計算機網絡 數據鏈路層（二）以太網

計算機網絡（六）

學習計算機網絡過程中的心得體會以及知識點的整理，方便我自己查找，也希望可以和大家一起交流。

—— 數據鏈路層 ——

上接《計算機網絡 數據鏈路層（一）》

《計算機網絡 數據鏈路層（一）》

4.擴展的以太網

4.1 在物理層擴展以太網

4.1.1 使用光纖擴展

• 主機使用光纖（通常是一對光纖）和一對光纖調制解調器連接到集線器。
• 很容易使主機和幾公里以外的集線器相連接。
  

4.1.2 使用集線器擴展

• 使用多個集線器可連成更大的、多級星形結構的以太網。
• 例如，一個學院的三個系各有一個 10BASE-T 以太網，可通過一個主幹集線器把各系的以太網連接起來，成爲一個更大的以太網。
  
• 優點
  • 使原來屬於不同碰撞域的以太網上的計算機能夠進行跨碰撞域的通信。
  • 擴大了以太網覆蓋的地理範圍。
• 缺點
  • 碰撞域增大了，但總的吞吐量並未提高。
  • 如果不同的碰撞域使用不同的數據率，那麼就不能用集線器將它們互連起來。

4.2 在數據鏈路層擴展以太網

• 擴展以太網更常用的方法是在數據鏈路層進行。
• 早期使用網橋，現在使用以太網交換機。
• 網橋工作在數據鏈路層。
• 它根據 MAC 幀的目的地址對收到的幀進行轉發和過濾。
• 當網橋收到一個幀時，並不是向所有的接口轉發此幀，而是先檢查此幀的目的 MAC 地址，然後再確定將該幀轉發到哪一個接口，或把它丟棄。

4.2.1 以太網交換機的特點

• 以太網交換機實質上就是一個多接口的網橋。
• 通常都有十幾個或更多的接口。
• 每個接口都直接與一個單臺主機或另一個以太網交換機相連，並且一般都工作在全雙工方式。
• 以太網交換機具有並行性。
• 能同時連通多對接口，使多對主機能同時通信。
• 相互通信的主機都是獨佔傳輸媒體，無碰撞地傳輸數據。
• 以太網交換機的接口有存儲器，能在輸出端口繁忙時把到來的幀進行緩存。
• 以太網交換機是一種即插即用設備，其內部的幀交換表（又稱爲地址表）是通過自學習算法自動地逐漸建立起來的。
• 以太網交換機使用了專用的交換結構芯片，用硬件轉發，其轉發速率要比使用軟件轉發的網橋快很多。

4.2.2 以太網交換機的交換方式

• 存儲轉發方式
  • 把整個數據幀先緩存後再進行處理。
• 直通 (cut-through) 方式
  • 接收數據幀的同時就立即按數據幀的目的 MAC 地址決定該幀的轉發接口，因而提高了幀的轉發速度。
  • 缺點是它不檢查差錯就直接將幀轉發出去，因此有可能也將一些無效幀轉發給其他的站。

4.2.3 以太網交換機的自學習功能

• 以太網交換機運行自學習算法自動維護交換表。

• 開始時，以太網交換機裏面的交換表是空的。
  

• A 先向 B 發送一幀，從接口 1 進入到交換機。

• 交換機收到幀後，先查找交換表，沒有查到應從哪個接口轉發這個幀。

• 交換機把這個幀的源地址 A 和接口1 寫入交換表中，並向除接口1以外的所有的接口廣播這個幀。

• C 和 D 將丟棄這個幀，因爲目的地址不對。只 B 才收下這個目的地址正確的幀。這也稱爲過濾。

• 從新寫入交換表的項目 (A, 1) 可以看出，以後不管從哪一個接口收到幀，只要其目的地址是A，就應當把收到的幀從接口1轉發出去。

• B 通過接口 3 向 A 發送一幀。

• 交換機查找交換表，發現交換表中的 MAC 地址有 A。表明要發送給A的幀（即目的地址爲 A 的幀）應從接口1轉發。於是就把這個幀傳送到接口 1 轉發給 A。顯然，現在已經沒有必要再廣播收到的幀。

• 交換表這時新增加的項目 (B, 3)，表明今後如有發送給 B 的幀，就應當從接口 3 轉發出去。

• 經過一段時間後，只要主機 C 和 D 也向其他主機發送幀，以太網交換機中的交換表就會把轉發到 C 或 D 應當經過的接口號（2 或 4）寫入到交換表中。

4.2.4 交換機使用生成樹協議

• 增加冗餘鏈路時，自學習的過程就可能導致以太網幀在網絡的某個環路中無限制地兜圈子。

• 如圖，假定開始時，交換機 #1 和 #2 的交換表都是空的，主機 A 通過接口交換機 #1 向主機 B 發送一幀。
  

• 按交換機自學習和轉發方法，該幀的某個走向如下：離開交換機 #1 的接口 3 → 交換機 #2 的接口 1 → 接口 2 → 交換機 #1 的接口 4 → 接口 3 → 交換機 #2 的接口 1 →……。這樣就無限制地循環兜圈子下去，白白消耗了網絡資源。

• IEEE 802.1D 標準制定了一個生成樹協議 STP (Spanning Tree Protocol)。

• 其要點是：不改變網絡的實際拓撲，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。

4.3 虛擬局域網

• 利用以太網交換機可以很方便地實現虛擬局域網 VLAN (Virtual LAN)。
• 虛擬局域網 VLAN 是由一些局域網網段構成的與物理位置無關的邏輯組，而這些網段具有某些共同的需求。每一個 VLAN 的幀都有一個明確的標識符，指明發送這個幀的計算機是屬於哪一個 VLAN。
• 虛擬局域網其實只是局域網給用戶提供的一種服務，而並不是一種新型局域網。
• 由於虛擬局域網是用戶和網絡資源的邏輯組合，因此可按照需要將有關設備和資源非常方便地重新組合，使用戶從不同的服務器或數據庫中存取所需的資源。

4.3.1 虛擬局域網使用的以太網幀格式

• IEEE 批准了 802.3ac 標準，該標準定義了以太網的幀格式的擴展，以支持虛擬局域網。
• 虛擬局域網協議允許在以太網的幀格式中插入一個4字節的標識符，稱爲 VLAN 標記 (tag)，用來指明發送該幀的計算機屬於哪一個虛擬局域網。
• 插入 VLAN 標記得出的幀稱爲 802.1Q 幀 或 帶標記的以太網幀。
  

5.高速以太網

5.1 100BASE-T 以太網

• 速率達到或超過 100 Mbit/s 的以太網稱爲高速以太網。
• 100BASE-T 在雙絞線上傳送 100 Mbit/s 基帶信號的星形拓撲以太網，仍使用 IEEE 802.3 的CSMA/CD 協議。
• 100BASE-T 以太網又稱爲快速以太網 (Fast Ethernet)。
• 1995 年IEEE已把 100BASE-T 的快速以太網定爲正式標準，其代號爲 IEEE 802.3u。
• 可在全雙工方式下工作而無衝突發生。在全雙工方式下工作時，不使用 CSMA/CD 協議。
• MAC 幀格式仍然是 802.3 標準規定的。
• 保持最短幀長不變，但將一個網段的最大電纜長度減小到 100 m。
• 幀間時間間隔從原來的 9.6 s 改爲現在的 0.96 s。

5.1.1 100 Mbit/s 以太網的三種不同的物理層標準

• 100BASE-TX
  • 使用 2 對 UTP 5 類線 或 屏蔽雙絞線 STP。
  • 網段最大程度：100米。
• 100BASE-T4
  • 使用 4 對 UTP 3 類線 或 5 類線。
  • 網段最大程度：100米。
• 100BASE-FX
  • 使用 2 對光纖。
  • 網段最大程度：2000米。

5.2 吉比特以太網

• 允許在 1 Gbit/s 下全雙工和半雙工兩種方式工作。
• 使用 IEEE 802.3 協議規定的幀格式。
• 在半雙工方式下使用 CSMA/CD 協議，全雙工方式不使用 CSMA/CD 協議。
• 與 10BASE-T 和 100BASE-T 技術向後兼容。

吉比特以太網可用作現有網絡的主幹網，也可在高帶寬（高速率）的應用場合中。

5.2.1 吉比特以太網的物理層

• 使用兩種成熟的技術：一種來自現有的以太網，另一種則是美國國家標準協會 ANSI 制定的光纖通道 FC (Fiber Channel)。
  

5.2.2 吉比特以太網的工作方式

• 吉比特以太網工作在半雙工方式時，就必須進行碰撞檢測。
• 爲保持 64 字節最小幀長度，以及 100 米的網段的最大長度，吉比特以太網增加了兩個功能：
  • 載波延伸 (carrier extension)
  • 分組突發 (packet bursting)
• 當吉比特以太網工作在全雙工方式時（即通信雙方可同時進行發送和接收數據），不使用載波延伸和分組突發。

5.2.3 載波延伸

• 使最短幀長仍爲 64 字節（這樣可以保持兼容性），同時將爭用時間增大爲 512 字節。
• 凡發送的 MAC 幀長不足 512 字節時，就用一些特殊字符填充在幀的後面，使MAC 幀的發送長度增大到 512 字節。接收端在收到以太網的 MAC 幀後，要將所填充的特殊字符刪除後才向高層交付。
  

5.2.4 分組突發

• 當很多短幀要發送時，第一個短幀要採用載波延伸方法進行填充，隨後的一些短幀則可一個接一個地發送，只需留有必要的幀間最小間隔即可。這樣就形成可一串分組的突發，直到達到 1500 字節或稍多一些爲止。
  

【吉比特以太網的配置舉例】

5.3 10吉比特以太網 (10GE) 和更快的以太網

• 10 吉比特以太網（10GE）並非把吉比特以太網的速率簡單地提高到10倍，其主要特點有：
• 與 10 Mbit/s、100 Mbit/s 和 1 Gbit/s 以太網的幀格式完全相同。
• 保留了 802.3 標準規定的以太網最小和最大幀長，便於升級。
• 不再使用銅線而只使用光纖作爲傳輸媒體。
• 只工作在全雙工方式，因此沒有爭用問題，也不使用 CSMA/CD 協議。

5.3.1 10吉比特以太網的物理層

5.3.2 更快的以太網

• 以太網的技術發展得很快。
• 在 10GE 之後又制訂了 40GE/100GE（即 40 吉比特以太網和 100 吉比特以太網）的標準 IEEE 802.3ba-2010 和 802.3bm-2015。
• 40GE/100GE 只工作在全雙工的傳輸方式（因而不使用 CSMA/CD協議），並仍保持了以太網的幀格式以及 802.3 標準規定的以太網最小和最大幀長。
• 100GE 在使用單模光纖傳輸時，仍然可以達到 40 km的傳輸距離，但這是需要波分複用（使用 4 個波長複用一根光纖，每一個波長的有效傳輸速率是 25 Gbits/s）

5.3.3 40GE/100GE 的物理層

5.3.4 端到端的以太網傳輸

• 以太網的工作範圍已經從局域網（校園網、企業網）擴大到城域網和廣域網，從而實現了端到端的以太網傳輸。
• 這種工作方式的好處有：
• 技術成熟；
• 互操作性很好；
• 在廣域網中使用以太網時價格便宜；
• 採用統一的以太網幀格式，簡化了操作和管理。

※ 以太網從 10 Mbit/s 到 100 Gbit/s 的演進證明了以太網是：

• 可擴展的（從 10 Mbit/s 到 100 Gbit/s）；
• 靈活的（多種傳輸媒體、全/半雙工、共享/交換）；
• 易於安裝；
• 穩健性好。

5.4 使用以太網進行寬帶接入

• IEEE 在 2001 年初成立了 802.3EFM 工作組，專門研究高速以太網的寬帶接入技術問題。
• 以太網寬帶接入具有以下特點：
  • 可以提供雙向的寬帶通信。
  • 可以根據用戶對帶寬的需求靈活地進行帶寬升級。
  • 可以實現端到端的以太網傳輸，中間不需要再進行幀格式的轉換。這就提高了數據的傳輸效率且降低了傳輸的成本。
  • 但是不支持用戶身份鑑別。

5.4.1 PPPoE

• PPPoE (PPP over Ethernet) 的意思是“在以太網上運行 PPP”，它把 PPP 協議與以太網協議結合起來 —— 將 PPP 幀再封裝到以太網中來傳輸。
• 現在的光纖寬帶接入 FTTx 都要使用 PPPoE 的方式進行接入。在 PPPoE 彈出的窗口中鍵入在網絡運營商購買的用戶名和密碼，就可以進行寬帶上網了。
• 利用 ADSL 進行寬帶上網時，從用戶個人電腦到家中的 ADSL 調制解調器之間，也是使用 RJ-45 和 5 類線（即以太網使用的網線）進行連接的，並且也是使用 PPPoE 彈出的窗口進行撥號連接的。