【专题】计算机网络之数据链路层

数据链路层的地位：网络中的主机、路由器等都必须实现数据链路层。

数据链路层信道类型：

• 点对点信道。

  使用一对一的点对点通信方式。

• 广播信道。

  1. 使用一对多的广播通信方式。

  2. 必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机的数据发送。

1. 使用点对点信道的数据链路层

1.1 数据链路和帧

链路 (link) ：

• 一条无源的点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换结点。

• 一条链路只是一条通路的一个组成部分。

• 或物理链路。

数据链路 (data link)：

• 把实现控制数据传输的协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。

• 或逻辑链路。

• 典型实现：适配器（即网卡）

数据链路层协议数据单元 —— 帧。

1.2 三个基本问题

(1) 封装成帧

封装成帧 (framing)：

• 在一段数据的前后分别添加首部和尾部，构成一个帧。

• 首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界（即确定帧的界限）。

最大传送单元 MTU (Maximum Transfer Unit) ：规定了所能传送的帧的数据部分长度上限。

(2) 用控制字符作为帧定界符

• 控制字符 SOH (Start Of Header) 放在一帧的最前面，表示帧的首部开始。

• 控制字符 EOT (End Of Transmission) 放在一帧的末尾，表示帧的结束。

(3) 透明传输

透明传输的原因：

• 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”，导致错误。

透明：

• 指某一个实际存在的事物看起来却好像不存在一样。

“在数据链路层透明传送数据”表示：

• 无论发送什么样的比特组合的数据，这些数据都能够按照原样没有差错地通过这个数据链路层。

用“字节填充”或“字符填充”法解决透明传输的问题（即通过转义字符ESC来实现）。

(4) 差错检测

差错产生原因：

• 在传输过程中可能会产生比特差错：1 → 0，0 → 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 (Bit Error Rate)。

(5) 循环冗余检验

循环冗余检验 CRC (Cyclic Redundancy Check) 原理：

• 在发送端，先把数据划分为组。假定每组 k 个比特。

• CRC 运算在每组 M 后面再添加供差错检测用的 n 位冗余码，然后构成一个帧发送出去。一共发送 (k + n) 位。

CRC 冗余码的计算：

1. 用二进制的模 2 运算进行 2n 乘 M 的运算，这相当于在 M 后面添加 n 个 0。

2. 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 ，余数是 R，余数 R 比除数 P 少 1 位，即 R 是 n 位。

3. 将余数 R 作为冗余码拼接在数据 M 后面，一起发送出去

这种为了进行检错而添加的冗余码常称为帧检验序列 FCS (Frame Check Sequence)。

(6) 帧检验序列 FCS

在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列 FCS (Frame Check Sequence)。

• 循环冗余检验 CRC 和帧检验序列 FCS 并不等同。

  1. CRC 是一种常用的检错方法，而 FCS 是添加在数据后面的冗余码。

  2. FCS 可以用 CRC 这种方法得出，但 CRC 并非用来获得 FCS 的唯一方法。

广泛使用的生成多项式P(X)：

仅用循环冗余检验 CRC 差错检测技术只能做到无差错接受 (accept)。

• 即：“凡是接受的帧（即不包括丢弃的帧），我们都能以非常接近于 1 的概率认为这些帧在传输过程中没有产生差错”。

• 即：“凡是接收端数据链路层接受的帧均无差错”。

“无比特差错”与“无传输差错”的区别：

可靠传输：数据链路层的发送端发送什么，在接收端就收到什么。

传输差错可分为两大类：

• 比特差错；

• 传输差错：帧丢失、帧重复或帧失序等。

在数据链路层使用 CRC 检验，能够实现无比特差错的传输，但这还不是可靠传输。

要做到可靠传输，还必须再加上帧编号、确认和重传等机制。

2. 点对点协议 PPP

2.1 PPP 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-Point Protocol)。

PPP 协议在 1994 年就已成为互联网的正式标准 [RFC 1661, STD51]。

用户到 ISP 的链路使用 PPP 协议：

(1) PPP 协议应满足的需求

1. 简单，首要要求。

2. 封装成帧， 必须规定特殊的字符作为帧定界符。

3. 透明性， 必须保证数据传输的透明性。

4. 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。

5. 多种类型链路， 能够在多种类型的链路上运行。

6. 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。

7. 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。

8. 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。

9. 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。

10. 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。

(2) PPP 协议的组成

三个组成部分：

• 一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法。

• 一个链路控制协议 LCP (Link Control Protocol)。

• 一套网络控制协议 NCP (Network Control Protocol)。

2.2 PPP 协议的帧格式

PPP 是面向字节的，所有的 PPP 帧的长度都是整数字节。

(1) 各字段的意义

首部：4 个字段。

• 标志字段 F： 0x7E 。连续两帧之间只需要用一个标志字段。

• 地址字段 A：只置为 0xFF。实际上不起作用。

• 控制字段 C：通常置为 0x03。

• 协议字段。

尾部：2 个字段。

(2) 透明传输问题

当 PPP 用在异步传输时，使用字节填充法。

当 PPP 用在同步传输链路时，采用零比特填充法。

(3) 字节填充

(4) 零比特填充

2.3 PPP 协议的工作状态

PPP 链路初始化过程：

1. 用户拨号接入 ISP 后，就建立了一条从用户个人电脑到 ISP 的物理连接。

2. 用户个人电脑向 ISP 发送一系列的链路控制协议 LCP 分组（封装成多个 PPP 帧），以便建立LCP连接。

3. 之后进行网络层配置。网络控制协议 NCP 给新接入的用户个人电脑分配一个临时的 IP 地址。

4. 当用户通信完毕时，NCP 释放网络层连接，收回原来分配出去的IP地址。LCP 释放数据链路层连接。最后释放的是物理层的连接。

3. 使用广播信道的数据链路层

3.1 局域网的数据链路层

局域网最主要的特点：

1. 网络为一个单位所拥有；

1. 地理范围和站点数目均有限。

局域网具有如下主要优点：

1. 具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网。

1. 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。

1. 提高了系统的可靠性、可用性和生存性。

(1) 局域网拓扑结构

(2) 局域网传输媒体

(3) 共享信道带来的问题

若多个设备在共享的广播信道上同时发送数据，则会造成彼此干扰，导致发送失败。

(4) 媒体共享技术

静态划分信道：

1. 频分复用

1. 时分复用

1. 波分复用

1. 码分复用

动态媒体接入控制（多点接入）：

1. 随机接入：所有的用户可随机地发送信息。

1. 受控接入：用户必须服从一定的控制。如轮询(polling)。

(5) 以太网的两个标准

• DIX Ethernet V2：世界上第一个局域网产品（以太网）的规约。

• IEEE 802.3：第一个 IEEE 的以太网标准。

这两种标准的硬件实现可以在同一个局域网上互操作。

这两个标准标准只有很小的差别，因此很多人也常把 802.3局域网简称为“以太网”。

局域网数据链路层分为 2 个子层：

• 逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control) 子层：与传输媒体无关。

• 媒体接入控制 MAC (Medium Access Control) 子层：与传输媒体有关。

(6) 适配器的作用

1. 进行串行/并行转换。

2. 对数据进行缓存。

3. 在计算机的操作系统安装设备驱动程序。

4. 实现以太网协议。

3.2 CSMA/CD 协议

最早的以太网：将许多计算机都连接到一根总线上。

总线特点：易于实现广播通信，简单，可靠。

为了实现一对一通信，将接收站的硬件地址写入帧首部中的目的地址字段中。

仅当数据帧中的目的地址与适配器硬件地址一致时，才能接收这个数据帧。

总线缺点：多个站点同时发送时，会产生发送碰撞或冲突，导致发送失败。

(1) 以太网采取的 2 种重要措施

• 采用较为灵活的无连接的工作方式。

  1. 不必先建立连接就可以直接发送数据。

  2. 对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。

• 发送的数据都使用曼彻斯特 (Manchester) 编码。

  

曼彻斯特编码缺点：所占的频带宽度比原始的基带信号增加了一倍。

(2) CSMA/CD 协议的要点

CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) ：载波监听多点接入 / 碰撞检测。

• 多点接入：说明这是总线型网络。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：即“边发送边监听”。不管在想要发送数据之前，还是在发送数据之中，每个站都必须不停地检测信道。

• 碰撞检测：适配器边发送数据，边检测信道上的信号电压的变化情况。电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞（或冲突）。

检测到碰撞后：

1. 适配器立即停止发送。

1. 等待一段随机时间后再次发送。

进行碰撞检测是因为信号传播时延对载波监听产生了影响。

• A 需要单程传播时延的 2 倍的时间，才能检测到与 B 的发送产生了冲突。

每一个站在自己发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。

(3) 争用期

以太网的端到端往返时延 2t 称为争用期，或碰撞窗口。

具体的争用期时间 = 51.2 μs。

经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。

(4) 碰撞后重传的时机

采用截断二进制指数退避 (truncated binary exponential backoff) 确定。

发生碰撞的站停止发送数据后，要退避一个随机时间后再发送数据。

1. 基本退避时间 = 2t

1. 从整数集合 [0, 1, … , (2k - 1)] 中随机地取出一个数，记为 r。

重传所需的时延 = r ⅹ 基本退避时间。

1. 参数 k = Min[重传次数, 10]

1. 当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。

若连续多次发生冲突，表明可能有较多的站参与争用信道。

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（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。

10 Mbit/s 以太网争用期的长度：

• 争用期的长度 = 51.2 ms。

• 对于 10 Mbit/s 以太网，在争用期内可发送 512 bit，即 64 字节。

  1. 以太网在发送数据时，若前 64 字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。

  2. 以太网规定了最短有效帧长为 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。

以太网的最大端到端长度：

• 争用期的长度 = 51.2 ms。

• 对于 10 Mbit/s 以太网，在争用期内可发送 512 bit，即 64 字节。

  • 以太网最大端到端单程时延必须小于争用期的一半 (即 25.6 μs)，相当于以太网的最大端到端长度约为 5 km。

(5) 强化碰撞

强化碰撞：人为干扰信号

1. 发送站检测到冲突后，立即停止发送数据帧，接着就发送 32 或 48 比特的人为干扰信号 (jamming signal) 。

1. 以太网还规定了帧间最小间隔为 9.6 μs。

(6) CSMA/CD 协议的要点

3.3 使用集线器的星形拓扑

传统以太网传输媒体：粗同轴电缆 → 细同轴电缆 → 双绞线。

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一种可靠性非常高的设备，叫做集线器 (hub)。

传统以太网使用同轴电缆，采用总线形拓扑结构：

采用双绞线的以太网采用星形拓扑：

每个站到集线器的距离不超过100 m。

1990 年，IEEE 制定出采用双绞线的星形以太网 10BASE-T 的标准 802.3i。

星形以太网 10BASE-T：

集线器的特点：

1. 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. 很像一个多接口的转发器，工作在物理层。

4. 采用了专门芯片，进行自适应串音回波抵消，减少了近端串音。

具有 3 个接口的集线器：

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：单程端到端传播时延 = t ，则争用期长度 = 2t 。检测到碰撞后不发送干扰信号。

• 设：帧长 = L (bit)，数据发送速率 = C (bit/s)，则帧的发送时间 T**0 = L/C (s)。

以太网信道被占用的情况：

成功发送一个帧需要占用信道的时间是 T0 + τ ，比帧的发送时间要多一个单程端到端时延 τ 。

参数 a 与利用率：

要提高以太网的信道利用率，就必须减小 t 与 T0 之比。

在以太网中定义了参数 a = 以太网单程端到端时延 t 与帧的发送时间 T0 之比：

a → 0，表示一发生碰撞就立即可以检测出来， 并立即停止发送，因而信道利用率很高。

a 越大，表明争用期所占的比例增大，每发生一次碰撞就浪费许多信道资源，使得信道利用率明显降低。

以太网参数 a 的要求：

1. 为提高利用率，以太网的参数 a 的值应当尽可能小些。

2. 当数据率一定时，以太网的连线的长度受到限制，否则 t 的数值会太大。

3. 以太网的帧长不能太短，否则 T**0 的值会太小，使 a 值太大。

信道利用率的最大值 Smax：

• 只有当参数 a 远小于 1 才能得到尽可能高的极限信道利用率。

• 据统计，当以太网的利用率达到 30% 时就已经处于重载的情况。

3.5 以太网的 MAC 层

(1) MAC 层的硬件地址

硬件地址又称为物理地址，或 MAC 地址。

• IEEE 802 标准为局域网规定了一种 48 位的全球地址（简称为地址）是指局域网上的每一台计算机中固化在适配器的 ROM 中的地址。

如果连接在局域网上的主机或路由器安装有多个适配器，这样的主机或路由器就有多个“地址”。更准确些说，这种 48 位“地址”应当是某个接口的标识符。

48 位的 MAC 地址：

• IEEE 注册管理机构 RA 负责向厂家分配前 3 个字节 (即高 24 位)，称为组织唯一标识符 OUI (Organizationally Unique Identifier)。

• 厂家自行指派后 3 个字节 (即低 24 位)，称为扩展标识符 (extended identifier)。

• 必须保证生产出的适配器没有重复地址。

• 地址被固化在适配器的 ROM 中。

单站地址，组地址，广播地址：

IEEE 规定地址字段的第 1 字节的最低位为 I/G (Individual / Group) 位。

• 单站地址：I/G 位 = 0。

• 组地址：I/G 位 = 1。组地址用来进行多播。

• 广播地址：所有 48 位都为 1（全 1）。只能作为目的地址使用。

全球管理与本地管理：

IEEE 把地址字段第 1 字节的最低第 2 位规定为 G/L (Global / Local) 位。

• 全球管理：G/L 位 = 0。厂商向 IEEE 购买的 OUI 都属于全球管理。

• 本地管理：G/L 位 = 1。 这时用户可任意分配网络上的地址。

适配器具有过滤功能：

• 每收到一个 MAC 帧，先用硬件检查帧中的 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 3 种帧：

  1. 单播 (unicast) 帧（一对一）；

  2. 广播 (broadcast) 帧（一对全体）；

  3. 多播 (multicast) 帧（一对多）。

以混杂方式 (promiscuous mode) 工作的以太网适配器只要“听到”有帧在以太网上传输就都接收下来。

(2) MAC 帧的格式

常用的以太网 MAC 帧格式有 2 种标准：

1. DIX Ethernet V2 标准

1. IEEE 的 802.3 标准

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。

• 源地址，字段 6 字节。

• 类型，字段 2 字节。

  1. 类型字段用来标志上一层使用的是什么协议，

  2. 以便把收到的 MAC 帧的数据上交给上一层的这个协议。

• 数据，字段 46 ~ 1500 字节。

  1. 数据字段的正式名称是 MAC 客户数据字段。

  1. 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）

• FCS，字段 4 字节。

  当数据字段的长度小于 46 字节时，应在数据字段的后面加入整数字节的填充字段，以保证以太网的 MAC 帧长不小于 64 字节。

• 插入，字段8字节。

  由硬件在帧的前面插入 8 字节。

  • 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

(3) 无效的 MAC 帧

1. 数据字段的长度与长度字段的值不一致；

2. 帧的长度不是整数个字节；

3. 用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错；

4. 数据字段的长度不在 46 ~ 1500 字节之间。

5. 有效的 MAC 帧长度为 64 ~ 1518 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。

IEEE 802.3 MAC 与以太网 V2 MAC 帧格式的区别：

• 当“长度/类型”字段值大于 0x0600 时，表示“类型”；小于 0x0600 时，表示“长度”。

• 当“长度/类型”字段值小于 0x0600 时，数据字段必须装入逻辑链路控制 LLC 子层的 LLC 帧。

• 在 802.3 标准的文档中，MAC 帧格式包括了 8 字节的前同步码和帧开始定界符。

4. 扩展的以太网

4.1 在物理层扩展以太网

(1) 使用光纤扩展

主机使用光纤和一对光纤调制解调器连接到集线器。

(2) 使用集线器扩展

用多个集线器连成更大的以太网。

用集线器扩展以太网的优点：

1. 使原来属于不同碰撞域（冲突域）的计算机能够跨碰撞域通信。

1. 扩大了以太网覆盖的地理范围。

用集线器扩展以太网的缺点：

1. 碰撞域增大了，总的吞吐量未提高。

1. 如果使用不同的以太网技术（如数据率不同），那么就不能用集线器将它们互连起来。

(3) 碰撞域

碰撞域（collision domain）又称为冲突域，指网络中一个站点发出的帧会与其他站点发出的帧产生碰撞或冲突的那部分网络。

• 碰撞域越大，发生碰撞的概率越高。

4.2 在数据链路层扩展以太网

早期使用网桥，现在使用以太网交换机。

(1) 网桥与以太网交换机

网桥：

• 工作在数据链路层。

• 根据 MAC 帧的目的地址对收到的帧进行转发和过滤。或者转发，或者丢弃。

交换机：

• 工作在数据链路层。

• 多端口的网桥。

• 可明显地提高以太网的性能。

(2) 以太网交换机的特点

1. 实质上是一个多接口网桥。

   • 通常有十几个或更多的接口。

2. 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。

3. 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。

   • 相互通信的主机都独占传输媒体，无碰撞地传输数据。

   • 每一个端口和连接到端口的主机构成了一个碰撞域。

1. 以太网交换机的每个接口都是一个碰撞域

1. 接口有存储器。

2. 即插即用。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。这种交换表就是一个内容可寻址存储器CAM (Content addressable Memory)。

3. 使用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。

以太网交换机的性能远远超过普通的集线器，而且价格并不贵。

(3) 以太网交换机的优点

每个用户独享带宽，增加了总容量。

(4) 以太网交换机的交换方式

存储转发方式：把整个数据帧先缓存，再进行处理。

直通 (cut-through) 方式：

• 接收数据帧的同时立即按数据帧的目的 MAC 地址决定该帧的转发接口。

• 缺点：不检查差错就直接将帧转发出去，有可能转发无效帧。

(5) 以太网交换机的自学习功能

1. 开始时，交换表是空的。

1. A 先向 B 发送一帧。该帧从接口 1 进入到交换机。

2. 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给 B。

3. 交换机把这个帧的源地址 A 和接口 1 写入交换表中。

4. 交换机向除接口 1 以外的所有的接口广播这个帧。

1. 由于与该帧的目的地址不相符，C 和 D 将丢弃该帧。

1. B 向 A 发送一帧。该帧从接口 3 进入到交换机。

2. 交换机收到帧后，先查找交换表。发现交换表中的 MAC 地址有 A，表明要发送给 A 的帧应从接口 1 转发出去。于是就把这个帧传送到接口 1 转发给 A。

3. 交换机把这个帧的源地址 B 和接口 3 写入交换表中。

1. 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。

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。

(6) 交换机自学习和转发帧的步骤

(7) 消除回路

消除回路：使用生成树协议（SPT）。

• 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。

4.3 从总线以太网到星形以太网

早期：

• 采用无源的总线结构。

• 使用 CSMA/CD 协议，以半双工方式工作。

现在：

• 以太网交换机为中心的星形结构

• 不使用共享总线，没有碰撞问题，不使用 CSMA/CD 协议，以全双工方式工作。但仍然采用以太网的帧结构。

4.4 虚拟局域网

以太网存在的主要问题：广播风暴、安全问题、管理困难。

(1) 广播风暴

一个以太网是一个广播域。

广播域（broadcast domain）：指这样一部分网络，其中任何一台设备发出的广播通信都能被该部分网络中的所有其他设备所接收。

• 交换机之间的冗余链路形成广播风暴。

(2) 安全问题

交换机每个接口都处于一个独立的碰撞域（或冲突域）中，但所有计算机都处于同一个广播域中；所以会无法隔离不同部门的通信。

(3) 虚拟局域网 VLAN

利用以太网交换机可以很方便地实现虚拟局域网 VLAN (Virtual LAN)。

IEEE 802.1Q 对虚拟局域网 VLAN 的定义：

• 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，并不是一种新型局域网。

如图：10 台计算机划分为三个虚拟局域网： VLAN1, VLAN2 和 VLAN3。

• 每个虚拟局域网是一个广播域。VLAN1, VLAN2 和 VLAN3 是三个不同的广播域。

• 当 B1 向 VLAN2 工作组内成员发送数据时，工作站 B2 和 B3 将会收到其广播的信息。

• B1 发送数据时，VLAN1 和 VLAN3 中的工作站 A1，A2 和 C1 等都不会收到 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。

虚拟局域网优点：

1. 改善了性能；

1. 简化了管理；

1. 降低了成本；

1. 改善了安全性。

划分虚拟局域网的方法：

• 基于交换机端口；

  • 最简单、也是最常用的方法。

  • 属于在第 1 层划分虚拟局域网的方法。

  • 缺点：不允许用户移动。

• 基于计算机网卡的 MAC 地址；

  • 根据用户计算机的 MAC 地址划分虚拟局域网。

  • 属于在第 2 层划分虚拟局域网的方法。

  • 允许用户移动。

  • 缺点：需要输入和管理大量的 MAC 地址。如果用户的 MAC 地址改变了，则需要管理员重新配置VLAN。

• 基于协议类型；

  • 根据以太网帧的第三个字段“类型”确定该类型的协议属于哪一个虚拟局域网。

  • 属于在第 2 层划分虚拟局域网的方法。

• 基于 IP 子网地址；

  • 根据以太网帧的第三个字段“类型”和 IP 分组首部中的源 IP 地址字段确定该 IP 分组属于哪一个虚拟局域网。

  • 属于在第 3 层划分虚拟局域网的方法。

• 基于高层应用或服务。

  • 根据高层应用或服务、或者它们的组合划分虚拟局域网。

  • 更加灵活，但更加复杂。

(4) 虚拟局域网使用的以太网帧格式

标准以太网帧插入 4 字节的 VLAN 标记后变成了 802.1Q 帧（或带标记的以太网帧）。

5. 高速以太网

5.1 100BASE-T 以太网

100BASE-T 以太网又称为快速以太网 (Fast Ethernet)。

• 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。

• 1995 定为正式标准：IEEE 802.3u。

100BASE-T 以太网的特点：

• 可在全双工方式下工作而无冲突发生。

• 在全双工方式下工作时，不使用 CSMA/CD 协议。

• 使用 IEEE 802.3 协议规定的 MAC 帧格式。

• 保持最短帧长不变，但将一个网段的最大电缆长度减小到 100 米。

• 帧间时间间隔从原来的 9.6 ms 改为现在的 0.96 ms。

100 Mbit/s 以太网的 3 种不同的物理层标准：

名称	媒体	网段最大长度	特点
100BASE-TX	铜缆	100 m	两对 UTP 5 类线或屏蔽双绞线STP。
100BASE-T4	铜缆	100 m	4 对 UTP 3 类线或 5 类线。
100BASE-FX	光缆	2000 m	2 根光纤，发送和接收各用一根。

5.2 吉比特以太网

吉比特以太网特点：

1. 允许在 1 Gbit/s 下以全双工和半双工 2 种方式工作。

1. 使用 IEEE 802.3 协议规定的 MAC 帧格式。

1. 在半双工方式下使用 CSMA/CD 协议，而在全双工方式不使用 CSMA/CD 协议。

1. 与 10BASE-T 和 100BASE-T 技术向后兼容。

(1) 吉比特以太网的物理层

使用 2 种成熟的技术：一种来自现有的以太网，另一种则是美国国家标准协会 ANSI 制定的光纤通道 FC (Fiber Channel)。

吉比特以太网物理层标准：

名称	媒体	网段最大长度	特点
1000BASE-SX	光缆	550 m	多模光纤（50 和 62.5 mm）
1000BASE-LX	光缆	5000 m	单模光纤（10 mm）多模光纤（50 和 62.5 mm）
1000BASE-CX	铜缆	25 m	使用 2 对屏蔽双绞线电缆 STP
1000BASE-T	铜缆	100 m	使用 4 对 UTP 5 类线

(2) 半双工方式工作的吉比特以太网

半双工时采用 CSMA/CD，必须进行碰撞检测。

为保持 64 字节最小帧长度，以及 100 米的网段的最大长度，增加了 2 个功能：

1. 载波延伸 (carrier extension)。

   将争用时间增大为 512 字节。凡发送的 MAC 帧长不足 512 字节时，就用一些特殊字符填充在帧的后面。

1. 分组突发 (packet bursting)

   当很多短帧要发送时，第 1 个短帧采用载波延伸方法进行填充，随后的一些短帧则可一个接一个地发送，只需留有必要的帧间最小间隔即可。这样就形成可一串分组的突发，直到达到 1500 字节或稍多一些为止。

5.3 10 吉比特以太网 (10GE) 和更快的以太网

(1) 10 吉比特以太网（10GE）主要特点

1. 万兆比特。

1. 与 10、100 Mbit/s 和 1 Gbit/s 以太网的帧格式完全相同。

1. 保留了 IEEE 802.3 标准规定的以太网最小和最大帧长。

1. 只使用光纤作为传输媒体。

1. 只工作在全双工方式，没有争用问题，不使用 CSMA/CD 协议。

(2) 10GE 以太网的物理层标准

名称	媒体	网段最大长度	特点
10GBASE-SR	光缆	300 m	多模光纤（0.85 mm）
10GBASE-LR	光缆	10 km	单模光纤（1.3 mm）
10GBASE-ER	光缆	40 km	单模光纤（1.5 mm）
10GBASE-CX4	铜缆	15 m	使用 4 对双芯同轴电缆 (twinax)
10GBASE-T	铜缆	100 m	使用 4 对 6A 类 UTP 双绞线

(3) 40GE/100GE 以太网的物理层

物理层	40GE	100GE
在背板上传输至少超过 1 m	40GBASE-KR4
在铜缆上传输至少超过 7 m	40GBASE-CR4	100GBASE-CR10
在多模光纤上传输至少 100 m	40GBASE-SR4	100GBASE-SR10，*100GBASE-SR4
在单模光纤上传输至少 10 km	40GBASE-LR4	100GBASE-LR4
在单模光纤上传输至少 40 km	*40GBASE-ER	100GBASE-ER4

(4) 端到端的以太网传输

以太网的工作范围已经扩大到城域网和广域网，实现了端到端的以太网传输。

端到端的以太网传输好处：

1. 技术成熟；

1. 互操作性很好；

1. 在广域网中使用以太网时价格便宜；

1. 采用统一的以太网帧格式，简化了操作和管理。

5.4 使用以太网进行宽带接入

IEEE 在 2001 年初成立了 802.3 EFM 工作组，专门研究高速以太网的宽带接入技术问题。

以太网宽带接入具有以下特点：

1. 可以提供双向的宽带通信。

1. 可以根据用户对带宽的需求灵活地进行带宽升级。

1. 可以实现端到端的以太网传输，中间不需要再进行帧格式的转换。

1. 但不支持用户身份鉴别。

PPPoE：

PPPoE (PPP over Ethernet) ：在以太网上运行 PPP。

• 将 PPP 帧封装到以太网中来传输。

• 现在的光纤宽带接入 FTTx 都要使用 PPPoE 的方式进行接入。

• 利用 ADSL 进行宽带上网时，从用户个人电脑到家中的 ADSL 调制解调器之间的连接也使用 RJ-45 和 5 类线，也使用 PPPoE。

6. 补充

• 数据链路(即逻辑链路)与链路(即物理链路)有何区别？“链路接通了”与“数据链路接通了”的区别何在？

  数据链路（逻辑链路）与链路（物理链路）以及“链路接通了”与“数据链路接通了”的区别，可以从以下几个方面进行详细阐述：

  一、数据链路与链路的区别

  1. 作用领域：

     • 数据链路：主要作用于计算机、通信领域，是数据通信中的重要组成部分。

     • 链路：主要作用于物理连接领域，是物理线路的连接。

  2. 定义与特点：

     • 链路（物理链路）：是指从一个结点到相邻结点的一段物理线路，中间没有任何其他的交换结点。它是数据传输的路径的组成部分，但仅提供物理连接，数据传输并不可靠。

     • 数据链路（逻辑链路）：在物理链路的基础上，加上必要的通信协议（如规程、控制信息等）构成的链路。它不仅能够实现物理连接，还能通过通信协议确保数据的可靠传输。

  3. 组成：

     • 链路：仅包括物理媒体，如光纤、电缆等。

     • 数据链路：包括物理媒体、链路协议、有关设备以及有关计算机程序。但不包括提供数据的功能设备（即数据源）和接收数据的功能设备。

  二、“链路接通了”与“数据链路接通了”的区别

  1. “链路接通了”：

     • 表示链路两端的结点（如交换机）已经开机，物理连接已经建立，能够传送比特流。

     • 但此时的数据传输并不可靠，因为缺乏必要的通信协议来控制数据的传输。

  2. “数据链路接通了”：

     • 在物理连接的基础上，再建立数据链路连接。

     • 此时，数据链路具有检测、确认和重传等功能，能够确保数据的可靠传输。

     • 如果数据链路断开连接，物理电路连接不一定跟着断开连接。

  综上所述，数据链路与链路的主要区别在于是否包含通信协议以及能否实现数据的可靠传输。而“链路接通了”与“数据链路接通了”则分别表示物理连接的建立和数据链路连接的建立。

• 数据链路层中的链路控制包括哪些功能？试讨论数据链路层做成可靠的链路层有哪些优点和缺点。

  数据链路层中的链路控制功能主要包括以下几个方面：

  1. 链路管理：负责建立、维护和终止数据链路连接。这包括处理链路的初始化、配置和释放等过程。

  2. 帧同步（或帧定界）：在数据传输过程中，数据链路层需要将数据封装成帧，以便在物理链路上传输。帧同步功能确保接收方能够准确地识别出帧的起始和结束位置，从而正确地接收和解析数据。

  3. 流量控制：用于调节发送方和接收方之间的数据传输速率，以防止因发送方发送数据过快而导致接收方无法及时处理或缓存溢出。

  4. 差错控制：通过检测、确认和重传机制来确保数据的可靠传输。当接收方发现数据错误时，会请求发送方重新发送数据，直到数据正确为止。

  5. 将数据和控制信息分开：在数据传输过程中，数据链路层需要将数据和控制信息（如帧头、帧尾、校验码等）进行区分，以确保数据的正确解析和处理。

  6. 透明传输：确保数据在传输过程中不被修改或丢失，同时能够正确地识别和处理各种控制信息。

  7. 寻址：在数据链路层中，每个结点都有一个唯一的地址（如MAC地址），用于标识和定位结点。寻址功能确保数据能够准确地发送到目标结点。

  将数据链路层做成可靠的链路层具有以下优点：

  1. 提高数据传输的可靠性：通过实现差错控制和重传机制，可以确保数据的准确传输，降低数据丢失和错误的风险。

  2. 降低高层协议的开销：当数据链路层提供可靠传输服务时，高层协议（如传输层）可以简化其差错控制和重传机制，从而降低协议实现的复杂度和开销。

  3. 提高网络性能：可靠的链路层可以减少因数据错误而导致的重传和延迟，从而提高网络的吞吐量和响应时间。

  然而，将数据链路层做成可靠的链路层也存在一些缺点：

  1. 降低传输效率：为了实现可靠传输，数据链路层需要增加额外的控制信息和处理开销，这可能会降低数据传输的效率。

  2. 增加网络复杂度：可靠的链路层需要实现复杂的差错控制和重传机制，这可能会增加网络的复杂度和维护成本。

  3. 可能不适用于所有场景：在某些场景下，如实时通信或低延迟应用中，数据链路层的可靠传输可能会引入额外的延迟和开销，从而影响应用的性能。因此，在这些场景下可能需要权衡可靠性和性能之间的关系。

  综上所述，数据链路层中的链路控制功能对于确保数据的可靠传输至关重要。然而，在实现可靠传输时也需要权衡其带来的开销和性能影响。

• 网络适配器的作用是什么？网络适配器工作在哪一层？

  网络适配器（又称网卡或网络接口卡NIC，NetworkInterfaceCard）的作用及工作层级具体如下：

  一、网络适配器的作用

  1. 数据转换：网络适配器负责将计算机内部的数据和电信号转换为可以在网络上传输的信号。具体来说，网络适配器能将用户要传递的数据转换为网络上其他设备能够识别的格式，并通过网络介质进行传输。

  2. 数据传输：通过网络适配器，计算机可以发送和接收数据包，实现与其他设备之间的数据传输。一方面，网络适配器负责接收网络上传过来的数据包，解包后，将数据通过总线传输给本地计算机；另一方面，它将本地计算机上的数据打包后送入网络。

  3. 协议支持：网络适配器支持多种网络协议，如TCP/IP、HTTP等，可以在不同协议之间进行转换，使计算机能够与不同类型的网络设备进行通信。

  4. 连接管理：网络适配器负责管理计算机与网络之间的连接，包括连接的建立、维护和断开。

  5. 流量控制：网络适配器可以控制网络流量，合理分配网络资源，提高网络性能。

  6. 网络安全：网络适配器可以实现对网络通信的加密和认证，保护计算机与网络之间的数据安全。

  二、网络适配器的工作层级

  网络适配器工作在TCP/IP协议中的网络接口层，对应于OSI模型中的数据链路层和物理层。在数据链路层，网络适配器负责封装成帧、帧同步、差错控制等任务；在物理层，它则负责物理连接的建立、维护以及比特流的传输。

  综上所述，网络适配器是计算机进行网络通信的重要硬件设备，它通过数据转换、数据传输、协议支持、连接管理、流量控制和网络安全等功能，确保了计算机与网络之间的可靠通信。同时，它工作在OSI模型中的数据链路层和物理层，为网络通信提供了必要的物理连接和数据链路控制。

• 数据链路层的三个基本问题(封装成帧、透明传输和差错检测)为什么都必须加以解决？

  数据链路层的三个基本问题——封装成帧、透明传输和差错检测之所以都必须加以解决，是因为它们在确保数据在网络中可靠、高效地传输方面起着至关重要的作用。以下是对这三个问题及其解决必要性的详细阐述：

  一、封装成帧

  必要性：

  • 封装成帧是数据链路层的主要职责之一，它将网络层传下来的数据报封装成帧，以便在物理介质上传输。

  • 如果没有封装成帧，发送方和接收方就无法同步，接收方也无法确定数据的开始和结束，这会导致数据无法在网络中准确传输。

  解决方法：

  • 在一段数据的前后添加控制信息（首部和尾部），形成数据的结构化单元，即帧。接收端在收到物理层上交的比特流后，能根据首部和尾部的标记，从比特流中识别帧的开始和结束。

  二、透明传输

  必要性：

  • 透明传输意味着无论数据是什么内容，都可以通过数据链路层传输。

  • 如果不能实现透明传输，某些数据序列可能会被错误地解释为控制信息，从而造成数据传输错误。

  解决方法：

  • 数据链路层必须能够处理帧定界符和数据中可能出现的与定界符相同的比特模式。这通常通过特殊的编码技术（如字节填充或比特填充）来实现。

  • 例如，在控制字符SOH、EOT的前面插入一个转义字符ESC（其十六进制编码是1B），接收端在把数据送往网络层之前会删除这个插入的转义字符。

  三、差错检测

  必要性：

  • 由于物理介质的不可靠性，数据在传输过程中可能会发生错误。

  • 如果不能检测这些错误，错误的数据可能被当作正确的数据接收和处理，这会导致上层应用出现问题。

  解决方法：

  • 数据链路层需要能够检测这些错误，以确保数据的完整性和准确性。

  • 通常使用校验和、循环冗余校验（CRC）等机制进行差错检测。这些机制能够在接收端检测到数据中的错误，并采取相应的措施（如请求重传）来纠正错误。

  综上所述，封装成帧、透明传输和差错检测是数据链路层确保数据可靠传输的必要机制。它们各自解决了数据链路层在传输数据过程中可能遇到的不同问题，共同保证了数据在网络中的准确、可靠传输。

• 如果在数据链路层不进行封装成帧，会发生什么问题？

  如果在数据链路层不进行封装成帧，将会引发一系列问题，具体如下：

  一、数据同步问题

  数据链路层在收到一些数据时，无法准确知道对方传送的数据中哪些是数据部分，哪些是控制信息。封装成帧的作用之一就是在数据的前后部分添加首部和尾部，从而构成一个帧，这样接收端就能根据首部和尾部的标记来识别帧的开始和结束。如果没有封装成帧，接收端就无法确定数据的起始和终止位置，导致数据同步出现问题。

  二、控制信息识别问题

  在数据链路层中，控制信息对于数据的传输和管理至关重要。封装成帧时，首部和尾部会包含许多控制信息，如帧定界符、地址字段、校验和等。这些控制信息用于确保数据的正确传输和接收。如果不进行封装成帧，数据链路层就无法准确识别这些控制信息，从而导致数据传输和管理出现问题。

  三、差错检测困难

  封装成帧还便于实现差错检测。在帧的尾部，通常会添加校验和或其他差错检测码，用于检测数据传输过程中是否出现错误。如果不进行封装成帧，就无法添加这些差错检测码，从而无法检测数据传输中的错误。这将导致错误的数据被当作正确的数据接收和处理，进而可能导致上层应用出现问题。

  四、数据交付时机不明确

  数据链路层在收到数据时，需要知道何时将数据交付给上一层（网络层）。封装成帧可以通过帧的结束标记来确定数据传输的结束，从而确定何时将数据交付给上一层。如果不进行封装成帧，数据链路层就无法确定数据传输的结束时机，因此也就不知道应该在何时将收到的数据交给上一层。这会导致数据交付的延迟或错误，进而影响整个网络通信的效率和准确性。

  综上所述，封装成帧是数据链路层确保数据可靠传输的重要机制之一。如果不进行封装成帧，将会引发数据同步、控制信息识别、差错检测以及数据交付时机等一系列问题，从而影响整个网络通信的性能和可靠性。

• PPP协议的主要特点是什么？为什么PPP不使用的编号？PPP适用于什么情况？为什么PPP 协议不能使数据链路层实现可靠传输？

  PPP（Point-to-Point Protocol）协议的主要特点、不使用的帧编号的原因、适用情况以及不能使数据链路层实现可靠传输的原因，可以归纳如下：

  一、PPP协议的主要特点

  1. 简单性：PPP协议设计简洁，接收方每收到一个帧就进行CRC（循环冗余校验）检验。如果CRC检验正确，就收下这个帧；反之，就丢弃这个帧，其他什么也不做。

  2. 封装成帧：PPP协议规定了特殊的字符作为帧定界符，以便使接收端从收到的比特流中能准确地找出帧的开始和结束位置。

  3. 透明性：PPP协议能够保证数据传输的透明性。如果数据中碰巧出现了和帧定界符一致的比特组合，PPP协议会采取一些措施来解决这个问题，如字节填充法。

  4. 支持多种网络层协议：PPP协议支持多种网络层（如IP和IPX等）在同一条物理链路上的运行。

  5. 支持多种类型的链路：PPP协议能够在多种类型的链路上运行，包括串行或并行、同步或异步、低速或高速、电或光、交换或非交换的点对点链路。

  二、PPP不使用帧编号的原因

  PPP协议不使用帧的编号主要是出于简化和降低开销的考虑。帧编号需要占用带宽和开销，而PPP协议旨在简化实现和降低开销。此外，PPP协议通常用于可靠的点对点连接，在这种连接中，帧的顺序和完整性可以通过其他机制（如CRC校验）来保证，因此不需要使用帧编号。

  三、PPP协议的适用情况

  PPP协议主要适用于以下情况：

  1. 点对点网络拓扑：PPP协议最适用于点对点网络拓扑，可以方便地建立两个节点之间的连接，实现数据传输。

  2. 拨号链接：当用户通过拨号方式接入网络时，通常需要使用PPP协议来建立和运行与服务提供商的连接。

  3. VPN：VPN服务通常会使用PPP协议来安全地加密传输数据，保证数据的机密性和完整性。

  4. 远程接入服务：PPP协议可以用于在异地登录时远程接入，通过建立点对点连接直接和目标设备交换数据。

  四、PPP协议不能使数据链路层实现可靠传输的原因

  PPP协议不能使数据链路层实现可靠传输的原因主要有以下几点：

  1. 设计目的：PPP协议的设计目的是进行点对点的简单数据传输，而不是要求数据传输的可靠性。它主要关注数据的封装、透明传输和差错检测等方面，而不涉及数据的可靠传输机制。

  2. 可靠传输由网络层负责：在PPP协议中，可靠传输通常是由网络层协议（如TCP）来负责的。PPP协议作为数据链路层协议，主要提供数据传输的通道和基本的差错检测机制，但不负责数据的可靠传输。

  3. 开销和效率：在数据链路层实现可靠传输需要额外的开销和复杂度，如帧编号、确认和重传机制等。这些开销和复杂度可能会影响数据传输的效率和性能。而PPP协议旨在简化实现和降低开销，因此没有包含这些可靠传输机制。

  综上所述，PPP协议具有简单性、封装成帧、透明性、支持多种网络层协议和多种类型链路等特点。它不使用帧编号是为了简化和降低开销。PPP协议主要适用于点对点网络拓扑、拨号链接、VPN和远程接入服务等场景。然而，由于设计目的、可靠传输由网络层负责以及开销和效率等方面的考虑，PPP协议不能使数据链路层实现可靠传输。

• 试分别讨论以下各种情况在什么条件下是透明传输，在什么条件下不是透明传输。(提示:请弄清什么是“透明传输”，然后考虑能否满足其条件。

  (1)普通的电话通信。

  (2)互联网提供的电子邮件服务。

  透明传输指的是数据在传输过程中，无论数据是什么样的比特组合，都应当能够在链路上传送，且接收端能够准确地还原出原始数据，不会因为数据中的某些比特组合与传输控制信息冲突而导致传输错误。下面针对普通的电话通信和互联网提供的电子邮件服务，分别讨论在什么条件下是透明传输，在什么条件下不是透明传输：

  （1）普通的电话通信

  • 不是透明传输的情况：

    • 从“传送声波”这个意义上讲，由于电话系统的带宽有限，而且还有失真，电话机两端的输入声波和输出声波是有差异的。因此，普通的电话通信在传送声波层面并不是透明传输。

    • 在通话过程中，有时个别语音会听错，如单个的数字1和7在电话中区别甚小，如果通话的一方说“1”，而另一方听成是“7”，那么这就不能算是透明传输。

  • 是透明传输的情况：

    • 从“听懂说话的意思”来讲，普通的电话通信基本上是透明传输的。因为尽管声波在传输过程中会有所失真，但人们仍然能够理解对方说话的大致意思。

  （2）互联网提供的电子邮件服务

  • 不是透明传输的情况：

    • 国外有些邮件服务器为了防止垃圾邮件，会对来自某些域名（如.cn）的邮件进行阻拦，导致这些邮件无法成功发送或接收。这种情况下，电子邮件服务不是透明传输的。

    • 有些邮件的附件在接收人的电脑上因为格式不兼容或缺少相应的打开软件而无法打开，这也使得电子邮件服务在附件传输方面不是透明传输的。

  • 是透明传输的情况：

    • 一般而言，电子邮件服务是透明传输的。用户可以通过电子邮件发送和接收各种类型的数据，如文本、图片、音频、视频等，只要接收方具备相应的打开和查看条件，就可以准确地还原出原始数据。

  综上所述，透明传输的实现取决于具体的传输方式和条件。在普通的电话通信中，虽然声波传输层面存在失真和非透明性，但从语言理解的角度来看，仍然可以认为是基本透明传输的。而在互联网提供的电子邮件服务中，尽管存在一些特殊情况下的非透明性，但总体而言，电子邮件服务是一种高效、可靠的透明传输方式。

• PPP协议的工作状态有哪几种？当用户要使用PPP协议和ISP建立连接进行通信时，需要建立哪几种连接?每一种连接解决什么问题？

  PPP（Point-to-Point Protocol）协议的工作状态主要有以下几种：

  1. 链路静止：链路没有被使用，物理层活动载体，链路处于静默状态。这通常包含起始状态和终止状态。

  2. 链路建立：当其中一端要进行通信时，将进入建立连接段，建立链路层的LCP（Link Control Protocol，链路控制协议）连接。此阶段双方进行协商，如果协商成功，系统将进入认证阶段或直接进入联网阶段。

  3. 鉴别：双方发送一些包进行认证。如果认证经过则进入联网阶段，否则终止连接。

  4. 网络层协议：协商网络层协议。PPP规定双方在进行网络层数据交换之前要达成一致，因为PPP支持网络层运行多个协议，接收方需要知道用哪个协议来接收数据。

  5. 链路打开：开始交换用户数据和控制包。链路一直保持连接直到其中一方希望终止为止。

  6. 链路终止：通信双方交换一些分组以消除和终止连接。

  当用户要使用PPP协议和ISP（Internet Service Provider，互联网服务提供商）建立连接进行通信时，主要需要建立以下几种连接：

  1. 物理层的连接：用户PC机通过调制解调器呼叫路由器，在双方建立物理层的连接，以传输比特流。这是建立数据链路层连接的基础，只有建立了物理层连接，上面的数据链路层连接才能建立。

  2. LCP链路的连接：用户PC向ISP发送一系列的LCP分组（封装成多个PPP帧），以便建立LCP连接。此时LCP开始协商一些配置选项，LCP配置选项包括链路上的最大帧长、所使用的鉴别协议的规约（如果有的话），以及不使用PPP帧中的地址和控制字段（因为这两个字段的值是固定的，没有任何信息量，可以在PPP帧的首部中省略这两个字节）。协商结束后双方就建立了LCP链路，接着就进入“鉴别”状态。

  3. NCP链路的连接：在LCP链路建立并成功进行鉴别后，双方需要进行NCP（Network Control Protocol，网络控制协议）配置协商。根据网络层的不同协议互相交换网络层特定的网络控制分组。例如，如果在PPP链路上运行的是IP协议，则对PPP链路的每一端配置IP协议模块（如分配IP地址）时，就要使用NCP中支持IP的协议——IP控制协议IPCP。IPCP分组也封装成PPP帧，在PPP链路上传送。

  这些连接分别解决以下问题：

  • 物理层的连接：解决物理媒介上比特流的传输问题，确保数据能够在物理层上正确传输。

  • LCP链路的连接：解决LCP配置协商问题，确保双方能够就链路层的参数达成一致，从而建立稳定的链路层连接。

  • NCP链路的连接：解决NCP配置协商问题，确保双方能够就网络层的参数达成一致，从而支持网络层数据的正确传输。

  综上所述，PPP协议通过不同的工作状态和连接建立过程，确保了用户与ISP之间稳定、可靠的通信连接。

• 局域网的主要特点是什么？为什么局域网采用广播通信方式而广域网不采用呢？

  局域网（LAN）的主要特点及其采用广播通信方式的原因，以及与广域网（WAN）在此方面的差异，可以归纳如下：

  局域网的主要特点

  1. 共享传输信道：在局域网中，多个系统或设备连接到一个共享的通信媒体上，如以太网电缆或Wi-Fi信号。

  2. 地理范围有限：局域网通常仅为一个单位或组织服务，如一座办公楼、一个学校或一个企业。其覆盖范围一般在10米至10公里内，有时可能更大。

  3. 传输速率高：局域网的数据传输速率通常较高，一般为1Mbps至100Mbps，甚至更高。这支持了计算机之间的高速通信，降低了时延。

  4. 误码率低：由于局域网中的设备通常距离较近，信号衰减和干扰较少，因此误码率很低，一般在10-11之间。

  5. 分布式控制和广播式通信：在局域网中，各站是平等关系而不是主从关系。它们可以进行广播或组播，即一台设备发送的数据可以发送给局域网内的所有设备或特定的一组设备。

  局域网采用广播通信方式的原因

  1. 物理连接特性：局域网中的设备都连接到同一条物理线路或共享媒体上。因此，将一台设备要发送的数据送到公用链路上，可以很方便地发送给所有设备。

  2. 简化通信协议：在局域网中，由于距离短、时延小、成本低、传输速率高和可靠性高，信道利用率已不是主要考虑因素。因此，低层通信协议可以设计得相对简单。广播通信方式有助于简化这些协议。

  3. 高效性：在局域网中，设备数量相对较少且相对集中。因此，广播通信方式可以高效地传递数据，因为接收端可以通过地址对比来接收发往自己的数据，并丢弃其他数据。

  广域网不采用广播通信方式的原因

  1. 地理范围广泛：广域网覆盖的地理范围非常广泛，可能包括整个城市、国家甚至全球。因此，如果采用广播通信方式，将需要向所有设备发送数据，这将导致网络拥塞和效率低下。

  2. 设备数量众多：广域网中的设备数量非常多，如果采用广播通信方式，将消耗大量主机的处理能力，并导致数据的无效流动。

  3. 网络拓扑结构复杂：广域网的拓扑结构通常比局域网更复杂，可能包括多种类型的连接和转发设备（如路由器和交换机）。因此，需要更复杂的路由和转发机制来确保数据的正确传输。

  综上所述，局域网采用广播通信方式是因为其物理连接特性、简化通信协议和高效性等方面的优势。而广域网由于地理范围广泛、设备数量众多和网络拓扑结构复杂等原因，不采用广播通信方式。

• 常用的局域网的网络拓扑有哪些种类？现在最流行的是哪种结构？为什么早期的以太网选择总线拓扑结构而不使用星形拓扑结构，但现在却改为使用星形拓扑结构呢？

  常用的局域网的网络拓扑主要有以下几种种类：

  1. 总线型结构：采用一条单根的通信线路（总线）作为公共的传输通道，所有的结点都通过相应的接口直接连接到总线上，并通过总线进行数据传输。

  2. 环形结构：各个工作站的地位相同，它们相互顺序连接，构成一个封闭的环，数据在环中可以是单向或是双向传送。

  3. 星形结构：每个结点都由一条点对点链路与中心结点（公用中心交换设备，如交换机、集线器等）相连。星状网络中的一个结点如果向另一个结点发送数据，首先将数据发送到中央设备，然后由中央设备将数据转发到目标结点。

  4. 树形结构：有一个根节点，所有其他节点都连接在一起，形成一个层次结构。此拓扑将各种星形拓扑集成到一条总线中。

  5. 网状结构：网络上的每台计算机都相互连接。

  6. 混合型结构：结合了两种或多种拓扑结构。

  现在最流行的是星形拓扑结构。星形拓扑结构具有管理方便、容易扩展、故障诊断和隔离容易以及方便服务等优点，因此被广泛应用于现代工业控制系统的以太网络中。

  关于以太网早期选择总线拓扑结构而不使用星形拓扑结构，但现在却改为使用星形拓扑结构的原因，可以从以下几个方面来解释：

  早期选择总线拓扑结构的原因

  1. 成本考虑：总线拓扑结构使用一根电缆连接所有的节点，主缆充当整个网络的主干，因此电缆的成本非常低，构建网络所需的费用也相对较低。

  2. 技术成熟度：在早期，总线拓扑结构的技术相对成熟，且已经被广泛应用于各种网络中。

  3. 简单性：总线拓扑结构的网络连接相对简单，不需要太多的设备和配置。

  现在改为使用星形拓扑结构的原因

  1. 管理方便：星形拓扑结构具有集中管理的特点，所有的通信都通过中央节点进行，这使得网络管理更加方便。

  2. 扩展性强：星形拓扑结构可以方便地添加或删除节点，而不会影响整个网络的运行。

  3. 故障诊断和隔离容易：在星形拓扑结构中，如果某个节点出现故障，可以很容易地通过中央节点进行故障检测和定位，而不会影响到其他节点的正常运行。

  4. 性能提升：随着网络技术的发展，星形拓扑结构可以支持更高的传输速率和更大的网络带宽，满足现代网络应用的需求。

  综上所述，以太网从早期的总线拓扑结构发展到现在的星形拓扑结构，是出于对网络管理、扩展性、故障诊断和性能等方面的考虑。星形拓扑结构以其独特的优势成为了现代局域网中最常用的拓扑结构之一。

• 什么叫作传统以太网？以太网有哪两个主要标准？

  传统以太网是指采用DIX Ethernet V2标准的局域网。它是以太网发展初期的一种形式，具有共享传输媒体、总线型结构以及CSMA/CD（载波监听多路访问及冲突检测）等特点。

  以太网主要有两个标准，分别是：

  1. DIX Ethernet V2标准：这是由DEC公司、Intel公司和Xerox公司合作提出的以太网规约，也称为以太网标准。它是传统以太网的基础，定义了局域网中采用的电缆类型和信号处理方法，以及CSMA/CD协议等。

  2. IEEE的802.3标准：这是由美国电气和电子工程师协会（IEEE）制定的以太网标准，也被广泛采用。IEEE 802.3标准描述了物理层的连线、电信号和介质访问层协议的内容，规定了总线结构网上的载波侦听多路访问冲突检测协议——CSMA/CD协议。此外，IEEE 802.3标准还不断发展和完善，推出了多种传输速率更高的以太网标准，如快速以太网、千兆以太网等。

  这两个标准共同构成了以太网的基础，使得以太网成为当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准之一。在实际应用中，以太网可以根据不同的需求和场景选择不同的传输速率和传输介质，以满足各种网络应用的需求。

• 为什么 LLC 子层的标准已制定出来了但现在却很少使用？

  LLC（逻辑链路控制）子层的标准在制定后却较少使用的原因，主要可以归结为以下几点：

  一、局域网标准的多样性

  在局域网发展的早期阶段，由于商业上的激烈竞争，IEEE 802委员会未能形成一个统一的局域网标准，而是制定了几个不同的局域网标准。为了更好地适应多种局域网标准，IEEE 802委员会将数据链路层拆成了MAC（介质访问控制）和LLC两个子层。这样的设计使得LLC子层与传输媒体无关，仅让MAC子层依赖物理介质，从而提高了数据链路层的灵活性。然而，这也导致了LLC子层在实际应用中需要针对不同的局域网标准进行适配，增加了其复杂性。

  二、以太网的市场主导地位

  到了20世纪90年代，以太网在局域网市场取得了垄断地位。以太网主要使用DIX Ethernet V2标准，而不是IEEE 802标准。由于以太网的市场占有率极高，大部分网络设备都支持DIX Ethernet V2标准，而不需要额外的LLC子层来支持。因此，在以太网广泛应用的背景下，LLC子层的作用逐渐减弱。

  三、TCP/IP体系的普及

  随着因特网的快速发展，TCP/IP体系成为了网络通信的主流协议。TCP/IP体系通常直接使用DIX Ethernet V2标准来封装数据帧，而不需要经过LLC子层。这使得LLC子层在TCP/IP网络通信中变得多余，进一步降低了其使用频率。

  四、技术发展的简化趋势

  随着网络技术的不断发展，网络设备的功能越来越强大，而网络协议的设计也越来越简化。在这种趋势下，一些复杂的协议层（如LLC子层）逐渐被简化或省略，以提高网络的性能和效率。因此，LLC子层在现代网络中的使用也逐渐减少。

  综上所述，LLC子层的标准在制定后却较少使用的原因主要是由于局域网标准的多样性、以太网的市场主导地位、TCP/IP体系的普及以及技术发展的简化趋势等因素共同作用的结果。

• 试说明10BASE-T中的“10”“BASE”和“T”所代表的意思。

  10BASE-T中的“10”、“BASE”和“T”分别代表以下含义：

  1. “10”：

     • 表示传输速率，这里的“10”代表传输速率为10 Mbps（兆位每秒）。这是指数据在网络中的传输速率，是衡量网络性能的一个重要指标。

  2. “BASE”：

     • 表示基带传输，“BASE”指的是将数字信号直接传输在物理介质上的方式，即基带传输。在10BASE-T中，它指的是以太网使用的基带传输技术，与调制解调器或其他调制技术无关。基带传输是一种简单且直接的信号传输方式，适用于局域网等短距离通信场景。

  3. “T”：

     • 表示双绞线，在10BASE-T中，“T”代表使用双绞线作为物理传输媒介。双绞线是一种电缆类型，由多对导线绞合在一起，用于传输数据信号。10BASE-T采用了双绞线作为传输介质，例如常见的Cat5、Cat5e或Cat6 Ethernet电缆。双绞线具有成本低、易于安装和维护等优点，因此被广泛应用于局域网中。

  综上所述，10BASE-T代表了以太网中一种传输速率为10 Mbps、基于基带传输技术，并使用双绞线作为物理传输媒介的标准。这种标准常用于局域网（LAN）中，例如家庭网络或办公网络，以实现计算机之间的数据通信。

• 以太网使用的CSMACD协议是以争用方式接入到共享信道的，这与传统的时分复用 TDM 相比有何优缺点？

  以太网使用的CSMA/CD（载波监听多路访问及冲突检测）协议是以争用方式接入到共享信道的，而传统的时分复用（TDM）则是一种静态的信道分配方式。这两种方式各有其优缺点，下面是对它们的对比分析：

  CSMA/CD协议的优缺点

  优点：

  1. 信道利用率高：由于所有用户可以随机发送消息，不需要分配固定信道给用户，因此信道资源能够得到更加灵活的利用。

  2. 网络扩展性强：新的节点可以轻松地加入网络，而不需要对网络进行大规模的重新配置。

  3. 实现成本相对较低：CSMA/CD协议在技术上相对简单，因此实现成本较低。

  缺点：

  1. 碰撞问题：由于多个节点可能同时尝试发送数据，因此会发生碰撞。碰撞后需要停止发送并等待一段时间再发送，这会降低信道利用率。

  2. 网络延迟不确定：由于碰撞和重传机制的存在，网络延迟可能会变得不确定，这会影响网络性能。

  3. 不适合高负载网络：在网络负载较高时，碰撞的概率会大大增加，导致网络效率急剧下降。

  TDM的优缺点

  优点：

  1. 无碰撞：由于信道被划分为固定的时隙，每个节点只能在分配给自己的时隙内发送数据，因此不会发生碰撞。

  2. 网络延迟确定：由于时隙是固定的，因此网络延迟是确定的，这有利于实时通信应用。

  3. 适合传输稳定数据流：TDM技术适用于传输稳定的数据流，如数字化语音等。

  缺点：

  1. 信道利用率低：当某个节点没有数据要发送时，分配给它的时隙会被浪费掉，导致信道利用率不高。

  2. 网络扩展性差：添加新的节点需要对网络进行重新配置，以适应新的时隙分配。

  3. 实现成本较高：由于需要精确的时钟同步和复杂的时隙分配机制，因此TDM的实现成本相对较高。

  对比分析

  • 在网络负载较轻时，CSMA/CD协议的优势更加明显。由于信道利用率高和网络扩展性强，CSMA/CD协议能够灵活地适应网络中的变化，并提供较好的性能。

  • 在网络负载较重时，TDM的优势则更加突出。由于无碰撞和确定的网络延迟，TDM能够更好地保证网络的稳定性和实时性。然而，由于信道利用率低和网络扩展性差等缺点，TDM在现代局域网中的应用已经逐渐减少。

  综上所述，CSMA/CD协议和TDM各有其优缺点，适用于不同的网络场景和应用需求。在实际应用中，需要根据网络的具体情况和需求来选择合适的协议和技术。

• 10 Mbits 以太网升级到100Mbit/s，1 Gbits和 10 Gbits时，都需要解决哪些技术问题?为什么以太网能够在发展的过程中淘汰掉自己的竞争对手，并使自己的应用范围从局域网一直扩展到城域网和广域网？

  在10 Mbit/s以太网升级到100Mbit/s、1Gbit/s和10Gbit/s的过程中，需要解决以下技术问题：

  技术问题

  1. 帧格式与兼容性：为了使用户在将其已有的以太网进行升级时仍能和较低速率的以太网很方便地通信，帧格式应该保持不变。

  2. 参数a的保持：在采用半双工工作方式时，为了保证在速率提高的同时令参数a（表示网络中任意两个站点之间最大的传播时延与帧长的比值）保持较小的值，需要减小最大电缆长度或增大帧的最小长度。

     • 100Mbit/s以太网：保持最短帧长（64字节）不变，而将一个网段的最大电缆长度减小到100m，同时将帧间间隔时间缩短。

     • 1Gbit/s以太网：保持网段的最大长度为100m，采用“载波延伸”和“分组突发”的方法使最短帧仍为64字节，同时将争用期增大为51.2微秒（512比特时间）。

     • 10Gbit/s以太网：只工作在全双工方式，因此不需要考虑参数a的问题。

  3. 传输媒体的变化：随着速率的提升，以太网的传输媒体也逐渐由铜线向光纤过渡。

     • 10Mbit/s以太网：支持同轴电缆、双绞线和光纤。

     • 100Mbit/s和1Gbit/s以太网：支持双绞线和光纤。

     • 10Gbit/s以太网：只支持光纤。

  4. 工作方式的转变：从半双工向全双工方式过渡。

     • 10Mbit/s以太网：只工作在半双工方式下。

     • 100Mbit/s以太网：可以工作在全双工方式。

     • 1Gbit/s以太网：既可以工作在半双工也可以工作在全双工方式下。

     • 10Gbit/s以太网：只工作在全双工方式。

  以太网的优势与扩展

  以太网能够淘汰掉自己的竞争对手，并将应用范围从局域网扩展到城域网和广域网的原因主要有以下几点：

  1. 技术成熟：以太网技术经过长期的发展和完善，已经成为一种非常成熟的技术。

  2. 互操作性好：以太网采用统一的帧格式，不同厂商的设备可以方便地互连互通。

  3. 价格便宜：在广域网中使用以太网时，由于其技术成熟和广泛应用，相关设备和服务的价格相对较低。

  4. 简化操作和管理：统一的帧格式无需进行格式转换，从而简化了网络的操作和管理。

  此外，以太网的核心思想是使用共享的公共传输信道，这一思想最早来源于20世纪60年代末期夏威夷大学的ALOHA系统。以太网技术是在1972年开创的，到了20世纪70年代末，数十种局域网技术涌现出来，但以太网最终成为了最普遍使用的技术，并最早成为了行业标准。

  综上所述，以太网在升级过程中解决了帧格式、参数a的保持、传输媒体的变化以及工作方式的转变等技术问题。同时，以太网凭借其技术成熟、互操作性好、价格便宜以及简化操作和管理等优势，成功地淘汰了竞争对手，并将应用范围从局域网扩展到了城域网和广域网。

• 以太网交换机有何特点？用它怎样组成虚拟局域网？

  以太网交换机具有以下特点：

  1. 端口直接连接主机：以太网交换机的每个端口都直接与主机相连，并且一般都工作在全双工方式，这意味着数据可以在两个方向同时传输，从而提高了网络带宽的利用率。

  2. 高速交换：由于使用了专用的交换结构芯片，以太网交换机的交换速率较高，能够满足高速网络传输的需求。

  3. 可扩展网络距离：以太网交换机具有中继器的作用，能够扩展网络的物理距离，使得更多的设备可以接入网络。

  4. 多种工作方式：以太网交换机可以采用存储转发方式、直通方式和无碎片交换等多种工作方式，以适应不同的网络环境和应用需求。

  使用以太网交换机组成虚拟局域网（VLAN）的步骤如下：

  1. 选择支持VLAN功能的交换机：要组成一个VLAN，首先需要具备可支持VLAN功能的以太网交换机。这些交换机通常被称为多层交换机或者三层交换机。

  2. 配置交换机：进入交换机的管理模式，并找到相应的命令行界面（CLI）或图形用户界面（GUI）来进行配置。

  3. 创建VLAN：使用命令或者界面选项，在交换机中创建所需数量和类型的VLAN。每个VLAN都有一个唯一标识符（ID），用于区分不同的虚拟网络。

  4. 划分端口：将特定端口与相应的VLAN关联起来，使得该端口只能访问其所属的那个VLAN中的其他设备。这样，不同的VLAN之间就实现了逻辑上的隔离。

  5. 配置VLAN间互通：如果需要跨越多个VLAN进行通信，则需要配置路由器或三层交换机来连接这些VLAN，并允许它们之间进行互通。这通常涉及到路由协议的配置和VLAN间路由的设置。

  通过以上步骤，就可以成功地使用以太网交换机组成虚拟局域网了。虚拟局域网的划分和管理对于提高网络的安全性、优化网络性能和简化网络管理等方面都具有重要意义。