況下，自學習的過程就可能導致乙太網幀在網路的某個環路中無限制地兜圈子。

（9）為了解決乙太網幀在網路的某個環路中無限制地兜圈子問題，IEEE的802.1D標準制定了一個生成樹協議STP（Spanning Tree Protocol），其要點就是不改變網路的實際拓撲，但在邏輯上則切斷某些鏈路，使得從一臺主機到所有其他主機的路徑是無環路的樹狀結構，從而消除了兜圈子現象。

3、從匯流排乙太網到星形乙太網

（1）傳統的電話網是星形結構，其中心就是電話交換機。

（2）早期的乙太網就採用無源的匯流排結構。匯流排乙太網使用CSMA/CD協議，以半雙工方式工作。

（3）隨著大規模積體電路以及專用晶片的發展，採用乙太網交換機的星形結構又成為乙太網的首選拓撲。乙太網交換機不使用共享匯流排，沒有碰撞問題，因此不使用CSMA/CD協議，而是以全雙工方式工作。

4.3 虛擬區域網VLAN（Virtual LAN）

1、虛擬區域網VLAN的定義：

（1）虛擬區域網VLAN是由一些具有某些共同的需求區域網網段構成的與物理位置無關的邏輯組。

（2）每一個VLAN的幀都有一個明確的識別符號，指明發送這個幀的計算機屬於哪一個VLAN。

（3）虛擬區域網其實只是區域網給使用者提供的一種服務，而並不是一種新型區域網。

（4）在虛擬區域網上的每一個站都可以收到同一個虛擬區域網上的其他成員所發出的廣播。

（5）虛擬區域網協議允許在乙太網的幀格式中插入一個4位元組的識別符號，稱為VLAN標記（tag），用來指明發送該幀的計算機屬於哪一個虛擬區域網。插入VLAN標記得出的幀稱為802.1Q幀。

• ① VLAN標記欄位的長度是4位元組，插入在乙太網MAC幀的源地址欄位和型別欄位之間。

• ② VLAN標記的前兩個位元組設定為0x8100（二進位制1000000100000000），稱為IEEE 802.1Q標記型別。

• ③ VLAN標記的後兩個位元組中，前3位是使用者優先順序欄位，接著的一位是規範格式指示符CFI，最後的12位是該虛擬區域網VLAN識別符號VID（VLAN ID），它唯一地標誌了這個乙太網幀屬於哪一個VLAN。

• ④ 用於VLAN的乙太網幀的首部增加了4個位元組，乙太網的最大幀長從1518位元組變為1522位元組。

五、高速乙太網

5.1 100BASE-T乙太網

1、快速乙太網（Fast Ethernet）

（1）100BASE-T是在雙絞線上傳送100M bit/s基帶訊號的星形拓撲乙太網，仍使用IEEE 802.3的CSMA/CD協議，又稱為快速乙太網（Fast Ethernet）。

（2）100BASE-T的介面卡有很強的自適應性，能夠自動識別10Mb it/s和100M bit/s。

（3）100BASE-T的快速乙太網的正式標準IEEE 802.3u。

（4）快速乙太網使用的MAC幀格式仍然是IEEE 802.3標準規定的幀格式。

（5）現在10/100Mbit/s乙太網都使用無遮蔽雙絞線佈線。

（6）在100Mb it/s的乙太網中採用的方法是保持最短幀長不變，對於銅纜100M bit/s乙太網，一個網段的最大長度是100m，其最短幀長仍為64位元組，即512位元。因此100Mbit/s乙太網的爭用期是5.12µs，幀間最小間隔現在是0.96µs，都是10Mbit/s乙太網的1/10。

2、100Mbit/s乙太網的物理層標準

（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對線用於傳送資料， 1對線用作碰撞檢測的接收通道。

5.2 吉位元乙太網

1、吉位元乙太網的標準IEEE 802.3z的特點：

（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協議規定的幀格式。

（3）在半雙工方式下使用CSMA/CD協議，而在全雙工方式不使用CSMA/CD協議。

（4）與10BASE-T和100BASE-T技術向後相容。

2、吉位元乙太網

（1）吉位元乙太網可用作現有網路的主幹網，也可在高頻寬的應用場合中用來連線計算機和伺服器。

（2）吉位元乙太網的物理層使用兩種成熟的技術：一種來自現有的乙太網，另一種則是美國國家標準協會ANSI制定的光纖通道FC（Fibre Channel）。

（3）吉位元乙太網工作在半雙工方式時，就必須進行碰撞檢測。

（4）吉位元乙太網一個網段的最大長度為100m，採用了載波延伸（carriere xtension）的辦法使最短幀長仍為64位元組，同時將爭用期增大為512位元組。當傳送的MAC幀長不足512位元組時，就用一些特殊字元填充在幀的後面，使MAC幀的傳送長度增大到512位元組，這對有效載荷並無影響。接收端在收到乙太網的MAC幀後，要把所填充的特殊字元刪除後才向高層交付。

（4）吉位元乙太網增加了一種功能稱為分組突發（packet bursting）：就是當很多短幀要傳送時，第一個短幀要採用上面所說的載波延伸的方法進行填充。但隨後的一些短幀則可一個接一個地傳送，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，直到達到1500位元組或稍多一些為止。

（5）吉位元乙太網工作在全雙工方式時，即通訊雙方同時傳送和接收資料，不使用載波延伸和分組突發。

3、吉位元乙太網物理層標準

（1）1000BASE-X的標準是IEEE 802.3z，包括1000BASE-SX、1000BASE-LX和1000BASE-CX。

（2）1000BASE-T的標準是IEEE 802.3ab。

5.3 10吉位元乙太網（10GE）和更快的乙太網

1、10吉位元乙太網

（1）10GE的幀格式與10Mbit/s，100M bit/s和1G bit/s乙太網的幀格式完全相同，並保留了802.3標準規定的乙太網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協議，不再受必須進行碰撞檢測的限制。

2、10GE的物理層標準

（1）10GBASE-SR、10GBASE-LR和10GBASE-ER的標準是IEEE 802.3ae。

（2）10GBASE-CX4的標準是IEEE 802.3ak。

（3）10GBASE-T的標準是IEEE 802.3an。

3、40GE/100GE乙太網

（1）40吉位元乙太網和100吉位元乙太網40GE/100GE的標準是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協議，並且仍然保持了乙太網的幀格式以及802.3標準規定的乙太網最小和最大幀長。

（3）100GE在使用單模光纖傳輸時，仍然可以達到40km的傳輸距離，但需要波分複用。

（4）40GE/100GE的出現，使乙太網的工作範圍從區域網擴大到都會網路和廣域網，從而實現了端到端的乙太網傳輸。

4、乙太網的特點：根據乙太網從10Mbit/s到10Gbit/s甚至到100Gbit/s的演進

（1）可擴充套件的（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）易於安裝。

（4）穩健性好。

5.4 使用乙太網進行寬頻接入

1、乙太網的寬頻接入技術

（1）IEEE成立了802.3EFM工作組，專門研究高速乙太網的寬頻接入技術問題。

（2）乙太網接入的一個重要特點是可以提供雙向的寬頻通訊，並且可以根據使用者對頻寬的需求靈活地進行頻寬升級。

（3）當都會網路和廣域網都採用吉位元乙太網或10吉位元乙太網時，採用乙太網接入可以實現端到端的乙太網傳輸，中間不需要再進行幀格式的轉換。這就提高了資料的傳輸效率且降低了傳輸的成本。

（4）如果網路運營商要利用乙太網接入到網際網路，就必須解決這個問題：乙太網的幀格式標準中，在地址欄位部分並沒有使用者名稱欄位，也沒有讓使用者鍵入密碼來鑑別使用者身份的過程。

（5）解決方法：把資料鏈路層的兩個成功的協議結合起來，即把PPP協議中的PPP幀再封裝到乙太網中來傳輸。即PPPoE（PPP over Ethernet），意思是“在乙太網上執行PPP”。現在的光纖寬頻接入FTTx都要使用PPPoE的方式進行接入。

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路單元ONU（實際上就是一個乙太網交換機）.

（2）根據使用者所申請的頻寬，用5類線接到使用者家中。

（3）如果大樓裡上網的使用者很多，那麼還可以在每一個樓層再安裝一個100Mbit/s的乙太網交換機。

（4）各大樓的乙太網交換機通過光纜匯接到光結點匯接點，光匯接點通過都會網路連線到網際網路的主幹網