07数据链路层(CSMA协议).pptx

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1、课程负责人：甘卫民课程负责人：甘卫民计算机网计算机网计算机网计算机网络络络络局域网的数据链路层（标准局域网的数据链路层（标准）CSMA/CD协议协议以太网的以太网的MAC层帧格式层帧格式习习题题重点：重点：了解了解CSMA/CDCSMA/CD (工作原理工作原理)；熟熟悉悉IEEE802IEEE802标准；标准；了解了解MACMAC帧的格式结构帧的格式结构难难点：点：CSMA/CDCSMA/CD，以太网帧的格式，以太网帧的格式4ServerServerstationstationstationstationstationstationSwitchSwitchSwitchSwitchhubhub

2、SwitchSwitchServerServerstationstationstationstationstationstation关键问题：多个用户如何在共享介质上进行正确、有效的通信？(share)讨论4:使用广播信道的数据链路层5多个用户在单个信道上进行数据通信时，可采用:FDM TDM WDM CDM问题：联网用户的个数是不确定；每次通信的时机具有突发性；每次通信的数据量具有随机性；所以，所以，上述技术对于局域网通信其效率都不高上述技术对于局域网通信其效率都不高,不不适合适合局域网环境下通信要求。局域网环境下通信要求。局域网一般采用动态分配（随机接入、受控接入）局域网一般采用动态分配（

3、随机接入、受控接入）CSMA/CDCSMA/CD、Token-PassingToken-Passing6讨论4:使用广播信道的数据链路层4.1 局域网的数据链路层（标准）4.2 CSMA/CD 协议4.3 以太网的信道利用率（自学）4.4 以太网的MAC层帧格式4.5 令牌环网（自学）4.6 数据链路层设备（含以太网扩展）4.7 VLAN（虚拟局域网）4.8高速以太网与其他类型的高速局域网（自学）71980年以来，许多国家和国际标准化机构积极进行LAN标准化工作，其中美国电气电子工程师协会（IEEE）的802委员会提出的IEEE802协议集最具影响力，并被ISO作为国际标准。4.1 4.1 局

4、域网的数据链路层（标准）局域网的数据链路层（标准）8IEEE 802 标准所描述的局域网参考模型与准所描述的局域网参考模型与OSI参考参考模型的关系模型的关系:实现将数据链路功能中与底层硬件有关的部分和与硬件无关的部分分开，降低研制互联不同类型物理传输接口数据设备的费用和难度。从网络体系结构看，局域网技术涉及到最底下两层，即数据链路层和物理层。9 802.3CSMA/CD802.4Token Bus802.5Token Ring802.6DQDB802.8FDDI802.2 LLC数据链路层 物理层LLCMAC802.1D Bridge8 0 2 体系结构PHY网际互联10 LLC(Logic

5、al Link Control)子子层向网络层提供一个或多个SAP发送和接收LLC层帧帧编址（LLC与网络层的SAP）帧序号差错控制(CRC)流量控制多路复用针对网络层的传输方式为网络层提供服务网络层LLCMAC物理层()()()LLC帧packet11管理通信实体接入信道并建立数据链路的控制过程（对应不同传输介质采用不同的介质访问控制方法），为LLC层提供统一的接口，使LLC层不必关心底层的具体实现。MAC(Media Access Control)子子层 MAC 帧的封装/拆封MAC地址的编址信道分配方式的选择信道访问方式的选择集中式（由控制器统一授权）分布式（由协议控制）同步机制（信道分

6、割，FDM，TDM，CDM，WDM）异步机制（轮询，预约，竞争，令牌等）网络层LLCMAC物理层()()()LLC帧packetMAC帧12高层数据LLC数据LLC首部MAC数据MAC数据MAC首部MAC尾部LLC层的目的服务访问点(DSAP),源服务访问点SSAP,控制信息MAC层的目的地址DMAC,源地址SMAC,控制信息MAC层的帧校验序列FCSLLC帧与MAC帧的关系13LLCMAC物理层(1)(2)(3)局域网ASAPUVLLCMAC物理层(1)(2)(3)BSAPLLCMAC物理层(1)(2)(3)CSAPXZ高层进程WMAC地址与SAP地址A(1)-C(1)A(2)-B(1)A(

7、3)-B(2)一个用户可以同时使用多个SAP,但是一个SAP在同一时间只能为一个用户使用14IEEE 802IEEE 802标准准IEEE 802.1IEEE 802.1标准标准:局域网体系结构、网络互连，以及网络管局域网体系结构、网络互连，以及网络管理与性能测试；理与性能测试；IEEE 802.2IEEE 802.2标准标准:LLC:LLC子层功能与服务；子层功能与服务；IEEE 802.3IEEE 802.3标准标准:CSMA/CD:CSMA/CD总线介质访问控制子层与物理层总线介质访问控制子层与物理层规范；规范；IEEE 802.4IEEE 802.4标准标准:令牌总线令牌总线(Toke

8、n Bus)(Token Bus)介质访问控制子层介质访问控制子层与物理层规范；与物理层规范；IEEE 802.5IEEE 802.5标准标准:令牌环令牌环(Token Ring)(Token Ring)介质访问控制子层与介质访问控制子层与物理层规范；物理层规范；IEEE 802.6IEEE 802.6标准标准:城域网城域网MANMAN介质访问控制子层与物理层介质访问控制子层与物理层规范；规范；IEEE 802.7IEEE 802.7标准标准:宽带技术；宽带技术；IEEE 802.8IEEE 802.8标准标准:光纤技术；光纤技术；IEEE 802.9IEEE 802.9标准标准:综合语音与数

9、据局域网综合语音与数据局域网IVD LANIVD LAN技术；技术；IEEE 802.10IEEE 802.10标准：可互操作的局域网安全性规范标准：可互操作的局域网安全性规范SILSSILS；IEEE 802.11IEEE 802.11标准：无线局域网技术标准：无线局域网技术;15讨论4:使用广播信道的数据链路层4.1 局域网的数据链路层（标准）4.2 CSMA/CD 协议4.3 以太网的信道利用率（自学）4.4 以太网的MAC层帧格式4.5 令牌环网（自学）4.6 数据链路层设备（含以太网扩展）4.7 VLAN（虚拟局域网）4.8高速以太网与其他类型的高速局域网（自学）164.2 CSMA

10、/CD 4.2 CSMA/CD 协议 n20世纪70年代中期由施乐公司（Bob Metcalfe）提出，数据率为2.94Mb/s，称为Ethernet（以太网）n最初人们认为电磁波是通过“以太”来传播的n经DEC,Intel和Xerox公司改进为10Mb/s标准（DIX标准）n nDIX V1DIX V1（19801980）、）、DIX V2DIX V2（19821982）Ethernet IIEthernet II以太网的产生与发展以太网的产生与发展17最初的以太网是将许多最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总计算机都连接到一根总线上（线上（5050粗缆）。当粗缆）。当初认为这样的连接方法

11、初认为这样的连接方法既简单又可靠，因为总既简单又可靠，因为总线上没有有源器件。线上没有有源器件。总线网18特征：基带传输、总线拓扑、特征：基带传输、总线拓扑、CSMA/CDCSMA/CD、同轴电缆同轴电缆 1985198519851985年被采纳为年被采纳为年被采纳为年被采纳为IEEE 802.3IEEE 802.3，支持多种传输媒体。，支持多种传输媒体。“带有冲突检测的载波监听多路访问方法和带有冲突检测的载波监听多路访问方法和物理层技术规范物理层技术规范-IEEE802.3-IEEE802.3”Ethernet IIEthernet II和和IEEE 802.3IEEE 802.3二者区别很

12、小二者区别很小仅是帧格式和支持的传输介质略有不同仅是帧格式和支持的传输介质略有不同目前已发展到万兆以太网，仍在继续发展目前已发展到万兆以太网，仍在继续发展 19IEEE 802.3 IEEE 802.3 IEEE 802.3 IEEE 802.3 以太网标准（主要的）以太网标准（主要的）以太网标准（主要的）以太网标准（主要的）传统以太网：10Mb/s802.3 粗同轴电缆802.3a 细同轴电缆802.3i 双绞线802.3j 光纤快速以太网（FE）：100Mb/s802.3u 双绞线，光纤千兆以太网（GbE）：1000Mb/s（1Gb/s）802.3z 屏蔽短双绞线、光纤802.3ab 双绞

13、线万兆以太网：10Gb/s802.3ae 光纤20以太网的物理层选项与标识方法速率、信号方式、介质类型速率（Mb/s）基带或宽带Base，Broad每段最大长度（单位:百米）或介质类型（T，F，X）10 Base 5传统以太网10Base5 粗同轴10Base2 细同轴10Base-T UTP 10Base-F MMF快速以太网和千兆以太网100Base-T UTP100Base-F MMF/SMF1000Base-X STP/MMF/SMF1000Base-T UTP21为了通信的了通信的简便便以太网采取了两种重要的措施以太网采取了两种重要的措施 v采用较为灵活的无连接的工作方式，即不必先采

14、用较为灵活的无连接的工作方式，即不必先建立连接就可以直接发送数据。建立连接就可以直接发送数据。v v以太网对发送的数据帧不进行编号，也不要求以太网对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。对方发回确认。这样做的理由是局域网信道的质量很好，因信道质量产这样做的理由是局域网信道的质量很好，因信道质量产生差错的概率是很小的。生差错的概率是很小的。22以太网提供的服以太网提供的服务 v以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。努力的交付。v当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，其他什么也不做。差错的纠正由

15、高层来决定。其他什么也不做。差错的纠正由高层来决定。v如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但以太网并不知道这是一个重传的帧，而是当作以太网并不知道这是一个重传的帧，而是当作一个新的数据帧来发送。一个新的数据帧来发送。23B向 D发送数据 C D A E匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号）匹配电阻不接受不接受不接受接受B只有 D 接受B 发送的数据以太网提供的数据以太网提供的数据传输过程程 24CSMA/CDCSMA/CD 表示表示 Carrier Sense Multiple Access Carrier Sense Multiple Access w

16、ith Collision Detectionwith Collision Detection。“多点接入多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。连接在一根总线上。“载波监听载波监听”是指每一个站在发送数据之前先要是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。总线上并没有什么总线上并没有什么“载波载波”。因此，。因此，“载波监听载波监听”就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机就是用电子技术检测总

17、线上有没有其他计算机发送的数据信号。发送的数据信号。CSMA/CD含义解释25“碰撞检测碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。道上的信号电压大小。当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大（互相叠加）。信号电压摆动值将会增大（互相叠加）。当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞。发送数据，表明产生了碰撞。所谓所谓“碰撞碰撞”就是发生了冲突。因此就

18、是发生了冲突。因此“碰撞检碰撞检测测”也称为也称为“冲突检测冲突检测”。26某站点想要发送数据，它必须首先侦听信道；（发前先听）发前先听）如果信道空闲（9.6s内没有听到信号），立即发送数据,并进行冲突检测；（闲则发，边发便听）（闲则发，边发便听）如果信道忙，继续侦听信道，直到信道变为空闲，等9.6微秒后发送数据,并进行冲突检测；（忙则等，便等边听）（忙则等，便等边听）CSMA/CD协议的工作原理总线网27如果站点在发送数据过程中检测到冲突，立即停止发送数据，然后发送冲突强化信号（Jam）；并采用二进制指数退避算法生成一个随机长的等待时间，等待结束后重新侦听信道。（冲突停发，退避等待，等完重听

19、）冲突停发，退避等待，等完重听）如果整个发送其间,发送站点没有检测到冲突,则认为本次发送成功 （无冲突，则成功）（无冲突，则成功）接收者读取目标地址，然后与自己的地址比较，若不同，则继续侦听，若相同，则把数据包存放在自己的接收缓冲区中，并进行CRC校验，正确则交给上层协议，否则丢弃之。总线网28信道忙？发送帧冲突？发送完？中断发送,发送JamN16?YesNoNoYes发送成功Yes发送失败No延迟随机时间NoYes发送碰撞次数N+1CSMA/CDCSMA/CD工作的流程图工作的流程图29n问题：-一个数据包发送后在多长时间内能够确定是否不会再发生冲突呢？(冲突窗口,最小帧长度)-二进制指数退

20、避算法如何避开冲突?1 kmABt碰撞t=2 A 检测到发生碰撞 t=B 发送数据B 检测到发生碰撞 t=t=0单程端到端传播时延记为 1 kmABt碰撞t=B 检测到信道空闲发送数据t=/2发生碰撞t=2 A 检测到发生碰撞 t=B 发送数据B 检测到发生碰撞 t=ABABAB t=0 A 检测到信道空闲发送数据ABt=0t=B 检测到发生碰撞停止发送STOPt=2 A 检测到发生碰撞STOPAB单程端到端传播时延记为 32发送方边发送边监听信道,在整个发送期内没有听到任何冲突信息,表示发送成功.这就要求在帧中的最后一个bit发送出去前,如果有冲突,则冲突信息应该被发送方监听到为了保证网段中

21、相距最远的两个结点也能避免冲突,要求发送帧的时间最少等于251.2s,此时已经发送64Byte-最小帧长度若接收方实际接收帧长度小于64Byte,则该帧一定是因冲突造成的碎片(发送方发送帧时,发现冲突,停止发送,导致实际帧长小于64Byte)若发送方已经发送超过64Byte还没有发现冲突,则以后也不会再冲突,本次发送成功.最小帧长度问题33结论结论1 1：l对于传输速率为对于传输速率为10M/bps 10M/bps 的网络，因为的网络，因为64Bytes64Bytes的的传输传输时间时间为：为：64*8/10M=64*8/10M=51.251.2s s；所以，；所以，帧的长度不能小于帧的长度不

22、能小于 64 Bytes64 Bytes（不含前导字符和起始字符）。（不含前导字符和起始字符）。以太网的最小以太网的最小帧长度度问题结论n结论结论2 2：l冲突只可能在一帧的前冲突只可能在一帧的前6464字节内发生；字节内发生；l帧长度小于帧长度小于6464字节时，在发送过程中将无法检测出冲突；字节时，在发送过程中将无法检测出冲突；l长度小于长度小于6464字节的帧（碎片帧）都是无效帧。字节的帧（碎片帧）都是无效帧。34确定基本退避时间,一般为争用期2=51.2s二进制指数退避算法定义一个参数K,K=min当前冲突次数,10从离散的整数集0,1,2,3,2K-1中随机地选取一个数,记为r确定退

23、避等待时间为2r=51.2r冲突次数退避等待时间在第16次冲突发生后,放弃发送尝试,并报告高层(LLC)实体,进一步的工作由高层协议决定.35n使用 CSMA/CD 协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信（半双工通信）。n每个站在发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。n这种发送的不确定性使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率。CSMA/CD的优缺点36v控制简单，易于实现；v网络负载轻（40以内）时，有较好的性能延迟较小v网络负载重时，性能急剧下降冲突数量增加各工作站需要频繁执行重发操作大量的重发操作反过来又使冲突率进一步增加网络延迟增大延迟时间不可预计（

24、非确定性延迟）37讨论4:使用广播信道的数据链路层4.1 局域网的数据链路层（标准）4.2 CSMA/CD 协议4.3 以太网的信道利用率（自学）4.4 以太网的MAC层帧格式4.5 令牌环网（自学）4.6 数据链路层设备（含以太网扩展）4.7 VLAN（虚拟局域网）4.8高速以太网与其他类型的高速局域网（自学）384.3 4.3 以太网的信道利用率以太网的信道利用率 （自学）（自学）v以太网的信道被占用的情况：以太网的信道被占用的情况：v争用期长度为争用期长度为 2 2，即端到端传播时延的两倍。检，即端到端传播时延的两倍。检测到碰撞后不发送干扰信号。测到碰撞后不发送干扰信号。v帧长为帧长为

25、L L(bit)(bit)，数据发送速率为，数据发送速率为 C C(b/s)(b/s)，因而，因而帧的发送时间为帧的发送时间为 L L/C C=T T0 0(s)(s)。39v一个帧从开始发送，经可能发生的碰撞后，将再一个帧从开始发送，经可能发生的碰撞后，将再重传数次，到发送成功且信道转为空闲重传数次，到发送成功且信道转为空闲(即再经过即再经过时间时间 使得信道上无信号在传播使得信道上无信号在传播)时为止，是发时为止，是发送一帧所需的平均时间。送一帧所需的平均时间。发 送 成 功 争用期 争用期 争用期 222T0t占用期 发生碰撞 发送一帧所需的平均时间40v要提高以太网的信道利用率，就必须

26、减小要提高以太网的信道利用率，就必须减小 与与 T T0 0 之比。在以太网中定义了参数之比。在以太网中定义了参数 a a，它是以太网单，它是以太网单程端到端时延程端到端时延 与帧的发送时间与帧的发送时间 T T0 0 之比：之比：a0 表示一发生碰撞就立即可以检测出来，并立即停止发送，因而信道利用率很高。a 越大，表明争用期所占的比例增大，每发 生一次碰撞就浪费许多信道资源，使得信道 利用率明显降低。41对以太网参数的要求以太网参数的要求v当数据率一定时，以太网的连线的长度受到限当数据率一定时，以太网的连线的长度受到限制，否则制，否则 的数值会太大。的数值会太大。v以太网的帧长不能太短，否则

27、以太网的帧长不能太短，否则 T T0 0 的值会太小，的值会太小，使使 a a 值太大。值太大。42v在在理理想想化化的的情情况况下下，以以太太网网上上的的各各站站发发送送数数据据都都不不会会产产生生碰碰撞撞（这这显显然然已已经经不不是是 CSMA/CDCSMA/CD，而而是是需需要要使使用用一一种种特特殊殊的的调调度度方方法法），即即总总线线一一旦旦空空闲就有某一个站立即发送数据。闲就有某一个站立即发送数据。v发发送送一一帧帧占占用用线线路路的的时时间间是是 T T0 0 +，而而帧帧本本身身的的发发送送时时间间是是 T T0 0。于于是是我我们们可可计计算算出出理理想想情情况况下下的的极限

28、信道利用率极限信道利用率 S Smaxmax为：为：信道利用率的最大信道利用率的最大值 S Smaxmax (3-3)43讨论4:使用广播信道的数据链路层4.1 局域网的数据链路层（标准）4.2 CSMA/CD 协议4.3 以太网的信道利用率（自学）4.4 以太网的MAC层帧格式4.5 令牌环网（自学）4.6 数据链路层设备（含以太网扩展）4.7 VLAN（虚拟局域网）4.8高速以太网与其他类型的高速局域网（自学）444.4 以太网MAC帧格式DIX(DEC,Intel,Xerox)帧结构IEEE802.3帧结构以太网MAC 帧格式：458 6 6 2 0-1500 0-46 4Preambl

29、e先导域DestinationAddress目的地址SourceAddress源地址Type类型Data数据Pad填充域Checksum校验和(bytes)Preamble先导域DestinationAddress目的地址SourceAddress源地址Length长度Data数据Pad填充域Checksum校验和SFDDIX帧格式IEEE802.3帧格式7 1 6 6 2 0-1500 0-46 4(bytes)46前导域:8个字节(Bytes),每个字节模式为10101010，该字段的曼彻斯特编码会产生10MHz，持续时间为 6.4s，以便接收方和发送的时钟进行同步；1.Preamble(

30、先导域)10110010472.SFD(帧开始标志)在IEEE802.3帧格式中,先导域只占7个字节,第8个字节为帧开始标志,模式为1010101110110011Preamble先导域DestinationAddress目的地址SourceAddress源地址Length长度Data数据Pad填充域Checksum校验和SFDIEEE802.3帧格式7 1 6 6 2 0-1500 0-46 4(bytes)483.DA(目的地址),SA(源地址)Preamble先导域DestinationAddress目的地址SourceAddress源地址Length长度Data数据Pad填充域Chec

31、ksum校验和SFDIEEE802.3帧格式7 1 6 6 2 0-1500 0-46 4(bytes)例如:AC-DE-48-04-7A-806段,每段8bit,16进制表示机构唯一标识符,从RAC处购买扩展标识符,生产厂家自定RAC-IEEE注册管理委员会,LAN全球地址的法定管理机构49用这种方法得到48bit地址,称为MAC-48 或EUI-48,该地址是网卡的硬件地址,被固化在网卡中,用户不能改变注意：MAC地址称为物理地址，它是网络节点的全球唯一的标识符，与其物理位置无关是在数据链路层进行处理，而不是在物理层49在实际发送时地址为采用低位在前发送,而主机内则采用高为在前,所以发送和

32、接收时都要通过调用相应函数做地址位转化例如:AC-DE-48-04-7A-80高位低位AC-10101100发送中:0011010150长度：指明数据部分的字节数，01500 Bytes4.Type/Length(类型/长度)Preamble先导域DestinationAddress目的地址SourceAddress源地址Length长度Data数据Pad填充域Checksum校验和SFDIEEE802.3帧格式7 1 6 6 2 0-1500 0-46 4(bytes)占2个字节,16bit,在DIX帧格式中表示类型,在IEEE802.3帧格式中表示长度Type=0X08000X08060X

33、0835IPARPRARP51Preamble先导域DestinationAddress目的地址SourceAddress源地址Length长度Data数据Pad填充域Checksum校验和SFDIEEE802.3帧格式7 1 6 6 2 0-1500 0-46 4(bytes)5.Data(数据)-NPDU(01500bytes)Preamble先导域DestinationAddress目的地址SourceAddress源地址Length长度Data数据Pad填充域Checksum校验和SFDIEEE802.3帧格式7 1 6 6 2 0-1500 0-46 4(bytes)8 6 6 2

34、0-1500 0-46 4Preamble先导域DestinationAddress目的地址SourceAddress源地址Type类型Data数据Pad填充域Checksum校验和(bytes)DIX帧格式5.Data(数据)-LLC-PDU(01500bytes)52Preamble先导域DestinationAddress目的地址SourceAddress源地址Length长度Data数据Pad填充域Checksum校验和SFDIEEE802.3帧格式7 1 6 6 2 0-1500 0-46 4(bytes)6.Pad(填充域)-046 Bytes；为了确保64 Bytes 的 最小帧

35、长，当数据的字节数不够时进行填充。64 目的地址（6）源地址（6）长度（2）CRC(4)=46 Bytes 537.Checksum(校验和,FCS-frame checksum sequences)-4Bytes,32bitCRC校验：为了保证发送数据的正确性，在发送端根据发送的数据产生一个校验码（循环冗余码），附加在数据的后面一起发送到接收端，接收端对收到的数据按发送端形成循环冗余码同样的算法进行校验，若有错，则要求对方重发。校验范围为：目的地址、源地址、长度/类型、数据和PAD 802.3的生成多项式为：G(X)=X32+X26+X23+X22+X16+X11+X10+X8+X7+X5+X4+X2+X1+154Preamble先导域DestinationAddress目的地址SourceAddress源地址TYPE类型Data数据Pad填充域Checksum校验和DIX帧格式8 6 6 2 0-1500 0-46 4(bytes)vP119 3-21，3-22，3-23，3-24，3-25，3-27Excisses and Thinking