1、计算机网络计算机网络第 3 章 数据链路层3.1 使用点对点信道的数据链路层3.1.1 数据链路和帧3.1.2 三个基本问题3.2 点对点协议 PPP3.2.1 PPP 协议的特点3.2.2 PPP 协议的帧格式3.2.3 PPP 协议的工作状态2022-7-182第 3 章 数据链路层（续）3.3 使用广播信道的数据链路层 3.3.1 局域网的数据链路层 3.3.2 CSMA/CD 协议3.4 使用广播信道的以太网 3.4.1 使用集线器的星形拓扑 3.4.2 以太网的信道利用率 3.4.3 以太网的 MAC 层2022-7-183第 3 章 数据链路层（续）3.5 扩展的以太网3.5.1
2、在物理层扩展以太网3.5.2 在数据链路层扩展以太网3.6 高速以太网 3.6.1 100BASE-T 以太网 3.6.2 吉比特以太网 3.6.3 10 吉比特以太网 3.6.4 使用高速以太网进行宽带接入3.7 其他类型的高速局域网接口2022-7-184数据链路层数据链路层使用的信道使用的信道主要有以下两种类型：点对点信道点对点信道：使用一对一的点对点通信方式。（PPP）广播信道广播信道：使用一对多的广播通信方式，过程比较复杂。说明说明：广播信道广播信道上连接的主机很多，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。2022-7-185数据链路层的简单模型局域网广域网主机 H1主机
3、 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2022-7-186数据链路层的简单模型(续）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仅从数据链路层观察帧的流动2022-7-1873.1 使用点对点信道的
4、数据链路层3.1.1 数据链路和帧 链路(link)：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。一条链路只是一条通路的一个组成部分。数据链路(data link)：除物理线路外，还必须有通信协议来控制这些数据的传输。将实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成数据链路数据链路。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。一般的适配器都包括了数据链路层和物理层这两层的功能。2022-7-188IP 数据报1010 0110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1010 0110帧装入
5、数据链路层传送的是帧2022-7-189数据链路层像个数字管道 在两个对等的数据链路层之间画出一个数字管道，在这条数字管道上传输的数据单位是 帧。早期的数据通信协议曾叫作通信规程通信规程(procedure)。因此在数据链路层，规程和协议是同义语。结点结点帧帧2022-7-18103.1.2 三个基本问题 数据链路层协议种类很多，但都必须解决三个基本问题：(1)封装成帧(2)透明传输(3)差错控制 2022-7-18111.封装成帧 封装成帧(framing)：就是在一段数据的前后分别添加首部首部和尾部尾部，确定帧的界限，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 数据报帧的数据
6、部分帧尾部 MTU数据链路层的帧长开始发送帧开始2022-7-1812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EOT2022-7-1813SOH：0000 0001EOT：00000100作用：界定帧、协助查错；2.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2022-7-1814透明传输问题解决透明传输问题数据中出现控制字符数据中出现控制字符“SOH”或或“EOT”：发送端数据链路层在数据中出现控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入前面插入一个转义字符一个转义字符“ESC”(十六进
7、制编码是 1B)。接收端数据链路层在将数据送往网络层网络层之前，删除删除插入的转义字符转义字符，称为字节填充(byte stuffing)或字符填充(character stuffing)。如果转义字符也出现数据当中，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。2022-7-1815SOHSOHEOTSOHESCESCEOTESCSOHESCESCESCSOH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 SOH2022-7-18163.差错检测 在传输过程中可能会产
8、生比特差错：1 可能会变成 0 而 0 也可能变成 1。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误码率率 BER(Bit Error Rate)。误码率与信噪比有很大的关系。为保证数据传输的可靠性可靠性，在计算机网络传输数据时，必须采用各种差错检测措施。2022-7-1817循环冗余检验的原理 在数据链路层传送的帧中，广泛使用循环冗余检验 CRC 的检错技术。(Cyclic Redundancy Check)在发送端，先把数据划分为组。假定每组 k 个比特。每组数据 M 的后面再添加供差错检测用的 n 位冗余码(Frame Check Sequence)R一起发送,M+R 2
9、022-7-1818冗余码的计算 用二进制的模 2 运算进行 2n 乘乘 M 的运算，相当于在 M 后面添加 n 个 0。得到(k+n)位的数，除以事先选定好的长度为(n+1)位的除数 P；（注意：这里的除，指异或运算）得商 Q，余数 R，余数 R 比除数 P 少1 位，即 R 是 n 位。M*2n=Q*P+R M*2n+R可被可被P整除整除 2022-7-1819冗余码的计算举例 现在 k=6,M=101001。设 n=3,除数 P=1101，被除数是 2nM=101001000。模 2 运算的结果是：商 Q=110101，余数 R=001。把余数 R 作为冗余码添加在数据 M 的后面发送出
10、去。发送的数据是：2nM+R 即：101001001，共(k+n)位。2022-7-1820 1 1 0 1 0 1 Q(商)P(除数)1101 1 0 1 0 0 1 0 0 0 2nM(被除数)1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 R(余数)，作为 FCS 循环冗余检验的原理说明 2022-7-1821用异或运算若首位是1：商为1若首位是0：商为0帧检验序列 FCS 在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列 FCS(Frame Check Se
11、quence)。注意：循环冗余检验 CRC 和帧检验序列 FCS并不等同。CRC 是一种常用的检错方法，而 FCS 是添加在数据后面的冗余码。FCS 可以用 CRC 这种方法得出，但 CRC 并非用来获得 FCS 的唯一方法。2022-7-1822接收端对收到的每一帧进行 CRC 检验 (1)若得出的余数 R=0，则判定这个帧没有差错，就接受(accept)。(2)若余数 R 0，则判定这个帧有差错，就丢弃。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。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。2022-7-1823小结仅用循环冗余检
12、验 CRC 差错检测技术，只能做到无差错接受(accept)。“无差错接受无差错接受”：“凡是接受接受的帧（即不包括丢弃的帧），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”。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”（有差错有差错的帧就丢弃的帧就丢弃而不接受）。因此，若要做到“可靠传输”（即发送什么就收到什么）必须再加上确认和重传机制：早期早期通行线路质量较差时，人们在数据链路层采用能实现类似功能的HDLC协议（High-level Data Link Control）2022-7-18243.2 点对点协议 PPP 3.2.1 PPP 协议的特点 现在全世界
13、使用得最多的数据链路层协议是点对点协议点对点协议 PPP(Point-to-Point Protocol)。例：用户使用拨号电话线拨号电话线接入因特网时，一般都是使用 PPP 协议。2022-7-1825用户到 ISP 的链路使用 PPP 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2022-7-1826PPP：1992年由IETF制定，修订后，于1994年成为Internet标准RFC 16611.PPP 协议应满足的需求 简单简单这是首要的要求,更严格，复杂的要求由传输层实现：接受方，没收到一帧，就进行CRC检测。如果检验正确，接受接受该帧，否则，丢弃
14、该帧。其它什么也不做。封装成帧封装成帧：规定帧定界符透明性透明性：必须处理帧定界符为数据情形多种网络层协议多种网络层协议：能在同一条物理链路上同时支持多种网络层协议的运行多种类型链路多种类型链路：能在多种类型的链路上运行。如：串行、并行，同步、异步，低速、高速等链路 例：PPPoE，即PPP over Ethernet，将PPP帧再封装成以太帧，可在以太网上运行。例：宽带上网就是使用PPPoE2022-7-18271.PPP 协议应满足的需求（续）差错检测差错检测：立即丢弃差错帧检测连接状态检测连接状态：能自动及时自动监测链路是否处于正常工作状态最大传送单元最大传送单元：对每种传输类型的点对点
15、链路设置最大传送单元的标准默认值，以便促进各种实现之间的互操作性网络层地址协商网络层地址协商：提供机制，使通信的两个网络层的实体能通过协商知道或配置彼此的网络层地址。协商算法必须简单，并能在所有情形下得到协商结果数据压缩协商数据压缩协商：提供机制，协商使用数据压缩算法2022-7-18282.PPP 协议不需要的功能 纠错 流量控制 序号 多点线路：不支持一个主站轮流和链路上的多个从站进行通信 半双工或单工链路：只支持全双工2022-7-18293.PPP 协议的组成 1992 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RFC
16、1661。PPP 协议有三个组成部分 一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法。链路控制协议 LCP(Link Control Protocol)。一套网络控制协议 NCP(Network Control Protocol)每个协议支持不同的网络层协议(如IP,DECnet等)2022-7-1830 PPP 有一个 2 个字节的协议字段：当协议字段为 0 x0021 时，PPP 帧的信息字段就是IP 数据报。若为 0 xC021,则信息字段是 PPP 链路控制数据。若为 0 x8021，则表示这是网络控制数据。F：flag，A：Address，C：ControlIP 数据报1211字节12不超
17、过 1500 字节PPP 帧先发送7EFF03FACFCSF7E协议信 息 部 分首部尾部2022-7-18313.2.2 PPP 协议的帧格式标志字段 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）。地址字段 A 只置为 0 xFF。地址字段实际上并不起作用地址字段实际上并不起作用。控制字段 C 通常置为 0 x03。PPP 是面向字节的，所有的 PPP 帧的长度都是整数字节整数字节。2022-7-1832PPP 协议的帧格式透明传输问题 当 PPP 用在同步传输链路同步传输链路时，协议规定采用硬件采用硬件来完成比特填充（和
18、 HDLC 的做法一样）。当 PPP 用在异步传输异步传输时，使用一种特殊的字符填充法。2022-7-1833字符填充 将信息字段中出现的每一个 0 x7E 字节转变成为 2 字节序列(0 x7D,0 x5E)。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)。若信息字段中出现 ASCII 码的控制字符码的控制字符（即数值小于 0 x20 的字符），则在该字符前面前面要加入一个 0 x7D 字节，同时将该字符的编码加以改变。如：0 x03 (0 x7D,0 x23)2022-7-1834零比特填充 PPP 协议用在 SONET/SDH 链路时，使
19、用同步同步传输（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。在发送端，只要发现有 5 个连续连续 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 删除原因：flag=0 x7E=0111 11102022-7-18350 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 00 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 00 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0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
20、 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2022-7-1836 不提供使用序号和确认的可靠传输 PPP 协议不使用序号和确认机制，原因：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。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并不能够保证网络层的传输也是可靠的。帧检验序列 FCS 字段可保证可保证无差错接受。2022-7-1837 3.2.3 PPP 协议的工作步骤 当用户通过Modem拨号接入 IS
21、P 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物理连接。（Physical link establish）PC 机向路由器发送发送一系列的 LCP 分组（封装成多个 PPP 帧），建立LCP连接：（Link Establish）通过分组及其响应选择一些 PPP 参数，并进行网络层配置；NCP 给新接入的 PC机分配一个临时的临时的 IP 地址地址，使 PC 机成为因特网上的一个主机。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。最后释放物理层的连接。LCP：Link Control Protocol NCP：Network
22、Control Protocol2022-7-1838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LCP 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2022-7-18393.3 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。局域网的主要优点：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共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源。
23、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。提高了系统的可靠性reliability、可用性availability和生存性survivability。2022-7-1840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2022-7-1841匹配电阻匹配电阻：吸收在总线上传播的电阻，避免在总线上产生有害的电磁波反射主要用于频分复用的宽带局域网媒体共享技术两种媒体共享方法：静态划分信道：代价高，不适合于局域网使用 频分复用 时分复用 波分复用 码分复用 动态媒体接入控制（多点接入）：信道根据需要动态分配给用户 随机接入：如Ether网的CSMA/CD 受控接入，如
24、多点线路探询(polling)，或轮询。2022-7-18421.以太网的两个标准 DIX Ethernet V2 是世界上第一个局域网产品（以太网）的规约。IEEE 的 802.3 标准。DIX Ethernet V2 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”。严格说来，“以太网”应当是指符合 DIX Ethernet V2 标准的局域网 2022-7-1843数据链路层的两个子层 为了使数据链路层数据链路层能更好地适应多种多种局域网标准，802 委员会将局域网的数据链路层拆成两个子层：逻辑链路控制 LLC(Logical Link
25、 Control)子层：媒体接入控制 MAC(Medium Access Control)子层 与接入到传输媒体有关的内容都放在 MAC子层；LLC 子层与传输媒体无关，不管采用何种协议的局域网对 LLC 子层来说都是透明的2022-7-1844局域网对 LLC 子层是透明的 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 22022-7-1845以后一般不考虑 LLC 子层 由于 TCP/IP 体系经常使用的局域网是 DIX Ethernet 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
26、 LLC（即 802.2 标准）的作用已经不大。很多厂商生产的适配器适配器上仅装有 MAC 协议，而没有 LLC 协议。2022-7-18462.适配器的作用 网络接口板：又称为通信适配器(adapter)或网络接口卡 NIC(Network Interface Card)，或“网卡”。适配器的重要功能：进行串行/并行转换。对数据进行缓存。在计算机的操作系统安装设备驱动程序。实现以太网协议。2022-7-1847计算机通过适配器和局域网进行通信 硬件地址至局域网适配器（网卡）串行串行通信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 地址并行并行通信202
27、2-7-1848 最初的以太网是将许多计算机连接到一根总线上：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 B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2022-7-1849以太网的广播方式发送 总线上每一个工作的计算机都能检测到 B 发送的数据信号。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。其他所有的计算机（A,C 和 E）检测到不是发送给它们的数据帧，因此丢弃这个数据帧而不能够收下来。具有广播特性的总线上实现一对一一对一
28、的通信。2022-7-1850为了通信的简便以太网采取了两种重要的措施 采用较为灵活的无连接无连接的工作方式：不必先建立连接就可以直接发送数据。对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认，u 理由理由：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。出现差错帧直接丢弃，其它什么也不做。u因此，以太网提供的服务是不可靠的交付，即最大努力的交付。使用曼彻斯特(Manchester)编码 发送的数据。2022-7-1851以太网提供的服务 以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。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。如果高层发现丢失了一
29、些数据而进行重传，但以太网并不知道这是一个重传的帧，而是当作一个新的数据帧来发送。2022-7-1852以太网发送的数据都使用曼彻斯特(Manchester)编码 基带数字信号曼彻斯特编码 码元1111100000出现电平转换2022-7-1853困境困境：当出现长串连1/0时，接收端无法从接收到的比特流中提取位同步信号。Manchester编码编码：通过电压转换，提取位同步信号。0：前高后低1：前低后高缺点缺点：所占带宽多一倍载波监听多点接入/碰撞检测CSMA/CD CSMA/CD：Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection。
30、要点：多点接入多点接入：许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。载波监听载波监听：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，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。空闲状态总线上并没有什么“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。2022-7-1854碰撞检测 碰撞检测碰撞检测：计算机边发送数据，边检测信道上的信号电压大小。当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值电压摆动值将会增大增大（互相叠加）。当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值超过一定的门限值时，认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产
31、生碰撞产生碰撞。所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。2022-7-1855检测到碰撞后 在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来。解决方法：每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，立即停止发送；等待一段随机时间后再次发送。主机总是在检测到总线为空闲时，才发送信号，为什么还会出现碰撞？2022-7-1856电磁波在总线上的有限传播速率有限传播速率的影响 当某个站监听到总线是空闲时，可能总线并非真正是空闲的：A 向 B 发出的信息，要经过一定的时间经过一定的时间后才能传送到 B。B 若在 A 发送的信息到达 B 之前发送自己的
32、帧(因为这时 B 的载波监听检测不到 A 所发送的信息)，必然要在某个时间和 A 发送的帧发生碰撞。碰撞的结果是两个帧都变得无用。2022-7-18571 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 传播时延对载波监听的影响 2022-7-18581 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
33、记为 2022-7-1859小结 使用 CSMA/CD 协议的以太网不能进行全双工通信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）。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。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。2022-7-1860争用期 最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间 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。以太网的端到端往返时延 2 称为争用期，或碰撞窗口。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。出现碰撞的具体解决方案：？2022-7-1861截断二进制指数退避算法(
34、truncated binary exponential backoff)发生碰撞的站在停止发送数据后，推迟（退避）一个随机时间才能再发送数据：确定基本退避时间，一般是取为争用期 2。定义重传次数 k，k 10，即 k=Min重传次数,10 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。当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。2022-7-1862争用期的长度 以太网取 51.2 s 为争用期的长度。对于 10 Mb/s 以太网，在争用期内可发送512 bit，即 64 字节：以太网在发送数据时，若前前 64 字节字节没有
35、发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。2022-7-1863最短有效帧长 如果发生冲突，就一定是在发送的前 64 字节之内。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。以太网规定：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。2022-7-1864强化碰撞 当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时：立即停止发送数据；再继续发送32/48比特的人为干扰信号(jamming signal)，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。2022-7-1865数据帧干扰信号 TJ人为干扰信号 ABTBt B 发送数据A 检测到冲突开始冲突信
36、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。2022-7-1866帧间最小间隔 以太网规定：帧间最小间隔为9.6 s，相当于发送96 bit：目的：使得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。2022-7-1867CSMA/CD小结A.适配器从网络层获得一个分组，组建以太网帧，放入适配器的缓存中，准备发送；B.若适配器检测到信道空闲（即在96比特时间内没检测到信道上有信号），发送帧；若信道忙，继续监测直至信道转为空闲（加上96比特时间），发送帧；C.发送过程中继续监测信道，若检测到碰撞
37、，中止发送，并发送人为干扰信号；D.中止发送后，适配器执行指数退避算法，等待r倍512 bit时间后，执行步骤B。2022-7-18683.4 使用广播信道的以太网3.4.1 使用集线器的星形拓扑发展史 传统以太网最初使用粗同轴电缆粗同轴电缆;后来使用比较便宜的细同轴电缆细同轴电缆 最后发展为使用更便宜和更灵活的双绞线双绞线-具有里程碑意义 这种10BASE-T以太网采用星形拓扑，星形的中心采用一种可靠性非常高的设备-集线器(hub)2022-7-1869使用集线器的双绞线以太网 集线器两对双绞线站点RJ-45 插头2022-7-187010BASE-T星形以太网 特点 不用电缆而使用无屏蔽双
38、绞线。每个站需要用两对双绞线，分别用于发送和接收。集线器使用大规模集成电路芯片，硬件设备的可靠性大大提高。2022-7-1871以太网在局域网中的统治地位 10BASE-T 的通信距离稍短，每个站到集线器的距离不超过 100 m。10 Mb/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。10BASE-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。2022-7-1872集线器的一些特点 集线器使用电子器件模拟实际电缆线的工作，整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行。使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各工
39、作站使用的还是 CSMA/CD 协议，并共享逻辑上的总线。集线器像一个多接口的转发器，工作在物理层，它的每个接口仅简单地转发比特，不进行碰撞监测。2022-7-1873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2022-7-18743.4.2 以太网的信道利用率 以太网的信道被占用的情况：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。帧长为 L(bit)，数据发送速率为 C(b/s)，因而帧的发送时间为 T0(s)=L/C2022-7-1875以太网的信道利用率 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
40、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 222T0t占用期 发生碰撞 发送一帧所需的平均时间2022-7-1876参数 a 要提高以太网的信道利用率，就必须减小 与 T0 之比a：以太网单程端到端时延 与帧的发送时间 T0 之比：0Ta0Ta(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，使得信道利用率明显降低。2022-7-1877对以太网参数的要求 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。以太网的
41、帧长不能太短，否则 T0 的值会太小，使 a 值太大。2022-7-1878 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。发送一帧占用线路的时间是 T0+，帧本身的发送时间是 T0。理想情况下的极限信道利用率极限信道利用率 Smax为：信道利用率的最大值 Smax aTTS1100max(3-3)2022-7-18793.4.3 以太网的 MAC 层1.MAC 层的硬件地址 在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或 MAC 地址。802 标准所说的“地址”，严格地讲应当是每一个站
42、的“名字”或标识符。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。2022-7-188048 位的 MAC 地址 IEEE 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)。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。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。“MAC地址”实际上就是适配器地址或适配器标识符EUI-48。2022-7-1881适配器检查 MAC 地址 适配器
43、从网络上每收到一个 MAC 帧，首先用硬件检查 MAC 帧中的 MAC 地址.如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他的处理。否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。“发往本站的帧发往本站的帧”包括以下三种帧：单播(unicast)帧（一对一）广播(broadcast)帧（一对全体）多播(multicast)帧（一对多）2022-7-1882注意 以太网适配器可以设置为“混杂方式混杂方式”(promiscuous mode)工作方式：该工作方式下，适配器只要“听到”有帧在以太网上传输，就全部接收。2022-7-18832.MAC 帧的格式 常用的以太网MAC帧格式有两种标准：DIX Ethern
44、et V2 标准 IEEE 的 802.3 标准 最常用的 MAC 帧是以太网 V2 的格式。2022-7-1884以太网 MAC 帧物理层MAC层10101010101010 10101010101010101011前同步码帧开始定界符7 字节1 字节8 字节插入IP层目的地址 源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网的 MAC 帧格式 2022-7-1885MAC 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 V2 的 MAC 帧格式目的地址字段 6 字节2022-7-1886MAC 帧物理层MAC 层IP
45、层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网 V2 的 MAC 帧格式源地址字段 6 字节2022-7-1887MAC 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 V2 的 MAC 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。2022-7-1888MAC 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 V2 的 MAC 帧格式数据字段 46 1500 字节数据字段的正式名称是 M
46、AC 客户数据字段最小长度最小长度 64 字节字节 18 字节的首部和尾部=数据字段的最小长度数据字段的最小长度 2022-7-1889MAC 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 V2 的 MAC 帧格式FCS 字段 4 字节当传输媒体的误码率为 1108 时，MAC 子层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。2022-7-1890MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节
47、46 1500IP 数据报以太网 V2 的 MAC 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要比 MAC 帧还多 8 个字节2022-7-1891 数据字段的长度与长度字段的值不一致；帧的长度不是整数个字节；用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错；数据字段的长度不在 46 1500 字节之间。有效的 MAC 帧长度
48、为 64 1518 字节之间。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 MAC 帧 2022-7-1892 帧间最小间隔为 9.6 s，相当于 96 bit 的发送时间。一个站在检测到总线开始空闲后，还要等待 9.6 s 才能再次发送数据。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 2022-7-18933.5 扩展的局域网3.5.1 在物理层扩展局域网 主机使用光纤和一对光纤调制解调器连接到集线器 以太网集线器光纤光纤调制解调器光纤调制解调器2022-7-1894 某大学有三个系，各自有一个局域网用多个集线器可连
49、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2022-7-1895用集线器组成更大的局域网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2022-7-1896 优点 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。扩大了局域网覆盖的地理范围。缺点 碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。如果不同的碰撞域使用不同的数据率，那么就不能用集线器将它们互连起来：否则只能已最小数据率工作。用集线器扩展局域网 2022-7-1897 在数据链路层扩展局域网-使用网桥。网桥工作在数据链路层：根据 MAC 帧的目的地址对收到的帧进行转发。即，网桥具有过滤帧的功能：当网桥
50、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 2022-7-18981.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 2122022-7-1899转发表 过滤通信量，增大吞吐量。扩大了物理范围。提高了可靠性。可互连不同物理层、不同 MAC 子层和不同速率（如10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太网）的局域网。使用网桥带来的好处 2022-7-18100网桥使各网段成为隔离开的碰撞域 B2B1碰撞域碰撞域碰撞域
