计算机网络-第三章数据链路层.ppt

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1、第3章 链路层Data Link Layer四川师范大学计算机科学学院CollegeofComputerScienceSichuanNormalUniversity刘霞本章主要内容本章主要内容n3.1使用点对点信道的数据链路层n3.2点对点协议PPPn3.3使用广播信道的数据链路层n3.4使用广播信道的以太网n3.5扩展的以太网n3.6高速以太网n3.7其他类型的高速局域网或接口数据链路层数据链路层数据链路层使用的信道主要有以下两种类型：n点对点信道。这种信道使用一对一的点对点通信方式。n点对点通信每条物理线路介质仅仅连接一对对等实体，不涉及第三方，在某一个时间片内，点对点网络只有两个设备进行

2、通信，独享整个信道带宽，不存在冲突问题n广播信道。这种信道使用一对多的广播通信方式，因此过程比较复杂。广播信道上连接的主机很多，因此必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机的数据发送。n广播通信只有一条供各个节点共享的通信信道，任意一个节点所发生的报文可被所有其他节点接收数据链路层的简化模型局域网广域网主机H1主机 H2路由器R1路由器 R2路由器 R3电话网局域网主机H1向H2发送数据链路层应用层运输层网络层物理层链路层应用层运输层网络层物理层链路层网络层物理层链路层网络层物理层链路层网络层物理层R1R2R3H1H2从层次上来看数据的流动数据链路层实现点到点的帧的无差错的传输局域网广域网主机

3、H1主机H2路由器R1路由器R2路由器 R3电话网局域网主机H1向H2发送数据链路层应用层运输层网络层物理层链路层应用层运输层网络层物理层链路层网络层物理层链路层网络层物理层链路层网络层物理层R1R2R3H1H2仅从数据链路层观察帧的流动数据链路层的简化模型(续)n链路(link)就是一条无源的点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换结点。n数据链路(datalink)除了必须有一条物理线路外，还必须有一些必要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。n现在最常用的方法是使用适配器（即网卡）来实现这些协议的硬件和软件。n一般的适配器都包括了数据链

4、路层和物理层这两层的功能。3.1 使用点对点信道的数据链路层使用点对点信道的数据链路层3.1.1 数据链路和帧数据链路和帧 IP数据报10100110帧取出数据链路层网络层链路结点A结点B物理层数据链路层结点A结点B帧(a)(b)发送帧接收链路IP数据报10100110帧装入数据链路层传送的是帧数据链路层像个数字管道数据链路层像个数字管道 n常常在两个对等的数据链路层之间画出一个数字管道，而在这条数字管道上传输的数据单位是帧。n早期的数据通信协议曾叫作通信规程(procedure)。因此在数据链路层，规程和协议是同义语。结点结点帧帧n数据链路层的主要功能归纳如下：(1)链路管理:数据链路的建立

5、、维持和释放就叫做链路管理(2)帧定界（帧同步）：确定帧的界限(3)流量控制：发方的数据的速率必须使收方来得及接收(4)差错控制：收方可以检测出收到的帧有差错(5)将数据和控制信息区分开：区分处于同一帧中的数据和控制信息(6)透明传输：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。(7)寻址：保证每一帧都能送到正确的目的站。3.1.2 三个基本问题三个基本问题(1)封装成帧(2)透明传输(3)差错控制1.封装成帧封装成帧n封装成帧(framing)就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部，然后就构成了一个帧。确定帧的界限。n首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界。帧结束帧首部IP数据报

6、帧的数据部分帧尾部MTU数据链路层的帧长开始发送帧开始用控制字符进行帧定界的方法举例用控制字符进行帧定界的方法举例 SOH装在帧中的数据部分帧帧开始符帧结束符发送在前EOT2.透明传输透明传输SOHEOT出现了“EOT”被接收端当作无效帧而丢弃被接收端误认为是一个帧数据部分EOT完整的帧发送在前解决透明传输问题解决透明传输问题n发送端的数据链路层在数据中出现控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入一个转义字符“ESC”(其十六进制编码是1B)。n字节填充(bytestuffing)或字符填充(characterstuffing)接收端的数据链路层在将数据送往网络层之前删除插入的转义字符。n如果

7、转义字符也出现数据当中，那么应在转义字符前面插入一个转义字符。当接收端收到连续的两个转义字符时，就删除其中前面的一个。SOHSOHEOTSOHESCESCEOTESCSOHESCESCESCSOH原始数据EOTEOT经过字节填充后发送的数据字节填充字节填充字节填充字节填充发送在前帧开始符帧结束符用字节填充法解决透明传输的问题用字节填充法解决透明传输的问题 SOH3.差错检测差错检测n在传输过程中可能会产生比特差错：1可能会变成0而0也可能变成1。n在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比率称为误码率BER(BitErrorRate)。n误码率与信噪比有很大的关系。n为了保证数据传输的可

8、靠性，在计算机网络传输数据时，必须采用各种差错检测措施。循环冗余检验的原理循环冗余检验的原理 n在数据链路层传送的帧中，广泛使用了循环冗余检验CRC的检错技术。n在发送端，先把数据划分为组。假定每组k 个比特。n假设待传送的一组数据M=101001（现在k=6）。我们在M 的后面再添加供差错检测用的n位冗余码一起发送。冗余码的计算冗余码的计算 n用二进制的模2运算进行2n 乘M 的运算，这相当于在M 后面添加n 个0。n得到的(k+n)位的数除以事先选定好的长度为(n+1)位的除数P，得出商是Q 而余数是R，余数R 比除数P 少1位，即R 是n位。冗余码的计算举例冗余码的计算举例 n现在 k=

9、6,M=101001。n设 n=3,除数P=1101，n被除数是2nM=101001000。n模2运算的结果是：商Q=110101，余数R=001。n把余数R 作为冗余码添加在数据M 的后面发送出去。发送的数据是：2nM+R即：101001001，共(k+n)位。110101Q(商)P(除数)11011010010002nM(被除数)11011110110101110000111011010110000011001101001R(余数)，作为FCS 循环冗余检验的原理说明循环冗余检验的原理说明 n一种较方便的方法是用多项式来表示循环冗余校验过程，即使用多项式相应的系数表示上述二进制中的1和0，

10、例如，可以用多项式P(X)=X5+X4+X2+1来表示上面的除数P（110101），称为生成多项式，因此，在接收端进行的运算可写为：XnM(X)+R(X)P(X)n只要得出的余数R不为0，就表示检测到了差错。n但这种检测方法并不能确定究竟是哪一个或哪几个比特出现了差错。n一旦检测出差错，就丢弃这个出现差错的帧。检测出差错检测出差错 n只要经过严格的挑选，并使用位数足够多的除数P，那么出现检测不到的差错的概率就很小很小。目前广泛使用的P(X)有以下几种：CRC-16=X16+X15+X2+1CRC-CCITT=X16+X12+X5+1CRC-32=X32+X26+X23+X22+X16+X12+

11、X11+X10+X8+X7+X5+X4+X2+1n例如：g(x)=x4+x3+x2+1,(7,3)码,信息码110产生的CRC码就是：10111101|110,00001110110100111011001余数是1001，所以CRC码是110,1001帧检验序列帧检验序列 FCS n在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列FCS(FrameCheckSequence)。n循环冗余检验CRC和帧检验序列FCS并不等同。nCRC是一种常用的检错方法，而FCS是添加在数据后面的冗余码。nFCS可以用CRC这种方法得出，但CRC并非用来获得FCS的唯一方法。接收端对收到的每一帧进行接收端对收到的每一帧进

12、行 CRC 检验检验 n(1)若得出的余数R=0，则判定这个帧没有差错，就接受(accept)。n(2)若余数R0，则判定这个帧有差错，就丢弃。n但这种检测方法并不能确定究竟是哪一个或哪几个比特出现了差错。n只要经过严格的挑选，并使用位数足够多的除数P，那么出现检测不到的差错的概率就很小很小。应当注意应当注意 n仅用循环冗余检验CRC差错检测技术只能做到无差错接受(accept)。n“无差错接受”是指：“凡是接受的帧（即不包括丢弃的帧），我们都能以非常接近于1的概率认为这些帧在传输过程中没有产生差错”。n也就是说：“凡是接收端数据链路层接受的帧都没有传输差错”（有差错的帧就丢弃而不接受）。n要

13、做到“可靠传输”（即发送什么就收到什么）就必须再加上确认和重传机制。3.2点对点协议点对点协议 PPP 1、HDLC 协议概述协议概述n1974年，IBM公司推出了面向比特的规程SDLC(SynchronousDataLinkControl)。n后来ISO把SDLC修改后称为HDLC(High-levelDataLinkControl)，译为高级数据链路控制，作为国际标准ISO3309。nCCITT则将HDLC再修改后称为链路接入规程LAP(LinkAccessProcedure)。不久，HDLC的新版本又把LAP修改为LAPB，“B”表示平衡型(Balanced)，所以LAPB叫做链路接入规

14、程(平衡型)。nHDLC适用于链路的两种基本配置：n非平衡配置由主站和次站组成，主站控制整个链路的工作，发出的帧叫命令，次站发出的帧叫响应。数据传输方式NRM:主站发了命令，次站才响应ARM：双方都可以发，但本次会话的建立、释放等由主站负责。n平衡配置链路两端都是复合站，同时具备主站和从站的功能，每个复合站都能发命令和响应。3.2 点对点协议点对点协议 PPP 3.2.1 PPP 协议的特点协议的特点 n现在全世界使用得最多的数据链路层协议是点对点协议PPP(Point-to-PointProtocol)。n用户使用拨号电话线接入因特网时，一般都是使用PPP协议。用户到用户到 ISP 的链路使

15、用的链路使用 PPP 协议协议 用户至因特网已向因特网管理机构申请到一批 IP 地址ISP接入网PPP协议用户拨号入网的示意图用户拨号入网的示意图 路由器调制解调器调制解调器因特网服务提供者(ISP)用户家庭拨号电话线使用TCP/IP的PPP连接使用TCP/IP的客户进程路由选择进程至因特网PC机1.PPP 协议应满足的需求协议应满足的需求 n简单这是首要的要求n封装成帧n透明性n多种网络层协议n多种类型链路n差错检测n检测连接状态n最大传送单元n网络层地址协商n数据压缩协商2.PPP 协议不需要的功能协议不需要的功能n纠错n流量控制n序号n多点线路n半双工或单工链路3.PPP 协议的组成协议

16、的组成 n1992年制订了PPP协议。经过1993年和1994年的修订，现在的PPP协议已成为因特网的正式标准RFC1661。nPPP协议有三个组成部分n一个将IP数据报封装到串行链路的方法。n链路控制协议LCP(LinkControlProtocol)。n网络控制协议NCP(NetworkControlProtocol)。3.2.2 PPP 协议的帧格式协议的帧格式n标志字段F=0 x7E（符号“0 x”表示后面的字符是用十六进制表示。十六进制的7E的二进制表示是01111110）。n地址字段A只置为0 xFF。地址字段实际上并不起作用。n控制字段C通常置为0 x03。nPPP是面向字节的，

17、所有的PPP 帧的长度都是整数字节。PPP 协议的帧格式协议的帧格式nPPP有一个2个字节的协议字段。n当协议字段为0 x0021时，PPP帧的信息字段就是IP数据报。n若为0 xC021,则信息字段是PPP链路控制数据。n若为0 x8021，则表示这是网络控制数据。IP数据报1211字节12不超过1500字节PPP帧先发送7EFF03FACFCSF7E协议信息部分首部尾部透明传输问题透明传输问题 n当PPP用在同步传输链路时，协议规定采用硬件来完成比特填充（和HDLC的做法一样）。n当PPP用在异步传输时，就使用一种特殊的字符填充法。字符填充字符填充 n将信息字段中出现的每一个0 x7E字节

18、转变成为2字节序列(0 x7D,0 x5E)。n若信息字段中出现一个0 x7D的字节,则将其转变成为2字节序列(0 x7D,0 x5D)。n若信息字段中出现ASCII码的控制字符（即数值小于0 x20的字符），则在该字符前面要加入一个0 x7D字节，同时将该字符的编码加以改变。零比特填充零比特填充 nPPP协议用在SONET/SDH链路时，是使用同步传输（一连串的比特连续传送）。这时PPP协议采用零比特填充方法来实现透明传输。n在发送端，只要发现有5个连续1，则立即填入一个0。接收端对帧中的比特流进行扫描。每当发现5个连续1时，就把这5个连续1后的一个0删除，01001111101000101

19、001001111110001010010011111010001010信息字段中出现了和标志字段F完全一样的8比特组合发送端在5个连1之后填入0比特再发送出去在接收端把5个连1之后的0比特删除会被误认为是标志字段F发送端填入0比特接收端删除填入的0比特零比特填充 不提供使用序号和确认不提供使用序号和确认的可靠传输的可靠传输 nPPP协议之所以不使用序号和确认机制是出于以下的考虑：n在数据链路层出现差错的概率不大时，使用比较简单的PPP协议较为合理。n在因特网环境下，PPP的信息字段放入的数据是IP数据报。数据链路层的可靠传输并不能够保证网络层的传输也是可靠的。n帧检验序列FCS字段可保证无差

20、错接受。3.2.3 PPP 协议的工作状态协议的工作状态 n当用户拨号接入ISP时，路由器的调制解调器对拨号做出确认，并建立一条物理连接。nPC机向路由器发送一系列的LCP分组（封装成多个PPP帧）。n这些分组及其响应选择一些PPP参数，和进行网络层配置，NCP给新接入的PC机分配一个临时的IP地址，使PC机成为因特网上的一个主机。n通信完毕时，NCP释放网络层连接，收回原来分配出去的IP地址。接着，LCP释放数据链路层连接。最后释放的是物理层的连接。设备之间无链路链路静止链路建立鉴别网络层协议链路打开链路终止物理链路LCP链路已鉴别的LCP链路已鉴别的LCP链路和NCP链路物理层连接建立LC

21、P配置协商鉴别成功或无需鉴别NCP配置协商链路故障或关闭请求LCP链路终止鉴别失败LCP配置协商失败3.3 使用广播信道的数据链路层使用广播信道的数据链路层3.3.1 局域网的数据链路层局域网的数据链路层 n局域网最主要的特点是：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。n局域网具有如下的一些主要优点：n具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网。局域网上的主机可共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源。n便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活调整和改变。n提高了系统的可靠性、可用性和残存性。局域网的拓扑局域网的拓扑 匹配电阻集线器干线耦合器总线网星形网树形网 环形网媒体共享技术

22、媒体共享技术n静态划分信道n频分复用n时分复用n波分复用n码分复用n动态媒体接入控制（多点接入）n随机接入n受控接入，如多点线路探询(polling)，或轮询。1、以太网的两个标准、以太网的两个标准 nDIXEthernetV2是世界上第一个局域网产品（以太网）的规约。nIEEE的802.3标准。nDIXEthernetV2标准与IEEE的802.3标准只有很小的差别，因此可以将802.3局域网简称为“以太网”。n严格说来，“以太网”应当是指符合DIXEthernetV2标准的局域网数据链路层的两个子层数据链路层的两个子层 n为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，802委员会就将局域网的

23、数据链路层拆成两个子层：n逻辑链路控制LLC(LogicalLinkControl)子层n媒体接入控制MAC(MediumAccessControl)子层。n与接入到传输媒体有关的内容都放在MAC子层，而LLC子层则与传输媒体无关，不管采用何种协议的局域网对LLC子层来说都是透明的局域网对局域网对 LLC 子层子层是透明的是透明的 局域网网络层物理层站点1网络层物理层逻辑链路控制LLCLLC媒体接入控制MACMAC数据链路层站点2LLCLLC子层看不见子层看不见下面的局域网下面的局域网以后一般不考虑以后一般不考虑 LLC 子层子层 n由于TCP/IP体系经常使用的局域网是DIXEthernet

24、V2而不是802.3标准中的几种局域网，因此现在802委员会制定的逻辑链路控制子层LLC（即802.2标准）的作用已经不大了。n很多厂商生产的适配器上就仅装有MAC协议而没有LLC协议。2.适配器的作用适配器的作用 n网络接口板又称为通信适配器(adapter)或网络接口卡NIC(NetworkInterfaceCard)，或“网卡”。n适配器的重要功能：n进行串行/并行转换。n对数据进行缓存。n在计算机的操作系统安装设备驱动程序。n实现以太网协议。计算机是怎样连接到局域网上的呢？计算机是怎样连接到局域网上的呢？计算机通过适配器计算机通过适配器和局域网进行通信和局域网进行通信 硬件地址至局域网

25、适配器（网卡）串行通信CPU和存储器生成发送的数据处理收到的数据把帧发送到局域网从局域网接收帧计算机IP地址并行通信n最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。当初认为这样的连接方法既简单又可靠，因为总线上没有有源器件。3.3.2 CSMA/CD 协议协议 B向D发送数据CDAE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发送的数据以太网的广播方式发送以太网的广播方式发送 n总线上的每一个工作的计算机都能检测到B发送的数据信号。n由于只有计算机D的地址与数据帧首部写入的地址一致，因此只有D才接收这个数据帧。n其他所有的计算机（A,C和E）都检测到不是发送

26、给它们的数据帧，因此就丢弃这个数据帧而不能够收下来。n具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。为了通信的简便为了通信的简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 n采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。n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。n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。以太网提供的服务以太网提供的服务 n以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。n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。差错的纠正由高层来决定。n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

27、这是一个重传的帧，而是当作一个新的数据帧来发送。CSMA(Carrier Sense Multiple Access)nCSMA的控制方案：n（1）一个站要发送，首先需要监听总线，以决定介质上是否存在其他站的发送信号。n（2）如果介质是空闲的，则可以发送。n（3）如果介质忙，则等待一段间隔后再重试。n坚持退避算法：（1）非坚持CSMA：假如介质是空闲的，则发送；假如介质是忙的，等待一段时间，重复第一步。利用随机的重传时间来减少冲突的概率，缺点：是即使有几个站有数据发送，介质仍然可能牌空闲状态，介质的利用率较低。（2）1-坚持CSMA：假如介质是空闲的，则发送；假如介质是忙的，继续监听，直到介质

28、空闲，立即发送；假如冲突发生，则等待一段随机时间，重复第一步。缺点：假如有两个或两个以上的站点有数据要发送，冲突就不可避免的。（3）P-坚持CSMA：假如介质是空闲的，则以P的概率发送，而以（1-P）的概率延迟一个时间单位，时间单位等于最大的传播延迟时间；假如介质是忙的，继续监听，直到介质空闲，重复第一步；假如发送被延迟一个时间单位，则重复第一步。nCSMA/CD是1-坚持型CSMA方式的一种改进型式。它的控制规则增加了如下三个重要措施：n（1）“边说边听”任一发送站在发送数据帧期间要保持侦听信道的碰撞情况。一旦检测到碰撞发生,应立即中止发送,不管当前发的这一帧是否发完。n（2）“争用期”任一

29、发送站若能完整地发完一个帧,则停顿一个争用期，并倾听信道情况。若在此期间未发生碰撞,则可确认该帧已发送成功。此时间区间又称为“碰撞检测窗口”。n（3）“强化干扰”（Jamming）发送站在检测到碰撞并停止发送后,立即改为发送一小段“强化干扰”信号,以加强碰撞检测效果。载波监听多点接入载波监听多点接入/碰撞检测碰撞检测CSMA/CD载波监听多点接入载波监听多点接入/碰撞检测碰撞检测 CSMA/CD nCSMA/CD表示CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection。n“多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。n“载波监听”是指每

30、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，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。n总线上并没有什么“载波”。因此，“载波监听”就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号。碰撞检测碰撞检测n“碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。n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）。n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发送数据，表明产生了碰撞。n所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。检测到碰撞后检测到碰撞后n在发生碰撞时，总线上传输的信号产生

31、了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来。n每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送。电磁波在总线上的电磁波在总线上的有限传播速率的影响有限传播速率的影响 n当某个站监听到总线是空闲时，也可能总线并非真正是空闲的。nA向B发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到B。nB若在A发送的信息到达B之前发送自己的帧(因为这时B的载波监听检测不到A所发送的信息)，则必然要在某个时间和A发送的帧发生碰撞。n碰撞的结果是两个帧都变得无用。1kmABt碰撞t=2A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

32、传播时延记为传播时延对载波监听的影响 1kmABt碰撞t=B检测到信道空闲发送数据t=/2发生碰撞t=2A检测到发生碰撞 t=B发送数据B检测到发生碰撞 t=ABABAB t=0A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=2A检测到发生碰撞STOPAB单程端到端传播时延记为重要特性重要特性n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。争用期争用期n最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间

33、2（两倍的端到端往返时延）就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。n以太网的端到端往返时延2 称为争用期，或碰撞窗口。n经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。二进制指数类型退避算法二进制指数类型退避算法(truncated binary exponential type)n发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟（退避）一个随机时间才能再发送数据。n确定基本退避时间，一般是取为争用期2。n定义重传次数k，k 10，即k=Min重传次数,10n从整数集合0,1,(2k 1)中随机地取出一个数，记为r。重传所需的时延就是r 倍的基本退避时间。n当重传达16次仍不能成功时即丢弃该

34、帧，并向高层报告。争用期的长度争用期的长度 n以太网取51.2s为争用期的长度。n对于10Mb/s以太网，在争用期内可发送512bit，即64字节。n以太网在发送数据时，若前64字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。最短有效帧长最短有效帧长 n如果发生冲突，就一定是在发送的前64字节之内。n由于一检测到冲突就立即中止发送，这时已经发送出去的数据一定小于64字节。n以太网规定了最短有效帧长为64字节，凡长度小于64字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。强化碰撞强化碰撞 n当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时：n立即停止发送数据；n再继续发送若干比特的人为干扰信号(jammingsigna

35、l)，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。数据帧干扰信号 TJ人为干扰信号人为干扰信号 ABTBt B发送数据A检测到冲突开始冲突信道占用时间A发送数据B也能够检测到冲突，并立即停止发送数据帧，接着就发送干扰信号。这里为了简单起见，只画出A发送干扰信号的情况。3.4 使用广播信道的以太网使用广播信道的以太网3.4.1 使用集线器的星形拓扑使用集线器的星形拓扑n传统以太网最初是使用粗同轴电缆，后来演进到使用比较便宜的细同轴电缆，最后发展为使用更便宜和更灵活的双绞线。n这种以太网采用星形拓扑，在星形的中心则增加了一种可靠性非常高的设备，叫做集线器(hub)使用集线器的双绞线以太网使用集线器的双

36、绞线以太网 集线器两对双绞线站点RJ-45插头星形网星形网 10BASE-T n不用电缆而使用无屏蔽双绞线。每个站需要用两对双绞线，分别用于发送和接收。n集线器使用了大规模集成电路芯片，因此这样的硬件设备的可靠性已大大提高了。具有三个接口的集线器具有三个接口的集线器 集线器网卡工作站网卡工作站网卡工作站双绞线集线器是如何进行工作的呢？集线器的一些特点集线器的一些特点 n集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线的工作，因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行。n使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各工作站使用的还是CSMA/CD 协议，并共享逻辑上的总线。n集线器很像一个多接口的转发器，工作

37、在物理层，它的各个端口只是简单的转发比特，不进行碰撞检测。以太网在局域网中的统治地位以太网在局域网中的统治地位n10BASE-T的通信距离稍短，每个站到集线器的距离不超过100m。n这种10Mb/s速率的无屏蔽双绞线星形网的出现，既降低了成本，又提高了可靠性。n10BASE-T双绞线以太网的出现，是局域网发展史上的一个非常重要的里程碑，它为以太网在局域网中的统治地位奠定了牢固的基础。3.4.2 以太网的信道利用率以太网的信道利用率 n以太网的信道被占用的情况：n争用期长度为2，即端到端传播时延的两倍。检测到碰撞后不发送干扰信号。n帧长为L(bit)，数据发送速率为C(b/s)，因而帧的发送时间

38、为L/C=T0(s)。以太网的信道利用率以太网的信道利用率 n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(即再经过时间 使得信道上无信号在传播)时为止，是发送一帧所需的平均时间。发 送 成 功 争用期 争用期 争用期 2 2 2T0t占用期 发生碰撞 发送一帧所需的平均时间参数参数 a n要提高以太网的信道利用率，就必须减小 与T0之比。在以太网中定义了参数a，它是以太网单程端到端时延 与帧的发送时间T0之比：(3-2)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

39、，使得信道利用率明显降低。对以太网参数的要求对以太网参数的要求n当数据率一定时，以太网的连线的长度受到限制，否则 的数值会太大。n以太网的帧长不能太短，否则T0的值会太小，使a 值太大。n在理想化的情况下，以太网上的各站发送数据都不会产生碰撞（这显然已经不是CSMA/CD，而是需要使用一种特殊的调度方法），即总线一旦空闲就有某一个站立即发送数据。n发送一帧占用线路的时间是T0+，而帧本身的发送时间是T0。于是我们可计算出理想情况下的极限信道利用率Smax为：信道利用率的最大值信道利用率的最大值 Smax(3-3)3.4.3 以太网的以太网的 MAC 层层1.MAC 层的硬件地址层的硬件地址 n

40、在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或MAC地址。n802 标准所说的“地址”严格地讲应当是每一个站的“名字”或标识符。n但鉴于大家都早已习惯了将这种48位的“名字”称为“地址”，所以本书也采用这种习惯用法，尽管这种说法并不太严格。48 位的位的 MAC 地址地址nIEEE的注册管理机构RA负责向厂家分配地址字段的前三个字节(即高位24位)。n地址字段中的后三个字节(即低位24位)由厂家自行指派，称为扩展标识符，必须保证生产出的适配器没有重复地址。n一个地址块可以生成224个不同的地址。这种48位地址称为MAC-48，它的通用名称是EUI-48。n“MAC地址”实际上就是适配器地址或适配器标识

41、符EUI-48。适配器检查适配器检查 MAC 地址地址 n适配器从网络上每收到一个MAC帧就首先用硬件检查MAC帧中的MAC地址.n如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他的处理。n否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。n“发往本站的帧”包括以下三种帧：n单播(unicast)帧（一对一）n广播(broadcast)帧（一对全体）n多播(multicast)帧（一对多）2.MAC 帧的格式帧的格式 n常用的以太网MAC帧格式有两种标准：nDIXEthernetV2标准nIEEE的802.3标准n最常用的MAC帧是以太网V2的格式。以太网MAC帧物理层MAC层前同步码帧开始定界符7字节1字节8字

42、节插入IP层目的地址 源地址类型数据FCS6624字节461500IP数据报MACMAC帧帧以太网的以太网的 MAC 帧格式帧格式 MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网以太网 V2 的的 MAC 帧格式帧格式目的地址字段6字节MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网以太网 V2 的的 MAC 帧格式帧格式源地址字段6字节MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网以太网 V2 的的 MAC 帧

43、格式帧格式类型字段2字节类型字段用来标志上一层使用的是什么协议，以便把收到的MAC帧的数据上交给上一层的这个协议。MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网以太网 V2 的的 MAC 帧格式帧格式数据字段461500字节数据字段的正式名称是 MAC 客户数据字段最小长度 64 字节 18 字节的首部和尾部=数据字段的最小长度 MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网以太网 V2 的的 MAC 帧格式帧格式FCS字段4字节当传输媒体的误码率为1108时，MAC子层

44、可使未检测到的差错小于11014。当数据字段的长度小于46字节时，应在数据字段的后面加入整数字节的填充字段，以保证以太网的MAC帧长不小于64字节。MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网以太网 V2 的的 MAC 帧格式帧格式10101010101010 10101010101010101011前同步码帧开始定界符7 字节1 字节8 字节插入在帧的前面插入的8字节中的第一个字段共7个字节，是前同步码，用来迅速实现MAC帧的比特同步。第二个字段是帧开始定界符，表示后面的信息就是MAC帧。为了达到比特同步，在传输媒体上实际传送的

45、要比MAC帧还多8个字节n数据字段的长度与长度字段的值不一致；n帧的长度不是整数个字节；n用收到的帧检验序列FCS查出有差错；n数据字段的长度不在461500字节之间。n有效的MAC帧长度为641518字节之间。n对于检查出的无效MAC帧就简单地丢弃。以太网不负责重传丢弃的帧。无效的无效的 MAC 帧帧 n帧间最小间隔为9.6s，相当于96bit的发送时间。n一个站在检测到总线开始空闲后，还要等待9.6s才能再次发送数据。n这样做是为了使刚刚收到数据帧的站的接收缓存来得及清理，做好接收下一帧的准备。帧间最小间隔帧间最小间隔 3.5 扩展的局域网扩展的局域网3.5.1 在物理层扩展局域网在物理层

46、扩展局域网n主机使用光纤和一对光纤调制解调器连接到集线器用于扩展主机和集线器之间的距离以太网集线器光纤光纤调制解调器光纤调制解调器n某大学有三个系，各自有一个局域网n碰撞域即在任一时刻，只能有一个站在发送数据用多个集线器可连成更大的局域网用多个集线器可连成更大的局域网三个独立的碰撞域一系二系三系碰撞域碰撞域碰撞域用集线器组成更大的局域网用集线器组成更大的局域网都在一个碰撞域中都在一个碰撞域中一系三系二系主干集线器一个更大的碰撞域碰撞域n优点n使原来属于不同碰撞域的局域网上的计算机能够进行跨碰撞域的通信。n扩大了局域网覆盖的地理范围。n缺点n碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。n如果不同的碰撞域

47、使用不同的数据率，那么就不能用集线器将它们互连起来。用集线器扩展局域网用集线器扩展局域网 n在数据链路层扩展局域网是使用网桥。n网桥工作在数据链路层，它根据MAC帧的目的地址对收到的帧进行转发。n网桥具有过滤帧的功能。当网桥收到一个帧时，并不是向所有的接口转发此帧，而是先检查此帧的目的MAC地址，然后再确定将该帧转发到哪一个接口3.5.2 在数据链路层扩展局域网在数据链路层扩展局域网 1.网桥的内部结构网桥的内部结构 站表接口管理软件网桥协议实体缓存接口1接口2网段B网段A111222站地址 接口网桥网桥接口1接口212n若从A发出的帧从接口x进入了某网桥，那么从这个接口出发沿相反方向一定可把

48、一个帧传送到A。n网桥每收到一个帧，就记下其源地址和进入网桥的接口，作为转发表中的一个项目。n在建立转发表时是把帧首部中的源地址写在“地址”这一栏的下面。n在转发帧时，则是根据收到的帧首部中的目的地址来转发的。这时就把在“地址”栏下面已经记下的源地址当作目的地址，而把记下的进入接口当作转发接口。网桥应当按照以下自学习算法网桥应当按照以下自学习算法处理收到的帧和建立转发表处理收到的帧和建立转发表 地址接口转发表的建立过程举例转发表的建立过程举例B2B1ABCDEF1212地址接口B1BAABA1FCF2ABA1FCF2n网桥对数据帧的转发决策有三种操作：n丢弃：当本端口下的主机访问已知本端口下的

49、主机时丢弃。n转发：当某端口下的主机访问已知某端口下的主机时转发。n扩散：当某端口下的主机访问未知端口下的主机时要扩散。n每个操作都要记录下发送端的MAC地址，以备其它主机的访问。因为转发表中的MAC地址是根据源MAC地址写入的，但在进行转发时是将此MAC地址当作目的地址。n如果网桥现在能够从端口x收到从源地址A发来的帧，那么以后就可以从端口x将帧转发到目的地址A。n生成期n是端口地址列表中表项的寿命。每个表项在建立后开始进行倒记时，每次发送数据都要刷新记时。对于长期不发送数据主机，其MAC地址的表项在生成期结束时删除。n所以端口地地表记录的总是最活动的主机的MAC地址。n站地址：登记收到的帧

50、的源MAC地址。n端口：登记收到的帧进入该网桥的端口号。n时间：登记收到的帧进入该网桥的时间。网桥在转发表中登记以下三个信息网桥在转发表中登记以下三个信息 网桥的自学习和转发帧网桥的自学习和转发帧的步骤归纳的步骤归纳 n网桥收到一帧后先进行自学习。查找转发表中与收到帧的源地址有无相匹配的项目。如没有，就在转发表中增加一个项目（源地址、进入的接口和时间）。如有，则把原有的项目进行更新。n转发帧。查找转发表中与收到帧的目的地址有无相匹配的项目。n如没有，则通过所有其他接口（但进入网桥的接口除外）按进行转发。n如有，则按转发表中给出的接口进行转发。n若转发表中给出的接口就是该帧进入网桥的接口，则应丢