C041使用廣播信道的數(shù)據(jù)鏈路層

1、課件制作人：謝希仁3.3 使用廣播信道的數(shù)據(jù)鏈路層3.3.1 局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層 n廣播信道可以進(jìn)行一對多的通信。n局域網(wǎng)最主要的特點：網(wǎng)絡(luò)為一個單位所擁有，且地理范圍和站點數(shù)目均有限n局域網(wǎng)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(wǎng)。局域網(wǎng)上的主機可共享連接在局域網(wǎng)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(shè)備的位置可靈活調(diào)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(wǎng)的拓?fù)?匹配電阻集線器干線耦合器總線網(wǎng)星形網(wǎng)樹形網(wǎng) 環(huán)形網(wǎng)課件制作人：謝希仁媒體共享技術(shù)n靜態(tài)劃分信道n頻分復(fù)用n時分復(fù)用n碼分復(fù)用n波分復(fù)用n動態(tài)媒體接入控制（多點接入）n隨

2、機接入（隨機發(fā)送消息，產(chǎn)生碰撞）n受控接入 ，如多點線路探詢(polling)，或輪詢。 課件制作人：謝希仁以太網(wǎng)的兩個標(biāo)準(zhǔn) nDIX Ethernet V2 是世界上第一個局域網(wǎng)產(chǎn)品（以太網(wǎng)）的規(guī)約。n1982年，DEC, Intel, Xeroxn1983年IEEE 的 802.3 標(biāo)準(zhǔn)。nDIX Ethernet V2 標(biāo)準(zhǔn)與 IEEE 的 802.3 標(biāo)準(zhǔn)只有很小的差別(P93)，因此可以將 802.3 局域網(wǎng)簡稱為“以太網(wǎng)”。n嚴(yán)格說來，“以太網(wǎng)”應(yīng)當(dāng)是指符合 DIX Ethernet V2 標(biāo)準(zhǔn)的局域網(wǎng) 課件制作人：謝希仁數(shù)據(jù)鏈路層的兩個子層 n為了使數(shù)據(jù)鏈路層能更好地適應(yīng)多種局域

3、網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，802 委員會就將局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)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(guān)的內(nèi)容都放在 MAC子層，而 LLC 子層則與傳輸媒體無關(guān)，不管采用何種協(xié)議的局域網(wǎng)對 LLC 子層來說都是透明的 課件制作人：謝希仁局域網(wǎng)對 LLC 子層是透明的 局 域 網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層物理層站點 1網(wǎng)絡(luò)層物理層邏輯鏈路控制LLCLLC媒體接入控制MACMAC數(shù)據(jù)鏈路層站點 2課件制作人：謝希仁以后一般不考慮 LLC 子層 n由于 TCP/IP 體系經(jīng)常使用的局域網(wǎng)是 DI

4、X Ethernet V2 而不是 802.3 標(biāo)準(zhǔn)中的幾種局域網(wǎng)，因此現(xiàn)在 802 委員會制定的邏輯鏈路控制子層 LLC（即 802.2 標(biāo)準(zhǔn)）的作用已經(jīng)不大了。n很多廠商生產(chǎn)的適配器上就僅裝有 MAC 協(xié)議而沒有 LLC 協(xié)議。 課件制作人：謝希仁2. 適配器的作用 n網(wǎng)絡(luò)接口板又稱為通信適配器(adapter)或網(wǎng)絡(luò)接口卡 NIC (Network Interface Card)，或“網(wǎng)卡”。 n適配器的重要功能：n進(jìn)行串行/并行轉(zhuǎn)換。n適配器和局域網(wǎng)之間通過電纜或雙絞線以串行傳輸方式通信n適配器和計算機之間通過計算機主板上的I/O總線以并行傳輸方式通信n對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存。n網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)率

5、和計算機總線上的數(shù)據(jù)率并不相同n在計算機的操作系統(tǒng)安裝設(shè)備驅(qū)動程序。n告訴適配器從存儲器的什么位置把多長的數(shù)據(jù)塊發(fā)送到局域網(wǎng)n應(yīng)當(dāng)在存儲器的什么位置上把局域網(wǎng)傳送過來的數(shù)據(jù)塊存儲下來n實現(xiàn)以太網(wǎng)協(xié)議。 課件制作人：謝希仁計算機通過適配器和局域網(wǎng)進(jìn)行通信 硬件地址 3.4.3節(jié)至局域網(wǎng)適配器（網(wǎng)卡）串行通信CPU 和存儲器生成發(fā)送的數(shù)據(jù)處理收到的數(shù)據(jù)把幀發(fā)送到局域網(wǎng)從局域網(wǎng)接收幀計算機IP 地址 4.2.3節(jié)并行通信課件制作人：謝希仁n最初的以太網(wǎng)是將許多計算機都連接到一根總線上。當(dāng)初認(rèn)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(shù)據(jù) C

6、 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(shù)據(jù)課件制作人：謝希仁以太網(wǎng)的廣播方式發(fā)送 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(shù)據(jù)信號。 n由于只有計算機 D 的硬件地址與數(shù)據(jù)幀首部寫入的地址一致，因此只有 D 才接收這個數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)幀，因此就丟棄這個數(shù)據(jù)幀而不能夠收下來。n具有廣播特性的總線上實現(xiàn)了一對一的通信。 課件制作人：謝希仁以太網(wǎng)提供的服務(wù)n為了通信的簡便，以太網(wǎng)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(shù)據(jù)

7、。 n以太網(wǎng)對發(fā)送的數(shù)據(jù)幀不進(jìn)行編號，也不要求對方發(fā)回確認(rèn)。n這樣做的理由是局域網(wǎng)信道的質(zhì)量很好，因信道質(zhì)量產(chǎn)生差錯的概率是很小的。 課件制作人：謝希仁以太網(wǎng)提供的服務(wù) n以太網(wǎng)提供的服務(wù)是不可靠的交付，即盡最大努力的交付。n當(dāng)目的站收到有差錯的數(shù)據(jù)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(xiàn)丟失了一些數(shù)據(jù)而進(jìn)行重傳，但以太網(wǎng)并不知道這是一個重傳的幀，而是當(dāng)作一個新的數(shù)據(jù)幀來發(fā)送。 課件制作人：謝希仁以太網(wǎng)發(fā)送的數(shù)據(jù)都使用曼徹斯特(Manchester)編碼 基帶數(shù)字信號曼徹斯特編碼 碼元1111100000出現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換為提供位同步（和發(fā)送端時鐘同步），每一個碼元分成

8、兩個相等的間隔碼元1是“前低后高”，碼元0是“前高后低”。每一個碼元的正中間出現(xiàn)一次電壓的轉(zhuǎn)換。頻帶寬度比原始的基帶信號增加了1倍，每秒傳送的碼元數(shù)加倍。課件制作人：謝希仁載波監(jiān)聽多點接入/碰撞檢測 CSMA/CD n如何協(xié)調(diào)總線上各計算機工作？n在同一時間只能允許一臺計算機發(fā)送信息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)送數(shù)據(jù)之前先要檢測一下總線上是否有其他計算機在發(fā)送數(shù)據(jù)，如果有，則暫時不要發(fā)送數(shù)據(jù)，以免發(fā)

9、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(shù)檢測總線上有沒有其他計算機發(fā)送的數(shù)據(jù)信號。 課件制作人：謝希仁碰撞檢測n“碰撞檢測”就是計算機邊發(fā)送數(shù)據(jù)邊檢測信道上的信號電壓大小。n當(dāng)幾個站同時在總線上發(fā)送數(shù)據(jù)時，總線上的信號電壓擺動值將會增大（互相疊加）。n當(dāng)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(rèn)為總線上至少有兩個站同時在發(fā)送數(shù)據(jù)，表明產(chǎn)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”。課件制作人：謝希仁檢測到碰撞后n在發(fā)生碰撞時，總線上傳輸?shù)男盘柈a(chǎn)生了嚴(yán)重的失真，無法從中恢復(fù)出有用的信息來。n每一個正在發(fā)送數(shù)據(jù)的站，一旦發(fā)現(xiàn)總

10、線上出現(xiàn)了碰撞，就要立即停止發(fā)送，免得繼續(xù)浪費網(wǎng)絡(luò)資源，然后等待一段隨機時間后再次發(fā)送。n既然每一個站在發(fā)送數(shù)據(jù)之前已經(jīng)監(jiān)聽到信道為“空閑”，那么為什么還會出現(xiàn)數(shù)據(jù)在總線上的碰撞呢？課件制作人：謝希仁電磁波在總線上的有限傳播速率的影響 n當(dāng)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(jīng)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(dá) 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(jié)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 =

11、B 發(fā)送數(shù)據(jù)B 檢測到發(fā)生碰撞 t = t = 0單程端到端傳播時延記為 傳播時延對載波監(jiān)聽的影響 假定A和B用同軸電纜相連。電磁波在1km電纜的傳播時延約為5us1 kmABt碰撞t = B 檢測到信道空閑發(fā)送數(shù)據(jù)t = / 2發(fā)生碰撞t = 2 A 檢測到發(fā)生碰撞 t = B 發(fā)送數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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 課件制作人：謝希仁重要特性n使用 CSMA/CD 協(xié)議的以太網(wǎng)不能進(jìn)行全雙工通信而只能進(jìn)行雙向交替通信（半雙

12、工通信）。n每個站在發(fā)送數(shù)據(jù)之后的一小段時間內(nèi)，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(wǎng)的平均通信量遠(yuǎn)小于以太網(wǎng)的最高數(shù)據(jù)率。 課件制作人：謝希仁爭用期(contention period)n最先發(fā)送數(shù)據(jù)幀的站，在發(fā)送數(shù)據(jù)幀后至多經(jīng)過時間 2 （兩倍的端到端往返時延）就可知道發(fā)送的數(shù)據(jù)幀是否遭受了碰撞。n以太網(wǎng)的端到端往返時延 2 稱為爭用期，或碰撞窗口。n經(jīng)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。 課件制作人：謝希仁二進(jìn)制指數(shù)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(shù)據(jù)后，要推遲（退

13、避）一個隨機時間才能再發(fā)送數(shù)據(jù)。n確定基本退避時間，一般是取為爭用期 2。n定義重傳參數(shù) k ，k 10，即 k = Min重傳次數(shù), 10n從整數(shù)集合0,1, (2k 1)中隨機地取出一個數(shù)，記為 r。重傳所需的時延就是 r 倍的基本退避時間。n當(dāng)重傳達(dá) 16 次仍不能成功時即丟棄該幀，并向高層報告。 課件制作人：謝希仁爭用期的長度 n以太網(wǎng)取 51.2 s 為爭用期的長度2 。n對于 10 Mb/s 以太網(wǎng)，在爭用期內(nèi)可發(fā)送512 bit，即 64 字節(jié)（ 512比特）。n爭用期是512比特時間。1比特時間就是發(fā)送1比特所需的時間（0.1 s )。n以太網(wǎng)在發(fā)送數(shù)據(jù)時，若前 64 字節(jié)沒有

14、發(fā)生沖突，則后續(xù)的數(shù)據(jù)就不會發(fā)生沖突。 課件制作人：謝希仁最短有效幀長 n如果發(fā)生沖突，就一定是在發(fā)送的前 64 字節(jié)之內(nèi)。 n由于一檢測到?jīng)_突就立即中止發(fā)送，這時已經(jīng)發(fā)送出去的數(shù)據(jù)一定小于 64 字節(jié)。 n以太網(wǎng)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。 課件制作人：謝希仁強化碰撞 n當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)的站一旦發(fā)現(xiàn)發(fā)生了碰撞時：n立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)；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(xiàn)在已經(jīng)發(fā)生了碰撞。 數(shù)據(jù)幀干擾信號 TJ人為干擾信號 ABTBt B 發(fā)送數(shù)據(jù)A 檢測到?jīng)_突開始沖突信道占用時間A 發(fā)送數(shù)據(jù)B 也能夠檢測到?jīng)_突，并立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)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。課件制作人：謝希仁n幀間最小間隔為 9.6 s，相當(dāng)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(shù)據(jù)。n這樣做是為了使剛剛收到數(shù)據(jù)幀的站的接收緩存來得及清理，做好接收下一幀的準(zhǔn)備。 幀間最小間隔 課件制作人：謝希仁CSMA/CD協(xié)議要點1.適配器從網(wǎng)絡(luò)層獲得一個分組，加上以太網(wǎng)