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第 4 讲 以太网

第 4 讲 以太网. 学习目标. 通过本讲的学习，希望您能够： 理解数据链路层的 MAC 子层和 LLC 子层 理解以太网的工作原理和发展 掌握以太网的帧格式. 本讲内容. 数据链路层的 MAC 子层和 LLC 子层 以太网. 课程议题. 局域网数据链路层的 MAC 子层和 LLC 子层. 局域网. 局域网定义 局域网是限定区域的网络 局域网的线路是专用的 局域网具有 较高的数据通信速率 局域网具有 较低的误码率 局域网具有开放性

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第 4 讲 以太网

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Presentation Transcript

  1. 第4讲 以太网

  2. 学习目标 • 通过本讲的学习，希望您能够： • 理解数据链路层的MAC子层和LLC子层 • 理解以太网的工作原理和发展 • 掌握以太网的帧格式

  3. 本讲内容 • 数据链路层的MAC子层和LLC子层 • 以太网

  4. 课程议题 局域网数据链路层的 MAC子层和LLC子层

  5. 局域网 局域网定义 • 局域网是限定区域的网络 • 局域网的线路是专用的 • 局域网具有较高的数据通信速率 • 局域网具有较低的误码率 • 局域网具有开放性 • 目前，很难对局域网作出明确定义，这是因为局域网正处于飞速发展的过程中，在网络产品、技术等方面还存在着许多不确定因素。

  6. 局域网标准 1. IEEE802是主要的局域网系列标准，由 IEEE802委员会（下属若干工作组）定义，该标准所描述的局域网通过共享的传输介质通信。 2. IEEE 802规范定义了网卡如何访问传输介质（如光缆、双绞线、无线等），以及如何在传输介质上传输数据的方法，还定义了传输信息的网络设备之间连接建立、维护和拆除的途径。遵循IEEE 802标准的产品包括网卡、桥接器、路由器以及其他一些用来建立局域网络的组件。

  7. IEEE802局域网模型 • IEEE802标准定义了ISO/OSI的物理层和数据链路层 • 为了降低局域网的数据链路层的复杂度，将其分成两个子层： • 逻辑链路控制（ LLC ）子层 • 媒体访问控制（ MAC）子层

  8. 媒体访问控制子层 • 制定如何使用传输媒体的通信协议 ，主要功能有： • 数据帧的封装和解封装，包括寻址和错误检测 • 介质的管理，包含介质分配（避免碰撞）和竞争裁决（碰撞处理） • 设置网络设备的硬件地址，用以识别物理设备 • IEEE 802标准中为MAC地址

  9. MAC地址的结构 • 由48位二进制数组成，通常表示为12个16进制数 • 前24位是厂商识别码，后24位是节点标识符 • 分为三类： • 单播：第1个字节的最低位为0，可作为目的地址和源地址 • 组播：第1个字节的最低位为1，仅能作为目的地址 • 广播：48位全部为1

  10. 逻辑链路控制子层 • 控制信号交换和数据流量，解释上层通信协议传来的命令并且产生响应 • 克服数据在传送的过程中可能发生的种种问题 • 对上层可以提供面向连接或者无连接的服务 • IEEE 802系列标准中只制定了一种LLC子层标准，屏蔽不同MAC子层之间的差异

  11. IEEE802.1------局域网体系结构、寻址、网络互连与网络管理IEEE802.1------局域网体系结构、寻址、网络互连与网络管理 • IEEE802.2-------逻辑链路控制(LLC)子层的功能与服务 • IEEE802.3-------以太网CSMA/CD访问控制方法和物理层技术规范 • IEEE802.4-------令牌总线网Token-Bus • IEEE802.5-------令牌环网Token-Ring • IEEE802.6-------城域网 • IEEE802.7-------宽带局域网 • IEEE802.8-------光纤技术FDDI • IEEE802.9-------综合数据话音网络 • IEEE802.10------网络安全与保密 • IEEE802.11------无线局域网 • IEEE802.12------需求优先 • IEEE802.13 ------(未使用) • IEEE802.14 ------电缆调制解调器 • IEEE802.15 ------无线个人网 • IEEE802.16 ------宽带无线接入 • IEEE802.17 ------可靠个人接入技术 局域网标准( 续):IEEE802标准集

  12. 课程议题 以太网

  13. 以太网概述 • 20世纪70年代产生于施乐公司 • 最初的以太网使用粗同轴电缆为传输介质，为共享式以太网，会产生冲突 • 利用CSMA/CD算法解决共享信道内的信道争用问题 • 现在以太网（Ethernet）泛指所有采用CSMA／CD协议的局域网 • 1978年，DEC公司、Intel公司和Xerox拟定了一个针对10Mbps以太网的标准，成为DIX标准 • 1983年，DIX标准演变成IEEE 802.3标准 • 随着以太网技术的发展，百兆、千兆、万兆的标准相继出台

  14. 共享信道内的冲突问题 • 任意时刻信道只能传输一路数据 • 每台主机发出的数据可以被其他所有主机所接收 • 如果有两台主机同时发送数据，则产生冲突 冲 突

  15. CSMA/CD工作机制 • CSMA/CD：带有冲突检测的载波侦听多路访问（Carrier Sense Multiple Access/Collision Derect） • 载波侦听：发送结点在发送数据之前，必须侦听传输介质（信道）是否处于空闲状态。 • 多路访问：具有两种含义，既表示多个结点可以同时访问信道，也表示一个结点发送的数据可以被多个结点所接收。 • 冲突检测：发送结点在发出数据的同时，还必须监听信道，判断是否发生冲突 • 借助于CSMA/CD方式，两个或多个站能共享一个公共的总线传输介质。 • CSMA/CD的工作机制可概括为： 先听后讲；边讲边听；冲突停止；延迟重发。

  16. CSMA/CD 冲 突 如果两台主机同时监听到信道空闲并发生数据，则发生冲突 主机在发送数据前监听信道，如果空闲，则发送；如果忙，则退避等待 发送阻塞信号并退避等待

  17. CSMA算法 • 非坚持算法 • 如果传输信道是空闲的，则可以立即发送 • 如果信道是忙的，则等待一个由概率分布决定的随机重发延迟后，再重复前一步骤 • 1-坚持算法 • 如果传输信道空闲的，则可以立即发送 • 如果信道是忙的，则继续监听，直至检测到信道空闲，然后立即发送 • 如果有冲突（在一段时间内未收到肯定的回复），则等待一个随机时间，重复步骤前面2步 • P-坚持算法 • 首先监听总线，如果传输信道是空闲的，则以概率P进行发送，而以（1-P）的概率延迟一个时间单位。一个时间单位通常等于最大传输时延的2倍。 • 延迟一个时间单位后，再重复第一步。 • 如果传输信道是忙的，则继续监听直至信道空闲并重复第一步。

  18. 带冲突检测的CSMA • 发送站点传输过程中仍继续监听信道，以检测是否发生冲突 • 如果发生冲突，就立即停止发送，并向总线上发一串阻塞信号以通知其他节点 • 需要最小帧长度的限制，以便冲突能够被检测到 • 优点： • 原理简单，技术上容易实现，不需集中控制，不提供优先级控制 • 缺点： • 在网络负载增大时，发送时间增长，发送效率急剧下降

  19. 以太网帧格式 • 历史上出现过多种以太网帧格式 • 1980年，DEC、Intel、Xerox制订了DIX Ethernet I的标准 • 1982年，DEC、Intel、Xerox又制订了DIX Ethernet II的标准 • 1982年，IEEE开始研究Ethernet的国际标准802.3，定义了802.3 SAP帧格式 • 1983年，Novell基于IEEE的802.3的原始版开发了专用的Ethernet帧格式 • 1985年，IEEE推出IEEE 802.3规范，后来为解决Ethernet II与802.3帧格式的兼容问题，推出折衷的802.3 SNAP格式 • 现在最常见的是：Ethernet II、802.3 SAP和SNAP

  20. 46～1500B 两种以太网帧格式 1.DIX Ethernet II 帧结构 字节数 7 1 6 6 2 4 前导码 帧首 定界符 目的地址 源地址 类型 帧校验序列 数据 前导码（Preamble）：7字节由1、0交替的位串，用于使接收方建立位同步； 帧首定界符（SFD）：由10101011组成的1个字节，表示帧开始； 目标地址（DA）/源地址(SA)：分别由6B组成的目标/源MAC地址； 类型(type)：表示上层（网络层）协议的类型：如：IP=0800H;ARP=0806H;RARP=8035H;X.25=0805H;IPX/SPX=8137H； 数据（data）：数据长度在46B~1500B之间。如果少于46B，则应由上层协议填充到46B； 帧校验序列：它是根据从目的地址到数据字段的内容计算得到的CRC校验值。接收端以相同的方法计算CRC值并与该值比较。

  21. 46～1500B 两种以太网帧格式（续） • 2.IEEE(802.3)以太帧结构 字节数 7 1 6 6 2 4 前导码 帧首 定界符 目的地址 源地址 数据长度 帧校验序列 数据 前导码（Preamble）：7字节由1、0交替的位串，用于使接收方建立位同步； 帧首定界符（SFD）：由10101011组成的1个字节，表示帧开始； 目标地址（DA）/源地址(SA)：分别由6B组成的目标/源MAC地址； 数据长度(Length)：表示上层（LLC层）协议数据的字节数，其取值不大于0600H(1536)； 数据（data）：数据长度在46B~1500B之间。如果少于46B，则应填充到46B； 帧校验序列：它是根据从目的地址到数据字段的内容计算得到的CRC校验值。接收端以相同的方法计算CRC值并与该值比较。

  22. 以太网技术的发展 • 共享式以太网 • 10Base-5（粗缆以太网802.3: 1985） • 10Base-2（细缆以太网802.3a: 1985） • 10Base-T（双绞线以太网802.3i:1990） • 10Base-F（光纤以太网802.3j:1993） • 交换式以太网 • 100Base-TX（使用5类UTP的快速以太网802.3u:1995） • 100Base-FX（使用光纤的快速以太网802.3u:1995 ） • 100Base-T4（使用4对3类UTP的快速以太网802.3u:1995 ） • 1000Base-X (使用光纤的千兆以太网：802.3z:1998) • 1000Base-T/TX(使用双绞线的千兆以太网：802.3ab:1999) • 10GBase-X/R/W（使用光纤的万兆以太网802.3ae：2002) • 10GBase-T(使用6a类双绞线的万兆以太网：802.3an:2006)

  23. 课程回顾 • MAC子层和LLC子层 • 以太网概述 • CSMA/CD • 以太网帧格式 • 以太网发展

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