数据链路层 下

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请注意,本文发布日期:  184  天前,最后编辑日期:  134  天前,内容可能已经不具有时效性,请酌情参考。

五、扩展以太网

1.数据链路层扩展以太网

在很多时候,我们希望对以太网的覆盖范围进行扩展,这种扩展的以太网在网络层看来仍然是一个网络。扩展以太网常用的方法是在数据链路层进行,一开始使用的是网桥(birdge)。当网桥收到一个帧时,根据此帧的目的MAC地址,查找网桥中的地址表,然后确定将该帧转发到哪一个接口,或者是把它丢弃。

后来,人们使用了以太网交换机,淘汰了网桥。以太网交换机工作在数据链路层,其实质就是一个多接口的网桥,通常有十几个接口。每个接口所连的主机都是独占传输媒体,无碰撞地传输数据(翻译成人话就是对于传统的10Mbit/s的共享式以太网,10个接口,每个接口只占1Mbit/s,而采用以太网交换机的10Mbit/s交换式以太网,每个接口独占10Mbit/s的带宽,同时每个接口都是一个独立地碰撞域)。同时以太网交换机拥有内存,如果在输出接口繁忙时,会把接收地帧暂存到内存中,等空闲后再发出去。

以太网交换机拥有学习功能,将学习到的目的MAC地址和接口所对应,存到交换表中,其转发速率也高于网桥。

2.虚拟局域网

在IEEE 802.1q标准中,虚拟局域网(VLAN)定义: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属于哪一个VLAN。

利用以太网交换机可以很方便的实现VLAN,VLAN其实只是局域网给用户提供的一种服务,并不是一种新型的局域网

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每一个VLAN的计算机可处在不同的局域网中,也可以不在同一个楼层中。利用以太网交换机可以很方便的将这9台主机划分到三个VLAN中。在VLAN上的每一个主机都能收到同VLAN上其他成员所发出的广播。比如人力资源部的B3发送了一个广播,那么人力资源部这个VLAN的其他成员B1、B2都能收到这个广播。而连接在同一个以太网交换机上的A3、C3则无法收到广播,因为以太网交换机不向VLAN以外的主机传送广播。这样就不会造成广播风暴

所以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,使用户从不同地服务器或数据中存取所需地资源。

以太网交换机可以分为二层交换机、三层交换机。其中二层就是普通的以太网交换机,而三层交换机是具有路由功能的以太网交换机。

IEEE 802.3ac标准定义了以太网的帧格式的扩展,以便支持VLAN。VLAN协议允许在以太网的帧的MAC源地址和类型字段之间插入一个4字节的标识符,称为VLAN tag(VLAN标记)。用来指明发送该帧的计算机属于哪一个VLAN,插入VLAN tag得出的帧称为802.1q帧。如果仍使用原有的以太网帧格式,那就无法区分是否划分了VLAN。上图在以太网交换机之间传输的是802.1q帧,而在以太网交换机和主机之间传送的是普通的以太网帧。

当数据链路层检测到帧的MAC源地址字段后面的两个字节的值是0x8100(二进制1000001000000000)时,就知道现在插入了4字节的VLAN tag。以下是VLAN tag的具体内容:

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用于VLAN的以太网帧的首部增加了4字节,因此以太网的最大帧长从原来的1518字节(1500字节(最大MTU) + 18字节(首部))变为1522字节

六、高速以太网

随着以太网的速率不断提升,从传统的10Mbit/s以太网一直发展的到现在常用的速率为1Gbit/s的吉比特以太网,甚至更快的以太网,以下是几种高速以太网技术。

1.100BASE-T以太网

100BASE-T(又称快速以太网)是在双绞线上传送100Mbit/s的星型拓扑以太网,仍然使用IEEE 802.3的CSMA/CD协议。用户只要使用100Mbit/s的NIC和100Mbit/s的交换机,就可以完全发挥快速以太网的性能了。100BASE-T的NIC有着很强的自适应性,能够自动识别10Mbit/s和100Mbit/s。快速以太网这种标准已经被收录在了802.3u标准。

符合快速以太网标准的交换机可在全双工的方式下工作而无碰撞发生。因此CSMA/CD协议对全双工方式工作的快速以太网是不起作用的(半双工时需要使用CSMA/CD)。同时快速以太网使用的MAC帧格式仍然是IEEE 802.3标准规定的帧格式

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2.吉比特以太网

IEEE在1997年通过了吉比特以太网的标准802.3z。
吉比特以太网标准IEEE 802.3z有以下几个特点:

  • 允许在1Gbit/s下以全双工和半双工两种工作方式
  • 使用IEEE 802.3协议规定的帧格式
  • 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
  • 与10BASE-T和100BASE-T技术向后兼容

吉比特以太网的网络层使用两种成熟的技术:一种来自现有以太网、一种来自美国国家标准协议指定的光纤通道FC

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3.10吉比特以太网和更快的以太网

10GE也称为“万兆比特“,10GE并非简单的把吉比特以太网的速率提高到10倍,10GE的帧格式与10Mbit/s、100Mbit/s、1Gbit/s以太网的帧格式完全相同。并保留了802.3标准规定的以太网最小帧长和最大帧长。这就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的通信

10GE只工作在全双工模式,就不需要使用CSMA/CD了,这就使10GE的传输距离大大提高了。

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上表中前三项的标准是IEEE 802.3ae、第四项的标准是IEEE 802.3ak、最后一项是IEEE 802.3an

以太网的技术发展的很快,在10GE之后又制定了40GE/100GE的标准IEEE 802.3ba-2010和802.3bm-2015。同时这两项标准是只工作在全双工模式,且仍然保持了以太网的帧格式以及802.3标准规定的以太网最小和最大帧长。

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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。这种工作方式的好处是:

  • 以太网是一种成熟技术,不管是ISP还是普通用户都很喜欢以太网
  • 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的进行相互操作
  • 在广域网中使用以太网时,其价格大约是只有同步光纤网SONET的五分之一和异步传递方式ATM的十分之一。以太网能够适应多种传输媒体(铜缆、双绞线、光纤)
  • 同时以太网也是可扩展、灵活的、易于安装、稳健性良好

4.使用以太网进行宽带接入

人们也常使用以太网进行宽带接入互联网,因此,IEEE成立了802.3EFM工作组,专门研究高速以太网的宽带接入技术问题。

以太网接入的一个重要特点就是它可以提供双向的宽带通信,并且可以根据用户对带宽的需求灵活的进行宽带升级。当城域网或者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,中间不需要进行帧格式的转换。这就提供了数据的传输效率且降低了传输的成本。但是以太网帧格式中,没有用户名字段、密码字段,这就无法解决鉴别用户身份的问题。如果ISP想要利用以太网接入到互联网,就必须解决这个问题。

在仔细想想PPP这个数据链路层协议可以提供鉴别用户身份的问题,所以就采用了将PPP协议中的PPP帧再封装到以太网中来传输,这就是PPPOE。现在的光纤宽带接入FTTX都要使用PPPOE的方式进行接入。

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