数据链路层--使用广播信道的以太网

Posted 2020-10-22 寒潭渡鹤影

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。

集线器的特点：

（1）使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各站共享逻辑上的总线，使用的还是CSMA/CD协议。

（2）一个集线器有许多接口，例如8~16个。

（3）集线器工作在物理层，它的每个接口仅仅简单地转发比特，不进行碰撞检测。

（4）集线器采用了专门的芯片，进行自适应串音回波抵消。

信道利用率

从图可以看出要提高以太网的信道利用率，就必须减小t与T₀之比。在以太网中定义了参数a，它是以太网单程端到端时延t与帧的发送时间T₀之比：

a = t/T₀

以太网的MAC层

在局域网中，硬件地址又称为物理地址或MAC地址。IEEE 802标准为局域网规定了一种48位的全球地址，是指局域网上的每一台计算机中固化在适配器的ROM中的地址。

计算机的适配器更换，在局域网中的“地址”就变了。地理上移动计算机是不会造成MAC地址的改变的。

现在的IEEE的注册管理结构RA是局域网全球地址的法定管理机构，它负责分配地址字段的6个字节中的前三个字节。

世界上要生产局域网适配器的厂家都必须向IEEE购买由三个字节构成的这个号。这个号的正式名称是组织唯一标识符OUI，通常也叫公司标识符。

在生产适配器时，这中6字节的MAC地址已被固化在适配器的ROM中。因此，MAC地址也叫适配器地址或适配器标识符EUI-48。

由五个字段组成，前两个字段分别为6字节长的目的地址和源地址字段。第三个字段是2字节的类型字段，用来标志上一层使用的是什么协议。

第四个字段是数据字段，其长度在46到1500字节之间。MAC帧的长度为64~1518字节。最后一个字段是4字节的帧检验序列FCS。

在物理层扩展以太网

用集线器扩展以太网

在数据链路层扩展以太网

在数据链路层扩展以太网要使用网桥。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和过滤。

两个以太网通过网桥连接起来后，就成为一个覆盖范围更大的以太网，而原来的每个以太网就可以称为一个网段。

网桥依靠转发表来转发帧。转发表也叫做转发数据库或路由目录。

 网桥的好处

（1）过滤通信量，增大吞吐量；（2）扩大了物理范围；（3）提高了可靠性；（4）可互连不同物理层、不同MAC子层和不同速率的以太网。

缺点：

（1）查找转发表增加了时延；（2）在MAC子层并没有流量控制功能；（3）网桥只适合用户数不太多和通信量不太大的以太网。

透明网桥

目前使用的最多的网桥是透明网桥。“透明”是指以太网上的站点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥，以太网上的站点都看不见以太网上的网桥。透明网桥是一种即插即用设备，只要把网桥接入局域网就能工作。

网桥的自学习和转发帧的一般步骤：

（1）网桥收到一帧后先进行自学习。查找转发表中与收到的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。

（2）转发帧。查找转发表中与收到目的地址有无相匹配的项目。如没有，则通过所有其他接口（进入网桥的接口除外）进行转发。如有，则按转发表中给出的接口进行转发。但若转发表给出的接口就是该帧进入网桥的接口，则应该丢弃这个帧。

透明网桥使用了生成树算法，即互连在一起的网桥进行彼此通信后，就能找出原来网络拓扑的一个子集。这是为了避免转发的帧在网络中不断地兜圈子。

源路由网桥

 透明网桥的最大优点就是容易安装，但网络资源的利用还不充分。

源路由网桥是在发送帧时，把详细的路由信息放在帧的首部中。

为了发现合适的路由，源站以广播方式向欲通信的目的站发送一个发现真作为探测之用。发现真将在整个扩展的以太网中沿着所有可能的路由传送，从所有可能的路由中选择出一个最佳路由。

源路由网桥对主机不是透明的，主机必须知道网桥的标识以及连接到哪一个网段上。使用源路由网桥可以利用最佳路由。若在两个以太网之间使用并联的源路由网桥，则可使通信量较平均地分配给每一个网桥。

多接口网桥--以太网交换机

交换式集线器常称为以太网的交换机或第二层交换机，表明这种交换机工作在数据链路层。

“交换机”并无准确的定义和明确的概念，而现在的很多交换机已混杂了网桥和路由器的功能。

以太网交换机实质上就是一个多接口的网桥。以太网交换机的每个接口都直接与一个单个主机或另一个集线器相连，并且一般都工作在全双工方式。

以太网交换机和透明网桥一样，也是一种即插即用的设备，其内部的帧转发表也是通过自学习算法自动地建立起来的。

利用以太网交换机可以很方便地实现虚拟局域网。

虚拟局域网的定义：

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，而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属于哪一个VLAN。

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，用来指明发送该帧的工作站属于哪一个虚拟局域网。

VLAN标记的前两个字节总是设置为0x8100，后面的两个字节中，前3位是用户优先级字段，接着的一位是规范格式指示符，最后的12位是该虚拟局域网VLAN标识符。

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。

100BASE-T是在双绞线上传送100Mb/s基带信号的星型拓扑以太网，仍然使用CSMA/CD协议，它又称为快速以太网。

10GE只工作在全双工方式，不存在争用问题，当然也不使用CSMA/CD协议。

现在以太网的工作范围已经从局域网扩大到城域网和广域网，实现了端到端的以太网传输。