数据链路层 | Dors.

使用广播信道的数据链路层

广播信道可以进行一对多的通信。20 世纪 70 年代末发展起来的局域网使用的就是广播信道。局域网技术在计算机网络中占有非常重要的地位。

局域网的数据链路层

局域网最主要的特点是：

网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。
起初比广域网具有较高的数据率、较低的时延和较小的误码率。但随着光纤技术在广域网中普遍使用，现在广域网也具有很高的数据率和很低的误码率。

局域网主要优点：

具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网。局域网上的主机可共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源。
便于系统的扩展和逐渐演变，各设备的位置可灵活调整和改变。
提高了系统的可靠性(reliability)、可用性(availability)和生存性(survivability)。

局域网可按网络拓扑进行分类。

星形网。由于集线器(hub)的出现和双绞线大量用于局域网中，星形以太网以及多级星形结构的以太网获得了非常广泛的应用。
环形网，
总线网，各站直接连在总线上。总线两端的匹配电阻吸收在总线上传播的电磁波信号的能量，避免在总线上产生有害的电磁波反射。

总线网以传统以太网最为著名。局域网经过了四十年的发展，尤其是在快速以太网(100 Mbit/s)和吉比特以太网(1 Gbit/s)、10 吉比特以太网(10 Gbit/s)相继进入市场后，以太网已经在局域网市场中占据了绝对优势。现在以太网几乎成为了局域网的同义词。

局域网工作的层次跨越了数据链路层和物理层。有关数据链路层的内容比较丰富，因此把局域网的内容放在数据链路层这一章中讨论。

共享信道要着重考虑的一个问题就是如何使众多用户能够合理而方便地共享通信媒体资源。在技术上有两种方法：

方法	描述
静态划分信道	时分复用、波分复用和码分复用等。用户只要分配到了信道就不会和其他用户发生冲突。但代价较高，不适合于局域网使用。
动态媒体接入控制	又称为多点接入(multiple access)，其特点是信道并非在用户通信时固定分配给用户。随机接入。所有的用户可随机地发送信息。但如果有两个或更多的用户在同一时刻发送信息，那么在共享媒体上就要产生碰撞。因此，必须有解决碰撞的网络协议。受控接入。用户不能随机地发送信息而必须服从一定的控制。典型代表有分散控制的令牌环局域网和集中控制的多点线路探询(polling)，或称为轮询。

方法

描述

静态划分信道

时分复用、波分复用和码分复用等。用户只要分配到了信道就不会和其他用户发生冲突。但代价较高，不适合于局域网使用。

动态媒体接入控制

又称为多点接入(multiple access)，其特点是信道并非在用户通信时固定分配给用户。

随机接入 。所有的用户可随机地发送信息。但如果有两个或更多的用户在同一时刻发送信息，那么在共享媒体上就要产生碰撞。因此，必须有解决碰撞的网络协议。
受控接入 。用户不能随机地发送信息而必须服从一定的控制。典型代表有分散控制的令牌环局域网和集中控制的多点线路探询(polling)，或称为轮询。

以太网使用随机接入，受控接入则目前在局域网中使用得较少。

由于以太网的数据率已演进到每秒吉比特或甚至高达 100 吉比特，因此通常就用“传统以太网”来表示最早流行的 10 Mbit/s 速率的以太网。为了讨论原理，以下从传统以太网开始。

适配器的作用

计算机与外界局域网的连接是通过通信适配器(adapter)进行的。其本来是在主机箱内插入的一块网络接口板，又称为网络接口卡 NIC (Network Interface Card)或简称为“网卡”。现在计算机主板上都已经嵌入了这种适配器，不再使用单独的网卡了，其上面装有处理器和存储器（包括RAM 和 ROM）。

适配器和局域网之间的通信是通过电缆或双绞线以串行传输方式进行的，而适配器和计算机之间的通信则是通过计算机主板上的 I/O 总线以并行传输方式进行的。因此，适配器的一个重要功能就是要进行数据串行传输和并行传输的转换。
由于网络上的数据率和计算机总线上的数据率并不相同，因此在适配器中必须装有对数据进行缓存的存储芯片。
在主板上插入适配器时，还必须把设备驱动程序安装在计算机的操作系统中。由驱动程序告诉适配器从存储器的什么位置上把多长的数据块发送到局域网，或者应当在存储器的什么位置上把局域网传送过来的数据块存储下来。
适配器还要能够实现以太网协议。

CSMA/CD 协议

最早的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。当初认为这种连接方法既简单又可靠，因为在那个时代普遍认为：“有源器件不可靠，而无源的电缆线才是最可靠的”。

总线采用广播通信方式：当一台计算机发送数据时，总线上的所有计算机→ 人们也常把局域网上的计算机称为“主机”、“工作站”、“站点”或“站”都能检测到这个数据。

在具有广播特性的总线上就实现了一对一的通信：可以使每一台计算机的适配器拥有一个与其他适配器都不同的地址。在发送数据帧时，在帧的首部写明接收站的地址。仅当数据帧中的目的地址与适配器 ROM 中存放的硬件地址一致时，适配器才能接收这个数据帧，对不是发送给自己的数据帧就丢弃。

为了通信的简便，以太网采取了以下两种措施：

采用较为灵活的无连接的工作方式，即不必先建立连接就可以直接发送数据。适配器对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。这样做可以使以太网工作起来非常简单。因此，以太网提供的服务是尽最大努力的交付，即不可靠的交付。当目的站收到有差错的数据帧时（例如，用 CRC 查出有差错），就把帧丢弃。是否重传则由高层来决定。
- 例如，如果高层使用 TCP 协议，那么经过一定的时间后，TCP 就把这些数据重新传递给以太网进行重传。但以太网并不知道这是重传帧，而是当作新的数据帧来发送。
以太网发送的数据都使用曼彻斯特(Manchester)编码的信号。
- 二进制基带数字信号通常就是高、低电压交替出现的信号。当出现一长串的连 1 或连 0 时，接收端就无法从收到的比特流中提取位同步（即比特同步）信号。
- 曼彻斯特编码把每一个码元再分成两个相等的间隔。码元 1 是前一个间隔为低电压而后一个间隔为高电压。码元 0 则相反。这样就保证了在每一个码元的正中间出现一次电压的转换，而接收端就利用这种电压的转换很方便地把位同步信号提取出来。缺点是它所占的频带宽度比原始的基带信号增加了一倍。

总线在同一时间只能允许一台计算机发送数据，即使用 CSMA/CD 协议的以太网进行的是双向交替通信（半双工通信）。以太网采用最简单的随机接入，并通过 CSMA/CD协议，即 载波监听多点接入/碰撞检测(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) 来协调总线上各计算机的工作。减少冲突发生的概率。

CSMA/CD 协议要点

要点	描述
多点接入	网络是总线型的，多台计算机通过总线连接。
载波监听	使用电子技术检测总线（信道）上是否有其他计算机正在发送数据。必须要等到信道变为空闲时才能发送。
碰撞检测	适配器在发送数据的同时检测是否发生碰撞。发现碰撞时，其适配器立即停止发送，等待一段随机时间后再次发送。以免浪费网络资源。

争用期

碰撞发生原因：电磁波在总线上总是以有限的速率传播的→ 电磁波在 1km 电缆的传播时延约为 5µs。若A发出数据后经过 τ-δ (小于τ)，B 发送自己的帧，则必然发生碰撞。总线上的单程端到端传播时延记为τ，则发送站得知所发送帧是否遭受碰撞的最迟时间为 2τ ，称为争用期(contention period)，或碰撞窗口(collision window)。经过争用期还没有检测到碰撞，就可以把这一帧数据顺利发送完毕。10 Mbit/s 以太网具体的争用期时间是 51.2 µs，这相当于以太网的最大端到端长度约为 5 .12 km。

\frac{2\times5.12km}{2^\times{10}^8m/s} = 51.2 µs

实际上以太网覆盖范围没有 5km 这样大。51.2 µs 的争用期，还包括了其他因素，如存在的转发器所增加的时延，以及强化碰撞的干扰信号的持续时间等。

时间	值
碰撞发生时间	(τ − δ + τ)/2 = τ-δ/2
A 检测到碰撞的时间	2τ − δ
争用期	2τ（δ→0）

二进制指数退避算法

以太网使用截断二进制指数退避(truncated binary exponential backoff)算法来确定碰撞后重传的时机。发生碰撞的站在停止发送数据后，推迟一个随机的时间。（如果大家都同时再重新发送，就又会发生碰撞）具体算法：

协议规定了基本退避时间为争用期 2t。
从离散的整数集合[0,1,…, (2^k-1)]中随机取出一个数，记为r。重传应推后的时间就是r倍的争用期。上面的参数k = Min[重传次数, 10]。
当重传达 16 次仍不能成功，表明同时打算发送数据的站太多，以致连续发生冲突，则丢弃该帧，并向高层报告。

重传次数	r 取值
1	`{0, 1}`
2	`{0, 1, 2, 3}`
3	`{0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7}`

使用上述退避算法可使重传需要推迟的平均时间随重传次数而增大（这也称为动态退避），因而减小发生碰撞的概率，有利于整个系统的稳定。

最小帧长

为了确保发送站在发送完一个完整的帧之前能够检测出其是否发生碰撞，帧的发送时延不应短于争用期，以太网规定了最短帧长为 64字节（ 10 Mbit/s 以太网，51.2 µs 的争用期可发送 $512 bit$ ： $\frac{2\times5.12km}{2^\times{10}^8m/s}\times10Mbit/s = 512bit$ ）。如果要发送的数据非常少，那么必须加入一些填充字节，使帧长不小于 64 字节。凡长度小于 64 字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧，应当立即将其丢弃。

强化碰撞

当发送数据的站发现发生了碰撞，停止发送数据后，还要再继续发送 32 比特或 48 比特的人为干扰信号(jamming signal)，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。对于 10 Mbit/s 以太网，发送 32 比特只需要 3.2 µs。

A 站从发送数据开始到发现碰撞并停止发送的时间间隔是 T_B。
A 站发送强化碰撞的干扰信号的持续时间是 T_J。
整个信道被占用的时间还要增加一个单程端到端的传播时延 τ。

总线被占用的时间是 T_B + T_J +τ。

帧间最小间隔

以太网还规定了帧间最小间隔为 9.6 µs，相当于 96 比特时间。这样做是为了使刚刚收到数据帧的站的接收缓存来得及清理，做好接收下一帧的准备。

归纳

准备发送：适配器从网络层获得一个分组，加上以太网的首部和尾部，组成以太网帧，放入适配器的缓存中。
检测信道：若检测到信道忙，则应不停地检测，一直等待信道转为空闲。若检测到信道在 96 比特时间内信道保持空闲（保证了帧间最小间隔），就发送这个帧。
网络适配器要边发送边监听（检测信道）。若在争用期内一直未检测到碰撞。则帧能够发送成功。若检测到碰撞，立即停止发送数据，并发送人为干扰信号。接着执行指数退避算法，等待 r 倍 512 比特时间后，返回到步骤 2。但若重传达 16 次仍不能成功，则停止重传而向上报错。

以太网每发送完一帧，一定要把已发送的帧暂时保留一下。如果检测出发生了碰撞，那么还要在推迟一段时间后再把这个暂时保留的帧重传一次。

可靠传输

可靠传输的相关基本概念

有线链路的误码率通常比较低。为了减小开销，并不要求数据链路层向其上层提供可靠传输服务。即使出现了误码，可靠传输的问题由其上层处理。
无线链路易受干扰，误码率比较高，因此要求数据链路层必须向其上层提供可靠传输服务。
可靠传输服务并不局限于数据链路层，其他各层均可选择实现可靠传输。

停止等待协议

实现可靠传输的基本方法：发现错误就重传。为了让发送方知道是否出现了差错，接收方必须将是否正确接收分组的信息反馈给发送方。

由于发送方每发送完一个分组必须停下来等待确认，因此该协议被称为停止等待（Stop-and-Wait，SW）协议。

当正确接收到一个分组时，接收方向发送方发送一个确认分组ACK（Acknowledgment），发送方收到后发送下一个分组。
当发现比特差错时，接收方丢弃该分组并发送一个否认分组NAK（Negative Acknowledgment），重传原来的分组，直到收到 ACK为止。
超时重传：底层的信道会丢失分组，当数据分组或确认分组丢失时，接收方的确认分组。为避免发送方一直等待确认分组，发送方发送完一个数据分组时，将启动一个超时计时器（Timeout Timer）。若到了超时计时器所设置的超时重传时间 tout 仍收不到接收方的任何确认分组，则重传原来的分组。
如果确认分组丢失，接收方会收到两个同样的数据分组，为使接收方能出识别重复分组，避免导致数据重复，需要使每个数据分组带上不同的发送序号，每发送一个新的数据分组就把它的发送序号加一，接收方检测到重复的分组就丢弃，再补发确认分组ACK

若超时重传时间太短，则在正常情况下也会过早地重传数据。若太长，则会白白等待很长时间。一般可选为略大于“从发送方到接收方的平均往返时间”。在数据链路层，点对点的往返时间比较确定，超时重传时间比较好设定，然而在运输层，由于端到端往返时间非常不确定，设置合适的超时重传时间有时并不容易。

TCP为了使协议实现起来更加简单，可以用超时重传来解决比特差错问题，而完全不使用NAK。接收方收到有比特差错的分组时，仅仅将其丢弃，而发送方不是通过接收 NAK 而是通过超时来进行重传。不过使用 NAK 可以使发送方重传更加及时。

\frac{RTT}{{T_A}+RTT+T_D}

回退N帧协议

当使用流水线传输方式时，发送方不间断地发送分组可能会使接收方或网络来不及处理这些分组，从而导致分组的丢失。发送方发送的分组在接收方或网络中被丢弃，实际上是对通信资源的严重浪费。因此发送方不能无限制地一直发送分组，必须采取措施限制发送方连续发送分组的个数。

回退N帧（GoBack-N，GBN）协议在流水线传输的基础上利用发送窗口来限制发送方连续发GBN协议送分组的个数，是一种连续ARQ协议。为此，在发送方要维持一个发送窗口。发送窗口是允许发送方已发送但还没有收到确认的分组序号的范围，窗口大小就是发送方已发送但还没有收到确认的最大分组数。实际上，发送窗口大小为1的GBN协议就是我们刚刚讨论过的停止等待协议。

滑动窗口的概念：发送窗口大小为5，位于发送窗口内的5个分组都可连续发送出去，而不需要等待对方的确认。协议规定，发送方每收到一个确认，就把发送GBN窗口向前滑动一个分组的位置。图3-15（b1）表示发送方收到了对第个分组的确认，于是把发送窗3-16口向前移动一个分组的位置。如果原来已经发送了前5个分组，那么现在就可以发送窗口内的第6个分组了。在协议的工作过程中发送窗口不断向前滑动，因此这类协议又称为滑动窗口协议。图所示为当发送窗口大小为时协议的工作过程。

数据链路层的可靠传输

不可靠的链路加上适当的协议（如停止等待协议）就可以使链路层向上提供可靠传输服务。但代价是数据的传输效率降低，而且增加了协议的复杂性。因此，应当根据链路的具体情况来决定是否需要让链路层向上提供可靠传输服务。

过去的通信链路质量不好（误码率高），在数据链路层曾广泛使用可靠传输协议，但现在的有线通信链路的质量已经非常好了，所以有线网络广泛使用的数据链路层协议一般都不采用确认和重传机制。若传输数据偶尔出现了差错，则改正差错的任务由上层协议（如运输层的）来完成。实践证明，这样做可以提高通信效率，降低设备成本。但是在使用无线信道传输数据时，由于无线信道误码率较高，往往需要在数据链路层实现可靠传输服务以尽快改正差错，为上层提供较好的传输服务。

扩展的以太网

在许多情况下，需要对以太网的覆盖范围进行扩展。本节先讨论在物理层对以太网扩展，然后讨论在数据链路层对以太网扩展。这种扩展的以太网在网络层看来仍然是一个网络。

在物理层扩展以太网

以太网上的主机之间的距离不能太远（例如，10BASE-T 以太网的两台主机之间的距离不超过 200 米），否则主机发送的信号经过铜线的传输就会衰减到使 CSMA/CD 协议无法正常工作。

转发器：在过去广泛使用粗缆或细缆以太网时，常使用工作在物理层的转发器来扩展以太网的地理覆盖范围。两个网段可用一个转发器连接起来。IEEE 802.3 标准还规定，任意两个站之间最多可以经过三个电缆网段。但随着双绞线以太网成为以太网的主流类型，扩展以太网的覆盖范围已很少使用转发器了。
光纤：现在，扩展主机和集线器之间的距离的一种简单方法就是使用光纤（通常是一对光纤）和一对光纤调制解调器，光纤调制解调器的作用就是进行电信号和光信号的转换。由于光纤带来的时延很小，并且带宽很宽，因此可以很容易地使主机和几公里以外的集线器相连接。如果使用多个集线器，就可以连接成覆盖更大范围的多级星形结构的以太网。这样做可以有以下两个好处。第一，使这个学院不同系的以太网上的计算机能够进行跨系的通信。第二，扩大了以太网覆盖的地理范围。在通过主干集线器相连接后，不同系的主机之间的距离就可扩展了，因为集线器之间的距离可以是100 m（使用双绞线）或甚至更远（如使用光纤）

多级结构的集线器以太网的缺点：

通过集线器互连后将会把多个碰撞域变成一个碰撞域，降低总的最大吞吐量。互连之前，每一个系的以太网是一个独立的碰撞域（collision domain，又称为冲突域），即在任一时刻，在每一个碰撞域中只能有一个站在发送数据。每一个系的以太网的最大吞吐量是 10 Mbit/s，连接后三个系总的最大吞吐量会从30 Mbit/s，降低到 10 Mbit/s，因为任意两个站在通信时所传送的数据会通过所有的集线器进行转发，使得其他系的内部在这时都不能通信。
如果不同的系使用不同的以太网技术（如数据率不同），则无法用集线器互联，互连后大家都只能工作在各适配器兼容的最低速率。集线器基本上是个多接口（即多端口）的转发器，它并不能把帧进行缓存。

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。

网桥（bridge）。最初人们使用的是网桥。网桥对收到的帧根据其 MAC 帧的目的地址进行转发和过滤。收到帧时，并不是向所有的接口转发此帧，而是根据此帧的目的 MAC 地址，查找网桥中的地址表，确定将该帧转发到哪一个接口，或者是把它丢弃（即过滤）。
交换式集线器（switching hub）。1990 年问世的交换式集线器，很快就淘汰了网桥和工作在物理层的集线器。其出现使数据的转发更加快速了：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交换机相连，并且一般都工作在全双工方式。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还有存储器，能在输出端口繁忙时把到来的帧进行缓存。因此，如果连接在以太网交换机上的两台主机，同时向另一台主机发送帧，那么当这台主机的接口繁忙时，发送帧的这两台主机的接口会把收到的帧暂存一下，以后再发送出去。

以太网交换机的特点

交换式集线器常称为以太网交换机(switch)或第二层交换机(L2 switch)，强调这种交换机工作在数据链路层。
以太网交换机由于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。
以太网交换机还具有并行性，即能同时连通多对接口，使多对主机能同时通信（而网桥只能一次分析和转发一个帧）。
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。
对于传统的 10 Mbit/s 的共享式以太网，若共有 10 个用户，则每个用户占有的平均带宽只有 1 Mbit/s。若使用以太网交换机来连接这些主机，虽然在每个接口到主机的带宽还是 10 Mbit/s，但由于一个用户在通信时是独占而不是和其他网络用户共享传输媒体的带宽，因此对于拥有 10 个接口的交换机的总容量则为 100 Mbit/s。
从共享总线以太网转到交换式以太网时，所有接入设备的软件和硬件、适配器等都不需要作任何改动。
以太网交换机一般都具有多种速率的接口，例如，可以具有 10 Mbit/s、100 Mbit/s 和 1 Gbit/s 的接口的各种组合，方便了各种不同情况的用户

许多以太网交换机对收到的帧采用存储转发方式进行转发，但也有一些交换机采用直通(cut-through)的交换方式。直通交换在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。如果在这种交换机的内部采用基于硬件的交叉矩阵，交换时延就非常小。直通交换的一个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。有时仍需要采用基于软件的存储转发方式进行交换，例如，当需要进行线路速率匹配、协议转换或差错检测时。现在已有能支持两种交换方式的以太网交换机。

以太网交换机的发展与建筑物结构化布线系统的普及应用密切相关。在结构化布线系统中，广泛地使用了以太网交换机。

当交换机的接口与计算机或交换机连接时，可以工作在全双工方式，并能在自身内部同时连通多对接口，使每一对相互通信的计算机都能像独占传输媒体那样，无碰撞地传输数据，这样就不需要使用CSMA/CD协议了。
当交换机的接口连接的是集线器时，该接口就只能使用CSMA/CD协议并只能工作在半双工方式。现在的交换机和计算机中的网卡都能自动识别上述两种情况，并自动切换到相应的工作方式。

以太网交换机的自学习功能

A 先向 B 发送一帧，从接口 1 进入到交换机。交换机查找交换表，没有查到应从哪个接口转发这个帧（MAC 地址列中，找不到目的地址为 B 的项目）。
把帧的源地址 A 和接口 1 写入交换表中，并向除接口 1 以外的所有接口广播该帧。
只有 B 才收下该帧（目的地址正确），其他主机丢弃该镇帧。
以后收到帧目的地址是 A 的帧，从接口 1 转发出去。
假定接下来 B 通过接口 3 向 A 发送一帧。交换机查找交换表，就把这个帧传送到接口 1 转发给 A。交换表这时新增加的项目(B, 3)。
以此类推，只要有新的主机也向其他主机发送帧，新主机经过的接口号就会被写入到交换表中。直至交换表中的项目就齐全了。要转发给任何一台主机的帧，都可在交换表中找到相应的转发接口。

考虑到交换机的接口可能更换主机，主机也可能更换其网络适配器，这就需要更改交换表中的项目。为此，交换表中每个项目都设有一定的有效时间。过期的就自动删除。以此保证交换表中的数据都符合当前网络的实际状况。

以太网交换机的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，因此非常方便。

但有时为了增加网络的可靠性，在使用以太网交换机组网时，往往会增加一些冗余的链路。在这种情况下，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。为了解决这种兜圈子问题，IEEE 的 802.1D 标准制定了一个生成树协议 STP (Spanning Tree Protocol)。其要点就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。

从总线以太网到星形以太网

传统的电话网是星形结构，其中心就是电话交换机。 20 世纪 70 年代中期出现的局域网，未采用这种星形结构，原因是在当时的技术条件下，还很难用廉价的方法制造出高可靠性的以太网交换机。所以那时的以太网就采用无源的总线结构。然而随着以太网上站点数目的增多，总线结构以太网的可靠性下降。与此同时，大规模集成电路以及专用芯片的发展，使得星形结构的以太网交换机可以做得既便宜又可靠。此时采用以太网交换机的星形结构又成为以太网的首选拓扑，而传统的总线以太网也很快从市场上消失了。

总线以太网使用 CSMA/CD 协议，以半双工方式工作。但以太网交换机不使用共享总线，没有碰撞问题，因此不使用 CSMA/CD 协议，而是以全双工方式工作，相关的“争用期”也没有了，之所以还叫做以太网，是因为其帧结构未改变。

虚拟局域网

虚拟局域网技术的背景

以太网交换机取代集线器连接计算机，由于采用的是数据链路层的分组交换技术，不需使用CSMA/CD共享媒体，因此交换式以太网可以工作在无冲突的全双工方式下，且不受CSMA/CD端到端最大时延的限制，比共享式以太网能够连接更多的计算机。但连多了也有问题。

交换机虽然隔离了冲突域，但并不隔离广播域。交换机在学习地址表的过程中会对所有目的MAC地址未知的帧进行广播，并且ARP和DHCP等协议也会产生很多的广播帧。当用交换机构建较大局域网时，大量的广播报文会导致网络性能下降，甚至会引发广播风暴（网络因传播过多的广播信息而性能恶化）。
一个单位的所有计算机都连接在一个局域网中可能带来安全问题。一些部门或工作组可能不希望自己的计算机与其他部门或工作组的计算机直接进行通信。

利用虚拟局域网技术，管理员可以在一个物理局域网上通过逻辑配置来建立多个逻辑上独立的虚拟网络。利用交换机就可以很方便地实现虚拟虚拟局域网 VLAN (Virtual LAN)。虚拟局域网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。

虚拟局域网→ IEEE 802.1Q标准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 的计算机可处在不同的局域网中，也可以不在同一层楼中。划分虚拟局域网的情况下，每一个站都可以收到同一个虚拟局域网上的的广播。以太网交换机不向虚拟局域网以外的计算机传送广播信息。这能避免网络中产生 “广播风暴”而引起性能恶化。

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。

以太网交换机的种类很多。例如，“具有第三层特性的第二层交换机”和“多层交换机”。前者具有某些第三层的功能，如数据报的分片和对多播通信量的管理，而后者可根据第三层的 IP 地址对分组进行过滤。

1988 年 IEEE 批准了 802.3ac 标准，定义了以太网的帧格式的扩展，以便支持虚拟局域网。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 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。这样的帧称为 802.1Q 帧。VLAN 标记插入在以太网 MAC 帧的源地址字段和类型字段之间。VLAN 标记标记使以太网的最大帧长从原来的 1518 字节（1500 字节的数据加上 18 字节的首部）变为 1522 字节。

IEEE 802.3 定义了以太网的物理层和数据链路层的基本功能，是实现以太网通信的基础。

IEEE 802.1 在 IEEE 802.3 的基础上，提供了更高级的网络管理功能，如 VLAN、生成树协议等。

虚拟局域网的优点

简化网络管理。站点物理位置与逻辑分组无关，当站点从一个工作组迁移到另一个工作组时，网络管理员仅需调整配置，无须改变网络布线或将站点搬移到新的物理VLAN位置。
控制广播风暴。将广播报文限制在VLAN本之内，将大的局域网分隔成多个独立的广播域，可有效防止或控制广播风暴，提高网络VLAN整体性能。
增强网络的安全性。便于管理员根据用户的安全需要隔离间的通信。

基于交换机接口的划分

VLAN 可以根据交换机的接口、MAC 地址、IP地址与网络层协议等进行划分。

基于交换机接口的划分：管理员可以将交换机的1, 3, 5接配置为属于 VLAN1，2, 4, 6接口配置为属于VLAN 2。交换机的地址表中MAC除了地址和对应接口号外，还有一个 VLAN 号。相当于交换机为每个VLAN 维护一个MAC转发表，并且仅同一MAC内的接口间能转发帧。

要注意的是，在各站点被划分到不同的 VLAN 后，它们将不能直接进行通信的。除非路由器将这些VLAN在网络层互连起来。这时，虽然不同 IP的站点之间通过路由器的转发能够在网络层互相通信，但它们在数据链路层是不能直接通信的，并且处于不同的广播域之中。

高速以太网

随着电子技术的发展，以太网的速率也不断提升。从传统的 10 Mbit/s 以太网一直发展到现在常用的速率为 1 Gbit/s 的吉比特以太网，甚至更快的以太网。

100BASE-T 以太网

100BASE-T 是在双绞线上传送 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，又称为快速以太网(Fast Ethernet)。

用户只要使用 100 Mbit 的适配器和 100 Mbit/s 的集线器或交换机，就可很方便地由 10BASE-T 以太网直接升级到 100 Mbit/s，而不必改变网络的拓扑结构。100BASE-T 的适配器有很强的自适应性，能够自动识别 10 Mbit/s 和 100 Mbit/s。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，是对 IEEE 802.3 标准的补充。

100BASE-T 可使用以太网交换机提供很好的服务质量，可在全双工方式下工作而无冲突发生。因此，CSMA/CD 协议对全双工方式工作的快速以太网是不起作用的（但在半双工方式工作时则一定要使用 CSMA/CD 协议）。快速以太网使用的 MAC 帧格式仍然是 IEEE 802.3 标准规定的帧格式。

然而 IEEE 802.3u 的标准未包括对同轴电缆的支持。这意味着想从细缆以太网升级到快速以太网的用户必须重新布线。因此，现在 10/100 Mbit/s 以太网都使用无屏蔽双绞线布线。

以太网单程端到端时延 τ ，与帧的发送时间 T0 之比必须保持在很小的值。为了保持该比值不变。在帧长一定的条件下，若数据率提高到 10 倍，可把网络电缆长度（因而使 τ ）减小到原有数值的十分之一。在 100 Mbit/s 的以太网中采用的方法是保持最短帧长不变，对于铜缆 100 Mbit/s 以太网，其最短帧长仍为 64 字节，即 512 比特。因此争用期是 5.12 µs，帧间最小间隔现在是 0.96 µs，都是 10 Mbit/s 以太网的 1/10。一个网段的最大长度是 100 m。

吉比特以太网

吉比特以太网的产品已在 1996 年夏季问市。IEEE 在 1997 年通过了吉比特以太网的标准 802.3z，并在 1998 年成为正式标准。几年来，吉比特以太网迅速占领了市场，成为以太网的主流产品。

疑难

CSMA/CD 有没有实现可靠传输？

CSMA/CD（载波监听多路访问/碰撞检测）是一种用于以太网局域网的访问控制协议。它的主要目标是在多个主机共享同一物理媒体时，有效地控制数据传输，减少碰撞并提高网络性能。然而，CSMA/CD协议本身并不提供可靠传输。为了实现可靠传输，通常需要与其他协议结合使用。例如，在以太网中，通常会使用高层协议（如TCP/IP）来提供可靠传输。TCP协议通过使用序列号、确认和重传等机制来确保数据的可靠传输。

以太网光缆最大网段长度为何比电缆长？以太网光缆是共享信道吗？会存在信号碰撞的问题吗？

信号碰撞通常发生在共享介质的网络中，多个设备同时发送数据导致信号冲突，从而影响数据传输的正常进行。由于每条光缆连接的是两个设备之间的点对点连接，不属于共享信道的范畴，因此在以太网光缆中不会存在信号碰撞的问题。在以太网光缆中，数据是通过光信号在光纤中传输的，每条光缆连接的两个设备之间形成一个独立的通信通道。

双绞线连接是否支持全双工通信？

双绞线支持全双工通信。现代网络接口卡（NIC）和交换机都支持全双工模式，只要硬件和协议配置正确，双绞线连接可以实现同时发送和接收数据。例如，在1000BASE - T（千兆以太网）标准中，双绞线的4对线分别用于发送和接收信号。

交换机全双工通信原理

交换机每个端口都有独立的发送和接收通道。当交换机和计算机连接时，它们之间可以同时进行发送和接收数据。

现代网络设备是否运行CSMA/CD协议？

CSMA/CD 主要用于早期的以太网（如10BASE - 5和10BASE - 2）。在这种网络中，所有设备共享同一根通信介质（如同轴电缆），因此需要一种机制来检测和避免冲突。现代网络设备（如交换机、路由器）通常不运行CSMA/CD协议。这些设备提供点对点连接和全双工通信，内部有复杂的硬件和软件机制来管理数据传输，不需要CSMA/CD协议。

真题

【2009年题36】以太网交换机进行转发决策时使用的PDU地址是( ) A．目的物理地址
B．目的IP地址 C．源物理地址 D．源IP地址

答案 A

解析：PDU（Protocol Data Unit）的意思是协议数据单元，它是计算机网络体系结构中对等实体间逻辑通信的对象。以太网交换机工作在数据链路层（包括物理层），它接收并转发的PDU通常称为帧。以太网交换机收到帧后，在转发表中查找帧的目的MAC地址所对应的接口号，然后通过该接口转发帧。MAC地址又称为硬件地址或物理地址。注意：物理地址属于数据链路层范畴。

【2009题35】数据链路层采用了后退N帧（GBN）协议，发送方已经发送了编号为0~7的帧。当计数器超时时，若发送方只收到0、2、3号帧的确认，则发送方需要发的帧数是（）。

A. 2 B. 3 C. 4 D. 5

假设主机甲采用停一等协议向主机乙发送数据帧，数据帧长与确认帧长均为 1000B ，数据传输速率是 10kbps，单向传播延时是 200 ms 。则主机甲的最大信道利用率为

A. 80% B. 66.7％ C. 44.4％ D. 40％

$\frac{RTT}{{T_A}+RTT+T_D}$
$T_A={T_D}=\frac{1000B}{10kbps}=\frac{8bit}{10bps}=800ms$
RTT = 400ms