网络004 | 数据链路层2

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，因此曾经被广泛应用于局域网之中。使用广播信道的局域网被称为共享式局域网。

虽然随着技术的发展，交换技术的成熟和成本的降低，具有更高性能的使用点对点链路和链路层交换机的交换式局域网在有线领域已完全取代了共享式局域网，但由于无线信道的广播天性，无线局域网仍然使用的是共享媒体技术。

媒体接入控制

一个站点可以方便地给任何其他站点发送数据，但必须解决如果同时有两个以上的站点在发送数据时共享信道上信号冲突的问题。

媒体接入控制技术主要可以分为以下两大类方法。

（1）静态划分信道。典型技术主要有频分多址、时分多址和码分多址。显然这种固定划分信道的方法非常不灵活，对于突发性数据传输信道利用率会很低，通常在无线网络的物理层中使用，而不是在数据链路层中使用。

（2）动态接入控制。其特点是各站点动态占用信道发送数据，而不是使用预先固定分配好的信道。这里又分为以下两类。

● 随机接入。随机接入的特点是所有站点通过竞争，随机地在信道上发送数据。著名的共享式以太网采用的就是随机接入。

● 受控接入。受控接入的特点是结点不能随机地发送信息而必须服从一定的控制。这类协议的典型代表有集中控制的多点轮询协议和分散控制的令牌传递协议。不过这些网络由于市场竞争已逐步退出了历史舞台。

局域网

最初，局域网主要用来连接一个单位内部的计算机，使它们能够方便地共享所有连接在局域网上的各种硬件、软件和数据资源。

现在，局域网将各种企业、机构、校园中的大量用户接入到互联网中，并且网络中大部分的信息资源都集中在这些局域网中，而广域网往往只是充当连接众多局域网的远程链路。

1．传统局域网拓扑

• 下图（a）所示为星形网。由于集线器（hub）的出现和双绞线大量用于局域网中。
• 下图（b）所示为环形网，如前面介绍的令牌环网。
• 下图（c）所示为总线网，各站点直接连在总线上，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。

局域网经过了三十多年的发展，尤其是在快速以太网（100 Mbit/s）、吉比特以太网（1 Gbit/s）和 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。

2．局域网体系结构

IEEE 802 委员会就把局域网的数据链路层拆成两个子层，即逻辑链路控制（Logical Link Control，LLC）子层和媒体接入控制（Medium Access Control，MAC）子层。

与接入到传输媒体有关的内容都放在MAC子层。LLC子层可以为不同类型的网络层协议提供不同类型的数据传输服务，例如，无确认无连接服务、面向连接的可靠传输服务或带确认的无连接服务。

到了20世纪90年代后，以太网在局域网市场中已取得了垄断地位，现在 IEEE 802 委员会制定的逻辑链路控制子层 LLC（即 IEEE 802.2 标准）的作用已经基本消失，很多厂商生产的适配器上就仅装有MAC协议而没有LLC协议。

3．网络适配器

计算机与外界局域网的连接是通过通信适配器（adapter）（也叫网络接口卡（Network Interface Card，NIC）或简称“网卡”）。适配器有自己的处理器和存储器（包括RAM和ROM），是一个半自治的设备。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。操作系统网卡驱动程序以后就会告诉适配器，应当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局域网数据链路层和物理层的协议。

适配器接收和发送各种帧时不使用计算机的 CPU。当收到有差错的帧时，就把这个帧丢弃而不必通知计算机。当收到正确的帧时，就使用中断来通知该计算机并交付给协议栈中的网络层。当计算机要发送IP数据报时，就由协议栈把IP数据报向下交给适配器，组装成帧后发送到局域网。下图表示适配器的作用。计算机的硬件MAC地址就在适配器的 ROM 中，而计算机的软件地址——IP 地址，则在计算机的存储器中。

4．MAC地址

当多个站点连接在同一个广播信道上要想实现两个站点的通信，则每个站点都必须有一个唯一的标识，即一个数据链路层地址。在每个发送的帧中必须携带标识接收站点和发送站点的地址。由于该地址用于媒体接入控制，因此被称为MAC地址。

802标准为局域网规定了一种48位的全球地址（一般都简称为“MAC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，那么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。

现在 IEEE 的注册管理机构负责分配地址字段的6个字节中的前三个字节（即高位24位）。地址字段中的后三个字节（即低位 24 位）则是由厂家自行指派，称为扩展标识符（extended identifier），只要保证生产出的适配器没有重复地址即可。

路由器通过适配器连接到局域网时，适配器上的硬件地址就用来标志路由器的某个接口。路由器如果同时连接到两个网络上，那么它就需要两个适配器和两个硬件地址。

适配器有过滤功能。适配器从网络上每收到一个 MAC 帧就先用硬件检查 MAC 帧中的目的地址。匹配就继续处理，不匹配就丢弃。这样做就不浪费主机的处理器和内存资源。这里“发往本站的帧”包括以下3种帧：

1. 单播（unicast）帧（一对一），即收到的帧的MAC地址与本站的硬件地址相同；
2. 广播（broadcast）帧（一对全体），即发送给本局域网上所有站点的帧（全1地址）；
3. 多播（multicast）帧（一对多），即发送给本局域网上一部分站点的帧。

所有的适配器都至少应当能够识别前两种帧，即能够识别单播和广播地址。有的适配器可用编程方法识别多播地址。当操作系统启动时，它就把适配器初始化，使适配器能够识别某些多播地址。显然，只有目的地址才能使用广播地址和多播地址。

通常适配器还可设置为一种特殊的工作方式，即混杂方式（promiscuous mode）。工作在混杂方式的适配器只要“听到”有帧在共享媒体上传输就悄悄地接收下来，而不管这些帧是发往哪个站点的。有一种很有用的网络工具叫作嗅探器（Sniffer），就使用了设置为混杂方式的网络适配器。此外，这种嗅探器还可帮助学习网络的人员更好地理解各种网络协议的工作原理。因此，混杂方式就像一把双刃剑，是利是弊要看你怎样使用它。

以太网

以太网是一种计算机局域网技术。IEEE组织的IEEE 802.3标准制定了以太网的技术标准，它规定了包括物理层的连线、电子信号和介质访问层协议的内容。以太网是目前应用最普遍的局域网技术，取代了其他局域网技术如令牌环、FDDI和ARCNET。

以太网是现实世界中最普遍的一种计算机网络。以太网有两类：第一类是经典以太网，第二类是交换式以太网，使用了一种称为交换机的设备连接不同的计算机。经典以太网是以太网的原始形式，运行速度从3~10 Mbps不等；而交换式以太网正是广泛应用的以太网，可运行在100、1000和10000Mbps那样的高速率，分别以快速以太网、千兆以太网和万兆以太网的形式呈现。

以太网的标准拓扑结构为总线型拓扑，但目前的快速以太网（100BASE-T、1000BASE-T标准）为了减少冲突，将能提高的网络速度和使用效率最大化，使用交换机来进行网络连接和组织。于是，以太网的拓扑结构就成了星型；但在逻辑上，以太网仍然使用总线型拓扑和CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection，即载波多重访问/碰撞侦测）的总线技术。

共享式以太网

以太网是美国施乐（Xerox）公司的 Palo Alto 研究中心（简称为 PARC）于 1975年研制成功的。1976年7月， Metcalfe和Boggs发表他们的以太网里程碑论文。1980年9月，DEC公司、英特尔（Intel）公司和施乐公司联合提出了 10 Mbit/s 以太网规约的第一个版本 DIX V1（DIX 是这三个公司名称的缩写）。1982年又修改为第二版规约（实际上也就是最后的版本），即 DIX Ethernet V2，成为世界上第一个局域网产品的规约。

以太网目前已从传统的共享式以太网发展到交换式以太网，数据率已演进到每秒百兆比特、吉比特或甚至 10 吉比特。这里先介绍最早流行的 10 Mbit/s 速率的共享式以太网。

CSMA/CD协议

本小节以 10 Mbit/s总线型以太网为例讨论以太网的媒体接入控制协议 CSMA/CD的基本原理。

最早的以太网是将许多站点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”。

总线的特点是：当一个站点发送数据时，总线上的所有站点都能检测并接收到这个数据。这种就是广播通信方式。为了在总线上实现一对一的通信，可以使每个站点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，该适配器才能接收这个数据帧。这样，具有广播特性的总线上就实现了一对一的通信。

为了通信的简便，以太网采取了以下两种措施。

第一，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。这样做的理由是局域网信道的质量很好。因此，以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。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，其他什么也不做。对有差错帧是否需要重传则由高层来决定。

第二，以太网采用基带传输，发送的数据都使用曼彻斯特（Manchester）编码的信号。曼彻斯特编码在每一个比特信号的正中间有一次电平的跳变，接收端可以很容易地利用这个比特信号的电平跳变来提取信号时钟频率，并与发送方保持时钟同步。但是曼彻斯特编码的缺点就是它所占的频带宽度比原始的基带信号增加了一倍（因为每秒信号的电平变化次数加倍了）。

剩下的一个重要问题就是如何协调总线上各站点有序的工作。协议的实质是“载波监听”和“碰撞检测”。说白了就是：发送前先监听，边发送边监听，发现碰撞了就停止，各自随机时间后再启动发送。

显然，在使用CSMA/CD协议时，一个站点不可能同时进行发送和接收，不是全双工通信，而只能进行双向交替通信（半双工通信）。

使用集线器的星形拓扑

后来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，叫作集线器（hub）。

1990年，IEEE 制定出星形以太网 10BASE-T 的标准802.3i。“10”代表 10 Mbit/s 的数据率，BASE 表示连接线上的信号是基带信号，T 代表双绞线（Twisted Pair）。但 10BASE-T 以太网的通信距离稍短，每个站点到集线器的距离不超过 100 m。这种性价比很高的10BASE-T双绞线以太网的出现，是局域网发展史上的一座非常重要的里程碑，它为以太网在局域网中的统治地位奠定了牢固的基础。

集线器的一些特点如下。

（1）使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各站点共享逻辑上的总线，使用的还是CSMA/CD协议。

（2）集线器有许多接口，例如，8～16个，每个接口通过RJ-45插头（与电话机插头RJ-11相似，但大）用两对双绞线与一个站点上的适配器相连（这种插座可连接4对双绞线，实际只用2对，即发送和接收各使用一对）。

（3）集线器工作在物理层，它的每个接口仅仅简单地转发比特——收到1就转发1，收到0就转发0，不进行碰撞检测。若两个接口同时有信号输入（即发生碰撞），那么所有的接口都将收不到正确的帧。

（4）集线器采用了专门的芯片进行自适应串音回波抵消。这样就可使接口转发出去的较强信号不致对该接口接收到的较弱信号产生干扰（这种干扰即近端串音）。每个比特在转发之前还要进行再生整形并重新定时。

集线器本身必须非常可靠，一般都有一定的容错能力。例如，假定在以太网中有一个适配器出了故障，不停地发送以太网帧。这时，集线器可以检测到这个问题，在内部断开与出故障的适配器的连线。集线器上的指示灯还可显示网络上的故障情况。

以太网的帧格式

常用的以太网 MAC 帧格式有两种标准，一种是 DIX Ethernet V2 标准（即以太网 V2 标准），另一种是IEEE的802.3标准。这里只介绍使用得最多的以太网V2的MAC帧格式（见下图）。图中假定上层协议使用的是IP协议。实际上使用其他的协议也是可以的。

以太网V2的MAC帧格式标准如下：

以太网V2的MAC帧比较简单，由5个字段组成。

前两个字段分别为6字节长的目的地址和源地址字段。第三个字段是2字节的类型字段，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。例如，当类型字段的值是0x0800时，就表示上层使用的是 IP 数据报。若类型字段的值为 0x8137，则表示上层是 Novell IPX 协议（一种非 TCP/IP网络协议）。第四个字段是数据字段，其长度在46～1500字节（46字节是这样得出的：最小长度64字节减去18字节的首部和尾部就得出数据字段的最小长度）。最后一个字段是4字节的帧检验序列 FCS（使用 CRC 检验）。 当数据字段的长度小于46字节时，MAC子层就会在数据字段的后面加入一个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。MAC帧的首部并没有指出数据字段的长度是多少。有填充时，接收端的 MAC 子层在剥去首部和尾部后就把数据字段和填充字段一起交给上层协议。当上层使用IP协议时，其首部就有一个“总长度”字段。因此，“总长度”加上填充字段的长度，应当等于MAC帧数据字段的长度。

上图中，在传输媒体上实际传送的要比MAC帧还多8个字节。这是因为当一个站点在刚开始接收 MAC 帧时，由于适配器的时钟尚未与到达的比特流达成同步，因此 MAC 帧的最前面的若干位就无法接收，结果使整个的 MAC 成为无用的帧。为了接收端迅速实现位同步，从MAC子层向下传到物理层时还要在帧的前面插入8字节（由硬件生成）。第一个字段是7个字节的前同步码（1和0交替码），它的作用是使接收端的适配器在接收MAC帧时能够迅速调整其时钟频率，使它和发送端的时钟同步，也就是“实现位同步”（位同步就是比特同步的意思）。第二个字段是帧开始定界符，定义为 10101011。它的前六位的作用和前同步码一样，最后的两个连续的1就是告诉接收端适配器：“MAC帧的信息马上就要来了，请适配器注意接收”。

MAC 帧的 FCS 字段的检验范围不包括前同步码和帧开始定界符。顺便指出，在使用SONET/SDH 进行同步传输时则不需要用前同步码，因为在同步传输时收发双方的位同步总是一直保持着的。

以太网上传送数据时是以帧为单位传送。以太网在传送帧时，各帧之间还必须有一定的间隙（96比特时间）。因此，接收端只要找到帧开始定界符，其后面的连续到达的比特流就都属于同一个 MAC 帧。可见以太网不需要使用帧结束定界符，也不需要使用字节填充或比特填充技术来保证透明传输。帧间间隔除了用于接收方检测一个帧的结束，同时也使得所有其他站点都能有机会平等竞争信道并发送数据。

IEEE 802.3 标准规定凡出现下列情况之一的即为无效的 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；
• 收到的帧的 MAC 客户数据字段的长度不在 46～1500 字节，考虑到 MAC 帧首部和尾部的长度共有 18 字节，可以得出有效的 MAC 帧长度为 64～1518 字节。

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。

最后提一下，IEEE 802.3 标准规定的 MAC 帧格式与上面所讲的以太网 V2 MAC 帧格式的区别就是两个地方。

第一，IEEE 802.3 规定的 MAC 帧的第三个字段是“长度/类型”。当这个字段值大于 0x0600时（相当于十进制的 1536），就表示“类型”。这样的帧和以太网 V2 MAC 帧完全一样。只有当这个字段值小于0x0600时才表示“长度”，即MAC帧的数据部分长度。

第二，当“长度/类型”字段值小于0x0600时，数据字段必须装入以前介绍的LLC子层的LLC帧。 虽然现在市场上流行的都是以太网 V2 的 MAC 帧，但大家也常常不严格地称它为 IEEE 802.3MAC帧。

网桥和以太网交换机

在传统的共享式局域网中，所有站点共享一个公共的传输媒体。随着局域网规模的扩大，站点数目的不断增加，网络通信负载加重时，网络效率将会急剧下降。随着交换技术的成熟和成本的降低，具有更高性能的交换式局域网在有线领域已完全取代了传统的共享式局域网。

在物理层扩展以太网（集线器）

以太网两站点之间的距离不能太远（例如，10BASE-T 以太网的两个站点之间的距离不超过200m），否则站点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。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。 现在，扩展站点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。信号在光纤中衰减和失真很小，很容易地使站点和几千米以外的集线器相连接。

简单的用集线器将多级局域网相连，产生问题，如下图所示：

（1）当某个系的两个站点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（一发送数据就会碰撞）。

（2）如果不同的系使用不同的以太网技术（ 比如10/100 Mbit/s 的适配器），就不能用集线器将它们互连起来。

总之，在物理层扩展的以太网仍然是一个碰撞域，不能连接过多的站点，否则平均吞吐量太低，且会导致大量的冲突。同时，不论是利用转发器、集线器还是光纤在物理层扩展以太网，都仅仅相当于延长了共享的传输媒体，由于以太网有争用期对端到端时延的限制，并不能无限扩大地理覆盖范围。

在数据链路层扩展以太网（网桥）

用网桥可以在数据链路层扩展以太网。网桥工作在数据链路层，采用存储转发方式，它根据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，或者是把它丢弃（即过滤）。可见，网桥就是一种数据链路层的分组交换机。

1．网桥的内部结构

最简单的网桥有两个接口。两个以太网通过网桥连接起来后，就成为一个覆盖范围更大的以太网，而原来的每个以太网就可以称为一个网段（segment）。下图网桥的接口1和接口2各连接到一个网段。

网桥依靠转发表来转发帧。转发表也叫作转发数据库或路由目录。当网桥收到一个广播帧时（目的MAC地址为全1的广播地址），会向除了接收接口以外的其他接口转发。

相比于集线器，网桥优点：

1. 过滤通信量，增大吞吐量。网桥工作在链路层的MAC子层，可以使以太网各网段成为隔离开的碰撞域。
2. 扩大了物理范围。
3. 提高了可靠性。当网络出现故障时，一般只影响个别网段，网桥不会转发无效的MAC帧。
4. 可互连不同物理层、不同 MAC 子层和不同速率（如 10 Mbit/s 和 100 Mbit/s 以太网）的以太网。

网桥不足：

1. 网桥对接收的帧要先存储和查找转发表，转发之前任然执行CSMA/CD算法（发生碰撞时要退避），增加了时延。
2. MAC 子层没有流量控制功能。当网络上的负荷很重时，网桥中缓存的存储空间可能不够而溢出，以致产生帧丢失。
3. 网桥会转发所有广播帧，只适合于用户不多和通信量不太大的以太网，否则会产生网络拥塞。这就是广播风暴。

有时在两个网桥之间，还可使用一段点对点链路，如下图所示：

当网桥B1通过点对点链路转发数据帧给B2时，若链路采用PPP协议，则要在数据帧的头尾分别加上首部PPP-H和尾部PPP-T。在数据帧离开B2时，还要剥去这个首部PPP-H和尾部PPP-T。

网桥在转发帧时，不改变帧的源地址（相比路由器）。

2．透明网桥

目前使用得最多的网桥是透明网桥（transparent bridge）。“透明”是指局域网上的站点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥，站点不需要做任何配置和修改。使用透明网桥连接各局域网，不需人工配置转发表，只要将透明网桥连接到各局域网即可，因此透明网桥是一种即插即用设备，其标准是 IEEE 802.1D。

透明网桥对过往帧的分析，通过一种自学习算法来逐步建立起自己的转发表。转发表中登记以下三个信息：

1. 站地址：登记收到的帧的源MAC地址。
2. 端口：登记收到的帧进入该网桥的接口号。
3. 时间：登记收到的帧进入该网桥的时间。

局域网的拓扑经常会发生变化，网桥每经过一段时间就将转发表中陈旧的记录删除，以便在转发表中保留网络拓扑的最新状态。

3．生成树协议

透明网桥即插即用，当网络比较复杂时，很容易因为误配导致网络出现环路，更重要的是，有时需要在两个局域网之间使用多个网桥形成冗余链路以增强网络的可靠性。为了避免帧在网络中不断地兜圈子。透明网桥使用了一个生成树协议（spanning tree protocol， STP），通过互连在一起的网桥间彼此的通信，找出原来的网络拓扑的一个连通子集（生成树），在这个子集里整个连通的网络中不存在环路，即在任何两个站点之间有且只有一条路径。一旦生成树确定了，网桥就会关闭不在生成树链路上的那些接口（这些接口不再接收和转发帧），以确保不存在环路。

为了使生成树能够反映网络拓扑发生的最新变化，各网桥要定期检查所有链路的状态。一旦网络中某条链路出现了问题，网桥就会恢复关闭的接口，并重新开始生成树的构造过程，形成新的生成树，保证网络的连通。

可见，用透明网桥互连的网络中冗余链路可以增强网络的可靠性，但并不能充分利用这些冗余链路（为的是消除兜圈子现象），同时每一个帧也不一定都能沿最佳的路由传送（因为网络的逻辑拓扑被限定为一棵树）。当互连的局域网的数目非常大时，生成树的算法可能要花费很多时间，因此用透明网桥互连的网络规模不宜太大。

4．源路由网桥

透明网桥的最大优点就是容易安装，一接上就能工作。但是，网络资源的利用还不充分。因此，另一种由发送帧的源站负责路由选择的网桥就问世了，这就是源路由（source route）网桥。源路由网桥对主机的不透明性也正是它的致命缺点。实践证明，即插即用的透明网桥最终取得了市场竞争的胜利，现在源路由网桥很少使用。

以太网交换机

1990年问世的交换式集线器（switching hub），可明显地提高以太网的性能。交换式集线器常称为以太网交换机（switch）或二层交换机或局域网交换机，表明这种交换机工作在数据链路层。“交换机”并无准确的定义和明确的概念，而现在的很多交换机已混杂了网桥和路由器的功能。

交换机实质上就是一个多接口的网桥，在数据链路层根据 MAC 地址转发帧，和工作在物理层的转发器和集线器有很大的差别。此外，交换机的每个接口可以直接连接计算机也可以连接一个集线器或另一个交换机。当交换机直接与计算机或交换机连接时可以工作在全双工方式，并能同时连通许多对的接口，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，这时已无需使用CSMA/CD协议了。当交换机的接口连接共享媒体的集线器时，仍需要工作在半双工方式并要使用CSMA/CD协议。现在的交换机接口和计算机适配器都能自动识别这两种情况并切换到相应的方式。

交换机和透明网桥一样，也是一种即插即用设备，其内部的转发表也是通过自学习算法自动地逐渐建立起来的。交换机由于使用了专用的交换结构芯片，并能实现多对接口的高速并行交换，可以大大提高网络性能。在逻辑上，我们认为网桥和交换机是等价的。

使用交换机能灵活组网，例如：

为了提高交换机的转发速度减小转发时延，一些交换机采用直通（cut-through）的交换方式。直通交换不必把整个帧先缓存后再进行处理，而是在接收帧的同时就立即按帧的目的 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。

性价比高的交换式以太网基本上已取代了传统的共享式以太网。由于不再使用集线器，全部使用交换机的交换式以太网工作在无碰撞的全双工方式。

虚拟局域网 VLAN

由于不能隔离广播流量、不支持网状拓扑结构和平面寻址的低效性，仍然不能用交换机连接过多的计算机。路由器能隔离局域网之间的广播流量，并提供最佳的转发路由，大规模网络通常需要使用路由器来互连多个独立的局域网。

利用虚拟局域网（Virtual LAN， VLAN），技术管理员可以通过对交换机进行逻辑配置，来建立多个逻辑上独立的虚拟网络。属于同一VLAN的站点之间可以直接进行通信，连接在同一交换机上的两个站点可以属于不同的VLAN，而属于VLAN中的两个站点可能连接在不同的交换机上。

比如下图中的三个VLAN：VLAN1：（A1, A2, A3, A4），VLAN2：（B1, B2, B3），VLAN3：（C1, C2, C3）。

虚拟局域网具有以下优点。

1. 简化网络管理。调整网络仅需调整VLAN配置即可，无需改变网络布线或将站点搬移到新的物理位置。
2. 控制广播风暴。较大局域网时，大量的广播报文会导致网络性能下降，甚至引发“广播风暴”。VLAN将广播报文限制在本VLAN之内。
3. 增强网络的安全性。便于管理员根据用户的安全需要隔离VLAN间的通信。

如果某些 VLAN 要跨越多个交换机，最简单的方法是将两个交换机中属于同一 VLAN 的接口用网线连接起来即可。但这种简单的方法导致交换机之间需要多对接口用网线连接。一种更好的互连VLAN交换机的方法是使用VLAN干道（Trunk）技术。如下图，管理员可以将交换机的某个接口配置为Trunk接口，将两个VLAN交换机用一对Trunk接口互连，由于Trunk接口可以同时属于多个VLAN，因此多个VLAN可以共享同一条干道来传输各自的帧。

交换机如何知道从一个Trunk接口上接收到的一个帧是属于哪个VLAN的呢？IEEE定义了802.1Q标准对以太网帧格式进行了扩展，允许交换机在以太网帧格式中插入一个4字节的标识符（见下图），称为VLAN标记（tag），用来指明该帧来自于哪一个VLAN。当交换机需要将帧从Trunk接口转发出去时，将VLAN标记插入到帧中，当插入VLAN标记的帧要从非Trunk接口转发出去的时候，要将该VLAN标记删除。

注意，当各站点被划分到不同的 VLAN 后，它们是不能直接进行通信的。要想使这些站点能够互相通信就需要使用我们下一章要介绍的路由器将这些VLAN在第三层（即IP层）互连起来。这时，虽然位于不同VLAN的站点之间通过路由器的转发能够在IP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。

以太网的演进

最初的以太网是由美国施乐（Xerox）公司的 Palo Alto 研究中心（简称为 PARC）于 1975年研制成功的。从标准以太网（10 Mbit/s，也称为传统以太网）开始逐步在有线局域网市场中占据了统治地位，超过 100 Mbit/s 的以太网被称为高速以太网。

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，它又称为快速以太网（Fast Ethernet）。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，是对现行的 IEEE 802.3 标准的补充。

吉比特以太网

1996年夏季，吉比特以太网（又称为千兆以太网）的产品已经问市。IEEE在1997年通过了吉比特以太网的标准802.3z，它在1998年成为了正式标准。

吉比特以太网工作在半双工方式时，就必须进行碰撞检测。吉比特以太网仍然保持一个网段的最大长度为 100 m，但采用了载波延伸（carrier extension）的办法，使最短帧长仍为 64 字节（这样可以保持兼容性），同时将争用期增大为512字节。

10 吉比特和 100 吉比特以太网

10GE 的标准由 IEEE 802.3ae 委员会进行制定，10GE 的标准已在 2002年6月完成。10GE 也就是万兆以太网。10GE并非将吉比特以太网的速率简单地提高到10倍。下面是10GE的主要特点：

10GE 的帧格式与 10 Mbit/s，100 Mbit/s 和 1 Gbit/s 以太网的帧格式完全相同。10GE 还保留了 802.3 标准规定的以太网最小和最大帧长。10GE只工作在全双工方式，因此不存在争用问题，也不使用CSMA/CD协议。这就使得10GE的传输距离不再受进行碰撞检测的限制而大大提高了，也就是说10GE已不再仅仅是一种局域网技术了，也可以用于广域连接。

在2002年制定的标准中，10GE是使用光纤为传输媒体。一共有三种传输媒体：

• 10GBASE-SR 使用 850 nm 激光器的多模光纤，传输距离不超过 300 m；
• 10GBASE-LR 使用 1300 nm 激光器的单模光纤，传输距离不超过 10 km；
• 10GBASE-ER 使用 1500 nm 激光器的单模光纤，传输距离不超过 40 km。

2004年和2006年又分别制定了两个以铜线为传输媒体的标准802.3ak和802.3an。下面是这两种传输媒体的主要性能。

• 10GBASE-CX4 使用 4 对双芯同轴电缆（twinax），传输距离不超过 15 m。
• 10GBASE-T 使用 4 对无屏蔽 6A 类双绞线，传输距离不超过 100 m。

40GE/100GE 的标准 IEEE 802.3ba 在 2010年6月公布了。40GE/100GE 只工作在全双工的传输方式（因而不使用 CSMA/CD 协议），并且仍然保持了以太网的帧格式及802.3标准规定的以太网最小和最大帧长。40GE/100GE可以用光纤进行传输，也可以使用铜缆进行传输（但传输距离很短，如1 m或不超过10 m）。

现在以太网的工作范围已经从局域网（校园网、企业网）扩大到城域网和广域网，从而实现了端到端的以太网传输。好处：

1. 以太网是一种经过实践证明的成熟技术，无论是因特网服务提供者ISP还是端用户都很愿意使用以太网。
2. 以太网的互操作性也很好，不同厂商生产的以太网都能可靠地进行互操作。
3. 广域网中其价格大约只有SONET的五分之一和ATM的十分之一。以太网还能够适应多种的传输媒体，如铜缆、双绞线及各种光缆。这就使具有不同传输媒体的用户在进行通信时不必重新布线。
4. 端到端的以太网连接使帧的格式全都是以太网的格式，不需要再进行帧的格式转换，简化了操作和管理。但是，以太网和现有的其他网络，如帧中继或 ATM 网络，仍然需要有相应的接口才能进行互连。

以太网从 10 Mbit/s 到 10 Gbit/s 甚至 100Gbit/s 的演进证明了以太网是：

1. 可扩展的；
2. 灵活的（多种媒体、全/半双工、共享/交换）；
3. 易于安装；
4. 稳健性好。

使用以太网进行宽带接入

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

以太网接入的一个重要特点是它可以提供双向的宽带通信。当城域网和广域网都采用吉比特以太网或10吉比特以太网时，采用以太网接入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。

然而以太网的帧格式标准中，只有源地址字段而没有用户名字段，也没有让用户键入密码来鉴别用户身份的过程。于是有人就想法子把数据链路层的两个成功的协议结合起来，即把PPP协议中的PPP帧再封装到以太网中来传输。这就是 1999年公布的 PPPoE （PPP over Ethernet），意思是在以太网上运行PPP。现在的光纤宽带接入FTTx都要使用PPPoE的方式进行接入。

PPP点对点协议有一套LCP协议来让双方建立连接，协商认证等工作。而这些以太网协议是没有的。二者互补。

无线局域网

无线局域网的技术特点又有很多，这里不做介绍，自行了解，一些注意点归纳如下：

● IEEE 的 802.11 是无线局域网的标准。使用 802.11 系列协议的局域网又称为 Wi-Fi。802.11无线局域网支持有固定基础设施和无固定基础设施两种模式。在有固定基础设施模式中，使用星形拓扑，各站点需要通过叫作接入点AP的中心结点与外界或互相进行通信。在无固定基础设施模式（ad hoc 模式）中，允许在通信范围内的各站点间直接进行单跳通信，组成一个无中心不与外界网络连接的自组网络。

● 802.11 无线局域网在 MAC 层使用 CSMA/CA 协议，以尽量减小碰撞发生的概率。不能使用CSMA/CD的原因是因为在无线局域网中无法实现碰撞检测。在使用CSMA/CA的同时，还使用停止等待协议。

● 为了尽可能避免各种可能的碰撞，CSMA/CA 采用了一种不同于 CSMA/CD 的退避算法。当要发送帧的站点检测到信道从忙态转为空闲时，都要执行退避算法。

● 802.11 标准规定，所有的站在完成发送后，必须再等待一段帧间间隔时间才能发送下一帧。帧间间隔的长短取决于该站要发送的帧的优先级。

● 在 802.11 无线局域网的 MAC 帧首部中有一个持续期字段，用来填入在本帧结束后还要占用信道多少时间，其他站点通过该字段可实现虚拟载波监听。

● 802.11 标准允许要发送数据的站点对信道进行预约，即在发送数据帧之前先发送请求发送RTS帧。在收到响应允许发送CTS帧后，就可发送数据帧。

802.11 局域网的 MAC 帧

802.11的MAC帧共有三种类型，即控制帧、数据帧和管理帧。802.11的帧格式比较复杂，我们这里仅讨论其数据帧的一些重要字段。

802.11数据帧由以下三大部分组成：

1. MAC首部，共30字节。帧的复杂性都在帧的首部。
2. 有效载荷，也就是帧的数据部分，最大长度为2312字节。但通常802.11帧的长度都不超过1500字节。
3. 帧检验序列FCS，即帧的尾部，共4字节的CRC检验码。

其他无线计算机网络

（1）无线个人区域网（或无线个域网）（Wireless Personal Area Network，WPAN）。WPAN 就是在个人工作地方把属于个人使用的电子设备（如便携式计算机、掌上计算机及蜂窝电话等）用无线技术连接起来，整个网络的范围大约为 10 m。

（2）无线城域网（Wireless Metropolitan Area Network，WMAN）。WMAN 提供“最后一英里”的宽带无线接入，可用来代替现有的有线宽带接入（xDLC、HFC或FTTx）。WMAN的典型传输距离至少比802.11网络大10倍以上，因此，WMAN的基站要比802.11接入点要更强大，使用更大的功率和更好的天线，并要进行更多的差错处理。WMAN的标准可在10 GHz～66 GHz频段提供高达 134 Mbit/s 的数据传输速率，通信距离可达 50 km 左右。

（完）