1.數據鏈路層的三個基本問題：封裝成幀，透明傳輸，差錯檢測
2.點對點信道的數據鏈路層
（1）鏈路和數據鏈路
鏈路（物理鏈路）：鏈路（link）就是從一個結點到相鄰結點的一段物理線路（有線或無線〉，而中間沒有任何其他的交換結點
數據鏈路（邏輯鏈路）：為當需要在一條線路上傳送數據時，除了必須有一條物理線路外，還必須有一些必要的通信協議來控制這些數據的傳輸，換而言之，數據鏈路=鏈路+通信協議
（2）早期的數據通信協議叫通信規程
（3）數據鏈路層的協議數據單元-------幀
（4）封裝成幀：封裝成幀（framing）就是在一段數據的前后分別添加首部和尾部，這樣就構成了一個幀。一個幀的幀長等於幀的數據部分長度加上幀首部和幀尾部的長度。首部和尾部的一個重要作用就是進行幀定界（即確定幀的界限），為了提高幀的傳輸效率，應當使幀的數據部分長度盡可能地大於首部和尾部的長度。但是，每一種鏈路層協議都規定了所能傳送的幀的數據部分長度上限一一最大傳送單元 MTU (Maximum Transfer Unit），當數據是由可打印的 ASCII 碼組成的文本文件時，幀定界可以使用特殊的幀定界符（如SOH和EOT）。
SOH：Start Of Header
EOT：End Of Transmission
（5）透明傳輸：所傳輸的數據中的任何 8 比特的組合一定不允許和用作幀定界的控制字符的比特編碼一樣，無論什么樣的比特組合的數據，都能夠按照原樣沒有差錯地通過這個數據鏈路層。發送端的數據鏈路層在數據中出現控制字符 “SOH”或“EOT”的前面插入一個轉義字符“ESC”（其十六進制編碼是 1B，二進制是 00011011 ）。而在接收端的數據鏈路層在把數據送往網絡層之前刪除這個插入的轉義字符。這種方法稱為字節填充或字符填充。如果轉義字符也出現在數據當中，那么解決方法仍然是在轉義字符的前面插入一個轉義字符。因此，當接收端收到連續的兩個轉義字符時，就刪除其中前面的一個。
（6）差錯檢測：現實的通信鏈路都不會是理想的。這就是說，比特在傳輸過程中可能會產生差錯： 1 可 能會變成 0，而 0 也可能變成 1。這就叫做比特差錯。在一段時間內，傳輸錯誤的比特占所傳輸比特總數的比率稱為誤碼率 BER (Bit Error Rate）。誤碼率與信噪比有很大的關系。如果設法提高信噪比，就可以使誤碼率減小。實際的通信鏈路並非是理想的，它不可能使誤碼率下降到零。 因此，為了保證數據傳輸的可靠性，在計算機網絡傳輸數據時，必須采用各種差錯檢測措施。 目前在數據鏈路層廣泛使用了循環冗余檢驗 CRC (Cyclic Redundancy Check）的檢錯技術。為了進行檢錯而添加的冗余碼常稱為幀檢驗序列 FCS (Frame Check Sequence），順便說一下，循環冗余檢驗 CRC 和幀檢驗序列 FCS 並不是同一個概念。 CRC 是一種檢錯方法，而 FCS 是添加在數據后面的冗余碼，在檢錯方法上可以選用 CRC，但也可不選用 CRC。
在數據鏈路層，發送端幀檢驗序列 FCS 的生成和接收端的 CRC 檢驗都是用硬件完成的，處理很迅速，因此並不會延誤數據的傳輸。
凡是接收端數據鏈路層接受的幀均無差錯，有差錯的幀會直接丟棄
在數據鏈路層使用 CRC 檢驗，能夠實現無比特差錯的傳輸，但這還不是可靠傳輸。
3.點對點協議PPP
（1）特點
PPP 協議就是用戶計算機和 ISP 進行通信時所使用的數據鏈路層協議
（2）PPP協議應滿足的需求
①簡單：對數據鏈路層的幀，不需要糾錯，不需要序號，也不需要流量控制。 IETF 把“簡單”作為首要的需求。 接收方每收到一個幀，就進行 CRC 檢驗。如 CRC 檢驗正確，就收下這個幀：反之，就丟棄這個幀，其他什么也不做。
②封裝成幀
③透明傳輸
④多種網絡層協議：PPP 協議必須能夠在在同一條物理鏈路上同時支持多種網絡層 協議（如 IP 和 IPX 等）的運行。
⑤多種類型鏈路： 1999 年公布的在以太網上運行的 PPP，即 PPP over Ethernet，簡稱為 PPPoE [RFC 2516］，這是 PPP 協議能夠適應多種類型鏈路的一個典型例子。 PPPoE 是 為寬帶上網的主機使用的鏈路層協議。這個協議把 PPP 幀再封裝在以太網幀中（當然還要增加一些能夠識別各用戶的功能）。寬帶上網時由於數據傳輸速率較高，因此可以讓多個連接在以太網上的用戶共享一條到 ISP 的寬帶鏈路。
⑥差錯檢測
⑦檢測連接狀態
⑧最大傳送單元： MTU 是數據鏈路層的幀可以載荷的數據部分的最大長度，而不是幀的總長度。
⑨網絡地址協商
⑩數據壓縮協商
PPP 協議不支持多點線路 （即一個主站輪流和鏈路上的多個從站進行通信），而只支持點對點的鏈路通信。此外， PPP 協議只支持全雙工鏈路。
（3）PPP協議的組成
①一個將 IP 數據報封裝到串行鏈路的方法。
②一個用來建立、配置和測試數據鏈路連接的鏈路控制協議 LCP (Link Control Protocol）
③另一套網絡控制協議 NCP (Network Control Protocol），其中的每一個協議支持不同的網絡層協議
（4）PPP協議的幀格式
①各字段的意義
PPP幀的首部和尾部分別為四個字段和兩個字段
首部的第一個字段和尾部的第二個字段都是標志宇段 F (Flag），規定為 0x7E （符號“ 0x ”表示它后面的字符是用十六進制表示的。十六進制的 7E 的二進制表示是 01111110）。
標志宇段表示一個幀的開始或結束。因此標志字段就是 PPP 幀的定界符。連續兩幀之間只需要用一個標志宇段。如果出現連續兩個標志宇段，就表示這是一個空幀，應當丟棄。
PPP 首部的第四個宇段是 2 宇節的協議宇段。
當協議字段為 0x0021 時， PPP 幀的信息字段就是 IP 數據報。
若為 0xC021 ，則信息字段是 PPP 鏈路控制協議 LCP 的數據
而 0x8021 表示這是網絡層的控制數據
信息（數據部分）的長度是可變的，不超過1500 字節。 尾部中的第一個字段（2字節）是使用 CRC 的幀檢驗序列 FCS
②字節填充
當 PPP 使用異步傳輸時，它把轉義符定義為 0x7D （即 01111101 ），並使用字節填充，由於在發送端進行了字節填充，因此在鏈路上傳送的信息字節數就超過了原來的信息字節數。但接收端在收到數據后再進行與發送端字節填充相反的變換，就可以正確地恢復出原來的信息。發送端字節填充，接收端將填充的字節移除
③零比特填充
PPP 協議用在 SONET/SDH（光同步數字傳輸網） 鏈路時，使用同步傳輸（一連串的比特連續傳送）而不是異步傳輸（逐個字符地傳送）。在這種情況下，PPP 協議采用零比特填充方法來實現透明傳輸。
具體做法：
在發送端，先掃描整個信息字段（通常用硬件實現，但也可用軟件實現，只是會慢些）。只要發現有 5 個連續 1，則立即填入一個 0（0x7E的二進制是01111110）
這樣就保證了透明傳輸：在所傳送的數據比特流中可以傳送任意組合的比特流，而不會引起對幀邊界的錯誤判斷。
（5）PPP協議的工作狀態
①PPP 鏈路的起始和終止狀態永遠是圖 3-12 中的“鏈路靜止”（Link Dead）狀態，這時在用戶個人電腦和 ISP 的路由器之間並不存在物理層的連接。
②當用戶個人電腦通過調制解調器呼叫路由器時，路由器就能夠檢測到調制解調器發出的載波信號。在雙方建立了物理層連接后， PPP 就進入“鏈路建立”（Link Establish）狀態，其目的是建立鏈路層的 LCP 連接。
③LCP 開始協商一些配置選項，即發送 LCP 的配置請求幀（Configure-Request）。這是 個 PPP 幀，其協議字段置為 LCP 對應的代碼，而信息字段包含特定的配置請求，鏈路的另一端可以發送以下幾種響應中的一種：
(1）配置確認幀：所有選項都接受。
(2）配置否認幀：所有選項都理解但不能接受。
(3）配置拒絕幀：選項有的無法識別或不能接受，需要協商。
LCP 配置選項包括鏈路上的最大幀長、所使用的鑒別協議（authentication protocol）的規約（如果有的話〉，以及不使用 PPP 幀中的地址和控制字段
④協商結束后雙方就建立了 LCP 鏈路，接着就進入“鑒別”（Authenticate）狀態。進行身份鑒別，若鑒別身份失敗，則轉 到“鏈路終止”（Link Terminate）狀態。若鑒別成功，則進入“網絡層協議” (Network-Layer Protocol）狀態。 PPP 協議兩端的網絡層可以運行不同的網絡層協議，但仍然可使用同一個 PPP 協議進行通信。（支持多種網絡層協議）
⑤網絡控制協議 NCP 給新接入的用戶個人電腦分配一個臨時的 IP 地址（全球地址）
⑥當用戶通信完畢時， NCP 釋放網絡層連接，收回原來分配出去的 IP 地址。數據傳輸結束后，可以由鏈路的一端發出終止請求 LCP 分組請求終止鏈路連接，在收到對方發來的終止確認 LCP 分組后，轉到“鏈路終止”狀態。如果鏈路出現故障，也會從“鏈路打開”狀態轉到“鏈路終止”狀態。當調制解調器 的載波停止后，則回到“鏈路靜止”狀態。接着， LCP 釋放數據鏈路層連接。最后釋放的是物理層的連接。
由此可見， PPP 協議已不是純粹的數據鏈路層的協議，它還包含了物理層和網絡層的內容。
4.使用廣播信道的數據鏈路層
（1）局域網可按網絡拓撲進行分類
（2）共享信道：共享信道要着重考慮的一個問題就是如何使眾多用戶能夠合理而方便地共享通信媒體資源。
①靜態划分信道：頻分復用，時分復用，波分復用，碼分復用，這種划分信道的方法代價較高，不適合於局域網使用。
②動態媒體接入控制：又稱為多點接入，其特點是信道並非在用戶通信時固定分配給用戶
Ⅰ：隨機接入： 隨機接入的特點是所有的用戶可隨機地發送信息。如果同時有很多用戶發送信息，在共享媒體上會產生碰撞，使這些用戶的數據都發送失敗，所以必須有解決碰撞的網絡協議
Ⅱ：受控接入： 受控接入的特點是用戶不能隨機地發送信息而必須服從一定的控制。 如：令牌環網，集中控制多點線路的輪詢
（3）以太網的兩個標准
①DIX Ethernet V2：
1980年，DEC公司、英特爾公司和施樂公司聯合提出了 10 Mbit/s 以太網規約的第一個版本 DIX V1 (DIX 是這三個公司名稱的縮寫）。
1982年又修改為第二版規約（實際上也就是最后的版本），即 DIX Ethernet V2，成為世界上第一個局域網產品的規約
②IEEE 802.3：
在此基礎上， IEEE 802 委員會的802.3工作組於 1983 年制定了第一個 IEEE 的以太網標准 IEEE 802.3，數據率為10Mbit/s
IEEE 802 委員會就把局域網的數據鏈路層拆成兩個子層，即邏輯鏈路控制 LLC (Logical Link Control）子層和媒體接入控制 MAC (Medium Access Control）子層。
與接入到傳輸媒體有關的內容都放在 MAC 子層，而 LLC 子層則與傳輸媒體無關，不管采用何種傳輸媒體和 MAC 子層的局域網對 LLC 子層來說都是透明的
以太網的兩個標准 DIX Ethernet V2 與 IEEE 的 802.3 標准只有很小的差別，因此很多人也常把 802.3 局域網簡稱為“以太網”，但嚴格來說，“以太網”應當是指符合 DIX Ethernet V2 標准的局域網
20世紀90年代后，以太網在局域網市場中己取得了壟斷地位，並且幾乎成為了局域網的代名詞。由於互聯網發展很快而 TCP/IP 體系經常使用的局域網只剩下 DIX Ethernet V2 而不是 IEEE 802.3 標准中的局域網，因此現在 IEEE 802 委員會制定的邏輯鏈路控制子層 LLC（ 即 IEEE 802.2 標准）的作用已經消失了， 很多廠商生產的適配器上就僅裝有 MAC 協議而沒有 LLC 協議
（4）適配器的作用
①計算機與外界局域網的連接是通過通信適配器（adapter）進行的
②適配器和局域網之間的通信是通過電纜或雙絞線以串行傳輸方式進行的，而適配器和計算機之間的通信則是通過計算機主板上的 I/O 總線以並行傳輸方式進行的。因此，適配器的一個重要功能就是要進行數據串行傳輸和並行傳輸的轉換。
③適配器還 要能夠實現以太網協議
④適配器所實現的功能卻包含了數據鏈路層及物理層這兩個層次的功能
⑤計算機的硬件地址（MAC地址）就在適配器的 ROM 中，而計算機的軟件地址（IP地址），則在計算機的存儲器中
5.CSMA/CD協議
（1）總線網：當一台計算機發送數據時，總線上的所有計算機都能檢測到這個數據。這種就是廣播通信方式。
在總線上實現一對一的通信：可以使每一台計算機的適配器擁有一個與其他適配器都不同的地址（MAC地址），適配器對不是發送給自己的數據幀就丟棄。這樣，具有廣播特性的總線上就實現了一對一的通信。
（2）以太網的工作方式：
①無連接：即不必先建立連接就可以直接發送數據。
適配器對發送的數據幀不進行編號，也不要求對方發回確認。以太網提供的服務是盡最大努力的交付，即不可靠的交付。當目的站收到有差錯的數據幀時 （例如，用 CRC 查出有差錯），就把幀丟棄，其他什么也不做。對有差錯幀是否需要重傳則由高層來決定。以太網發送幀的時候並不關心這是不是重傳幀，而是都當作新的數據幀來發送。
②曼徹斯特編碼
（3）要點：
①多點接入：總線型網絡
②載波監聽：不管在發送前，還是在發送中，每個站都必須不停地檢測信道。
③碰撞檢測：邊發送邊監聽，因為電磁波在總線上總是以有限的速率傳播的，電磁波在 1 km 電纜的傳播時延約為 5 µs，最遲知道碰撞的時間最多是兩倍的總線端到端的傳播時延（2τ），或總線的端到端往返傳播時延。由於局域網上任意兩個站之間的傳播時延有長有短，因此局域網必須按最壞情況設計，即取總線兩端的兩個站之間的傳播時延（這兩個站之間的距離最大）為端到端傳播時延。如果經過2f后還沒有發生碰撞，那么本次傳輸就不會發生碰撞了
在使用 CSMA/CD 協議時，一個站不可能同時進行發送和接收〈但必須邊發送邊監聽信道）。因此使用 CSMA/CD 協議的以太網不可能進行全雙工通信而只能進行雙向交替通信（半雙工通信）
每一個站在自己發送數據之后的一小段時間內，存在着遭遇碰撞的可能性。這一小段時間是不確定的，它取決於另一個發送數據的站到本站的距離。因此，以太網不能保證某一時間之內一定能夠把自己的數據幀成功地發送出去（因為存在產生碰撞的可 能）。以太網的這一特點稱為發送的不確定性。如果希望在以太網上發生碰撞的機會很小，必須使整個以太網的平均通信量遠小於以太網的最高數據率
以太網的端到端往返時間2τ稱為爭用期，它是一個很重要的參數。爭用期又稱為碰撞窗口，經過爭用期這段時間還沒有檢測到碰撞，才能肯定這次發送不會發生碰撞
以太網使用截斷二進制指數退避算法來確定碰撞后重傳的時機
重傳需要推遲的平均時間隨重傳次數而增大（這也稱為動態退避），因而減小發生碰撞的概率，有利於整個系統的穩定。 （重傳的次數越多，隨機數相同的可能性越小）
凡長度小於 64 字節的幀都是由於沖突而異常中止的無效幀（爭用期內能發送的最大數據，以太網幀的最小長度為64字節）
（4）CSMA/CD協議總結
1.准備發送：適配器從網絡層獲得一個分組，加上以太網的首部和尾部，組成以太網幀，放入適配器的緩存中。但在發送之前，必須先檢測信道。
2.檢測信道：若檢測到信道忙，則應不停地檢測，一直等待信道轉為空閑。若檢測到 信道空閑，並在 96 比特時間內信道保持空閑（保證了幀間最小間隔），就發送這個幀。
3.在發送過程中仍不停地檢測信道，即網絡適配器要邊發送邊監昕。這里只有兩種可能性：
①發送成功：在爭用期內→直未檢測到碰撞。這個幀肯定能夠發送成功。發送完畢后，其他什么也不做。然后回到步驟1
②發送失敗：在爭用期內檢測到碰撞。這時立即停止發送數據，並按規定發送人為干擾信號。適配器接着就執行指數退避算法，等待 r 倍 512 比特時間后，返回到步驟2，繼續檢測信道。但若重傳達 16 次仍不能成功，則停止重傳而向上報錯
以太網每發送完一幀，一定要把己發送的幀暫時保留一下。如果在爭用期內檢測出發 生了碰撞，那么還要在推遲一段時間后再把這個暫時保留的幀重傳一次（隨機時間內重傳）。
總結：先聽后發，邊聽邊發，沖突停止，隨機重發
6.集線器
（1）使用集線器的星型拓撲
以太網采用星形拓撲，在星形的中心則增加了一種可靠性非常高的設備，叫做集線器（hub）
1990 年 IEEE 制定出星形以太網 10BASE-T 的標准 802.3i，“10”代表 10 Mbit/s 的數據率， BASE表示連接線上的信號是基帶信號， T 代表雙絞線
10BASE-T 以太網的通信距離稍短，每個站到集線器的距離不超過 100 m 這種性價比很高的 10BASE-T 雙絞線以太網的出現，是局域網發展史上的一個非常重要的里程碑
IEEE 802.3 標准還可使用光纖作為傳輸媒體，相應的標准是 10BASE-F 系列， F 代表光纖。它主要用作集線器之間的遠程連接
（2）集線器的特點
①信號放大和重發，擴大傳輸范圍，是一個大的沖突域，帶寬平分
②使用集線器的以太網在邏輯上仍是一個總線網，各站共享邏輯上的總線，使用的還是 CSMA/CD 協議（更具體些說，是各站中的適配器執行 CSMA/CD 協議），在同一時刻至多只允許一個站發送數據
③一個集線器有許多接口，一個集線器很像一個多接口的轉發器。
④集線器工作在物理層，它的每個接口僅僅簡單地轉發比特一一收到 1 就轉發 1，收到 0 就轉發 0，不進行碰撞檢測
7.以太網的信道利用率
（1）當扣除碰撞所造成的信道損失后，以太網總的信道利用率並不能達到 100%
（2）如何提高以太網的信道利用率
a越小，τ也就越小
8.以太網的MAC層
（1）MAC層的硬件地址
在局域網中，硬件地址又稱為物理地址或 MAC 地址（因為這種地址用在 MAC 幀中）
“名字指出我們所要尋找的那個資源，地址指出那個資源在何處，路由告訴我們如何到達該處。”
IEEE 802 標准為局域網規定了一種 48 位的全球地址（一般都簡稱為“地址”），是指局域網上的每一台計算機中固化在適配器的 ROM 中的地址
路由器會有多個MAC地址，這種 48 位“地址”應當是某個接口的標識符
現在的局域網適配器實際上使用的都是 6 字節 MAC 地址
IEEE 的注冊管理機構 RA 是局域網全球地址的法定管理機構，它負責分配地址宇段的 6 個字節中的前三個字節（即高位 24 位）。世界上 凡要生產局域網適配器的廠家都必須向 IEEE 購買由這三個字節構成的這個號（即地址塊〉，這個號的正式名稱是組織唯一標識符 OUI，通常也叫做公司標識符（company_id) 。地址宇段中的后三個字節（即低位 24 位）則由廠家自行指派， 稱為擴展標識符，只要保證生產出的適配器沒有重復地址即可
在生產適配器時，這種 6 字節的 MAC 地址己被固化在適配器的 ROM 中。因此，MAC 地址也叫做硬件地址或物理地址
適配器有過濾功能，但適配器從網絡上每收到一個 MAC 幀就先用硬件檢查 MAC 幀中的目的地址。如果是發往本站的幀則收下，然后再進行其他的處理。否則就將此幀丟棄，不再進行其他的處理
幀分為三種：
(1）單播幀（一對一），即收到的幀的 MAC 地址與本站的硬件地址相同
(2）廣播幀（一對全體），即發送給本局域網上所有站點的幀（全 1 地址）
(3）多播幀（一對多），即發送給本局域網上一部分站點的幀
（2）MAC幀的格式
使用得最多的是以太網 V2 的 MAC 幀格式
以太網 V2 的 MAC 幀較為簡單，由五個字段組成。
①前兩個字段分別是目的地址和源地址，各占6字節
②第三個字段是2字節的類型字段，用來標志上一層使用的是什么協議， 以便把收到的 MAC 幀的數據上交給上一層的這個協議
③第四個字段是數據字段，長度在 46 到 1500 字節之間（46 宇節是這樣得出的：最小長度 64 字節減去 18 字節的首部和尾部就得出數據字段的最小長度〉
④最后一個字段是 4 字節的幀檢驗序列 FCS （使用 CRC 檢驗〉
6字節目的地址+6字節源地址+2字節類型字段+4字節FCS幀檢驗序列=18字節
數據部分長度：46字節~1500字節 MAC幀總長度：64字節~1518字節
當數據宇段的長度小於 46 字節時， MAC 子層就會在數據宇段的后面加入一個整數字節的填充宇段，以保證以太網的 MAC 幀長不小於 64 字節（小於64字節會被當成無效幀丟棄）
當上層使用IP協議時，其首部就有一個“總長度”字段。因此，“總長度”加上填充字段的長度，應當等於 MAC 幀數據字段的長度
接收端的適配器在接收 MAC 幀時能夠迅速調整其時鍾頻率，使它和發送端的時鍾同步， 也就是“實現位同步”（位同步就是比特同步的意思）
MAC 幀的 FCS 字段的檢驗范圍不包括前同步碼和幀開始定界符
幀間的最小間隔為9.6μs，相當於96bit的發送時間
（3）無效的MAC幀
①幀的長度不是整數個字節
②用收到的幀檢驗序列 FCS 查出有差錯
③收到的幀的 MAC 客戶數據字段的長度不在 46 ～ 1500 字節之間，有效的 MAC 幀長度為 64 ～ 1518 字節之間
對於檢查出的無效 MAC 幀就簡單地丟棄。以太網不負責重傳丟棄的幀
（4）DIX Ethernet V2和IEEE 802.3 MAC幀格式的區別
① IEEE 802.3 規定的 MAC 幀的第三個字段是“長度／類型”。當這個字段值大於 0x0600 時（相當於十進制的 1536），就表示“類型”。這樣的幀和以太網 V2 MAC 幀完全一 樣。只有當這個字段值小於 0x0600 時才表示“長度”即 MAC 幀的數據部分長度。由於以太網采用了曼徹斯特編碼，長度字段並無實際意義
②當“長度／類型”字段值小於 0x0600 時，數據字段必須裝入上面的邏輯鏈路控制 LLC 子層的 LLC 幀
9.擴展的以太網
無論是在物理層還是在數據鏈路層擴展以太網，這種擴展的以太網在網絡層看來仍然是一個網絡
（1）在物理層擴展以太網
①目前主流：使用雙絞線進行擴展
②使用光纖擴展主機和集線器之間的距離
光纖調制解調器的作用就是進行電信號和光信號的轉換
③使用集線器擴展
在三個系的以太網通過集線器互連起來后就把三個碰撞域變成一個更大的碰撞域（范圍擴大到三個系）
如果不同的系使用不同的以太網技術（如數據率不同），那么就不可能用集線器將它們互連起來（只能工作在最低的速率）
集線器基本上是個多接口（即多端口）的轉發器，它並不能把幀進行緩存
（2）在數據鏈路層擴展以太網
擴展以太網更常用的方法是在數據鏈路層進行
① 網橋：
最初人們使用的是網橋。網橋對收到的幀根據其 MAC 幀的目的地址進行轉發和過濾，當網橋收到一個幀時，並不是向所有的接口轉發此幀，而是根據此幀的目的 MAC 地址，查找網橋中的地址表，然后確定將該幀轉發到哪一個接口，或者是把它丟棄（即過濾），網橋是交換機的前身
② 交換機：
1990 年問世的交換式集線器，很快就淘汰了網橋。交換式集線器常稱為 以太網交換機（switch）或第二層交換機（L2 switch），強調這種交換機工作在數據鏈路層
以太網交換機實質上就是一個多接口的網橋，通常都有十幾個或更多的接口，和工作在物理層的轉發器、集線器有很大的差別
一般都工作在全雙工方式。以太網交換機還具有並行性， 即能同時連通多對接口，使多對主機能同時通信（而網橋只能一次分析和轉發一個幀）。相互通信的主機都是獨占傳輸媒體，無碰撞地傳輸數據
以太網交換機的接口還有存儲器，能在輸出端口繁忙時把到來的幀進行緩存
以太網交換機是一種即插即用設備，其內部的幀交換表（又稱為地址表）是通過自學習算法自動地逐漸建立起來的
雖然許多以太網交換機對收到的幀采用存儲轉發方式進行轉發，但也有一些交換機采用直通的交換方式，接收數據幀的同時就立即按數據幀的目的 MAC 地址決定該幀的轉發接口，直通交換的一個缺點是它不檢查差錯就直接將幀轉發出去，因此有可能也將一些無效幀轉發給其他的站
交換機相對於網橋和集線器更加安全，將沖突域隔離，無法抓包，端口寬帶獨享，基於MAC地址轉發，通過自學習算法構建MAC地址表
為了解決MAC幀廣播兜圈子問題， IEEE 的 802.1D標准制定了一個生成樹協議 STP (Spanning Tree Protocol）。其要點就是不改變網絡的實際拓撲，但在邏輯上則切斷某些鏈路
（3）從總線以太網到星型以太網
采用以太網交換機的星形結構又成為以太網的首選拓撲，而傳統的總線以太網也很快從市場上消失了
總線以太網使用 CSMA/CD 協議，以半雙工方式工作。但以太網交換機不使用共享總線，沒有碰撞問題，因此不使用 CSMA/CD 協議，而是以全雙工方式工作。既然連以太網的重要協議 CSMA/CD 都不使用了（相關的“爭用期”也沒有了），以太網的幀結構未改變，仍然采用以太網的幀結構
10.虛擬局域網（VLAN）
虛擬局域網 VLAN 是由一些局域網網段構成的與物理位置無關的邏輯組，而這些網段具有某些共同的需求
虛擬局域網其實只是局域網給用戶提供的一種服務，而並不是一種新型局域網
以太網交換機不向虛擬局域網以外的計算機傳送 B1 的廣播信息。這樣，虛擬局域網限制了接收廣播信息的計算機數，使得網絡不會因傳播過多的廣播信息（即所謂的“廣播風暴”）而引起性能惡化。
VLAN采用邏輯划分，隔離廣播風暴
虛擬局域網協議允許在以太網的幀格式中插入一個 4 字節的標識符，稱為 VLAN 標記，用來指明發送該幀的計算機屬於哪一個虛擬局域網
最后的 12 位是該虛擬局域網 VLAN 標識符 VID (VLAN ID），它唯一地標志了 這個以太網幀屬於哪一個 VLAN
由於用於 VLAN 的以太網幀的首部增加了 4 個字節，因此以太網的最大幀長從原來的 1518 字節（ 1500 字節的數據加上 18 字節的首部）變為 1522 字節
11.高速以太網
（1）100BASE-T以太網
100BASE-T 是在雙絞線上傳送 100 Mbit/s 基帶信號的星形拓撲以太網，仍使用 IEEE 802.3 的 CSMA/CD 協議，它又稱為快速以太網（Fast Ethernet）
100表示速率是100M bit/s，BASE表示基帶信號，T表示傳輸介質是雙絞線
100BASE-T可在全雙工方式下工作而無沖突發生。因此，CSMA/CD 協議對全雙工方式工作的快速以太網是不起作用的（但在半雙工方式工作時則一定要使用 CSMA/CD 協議）
100 Mbit/s 以太網的爭用期是 5.12 μs，幀間最小間隔現在是 0.96 μs，都是 10 Mbit/s 以太網的 1/10
100BASE-T使用3類或5類雙絞線進行傳輸
（2）吉比特以太網
吉比特以太網的產品己在 1996 年夏季問市。 IEEE 在 1997 年通過了吉比特以太網的標准 802.3z，並在 1998 年成為正式標准
吉比特以太網的標准 IEEE 802.3z 有以下幾個特點：
①允許在 1 Gbit/s 下以全雙工和半雙工兩種方式工作
②使用 IEEE 802.3 協議規定的幀格式
③在半雙工方式下使用 CSMA/CD 協議，而在全雙工方式不使用 CSMA/CD 協議
④與 10BASE-T 和 100BASE-T 技術向后兼容
1000BASE-T要求使用的雙絞線必須是5類線以上
（3）10吉比特以太網（萬兆）以太網和更快的以太網
10GBASE-T以太網中使用的雙絞線必須是6A類線以上
10GE 的幀格式與 10 Mbit/s， 100 Mbit/s 和 1 Gbit/s 以太網的幀格式完全相同，並保留 了 802.3 標准規定的以太網最小幀長和最大幀長
10GE 只工作在全雙工方式，因此不存在爭用問題，當然也不使用 CSMA/CD 協議
40GE/100GE 只工作在全雙工的傳輸方式（因而不使用 CSMA/CD 協議），並且仍然保持了以太網的幀格式以及 802.3 標准規定的以太網最小和最大幀長
現在以太網的工作范圍己經從局域網（校園網、企業網）擴大到城域網和廣域網，從而實現了端到端的以太網傳輸
以太網還能夠適應多種傳輸媒體，如銅纜、雙絞線以及各種光纜。這就使具有不同傳輸媒體的用戶在進行通信時不必重新布線
端到端的以太網連接使幀的格式全都是以太網的格式，而不需要再進行幀的格式轉換，這就簡化了操作和管理
12.使用以太網進行寬帶接入
以太網接入的一個重要特點是它可以提供雙向的寬帶通信，並且可以根據用戶對帶寬 的需求靈活地進行帶寬升級
將數據鏈路層兩個成功的協議結合起來：
PPP 協議中的 PPP 幀再封裝到以太網中來傳輸。這就是 1999 年公布的 PPPoE (PPP over Ethernet），意思是“在以太網上運行 PPP”。現在的光纖寬帶接入 FTTx 都要使用 PPPoE 的方式進行接入
13.思科Cisco三層建網模型
接入層，匯聚層，核心層
14.習題
第三章：數據鏈路層
一、選擇題
1.數據鏈路層封裝的PDU稱為（ ）
A.分組
B.幀
C.報文
D.比特流
2.*數據鏈路層的幀中封裝的數據一般為上一層的（ ）
A.分組
B.幀
C.報文
D.比特流
3.數據鏈路層協議需要解決的三個基本問題是封裝成幀、透明傳輸與（ ）
A.加密技術
B.身份驗證
C.可靠機制
D.差錯控制
4.數據鏈路層中使用最為廣泛的檢錯技術是（ ）
A.海明碼檢驗
B.循環冗余檢驗
C.奇偶檢驗
D.公鑰加密
5.某CRC生成多項式P有n位，則其冗余碼應該是（ ）位。
A.n-1
B.n
C.n+1
D.32
6.*用戶使用撥號電話線與Modem接入因特網時，一般都是使用（ ）協議。
A.ISP
B.PPP
C.PPPOE
D.CSMA/CD
7.PPP幀的標志字段等於0x（ ）。
A.80
B.7e
C.ff
D.88
8.世界上第一個以太網的規約是（ ）。
A.DIX Ethernet V2
B.IEEE 802.3
C.OSI/RM
D.TCP/IP
9.以太網規定了最短有效幀長為（ ）字節。
A.32
B.48
C.64
D.128
10.10BASE-T中的T表示使用的傳輸媒體是（ ）。
A.粗同軸電纜
B.細同軸電纜
C.雙絞線
D.光纜
11.10BASE-T中的BASE表示（ ）。
A.基帶信號
B.寬帶信號
C.基本速率
D.原始以太網
12.MAC地址共定義有（ ）bit。
A.32
B.48
C.64
D.128
13.以太網幀格式規定，其數據部分最長為（ ）字節。
A.64
B.128
C.1000
D.1500
14.使用雙絞線組建以太網時，其網線最大長度為（ ）米。
A.10
B.50
C.64
D.100
15.當以太網的連接距離超過100米時，在物理層上擴展范圍最好的方法是使用（ ）。
A.雙絞線
B.光纜
C.同軸電纜
D.無線電
16.目前在數據鏈路層擴展局域網是使用（ ）設備。
A.集線器
B.轉發器
C.路由器
D.交換機
17.當以太網出現環路時，可以使用（ ）協議避免廣播風暴的出現。
A.CSMA/CD
B.STP
C.CRC
D.FTTx
18.100BASE-T 以太網的最短幀長為（ ）字節。
A.32
B.48
C.64
D.128
19.1000BASE-T要求使用的雙絞線必須是（ ）類線以上。
A.3
B.4
C.5
D.超5
20.10GBASE-T以太網中使用的雙絞線必須是（ ）類線以上。
A.5
B.5E
C.6
D.6A
二、判斷題
（ ）1.*一般的適配器都包括了數據鏈路層和物理層這兩層的功能。
（ ）2.封裝成幀(framing)就是在一段數據的前后分別添加首部和尾部，然后就構成了一個幀。
（ ）3.所有的 PPP 幀的長度都是整數字節。
（ ）4.PPP 協議用在 SONET/SDH 鏈路時，采用零比特填充方法來實現透明傳輸。
（ ）5.以太網使用受控接入技術實現媒體共享。
（ ）6.目前廠商生產的適配器上不僅裝有 MAC 協議還有 LLC 協議。
（ ）7.最初的以太網是將許多計算機都連接到一根總線上，也稱為共享以太網。
（ ）8.以太網使用面向連接的工作方式。
（ ）9.*以太網發送的數據都使用曼徹斯特編碼，其特點是可以實現時鍾自同步。
（ ）10.由HUB組建的以太網屬於交換式以太網。
（ ）11.集線器是一個物理層設備。
（ ）12.通過協議的控制，可以讓多個站在以太網上同時工作而不發生碰撞。
（ ）13.*以太網中定義了參數 a，它是以太網單程端到端時延與幀的發送時間之比。當a→0表明爭用期所占的比例增大，每發生一次碰撞就浪費許多信道資源，使得信道利用率明顯降低。
（ ）14.以太網的站點在發送幀時，如果經過2τ后還沒有檢測到沖突，則本次發送不會再出現沖突了。
（ ）15.傳統以太網在實際應用中，平均到每個站點的速率往往達不到10Mbps。
（ ）16.MAC地址由互聯網協議下屬機構負責分配與管理。
（ ）17.以太網只有一種標准，那就是IEEE的802.3標准。
（ ）18.IEEE 802.3與DIX V2的MAC幀格式主要區別在第2個字段的定義上。
（ ）19.*使用HUB組建一個更大的LAN時，其廣播域並沒有擴大。
（ ）20.使用HUB組建以太網可以隔離廣播域。
（ ）21.交換機與網橋是兩個不同工作原理的以太網設備。
（ ）22.速率達到或超過 100 Mb/s 的以太網稱為高速以太網。
（ ）23.100BASE-T 以太網工作在全雙工方式時，不使用CSMA/CD協議
（ ）24.100BASE-T 以太網的幀間時間間隔為0.96微秒.
（ ）25.*100BASE-FX以太網使用一根光纖進行傳輸。
（ ）26.*吉比特以太網不再工作在半雙式模式下。
（ ）27.吉比特以太網在全雙式方式下，不使用CSMA/CD協議。
（ ）28.1000BASE-CX 標准中的CX表示使用光纖。
（ ）29.10吉比特以太網與 10 Mb/s，100 Mb/s 和 1 Gb/s 以太網的幀格式完全相同。
（ ）30.10 吉比特以太網沒有保留 802.3 標准規定的以太網最小和最大幀長，以便於升級
（ ）31.*CRC檢驗中，若得出的余數為0，則判定這個幀100%沒有差錯。
三、計算題
要發送的數據為 101110。采用 CRC 的生成多項式是 P(X) = X^3 + 1。試求應添加在數據后面的余數。
參考答案：
1-5：BADBA 6-10：BBACC 11-15：ABDDB 16-20：DBCCD
1-5：√√√√× 6-10：×√×√× 11-15：√××√√
16-20：××××× 21-25：×√√√× 26-31：×√×√××
三、011