Ch3.数据链路层(六)

十四.链路层设备

1.物理层扩展以太网

2.链路层扩展以太网

网桥根据MAC帧的目的地址对帧进行转发和过滤。当网桥收到一个帧时，并不向所有接口转发此帧，而是先检查此帧的目的MC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）

3.网桥分类

3.1透明网桥

透明网桥：“透明”指以太网上的站点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥，是一种即插即用设备一一自学习。

3.2源路由网桥

源路由网桥：在发送帧时，把详细的最佳路由信息（路由最少/时间最短）放在帧的首部中。方法：源站以广播方式向欲通信的目的站发送一个发现帧。

4.多接口网桥——以太网交换机

5.以太网交换机的两种交换方式

5.1直通式交换机

查完目的地址(6B)就立刻转发。

延迟小，可靠性低，无法支持具有不同速率的端口的交换。

5.2存储转发式交换机

将帧放入高速缓存，并检查否正确，正确则转发，错误则丢弃。

延迟大，可靠性高，可以支持具有不同速率的端口的交换。

6.冲突域和广播域

习题:

1.下列网络连接设备都工作在数据链路层的是(C)。A.中继器和集线器B.集线器和网桥C.网桥和局域网交换机D.集线器和局域网交换机

中继器和集线器都属于物理层设备，网桥和局域网交换机属于数据链路层设备

2.下列关于数据链路层设备的叙述中，错误的是（D)。A,网桥可隔离信息，将网络划分成多个网段，一个网段的故障不会影响到另一个网段的运行B.网桥可互联不同的物理层、不同的MAC子层及不同速率的以太网C.交换机的每个端口结点所占用的带宽不会因为端口结点数目的增加而减少，且整个交换机的总带宽会随着端口结点的增加而增加D.利用交换机可以实现虚拟局域网(VLAN),VLAN可以隔离冲突域，但不能隔离广播域

交换机的优点是每个端口结点所占用的带宽不会因为端口结点数目的增加而减少，且整个交换机的总带宽会随着端口结点的增加而增加。另外，利用交换机可以实现虚拟局域网(VLAN),VLAN不仅可以隔离冲突域，而且可以隔离广播域。因此选项C正确，选项D错误。

3.下列（D)不是使用网桥分割网络所带来的好处.A.减少冲突域的范围B.在一定条件下增加了网络的带宽C.过滤网段之间的数据D.缩小了广播域的范围

网桥可以隔离信息，将网络划分成多个网段，隔离出安全网段，防止其他网段内的用户非法访问。由于网络的分段，各网段相对独立，一个网段的故障不会影响到另一个网段的运行。因此选项B、C正确。根据网桥的特点可知选项A正确，选项D错误。

4.下列关于网桥的描述中，错误的是（B).A.网桥工作在数据链路层，可以对网络进行过滤和分段B.网桥可以对不需要传递的数据进行过滤并有效地阻止广播数据C.网桥传递所有的广播信息，因此难以避免广播风暴D.网桥与集线器相比，需要处理接收到的数据，因此增加了时延

网桥只适合于用户数不多和通信蛩不大的局域网，否则有时会因传播过多的广播信息而产生网络拥塞，这就是所谓的广播风暴。第二层网络设备可以解决冲突域问题，却无法完全解决第三层网络设备才能解决的广播域的问题。

5.不同网络设备传输数据的延迟时间是不同的。下面设备中，传输时延最大的是（C)。A.局域网交换机B.网桥C.路由器D.集线器

路由器具有较大的传输时延，因为它需要根据所接收的每个分组报头中的P地址决定是否转发分组。这种处理分组报头的任务一般由软件完成，将带来较长的处理时间，也会增加每个分组的传输时延。由于局域网交换机和网桥通常都由硬件进行帧的转发，而且不关心数据链路层以上的数据，因此都具有比路由器要小得多的传输时延。从数量级上看，如果局域网交换机的传输时延为几十傲秒，那么网桥的传输时延为几百馓秒，而路由器的传输时延为几千微秒。集线器的每个端口都具有收发功能，当某个端口收到信号时，立即向所有其他端口转发，因此其传输时延最小。

6.下列不能分割碰拉战的设备是（A)。A.集线器B.交换机C.路由器D.网桥

碰撞域是指共享同一信道的各个站点可能发生冲突的范围，又称冲突域。物理层设备集线器不能分割碰撞域，数据链路层设备交换机和网桥可以分割碰撞域，但不能分割广播域，而网络层设备路由器既可以分割碰撞域，又可以分割广播域。

7.局域网交换机实现的主要功能在（A)。A.物理层和数据链路层B.数据链路层和网络层C.物理层和网络层D.数据链路层和应用层

局域网交换机是数据链路层设备，能实现数据链路层和物理层的功能。

8.交换机比集线器提供更好的网给性能的原因是(A)A.交换机支持多对用户同时通信B.交换机使用差错控制减少出错率C.交换机使网络的覆盖范围更大D.交换机无须设置，使用更方便

交换机能隔离冲突域，工作在全双工状态，使网络中多对结点同时通信，提高了网络的利用率，这是交换机的优点。

9.【2009统考真题】以太网交换机进行转发决策时使用的PDU地址是(A)。A.目的物理地址B.目的IP地址C.源物理地址D.源IP地址

交换机实质上是一个多端口网桥，工作在数据链路层，数据链路层使用物理地址进行转发，而转发到目的地需要使用目的地址。因此PDU地址是目的物理地址。

10.通过交换机连接的一组工作站(B)。A.组成一个冲突域，但不是一个广播域B.组成一个广播域，但不是一个冲突域C.既是一个冲突域，又是一个广播域D.既不是冲突域，也不是广播域

交换机是数据链路层的设备，数据链路层的设备可以隔离冲突域，但不能隔离广播域，因此本题选B。另外，物理层设备（集线器等）既不能隔离冲突域，也不能隔离广播域；网络层设备(路由器)既可以隔离冲突域，又可以隔离广播域。

11.一个16端口的集线器的冲突域和广播域的个数分别是(C).A.16,1B.16,16C.1,1D.1,16

物理层设备（中继器和集线器）既不能分割冲突域又不能分割广播域，因此选C。

12.一个16个端口的以太网交换机，冲突域和广播域的个数分别是(D)。A.1,1B.16,16C.1,16D.16,1

以太网交换机的各端口之间都是冲突域的终止点，但LAN交换机不隔离广播，所以冲突域的个数是16，广播域的个数是1。

13.对于由交换机连接的10Mbs的共享式以太网，若共有10个用户，则每个用户能够占有的带宽为(C)。A.1Mb/sB.2Mb/sC.10Mb/sD.100Mb/s

对于普通的10Mbs共享式以太网，若共有N个用户，则每个用户占有的平均带宽只有总带宽的1/N。使用以太网交换机时，虽然在每个端口到主机的带宽还是10M6/s,但由于一个用户在通信时是独占而不是和其他用户共享传输媒体的带宽，因此每个用户仍然可以得到10M6/s的带宽，这正是交换机的最大优点。

14.若一个网络采用一个具有24个10Mb/s端口的半双工交换机作为连接设备，则每个连接点平均获得的带宽为（①D），该交换机的总容量为（②A）①A.0.417Mb/sB.0.0417Mb/sC.4.17Mb/sD.10Mb/s②A.120Mb/sB.240Mb/sC.10Mb/sD.24Mb/s

   1)在采用交换机作为连接设备的交换式局域网中，交换机能同时连通许多对端口，使每对相互通信的计算机都能像独占该通信媒体一样，进行无冲突的数据传输。另外，交换机的端口还可设计成支持两种工作模式，即半双工模式和全双工模式。对于10Mbs的端口，半双工端口带宽为10Mb/s,而全双工端口带宽为20M6/s。

   2)拥有N对10M6/s端口的交换机可同时支持N对结点同时进行半双工通信，所以它的总容量为N×10M6/s,本题中N=24/2=12,因此交换机总容量为120Mb/s。

15.【2013统考真题】对于100Mb/s的以太网交换机，当输出端口无排队，以直通交换(cut-through switching)方式转发一个以太网帧（不包括前导码)时，引入的转发时延至少是(B)。A.0μsB.0.48μsC.5.12μsD.121.44μs

直通交换在输入端口检测到一个数据帧时，检查帧首部，获取帧的目的地址，启动内部的动态查找表转换成相应的输出端口，在输入与输出交叉处接通，·把数据帧直通到相应的端口，实现交换功能。直通交换方式只检查帧的目的地址，共6B,所以最短传输时延是6×8bit/100Mb/s=0.48s。

16.假设以太网A中80%的通信量在本局域网内进行，其余20%在本局域网与因特网之间进行，而局域网B正好相反。这两个局域网中，一个使用集线器，另一个使用交换机，则交换机应放置的局域网是(A)。A.以太网AB.以太网BC.任一以太网D.都不合适

交换机能隔离冲突域，而集线器连接的各网段属于一个冲突域。以太网A内的通信量很大，若使用集线器，则冲突域变大，使整个网络效率降低，必须要用交换机把不同网段的通信隔离开。

17.在使用以太网交换机的局域网中，以下(B)是正确的。A.局域网中只包含一个冲突域B.交换机的多个端口可以并行传输C.交换机可以隔离广播域D.交换机根据LLC目的地址转发

交换机的每个端口都有其自己的冲突域，所以交换机永远不会因为冲突而丢失帧，A错误。交换机不能隔离广播域，C错误。LLC是逻辑链路控制，它在MAC层上，用于向网络提供一个接口以隐藏各种802网络之间的差异，交换机应是按MAC地址转发的，D错误。

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A.{3}和{1}B.{2,3}和{1}C.{2,3}和{1,2}D.{1,2,3}和{1}

主机00e1d5-00-23-al向00e1-d5-00-23c1发送数据帧时，交换机转发表中没有00-e1-d5-0023-c1这一项，所以向除1接口外的所有接口广播这一帧，即2、3端口会转发这帧，同时因为转发表中并没有00e1-d5-00-23-a1这一项，所以转发表会把（目的地址00e1-d5-00-23-al,端口1）这一项加入转发表。而当00e1-d5-00-23c1向00e1-d5-00-23-al发送确认帧时，由于转发表已经有00e1-d500-23-a1这一项，所以交换机只向1端口转发，选B。

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D

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20.【2015统考真题】下列关于交换机的叙述中，正确的是(A)。A.以太网交换机本质上是一种多端口网桥B.通过交换机互连的一组工作站构成一个冲突域C.交换机每个端口所连网络构成一个独立的广播域D.以太网交换机可实现采用不同网络层协议的网络互联

从本质上说，交换机就是一个多端口的网桥（A正确)，工作在数据链路层（因此不能实现不同网络层协议的网络互联，D错误)，交换机能经济地将网络分成小的冲突域(B错误)。广播域属于网络层概念，只有网络层设备（如路由器)才能分割广播域(C错误)。

Ch3.疑难总结

1.“链路”和“数据链路”有何区别？“电路接通”与“数据链路接通”有何区别？

   所谓链路(Lik),是指从一个结点到相邻结点的一段物理线路，其中间没有其他任何的交换结点。在进行数据通信时，两台计算机之间的通信路径往往要经过许多段这样的链路。可见，链路只是一条路径的组成部分。

   数据链路(Data Link)则是另一个概念。因为在一条线路上传送数据时，除必须有一条物理线路外，还必须有一些通信协议来控制这些数据的传输。若把实现这些协议的硬件和软件加到链

路上，就构成了数据链路。有时也把链路分为物理链路和逻辑链路。物理链路就是指上面所说的链路，逻辑链路就是上面的数据链路，即物理链路加上必要的通信协议。

   “电路接通”表示链路两端的结点交换机已经开机，物理连接已经能够传送比特流，但数据传输并不可靠，在物理连接基础上，再建立数据链路连接，才能说“数据链路接通”。此后，由

于数据链路连接具有检测、确认和重传功能，才使得不太可靠的物理链路变成可靠的数据链路，进行可靠的数据传输。当数据链路断开连接时，物理电路连接不一定跟着断开连接。

2.在停止-等待协议中，确认帧为什么不需要序号（如用ACK0和ACK1)?

在停止等待协议中，发送方每发送一帧，都需要在收到接收方的确认帧后，才能进行下一帧的发送，而发送方收到的确认帧也一定是自己刚刚发出去的数据帧的确认帧，无须加序号标记。

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   举一个具体的例子进行说明。例如用3比特可编出8个不同的序号，因而发送窗口的最大值似乎应为8。但实际上，设置发送窗口为8将使协议在某些情况下无法工作。现在我们就来说明这一点。

   设发送窗口W_T=8，发送端发送完0~7号共8个数据帧。因发送窗口已满，发送暂停。假定这8个数据帧均已正确到达接收端，并且对每个数据帧，接收端都发送出确认顿。下面考虑两种不同的情况。

   第一种情况是：所有确认帧都正确到达了发送端，因而发送端接着又发送8个新的数据帧，其编号应是0~7。注意，序号是循环使用的。因此序号虽然相同，但8个帧都是新的帧。

   第二种情况是：所有确认帧都丢失了。经过一段由超时计时器控制的时间后，发送端重传这8个旧的数据顿，其编号仍为0一7。

   于是，当接收端第二次收到编号为0~7的8个数据帧时，就无法判定这是8个新的数据帧还是8个重传的旧数据帧。

   因此，将发送窗口设置为8显然是不行的。

4.证明：对于选择重传协议，若有n比特进行编号，则接收窗口的最大值为W_R≤2^(n-1)。

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注意，如果题目没有特别说明，那么一般情况下选择重传协议的发送窗口和接收窗口的大小是相等的。大家试想一下，SR协议中接收窗口值大于1，接收窗口要等到接收范围内所有帧收到才能更新，发送窗口要等接收窗口更新后才会更新，那么发送窗口比接收窗口多出来的那部分窗口就没有意义了。

5.数据链路层使用PPP协议或CSMA/CD协议时，既然不保证可靠传输，为什么要对所传输的帧进行差错检验？

当数据链路层使用PPP协议或CSMA/CD协议时，在数据链路层的接收端对所传输的帧进行差错检验是为了不将已发现有差错的帧（不管是什么原因造成的）接收下来。如果在接收端不进

行差错检测，那么接收端上交给主机的帧就可能包括在传输中出了差错的帧，而这样的帧对接收端主机是没有用处的。换言之，接收端进行差错检测的目的是：“上交主机的帧都是没有传输差错的，有差错的都已经丢弃了”，或者更加严格地说：“我们以很接近于1的概率认为，凡是上交主机的帧都是没有传输差错的”。

6.为什么PPP协议不使用桢的编号和确认机制来实现可靠传输？

   PPP不使用序号和确认机制是出于以下考虑：

   若使用能够实现可靠传输的数据链路层协议（如HDLC),开销就会增大。当数据链路层出现差错的概率不大时，使用比较简单的PPP较为合理。

   在因特网环境下，PPP的信息字段放入的数据是P数据报。假定我们采用了能实现可靠传输但十分复杂的数据链路层协议，当数据帧在路由器中从数据链路层上升到网络层后，仍有可能因网络拥塞而被丢弃。因此，数据链路层的可靠传输并不能保证网络层的传输也是可靠的。

   PPP在帧格式中有帧校验序列FCS字段。对于每个收到的帧，PPP都要使用硬件进行CRC检验。若发现有差错，则丢弃该帧（一定不能把有差错的帧交给上一层）。端到端的差错控制最后由高层协议负责。因此，PPP可以保证无差错接收。

7.两台计算机通过计算机网络传输一个文件时，有两种可行的确认策略。第一种是由发送端将文件分割成分组，接收端逐个确认分组；但就整体而言，文件并没有得到确认。第二种策略是接收端不确认单个分组，而是当文件全部收到后，对整个文件予以接收确认。试比较这两种方式的优缺点，以及它们各自适用的场合。

   在计算机网络中，数据的传输过程可能会引起数据的丢失、出错等，因此一个可靠的传输需要一定的差错控制机制，确认是实现差错控制的一个辅助手段。上面的两种确认策略都是可行的，但它们的性能取决于所应用的网络环境。

   具体地说，当网络传输可靠性较低且分组容易丢失时，第一种策略即对每个分组逐一确认较好，此时仅需重传丢失或出错的分组。如果网络的传输可靠性较高，那么在不发生差错的情况下，仅对整个文件进行一次确认，从而减少了确认的次数，节省了网络带宽和网络资源；不过，即使有单个分组丢失或出错，也需要重传整个文件。

8.局域网、广域网和因特网之间的关系总结：

为方便理解，可将广域网视为一个大的局域网，专业地讲，就是通过交换机连接多个局域网，组成更大的局域网，即广域网。因此，广域网仍然是一个网络。而因特网是多个网络之间的互联，即因特网由大局域网（广域网）和小局域网共同通过路由器相连。因此局域网可以通过广域网与另一个相隔很远的局域网进行通信。

9.EEE802局域网参考模型与OSI参考模型有何异同之处？

   局域网的体系结构只有OSI参考模型的下两层（物理层和数据链路层），而没有第三层以上的层次。即使是下两层，由于局域网是共享广播信道，而且产品的种类繁多，涉及多种媒体访问方法，所以两者存在明显的差别。

   在局域网中，与OSI多考模型的物理层相同的是：该层负责物理连接并在媒体上传输比特流，主要任务是描述传输媒体接口的一些特性。在局域网中，数据链路层的主要作用与OSI参考模型的数据链路层相同：都通过一些数据链路层协议，在不可靠的传输信道上实现可靠的数据传输：负责帧的传送与控制，但在局域网中，由于各站共享网络公共信道，因此数据链路层必须具有媒体访问控制功能（如何分配信道、如何避免或解决信道争用）。又由于局域网采用的拓扑结构与传输媒体多种多样，相应的媒体访问控制方法也有多种，因此在数据链路功能中应该将与传输媒体有关的部分和无关的部分分开。这样，正EE802局域网参考模型中的数据链路层就划分为两个子层：媒体访问控制(MAC)子层和逻辑链路控制(LLC)子层。

   与OSI参考模型不同的是：在IEEE 802局域网参考模型中没有网络层。局域网中，在任意两个结点之间只有唯一的一条链路，不需要进行路由选择和流量控制，所以在局域网中不单独设

置网络层。

   由上面的分析可知，局域网的参考模型只相当于OSI参考模型的最低两层，且两者的物理层和数据链路层之间也有很大差别。在IEEE 802系列标准中，各个子标准的物理层和媒体访问控制(MAC)子层是有区别的，而逻辑链路控制(LLC)子层是相同的，也就是说，LLC子层实际上是高层协议与任何一种MAC子层之间的标准接口。

10.在EEE802.3标准以太网中，为什么说如果有冲突，那么冲突一定发生在冲突窗口内？或者说一个帧如果在冲突宙口内没有发生冲突，那么该桢就不会再发生冲突？

结点发送数据时，先侦听信道是否有载波，如果有，表示信道忙，那么继续侦听，直至检测到空闲为止；一个数据帧在从结点A向最远的结点传输的过程中，如果有其他结点也正在发送数据，那么此时就会发生冲突，冲突后的信号需要经过冲突窗口时间后传回结点A,结点A会检测到冲突，所以说如果有冲突，那么一定发生在冲突窗口内，如果在冲突窗口内没有发生冲突，之后如果其他结点再要发送数据，那么就会侦听到信道忙，而不会发送数据，从而不会再发生冲突。

11.一个以太网的速率从10Mb/s升级到100Mb/s,满足CSMA/CD冲突条件.为使其正常工作，需做哪些调整？为什么？

由于10BASE-T要比10BASE2和10BASE5的优越性更明显，因此所有快速以太网系统都使用集线器(Hub),而不使用同轴电缆。100BASE-TMAC与10Mb/s的经典以太网MAC几乎一样，唯一不同的参数就是帧际间隙时间，10M6/s以太网是9.6μs（最小值)，快速以太网(100Mb/s)是0.96s（最小值)。另外，为了维持最小分组尺寸不变，需要减小最大冲突域直径。所有这些调整的主要原因是速率提高到了原来以太网的10倍。

12.DLC协议是PPP协议的基础，它使用位填充来实现透明传输。但PPP协议却使用字符填充而不使用位填充，为什么？

PPP被明确地设计成以软件形式实现，而不像HDLC协议那样几乎总以硬件形式实现。对于软件实现，完全用字节操作比用单个位操作简单得多。此外，PPP被设计成与调制解调器一道使

用，而调制解调器是以一个字节而非一个比特为单元接收和发送数据的。

13.假定连接到透明网桥上的一台计算机把一个数据帧发给网络上的一个不存在的设备，网桥将如何处理这个帧？

网桥不知道网络上是否存在该设备，它只知道在其转发表中没有这个设备的MAC地址。因此，当网桥收到这个目的地址未知的帧时，它将扩散该帧，即把该帧发送到所连接的除输入网段外的所有其他网段。

14.关于冲突域（碰撞域）和广播域辨析。

一块网卡发送信息时，只要有可能和另一块网卡冲突，那么这些可能冲突的网卡就构成冲突域。一块网卡发出一个广播时，能收到这个广播的所有网卡的集合称为一个广播域。一般来说，一个网段就是一个冲突域，一个局域网就是一个广播域。

15.关于物理层、数据链路层、网络层设备对于隔离冲突域和广播域的总结。

16.与传统共享式局域网相比，使用局域网交换机的交换式局域网为什么能改善网络的性能和股务质量？

传统共享式局域网的核心设备是集线器，而交换式局域网的核心是以太网交换机。在使用共享式集线器的传统局域网中，在任何时刻只能有一个结点能够通过共享通信信道发送数据；在使用交换机的交换式局域网中，交换机可以在它的多个端口之间建立多个并发连接，从而实现结点之间数据的并发传输，有效地改善网络性能和服务质量。

17.试分析中继器、集线器、网桥和交换机这四种网络互联设备的区别与联系。

   这四种设备都是用于互联、扩展局域网的连接设备，但它们工作的层次和实现的功能不同。

   中继器工作在物理层，用来连接两个速率相同且数据链路层协议也相同的网段，其功能是消除数字信号在基带传输中由于经过一长段电缆而造成的失真和衰减，使信号的波形和强度达到所需的要求；其原理是信号再生。

   集线器(Hb)也工作在物理层，相当于一个多接口的中继器，它可将多个结点连接成一个共享式的局域网，但任何时刻都只能有一个结点通过公共信道发送数据。

   网桥工作在数据链路层，可以互联不同的物理层、不同的MAC子层及不同速率的以太网。网桥具有过滤帧及存储转发帧的功能，可以隔离冲突域，但不能隔离广播域。

   交换机工作在数据链路层，相当于一个多端口的网桥，是交换式周域网的核心设备。它允许端口之间建立多个并发连接，实现多个结点之间的并发传输。因此，交换机的每个端口结点所占用的带宽不会因为端口结点数目的增加而减少，且整个交换机的总带宽会随着端口结点的增加而增加。交换机一般工作在全双工方式，有的局域网交换机采用存储转发方式进行转发，也有的交换机采用直通交换方式（即在收到帧的同时立即按帧的目的MAC地址决定该帧的转发端口，而不必先缓存再处理)。另外，利用交换机可以实现虚拟局域网(VLAN),VLAN不仅可以隔离冲突域，而且可以隔离广播域。

18.交换机和网桥的不同之处。

   尽管交换机也称多端口网桥，但两者仍有许多不同之处。主要包括以下3点：

   1)网桥的端口一般连接局域网，而交换机的端口一般直接与局域网的主机相连。

   2)交换机允许多对计算机同时通信，而网桥仅允许每个网段上的计算机同时通信。

   3)网桥采用存储转发进行转发，而以太网交换机还可以采用直通方式进行转发，且以太网交换机采用了专用的交换结构芯片，转发速度比网桥快。