计算机网络 数据链路层（二）以太网

计算机网络（六）

学习计算机网络过程中的心得体会以及知识点的整理，方便我自己查找，也希望可以和大家一起交流。

—— 数据链路层 ——

上接《计算机网络 数据链路层（一）》

《计算机网络 数据链路层（一）》

4.扩展的以太网

4.1 在物理层扩展以太网

4.1.1 使用光纤扩展

• 主机使用光纤（通常是一对光纤）和一对光纤调制解调器连接到集线器。
• 很容易使主机和几公里以外的集线器相连接。
  

4.1.2 使用集线器扩展

• 使用多个集线器可连成更大的、多级星形结构的以太网。
• 例如，一个学院的三个系各有一个 10BASE-T 以太网，可通过一个主干集线器把各系的以太网连接起来，成为一个更大的以太网。
  
• 优点
  • 使原来属于不同碰撞域的以太网上的计算机能够进行跨碰撞域的通信。
  • 扩大了以太网覆盖的地理范围。
• 缺点
  • 碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。
  • 如果不同的碰撞域使用不同的数据率，那么就不能用集线器将它们互连起来。

4.2 在数据链路层扩展以太网

• 扩展以太网更常用的方法是在数据链路层进行。
• 早期使用网桥，现在使用以太网交换机。
• 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。
• 当网桥收到一个帧时，并不是向所有的接口转发此帧，而是先检查此帧的目的 MAC 地址，然后再确定将该帧转发到哪一个接口，或把它丢弃。

4.2.1 以太网交换机的特点

• 以太网交换机实质上就是一个多接口的网桥。
• 通常都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。
• 能同时连通多对接口，使多对主机能同时通信。
• 相互通信的主机都是独占传输媒体，无碰撞地传输数据。
• 以太网交换机的接口有存储器，能在输出端口繁忙时把到来的帧进行缓存。
• 以太网交换机是一种即插即用设备，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。
• 以太网交换机使用了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。

4.2.2 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后再进行处理。
• 直通 (cut-through) 方式
  • 接收数据帧的同时就立即按数据帧的目的 MAC 地址决定该帧的转发接口，因而提高了帧的转发速度。
  • 缺点是它不检查差错就直接将帧转发出去，因此有可能也将一些无效帧转发给其他的站。

4.2.3 以太网交换机的自学习功能

• 以太网交换机运行自学习算法自动维护交换表。

• 开始时，以太网交换机里面的交换表是空的。
  

• A 先向 B 发送一帧，从接口 1 进入到交换机。

• 交换机收到帧后，先查找交换表，没有查到应从哪个接口转发这个帧。

• 交换机把这个帧的源地址 A 和接口1 写入交换表中，并向除接口1以外的所有的接口广播这个帧。

• C 和 D 将丢弃这个帧，因为目的地址不对。只 B 才收下这个目的地址正确的帧。这也称为过滤。

• 从新写入交换表的项目 (A, 1) 可以看出，以后不管从哪一个接口收到帧，只要其目的地址是A，就应当把收到的帧从接口1转发出去。

• B 通过接口 3 向 A 发送一帧。

• 交换机查找交换表，发现交换表中的 MAC 地址有 A。表明要发送给A的帧（即目的地址为 A 的帧）应从接口1转发。于是就把这个帧传送到接口 1 转发给 A。显然，现在已经没有必要再广播收到的帧。

• 交换表这时新增加的项目 (B, 3)，表明今后如有发送给 B 的帧，就应当从接口 3 转发出去。

• 经过一段时间后，只要主机 C 和 D 也向其他主机发送帧，以太网交换机中的交换表就会把转发到 C 或 D 应当经过的接口号（2 或 4）写入到交换表中。

4.2.4 交换机使用生成树协议

• 增加冗余链路时，自学习的过程就可能导致以太网帧在网络的某个环路中无限制地兜圈子。

• 如图，假定开始时，交换机 #1 和 #2 的交换表都是空的，主机 A 通过接口交换机 #1 向主机 B 发送一帧。
  

• 按交换机自学习和转发方法，该帧的某个走向如下：离开交换机 #1 的接口 3 → 交换机 #2 的接口 1 → 接口 2 → 交换机 #1 的接口 4 → 接口 3 → 交换机 #2 的接口 1 →……。这样就无限制地循环兜圈子下去，白白消耗了网络资源。

• IEEE 802.1D 标准制定了一个生成树协议 STP (Spanning Tree Protocol)。

• 其要点是：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。

4.3 虚拟局域网

• 利用以太网交换机可以很方便地实现虚拟局域网 VLAN (Virtual LAN)。
• 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，而并不是一种新型局域网。
• 由于虚拟局域网是用户和网络资源的逻辑组合，因此可按照需要将有关设备和资源非常方便地重新组合，使用户从不同的服务器或数据库中存取所需的资源。

4.3.1 虚拟局域网使用的以太网帧格式

• IEEE 批准了 802.3ac 标准，该标准定义了以太网的帧格式的扩展，以支持虚拟局域网。
• 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 (tag)，用来指明发送该帧的计算机属于哪一个虚拟局域网。
• 插入 VLAN 标记得出的帧称为 802.1Q 帧 或 带标记的以太网帧。
  

5.高速以太网

5.1 100BASE-T 以太网

• 速率达到或超过 100 Mbit/s 的以太网称为高速以太网。
• 100BASE-T 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。
• 100BASE-T 以太网又称为快速以太网 (Fast Ethernet)。
• 1995 年IEEE已把 100BASE-T 的快速以太网定为正式标准，其代号为 IEEE 802.3u。
• 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。
• MAC 帧格式仍然是 802.3 标准规定的。
• 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 m。
• 帧间时间间隔从原来的 9.6 s 改为现在的 0.96 s。

5.1.1 100 Mbit/s 以太网的三种不同的物理层标准

• 100BASE-TX
  • 使用 2 对 UTP 5 类线 或 屏蔽双绞线 STP。
  • 网段最大程度：100米。
• 100BASE-T4
  • 使用 4 对 UTP 3 类线 或 5 类线。
  • 网段最大程度：100米。
• 100BASE-FX
  • 使用 2 对光纤。
  • 网段最大程度：2000米。

5.2 吉比特以太网

• 允许在 1 Gbit/s 下全双工和半双工两种方式工作。
• 使用 IEEE 802.3 协议规定的帧格式。
• 在半双工方式下使用 CSMA/CD 协议，全双工方式不使用 CSMA/CD 协议。
• 与 10BASE-T 和 100BASE-T 技术向后兼容。

吉比特以太网可用作现有网络的主干网，也可在高带宽（高速率）的应用场合中。

5.2.1 吉比特以太网的物理层

• 使用两种成熟的技术：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)。
  

5.2.2 吉比特以太网的工作方式

• 吉比特以太网工作在半双工方式时，就必须进行碰撞检测。
• 为保持 64 字节最小帧长度，以及 100 米的网段的最大长度，吉比特以太网增加了两个功能：
  • 载波延伸 (carrier extension)
  • 分组突发 (packet bursting)
• 当吉比特以太网工作在全双工方式时（即通信双方可同时进行发送和接收数据），不使用载波延伸和分组突发。

5.2.3 载波延伸

• 使最短帧长仍为 64 字节（这样可以保持兼容性），同时将争用时间增大为 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，使MAC 帧的发送长度增大到 512 字节。接收端在收到以太网的 MAC 帧后，要将所填充的特殊字符删除后才向高层交付。
  

5.2.4 分组突发

• 当很多短帧要发送时，第一个短帧要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。
  

【吉比特以太网的配置举例】

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）并非把吉比特以太网的速率简单地提高到10倍，其主要特点有：
• 与 10 Mbit/s、100 Mbit/s 和 1 Gbit/s 以太网的帧格式完全相同。
• 保留了 802.3 标准规定的以太网最小和最大帧长，便于升级。
• 不再使用铜线而只使用光纤作为传输媒体。
• 只工作在全双工方式，因此没有争用问题，也不使用 CSMA/CD 协议。

5.3.1 10吉比特以太网的物理层

5.3.2 更快的以太网

• 以太网的技术发展得很快。
• 在 10GE 之后又制订了 40GE/100GE（即 40 吉比特以太网和 100 吉比特以太网）的标准 IEEE 802.3ba-2010 和 802.3bm-2015。
• 40GE/100GE 只工作在全双工的传输方式（因而不使用 CSMA/CD协议），并仍保持了以太网的帧格式以及 802.3 标准规定的以太网最小和最大帧长。
• 100GE 在使用单模光纤传输时，仍然可以达到 40 km的传输距离，但这是需要波分复用（使用 4 个波长复用一根光纤，每一个波长的有效传输速率是 25 Gbits/s）

5.3.3 40GE/100GE 的物理层

5.3.4 端到端的以太网传输

• 以太网的工作范围已经从局域网（校园网、企业网）扩大到城域网和广域网，从而实现了端到端的以太网传输。
• 这种工作方式的好处有：
• 技术成熟；
• 互操作性很好；
• 在广域网中使用以太网时价格便宜；
• 采用统一的以太网帧格式，简化了操作和管理。

※ 以太网从 10 Mbit/s 到 100 Gbit/s 的演进证明了以太网是：

• 可扩展的（从 10 Mbit/s 到 100 Gbit/s）；
• 灵活的（多种传输媒体、全/半双工、共享/交换）；
• 易于安装；
• 稳健性好。

5.4 使用以太网进行宽带接入

• IEEE 在 2001 年初成立了 802.3EFM 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：
  • 可以提供双向的宽带通信。
  • 可以根据用户对带宽的需求灵活地进行带宽升级。
  • 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。这就提高了数据的传输效率且降低了传输的成本。
  • 但是不支持用户身份鉴别。

5.4.1 PPPoE

• PPPoE (PPP over Ethernet) 的意思是“在以太网上运行 PPP”，它把 PPP 协议与以太网协议结合起来 —— 将 PPP 帧再封装到以太网中来传输。
• 现在的光纤宽带接入 FTTx 都要使用 PPPoE 的方式进行接入。在 PPPoE 弹出的窗口中键入在网络运营商购买的用户名和密码，就可以进行宽带上网了。
• 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，也是使用 RJ-45 和 5 类线（即以太网使用的网线）进行连接的，并且也是使用 PPPoE 弹出的窗口进行拨号连接的。