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3.3、使用广播信道的数据链路层
3.3.3、使用集线器的星形拓扑
- 传统以太网传输媒体:粗同轴电缆→细同轴电缆→双绞线。
- 采用双绞线的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)。
传统以太网使用同轴电缆，采用总线形拓扑结构
采用双绞线的以太网采用星形拓扑
星形以太网 10BASE-T
集线器的一些特点
- 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。
- 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。 - 很像一个多接口的转发器，工作在物理层。
- 采用了专门芯片，进行自适应串音回波抵消，减少了近端串音。
具有3个接口的集线器
3.3.4、以太网的信道利用率
- 多个站在以太网上同时工作就可能会发生碰撞。
- 当发生碰撞时，信道资源实际上是被浪费了。因此，当扣除碰撞所造成的信道损失后，以太网总的信道利用率并不能达到100%。
- 假设:单程端到端传播时延= t，则争用期长度= 2t。检测到碰撞后不发送干扰信号。
- 设:帧长=L(bit)，数据发送速率=C(bit/s)，则帧的发送时间T= L/C(s)。
以太网信道被占用的情况
注意:成功发送一个帧需要占用信道的时间是T0+t，比帧的发送时间要多一个单程端到端时延t。
参数a与利用率
- 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=以太网单程端到端时延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。
对以太网参数a的要求
- 为提高利用率，以太网的参数a的值应当尽可能
小些。 - 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Smax
只有当参数a远小于1才能得到尽可能高的极限信道利用率。
据统计，当以太网的利用率达到30%时就已经处于重载的情况。
3.3.5、以太网的MAC层
1、MAC层的硬件地址
- 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（(简称为地址)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。
注意:如果连接在局域网上的主机或路由器安装有多个适配器，这样的主机或路由器就有多个“地址”。更准确些说，这种48位“地址”应当是某个接口的标识符。
48位的MAC地址
- IEEE注册管理机构RA负责向厂家分配前3个字节(即高24位)，称为组织唯一标识符OUI (Organizationally Unique ldentifier)。
- 厂家自行指派后3个字节(即低24位)，称为扩展标识符(extended identifier)。
- 必须保证生产出的适配器没有重复地址。
- 地址被固化在适配器的ROM中。
单站地址，组地址，广播地址：
- IEEE规定地址字段的第1字节的最低位为I/G(Individual /Group)位。
- 单站地址:I/G位=0。
- 组地址:I/G位=1。组地址用来进行多播。
- 广播地址:所有48位都为1(全1)。只能作为目的地址使用。
全球管理与本地管理
- IEEE把地址字段第1字节的最低第2位规定为G/L(Global /Local)位。
- 全球管理:G/L位=0。厂商向IEEE购买的OUI都属于全球管理。
- 本地管理:G/L位=1。这时用户可任意分配网络上的地址。
适配器具有过滤功能
- 每收到一个MAC帧，先用硬件检查帧中的 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3种帧:
单播(unicast)帧（一对一)
广播(broadcast)帧(一对全体)
多播(multicast)帧(一对多)
以混杂方式(promiscuous mode)工作的以太网适配器只要“听到”有帧在以太网上传输就都接收下来。
2、MAC帧的格式
- 常用的以太网 MAC帧格式有2种标准:
1.DIX Ethernet V2标准
2.IEEE的802.3标准 - 最常用的MAC帧是以太网V2的格式。
以太网V2的MAC帧格式
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至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。
IEEE 802.3 MAC与以太网V2 MAC帧格式的区别
- 当“长度/类型”字段值大于0x0600时，表示“类型”;小于Ox0600时，表示“长度”。
- 当“长度/类型”字段值小于0x0600时，数据字段必须装入逻辑链路控制LLC子层的LLC帧。
- 在802.3标准的文档中，MAC帧格式包括了8字节的前同步码和帧开始定界符。
现在市场上流行的都是以太网V2的MAC帧,但大家也常常把它称为IEEE 802.3标准的MAC帧。
3.5、扩展的以太网
3.4.1、在物理层扩张以太网
使用光纤扩展
主机使用光纤和一对光纤调制解调器连接到集线器
使用集线器
用多个集线器连成更大的以太网
用集线器扩展以太网
- 优点
1.使原来属于不同碰撞域（冲突域)的计算机能够跨碰撞域通信。
2.扩大了以太网覆盖的地理范围。 - 缺点
1.碰撞域增大了，总的吞吐量未提高。
2.如果使用不同的以太网技术（如数据率不同)，那么就不能用集线器将它们互连起来。
碰撞域
- 碰撞域(collision domain)又称为冲突域，指网络中一个站点发出的帧会与其他站点发出的帧产生碰撞或冲突的那部分网络。
- 碰撞域越大，发生碰撞的概率越高。
3.4.2、在数据链路层扩展以太网
- 更为常用。早期使用网桥，现在使用以太网交换桥。
- 网桥
1.工作在数据链路层。
2.根据 MAC帧的目的地址对收到的帧进行转发和过滤。或者转发，或者丢弃。 - 交换机
1.工作在数据链路层。
2.多端口的网桥。
3.可明显地提高以太网的性能。
1.以太网交换机的特点
- 实质上是一个多接口网桥。
通常有十几个或更多的接口。 - 每个接口都直接与一个单台主机或另一个以太网交换机相连，并且一般都工作在全双工方式。
- 以太网交换机具有并行性。
1.能同时连通多对接口，使多对主机能同时通信。
2.相互通信的主机都独占传输媒体，无碰撞地传输数据
3.每一个端口和连接到端口的主机构成了一个碰撞域。
以太网交换机的每个接口都是一个碰撞域
- 接口有存储器。
- 即插即用。其内部的帧交换表（又称为地址表）是通过自学习算法自动地逐渐建立起来的。这种交换表就是一个内容可寻址存储器CAM (Content addressable Memory)。
- 使用专用的交换结构芯片，用硬件转发，其转发速率要比使用软件转发的网桥快很多。
以太网交换机的性能远远超过普通的集线器，而且价格并不贵。
以太网交换机的优点
每个用户独享带宽，增加了总容量
N个用户共享集线器提供的带宽B。
平均每个用户仅占有B/N的带宽。
交换机为每个端口提供带宽B。
N个用户，每个用户独占带宽B。
交换机总容量达B × N。
以太网交换机的交换方式
- 存储转发方式
把整个数据帧先缓存，再进行处理。 - 直通(cut-through)方式
接收数据帧的同时立即按数据帧的目的MAC地址决定该帧的转发接口。
缺点:不检查差错就直接将帧转发出去，有可能转发无效帧。
2、以太网交换机的自学习功能
考虑到可能有时要在交换机的接口更换主机，或者主机要更换其网络适配器，这就需要更改交换表中的项目。为此，在交换表中每个项目都设有一定的有效时间。过期的项目就自动被删除。
这种自学习方法使得以太网交换机能够即插即用，不必人工进行配置。
交换机自学习和转发帧的步骤归纳
2台以太网交换机互连
存在的问题：回路
消除回路：使用生成树协议（SPT)
- 生成树协议STP (Spanning Tree Protocol)要点:
不改变网络的实际拓扑，但在逻辑上则切断某些链路，使得从一台主机到所有其他主机的路径是无环路的树状结构，从而消除了兜圈子现象。
3、从总线以太网到星形以太网
3.4.3、虚拟局域网
广播风暴
- 一个以太网是一个广播域
广播域(broadcast domain):指这样一部分网络，其中任何一台设备发出的广播通信都能被该部分网络中的所有其他设备所接收。
交换机之间的冗余链路形成广播风暴
安全问题
交换机每个接口都处于一个独立的碰撞域(或冲突域)中,但所有计算机都处于同一个广播域中。
无法隔离不同部门的通信
虚拟局域网VLAN
- 利用以太网交换机可以很方便地实现虚拟局域网VLAN(Virtual LAN)。
- IEEE 802.1Q对虚拟局域网VLAN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，指明发送这个帧的计算机是属于哪一个VLAN。
虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务，并不是一种新型局域网。
虚拟局域网优点
虚拟局域网(VLAN)技术具有以下主要优点:
1．改善了性能
2.简化了管理
3.降低了成本
4.改善了安全性
划分局域网的方法
- 基于交换机端口
- 基于计算机网卡的MAC地址
- 基于协议类型
- 基于IP子网地址
- 基于高层应用或服务
基于交换机端口的方法
- 最简单、也是最常用的方法。
- 属于在第1层划分虚拟局域网的方法。
- 缺点:不允许用户移动。
基于计算机网卡的MAC地址的方法
- 根据用户计算机的 MAC地址划分虚拟局域网。
- 属于在第⒉层划分虚拟局域网的方法。
- 允许用户移动。
- 缺点:需要输入和管理大量的MAC地址。如果用户的MAC地址改变了，则需要管理员重新配置VLAN.
基于协议类型的方法
- 根据以太网帧的第三个字段“类型”确定该类型
的协议属于哪一个虚拟局域网。 - 属于在第2层划分虚拟局域网的方法。
基于IP子网地址的方法
- 根据以太网帧的第三个字段“类型”和IP分组首部中的源IP地址字段确定该IP分组属于哪一个虚拟局域网。
- 属于在第3层划分虚拟局域网的方法。
基于高层应用或服务的方法
- 根据高层应用或服务、或者它们的组合划分虚拟局域网。
- 更加灵活，但更加复杂。
虚拟局域网使用的以太网帧格式
标准以太网帧插入4字节的VLAN标记后变成了802.1Q帧 (或带标记的以太网帧)
3.5、高速以太网
3.5.1、100BASE-T以太网
- 又称为快速以太网(Fast Ethernet)。
- 在双绞线上传送100 Mbit/s 基带信号的星形拓扑以太网。
- 仍使用IEEE 802.3的CSMA/CD协议。
- 1995定为正式标准:IEEE 802.3u。
100BASE-T以太网的特点
- 可在全双工方式下工作而无冲突发生。
- 在全双工方式下工作时，不使用CSMA/CD协议。
- 使用IEEE 802.3协议规定的MAC帧格式。
- 保持最短帧长不变，但将一个网段的最大电缆长度减小到100米。
- 帧间时间间隔从原来的9.6 us改为现在的0.96 us
100Mbit/s以太网的3种不同的物理层标准
3.5.2、吉比特以太网
特点:
1.允许在1 Gbit/s下以全双工和半双工2种方式工作。
2.使用IEEE 802.3协议规定的MAC帧格式。
3.在半双工方式下使用 CSMA/CD协议，而在全双工方式不使用
CSMA/CD协议。
4.与10BASE-T和100BASE-T技术向后兼容。
吉比特以太网的物理层
- 使用2种成熟的技术:一种来自现有的以太网，另一种则是美国国家标准协会ANSI 制定的光纤通道FC (Fiber Channel)。
吉比特以太网物理层标准
半双工方式工作的吉比特以太网
- 半双工时采用CSMA/CD，必须进行碰撞检测。
- 为保持64字节最小帧长度，以及100米的网段的最大长度，增加了2个功能:
1.载波延伸(carrier extension)
2.分组突发(packet bursting)
注意:全双工方式工作的吉比特以太网不使用载波延伸和分组突发。
载波延伸
- 将争用时间增大为512字节。凡发送的 MAC帧长不足512字节时，就用一些特殊字符填充在帧的后面。
分组突发
- 当很多短帧要发送时，第1个短帧采用载波延伸方法进行填充，随后的一些短帧则可一个接一个地发送，只需留有必要的帧间最小间隔即可。这样就形成可一串分组的突发，直到达到1500字节或稍多一些为止。
3.5.3、10吉比特以太网(10GE)和更快的以太网
- 10吉比特以太网(10GE)主要特点:
1.万兆比特。
2.与10、100 Mbit/s和1Gbit/s以太网的帧格式完全相同。
3.保留了IEEE 802.3标准规定的以太网最小和最大帧长。
4.只使用光纤作为传输媒体。
5.只工作在全双工方式，没有争用问题，不使用CSMA/CD协议。
10GE的物理层标准
40GE/10GE的物理层标准
端到端的以太网传输
- 以太网的工作范围已经扩大到城域网和广域网，实现了端到端的以太网传输。
- 好处:
1.技术成熟;
2.互操作性很好;
3.在广域网中使用以太网时价格便宜;
4。采用统一的以太网帧格式，简化了操作和管理。
3.5.4 使用以太网进行宽带接入
- IEEE在2001年初成立了802.3 EFM 工作组，专门研究高速以太网的宽带接入技术问题。
- 以太网宽带接入具有以下特点:
1.可以提供双向的宽带通信。
2.可以根据用户对带宽的需求灵活地进行带宽升级。
3.可以实现端到端的以太网传输，中间不需要再进行帧格式的转换。
4.但不支持用户身份鉴别。
PPPoE
- PPPOE (PPP over Ethernet):在以太网上运行PPP
- 将PPP帧封装到以太网中来传输。
- 现在的光纤宽带接入FTIx都要使用PPPoE的方式进行接入。
- 利用ADSL 进行宽带上网时，从用户个人电脑到家中的ADSL 调制解调器之间的连接也使用RJ-45和5类线，也使用PPPoE.
