本科《計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》（本部）實(shí)驗-實(shí)驗1--實(shí)驗原理--ieee802標(biāo)準(zhǔn)和以太網(wǎng)

1、實(shí)驗1 ieee802標(biāo)準(zhǔn)和以太網(wǎng)實(shí)驗?zāi)康模?. 掌握以太網(wǎng)的報文格式2. 掌握mac地址的作用3. 常握macr播地址的作用4. 掌握llc幀報文格式5. 掌握協(xié)議編輯器和協(xié)議分析器的使用方法6. 掌握協(xié)議棧發(fā)送和接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀的過程實(shí)驗環(huán)境：該實(shí)驗采用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一:主控中心平臺交換模塊實(shí)驗原理：一.osi模型和tcp/ip協(xié)議族1. osi簡介國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（iso）成立于1947年，它是個多國團(tuán)體，專門就一些國際標(biāo)準(zhǔn)達(dá)成世 界范圍的一致。網(wǎng)絡(luò)方面的iso標(biāo)準(zhǔn)就是osi （開放系統(tǒng)互連）模型。它是在20世紀(jì)70 年代后期問世的。在不需要改變底層硬件或軟件邏輯的情況下，0si模型使兩個不同的

2、系統(tǒng)能夠較容易地 通信。osi模型并不是協(xié)議，它是個靈活的、穩(wěn)健的和可互操作的模型，用來設(shè)計網(wǎng)絡(luò)體系 結(jié)構(gòu)，它使得所有類型的計算機(jī)系統(tǒng)可以通信。osi模型包括7個層次，每一層都定義了通 過網(wǎng)絡(luò)傳送信息的一些過程，如下圖所示。學(xué)握了 0si模型的基本概念后，就有了學(xué)習(xí)數(shù) 據(jù)通信較牢固的基礎(chǔ)。圖1-1 osi模型2. osi模型中的層次（1）物理層物理層協(xié)調(diào)在物理媒體小傳送比特流所需的各種功能。物理層涉及到接口和傳輸媒體的 機(jī)械的和電氣的規(guī)約。它還定義了這些物理設(shè)備和接口在傳輸過程中所必須完成的任務(wù)。（2）數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層把物理層（即原始的傳輸設(shè)施）轉(zhuǎn)換為可靠的鏈路。（3）網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)把數(shù)

3、據(jù)包從源點(diǎn)交付到終點(diǎn)，這可能要跨越多個網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)鏈路層是監(jiān)督在 同一個鏈路上的兩個相鄰節(jié)點(diǎn)之i'可數(shù)據(jù)包的交付，而網(wǎng)絡(luò)層則確保每一個數(shù)據(jù)包能夠從它的 源點(diǎn)到達(dá)終點(diǎn)。如果兩個節(jié)點(diǎn)連接到同一條鏈路上，那么通常就不需耍網(wǎng)絡(luò)層。但是，如果兩個節(jié)點(diǎn)連 接在不同的網(wǎng)絡(luò)上，而這些網(wǎng)絡(luò)是市一些連接的設(shè)備連接起來的，那么通常是需要網(wǎng)絡(luò)層來 完成從源點(diǎn)到終點(diǎn)的交付。（4）傳輸層傳輸層負(fù)責(zé)把報文進(jìn)行端到端的交付。網(wǎng)絡(luò)層雖然負(fù)責(zé)單個數(shù)據(jù)包的端到端交付，但它 并不考慮這些數(shù)據(jù)包之間的關(guān)系。傳輸層要確保整個報文原封不動地按序到達(dá)，負(fù)責(zé)從源點(diǎn) 到終點(diǎn)這一級的差錯控制和流量控制。（5）會話層會話層是網(wǎng)絡(luò)的對話控制器。

4、它建立并維持通信系統(tǒng)之間的交換，并使這些通信系統(tǒng)同 步。會話層完成以下任務(wù)：對話控制：會話層允許兩個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行對話狀態(tài)控制。它允許兩個進(jìn)程之間的通信按半 雙工或全雙工的方式進(jìn)行。同步：會話層允許進(jìn)程將若干個同步點(diǎn)插入到數(shù)據(jù)流屮，以完成傳輸?shù)耐?。?）表亦層表示層負(fù)責(zé)兩個系統(tǒng)所交換的信息的語法和語義。表示層完成以下任務(wù)：轉(zhuǎn)換：在兩個系統(tǒng)中的進(jìn)程所交換的信息的形式通常都是字符串，數(shù)字等等。這些信 息在傳輸z前必須變?yōu)楸忍亓?。市于不同的計算機(jī)使用不同的編碼系統(tǒng)，所以表示層負(fù)責(zé)在 這些不同的編碼方法之間提供互操作性。加密：為了攜帶敏感信息，一個系統(tǒng)必須確保能夠進(jìn)行保密。加密就是發(fā)送端把原始 信息轉(zhuǎn)換為

5、另一種形式，然后再把這種形式的報文發(fā)送出去。壓縮：數(shù)據(jù)壓縮減少了信息中所包含的比特數(shù)。在傳輸多媒體信息時，數(shù)據(jù)壓縮是特 別重要的。（7）應(yīng)用層應(yīng)用層使用戶（不管是人還是軟件）接入網(wǎng)絡(luò)，給用戶提供了接口，也提供了對多種服務(wù)的支持。3. tcp/ip協(xié)議族tcp/ip協(xié)議族是在osi模型出現(xiàn)之前出現(xiàn)的。因此tcp/ip協(xié)議族的層次無法準(zhǔn)確地和 osi模型對應(yīng)起來。tcp/ip協(xié)議族由5層組成：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和 應(yīng)用層。前四層與osi的前四層相對應(yīng)，提供物理標(biāo)準(zhǔn)、網(wǎng)絡(luò)接口、網(wǎng)際互連、以及傳輸 功能。然而osi的高三層在tcp/ip中則叫做應(yīng)用層。如下圖所示：081空氣圖1-2 t

6、cp/ip和osi模型tcp/ip是由一些交互的模塊組成的分層次的協(xié)議，每個模塊提供特定的功能。tcp/ip 協(xié)議族中的各層包含了一些相對獨(dú)立的協(xié)議，可以根據(jù)系統(tǒng)的需要把這些協(xié)議混合和配套使 用。在傳輸層中，tcp/ip定義了 3個協(xié)議：傳輸控制協(xié)議(tcp)、用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(udp) 和流控制協(xié)議(sctp) o在網(wǎng)絡(luò)層中，tcp/ip定義的主要協(xié)議是網(wǎng)際協(xié)議(ip) o二ieee802參考模型1980年2月ieee (電氣和電子工程師協(xié)會)成立了 802局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)委員會，開始了有 關(guān)局域網(wǎng)標(biāo)進(jìn)化的工作。ieee 802局域網(wǎng)參考模型中只定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，在模 型中較高層次，ieee

7、 802參照osi模型，盡可能與其相符合。ieee標(biāo)準(zhǔn)模型與osi模型 的比較如下圖所示：其它上層洼它上層網(wǎng)珞層網(wǎng)絡(luò)展邏輯鋌路控制數(shù)據(jù)鏈路層媒體鈉問控制介質(zhì)訪問單元物理層介質(zhì)說明岳走飩!模空圖1-3 ieee標(biāo)準(zhǔn)模型與osi模型比較在osi模型中，物理層的任務(wù)是為上一層提供一個物理連接，以透明的方式傳送比特 流。而在ieee802局域網(wǎng)參考模型中，物理層被分為上下兩個子層，分別為：下面的子層是對電纜介質(zhì)的說明；上面的子層是介質(zhì)訪問單元（mau）。電纜可以是各種介質(zhì)，如雙絞線，同軸電纜等。mau的主要作用是信息編碼、信號發(fā) 送和介質(zhì)處理等。在osi模型中，數(shù)據(jù)鏈路層的任務(wù)是把物理層轉(zhuǎn)化成可靠的鏈

8、路，使物理層對上層（網(wǎng) 絡(luò)層）看起來好像是不產(chǎn)生差錯的。而ieee 802標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)鏈路層被分為兩個子層：下面的子層是媒體訪問控制子層（mac）；上面的子層是邏輯鏈路控制子層（llc） ollc子層的功能是實(shí)現(xiàn)冇效的數(shù)據(jù)傳輸，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)鏈路層的流量控制和差錯控制。ma c子層的功能是保證物理功能和邏輯功能的連續(xù)性，還把從llc子層收到的數(shù)據(jù)組裝成幀, 并把幀交給物理層進(jìn)行編碼。三. 以太網(wǎng)簡介ieee 802.3所支持的局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)最早是由xerox開發(fā)的，后來通過digital公司、intel 公司和xerox公司聯(lián)合擴(kuò)展為以太網(wǎng)標(biāo)進(jìn)，符合以太網(wǎng)標(biāo)進(jìn)的局域網(wǎng)絡(luò)稱為以太網(wǎng)。1以太網(wǎng)的分類數(shù)據(jù)速率為

9、10mbps的以太網(wǎng)稱為標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)，數(shù)據(jù)速率為100mbps的以太網(wǎng)稱為快速 以太網(wǎng)，數(shù)據(jù)速率為1000mbps的以太網(wǎng)稱為千兆以太網(wǎng)。目前10g以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)也已正式 制定。2.以太網(wǎng)的物理地址以太網(wǎng)上的每一個主機(jī)都有自己的網(wǎng)絡(luò)接口卡（nic ）。網(wǎng)絡(luò)接口卡通常安裝在主機(jī)內(nèi) 部，并為主機(jī)提供一個6字節(jié)的物理地址，如：44-45-53-54-00-00o在遵循ieee802標(biāo)準(zhǔn)的 以太網(wǎng)絡(luò)中，將這個物理地址稱作“mac地址二mac地址是惟一的，任意兩個不同的網(wǎng)絡(luò) 接口卡都具有不同的mac地址。mac地址中的某些位具有特殊的意義，如下圖所示：阮咗iigt.冷圖14以太網(wǎng)的物理地址i/g比特位表示i

10、ndividual/group,當(dāng)i/g位為0時，地址字段表示單個站地址（單播）， 為1時表示組地址，用來進(jìn)行多播。g/l比特位表示global/local,當(dāng)g/l位為1時是全球管理，保證在全球沒有相同的地 址，當(dāng)為0時是本地管理，這時用戶可任意分配網(wǎng)絡(luò)上的地址。以太網(wǎng)mac地址可分為三類：單播地址、廣播地址和多播地址。單播地址（unicast） 是一對一的，該地址是特定主機(jī)的mac地址；廣播地址（broadcast）:廣播地址是一對全 體的，該地址為全1,指明數(shù)據(jù)幀是發(fā)送給所有主機(jī)的。多播地址（multicast）：多播地址 是一對多的，指明數(shù)據(jù)幀是發(fā)送給一部分主機(jī)的。四. 以太網(wǎng)訪問模式

11、當(dāng)多個節(jié)點(diǎn)被連接到一條鏈路上時，叫做多點(diǎn)鏈路或廣播鏈路。這時就需要一個協(xié)議來 協(xié)調(diào)鏈路的訪問，使得同一時刻只有一個節(jié)點(diǎn)訪問鏈路。如果發(fā)生同一時刻多個節(jié)點(diǎn)使用鏈 路的情況，則稱為鏈路發(fā)生了沖突。帶有沖突檢測的載波偵聽多路訪問（csma/cd）是這 樣一種方案。發(fā)送主機(jī)在傳輸過程中仍繼續(xù)監(jiān)聽信道，以檢測是否存在沖突。如果發(fā)生沖突, 信道上可以檢測到超過發(fā)送主機(jī)本身發(fā)送的載波信號的幅度，由此判斷出沖突的存在。一旦 檢測到?jīng)_突，就立即停止發(fā)送，并向總線上發(fā)一串阻塞信號，用以通知總線上其它各有關(guān)主 機(jī)。這樣，通道容量就不致因白白傳送已受損的幀而浪費(fèi)，可以提高總線的利用率。以太網(wǎng) 使用csma/cd作為其

12、訪問模式。五. 以太網(wǎng)的幀格式1以太網(wǎng)的mac幀格式以太網(wǎng)的mac幀格式有兩種標(biāo)準(zhǔn)，一種是dix ethernet v2標(biāo)準(zhǔn)，另一種是ieee的 802.3標(biāo)準(zhǔn)。但兩種幀格式可以在同一以太網(wǎng)絡(luò)共存。兩種幀格式都具有7個域：前導(dǎo)碼、 幀首定界符、目的mac地址、源mac地址、協(xié)議類型或數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)、幀校驗序列。 如下圖所示：前導(dǎo)碼 （7字節(jié)）幀首定界符（1字節(jié)）目的mac地址（6字節(jié)）源mac地址（6字節(jié)）協(xié)議類型或 數(shù)據(jù)長度 （2字節(jié)）數(shù)據(jù)幀校驗序列（4字節(jié)）圖1-5以太網(wǎng)的mac幀格式兩種格式的幀可以依據(jù)協(xié)議類型或數(shù)據(jù)長度字段的值進(jìn)行區(qū)分。如果此幀是dix ether net v2標(biāo)準(zhǔn)格式

13、幀，則“協(xié)議類型或數(shù)據(jù)長度”字段作為協(xié)議類型解釋，其值大于1536（0x 0600）,代表了高層協(xié)議的類型；如果此幀是ieee 802.3標(biāo)準(zhǔn)格式的幀，則“協(xié)議類型或數(shù) 據(jù)長度”字段解釋為數(shù)據(jù)字段長度，其值必小于1518,由于此時高層協(xié)議必定是llc,故 此字段的值用來指示后面數(shù)據(jù)字段的長度。在以太網(wǎng)mac幀格式屮，各個字段（其屮前兩個字段為物理層添加）的含義如下：前導(dǎo)碼：這是以太網(wǎng)幀的第一個域，包含了 7個字節(jié)的二進(jìn)制“1"和“（f間隔的代碼， 即“1010101010”共56位，提示接收方一個數(shù)據(jù)幀即將到來，同吋使接收系統(tǒng)建立起同 步時鐘。幀首定界符：幀首定界符標(biāo)記了幀的開始。它

14、是一個字節(jié)的"10101011-二進(jìn)制序列， 幀首定界符通知接收方后面所有的內(nèi)容都是數(shù)據(jù)，以便接收方對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行定位。目的mac地址：目的mac地址為6個字節(jié)，標(biāo)記了接收該幀的主機(jī)或路由器的物 理地址。由于幀只解決相鄰結(jié)點(diǎn)間的傳輸，因此若如杲數(shù)據(jù)包的目的結(jié)點(diǎn)位于當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)經(jīng)路 由器穿越到的另一個網(wǎng)絡(luò)中，那么該數(shù)據(jù)包封裝在幀中以后，在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中，幀的目的ma c地址應(yīng)設(shè)置為連接當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)到下一網(wǎng)絡(luò)的路由器地址。，當(dāng)數(shù)據(jù)包到達(dá)目的網(wǎng)絡(luò)后， 其封裝幀的目的mac地址域才設(shè)置為目的主機(jī)的mac地址。源mac地址：源mac地址也是6個字節(jié)。它為發(fā)送該幀的設(shè)備的物理地址。該設(shè) 備可以是發(fā)送此數(shù)據(jù)幀的

15、主機(jī)，也可以是最近接收和轉(zhuǎn)發(fā)此幀的路由器。協(xié)議類型或數(shù)據(jù)長度：如果該字段的值小于1518,它用于定義后面數(shù)據(jù)字段的長度（4 61500）；如果該字段的值大于1536 （0x0600）,它定義封裝在幀中的數(shù)據(jù)包的類型（如 0x0800指示后而數(shù)據(jù)字段屮為ip信包）。數(shù)據(jù)：它的長度范圍是從46到1500字節(jié)之間。46是以太網(wǎng)mac幀所封裝的高層協(xié) 議數(shù)據(jù)的最小長度。如果高層協(xié)議的數(shù)據(jù)包小于46字節(jié)，則須填充到46字節(jié)。幀校驗序列：最后一個域是幀校驗序列，以太網(wǎng)采用4字節(jié)的32位冗余校驗（crc）, 進(jìn)行crc除法時使用的除數(shù)為生成多項式crc-32.校驗范圍是除了前導(dǎo)碼、幀首定界符 和幀校驗序列外

16、的所有內(nèi)容。2. llc幀格式llc的幀格式如下圖所示:dsapssap控制lu數(shù)據(jù)圖1-6 llc幀格式其屮，1字節(jié)的dsap （目的服務(wù)訪問點(diǎn)）和1字節(jié)的ssap （源服務(wù)訪問點(diǎn)）是llc 所使用的地址，用來標(biāo)識接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的計算機(jī)上的用戶實(shí)體，這樣使得802.3可以識別 上層協(xié)議。dsap的第一個比特是用來指明幀是為單地址還是組地址，0表示單地址，1表 示組地址。ssap的第一個比特用來指明幀是命令幀還是響應(yīng)幀。0表示命令幀，1表示響 應(yīng)幀。llc定義了三類幀：信息幀（i幀）、監(jiān)控幀（s幀）和無編號幀（u幀）。幀的類型 可從控制字段最高的12位識別。信息幀用于面向連接的應(yīng)用，其控制字段

17、最高位為0；監(jiān) 控幀用于在llc層中進(jìn)行管理監(jiān)督，其控制字段最高兩位為10；無編號幀特別用于無連接 的應(yīng)用，其控制字段最高兩位為11。信息幀和監(jiān)控幀的控制字段皆為2字節(jié)長，而對于無 編號幀，控制字段為1字節(jié)長。下圖表示了 llc三類幀的控制字段的比較：1位7位1位了位0n(s)p/fncr)一幀的控制字段1位1位2位4位1位7位10ssxp/fw(r)s-幀的控制字段1位1位1位1位 1位1位1位1位11mmp/fmmmu-幀的控制字段圖1-7 llc三類幀的控制字段 n（s）：發(fā)送序號。 n（r）：接收序號。 ss：監(jiān)控功能位，00表示準(zhǔn)備接收（rr） ； 10表示未準(zhǔn)備接收（rnr） ； 01表示拒 絕（rej） o m :修正功能位，5個m位可有32種組合，可表示32種命令/響應(yīng)。 x：保留，設(shè)置為0。 p/f： poll/final 位。命令 llc pdu 傳輸 / 響應(yīng) llc pdu 傳輸。3. llc-pdu與相鄰層的pdu之間的關(guān)系ieee 802標(biāo)準(zhǔn)為llc和mac子層的幀格式作了詳細(xì)規(guī)定。下面的圖描述了網(wǎng)絡(luò)層使 用的pdu、llc子層pdu和mac子層pdu z間的關(guān)系