第 3 学时 数据链路层
3.3 常见广播方式的数据链路层
3.3.1 考点分析
历年网络工程师考试试题涉及本部分的相关知识点有： 局域网的数据链路层结构、 CSMA/CD、
IEEE 802 系列协议、802.3 规定的传输介质特性。
3.3.2 知识点精讲
1．局域网的数据链路层结构
802 标准把数据链路层分为两个子层：①逻辑链路控制（Logical Link Control，LLC），该 层与硬件无关，实现流量控制等功能；②媒体接入控制层（Media Access Control，MAC），该 层与硬件相关，提供硬件和 LLC 层的接口。局域网数据链路层结构如图 38 所示，LLC 层目前 不常使用。
（1）MAC。
MAC 子层的主要功能包括数据帧的封装/卸装、帧的寻址和识别、帧的接收与发送、链路的管
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理、帧的差错控制等。MAC 层的主要访问方式有 CSMA/CD、令牌环和令牌总线三种。
图 38 局域网数据链路层结构
以太网发送数据需要遵循一定的格式，以太网中的 MAC 帧格式如图 39 所示。
图 39 MAC 帧格式
帧由 8 个字段组成，每一个字段有一定含义和用途。每个字段长度不等，下面分别加以简述。
l 前导字段：形为 1010…1010，长度为 7 个字节。
l 帧起始符字段：固定格式为 10101011，长度为 1 个字节。
l 目的地址、源地址字段：可以是 6 个字节。最高位为 0，代表普通地址；最高位为 1，代 表组地址；全 1 的目标地址是广播地址。
l 类型字段：标识上一层使用什么协议，以便把收到的 MAC 帧数据上交给上一层协议，也 可以表示长度。
类型字段是 DIX 以太网帧的说法，而 IEEE 802.3 帧中的该字段被称为长度字段。由于该字段 有两个字节， 可以表示 0～65535， 因此该字段可以赋予多个含义， 0～1500 可以表示长度值， 1536～
65535（0x0600～0xFFFF）被用于描述类型值。考试中，该字段常标识为长度字段。
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l 数据字段：上一层的协议数据，长度为 0～1500 字节。
l 填充字段：确保最小帧长为 64 个字节，长度为 0～46 字节。
l 校验和字段：32 位的循环冗余码，检验算法见本书的 CRC 部分。
注意：以太网的最小帧长为 64 字节，这个帧长是指从目的地址到校验和的长度。
很多资料中往往提到泛洪一词，容易和广播混淆。广播和泛洪是不同的。广播帧形式为 FF.FF.FF.FF.FF.FF，广播是向子网所有端口（含自身端口）发送广播帧；泛洪是向所有端口（除自 身端口）发送普通数据帧。
（2）MAC 地址。
MAC 地址，也叫硬件地址，又叫链路地址，由 48 比特组成。MAC 地址结构如图 310 所示。
图 310 MAC 地址结构
MAC 地址的前 24 位是厂商编号， 由 IEEE 分配给生产以太网网卡的厂家； 后 24 位是序列号，
由厂家自行分配，用于表示设备地址。网卡的物理地址通常是由网卡生产厂家烧入网卡的 EPROM
（一种闪存芯片，通常可以通过程序擦写），它存储的是真正表示主机的地址，用于发送和接收的 终端传输数据。也就是说，在网络底层的物理传输过程中是通过物理地址来识别主机的，一般也是 全球唯一的。
（3）LLC。
LLC 子层能向上提供以下四种不同类型的服务：
l 不确认的无连接服务：即数据报服务 ，适用于点对点通信、广播通信、多播通信（组播 通信） 。
l 面向连接服务：即虚电路服务，这种方式特别适合于传送很长的数据文件。
l 带确认的无连接服务：即可靠的数据报服务，这种方式特别适合于过程控制或自动化工 厂环境中的告警信息或控制信号的传输。带确认的无连接服务只用在令牌总线网中。
l 高速传送服务：这种方式专为城域网使用。
2．CSMA/CD
载波监听多路访问/冲突检测（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect，CSMA/CD）是一 种争用型的介质访问控制协议，起源于美国夏威夷大学开发的 ALOHA 网所采用的争用型协议，并 对其进行了改进，具有更高的介质利用率。
CSMA/CD 的工作原理是：发送数据前先监听信道是否空闲，若空闲，则立即发送数据。在 发送数据时，边发送边继续监听。若监听到冲突，则立即停止发送数据，等待一段随机时间再重 新尝试。
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CSMA/CD 是一种解决访问冲突的协议，技术上易实现，网络中各工作站处于平等地位，不需 要集中控制，不提供优先级控制。在网络负载较小时，CSMA/CD 协议的通信效率很高；但在网 络负载增大时，发送时间增加，发送效率急剧下降。这种网络协议适合传输非实时数据。如图 311 所示描述了 CSMA/CD 和令牌环线路利用率与延时的关系。
图 311 CSMA 特性
注意：万兆以太网标准（IEEE 802.3ae）采用了全双工方式，彻底抛弃了 CSMA/CD。
下面讲解 CSMA/CD 的重要组成和重要概念。
（1）多路访问。
表明多路计算机连接在一根总线上。
（2）载波监听（CSMA） 。
表明发送数据前检测总线中是否有数据发送，如果有，则进入类似退避算法的程序，进而 反复进行载波监听工作；如果没有，则依据一定的坚持算法决定如何发送。
这里要注意一个重要时间参数，以太网规定了帧间最小间隔为 9.6μs，使接收方在接收完数 据后清理缓存，做好接收下一帧的准备。
坚持算法可以分为以下三类：
1）1持续 CSMA（1persistent CSMA） 。当信道忙或发生冲突时，要发送帧的站一直持续监 听，一旦发现信道有空闲（即在帧间最小间隔时间内没有检测到信道上有信号）便可发送。
特点：有利于抢占信道，减少信道空闲时间；较长的传播延迟和同时监听会导致多次冲突，降 低系统性能。
2）非持续 CSMA。发送方并不持续侦听信道，而是在冲突时等待随机的一段时间 N，再 发送。
特点：有更好的信道利用率，由于随机时延后退，从而减少了冲突的概率；然而，可能出现的 问题是因后退而使信道闲置一段较长时间，这会使信道的利用率降低，而且增加了发送时延。
3）p持续 CSMA（ppersistent CSMA） 。发送方按 P 概率发送帧，即信道空闲时（即在帧间 最小间隔时间内没有检测到信道上有信号），发送方不一定发送数据，而是按照 P 概率发送。以 1P
第1天 数据帧竞争，很可能加剧冲突。如果 P 太小，例如 P=0.01，则表示一个站点中 100 个时间单位才 会发送一次数据，这样 99 个时间单位就空闲了，造成浪费。
（3）冲突检测。
CSMA/CD 采用“边发送边监听”方式，即边发送边检测信道信号电压变化，如果发现 信号变化幅度超过一定限度，则认为总线上发生“冲突” 。以下介绍几个重要定义和数据：
l 电磁波在 1km 电缆传播的时延约为 5μs。
l 冲突检测最长时间为两倍的总线端到端的传播时延（2τ），2τ 称为争用期（contention period），又称为碰撞窗口。经过争用期还没有检测到碰撞时，才能肯定发送不会出现 碰撞。
l 10M 以太网争用期定为 51.2μs。对于 10Mb/s 网络，时间 51.2μs 可以发送 512bit 数据，
即 64 字节。
l 以太网规定 10Mpbs 以太网最小帧长为 64 字节，最大帧长为 1518 字节，最大传输单元
（MTU）为 1500 字节。小于 64 字节的都是由于冲突而异常终止的无效帧，接收这类帧 32bit 或 48bit 的干扰信号（Jamming Signal） ，所有站都会收到阻塞信息（连续几个字 节的全 1）。
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数,10]。
3）重传次数大于 16 次，则丢弃该帧数据并汇报高层。
从流程可知，该算法的特点是网络负载越重，可能后退的时间越长，没有对优先级进行定 义，不合适突发性业务和流式业务。该算法考虑了网络负载对冲突的影响，在重负载下能有效 分解冲突。
3．IEEE 802 系列协议
IEEE 802 协议包含了以下多种子协议。把这些协议汇集在一起就叫 802 协议集，该协议集合 的组成如图 312 所示。
图 312 802 体系结构
（1）IEEE 802.1 系列。
IEEE 802.1 协议提供高层标准的框架，包括端到端协议、网络互连、网络管理、路由选择、桥 接和性能测量。
l IEEE 802.1d：生成树协议（Spanning Tree Protocol，STP）。 l IEEE 802.1P：是交换机与优先级相关的流量处理的协议。
l IEEE 802.1q：虚拟局域网（Virtual Local Area Network，VLAN）协议定义了 VLAN 和封 装技术，包括 GARP 协议及其源码、GVRP 协议及其源码。
l IEEE 802.1s：多生成树协议（Multiple Spanning Tree Protocol，MSTP）。 l IEEE 802.1w：快速生成树协议（Rapid Spanning Tree Protocol，RSTP）。
l IEEE 802.1x： 基于端口的访问控制 （Port Based Network Access Control） 协议起源于 802.11 协议，目的是为了解决无线局域网用户的接入认证问题。802.1x 协议提供了一种用户接 入认证的手段，并简单地通过控制接入端口的开/关状态来实现，不仅适用于无线局域网 的接入认证，还适用于点对点物理或逻辑端口的接入认证。
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（2）IEEE 802.2。
IEEE 802.2：逻辑链路控制（Logical Link Control，LLC）提供 LAN 和 MAC 子层与高层协议 间的一致接口。
（3）IEEE 802.3 系列。
IEEE 802.3 是考试的重中之重。802.3 是以太网规范，定义 CSMA/CD 标准的媒体访问控制
（MAC）子层和物理层规范。
l IEEE 802.3ab：该标准针对实体媒介部分制定的 1000 BaseT 规格，使得超高速以太网 不再只限制于光纤介质。 这是一个传输介质为 4 对 CAT5 双绞线、 100m 内达到以 1 Gb/s 传输数据的标准。
l IEEE 802.3u：快速以太网（Fast Ethernet）的最小帧长不变，数据速率提高了 10 倍，所 以冲突时槽缩小为 5.12μs。以太网的计算冲突时槽的公式为
slot≈2S/0.7C+2tphy
其中，S 表示网络的跨距（最长传输距离），0.7C 为 0.7 倍光速（信号传播速率），tphy 是发送 站物理层时延（由于往返需通过站点两次，所以取其时延的两倍值） 。
l IEEE 802.3z：千兆以太网（Gigabit Ethernet）。千兆以太网标准 802.3z 定义了一种帧突发 方式（frame bursting），这种方式是指一个站可以连续发送多个帧，用以保证传输站点连 续发送一系列帧而不中途放弃对传输媒体的控制，该方式仅适用于半双工模式。在成功 传输一帧后，发送站点进入突发模式以允许继续开始传输后面的帧，直到达到每次 65536 比特的突发限制。
l IEEE 802.3ae：万兆以太网（10 Gigabit Ethernet）。该标准仅支持光纤传输，提供两种连 接：一种是和以太网连接，速率为 10Gb/s 物理层设备，即 LAN PHY；另一种是与 SHD/SONET 连接，速率为 9.58464Gb/s 的 WAN 设备，即 WAN PHY。通过 WAN PHY 可以与 SONETOC192 结合， 通过 SONET 城域网提供端到端连接。 该标准支持 10Gbases
（850nm 短波）、10Gbasel（1310nm 长波）、10GbaseE（1550nm 长波）三种规格，最大 传输距离分别为 300m、10km 和 40km。802.3ae 支持 802.3 标准中定义的最小帧长和最大
（850nm 短波）、10Gbasel（1310nm 长波）、10GbaseE（1550nm 长波）三种规格，最大 传输距离分别为 300m、10km 和 40km。802.3ae 支持 802.3 标准中定义的最小帧长和最大