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第三章 數(shù)據(jù)鏈路層

• 數(shù)據(jù)鏈路層的點對點信道和廣播信道的特點。PPP 協(xié)議和 CSMA/CD 協(xié)議的特點。
• 數(shù)據(jù)鏈路層的三個基本問題：封裝成幀、透明傳輸、差錯檢測。
• 以太網(wǎng) MAC 層的硬件地址。
• 適配器、轉發(fā)器、集線器、網(wǎng)橋、以太網(wǎng)交換機的作用和使用場合。

路由器轉發(fā)分組時只涉及到下面三層。

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3.1 使用點對點信道的數(shù)據(jù)鏈路層

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3.1.1 數(shù)據(jù)鏈路和幀

數(shù)據(jù)鏈路既包含物理線路也包含必要的通信協(xié)議，將實現(xiàn)協(xié)議的軟件和硬件加到鏈路上就構成了數(shù)據(jù)鏈路。
常用網(wǎng)絡適配器（既包括硬件也包括軟件）來實現(xiàn)這些協(xié)議，一般適配器包括了數(shù)據(jù)鏈路層和物理層兩層的功能。
幀是點對點信道的數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元。網(wǎng)絡層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元是IP數(shù)據(jù)報，又稱分組。
數(shù)據(jù)鏈路層將網(wǎng)絡層交下來的數(shù)據(jù)構成幀發(fā)送到鏈路上，以及把接收到的幀里的數(shù)據(jù)取出并上交給網(wǎng)絡層。

點對點信道的數(shù)據(jù)鏈路層在通信時的主要步驟：

1. 結點A的數(shù)據(jù)鏈路層把網(wǎng)絡層交下來的IP數(shù)據(jù)報加上首部和尾部封裝成幀。
2. 結點A把封裝好的幀發(fā)送給結點B。
3. 結點B對接收到的幀進行差錯檢驗，若無差錯，從幀中提取出IP數(shù)據(jù)報上交給網(wǎng)絡層，若有差錯丟棄這個幀。

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3.1.2 三個基本問題

數(shù)據(jù)鏈路層的三個基本問題：封裝成幀、透明傳輸、差錯檢驗

封裝成幀
給 IP 數(shù)據(jù)報加上首部和尾部就構成了數(shù)據(jù)鏈路層的幀，IP 數(shù)據(jù)報成為幀的數(shù)據(jù)部分。
鏈路層協(xié)議規(guī)定了幀中數(shù)據(jù)部分的長度上限——最大傳送單元（MTU）。
首部和尾部包括幀定界符（即確定幀的界限）和其他控制信息。
幀定界符包括開始符（SOH）和結束符（EOT），分別是一串8為二進制數(shù)字。
幀定界符的作用：確定幀的界限。當出現(xiàn)差錯時可以根據(jù)幀定界符識別是否是一個完整的幀。

透明傳輸
透明傳輸是因為控制字符產(chǎn)生的。
透明傳輸即表示無論傳送什么樣的數(shù)據(jù)，都能按照原樣無差錯地通過數(shù)據(jù)鏈路層。

字節(jié)填充：因為存在幀定界符，如果傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中出現(xiàn)了和SOH、EOT等控制字符一樣的文本，就在文本前面插入一個轉義字符（ESC），接受端收到數(shù)據(jù)后在發(fā)送給網(wǎng)絡層之前刪除這個插入的轉義字符。如果轉義字符也出現(xiàn)在數(shù)據(jù)中，就在它前面再插入一個轉義字符。

差錯檢測

• 比特差錯：傳輸時產(chǎn)生差錯，0變成了1或1變成了0.
• 誤碼率BER：一段時間內(nèi)，傳輸錯誤的比特占所傳輸比特總數(shù)的比率。提升信噪比可以減小誤碼率。
• 差錯檢驗的方法：循環(huán)冗余檢驗CRC

循環(huán)冗余檢驗的原理：
在要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)后加上n位的冗余碼（成為幀檢驗序列FCS），如何得出冗余碼：
讓數(shù)據(jù)乘以2^n（相當于在后面加了n個0），然后除以一個事先約定的 n+1 位的除數(shù)P，得出 n 位的余數(shù) R 就作為冗余碼加到數(shù)據(jù)后面。接收端將收到的每一個幀除以同樣的除數(shù) P，若余數(shù)為 0 就表明沒有差錯，否則就是有差錯，丟棄這個幀。

循環(huán)冗余檢驗使用硬件完成，速度很快。

循環(huán)冗余檢驗只能識別比特差錯，無法識別幀丟失、幀重復、幀失序，因此不是可靠傳輸。

• 對于通信質量較差的無線傳輸鏈路，數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議使用幀編號、確認和重傳機制。即接收方收到正確的幀就向發(fā)送方發(fā)送確認，如果發(fā)送方?jīng)]有收到確認就表明出現(xiàn)差錯，就進行重傳直到收到對方的確認。

• 對于通信質量較好的有線傳輸鏈路，只進行CRC檢驗，不使用確認和重傳機制。即不需要數(shù)據(jù)鏈路層向上提供可靠傳輸，而是由上層協(xié)議來改正差錯。

本章的 PPP 協(xié)議和 CSMA/CD 協(xié)議都不是可靠傳輸?shù)膮f(xié)議。

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3.2 點對點協(xié)議PPP

點對點協(xié)議 PPP 是目前點對點鏈路中應用最廣泛的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。

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3.2.1 PPP協(xié)議的特點

PPP 協(xié)議是用戶和 ISP 通信時使用的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。

PPP 協(xié)議應滿足的需求

1. 簡單。這是首要的需求?；ヂ?lián)網(wǎng)體系結構中最復雜的部分在 TCP 協(xié)議中，網(wǎng)際協(xié)議 IP 和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議都不是可靠傳輸。
2. 封裝成幀。PPP 協(xié)議規(guī)定使用特殊的字符作為幀定界符。
3. 透明傳輸。
4. 支持多種網(wǎng)絡層協(xié)議。PPP 協(xié)議要能夠在同一條物理鏈路上同時支持多種網(wǎng)絡層協(xié)議。
5. 支持多種類型鏈路。包括串行的或并行的、同步的或異步的等。例如 PPPoE（在以太網(wǎng)上運行的PPP），用戶通過以太網(wǎng)上網(wǎng)時使用的是PPPoE協(xié)議，它將 PPP 幀再封裝到一個以太網(wǎng)幀中。
6. 差錯檢測。如果收到有錯的幀就丟棄。
7. 最大傳送單元。要為每一種類型的點對點鏈路設置最大傳送單元MTU。注意 MTU 是數(shù)據(jù)部分的最大長度。
8. 網(wǎng)絡層地址協(xié)商。PPP 協(xié)議要提供一種機制使通信的兩個網(wǎng)絡層的實體能通過協(xié)商知道彼此的網(wǎng)絡層地址。
9. 數(shù)據(jù)壓縮協(xié)商。PPP 協(xié)議要提供一種方法來協(xié)商使用數(shù)據(jù)壓縮算法。

TCP/IP 協(xié)議族中，可靠傳輸由 TCP 協(xié)議負責。PPP 不負責糾錯等。PPP 只支持點對點的鏈路通信，且只支持全雙工鏈路。

PPP 協(xié)議的組成

PPP 協(xié)議有三個組成部分：

1. 一個將 IP 數(shù)據(jù)報封裝到串行鏈路的方法。
2. 一個用來建立、配置和測試數(shù)據(jù)鏈路連接的鏈路控制協(xié)議LCP。
3. 一套網(wǎng)絡控制協(xié)議 NCP，其中的每一個協(xié)議支持不同的網(wǎng)絡層協(xié)議。

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3.2.2 PPP協(xié)議的幀格式

各字段的含義
PPP 的首部和尾部分別為4個字段和2個字段。

首部的第一個字段和尾部的第二個字段都是標志字段 F，規(guī)定為 0x7E，它標志著一個幀的開始或結束。兩個連續(xù)的幀之間只需要一個 F，如果連續(xù)出現(xiàn)兩個標志字段，表示這是一個空幀，應該丟棄。

首部的第二個和第三個字段 目前都沒有實際含義。第四個字段是 2 字節(jié)的協(xié)議字段，它表明了信息部分的數(shù)據(jù)類型（可能是IP數(shù)據(jù)報也可能是其他類型的數(shù)據(jù)）。尾部的第一個字段是幀檢驗序列 FCS。

字節(jié)填充
PPP 使用異步傳輸時使用了字節(jié)填充，轉義符為 0x7D。

零比特填充
PPP 協(xié)議用在 SONET/SDH 鏈路上時使用同步傳輸，此時采用零比特填充方法來實現(xiàn)透明傳輸。

零比特填充的方法：當信息字段中出現(xiàn) 5 個連續(xù)的 1，立即填入一個 0，這樣信息字段中就不會出現(xiàn) 6 個連續(xù)的 1（PPP 的幀定界符中有 6 個連續(xù)的 1）。

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3.2.3 PPP協(xié)議的工作狀態(tài)

PPP 鏈路從建立到釋放的全過程：
用戶撥號接入 ISP 后，就建立了從用戶到 ISP 的物理連接。
這時用戶向 ISP 發(fā)送一系列的鏈路控制協(xié)議 LCP 分組，以便建立 LCP 連接。
然后網(wǎng)絡控制協(xié)議 NCP 給新接入的用戶電腦分配一個臨時的 IP 地址。
等用戶通信完畢后，NCP 釋放網(wǎng)絡層連接，收回分配的 IP 地址，然后 LCP 釋放數(shù)據(jù)鏈路層連接，最后釋放物理層連接。

PPP 鏈路的狀態(tài)變化：鏈路靜止——鏈路建立——鑒別——網(wǎng)絡層協(xié)議——鏈路打開——鏈路終止——鏈路靜止。

• 鏈路靜止：PPP 鏈路的其實和終止狀態(tài)都是鏈路靜止狀態(tài)。
• 鏈路建立：當個人電腦當建立了到路由器的物理層連接后，PPP 進入鏈路建立狀態(tài)，目的是建立鏈路層的 LCP 連接。
  通過發(fā)送 LCP 的配置請求幀（是一個 PPP 幀，協(xié)議字段為 LCP 對應的代碼，信息字段包括特定的配置請求）來協(xié)商配置選項，鏈路的另一端可以回復配置確認幀、配置否認幀或配置拒絕幀。
• 鑒別：若鑒別身份失敗就轉到鏈路終止狀態(tài)，若成功就進入網(wǎng)絡層協(xié)議狀態(tài)
• 網(wǎng)絡層協(xié)議：這時 PPP 鏈路的兩端的網(wǎng)絡控制協(xié)議 NCP 根據(jù)網(wǎng)絡層的不同協(xié)議互相交換網(wǎng)絡層特定的網(wǎng)絡控制分組。PPP 鏈路的兩端可以運行不同的網(wǎng)絡層協(xié)議。
• 鏈路打開：此時鏈路的兩個 PPP 端點可以彼此發(fā)送分組。
  數(shù)據(jù)傳輸結束后鏈路的一端發(fā)送終止請求 LCP 幀請求終止鏈路連接，收到終止確認后轉到鏈路終止狀態(tài)。
• 鏈路終止：終止后進入鏈路靜止狀態(tài)。
• 鏈路靜止

可以看到，PPP 協(xié)議不是純粹的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，還包含了物理層和網(wǎng)絡層的內(nèi)容。

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3.3 使用廣播信道的數(shù)據(jù)鏈路層

廣播信道可以進行一對多的通信，局域網(wǎng)用的就是廣播信道。

局域網(wǎng)可以按照拓撲結構進行分類。

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3.3.1 局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層

局域網(wǎng)的最主要特點：
網(wǎng)絡為一個單位所擁有，且地理范圍和站點數(shù)目都有限。

局域網(wǎng)的優(yōu)點：

1. 具有廣播功能，可以從一個站點很方便地訪問全網(wǎng)。局域網(wǎng)上的主機可以共享連接在局域網(wǎng)上的各種硬件和軟件資源。
2. 便于系統(tǒng)的擴張和逐漸演變
3. 提高了系統(tǒng)的可靠性、可用性和生存性。

以太網(wǎng)是局域網(wǎng)的一種，絕大多數(shù)局域網(wǎng)都是以太網(wǎng)。雙絞線是局域網(wǎng)中的主流傳輸媒體。

實現(xiàn)共享信道有兩種方法：

1. 靜態(tài)劃分信道，如頻分復用、時分復用、碼分復用等，但不適合局域網(wǎng)。
2. 動態(tài)媒體接入控制，又稱多點接入。
   特點是信道并非在用戶通信時固定分配給用戶:

a. 隨機接入：特點是用戶可以隨機地發(fā)送消息。如果有兩個用戶同時發(fā)送，在共享媒體上就會產(chǎn)生碰撞，是發(fā)送失敗。這時就需要解決碰撞的網(wǎng)絡協(xié)議，即 CSMA/CD 協(xié)議。
b. 受控接入：特點是用戶不能隨機發(fā)送信息而必須服從一定的控制。

以太網(wǎng)應用的主要是隨機接入。
由于歷史原因以太網(wǎng)層被拆分為兩個子層：邏輯鏈路控制 LLC 和媒體接入控制 MAC。現(xiàn)在 LLC 基本已經(jīng)消失了，主要是 MAC 協(xié)議。

適配器的作用
計算機與外界局域網(wǎng)的連接是通過適配器進行的，適配器以前又稱網(wǎng)卡。
適配器和局域網(wǎng)之間的通信通過電纜或雙絞線以串行傳輸方式進行的，而適配器與計算機之間的通信是通過 I/O 總線并行傳輸?shù)?#xff0c;因此適配器的一個重要功能就是進行數(shù)據(jù)串行傳輸和并行傳輸?shù)霓D換。

適配器實現(xiàn)的功能包含了數(shù)據(jù)鏈路層和物理層兩個層次的功能。

適配器收到正確的幀后，使用中斷來通知計算機，并把數(shù)據(jù)交付給協(xié)議棧中的網(wǎng)絡層。當計算機要發(fā)送 IP 數(shù)據(jù)報時，就由協(xié)議棧把分組交給適配器，適配器將其組裝成幀后發(fā)送到局域網(wǎng)（封裝成幀、透明傳輸、差錯檢錯等功能都是由適配器完成的）。

計算機的硬件地址存儲在適配器中，而軟件地址——IP地址存儲在計算機中。

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3.3.2 CSMA/CD協(xié)議

局域網(wǎng)上的計算機常被稱為工作站、站點等。

為了通信的簡便，以太網(wǎng)采取了以下兩種措施：

1. 采用較為靈活的無連接的工作方式，即不必建立連接就可以直接發(fā)送數(shù)據(jù)。
   適配器對發(fā)送的數(shù)據(jù)幀不編號，也不要求對方發(fā)回確認。它提供的是盡最大努力的交付，是不可靠的交付。對有差錯幀是否進行重傳由高層來決定。
   同一時間只能有一臺計算機發(fā)送數(shù)據(jù)，如果發(fā)生沖突，就使用 CSMA/CD 協(xié)議來協(xié)調。
2. 以太網(wǎng)發(fā)送的數(shù)據(jù)使用的是曼徹斯特編碼。

CSMA/CD 協(xié)議的要點

• 多點接入：多點接入說明是總線型網(wǎng)絡，許多計算機以多點接入的方式連接在一根總線上。協(xié)議的實質就是載波監(jiān)聽和碰撞檢測。
• 載波監(jiān)聽：使用電子技術檢測信道上有沒有其他計算機也在發(fā)送。不管是發(fā)送前還是發(fā)送中，每個站都要不停地檢測信道。
• 碰撞檢測：邊發(fā)送邊監(jiān)聽。如果幾個站同時發(fā)送數(shù)據(jù)，總線上的信號電壓變化會增大，就表明發(fā)生了碰撞。這時就立即停止發(fā)送。

在使用 CSMA/CD 協(xié)議時，不能同時發(fā)送和接收，因此使用 CSMA/CD 協(xié)議的以太網(wǎng)只能進行半雙工通信（雙向交替通信）。

發(fā)生碰撞是因為傳播時延，A 發(fā)送了數(shù)據(jù)但是還沒傳到 B 處，B 就不知道有人發(fā)送了數(shù)據(jù)。
當 A 和 B 同時發(fā)送數(shù)據(jù)產(chǎn)生碰撞后，他們發(fā)送數(shù)據(jù)都失敗，都要推遲一段時間重新發(fā)送。
因為不知道是否會發(fā)生碰撞，所以以太網(wǎng)存在發(fā)送的不確定性。
A 發(fā)送數(shù)據(jù)后最多 2θ 時間就知道是否碰撞，這 2θ 時間稱為爭用期。如果經(jīng)過爭用期還沒碰撞，表明發(fā)送成功。
如果發(fā)生碰撞，以太網(wǎng)使用截斷二指數(shù)退避算法來確定碰撞后重傳的時機。
以太網(wǎng)規(guī)定了爭用期的時長，這就約束了以太網(wǎng)的地理范圍不能太大，不然傳播時延會超過爭用期限制。
以太網(wǎng)規(guī)定最短幀長為 64 字節(jié)（一個爭用期可以發(fā)送的字節(jié)數(shù)），如果爭用期發(fā)生碰撞就會停止發(fā)送，因此信道上長度小于 64 字節(jié)的幀就是無效幀。
碰撞后除了立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)外還要繼續(xù)發(fā)送一個人為干擾信號，通知所有用戶現(xiàn)在發(fā)生了碰撞。

以太網(wǎng)還規(guī)定了幀間最小間隔 96 比特時間，這是為了使剛收到數(shù)據(jù)幀的棧清理緩存，準備接收下一幀。

CSMA/CD 協(xié)議的要點歸納

1. 準備發(fā)送：適配器從網(wǎng)絡層獲得一個分組，加上首部和尾部組成以太網(wǎng)幀，放入適配器緩存中。在發(fā)送前先檢測信道。
2. 檢測信道：若檢測到信道忙，則不停地檢測直到信道空閑。若檢測到空閑，并在 96 比特時間內(nèi)保持空閑（保證了幀間最小間隔），就發(fā)送這個幀。
3. 在發(fā)送過程中仍不停地檢測，即適配器要邊發(fā)送邊監(jiān)聽。此時有兩種情況：

• 發(fā)送成功：爭用期內(nèi)一直未檢測到碰撞。發(fā)送成功后回到 1。
• 發(fā)送失敗：爭用期內(nèi)檢測到碰撞，立即停止發(fā)送，并按規(guī)定發(fā)送人為干擾信號。適配器接著執(zhí)行指數(shù)退避算法，等待足夠時間后回到 2。若重傳 16 次仍不成功，就停止重傳并向上報錯。

以太網(wǎng)發(fā)送完一幀后要把已發(fā)送的幀保留一下。如果爭用期檢測到碰撞，推遲一段時間后還要重傳。

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3.3.3 使用集線器的星形拓撲

現(xiàn)在的以太網(wǎng)采用星形拓撲，在星形中心使用可靠性非常高的集線器。每個站用兩對雙絞線，分別用于發(fā)送和接收。
集線器的特點：

• 表面上使用集線器的局域網(wǎng)在物理上是一個星形網(wǎng)，但是在邏輯上仍是一個總線網(wǎng)，各站共享邏輯上的總線，還是使用 CSMA/CD 協(xié)議。
• 一個集線器有很多接口，像是一個多接口的轉發(fā)器。
• 集線器工作在物理層，每個接口僅負責轉發(fā)比特，不進行碰撞檢測。

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3.3.4 以太網(wǎng)的信道利用率

因為發(fā)生碰撞會浪費信道資源，所以以太網(wǎng)的信道利用率達不到100%。

減少端到端的傳播時延、可以提高信道利用率，因此以太網(wǎng)的連線的長度不能太長，同時以太網(wǎng)的幀長不能太短。

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3.3.5 以太網(wǎng)的MAC層

MAC 層的硬件地址
局域網(wǎng)中，硬件地址又叫 MAC 地址。

IEEE 為局域網(wǎng)規(guī)定了一種 6 字節(jié)的全球地址，是局域網(wǎng)上的每一臺計算機中固化在適配器中的地址。因此如果更換了新的適配器，硬件地址也就變了。

適配器上的標識符 EUI-48 就是計算機的硬件地址。

路由器通過適配器連接到局域網(wǎng)時，適配器上的硬件地址標志路由器的一個接口。
如果路由器同時連到多個網(wǎng)絡上，就需要多個適配器有多個硬件地址。

局域網(wǎng)中適配器收到的幀有三種：

• 單播幀（一對一）：即收到的幀的 MAC 地址與本站的地址相同。
• 廣播幀（一對全體）。
• 多播幀（一對多）。

適配器至少能夠識別前兩種幀。

以太網(wǎng)適配器有一種特殊的工作方式：混雜方式。混雜方式的適配器只要”聽到“有幀再傳輸就悄悄接收下來。
混雜方式可以用來監(jiān)視和分析以太網(wǎng)上的流量，黑客也常用混雜方式非法獲取信息。

MAC 層的幀格式：

• 最常用的 MAC 幀格式是”以太網(wǎng)V2標準“，此外還有 IEEE 的 802.3 標準。
• MAC 幀的首部共有源地址字段、目的地址字段、用來標識上層使用什么協(xié)議的類型字段這3個字段，尾部有一個幀檢驗序列FCS。
• MAC 幀沒有幀定界符也沒有幀長度字段。
  因為它用的是曼徹斯特碼，曼徹斯特碼的碼元中間有一個電壓跳變。當發(fā)送方發(fā)完一個幀后就不發(fā)送碼元了，這是接收方發(fā)現(xiàn)沒有跳變了就知道幀結束了。
• MAC 幀在向下傳送到物理層時要在幀前面插入 8 字節(jié)，包括一個前同步碼和一個幀開始定界符。前同步碼用來通知接收端調整時鐘頻率以與發(fā)送端的時鐘同步。
• MAC 幀的最小長度是 64 字節(jié)，其中數(shù)據(jù)字段最小長度是 46 字節(jié)。如果不夠就要進行填充。IP數(shù)據(jù)報的首部有一個”總長度“字段，網(wǎng)絡層根據(jù)它來識別填充字段的長度并丟棄掉。

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3.4 擴展的以太網(wǎng)

有時會對以太網(wǎng)的范圍進行擴展。
這種擴展的以太網(wǎng)在網(wǎng)絡層看來仍然是一個網(wǎng)絡。

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3.4.1 在物理層擴展以太網(wǎng)

由于 CSMA/CD 協(xié)議的限制，以太網(wǎng)的主機之間距離不能太遠。

可以使用光纖來擴展主機和集線器之間的距離，因為光纖的時延小帶寬寬，所以可以很輕松地將主機和集線器的距離擴展到幾千米。

可以將多個以太網(wǎng)通過主干集線器連接起來形成一個更大的以太網(wǎng)。

多個以太網(wǎng)通過連接進行擴展后的優(yōu)點是可以實現(xiàn)不同以太網(wǎng)間的通信，且擴大了地理范圍。
缺點是碰撞域會增大，發(fā)送數(shù)據(jù)產(chǎn)生碰撞的概率增加。

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3.4.2 在數(shù)據(jù)鏈路層擴展以太網(wǎng)

擴展以太網(wǎng)更多的是在數(shù)據(jù)鏈路層擴展。
以太網(wǎng)通過以太網(wǎng)交換機（又稱第二層交換機）來在數(shù)據(jù)鏈路層進行擴展。

以太網(wǎng)交換機的特點：

• 以太網(wǎng)交換機實際上是一個多接口的網(wǎng)橋，每個接口直接與一臺主機或另一個交換機相連，一般工作在全雙工方式。
• 以太網(wǎng)交換機具有并行性，可以同時連接多對接口，使多對主機同時通信。相互通信的主機都獨占傳輸媒體，無碰撞地傳輸數(shù)據(jù)。
  – 以太網(wǎng)交換機是一種即插即用設備，它內(nèi)部的幀交換表（又稱地址表）是通過自學習算法自動地逐漸建立起來的。

以太網(wǎng)交換機的最大優(yōu)點：

交換機的最大優(yōu)點：并行性。
多對主機同時通信并不會平分總帶寬，因為每對主機獨占其傳輸媒體的帶寬，所以每對主機的帶寬還是原帶寬。

傳統(tǒng)的10Mbit/s 的共享式以太網(wǎng)，如果有 10 個用戶，則每個用戶的平均帶寬為 1Mbit/s，而用以太網(wǎng)交換機來連接這些主機，10 個用戶的帶寬都是 10Mbit/s，相當于總帶寬 100Mbit/s。

以太網(wǎng)交換機的自學習功能

實現(xiàn)自學習的兩個關鍵點：

• 若有主機發(fā)送數(shù)據(jù)，就把該主機的MAC地址與對應接口存入交換表。
• 若交換表中找不到數(shù)據(jù)接收方的對應接口，就對所有接口進行廣播。

因對接口連接的主機可能會改變，主機的網(wǎng)絡適配器也可能改變，所以交換表中的每個項目都有有效時間，時間過了就會刪除。

從總線以太網(wǎng)到星形以太網(wǎng)
總線以太網(wǎng)使用 CSMA/CD 協(xié)議，以半雙工方式工作。
而以太網(wǎng)交換機不使用共享總線，沒有碰撞問題，因此不使用 CSMA/CD 協(xié)議，而是以全雙工方式工作。

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3.4.3 虛擬局域網(wǎng)

使用以太網(wǎng)交換機可以方便地實現(xiàn)虛擬局域網(wǎng) VLAN。

虛擬局域網(wǎng) VLAN：它是由一些局域網(wǎng)網(wǎng)段構成的與物理位置無關的邏輯組，這些網(wǎng)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(fā)送這個幀的計算機屬于哪一個 VLAN。

虛擬局域網(wǎng)是局域網(wǎng)給用戶提供的一種服務，不是一種新型局域網(wǎng)。

下圖中每一個 VLAN 的計算機可以處于不同的局域網(wǎng)中。

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3.5 高速以太網(wǎng)

現(xiàn)在的以太網(wǎng)的速率已經(jīng)從傳統(tǒng)的 10Mbits/s 發(fā)展到了 1Gbit/s 的吉比特以太網(wǎng)。

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3.5.1 100BASE-T 以太網(wǎng)

100BASE-T 是在雙絞線上傳送 100Mbit/s 基帶信號的星形拓撲以太網(wǎng)，仍使用 CSMA/CD 協(xié)議，又稱快速以太網(wǎng)。
100BASE-T 可以使用以太網(wǎng)交換機，當使用以太網(wǎng)交換機時工作在全雙工狀態(tài)，且不使用 CSMA/CD 協(xié)議。
快速以太網(wǎng)使用的 MAC 幀格式仍然是 IEEE802.3 標準規(guī)定的幀格式。

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3.5.2 吉比特以太網(wǎng)

吉比特以太網(wǎng)有以下幾個特點：

• 允許在 1Gbit/s 下以全雙工和半雙工兩種方式工作。
• 使用 IEEE 802.3 協(xié)議規(guī)定的幀格式。
• 在半雙工方式下使用 CSMA/CD 協(xié)議，在全雙工方式不使用。
• 與 10BASE-T 和 100BASE-T 向后兼容。

吉比特以太網(wǎng)在半雙工時，采用了“載波延伸”方法，延長爭用期與發(fā)送的 MAC 幀最小長度到 512 字節(jié)。這在發(fā)送短幀時需要進行大量填充造成了額外開銷。

還增加了“分組突發(fā)”的功能，當很多短幀要發(fā)送時，第一個短幀采用載波延伸的方法進行填充，后面的則一個接一個地發(fā)送而不需填充。

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3.5.3 10吉比特以太網(wǎng)和更快的以太網(wǎng)

10GE 的幀格式與 10Mbit/s, 100Mbit/s 和 1Gbit/s 的幀格式完全相同，最小幀長和最大幀長也相同。
10GE 只工作在全雙工方式，不使用 CSMA/CD 協(xié)議，這使它的傳輸距離極大地提高。
以太網(wǎng)技術發(fā)展很快，10GE 后面又制定了 40GE 和 100GE 的標準，他們都只工作在全雙工方式。傳輸距離可達幾十千米。

現(xiàn)在以太網(wǎng)的工作范圍已經(jīng)擴大到城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)，它的優(yōu)點是：

• 技術成熟。
• 互操作性好。
• 價格便宜。廣域網(wǎng)中使用以太網(wǎng)時價格比同步光纖網(wǎng)SONET便宜很多。
• 端到端的以太網(wǎng)連接使幀的格式全都是以太網(wǎng)的格式，不需要進行幀格式轉換。

以太網(wǎng)的發(fā)展證明了以太網(wǎng)的優(yōu)點：

• 可擴展（從 10Mbit/s 到 10 Gbit/s）。
• 靈活（多種媒體、全/半雙工，共享/交換）。
• 易于安裝。
• 穩(wěn)健性好。

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3.5.4 使用以太網(wǎng)進行寬帶接入

現(xiàn)在也使用以太網(wǎng)進行寬帶接入互聯(lián)網(wǎng)。

以太網(wǎng)接入可以提供雙向的寬帶通信，且可以根據(jù)需要靈活地升級（如從 10M 到 10G）。

但是以太網(wǎng)的幀格式中沒有用戶名字段和讓用戶鍵入密碼來鑒別用戶身份的過程。
于是誕生了 PPPoE（在以太網(wǎng)上運行PPP），它把 PPP 協(xié)議中的 PPP 幀封裝到以太網(wǎng)中來傳輸。

現(xiàn)在的光纖寬帶接入 FTTx 都是用 PPPoE。