CH3-5ed數據鏈路層

1、第 3 章 數據鏈路層3.1 使用點對點信道的數據鏈路層3.1.1 數據鏈路和幀3.1.2 三個基本問題3.2 點對點協(xié)議 PPP3.2.1 PPP 協(xié)議的特點3.2.2 PPP 協(xié)議的幀格式3.2.3 PPP 協(xié)議的工作狀態(tài)第 3 章 數據鏈路層（續(xù)）3.3 使用廣播信道的數據鏈路層 3.3.1 局域網的數據鏈路層 3.3.2 CSMA/CD 協(xié)議3.4 使用廣播信道的以太網 3.4.1 使用集線器的星形拓撲 3.4.2 以太網的信道利用率 3.4.3 以太網的 MAC 層第 3 章 數據鏈路層（續(xù)）3.5 擴展的以太網3.5.1 在物理層擴展以太網3.5.2 在數據鏈路層擴展以太網3.6

2、高速以太網 3.6.1 100BASE-T 以太網 3.6.2 吉比特以太網 3.6.3 10 吉比特以太網 3.6.4 使用高速以太網進行寬帶接入3.7 其他類型的高速局域網接口數據鏈路層數據鏈路層使用的信道主要有以下兩種類型：n點對點信道。這種信道使用一對一的點對點通信方式。n廣播信道。這種信道使用一對多的廣播通信方式，因此過程比較復雜。廣播信道上連接的主機很多，因此必須使用專用的共享信道協(xié)議來協(xié)調這些主機的數據發(fā) 數據鏈路層的簡單模型局域網廣域網主機 H1主機 H2路由器 R1路由器 R2路由器 R3電話網局域網主機 H1 向 H2 發(fā)送數據鏈路層應用層運輸層網絡層物理層鏈路層應用層運輸

3、層網絡層物理層鏈路層網絡層物理層鏈路層網絡層物理層鏈路層網絡層物理層R1R2R3H1H2從層次上來看數據的流動數據鏈路層的簡單模型( 續(xù)）局域網廣域網主機 H1主機 H2路由器 R1路由器 R2路由器 R3電話網局域網主機 H1 向 H2 發(fā)送數據鏈路層應用層運輸層網絡層物理層鏈路層應用層運輸層網絡層物理層鏈路層網絡層物理層鏈路層網絡層物理層鏈路層網絡層物理層R1R2R3H1H2僅從數據鏈路層觀察幀的流動3.1 使用點對點信道的數據鏈路層3.1.1 數據鏈路和幀 n鏈路(link)是一條無源的點到點的物理線路段，中間沒有任何其他的交換結點。n一條鏈路只是一條通路的一個組成部分。n數據鏈路(da

4、ta link) 除了物理線路外，還必須有通信協(xié)議來控制這些數據的傳輸。若把實現這些協(xié)議的硬件和軟件加到鏈路上，就構成了數據鏈路。n現在最常用的方法是使用適配器（即網卡）來實現這些協(xié)議的硬件和軟件。n一般的適配器都包括了數據鏈路層和物理層這兩層的功能。 IP 數據報1010 0110幀取出數據鏈路層網絡層鏈路結點 A結點 B物理層數據鏈路層結點 A結點 B幀(a)(b)發(fā)送幀接收鏈路IP 數據報1010 0110幀裝入數據鏈路層傳送的是幀數據鏈路層像個數字管道 n常常在兩個對等的數據鏈路層之間畫出一個數字管道，而在這條數字管道上傳輸的數據單位是幀。n早期的數據通信協(xié)議曾叫作通信規(guī)程(proce

5、dure)。因此在數據鏈路層，規(guī)程和協(xié)議是同義語。 結點結點幀幀3.1.2 三個基本問題 (1) 封裝成幀(2) 透明傳輸(3) 差錯控制 1. 封裝成幀n封裝成幀(framing)就是在一段數據的前后分別添加首部和尾部，然后就構成了一個幀。確定幀的界限。n首部和尾部的一個重要作用就是進行幀定界。 幀結束幀首部IP 數據報幀的數據部分幀尾部 MTU數據鏈路層的幀長開始發(fā)送幀開始用控制字符進行幀定界的方法舉例 SOH裝在幀中的數據部分幀幀開始符幀結束符發(fā)送在前EOTSOH=00000001,EOT=000001002. 透明傳輸SOHEOT出現了“EOT”被接收端當作無效幀而丟棄被接收端誤認為是

6、一個幀數據部分EOT完整的幀發(fā)送在前解決透明傳輸問題n發(fā)送端的數據鏈路層在數據中出現控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入一個轉義字符“ESC”(其十六進制編碼是 1B)。n字節(jié)填充(byte stuffing)或字符填充(character stuffing)接收端的數據鏈路層在將數據送往網絡層之前刪除插入的轉義字符。n如果轉義字符也出現數據當中，那么應在轉義字符前面插入一個轉義字符。當接收端收到連續(xù)的兩個轉義字符時，就刪除其中前面的一個。 SOHSOHEOTSOHESCESCEOTESCSOHESCESCESCSOH原始數據EOTEOT經過字節(jié)填充后發(fā)送的數據字節(jié)填充字節(jié)填充字節(jié)填充字節(jié)

7、填充發(fā)送在前幀開始符幀結束符用字節(jié)填充法解決透明傳輸的問題 SOHESC=000110113. 差錯檢測n在傳輸過程中可能會產生比特差錯：1 可能會變成 0 而 0 也可能變成 1。n在一段時間內，傳輸錯誤的比特占所傳輸比特總數的比率稱為誤碼率 BER (Bit Error Rate)。n誤碼率與信噪比有很大的關系。n為了保證數據傳輸的可靠性，在計算機網絡傳輸數據時，必須采用各種差錯檢測措施。 為什么要設計數據鏈路層n在原始物理傳輸線路上傳輸數據信號是有差錯的；在原始物理傳輸線路上傳輸數據信號是有差錯的；n設計數據鏈路層的主要目的：設計數據鏈路層的主要目的： 將有差錯的物理線路改進成無差錯的數

8、據鏈路；將有差錯的物理線路改進成無差錯的數據鏈路； 方法方法 差錯檢測差錯檢測 差錯控制差錯控制 流量控制流量控制n作用：改善數據傳輸質量，向網絡層提供高質量的服務。作用：改善數據傳輸質量，向網絡層提供高質量的服務。3.1.2 差錯產生的原因和差錯類型 n傳輸差錯傳輸差錯 通過通信信道后接收的數據與發(fā)送數據通過通信信道后接收的數據與發(fā)送數據 不一致的現象不一致的現象;n差錯控制差錯控制 檢查是否出現差錯以及如何糾正差錯；檢查是否出現差錯以及如何糾正差錯；n通信信道的噪聲分為兩類：熱噪聲和沖擊噪聲；通信信道的噪聲分為兩類：熱噪聲和沖擊噪聲；n由熱噪聲引起的差錯是隨機差錯，或隨機錯；由熱噪聲引起的

9、差錯是隨機差錯，或隨機錯；n沖擊噪聲引起的差錯是突發(fā)差錯，或突發(fā)錯；沖擊噪聲引起的差錯是突發(fā)差錯，或突發(fā)錯；n引起突發(fā)差錯的位長稱為突發(fā)長度；引起突發(fā)差錯的位長稱為突發(fā)長度；n在通信過程中產生的傳輸差錯，是由隨機差錯與突發(fā)在通信過程中產生的傳輸差錯，是由隨機差錯與突發(fā)差錯共同構成的。差錯共同構成的。傳輸差錯產生過程信源通信信道信宿數據噪聲數據+噪聲(a)001100111100011111000011000100010110011001010傳輸數據數據信號波形噪聲數據信號與噪聲信號疊加后的波形采樣時間接收數據原始數據出錯的位(b) 3.1.3 誤碼率的定義誤碼率定義： 二進制比特在數據傳輸系

10、統(tǒng)中被傳錯的概率，二進制比特在數據傳輸系統(tǒng)中被傳錯的概率，它在數值上近似等于：它在數值上近似等于： Pe = Ne/N其中，其中，N為傳輸的二進制比特總數；為傳輸的二進制比特總數； Ne為被傳錯的比特數。為被傳錯的比特數。討論n誤碼率應該是衡量數據傳輸系統(tǒng)正常工作狀態(tài)誤碼率應該是衡量數據傳輸系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下下傳輸可傳輸可靠性的參數；靠性的參數；n對于一個實際的數據傳輸系統(tǒng)，不能籠統(tǒng)地說誤碼率越對于一個實際的數據傳輸系統(tǒng)，不能籠統(tǒng)地說誤碼率越低越好，要根據實際傳輸要求提出誤碼率要求；低越好，要根據實際傳輸要求提出誤碼率要求；n對于實際數據傳輸系統(tǒng)，如果傳輸的不是二進制比特，對于實際數據傳輸系統(tǒng)

11、，如果傳輸的不是二進制比特，要折合成二進制比特來計算；要折合成二進制比特來計算；n差錯的出現具有隨機性，在實際測量一個數據傳輸系統(tǒng)差錯的出現具有隨機性，在實際測量一個數據傳輸系統(tǒng)時，只有被測量的傳輸二進制比特數越大，才會越接近時，只有被測量的傳輸二進制比特數越大，才會越接近于真正的誤碼率值。于真正的誤碼率值。 課堂練習1n已知某通信信道的誤碼率為10-5 ，每個幀的長度是10kb，請回答以下問題：1.如果差錯是單比特錯誤，那么這個通信信道上傳送的幀的平均出錯率是多少？2.如果差錯是突發(fā)錯誤，那么這個通信信道上傳送的幀的平均出錯率是多少？3.1.4 檢錯碼與糾錯碼 n糾錯碼糾錯碼： 每個傳輸的分

12、組帶上足夠的冗余信息；每個傳輸的分組帶上足夠的冗余信息； 接收端能發(fā)現并自動糾正傳輸差錯。接收端能發(fā)現并自動糾正傳輸差錯。n檢錯碼檢錯碼: : 分組僅包含足以使接收端發(fā)現差錯的冗余信息；分組僅包含足以使接收端發(fā)現差錯的冗余信息； 接收端能發(fā)現出錯，但不能確定哪一比特是錯的，并接收端能發(fā)現出錯，但不能確定哪一比特是錯的，并且自己不能糾正傳輸差錯。且自己不能糾正傳輸差錯。 常用的檢錯碼n奇偶校驗碼奇偶校驗碼 垂直奇（偶）校驗垂直奇（偶）校驗 水平奇（偶）校驗水平水平奇（偶）校驗水平 垂直奇（偶）校驗（方陣碼）垂直奇（偶）校驗（方陣碼） n循環(huán)冗余編碼循環(huán)冗余編碼CRC 目前應用最廣的檢錯碼編碼方法

13、之一目前應用最廣的檢錯碼編碼方法之一循環(huán)冗余編碼工作原理 發(fā)送方接收方發(fā)送數據 f(x)生成多項式 G(x)f(x) xk.G(x)=Q(x)+R(x)G(x)實際發(fā)送: f(x)xk.+R(x)數據字段校驗字段f(x)xk.R(x)發(fā)送數據 f (x)生成多項式 G(x)R(x)=R(x) 接收正確R(x)=R(x) 接收出錯發(fā)送f(x) xk.G(x)=Q(x)+R(x)G(x)n 舉例舉例：1 1 0 0 1 1發(fā)送數據比特序列CRC校驗碼比特序列1 0 0 1帶CRC校驗碼的發(fā)送數據比特序列1 1 0 0 1 1 1 0 0 11 1 0 0 11 1 0 0 11 1 0 0 11

14、1 0 0 101 0 0 0 0 11 1 0 0 1 1 0 0 0 01 1 0 0 1G(x)1 1 0 0 11 0 0 0 01 1 0 0 11 0 0 1R(x)1 0 0 0 0 1Q(x)f(x).xk標準CRC生成多項式G（x）nCRC-12 G（x）= x12+x11+x3+x2+x+1nCRC-16 G（x）= x16+x15+x2+1nCRC-CCITT G（x）= x16+x12+x5+1nCRC-32 G（x）= x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+ x10+x8+x7+x5+x4 + x2+x+1 CRC校驗碼的檢錯能力nCRC校驗碼能檢查

15、出全部單個錯；校驗碼能檢查出全部單個錯；nCRC校驗碼能檢查出全部離散的二位錯；校驗碼能檢查出全部離散的二位錯；nCRC校驗碼能檢查出全部奇數個錯；校驗碼能檢查出全部奇數個錯；nCRC校驗碼能檢查出全部長度小于或等于校驗碼能檢查出全部長度小于或等于K位的突發(fā)錯；位的突發(fā)錯；nCRC校驗碼能以校驗碼能以1-（1/2）K-1的概率檢查出長度為的概率檢查出長度為（K+1）位的突發(fā)錯；）位的突發(fā)錯；n如果如果K=16，則該，則該CRC校驗碼能全部檢查出小于或等于校驗碼能全部檢查出小于或等于16 位的所有的突發(fā)差錯，并能以位的所有的突發(fā)差錯，并能以1-（1/2）16-1=99.997的概率檢查出長度為的

16、概率檢查出長度為17位的突發(fā)錯，漏檢概率為位的突發(fā)錯，漏檢概率為0.003%； 接收端對收到的每一幀進行 CRC 檢驗 n(1) 若得出的余數 R = 0，則判定這個幀沒有差錯，就接受(accept)。n(2) 若余數 R 0，則判定這個幀有差錯，就丟棄。n但這種檢測方法并不能確定究竟是哪一個或哪幾個比特出現了差錯。n只要經過嚴格的挑選，并使用位數足夠多的除數 P，那么出現檢測不到的差錯的概率就很小很小。 應當注意 n僅用循環(huán)冗余檢驗 CRC 差錯檢測技術只能做到無差錯接受(accept)。n“無差錯接受”是指：“凡是接受的幀（即不包括丟棄的幀），我們都能以非常接近于 1 的概率認為這些幀在傳

17、輸過程中沒有產生差錯”。n也就是說：“凡是接收端數據鏈路層接受的幀都沒有傳輸差錯”（有差錯的幀就丟棄而不接受）。n要做到“可靠傳輸”（即發(fā)送什么就收到什么）就必須再加上確認和重傳機制。 課堂練習2n要發(fā)送的比特序列為1010001101，CRC生成多項式為G(X)=X5+X4+X2+1,求CRC校驗碼？幀檢驗序列 FCS n在數據后面添加上的冗余碼稱為幀檢驗序列 FCS (Frame Check Sequence)。n循環(huán)冗余檢驗 CRC 和幀檢驗序列 FCS并不等同。nCRC 是一種常用的檢錯方法，而 FCS 是添加在數據后面的冗余碼。nFCS 可以用 CRC 這種方法得出，但 CRC 并非

18、用來獲得 FCS 的唯一方法。 3.2 點對點協(xié)議 PPP 3.2.1 PPP 協(xié)議的特點 n現在全世界使用得最多的數據鏈路層協(xié)議是點對點協(xié)議 PPP (Point-to-Point Protocol)。n用戶使用撥號電話線接入因特網時，一般都是使用 PPP 協(xié)議。 用戶到 ISP 的鏈路使用 PPP 協(xié)議 用戶至因特網已向因特網管理機構申請到一批 IP 地址ISP接入網PPP 協(xié)議1. PPP 協(xié)議應滿足的需求 n簡單這是首要的要求n封裝成幀 n透明性 n多種網絡層協(xié)議 n多種類型鏈路 n差錯檢測 n檢測連接狀態(tài) n最大傳送單元 n網絡層地址協(xié)商 n數據壓縮協(xié)商 2. PPP 協(xié)議不需要的功

19、能n糾錯 n流量控制 n序號 n多點線路 n半雙工或單工鏈路 3. PPP 協(xié)議的組成 n1992 年制訂了 PPP 協(xié)議。經過 1993 年和 1994 年的修訂，現在的 PPP 協(xié)議已成為因特網的正式標準RFC 1661。 nPPP 協(xié)議有三個組成部分 n一個將 IP 數據報封裝到串行鏈路的方法。n鏈路控制協(xié)議 LCP (Link Control Protocol)。n網絡控制協(xié)議 NCP (Network Control Protocol)。 3.2.2 PPP 協(xié)議的幀格式n標志字段 F = 0 x7E （符號“0 x”表示后面的字符是用十六進制表示。十六進制的 7E 的二進制表示是

20、01111110）。n地址字段 A 只置為 0 xFF。地址字段實際上并不起作用。n控制字段 C 通常置為 0 x03。nPPP 是面向字節(jié)的，所有的 PPP 幀的長度都是整數字節(jié)。 PPP 協(xié)議的幀格式nPPP 有一個 2 個字節(jié)的協(xié)議字段。n當協(xié)議字段為 0 x0021 時，PPP 幀的信息字段就是IP 數據報。n若為 0 xC021, 則信息字段是 PPP 鏈路控制數據。n若為 0 x8021，則表示這是網絡控制數據。 IP 數據報1211字節(jié)12不超過 1500 字節(jié)PPP 幀先發(fā)送7EFF03FACFCSF7E協(xié)議信 息 部 分首部尾部透明傳輸問題 n當 PPP 用在同步傳輸鏈路時，

21、協(xié)議規(guī)定采用硬件來完成比特填充（和 HDLC 的做法一樣）。 n當 PPP 用在異步傳輸時，就使用一種特殊的字符填充法。 字符填充 n將信息字段中出現的每一個 0 x7E 字節(jié)轉變成為 2 字節(jié)序列(0 x7D, 0 x5E)。 n若信息字段中出現一個 0 x7D 的字節(jié), 則將其轉變成為 2 字節(jié)序列(0 x7D, 0 x5D)。n若信息字段中出現 ASCII 碼的控制字符（即數值小于 0 x20 的字符），則在該字符前面要加入一個 0 x7D 字節(jié)，同時將該字符的編碼加以改變。 課堂練習1n一個PPP幀傳輸的數據部分為7D 5E FE 27 7D 5D 7D 5D 65 7D 5E請問真正

22、的數據是什么？如果真正的數據是7D 55 8E 14 7A 6D 7D,那么實際傳輸的數據應該是什么？零比特填充 nPPP 協(xié)議用在 SONET/SDH 鏈路時，是使用同步傳輸（一連串的比特連續(xù)傳送）。這時 PPP 協(xié)議采用零比特填充方法來實現透明傳輸。n在發(fā)送端，只要發(fā)現有 5 個連續(xù) 1，則立即填入一個 0。接收端對幀中的比特流進行掃描。每當發(fā)現 5 個連續(xù)1時，就把這 5 個連續(xù) 1 后的一個 0 刪除，0 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

23、 0 1 0 1 0信息字段中出現了和標志字段 F 完全一樣的 8 比特組合發(fā)送端在 5 個連 1 之后填入 0 比特再發(fā)送出去在接收端把 5 個連 1之后的 0 比特刪除會被誤認為是標志字段 F 發(fā)送端填入 0 比特接收端刪除填入的 0 比特零比特填充 不提供使用序號和確認的可靠傳輸 nPPP 協(xié)議之所以不使用序號和確認機制是出于以下的考慮：n在數據鏈路層出現差錯的概率不大時，使用比較簡單的 PPP 協(xié)議較為合理。n在因特網環(huán)境下，PPP 的信息字段放入的數據是 IP 數據報。數據鏈路層的可靠傳輸并不能夠保證網絡層的傳輸也是可靠的。n幀檢驗序列 FCS 字段可保證無差錯接受。 3.2.3 P

24、PP 協(xié)議的工作狀態(tài) n當用戶撥號接入 ISP 時，路由器的調制解調器對撥號做出確認，并建立一條物理連接。nPC 機向路由器發(fā)送一系列的 LCP 分組（封裝成多個 PPP 幀）。n這些分組及其響應選擇一些 PPP 參數，和進行網絡層配置，NCP 給新接入的 PC機分配一個臨時的 IP 地址，使 PC 機成為因特網上的一個主機。n通信完畢時，NCP 釋放網絡層連接，收回原來分配出去的 IP 地址。接著，LCP 釋放數據鏈路層連接。最后釋放的是物理層的連接。 3.3 使用廣播信道的數據鏈路層3.3.1 局域網的數據鏈路層 n局域網最主要的特點是：網絡為一個單位所擁有，且地理范圍和站點數目均有限。

25、n局域網具有如下的一些主要優(yōu)點：n具有廣播功能，從一個站點可很方便地訪問全網。局域網上的主機可共享連接在局域網上的各種硬件和軟件資源。 n便于系統(tǒng)的擴展和逐漸地演變，各設備的位置可靈活調整和改變。n提高了系統(tǒng)的可靠性、可用性和生存性。局域網的拓撲 匹配電阻集線器干線耦合器總線網星形網樹形網 環(huán)形網媒體共享技術n靜態(tài)劃分信道n頻分復用n時分復用n波分復用n碼分復用 n動態(tài)媒體接入控制（多點接入）n隨機接入n受控接入 ，如多點線路探詢(polling)，或輪詢。 以太網的兩個標準 nDIX Ethernet V2 是世界上第一個局域網產品（以太網）的規(guī)約。nIEEE 的 802.3 標準。nDIX

26、 Ethernet V2 標準與 IEEE 的 802.3 標準只有很小的差別，因此可以將 802.3 局域網簡稱為“以太網”。n嚴格說來，“以太網”應當是指符合 DIX Ethernet V2 標準的局域網 數據鏈路層的兩個子層 n為了使數據鏈路層能更好地適應多種局域網標準，802 委員會就將局域網的數據鏈路層拆成兩個子層：n邏輯鏈路控制 LLC (Logical Link Control)子層n媒體接入控制 MAC (Medium Access Control)子層。n與接入到傳輸媒體有關的內容都放在 MAC子層，而 LLC 子層則與傳輸媒體無關，不管采用何種協(xié)議的局域網對 LLC 子層來

27、說都是透明的 局域網對 LLC 子層是透明的 局 域 網網絡層物理層站點 1網絡層物理層邏輯鏈路控制LLCLLC媒體接入控制MACMAC數據鏈路層站點 2以后一般不考慮 LLC 子層 n由于 TCP/IP 體系經常使用的局域網是 DIX Ethernet V2 而不是 802.3 標準中的幾種局域網，因此現在 802 委員會制定的邏輯鏈路控制子層 LLC（即 802.2 標準）的作用已經不大了。n很多廠商生產的適配器上就僅裝有 MAC 協(xié)議而沒有 LLC 協(xié)議。 2. 適配器的作用 n網絡接口板又稱為通信適配器(adapter)或網絡接口卡 NIC (Network Interface Car

28、d)，或“網卡”。 n適配器的重要功能：n進行串行/并行轉換。n對數據進行緩存。n在計算機的操作系統(tǒng)安裝設備驅動程序。n實現以太網協(xié)議。 計算機通過適配器和局域網進行通信 硬件地址至局域網適配器（網卡）串行通信CPU 和存儲器生成發(fā)送的數據處理收到的數據把幀發(fā)送到局域網從局域網接收幀計算機IP 地址并行通信n最初的以太網是將許多計算機都連接到一根總線上。當初認為這樣的連接方法既簡單又可靠，因為總線上沒有有源器件。 3.3.2 CSMA/CD 協(xié)議 B向 D發(fā)送數據 C D A E匹配電阻（用來吸收總線上傳播的信號）匹配電阻不接受不接受不接受接受B只有 D 接受B 發(fā)送的數據以太網的廣播方式發(fā)送

29、 n總線上的每一個工作的計算機都能檢測到 B 發(fā)送的數據信號。 n由于只有計算機 D 的地址與數據幀首部寫入的地址一致，因此只有 D 才接收這個數據幀。 n其他所有的計算機（A, C 和 E）都檢測到不是發(fā)送給它們的數據幀，因此就丟棄這個數據幀而不能夠收下來。n具有廣播特性的總線上實現了一對一的通信。 為了通信的簡便以太網采取了兩種重要的措施 n采用較為靈活的無連接的工作方式，即不必先建立連接就可以直接發(fā)送數據。 n以太網對發(fā)送的數據幀不進行編號，也不要求對方發(fā)回確認。n這樣做的理由是局域網信道的質量很好，因信道質量產生差錯的概率是很小的。 以太網提供的服務 n以太網提供的服務是不可靠的交付，

30、即盡最大努力的交付。n當目的站收到有差錯的數據幀時就丟棄此幀，其他什么也不做。差錯的糾正由高層來決定。n如果高層發(fā)現丟失了一些數據而進行重傳，但以太網并不知道這是一個重傳的幀，而是當作一個新的數據幀來發(fā)送。 以太網發(fā)送的數據都使用曼徹斯特(Manchester)編碼 基帶數字信號曼徹斯特編碼 碼元1111100000出現電平轉換載波監(jiān)聽多點接入/碰撞檢測 CSMA/CD nCSMA/CD 表示 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection。n“多點接入”表示許多計算機以多點接入的方式連接在一根總線上。n“載波監(jiān)聽”是指每一個站在發(fā)

31、送數據之前先要檢測一下總線上是否有其他計算機在發(fā)送數據，如果有，則暫時不要發(fā)送數據，以免發(fā)生碰撞。 n總線上并沒有什么“載波”。因此， “載波監(jiān)聽”就是用電子技術檢測總線上有沒有其他計算機發(fā)送的數據信號。 碰撞檢測n“碰撞檢測”就是計算機邊發(fā)送數據邊檢測信道上的信號電壓大小。n當幾個站同時在總線上發(fā)送數據時，總線上的信號電壓擺動值將會增大（互相疊加）。n當一個站檢測到的信號電壓擺動值超過一定的門限值時，就認為總線上至少有兩個站同時在發(fā)送數據，表明產生了碰撞。n所謂“碰撞”就是發(fā)生了沖突。因此“碰撞檢測”也稱為“沖突檢測”。檢測到碰撞后n在發(fā)生碰撞時，總線上傳輸的信號產生了嚴重的失真，無法從中恢

32、復出有用的信息來。n每一個正在發(fā)送數據的站，一旦發(fā)現總線上出現了碰撞，就要立即停止發(fā)送，免得繼續(xù)浪費網絡資源，然后等待一段隨機時間后再次發(fā)送。電磁波在總線上的有限傳播速率的影響 n當某個站監(jiān)聽到總線是空閑時，也可能總線并非真正是空閑的。 nA 向 B 發(fā)出的信息，要經過一定的時間后才能傳送到 B。nB 若在 A 發(fā)送的信息到達 B 之前發(fā)送自己的幀(因為這時 B 的載波監(jiān)聽檢測不到 A 所發(fā)送的信息)，則必然要在某個時間和 A 發(fā)送的幀發(fā)生碰撞。n碰撞的結果是兩個幀都變得無用。 1 kmABt碰撞t = 2 A 檢測到發(fā)生碰撞 t = B 發(fā)送數據B 檢測到發(fā)生碰撞 t = t = 0單程端到

33、端傳播時延記為 傳播時延對載波監(jiān)聽的影響 1 kmABt碰撞t = B 檢測到信道空閑發(fā)送數據t = / 2發(fā)生碰撞t = 2 A 檢測到發(fā)生碰撞 t = B 發(fā)送數據B 檢測到發(fā)生碰撞 t = ABABAB t = 0 A 檢測到信道空閑發(fā)送數據ABt = 0t = B 檢測到發(fā)生碰撞停止發(fā)送STOPt = 2 A 檢測到發(fā)生碰撞STOPAB單程端到端傳播時延記為 重要特性n使用 CSMA/CD 協(xié)議的以太網不能進行全雙工通信而只能進行雙向交替通信（半雙工通信）。n每個站在發(fā)送數據之后的一小段時間內，存在著遭遇碰撞的可能性。 n這種發(fā)送的不確定性使整個以太網的平均通信量遠小于以太網的最高數據

34、率。 爭用期n最先發(fā)送數據幀的站，在發(fā)送數據幀后至多經過時間 2 （兩倍的端到端往返時延）就可知道發(fā)送的數據幀是否遭受了碰撞。n以太網的端到端往返時延 2 稱為爭用期，或碰撞窗口。n經過爭用期這段時間還沒有檢測到碰撞，才能肯定這次發(fā)送不會發(fā)生碰撞。 二進制指數類型退避算法 (truncated binary exponential type)n發(fā)生碰撞的站在停止發(fā)送數據后，要推遲（退避）一個隨機時間才能再發(fā)送數據。n確定基本退避時間，一般是取為爭用期 2。n定義重傳次數 k ，k 10，即 k = Min重傳次數, 10n從整數集合0,1, (2k 1)中隨機地取出一個數，記為 r。重傳所需的

35、時延就是 r 倍的基本退避時間。n當重傳達 16 次仍不能成功時即丟棄該幀，并向高層報告。 爭用期的長度 n以太網取 51.2 s 為爭用期的長度。n對于 10 Mb/s 以太網，在爭用期內可發(fā)送512 bit，即 64 字節(jié)。n以太網在發(fā)送數據時，若前 64 字節(jié)沒有發(fā)生沖突，則后續(xù)的數據就不會發(fā)生沖突。 最短有效幀長 n如果發(fā)生沖突，就一定是在發(fā)送的前 64 字節(jié)之內。 n由于一檢測到沖突就立即中止發(fā)送，這時已經發(fā)送出去的數據一定小于 64 字節(jié)。 n以太網規(guī)定了最短有效幀長為 64 字節(jié)，凡長度小于 64 字節(jié)的幀都是由于沖突而異常中止的無效幀。 強化碰撞 n當發(fā)送數據的站一旦發(fā)現發(fā)生了

36、碰撞時：n立即停止發(fā)送數據；n再繼續(xù)發(fā)送若干比特的人為干擾信號(jamming signal)，以便讓所有用戶都知道現在已經發(fā)生了碰撞。 數據幀干擾信號 TJ人為干擾信號 ABTBt B 發(fā)送數據A 檢測到沖突開始沖突信道占用時間A 發(fā)送數據B 也能夠檢測到沖突，并立即停止發(fā)送數據幀，接著就發(fā)送干擾信號。這里為了簡單起見，只畫出 A 發(fā)送干擾信號的情況。n假定假定1km長的長的CSMA/CD網絡的數據率為網絡的數據率為1Gb/s。設信號在網絡上的傳播速率為。設信號在網絡上的傳播速率為200000km/s。求能夠使用此協(xié)議的最短。求能夠使用此協(xié)議的最短幀長。幀長。n答：對于1km電纜，單程傳播時

37、間為1200000=510-6s，即5us，來回路程傳播時間為10us。為了能夠按照CSMA/CD工作，最短幀的發(fā)射時間不能小于10us。以1Gb/s速率工作，10us可以發(fā)送的比特數等于：n n因此，最短幀是10000位或1250字節(jié)長。100001011010963.4 使用廣播信道的以太網3.4.1 使用集線器的星形拓撲n傳統(tǒng)以太網最初是使用粗同軸電纜，后來演進到使用比較便宜的細同軸電纜，最后發(fā)展為使用更便宜和更靈活的雙絞線。n這種以太網采用星形拓撲，在星形的中心則增加了一種可靠性非常高的設備，叫做集線器(hub) 使用集線器的雙絞線以太網 集線器兩對雙絞線站點RJ-45 插頭星形網 1

38、0BASE-T n不用電纜而使用無屏蔽雙絞線。每個站需要用兩對雙絞線，分別用于發(fā)送和接收。n集線器使用了大規(guī)模集成電路芯片，因此這樣的硬件設備的可靠性已大大提高了。 以太網在局域網中的統(tǒng)治地位n10BASE-T 的通信距離稍短，每個站到集線器的距離不超過 100 m。n這種 10 Mb/s 速率的無屏蔽雙絞線星形網的出現，既降低了成本，又提高了可靠性。 n10BASE-T 雙絞線以太網的出現，是局域網發(fā)展史上的一個非常重要的里程碑，它為以太網在局域網中的統(tǒng)治地位奠定了牢固的基礎。 集線器的一些特點 n集線器是使用電子器件來模擬實際電纜線的工作，因此整個系統(tǒng)仍然像一個傳統(tǒng)的以太網那樣運行。 n使

39、用集線器的以太網在邏輯上仍是一個總線網，各工作站使用的還是 CSMA/CD 協(xié)議，并共享邏輯上的總線。 n集線器很像一個多接口的轉發(fā)器，工作在物理層。 具有三個接口的集線器 集線器網卡工作站網卡工作站網卡工作站雙絞線3.4.2 以太網的信道利用率 n以太網的信道被占用的情況：n爭用期長度為 2，即端到端傳播時延的兩倍。檢測到碰撞后不發(fā)送干擾信號。n幀長為 L (bit)，數據發(fā)送速率為 C (b/s)，因而幀的發(fā)送時間為 L/C = T0 (s)。 以太網的信道利用率 n一個幀從開始發(fā)送，經可能發(fā)生的碰撞后，將再重傳數次，到發(fā)送成功且信道轉為空閑(即再經過時間 使得信道上無信號在傳播)時為止，

40、是發(fā)送一幀所需的平均時間。 發(fā) 送 成 功 爭用期 爭用期 爭用期 2 2 2T0t占用期 發(fā)生碰撞 發(fā)送一幀所需的平均時間參數 a n要提高以太網的信道利用率，就必須減小 與 T0 之比。在以太網中定義了參數 a，它是以太網單程端到端時延 與幀的發(fā)送時間 T0 之比： 0Ta0Ta(3-2) a0 表示一發(fā)生碰撞就立即可以檢測出來， 并立即停止發(fā)送，因而信道利用率很高。 a 越大，表明爭用期所占的比例增大，每發(fā) 生一次碰撞就浪費許多信道資源，使得信道 利用率明顯降低。 對以太網參數的要求n當數據率一定時，以太網的連線的長度受到限制，否則 的數值會太大。n以太網的幀長不能太短，否則 T0 的值

41、會太小，使 a 值太大。 n在理想化的情況下，以太網上的各站發(fā)送數據都不會產生碰撞（這顯然已經不是 CSMA/CD，而是需要使用一種特殊的調度方法），即總線一旦空閑就有某一個站立即發(fā)送數據。n發(fā)送一幀占用線路的時間是 T0 + ，而幀本身的發(fā)送時間是 T0。于是我們可計算出理想情況下的極限信道利用率 Smax為： 信道利用率的最大值 Smax aTTS1100max(3-3)3.4.3 以太網的 MAC 層1. MAC 層的硬件地址 n在局域網中，硬件地址又稱為物理地址，或 MAC 地址。 n802 標準所說的“地址”嚴格地講應當是每一個站的“名字”或標識符。 n但鑒于大家都早已習慣了將這種

42、48 位的“名字”稱為“地址”，所以本書也采用這種習慣用法，盡管這種說法并不太嚴格。48 位的 MAC 地址nIEEE 的注冊管理機構 RA 負責向廠家分配地址字段的前三個字節(jié)(即高位 24 位)。n地址字段中的后三個字節(jié)(即低位 24 位)由廠家自行指派，稱為擴展標識符，必須保證生產出的適配器沒有重復地址。n一個地址塊可以生成224個不同的地址。這種 48 位地址稱為 MAC-48，它的通用名稱是EUI-48。n“MAC地址”實際上就是適配器地址或適配器標識符EUI-48。適配器檢查 MAC 地址 n適配器從網絡上每收到一個 MAC 幀就首先用硬件檢查 MAC 幀中的 MAC 地址.n如果是

43、發(fā)往本站的幀則收下，然后再進行其他的處理。n否則就將此幀丟棄，不再進行其他的處理。n“發(fā)往本站的幀”包括以下三種幀： n單播(unicast)幀（一對一）n廣播(broadcast)幀（一對全體）n多播(multicast)幀（一對多）2. MAC 幀的格式 n常用的以太網MAC幀格式有兩種標準 ：nDIX Ethernet V2 標準nIEEE 的 802.3 標準n最常用的 MAC 幀是以太網 V2 的格式。以太網 MAC 幀物理層MAC層10101010101010 10101010101010101011前同步碼幀開始定界符7 字節(jié)1 字節(jié)8 字節(jié)插入IP層目的地址 源地址類型數 據F

44、CS6624字節(jié)46 1500IP 數據報以太網的 MAC 幀格式 MAC 幀物理層MAC 層IP 層目的地址源地址類型數 據FCS6624字節(jié)46 1500IP 數據報以太網 V2 的 MAC 幀格式目的地址字段 6 字節(jié)MAC 幀物理層MAC 層IP 層目的地址源地址類型數 據FCS6624字節(jié)46 1500IP 數據報以太網 V2 的 MAC 幀格式源地址字段 6 字節(jié)MAC 幀物理層MAC 層IP 層目的地址源地址類型數 據FCS6624字節(jié)46 1500IP 數據報以太網 V2 的 MAC 幀格式類型字段 2 字節(jié)類型字段用來標志上一層使用的是什么協(xié)議，以便把收到的 MAC 幀的數據

45、上交給上一層的這個協(xié)議。 MAC 幀物理層MAC 層IP 層目的地址源地址類型數 據FCS6624字節(jié)46 1500IP 數據報以太網 V2 的 MAC 幀格式數據字段 46 1500 字節(jié)數據字段的正式名稱是 MAC 客戶數據字段最小長度 64 字節(jié) 18 字節(jié)的首部和尾部 = 數據字段的最小長度 MAC 幀物理層MAC 層IP 層目的地址源地址類型數 據FCS6624字節(jié)46 1500IP 數據報以太網 V2 的 MAC 幀格式FCS 字段 4 字節(jié)當傳輸媒體的誤碼率為 1108 時，MAC 子層可使未檢測到的差錯小于 11014。 當數據字段的長度小于 46 字節(jié)時，應在數據字段的后面加

46、入整數字節(jié)的填充字段，以保證以太網的 MAC 幀長不小于 64 字節(jié)。 MAC 幀物理層MAC 層IP 層目的地址源地址類型數 據FCS6624字節(jié)46 1500IP 數據報以太網 V2 的 MAC 幀格式10101010101010 10101010101010101011前同步碼幀開始定界符7 字節(jié)1 字節(jié)8 字節(jié)插入在幀的前面插入的 8 字節(jié)中的第一個字段共 7 個字節(jié)，是前同步碼，用來迅速實現 MAC 幀的比特同步。第二個字段是幀開始定界符，表示后面的信息就是MAC 幀。 為了達到比特同步，在傳輸媒體上實際傳送的要比 MAC 幀還多 8 個字節(jié)n數據字段的長度與長度字段的值不一致；n幀

47、的長度不是整數個字節(jié)；n用收到的幀檢驗序列 FCS 查出有差錯；n數據字段的長度不在 46 1500 字節(jié)之間。n有效的 MAC 幀長度為 64 1518 字節(jié)之間。n對于檢查出的無效 MAC 幀就簡單地丟棄。以太網不負責重傳丟棄的幀。 無效的 MAC 幀 n幀間最小間隔為 9.6 s，相當于 96 bit 的發(fā)送時間。n一個站在檢測到總線開始空閑后，還要等待 9.6 s 才能再次發(fā)送數據。n這樣做是為了使剛剛收到數據幀的站的接收緩存來得及清理，做好接收下一幀的準備。 幀間最小間隔 習題1n假定1km長的CSMA/CD網絡的數據率為1Gb/s，設信號傳播速率為光速的2/3，問能夠使用此協(xié)議的最

48、短幀長是多少？課件制作人：謝希仁3.5 擴展的局域網3.5.1 在物理層擴展局域網n主機使用光纖和一對光纖調制解調器連接到集線器 以太網集線器光纖光纖調制解調器光纖調制解調器n某大學有三個系，各自有一個局域網用多個集線器可連成更大的局域網三個獨立的碰撞域一系二系三系碰撞域碰撞域碰撞域用集線器組成更大的局域網都在一個碰撞域中一系三系二系主干集線器一個更大的碰撞域碰撞域n優(yōu)點n使原來屬于不同碰撞域的局域網上的計算機能夠進行跨碰撞域的通信。n擴大了局域網覆蓋的地理范圍。n缺點n碰撞域增大了，但總的吞吐量并未提高。n如果不同的碰撞域使用不同的數據率，那么就不能用集線器將它們互連起來。 用集線器擴展局域

49、網 n在數據鏈路層擴展局域網是使用網橋。n網橋工作在數據鏈路層，它根據 MAC 幀的目的地址對收到的幀進行轉發(fā)。n網橋具有過濾幀的功能。當網橋收到一個幀時，并不是向所有的接口轉發(fā)此幀，而是先檢查此幀的目的 MAC 地址，然后再確定將該幀轉發(fā)到哪一個接口 3.5.2 在數據鏈路層擴展局域網 1. 網橋的內部結構 站表接口管理 軟件網橋協(xié)議 實體緩存接口 1接口 2網段 B網段 A111222站地址 接口網橋網橋接口 1接口 212n過濾通信量。 n擴大了物理范圍。n提高了可靠性。n可互連不同物理層、不同 MAC 子層和不同速率（如10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太網）的局域網。 使用網橋

50、帶來的好處 網橋使各網段成為隔離開的碰撞域 B2B1碰撞域碰撞域碰撞域ABCDEFn存儲轉發(fā)增加了時延。 n在MAC 子層并沒有流量控制功能。 n具有不同 MAC 子層的網段橋接在一起時時延更大。n網橋只適合于用戶數不太多(不超過幾百個)和通信量不太大的局域網，否則有時還會因傳播過多的廣播信息而產生網絡擁塞。這就是所謂的廣播風暴。 使用網橋帶來的缺點 用戶層IPMAC站 1用戶層IPMAC站 2物理層網橋 1網橋 2AB用戶數據IP-HMAC-HMAC-TDL-HDL-T 物理層DLRMAC物理層物理層DLRMAC物理層物理層LANLAN兩個網橋之間還可使用一段點到點鏈路 網橋不改變它轉發(fā)的幀

51、的源地址n集線器在轉發(fā)幀時，不對傳輸媒體進行檢測。n網橋在轉發(fā)幀之前必須執(zhí)行 CSMA/CD 算法。n若在發(fā)送過程中出現碰撞，就必須停止發(fā)送和進行退避。網橋和集線器（或轉發(fā)器）不同 n目前使用得最多的網橋是透明網橋(transparent bridge)。 n“透明”是指局域網上的站點并不知道所發(fā)送的幀將經過哪幾個網橋，因為網橋對各站來說是看不見的。 n透明網橋是一種即插即用設備，其標準是 IEEE 802.1D。 2. 透明網橋n若從 A 發(fā)出的幀從接口 x 進入了某網橋，那么從這個接口出發(fā)沿相反方向一定可把一個幀傳送到 A。n網橋每收到一個幀，就記下其源地址和進入網橋的接口，作為轉發(fā)表中的

52、一個項目。n在建立轉發(fā)表時是把幀首部中的源地址寫在“地址”這一欄的下面。n在轉發(fā)幀時，則是根據收到的幀首部中的目的地址來轉發(fā)的。這時就把在“地址”欄下面已經記下的源地址當作目的地址，而把記下的進入接口當作轉發(fā)接口。網橋應當按照以下自學習算法處理收到的幀和建立轉發(fā)表 地址 接口轉發(fā)表的建立過程舉例B2B1ABCDEF1212地址 接口B 1B AA BA 1F CF 2A BA 1F CF 2n在網橋的轉發(fā)表中寫入的信息除了地址和接口外，還有幀進入該網橋的時間。n這是因為以太網的拓撲可能經常會發(fā)生變化，站點也可能會更換適配器（這就改變了站點的地址）。另外，以太網上的工作站并非總是接通電源的。n把

53、每個幀到達網橋的時間登記下來，就可以在轉發(fā)表中只保留網絡拓撲的最新狀態(tài)信息。這樣就使得網橋中的轉發(fā)表能反映當前網絡的最新拓撲狀態(tài)。 網橋在轉發(fā)表中登記以下三個信息 網橋的自學習和轉發(fā)幀的步驟歸納 n網橋收到一幀后先進行自學習。查找轉發(fā)表中與收到幀的源地址有無相匹配的項目。如沒有，就在轉發(fā)表中增加一個項目（源地址、進入的接口和時間）。如有，則把原有的項目進行更新。n轉發(fā)幀。查找轉發(fā)表中與收到幀的目的地址有無相匹配的項目。n如沒有，則通過所有其他接口（但進入網橋的接口除外）按進行轉發(fā)。n如有，則按轉發(fā)表中給出的接口進行轉發(fā)。n若轉發(fā)表中給出的接口就是該幀進入網橋的接口，則應丟棄這個幀（因為這時不需

54、要經過網橋進行轉發(fā)）。n這是為了避免產生轉發(fā)的幀在網絡中不斷地兜圈子。 透明網橋使用了生成樹算法 局域網 2局域網 1網橋 2網橋 1 AF不停地兜圈子A 發(fā)出的幀F1網橋 1 轉發(fā)的幀F2網橋 2 轉發(fā)的幀網絡資源白白消耗了n互連在一起的網橋在進行彼此通信后，就能找出原來的網絡拓撲的一個子集。在這個子集里，整個連通的網絡中不存在回路，即在任何兩個站之間只有一條路徑。 n為了避免產生轉發(fā)的幀在網絡中不斷地兜圈子。n為了得出能夠反映網絡拓撲發(fā)生變化時的生成樹，在生成樹上的根網橋每隔一段時間還要對生成樹的拓撲進行更新。 生成樹的得出n透明網橋容易安裝，但網絡資源的利用不充分。n源路由(source

55、 route)網橋在發(fā)送幀時將詳細的路由信息放在幀的首部中。n源站以廣播方式向欲通信的目的站發(fā)送一個發(fā)現幀，每個發(fā)現幀都記錄所經過的路由。n發(fā)現幀到達目的站時就沿各自的路由返回源站。源站在得知這些路由后，從所有可能的路由中選擇出一個最佳路由。凡從該源站向該目的站發(fā)送的幀的首部，都必須攜帶源站所確定的這一路由信息。 3. 源路由網橋n1990 年問世的交換式集線器(switching hub)，可明顯地提高局域網的性能。n交換式集線器常稱為以太網交換機(switch)或第二層交換機（表明此交換機工作在數據鏈路層）。n以太網交換機通常都有十幾個接口。因此，以太網交換機實質上就是一個多接口的網橋，可

56、見交換機工作在數據鏈路層。4. 多接口網橋以太網交換機 n以太網交換機的每個接口都直接與主機相連，并且一般都工作在全雙工方式。n交換機能同時連通許多對的接口，使每一對相互通信的主機都能像獨占通信媒體那樣，進行無碰撞地傳輸數據。 n以太網交換機由于使用了專用的交換結構芯片，其交換速率就較高。 以太網交換機的特點n對于普通 10 Mb/s 的共享式以太網，若共有 N 個用戶，則每個用戶占有的平均帶寬只有總帶寬(10 Mb/s)的 N 分之一。n使用以太網交換機時，雖然在每個接口到主機的帶寬還是 10 Mb/s，但由于一個用戶在通信時是獨占而不是和其他網絡用戶共享傳輸媒體的帶寬，因此對于擁有 N 對

57、接口的交換機的總容量為 N10 Mb/s。這正是交換機的最大優(yōu)點。 獨占傳輸媒體的帶寬 用以太網交換機擴展局域網 一系三系二系10BASE-T至因特網100 Mb/s100 Mb/s100 Mb/s萬維網服務器電子郵件 服務器以太網交換機路由器n虛擬局域網 VLAN 是由一些局域網網段構成的與物理位置無關的邏輯組。n這些網段具有某些共同的需求。n每一個 VLAN 的幀都有一個明確的標識符，指明發(fā)送這個幀的工作站是屬于哪一個 VLAN。n虛擬局域網其實只是局域網給用戶提供的一種服務，而并不是一種新型局域網。 利用以太網交換機可以很方便地實現虛擬局域網 以太網交換機A4B1以太網交換機VLAN3C

58、3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太網交換機以太網交換機三個虛擬局域網: VLAN1, VLAN2 和 VLAN3以太網交換機A4B1以太網交換機VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太網交換機以太網交換機三個虛擬局域網 VLAN1, VLAN2和 VLAN3 的構成 當 B1 向 VLAN2 工作組內成員發(fā)送數據時，工作站 B2 和 B3 將會收到廣播的信息。以太網交換機A4B1以太網交換機VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太網交換機以太網交換機三個虛擬局域網 VLAN1, VLAN2和 VLAN3 的構成 B1 發(fā)送數據時，工作站 A1, A2 和 C1都不會收到 B1 發(fā)出的廣播信息。 以太網交換機A4B1以太網交換機VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太網交換機以太網交換機三個虛擬局域網 VLAN1, VLAN2和 VLAN3 的構成 虛擬局域網限制了接收廣播信息的工作站數，使得