第3章-数据链路层课件3.ppt

1、局域网概述局域网概述 局域网的特点：局域网是将较小地理范围内的各种数据通信设备连接在一起的通信网络。局域网具有如下一些主要特点：（1）局域网覆盖的地理范围比较小。（2）数据传输速率高。（3）传输时延小。一般在几毫秒至几十毫秒之间。（4）出错率低。二、决定局域网和城域网的三要素二、决定局域网和城域网的三要素o拓扑结构（逻辑、物理）拓扑结构（逻辑、物理）o介质访问方法介质访问方法o传输介质传输介质2局域网的拓扑结构局域网的拓扑结构匹配电阻集线器干线耦合器总线网星形网树形网 环形网拓扑拓扑每一个站点通过点每一个站点通过点-点链路连至中心节点，所有的通信都点链路连至中心节点，所有的通信都由中心节点控制

2、，一般采用线路交换。由中心节点控制，一般采用线路交换。基本特性基本特性优点优点建网容易，配置方便；建网容易，配置方便；每个连接的故障容易排除，不影响全网；每个连接的故障容易排除，不影响全网；控制协议相对简单。控制协议相对简单。缺点缺点在同样覆盖面积内；所用电缆量较大；在同样覆盖面积内；所用电缆量较大；扩展不方便，需要预留或增设电缆；扩展不方便，需要预留或增设电缆；对中心节点要求非常高，一旦中心节点产生故障对中心节点要求非常高，一旦中心节点产生故障,全网将全网将不能工作。不能工作。拓扑拓扑由一些中继器通过点到点链路连成的一个闭合环。入网设由一些中继器通过点到点链路连成的一个闭合环。入网设备连到中

3、继器上。它从一条链路上接收数据备连到中继器上。它从一条链路上接收数据,以相同速率以相同速率在另一条链路上输出。数据在环上是单向传输的。在另一条链路上输出。数据在环上是单向传输的。基本特性基本特性优点优点电线长度较短，与总线拓扑类似；电线长度较短，与总线拓扑类似；适于采用光缆连接，从而提高数据速率。适于采用光缆连接，从而提高数据速率。缺点缺点某段链路或某个中继器有故障会使全网不能工作；某段链路或某个中继器有故障会使全网不能工作；站点离网、入网都较困难。站点离网、入网都较困难。拓扑拓扑将所有站点通过硬件接口连接到单根传输介质将所有站点通过硬件接口连接到单根传输介质共共享总线上。享总线上。基本特性基

4、本特性优点优点与星型拓扑相比，所需电缆长度较短；与星型拓扑相比，所需电缆长度较短；结构简单，可靠性高；结构简单，可靠性高；扩充扩充(如增加站点、延长电缆等如增加站点、延长电缆等)较容易。较容易。缺点缺点故障检测不很容易，如总线有故障需分段查找，如站点故障检测不很容易，如总线有故障需分段查找，如站点有故障需一个一个查。有故障需一个一个查。传输介质类型与介质访问控制方法传输介质类型与介质访问控制方法 局域网的传输介质类型局域网的传输介质类型 同轴电缆同轴电缆双绞线双绞线光纤光纤无线通信信道无线通信信道7媒体共享技术（共享信道）o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 o动态媒体接入控

5、制（多点接入）n随机接入（碰撞）n受控接入，如多点线路探询(polling)，或轮询。不适合局域网局域网的介质访问控制方法局域网的介质访问控制方法 带冲突检测的载波监听多路访问带冲突检测的载波监听多路访问(CSMA/CD-Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection)令牌环令牌环(Token Ring)；令牌总线令牌总线(Token Bus)。9v介质访问控制方法要解决以下几个问题：介质访问控制方法要解决以下几个问题：该哪个结点发送数据？该哪个结点发送数据？发送时会不会出现冲突？发送时会不会出现冲突？出现冲突怎么办？出现冲突怎么办

6、？10802.2 逻辑链路控制逻辑链路控制 LLC802.1-OSI模型与网络管理模型与网络管理802.3 CSMA/CD802.4 令牌总线令牌总线802.5 令牌环令牌环802.11 无线无线局域网局域网802.16 宽带无线宽带无线城域网城域网三、三、IEEE 802IEEE 802参考模型（局域网标准）参考模型（局域网标准）11说明：802.1 网络管理，流量测定，故障检测等功能802.2 LLC子层功能802.3 开始，MAC子层的各个模块802.16 城域网802.11 无线局域网等传输媒体传输媒体数据链路层数据链路层物理层物理层网络层网络层媒体访问控制媒体访问控制MAC逻辑链路控

7、制逻辑链路控制LLCLogical Link Control Media Access Control 向上层提供向上层提供 连接环境连接环境对下层提供对下层提供 媒体访问方法媒体访问方法物理层物理层SAP12OSI/RM局域网局域网802参考模型参考模型数据链路层的两个子层数据链路层的两个子层 o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数据链路层拆成两个子层：n逻辑链路控制 LLC(Logical Link Control)子层 LLC 子层负责与网络层的问题n媒体接入控制 MAC(Medium Access Control)子层。MAC子层负责与物理层相关的所

8、有问题；13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 2局域网对局域网对 LLC 子层是透明的子层是透明的 IEEE 802 标准系列标准系列 标标 准准 职职 责责 标标 准准 职职 责责IEEE802.1网络互连网络互连IEEE802.7宽带网宽带网IEEE802.2逻辑链路控制逻辑链路控制IEEE802.8光纤网光纤网IEEE802.3CSMA/CD及及100BaseXIEEE802.9集成式电集成式电话与数据话与数据IEEE802.4令牌总线网令牌总线网IEEE802.10LAN的安的安全性技术全性技术IEEE802.5令

9、牌环网令牌环网IEEE802.11无线通信无线通信IEEE802.6城域网城域网IEEE802.12100VG-AnyLAN网卡的作用网卡的作用 网络接口板又称为通信适配器网络接口板又称为通信适配器(adapter)或网络接口卡或网络接口卡 NIC(Network Interface Card)，或，或“网卡网卡”。网卡的重要功能：网卡的重要功能：进行串行进行串行/并行转换。并行转换。对数据进行缓存。对数据进行缓存。在计算机的操作系统安装设备驱动在计算机的操作系统安装设备驱动程序。程序。实现以太网协议。实现以太网协议。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）串行通信CP

10、U 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Ethernet物理地址物理地址 Ethernet地址地址 网络物理地址网络物理地址 物理网络地址物理网络地址;Ethernet地址地址=Manufacture ID+NIC ID 24bit+24bit 公司：公司：Cisco 00-00-0c IBM 08-00-5A典型的典型的Ethernet地址地址：00-00-0C-01-23-45Ethernet地址具有惟一性，取决于你所使用的网卡。地址具有惟一性，取决于你所使用的网卡。制造商制造商ID由公司分配的地址部分由公司分配的地址部分00000C0

11、12345四、典型以太网概述四、典型以太网概述1.以太网的拓扑结构以太网的拓扑结构共享式以太网的逻辑拓扑结构是共享式以太网的逻辑拓扑结构是“总线型总线型”，是根据其，是根据其介质访问控制方式而定义的；其物理拓扑结构有总线、介质访问控制方式而定义的；其物理拓扑结构有总线、星型（树型，即扩展星型）几种，最常用的是星型拓扑。星型（树型，即扩展星型）几种，最常用的是星型拓扑。2.以太网的介质访问控制方式以太网的介质访问控制方式以太网核心技术：随机争用型介质访问控制方法：即以太网核心技术：随机争用型介质访问控制方法：即CSMA/CD。以太网的产品标准与分类以太网的产品标准与分类 低速产品的常见标准低速产

12、品的常见标准符合符合IEEE802.3标准的以太网络低端产品的传输速率通常标准的以太网络低端产品的传输速率通常为为10Mb/s，其常用的正式标准有以下，其常用的正式标准有以下3种：种：10 BASE 5、10 BASE 2 和和 10 BASE T。其他以太网标准其他以太网标准100BASE系列：快速以太网。系列：快速以太网。1000BASE系列：千兆位以太网。系列：千兆位以太网。交换式以太网系列：交换式以太网系列：10Mb/s、100Mb/s和和1000Mb/s。项目项目10BASE5 10BASE2 10BASE-T种类种类 RG11同轴粗缆同轴粗缆 RG58同轴细缆同轴细缆 无屏蔽双绞线

13、无屏蔽双绞线UTP 访问方式访问方式 CSMA/CD CSMA/CD CSMA/CD 传输速度传输速度 10Mbps 10Mbps 10Mbps 传输方式传输方式 基本频带基本频带 基本频带基本频带 基本频带基本频带 拓扑结构拓扑结构总线型总线型 总线型总线型 星形星形 最小结点距离最小结点距离 2.5m 0.5m-最大分段长度最大分段长度 500m 185m 100m 网络的最大长度网络的最大长度2500m925m-最多结点数最多结点数 100台台 30台台 512台台备注备注 终端连接器终端连接器收发器收发器 终端连接器终端连接器T形头形头 集线器（集线器（HUB）RT45接头接头 IEE

14、E802.3标准标准传输速度：传输速度：介质访问控制方法：介质访问控制方法：拓扑结构拓扑结构传输类型：传输类型：以太网的广播方式发送 以太网发送的数据编码。共享以太网的总结共享以太网的总结CSMA/CD载波监听多点接入/碰撞检测 逻辑拓扑为逻辑拓扑为“总线总线”结构；物理拓扑为结构；物理拓扑为“总线总线”和和“星型星型”结构结构帧交换帧交换曼彻斯特(Manchester)数据率为数据率为10Mb/s的以太网在物理媒体上的码元传输速率是多少码元的以太网在物理媒体上的码元传输速率是多少码元/秒？秒？1CSMA/CD CD（Collison Detect），），CSMA（Carrier Sense

15、Multi Access）带冲突检测的载波监听带冲突检测的载波监听多点接入多点接入以太网的工作原理和访问控制方法以太网的工作原理和访问控制方法CSMA/CD1.载波监听与多点接入（载波监听与多点接入（CSMA）我们把查看信道上有无数字信号传输称为我们把查看信道上有无数字信号传输称为“载波监听载波监听”，“多点接入多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。一根总线上。2.冲突检测（冲突检测（CD）每个计算机结点上的冲突检测器（如网卡）具备发现冲每个计算机结点上的冲突检测器（如网卡）具备发现冲突和处理冲突的能力。突和处理冲突的能力。CSMA/CD

16、协议协议CSMA/CD的工作原理可以概括为以下四点：的工作原理可以概括为以下四点：先听后发。先听后发。边听边发。边听边发。冲突停止。冲突停止。随机延迟后重发。随机延迟后重发。监听信道是否空闲，如果空闲就立即发送数据，并继续监听监听信道是否空闲，如果空闲就立即发送数据，并继续监听 如果信道忙就一直监听，直到信道空闲，立即发送如果信道忙就一直监听，直到信道空闲，立即发送 在传输过程中，一旦发现冲突，立即停止发送，并发送干扰信号来强在传输过程中，一旦发现冲突，立即停止发送，并发送干扰信号来强化冲突，以便让其他结点知道化冲突，以便让其他结点知道 发送完干扰信号，等待一个随机时间再试图发送，即转到发送完

17、干扰信号，等待一个随机时间再试图发送，即转到准备发送准备发送监听信道监听信道发送数据并发送数据并继续监听继续监听发送拥发送拥挤信号挤信号按后退策按后退策略等待略等待信道空闲信道空闲信道忙信道忙检测出冲突检测出冲突再次尝试再次尝试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单程端到端单程端到端传播时延记为传播时延记为 传播时延对载波监听的影响 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

18、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 以太网发送的不确定性以太网发送的不确定性争用期争用期先发送数据帧的站（先发送数据帧的站（A A），在发送数据帧后至多经过时间），在发送数据帧后至多经过时间 2 2 （两倍的端到端往返时延）（两倍的端到端往返时延）就可知道发送的数据帧是否就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。遭受了碰撞。以太网的端到端往返时延以太网的端到端往返时延 2 2 称为称为争用期，或碰撞窗口争用期，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。送不会发生碰撞。最

19、短有效帧长最短有效帧长 如果发生冲突，就一定是在发送的前如果发生冲突，就一定是在发送的前 64 64 字节之内。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数据一定小于 64 64 字节。字节。以太网规定了以太网规定了最短有效帧长为最短有效帧长为 64 64 字节字节，凡长度小于，凡长度小于 64 64 字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。争用期的长度争用期的长度 以太网取以太网取 51.2 51.2 s s 为争用期的长度。为争用期的长度。对于对于 10 Mb/s 10

20、Mb/s 以太网，在争用期内可发送以太网，在争用期内可发送512 bit512 bit，即即 64 64 字节。字节。以太网在发送数据时，若前以太网在发送数据时，若前 64 64 字节没有发生冲突，字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。则后续的数据就不会发生冲突。二进制指数类型退避算法o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重传所需的时延就是 r 倍的基本退避时间倍的基本退避

21、时间。n当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。第1次重传，k=?随机数从【？】取；重传推迟时间=？第2次重传，k=?随机数从【？】取；重传推迟时间=？假定在使用假定在使用CSMA/CD协议的协议的10Mb/s以太网中某个站以太网中某个站在发送数据时检测到碰撞，执行退避算法时选择了随机数在发送数据时检测到碰撞，执行退避算法时选择了随机数r=100。试问这个站需要等待多长时间后才能再次发送。试问这个站需要等待多长时间后才能再次发送数据？如果是数据？如果是100Mb/s的以太网呢？的以太网呢？答：对于10Mb/s的以太网，以太网把争用期定为51.2微秒，要退后100个争用期，等待时

22、间是51.2（微秒）*100=5.12ms 对于100Mb/s的以太网，以太网把争用期定为5.12微秒，要退后100个争用期，等待时间是5.12（微秒）*100=512微秒假定假定1km长的长的CSMA/CD网络的数据率为网络的数据率为1Gb/s。设信号在网络上的传播速率为设信号在网络上的传播速率为200000km/s。求能。求能够使用此协议的最短帧长。够使用此协议的最短帧长。强化碰撞强化碰撞 当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时：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；立即停止发送数据；再继续发送若干比特（再继续发送若干比特（32b32b或或48b48b）的人为干扰信号）的人为干

23、扰信号(jamming signal)(jamming signal)，以便让所有用户都知道现在已经发生，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。了碰撞。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。帧间最小间隔为帧间最小间隔为 9.6 9.6 s s，相当于，相当于 96 bit 96 bit 的发送时间。的发送时间。一个站在检测到总线开始空闲后，还要等待一个站在检测到总线开始空闲后，还要等待 9.6 9.6 s s 才才

24、能再次发送数据。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。理，做好接收下一帧的准备。帧间最小间隔帧间最小间隔 根据奈奎斯特公式C=2HLog2N由题意C=192Kbps,H=32K解得Log2N=192/(32*2)=3,所以N=8 至少需要相位 82=4(种)采用相幅调制(PAM)技术在带宽为32KHz的无噪声信道上传输数字信号，每个相位处都有两种不同幅度的电平。若要达到192Kbps的数据速率，至少要有多少种不同的相位?长2km、数据传输率为10Mbps的基带总线LAN，信号传播速度为200

25、m/s，试计算：(1)1000比特的帧从发送开始到接收结束的最大时间是多少?(2)若两相距最远的站点在同一时刻发送数据，则经过多长时间两站发现冲突?(1)1000bit/10Mbps+2000m/200(m/s)=100s+10s=110s(2)2000m/2/200(m/s)*2=10s某局域网采用CSMA/CD协议实现介质访问控制，数据传输速率为10Mbps，主机甲和主机乙之间的距离为2km，信号传播速度是200000km/s。请回答下列问题，要求说明理由或写出计算过程。（1）若主机甲和主机乙发送数据时发生冲突，则从开始发送数据时刻起，到两台主机均检测到冲突时刻止，最短需要经过多长时间？最

26、长需要多长时间（假设主机甲和主机乙发送数据过程中，其它主机不发送数据）。（2）若网络不存在任何冲突与差错，主机甲总是以标准的最长以太帧（1518字节）向主机乙发送数据，主机乙每成功收到一个数据帧后立即向主机甲发送64字节的确认帧，主机甲收到确认帧后方可发送下一个数据帧。此时主机甲的有效数据传输速率是多少?(不考虑以太帧的前导码)（1）当甲乙同时发送，检测到冲突时间最短：2km/2/2000000km/s*2=10us;该局域网的冲突窗口即是检测到冲突时间最长：2km/2000000km/s*2=20us （2）发送数据帧延时=1518*8b/10Mbps=1214.4us;发送确认帧延时=64*8b/10Mbps=51.2us;主机甲的有效数据传输率=1500*8b/（1214.4us+51.2us）=9.33Mbps