以太网网络适配器是什么

第3章数据链路层第3章数据链路层3.
1使用点对点信道的数据链路层3.
2点对点协议PPP3.
3使用广播信道的数据链路层3.
4扩展的以太网数据链路层基本概念数据链路层的主要作用是如何将数据可靠地传输到相邻节点.
数据链路层的简单模型局域网广域网主机H1主机H2路由器R1路由器R2路由器R3电话网局域网主机H1向H2发送数据仅从数据链路层观察帧的流动只考虑数据在数据链路层的流动不同的链路层可能采用不同的数据链路层协议H1到H2所经过的网络可以是多种的数据链路层使用的信道数据链路层使用的信道主要有以下两种类型:点对点信道.
这种信道使用一对一的点对点通信方式.
广播信道.
这种信道使用一对多的广播通信方式,因此过程比较复杂.
3.
1使用点对点信道的数据链路层3.
1.
1数据链路3.
1.
2三个基本问题3.
1.
1数据链路物理链路(link)是一条点到点的物理线路段,中间没有任何其他的交换结点.
物理链路(媒介)是长期存在的,数据链路通常有时效性.
数据链路(datalink)除了物理线路外,还必须有通信协议来控制这些数据的传输.
若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上,就构成了数据链路.
现在最常用的方法是使用适配器(即网卡)来实现这些协议的硬件和软件.
一般的适配器都包括了数据链路层和物理层这两层的功能.
3.
1.
2三个基本问题数据链路层协议有许多种,但有三个基本问题则是共同的.
这三个基本问题是:(1)封装成帧(2)透明传输(3)差错控制1.
封装成帧封装成帧(framing)就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部,然后就构成了一个帧.
确定帧的界限.
首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界.
课件制作人:谢希仁帧结束帧首部IP数据报帧的数据部分帧尾部MTU数据链路层的帧长从这里开始发送帧开始发送用帧首部和帧尾部封装成帧用控制字符进行帧定界的方法举例当数据是由可打印的ASCII码组成的文本文件时,帧定界可以使用特殊的帧定界符.
控制字符SOH(StartOfHeader)放在一帧的最前面,表示帧的首部开始.
另一个控制字符EOT(EndOfTransmission)表示帧的结束.
SOH装在帧中的数据部分帧帧开始符帧结束符发送在前EOT用控制字符进行帧定界的方法举例2.
透明传输如果数据中的某个字节的二进制代码恰好和SOH或EOT一样,数据链路层就会错误地"找到帧的边界".
SOHEOT出现了"EOT"被接收端当作无效帧而丢弃被接收端误认为是一个帧数据部分EOT完整的帧发送在前数据部分恰好出现与EOT一样的代码用字节填充法解决透明传输的问题SOHSOHEOTSOHESCESCEOTESCSOHESCESCESCSOH原始数据EOTEOT经过字节填充后发送的数据字节填充字节填充字节填充字节填充发送在前帧开始符帧结束符SOH用字节填充法解决透明传输的问题3.
差错检测在传输过程中可能会产生比特差错:1可能会变成0而0也可能变成1.
在一段时间内,传输错误的比特占所传输比特总数的比率称为误码率BER(BitErrorRate).
误码率与信噪比有很大的关系.
为了保证数据传输的可靠性,在计算机网络传输数据时,必须采用各种差错检测措施.
循环冗余检验的原理在数据链路层传送的帧中,广泛使用了循环冗余检验CRC的检错技术.
在发送端,先把数据划分为组.
假定每组k个比特.
假设待传送的一组数据M=101001(现在k=6).
我们在M的后面再添加供差错检测用的n位冗余码一起发送.
冗余码的计算M后面添加n个0.
得到的(k+n)位的数除以事先选定好的长度为(n+1)位的除数P,得出商是Q而余数是R,R是n位.
将余数R作为冗余码拼接在数据M后面发送出去.
循环冗余检验的原理说明接收端对收到的每一帧进行CRC检验(1)若得出的余数R=0,则判定这个帧没有差错,就接受(accept).
(2)若余数R0,则判定这个帧有差错,就丢弃.
但这种检测方法并不能确定究竟是哪一个或哪几个比特出现了差错.
只要经过严格的挑选,并使用位数足够多的除数P,那么出现检测不到的差错的概率就很小很小.
3.
2点对点协议PPP3.
2.
1PPP协议的特点3.
2.
2PPP协议的帧格式3.
2.
1PPP协议的特点对于点对点的链路,目前使用得最广泛的数据链路层协议是点对点协议PPP(Point-to-PointProtocol).
PPP协议在1994年就已成为互联网的正式标准.
用户到ISP的链路使用PPP协议PPP协议应满足的需求简单——这是首要的要求.
封装成帧——必须规定特殊的字符作为帧定界符.
透明性——必须保证数据传输的透明性.
多种网络层协议——能够在同一条物理链路上同时支持多种网络层协议.
多种类型链路——能够在多种类型的链路上运行.
差错检测——能够对接收端收到的帧进行检测,并立即丢弃有差错的帧.
PPP协议应满足的需求(续)检测连接状态——能够及时自动检测出链路是否处于正常工作状态.
最大传送单元——必须对每一种类型的点对点链路设置最大传送单元MTU的标准默认值,促进各种实现之间的互操作性.
网络层地址协商——必须提供一种机制使通信的两个网络层实体能够通过协商知道或能够配置彼此的网络层地址.
数据压缩协商——必须提供一种方法来协商使用数据压缩算法.
3.
2.
2PPP协议的帧格式IP数据报1211字节12不超过1500字节PPP帧先发送7EFF03FACFCSF7E协议信息部分首部尾部PPP有一个2个字节的协议字段.
其值若为0x0021,则信息字段就是IP数据报.
若为0x8021,则信息字段是网络控制数据.
若为0xC021,则信息字段是PPP链路控制数据.
若为0xC023,则信息字段是鉴别数据.
透明传输问题当PPP用在同步传输链路时,协议规定采用硬件来完成比特填充.
当PPP用在异步传输时,就使用一种特殊的字符填充法.
零比特填充01001111101000101001001111110001010010011111010001010信息字段中出现了和标志字段F完全一样的8比特组合发送端在5个连1之后填入0比特再发送出去接收端把5个连1之后的0比特删除会被误认为是标志字段F发送端填入0比特接收端删除填入的0比特零比特的填充与删除字符填充将信息字段中出现的每一个0x7E字节转变成为2字节序列(0x7D,0x5E).
若信息字段中出现一个0x7D的字节,则将其转变成为2字节序列(0x7D,0x5D)思考问题1:为什么要0x7E(0x7D,0x5E),再0x7D(0x7D,0x5D)思考问题1:为什么要0x7E(0x7D,0x5E),再0x7D(0x7D,0x5D)0x7E(0x7D,0x5E).
避免"信息字段"里的字符和"标志字段Flag"重复0x7D(0x7D,0x5D)避免"信息字段"里的字符和转义字符重复.
3.
3使用广播信道的数据链路层3.
3.
1局域网的数据链路层3.
3.
2CSMA/CD协议3.
3.
3使用集线器的星形拓扑3.
3.
4以太网的信道利用率3.
3.
5以太网的MAC层3.
3.
1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;地理范围和站点数目均有限.
局域网具有如下主要优点: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地演变,各设备的位置可灵活调整和改变.
局域网拓扑结构3.
3.
2CSMA/CD协议最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上,认为这样的连接方法既简单又可靠.
B向D发送数据CDAE匹配电阻(用来吸收总线上传播的信号)匹配电阻不接受不接受不接受接受B只有D接受B发送的数据CSMA/CD协议CSMA/CD含义:载波监听多点接入/碰撞检测(CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection).
"多点接入"表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上.
"载波监听"是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据,如果有,则暂时不要发送数据,以免发生碰撞.
"碰撞检测"就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小.
CSMA/CD协议的要点(1)准备发送.
但在发送之前,必须先检测信道.
(2)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.
若检测到信道空闲,并在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.
(3)检查碰撞.
在发送过程中仍不停地检测信道,即网络适配器要边发送边监听.
这里只有两种可能性:①发送成功:在争用期内一直未检测到碰撞.
这个帧肯定能够发送成功.
发送完毕后,其他什么也不做.
然后回到(1).
②发送失败:在争用期内检测到碰撞.
这时立即停止发送数据,并按规定发送人为干扰信号.
适配器接着就执行指数退避算法,等待r倍512比特时间后,返回到步骤(2),继续检测信道.
但若重传达16次仍不能成功,则停止重传而向上报错.
3.
3.
3使用集线器的星形拓扑采用双绞线的以太网采用星形拓扑,在星形的中心则增加了集线器(hub).
星形以太网10BASE-T1990年IEEE制定出星形以太网10BASE-T的标准802.
3i.
10BASE-T以太网的统治地位这种10Mbit/s速率的无屏蔽双绞线星形网的出现,既降低了成本,又提高了可靠性.
具有很高的性价比.
从此以太网的拓扑就从总线形变为更加方便的星形网络,而以太网也就在局域网中占据了统治地位.
集线器的一些特点(1)集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线的工作,因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行.
(2)使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网,各工作站使用的还是CSMA/CD协议,并共享逻辑上的总线.
(3)集线器很像一个多接口的转发器.
(4)集线器采用了专门的芯片,进行自适应串音回波抵消,减少了近端串音.
3.
3.
4以太网的信道利用率多个站在以太网上同时工作就可能会发生碰撞.
当发生碰撞时,信道资源实际上是被浪费了.
因此,当扣除碰撞所造成的信道损失后,以太网总的信道利用率并不能达到100%.
假设是以太网单程端到端传播时延.
则争用期长度为2,即端到端传播时延的两倍.
检测到碰撞后不发送干扰信号.
以太网信道被占用的情况一个站在发送帧时出现了碰撞.
经过一个争用期2后,可能又出现了碰撞.
这样经过若干个争用期后,一个站发送成功了.
假定发送帧需要的时间是T0.
参数α与利用率要提高以太网的信道利用率,就必须减小与T0之比.
在以太网中定义了参数α:对以太网参数α的要求是:当数据率一定时,以太网的连线的长度受到限制,否则的数值会太大.
以太网的帧长不能太短,否则T0的值会太小,使α值太大.
3.
3.
5以太网的MAC层重点介绍:1.
MAC层的硬件地址2.
MAC帧的格式1.
MAC层的硬件地址在局域网中,硬件地址又称为物理地址,或MAC地址.
MAC地址是局域网通信设备或端口的唯一标识符.
单站地址,组地址,广播地址IEEE规定地址字段的第一字节的最低位为I/G位.
I/G表示Individual/Group.
当I/G位=0时,地址字段表示一个单站地址.
当I/G位=1时,表示组地址,用来进行多播(以前曾译为组播).
所有48位都为1时,为广播地址.
只能作为目的地址使用.
适配器检查MAC地址适配器从网络上每收到一个MAC帧就首先用硬件检查MAC帧中的MAC地址.
如果是发往本站的帧则收下,然后再进行其他的处理.
否则就将此帧丢弃,不再进行其他的处理.
"发往本站的帧"包括以下三种帧:单播(unicast)帧(一对一)广播(broadcast)帧(一对全体)多播(multicast)帧(一对多)2.
MAC帧的格式最常用的MAC帧是以太网V2的格式.
以太网V2的MAC帧格式目的地址字段6字节以太网V2的MAC帧格式源地址字段6字节以太网V2的MAC帧格式类型字段用来标志上一层使用的是什么协议,以便把收到的MAC帧的数据上交给上一层的这个协议.
类型字段2字节以太网V2的MAC帧格式数据字段的正式名称是MAC客户数据字段.
最小长度64字节18字节的首部和尾部=数据字段的最小长度(46字节)数据字段46~1500字节以太网V2的MAC帧格式在帧的前面插入(硬件生成)的8字节中,第一个字段共7个字节,是前同步码,用来迅速实现MAC帧的比特同步.
第二个字段1个字节是帧开始定界符,表示后面的信息就是MAC帧.
为了达到比特同步,在传输媒体上实际传送的要比MAC帧还多8个字节思考问题2:为什么MAC帧格式没有结束符,但PPP却要有无效的MAC帧帧的长度不是整数个字节;用收到的帧检验序列FCS查出有差错;数据字段的长度不在46~1500字节之间.
对于检查出的无效MAC帧就简单地丢弃.
以太网不负责重传丢弃的帧.
3.
4扩展的以太网3.
4.
1在物理层扩展以太网3.
4.
2在数据链路层扩展以太网3.
4.
3虚拟局域网3.
4.
1在物理层扩展以太网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.
三个独立的以太网一个扩展的以太网用集线器扩展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.
3.
4.
2在数据链路层扩展以太网扩展以太网早期使用网桥,现在使用以太网交换机.
网桥根据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.
交换机,即以太网交换机(switch)或第二层交换机(L2switch),强调这种交换机工作在数据链路层.
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.
1.
以太网交换机的特点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.
以太网交换机的优点用户独享带宽,增加了总容量.
对于普通10Mbit/s的共享式以太网,若共有N个用户,则每个用户占有的平均传输速率(10Mbit/s)的N分之一.
使用以太网交换机时,虽然在每个接口到主机都是10Mbit/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、适配器等都不需要做任何改动.
以太网交换机一般都具有多种速率的接口,方便了各种不同情况的用户.
2.
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.
按照以下自学习算法处理收到的帧和建立交换表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.
按照以下自学习算法处理收到的帧和建立交换表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.
按照以下自学习算法处理收到的帧和建立交换表考虑到可能有时要在交换机的接口更换主机,或者主机要更换其网络适配器,这就需要更改交换表中的项目.
为此,在交换表中每个项目都设有一定的有效时间.
过期的项目就自动被删除.
(默认300s)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.
交换机自学习和转发帧的步骤归纳交换机收到一帧后先进行自学习.
查找交换表中与收到帧的源地址有无相匹配的项目.
如没有,就在交换表中增加一个项目(源地址、进入的接口和有效时间).
如有,则把原有的项目进行更新(进入的接口或有效时间).
转发帧.
查找交换表中与收到帧的目的地址有无相匹配的项目.
如没有,则向所有其他接口(进入的接口除外)转发.
如有,则按交换表中给出的接口进行转发.
若交换表中给出的接口就是该帧进入交换机的接口,则应丢弃这个帧(因为这时不需要经过交换机进行转发).
3.
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(VirtualLAN).
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.
10台计算机划分为三个虚拟局域网:VLAN1,VLAN2和VLAN3当B1向VLAN2工作组内成员发送数据时,工作站B2和B3将会收到广播的信息.
B1发送数据时,工作站A1,A2和C1都不会收到B1发出的广播信息.
虚拟局域网限制了接收广播信息的工作站数,使得网络不会因传播过多的广播信息(即"广播风暴")而引起性能恶化.
虚拟局域网使用的以太网帧格式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.
一些有趣的课外知识现在以太网达到什么传输速度100Gb/sPPPoE:将PPP帧再封装到以太网中来传输.
现在的光纤宽带接入FTTx和ADSL都使用PPPoE进行连接的.
无线网络的CSMA/CA