第3章
数据链路层
数据链路层是OSI参考模型中的第二层，介于物理层和网络层之间。数据链路层在物理层提供的服务的基础上向网络层提供服务，其最基本的服务是将源端网络层传来的数据可靠地传输到相邻节点的目标端网络层。
数据链路简称链路，故数据链路连接简称链路连接。它可分为两路存在形式，当链路非复用传送数据单元时，称为物理链路。当链路复用传送数据单元时，称为逻辑链路。
本章学习要点：
> 数据链路层设计要点
> PPP协议的特性
> PPP协议的帧格式
> PPP协议的链路过程
> 使用广播信道的数据链路层
以太网技术 >
3.1 数据链路层设计要点
在第1章中，读者已经了解OSI参考模型中数据链路的一些相关知识。下面通过数据链路层的模型、数据链路层的功能以及数据链路的服务等内容，系统地学习数据链 路层。
3.1.1 数据链路层的模型
数据链路层的基本服务是把源主机的网络层数据以帧为单位透明、无差错地传输给目的地主机的网络层。
数据链路层完成这一服务是通过物理连接来实现的，但具体的数据通路则要经过层间接口形成，即由网络层将数据传向数据链路层，再由数据链路层传向物理层，并由物理层发送到目的地主机。
目的地主机接收后，以相反的顺序传送到目的地主机的网络层。用户也可以将这一过程看作是两个数据链路层实体使用数据链路协议进行通信，如图3-1所示。
数据链路层为物理层加强传输原始比特流的功能，并为物理层提供了逻辑上无差错的数据链路。同时使网络层表现为一条无差错的链路。数据链路层的基本功能是为网络层提供透明且可靠的数据传送服务。
透明性是指该层上传输的数据的内容、格式及编码没有限制，也没有必要解释信息结构的意义；可靠的传输使用户免去对丢失信息、干扰信息及顺序不正确等的担心。
在计算机网络中，“链路”和“数据链路”并不是同一概念。所谓链路，是指一条没有任何中间节点的点到点的物理线路。两台计算机进行数据通信的通路正是一条一条的链路加上中间节点串接而成的。但要想在链路上传输数据，除了物理线路以外，还必须配有控制数据传输的规程。链路连同实现这些规程的软、硬件一起就构成了数据链路，在数据链路上才能进行数据通信。另外，当采用多路复用技术时，一条链路上可以有多条数据链路。所以有时为了更明确一些，也将链路称为物理链路，而将数据链路叫作逻辑链路。
3.1.2 数据链路层的功能
在计算机网络的传输介质中，由于存在各种各样的干扰以及信号的衰减，物理层链路的输入并不可靠。而数据链路层的基本功能是向网络层提供服务，将物理层提供的不可靠的物理链路通过本层的协议变为逻辑上可靠的数据链路，所以数据链路层必须具备以下主要功能。
1．链路管理
在面向连接服务中，两台计算机进行通信时，发送方必须确知接收方是处在准备接收数据的状态。为此，通信双方必须交换一些必要的信息，建立一条数据链路，并且为保证数据传输的可靠性，做一些必要的准备（如帧序号的初始化）。
同时，在传输数据时要维持数据链路（如当在数据通信过程中，出现差错时，需要重新初始化，重新建立连接）；通信完毕时要释放数据链路，以期待建立下一次的连接。数据链路的建立、维持和释放就叫作链路管理。
2．帧同步
在数据链路层，数据以帧为单位传送。物理层的比特流按照数据链路层协议的规定被封装在数据帧中传送。为此，接收方应该能够从物理层上传送过来的无结构的比特流中准确地区分出一帧的开始和结束，将这一功能称为帧同步。
3．帧的封装与拆装
在传输数据过程中，当发送方发现发送报文过长时，需要将过长的报文分成若干份分别进行传送，每一份配上一些数据链路层的控制信息换为一帧。数据传输时，以帧为单位的优点是当出现差错时可以只重新发送出差错的帧，而不需要将全部数据都重新 发送。
源主机在发送数据时，要将从网络层传下来的分组附上目的地址等数据链路层控制信息构成帧，这个过程称为帧的封装。而到达目的主机时，将接收的数据信息传送网络层之前，要将发送方附上的数据链路控制信息去掉，将分组信息传送至网络层，这个过程称为帧的拆装。
4．流量控制
在数据信息发送过程中，通信双方的数据处理速度不同，为解决这一问题双方分别建立了缓冲区。但当接收端缓存能力不足时，仍然会造成数据的丢失。
为了避免数据的丢失，源主机发送数据的速率必须使目的地主机能够来得及接收和处理。当目的地主机来不及接收时，就必须及时地控制发送端发送数据的速率。
另外，在传输过程中，由于出现差错和数据丢失等原因，目的地主机收到帧的顺序可能与源主机发送的顺序不同，在数据链路层实体将收到的信息上传网络层之前，还需要调整接收到的帧的顺序。
5．差错控制
在源主机向目的地主机发送数据时，要求极低的误码率。因此，必须采用差错控制技术。差错控制技术要使目的地主机能够发现传送错误，并能纠正传输错误。
误码率是指发生错误的码元数与接收到的总码元数据的比率。因此，需要提供检测和纠正错误的功能，对于一些不可靠的系统，能够在数据链路层上及时发现和纠正错误，将提高系统的传输效率。
在数据链路层中广泛采用编码技术来实现差错的控制。编码技术有两大类：一类称为前向纠错方式，即当目的地主机收到有差错的数据帧时，目的地主机能够自动根据冗余码将差错纠正过来，但这种方法开销较大，不适合于计算机通信；另一类是检错重发方式，即目的地主机可以根据冗余码检测出收到的帧中是否有差错，但并不知道错在哪里，而是让发送端重复发送这一帧直到正确接收为止，但重传的次数也是有限制的。当重传多次仍然失败，则作为不可恢复的故障向上层报告，这种方法是通信过程中最常 用的。
6．区分数据信息及控制信息
由于数据和控制信息不仅在同一信道中传送，而且在许多情况下数据和控制信息还处于同一帧中，所以要采取相应措施使用目的地主机能将它们区别开来。
7．寻址
计算机网络结构错综复杂，在多点连接的情况下，要保证每一帧能传送到正确的目的节点。接收方也应当知道发送方是哪一个节点。
3.1.3 数据链路层的服务
数据链路层服务是将源主机中来自网络层的数据传输到目的主机的网络层。通过网络层与数据链路层之间的接口，以服务原语的形式完成服务的调用与被调用，网络层调用数据链路层的服务，数据链路层为网络层提供服务，它们之间使用了标准的请求、指示、响应和确认服务原语。
数据链路层提供的服务，实际上在不同的系统中可能是不一样的。对于传输质量较高的网络，由于其传输系统的误码率很低，几乎可以省去复杂的差错控制，将检错和纠错的工作交给高层去处理；对于一些要求通信快捷、允许少量出错的实时通信系统，也可以不进行差错控制；但对于不可靠的通信系统（如无线网络），能够在数据链路层上及早发现和纠正错误，将会大大提高传输效率。
数据链路层为网络层提供的服务主要有以下3种。
1．无确认的无连接服务
在这种服务中源主机和目的地主机在通信之前不建立连接，结束之后也不释放；通信双方不需要对数据帧进行确认，即对于因线路中的噪声引起的数据帧的出错或丢失情况不进行恢复。这种服务适用于局域网，因为局域网误码率低，偶尔出现的错误可以由高层解决。
2．有确认的无连接服务
在这种服务中源主机和目的地主机在通信之前不建立连接。但源主机每发送一帧都要得到单独的确认，并具有超时重发的功能。
3．有确认面向连接的服务
这是最复杂的服务，源主机和目的主机在进行数据传输前必须建立连接，保证数据可靠传输。这种服务分为建立连接、数据传输、断开连接3个阶段。
3.2 点对点协议
PPP（Point to Point Protocol，点对点协议）协议是为在两个对等实体间传输数据包，建立简单连接而设计的，主要用于广域网的连接，但在局域网的拨号连接中同样可以采用。
3.2.1 PPP协议的特性
在20世纪80年代末，SLIP（Serial Line Internet Protocol，串行线互联网协议）因传输性能问题阻碍了互联网的发展，于是人们开发了PPP协议来解决远程互联网连接的 问题。
而且PPP协议还满足了动态分配IP地址的需要，并能够对上层的多种协议提供支持。无论是同步电路，还是异步电路，PPP协议都能够建立路由器之间或者主机到网络之间的连接。
PPP协议是目前应用得最广的一种广域网协议，它主要具有以下几方面特性。
? 能够控制数据链路的建立，方便了广域网的应用。
? 能够对IP地址进行分配和管理，有效地控制了所进行的网络通信。
? 允许同时采用多种网络层协议，丰富了协议的应用。
? 能够配置并测试数据链路，并能进行错误检测。保证了通信的可靠。
? 能够对网络层的地址和数据压缩进行可选择的协商。
PPP协议主要由以下三部分组成。
? HDLC PPP协议采用HDLC（High Level Data Link Control，高级数据链路控制）技术作为在点对点的链路上封装数据报的基本方法。
? LCP PPP协议使用LCP（Link Control Protocol，链路控制协议）来建立、配置和测试数据链路。
? NCP PPP协议使用NCP（Network Control Protocol，网络控制协议）来建立和配置不同的网络层协议。PPP协议允许同时采用多种网络层协议。目前，PPP协议除了支持IP协议外，还支持IPX协议和DECnet协议。
3.2.2 PPP协议的帧格式
PPP是为在同等单元之间传输数据包这样简单的链路而设计的，这种链路提供全双工操作，并按照顺序传递数据包，为基于各种主机、网桥和路由器的简单连接提供一种共通的解决方案。
因为PPP是链路层协议，所以人们将它的数据单位称为帧，如图3-2所示。每一个PPP数据帧均是以一个标志字节起始和结束的，该字节为0x7E（这样很容易区分出每个PPP帧）。
PPP链路层协议数据帧格式
在数据帧格式中，各标志的含义如下。
? 标志（Flag）域 指示一个帧的开始或结束，该域值包含二进制数01111110。
? 地址（Address）域 该域值包含二进制数11111111，是标准的广播地址。PPP协议不指定单个工作站的地址。
? 控制（Control）域 长度为1个字节，该域值包含二进制数00000011，表示用户数据采用无序帧方式传输。它提供的无连接链路服务类似于LLC（Logical Link Control，逻辑链路控制）类型提供的方法。
? 协议（Protocol）域 长度为2个字节，用于标识封装在帧的数据域中的协议类型。通过确定帧序列的结尾，为FCS域留出2个字节，便可确定数据域的结尾。该域最大长度的默认值是1500字节。
? 校验（FCS）域 通常为2个字节。PPP帧中包含这些额外的字节来进行差错 控制。
在带宽需要付费时，封装和帧可以减少到2或4个字节。为了支持高速的执行，默认的封装只使用简单的字段，多路分解只需要对其中的一个字段进行检验。默认的头和信息字段落在32位边界上，尾字节可以被填补到任意的边界上。
为了在一个很宽广的环境内能足够方便地使用，PPP提供了LCP子协议。LCP用于就封装格式选项自动地达成一致，处理数据包大小的变化，探测looped-back链路和其他普通的配置错误，以及终止链路。
3.2.3 PPP协议的链路过程
为了通过点对点链路建立通信，PPP链路的每一端，必须首先发送LCP包以便设定和测试数据链路。在链路建立之后，点对点连接才可以被认证。
然后，PPP必须发送NCP包以便选择和设定一个或更多的网络层协议。一旦每个被选择的网络层协议都被设定好了，来自每个网络层协议的数据报就能在链路上发送了。链路将保持通信设定不变，直到外部的LCP和NCP关闭链路，如图3-3所示。
对整个过程来说，PPP链路的连接需要经过以下5个阶段。
1．PPP链路建立准备阶段
为了在点到点连接中建立通信，PPP连接的每一端都必须首先发送LCP数据包来配置和测试数据连接。
在此阶段，LCP协议自动处在初始或正在开始状态。当进入到建立连接阶段后会引发上传事件，并通知LCP协议。
在这个阶段应用注意事项是典型的，一个连接将在调制解调器连接断开后自动返回到此阶段。在使用电话线的连接情况下，这个阶段将相当的短，短到很少有足够的时间能用仪器检测到它的存在。
2．链路建立阶段
LCP通过交换配置数据包建立连接。一旦一个配置成功信息包（Configure-Ack Packet）被发送且被接收，就完成了交换，进入了LCP开启状态。
当LCP协议自动进入已打开状态，并且发送和接收过配置确认数据包时，建立连接的交换过程才完成。
3．认证阶段
认证阶段应该紧接在建立连接阶段后。因为，可能有连接质量的问题并行出现，应用时绝对不允许连接质量问题影响数据包的交换，使认证有不确定的延迟。
认证阶段后的网络层协议阶段必须等到认证结束后才能开始。如果认证失败，将转而进入终止连接阶段。仅仅是连接控制协议、认证协议、连接质量监测的数据包才被允许在此阶段中出现。所有其他在此阶段中接收到的数据包都将被丢弃。
在这个阶段的应用注意事项有两个方面：一是，应用时不能简单地因为超时或缺少回应就认为认证失败。应该允许重传，仅当试图认证的次数超过一定的限制时才进入终止连接阶段；二是，如果对方拒绝认证，己方有权进入终止连接阶段。
4．网络层协议阶段
一旦PPP协议完成了上述阶段，每一个网络层协议（例如IP协议、IPX协议、AppleTalk协议）必须单独由相应的NCP配置。每一个网络控制协议可以随时打开或关闭。
在此阶段，连接上流通的包括LCP数据包、NCP数据包和网络层协议数据包。
在此阶段应用同样需注意两个方面：一是，可能一开始需要花费大量的连接时间来分析连接质量，所以当等待对方进行网络控制协议配置时应该避免使用固定的超时限制；二是，当一个网络控制协议自动达到已打开的状态时，PPP连接后就可以传送相应的网络层协议数据包。当接收到的任何所支持的网络层协议数据包时，只要相应的网络控制协议状态中的自动状态未打开，都将作丢弃处理。只要LCP协议状态中的自动状态处于打开状态，任何接收到的不支持的协议数据包都将返回协议拒绝包（后面将提到）。所支持的协议数据包都将丢弃。
5．链路终止阶段
PPP连接可以随时终止，原因可能是载波丢失、认证失败、连接质量失败、超时计数器溢出，或者是网络管理员关闭连接。
LCP通过交换连接终止包来终止连接。当连接正在被终止的时候，PPP协议会通知网络层以便它采取相应的动作。
在交换过终止请求包后，将通知物理层断开以便使连接真正终止，尤其是在认证失败的时候。然后PPP协议应该进入连接死亡阶段，结束此次PPP通信。
3.3 使用广播信道的数据链路层
广播信道（Broadcasting Information Channel，BCH）是通过广播的方式传输信息的信息通道。广播的方式是指通过向所有站点发送分组的方式，传输信息。现实中，无线广播电台、局域网大多采用这种方式传播分组信息。
3.3.1 局域网的数据链路层
由于局域网不需要路由选择，因此它并不需要网络层，而只需要底部的两层：物理层和数据链路层。
按IEEE 802标准，又将数据链路层分为两个子层：MAC（Media Access Control，介质访问控制）子层和LLC（Logical Link Control，逻辑链路控制）子层，如图3-4所示。
物理层用来建立物理连接是必需的。数据链路层把数据转换成帧来传输，并实现帧的顺序控制、差错控制及流量控制等功能，使不可靠的链路变成可靠的链路也是必要的。
由于在IEEE 802成立之前，采用了不同的传输介质和拓扑结构的局域网的存在，这些局域网采用不同的介质访问控制方式，各有特点和适用场合。IEEE 802无法用统一的方法取代它们，只能允许其存在。因而需要为每种介质访问方式制定一个标准，从而形成了MAC协议。为使各种介质访问控制方式能与上层接口并保证传输可靠，所以在其上又制定了一个单独LLC子层。
通过上述了解，相信读者已经对LAN/RM（局域网参考模型）有了一个初步的认识。下面再来了解一下各层功能。
1．物理层
物理层提供在物理实体间发送和接收比特的能力，一对物理实体能确认出两个介质访问控制（MAC）子层实体间同等层比特单元的交换。
物理层也要实现电气、机械、功能和规程四大特性的匹配。物理层提供的发送和接收信号的能力包括对宽带的频带分配和对基带的信号调制。
2．LLC子层
LLC子层向高层提供一个或多个逻辑接口（具有帧发和帧收功能）。发送时把要发送的数据加上地址和CRC检验字段构成帧。介质访问时把帧拆开，执行地址识别和CRC校验功能，并具有帧顺序控制和流量控制等功能。
LLC子层还包括某些网络层功能，如数据报、虚拟控制和多路复用等。
3．MAC子层
MAC子层支持数据链路功能，并为LLC子层提供服务。它将上层交下来的数据封装成帧进行发送（接收时进行相反过程，将帧拆卸）、实现和维护MAC协议、比特差错检验和寻址等。
3.3.2 CSMA/CD协议
CSMA/CD（Carrier Sense Multi-Access/Collision Detection，载波监听多路访问/冲突检测）是一种设备通过采用竞争的方法来获取对总线使用权的技术，它只适用于逻辑上属于总线型拓扑结构的网络，包含载波监听多路访问（CSMA）和冲突检测（CD）两方面的内容。
在网络中，一台计算机在发送数据前，首先侦听线路查看线路上是否有信息发送，用来测试线路上有无其他计算机正在发送信息。如果侦测到其他计算机正在发送信息，即信道已被占用，则该计算机在等待一段时间后再次争取发送权；如果侦听得知线路是空闲的，没有其他计算机发送信息，那么就立刻抢占信道并发送信息，如图3-5所示。其中，计算机侦听信道是否被占用，称之为“载波侦听”。
在计算机侦听信道是否被占用时，CSMA技术为其提供了两种解决办法。
? 持续的载波侦听多路访问。即继续侦听线路，一直等到发现信道空闲为止。在发现信道空闲时立即抢占并发送信息。
? 非持续的载波侦听多路访问。即随机等待一定时间后，再次发送侦听信号，这样重复循环，直 到发现信道空闲为止，并发送 信息。
当信道处于空闲时的某一时刻，如果线路上有两台或两台以上的计算机同时发送数据时，结果导致它们同时发送数据，产生了冲突。
另一种情况，某台计算机侦听到信道是空闲的，但这种空闲可能是较远站点已经发送了信包，但由于在传输介质上信号的传播存在延时，该信包还未到此站点的缘故，如果此站点又发送信息，则也将产生冲突。
如果发生冲突，计算机停止发送数据帧，导致冲突发生的计算机，随机发送一个信号以保证网络上其他的计算机都知道已经发生冲突，使其等待一段随机时间后，重新尝试发送数据。
经过上面的介绍，可以了解到任何一个节点在发送数据前都要通过CSMA/CD去争取总线的使用权，其发送过程可以简单理解为“先听后说，边听边说；一旦冲突，立即停说；等待时机，然后再说”3个部分。
3.4 以太网技术
随着计算机技术及网络技术的不断发展，以太网的技术也发生不小的变化，如从传统的以太网（10Mb/s）到快速以太网（100Mb/s），从快速以太网到千兆以太网（1000Mb/s），从千兆以太网到万兆以太网（10Gb/s）等。
3.4.1 传统以太网
传统以太网也被称为标准以太网或共享式以太网，是最早期的以太网，它使用载波监听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）访问控制方法。
传统以太网的核心思想是在共享的公共传输媒体上以半双工传输模式工作，其吞吐量只有10Mb/s。传统以太网在同一时刻只能发送数据或者接收数据，但不能同时发送和接收数据，其传输介质通常采用双绞线。
1．10Base-5
10Base-5是最早的以太网IEEE 802.3标准，它使用直径为10mm、电阻为50Ω的粗同轴电缆进行连接，它允许每段有100个站点。因此在一个网段上所有站点经过一根同轴电缆进行连接，其最大长度为500m。在设计时需要遵循5-4-3标准，在该标准中各数字代表的意义如下。
? 5表示网络中任意两个端到端的节点之间最多只能有5个电缆段。
? 4表示网络中任意两个端到端的节点之间最多只能有4个中继器。
? 3表示网络中任意两个端到端的节点之间最多只能有3个共享网段。
在使用10Base-5标准以太网时，站点必须使用收发器连接到电缆上，或者使用介质连接单元（MAU）。
2．10Base-2
10Base-2是一个细缆以太网标准，被人们戏称为“廉价网”，它采用的传输介质是基带细同轴电缆，电阻为50Ω，数据传输速率为10Mb/s，拓扑结构为总线型，电缆段上工作站间的距离为0.5m的整数倍，每个电缆段内最多只能使用30台终端，每个电缆段不能超过185m。它也遵循5-4-3标准，电缆长度最大为925m。
10Base-2细缆可以通过BNC-T型连接器、网卡BNC连接插头直接与网卡连接。为了防止同轴电缆端头的信号反射，在同轴电缆的两个端头需要连接两个阻抗为50Ω的终端匹配器。
3．10Base-T
1991年IEEE 802.3工作组发布了以太网10Base-T标准。它与使用同轴电缆作为传输介质的以太网不同，在10Base-T网络中采用了总线和星型相结合或单独使用星型的拓扑结构，即所有的站点均连接到一个中心集线器上，其中每个电缆段长度不能超过100m。它也遵循5-4-3标准，整个网络最大跨距为500m。
10Base-T以太网的优点之一是故障检测较为容易，其只需使用双绞线，从根本上改变了传统局域网不易布线和维护的困难，而且不降低数据的传输速率，在使用时应注意以下规则。
? 集线器与集线器间的最大距离为100m。
? 任何一条线路都不能形成环路。
? 双绞线与网络接口及集线器之间均采用RJ-45标准接口。
? 传输介质均采用非屏蔽双绞线。
? 一条链路最多可以串联4个集线器。
4．10Base-F
10Base-F是光缆以太网标准，它基于光缆互联中继器，即通过光缆链路以达到扩展传输距离的目的。它遵循5-4-3标准，但由于受到CSMA/CD的限制，其整个网络的最大跨距为4000m。
10Base-F使用两条光缆，其中一条光缆用于接收，另一条光缆用于发送，并定义了FOIRL、10Base-FP、10Base-FB和10Base-FL规范。
3.4.2 快速以太网
1993年，Grand Junction公司推出了世界上第一台快速以太网集线器Fast Ethernet Hub10/100和网络接口卡FastNIC100，至此快速以太网技术才得以正式应用。随后Intel、Synoptics、3Com、Bay Networks等公司也相继推出了自己的快速以太网设备。1995，IEEE 802工作组也通过了IEEE 802.3u标准，将以太网的带宽扩大为100Mb/s。这样快速以太网的时代才正式到来。
从技术上讲，IEEE 802.3u并不是一种新的标准，它是对现存IEEE 802.3标准的升级，其基本思想是：保留所有旧的分组格式、接口以及程序规则，只是将位时从100ns减少到10ns，并且所有的快速以太网系统均使用集线器。快速以太网除了继续支持在共享介质上的半双工通信外，在1997年IEEE通过IEEE 802.3x标准后，其还支持在两个通道上进行的双工通信。双工通信则进一步改善了以太网的传输性能。另外，在快速以太网中所使用的网络设备与10Mb/s所用的网络设备相比也不贵，致使100Base-T快速以太网得到非常快速的发展。
100Base-T快速以太网定义了100Base-TX、100Base-FX和100Base-T4这3种物理层规范。
1．100Base-TX
100Base-TX采用两对5类UTP双绞线（非屏蔽双绞线）或两对1类STP双绞线（屏蔽双绞线）作为传输介质。其中一对用于发送数据信息，另一对用于接收数据信息。其最大网段长度为100m。对于5类UTP来说使用RJ-45连接器；对于1类STP来说使用DB9连接器。另外，它支持全双工的数据传输，符合EIA586的5类布线标准和IBM的STP1类布线标准。
100Base-TX采用了一种运行在125MHz下的被称为4B/5B的编码方案，该编码方案将每4b的数据编制成5b的数据，挑选时每组数据中不允许出现多于3个0，然后在将4B/5B码进一步编成NRZI码进行传输。
2．100Base-FX
100Base-FX可以采用单模光纤（62.5μm）或多模光纤（125μm）作为传输介质。在全双工传输模式下，单模光纤传输距离可达40km，多模光纤传输距离可达2km。它适用于高速主干网、有电磁干扰环境、要求通信保密性能良好和传输距离远等应用场合。
100Base-FX与FDDI网使用相同的物理层规范，在传输中使用4B/5B编码方式，信号频率为125MHz，另外它可以使用FDDI/MIC连接器、ST连接器和SC连接器。
3．100Base-T4
100Base-T4采用4对3类、4类、5类UTP双绞线作为传输介质。其中，这4对线中的3对用于数据传输，1对用于冲突检测。它使用RJ-45连接器，最大网段长度为100m，与前面两种不同的是，它采用8B/6T编码方法。
快速以太网与原来在100Mb/s带宽下工作的FDDI网相比具有许多优点，最主要体现为快速以太网技术可以有效地保障用户在布线基础实施上的投资，它支持3、4、5类双绞线以及光纤的连接，能有效地利用现有的设施。
快速以太网的不足其实也是以太网技术的不足，即快速以太网仍是基于载波监听多路访问和冲突检测（CSMA／CD）技术，当网络负载较重时，会造成工作效率的下降，当然这可以使用交换技术来弥补。
3.4.3 千兆以太网
随着以太网技术的深入应用和发展，企业及各种组织对网络传输速度的要求却来越高，高速研究组（Higher Speed Study Group）研究了将快速以太网速度增至1000Mb/s的可行性和实现方法。
1996年，IEEE标准委员会批准了千兆位以太网方案授权申请（Gigabit Ethernet Project Authorization Request）。随后IEEE 802.3工作组成立了802.3z工作委员会。IEEE 802.3z委员会的目的是建立千兆以太网标准，它包括在1000Mb/s通信速率下进行全双工和半双工通信、使用IEEE 802.3以太网的帧格式、使用CSMA/CD访问控制方法来处理冲突问题、在一个冲突域中支持一个中继器（Repeater）、编址方式和10Base-T、100Base-T兼容。它表明千兆以太网要与以前的以太网完全兼容。
为了确保与以太网技术的向后兼容性，千兆以太网遵循了以太网对数据链路层以上部分的规定。在数据链路层以下，千兆以太网融合了IEEE 802.3以太网和ANSI X3T11光纤通道两种不同的网络技术，实现了速度上的飞跃。图3-6所示为三者之间的关系。
1997年，在成立的IEEE 802.3ab工作组中，集中解决了使用5类线构造千兆以太网的标准问题，而IEEE 802.3z工作组则集中制定使用光纤和对称屏蔽铜缆的千兆以太网标准。
千兆以太网在处理新应用和新数据类型方面具有灵活性，它是10Mb/s和100Mb/s以太网标准IEEE 802.3的延伸，提供1000Mb/s的数据带宽。目前，千兆以太网主要有1000Base-CX、1000Base-T、1000Base-LX和1000Base- SX这4种技术。
1．1000Base-CX
1000Base-CX是使用铜缆作为网络介质的两种千兆以太网技术之一，另外一种就是将要在后面介绍的1000Base-T。它使用一种特殊规格的高质量平衡双绞线对的屏蔽铜缆，其最大传输距离为25m，使用9芯D型连接器连接电缆，系统采用8B/10B编码和解码方式。
1000Base-CX适用于交换机之间的短距离连接，尤其适合千兆主干交换机和主服务器之间的短距离连接。以上连接往往可以在机房配线架上以跨线方式实现，不需要再使用长距离的铜缆或光缆。
2．1000Base-T
1000Base-T是一种使用5类UTP作为传输介质的千兆以太网技术，其最长传输距离与100Base-TX一样可以达到100m。用户可以采用这种技术在原有的快速以太网系统中实现从100Mb/s到1000Mb/s的平滑升级。但它不支持8B/10B编码解码方案，需要采用专门的更先进的编码/译码机制。
3．1000Base-LX
1000Base-LX是一种用长波激光作为信号源的网络介质技术，在收发器上配置波长为1270～1355nm（一般为1300nm）的激光传输器，即可以驱动多模光纤，也可以驱动单模光纤。
1000Base-LX使用的光纤规格为62.5μm多模光纤、50μm多模光纤、9μm单模光纤。其中，在使用多模光纤、全双工模式下，最大传输距离可达550m；使用单模光纤、全双工模式下的最长距离为5km。系统采用8B/10B编码方案，连接光纤所使用的SC型光纤连接器与快速以太网100Base-FX所使用的连接器型号相同。
4．1000Base-SX
1000Base-SX是一种使用短波激光作为信号源的网络介质技术，收发器上所配置的波长为770～860nm（一般为800nm）的激光传输器不支持单模光纤，只能驱动多模光纤。它包括62.5μm多模光纤和50μm多模光纤两种。使用62.5?m多模光纤、全双工模式下的最长传输距离为275m；使用50μm多模光纤、全双工模式下最长传输距离为550m。系统采用8B/10B编码方案，它所使用的光纤连接器与1000Base-LX一样也是SC型连接器。
千兆以太网还利用IEEE 802.1Q VLAN支持、第四层过滤技术、千兆位的第三层交换技术。千兆以太网原先是作为一种交换技术设计的，采用光纤作为上行链路，用于楼宇之间的连接。之后，在服务器的连接和骨干网中，千兆以太网获得广泛应用，由于IEEE 802.3ab标准（采用5类及以上非屏蔽双绞线的千兆以太网标准）的出台，千兆以太网可适用于任何大、中、小型企事业单位。
目前，千兆以太网已经发展成为主流网络技术。大到成千上万人的大型企业，小到几十人的中小型企业，在建设企业级局域网时都会把千兆以太网技术作为首选的高速网络技术。千兆以太网技术甚至正在取代ATM技术，成为城域网建设的主力军。
3.4.4 万兆以太网
随着千兆以太网的标准化以及在生产实践中的广泛应用，以太网技术逐渐延伸到城域网的汇聚层。千兆以太网通常用作将小区用户汇聚到城域节点，或者将汇聚层设备连接到骨干层。虽然以太网多链路聚合技术已完成标准化且多厂商互通指日可待，可以将多个千兆链路捆绑使用。但是考虑光纤资源以及波长资源、链路捆绑等因素，它一般只用在点内或者短距离应用环境。
为了解决由带宽及传输距离而导致以太网技术不适用于在城域网骨干/汇聚层的问题，1999年IEEE标准委员会成立了IEEE 802.3ae工作组进行研究。在2002年6月由IEEE正式发布了IEEE 802.3ae 10Gb/s以太网标准，自此以太网的发展势头又进一步增强。这标志着万兆以太网标准的统一，使用户在选择时不必再担心厂商之间的产品不能互相兼容的问题，也规范了各厂商间的竞争。目前包括华为、3Com、Cisco、Avaya、Enterasys、Foundry和Riverstone公司在内的多家厂商已经推出多款万兆以太网交换机产品，成就了今天以太网技术的全新局面。
网络拓扑结构的设计和操作也随着智能化万兆以太网多层交换机的推出发生了转变。比如第三层路由和第四层至第七层智能，包括服务质量（QoS）、服务级别（CoS）、高速缓存、服务器负载均衡、安全性和基于策略的网络功能。万兆以太网的主要特点包括以下几个方面。
? 保留802.3以太网帧格式。
? 保留802.3以太网的最大帧长和最小帧长。
? 只使用全双工工作模式，彻底改变了传统以太网的半双工广播工作模式。
? 使用光纤作为传输媒体，已不再适用铜缆。
? 使用点对点链路，支持星型结构的LAN。
? 数据传输率非常高，不直接和端用户相连。
? 制定了新的光物理媒体相关（PMD）子层。
? 与SONET OC-192帧结构的融合，可以与OC-192电路和SONET/SDH设备仪器运行。
3.5 课堂练习：ADSL连接Internet
ADSL就是一种经济廉价的宽带连接方式，它的信息传输利用的是应用最广泛的电话线或有线电视线。多用于家庭和小型办公网络，具有带宽较大、连接简单、投资较小等优点。在本练习中，将通过Windows 8系统，来详细介绍创建ADSL连接及ADSL连接Internet网络的操作方法。
操作步骤：
右击【开始】图标，执行【控制面板】命令，选择【网络和Internet】选项，如图3-7所示。
【控制面板】对话框
在展开的列表中选择【网络和共享中心】选项，如图3-8所示。
选择具体选项
在【网络和共享中心】对话框中，选择【更改网络设置】列表中的【设置新的连接或网络】选项，如图3-9所示。
更改网络设置
在弹出的【设置连接或网络】对话框中，选择【连接到Internet】选项，并单击【下一步】按钮，如图3-10所示。
选择连接类型
在弹出的对话框中，选择【宽带(PPPoE)】选项，如图3-11所示。
选择宽带类型
在弹出的对话框中输入用户名、密码、连接名称，并启用【允许其他人使用此连接】复选项，单击【连接】按钮即可，如图3-12所示。
设置连接参数
3.6 课堂练习：清理系统垃圾
Windows优化大师是一款功能强大的系统辅助软件，它不仅提供了全面有效且简便的系统检测、系统优化和系统清理功能，而且还提供了系统维护功能以及多个附加的工具软件。通过Windows优化大师不仅能够有效地帮助用户清理系统垃圾、修复系统故障和安全漏洞，而且还可以检测计算机的硬件信息、维护系统的正常运转。
操作步骤：
系统优化。安装并运行Windows优化大师，选择【系统优化】分类列表中的【磁盘缓存优化】选项，并单击【优化】按钮，如图3-13所示。
磁盘缓存优化
选择【系统优化】分类列表中的【开机速度优化】选项，在列表框中启用相应的复选框，并单击【优化】按钮，如图3-14所示。
开机速度优化
系统清理。选择【系统清理】分类列表中的【注册信息清理】选项，在【请选择要扫描的项目】列表框中选择扫描项，单击【扫描】按钮，如图3-15所示。
扫描注册表信息
扫描结束后，单击【全部删除】按钮，在弹出的提示对话框中单击【否】按钮，然后在弹出的提示对话框中单击【确定】按钮，如图3-16所示。
删除扫描项
选择【系统清理】分类列表中的【磁盘文件管理】选项，选择需要扫描的磁盘，单击【扫描】按钮，如图3-17所示。
选择扫描磁盘
扫描结束之后，在【扫描结果】选项卡中，将显示扫描结果，单击【全部删除】按钮，删除扫描项，如图3-18所示。
选择【系统清理】分类列表中的【历史痕迹清理】选项，在【请选择要扫描的项目】列表框中选择扫描项，单击【扫描】按钮，如图3-19所示。
扫描结束之后，将在下方列表框中显示扫描结果，单击【全部删除】按钮，删除扫描项，如图3-20所示。
删除扫描项
选择扫描项
删除历史痕迹
3.7 思考与练习
一、填空题
1．在数据链路层，数据的传送单位是__________。
2．在计算机通信中，采用__________方式进行差错控制。
3．所谓__________就是不管所传数据是什么样的比特组合，都应当能够在链路上传送。
4．物理层要解决__________同步的问题；数据链路层要解决__________同步的问题。
5．所谓__________就是从收到的比特流中正确无误地判断出一个帧从哪个比特开始以及到哪个比特结束。
6．Internet中使用最广泛的数据链路层协议是__________和__________协议。
7．数据链路层最重要的作用就是通过一些__________协议，在不太可靠的物理链路上实现__________数据传输。
二、选择题
1．无论是SLIP还是PPP协议，都是____。
A．物理层 B．数据链路层
C．网络层 D．传输层
2．HDLC是__________。
A．面向字符型的同步协议
B．面向比特型的同步协议
C．异步协议
D．面向字计数的同步协议
3．_______是数据链路层的通信设备之一。
A．路由器 B．中继器
C．网桥 D．网关
三、问答题
1．在停止等待协议中，应答帧为什么不需要序号？
2．HDLC帧字段的意义是什么？
3．什么是零比特填充法？
4．数据链路（逻辑链路）与链路（物理链路）有何区别？
5．正常响应方式的特点是什么？
四、上机练习
1．查看主机TCP/IP连接状态
Netstat是在内核中访问网络及相关信息的程序，它能提供TCP连接、TCP和UDP监听、进程内存管理的相关报告。在Windows 10系统中，如果用户需要查看主机当前的TCP/IP连接状态，可以右击桌面上的【此电脑】图标，执行【属性】命令，在打开的对话框中查看计算机的名称，如图3-21所示。
然后，单击【开始】按钮，执行【运行】命令，输入“cmd”并单击【确定】按钮。在弹出的MS-DOS窗口中，输入“netstat ran”命令，即可查看TCP/IP网络连接状态，如图3-22所示。
2．查看跟踪路由节点
Tracert是路由跟踪实用程序，用于确定IP数据报访问目标所采取的路径。如果用户需要查看从用户自己到目标逐级到底经过了哪些路径。右击【开始】按钮，执行【运行】命令，输入“cmd”并单击【确定】按钮。在弹出的MS-DOS窗口中，输入“tracert www.ncie. gov.cn”命令，然后等待片刻，就会看到用户经过的一个个路由节点，如图3-23所示。
查看计算机名称
查看TCP/IP的网络连接状态
查看跟踪路由节点