計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)-33-使用廣播信道的數(shù)據(jù)鏈路層課件

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

局域網(wǎng)最主要的特點(diǎn)是：網(wǎng)絡(luò)為一個(gè)單位所擁有，且地理范圍和站點(diǎn)數(shù)目均有限。局域網(wǎng)具有如下的一些主要優(yōu)點(diǎn)：具有廣播功能，從一個(gè)站點(diǎn)可很方便地訪問全網(wǎng)。局域網(wǎng)上的主機(jī)可共享連接在局域網(wǎng)上的各種硬件和軟件資源。

便于系統(tǒng)的擴(kuò)展和逐漸地演變，各設(shè)備的位置可靈活調(diào)整和改變。提高了系統(tǒng)的可靠性、可用性和殘存性。局域網(wǎng)的拓?fù)淦ヅ潆娮杓€器干線耦合器總線網(wǎng)星形網(wǎng)環(huán)形網(wǎng)媒體共享技術(shù)靜態(tài)劃分信道頻分復(fù)用時(shí)分復(fù)用波分復(fù)用碼分復(fù)用

動(dòng)態(tài)媒體接入控制（多點(diǎn)接入）隨機(jī)接入受控接入，如多點(diǎn)線路探詢(polling)，或輪詢。

以太網(wǎng)的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)

DIXEthernetV2是世界上第一個(gè)局域網(wǎng)產(chǎn)品（以太網(wǎng)）的規(guī)約。IEEE的802.3標(biāo)準(zhǔn)。DIXEthernetV2標(biāo)準(zhǔn)與IEEE的802.3標(biāo)準(zhǔn)只有很小的差別，因此可以將802.3局域網(wǎng)簡(jiǎn)稱為“以太網(wǎng)”。嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，“以太網(wǎng)”應(yīng)當(dāng)是指符合DIXEthernetV2標(biāo)準(zhǔn)的局域網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層的兩個(gè)子層為了使數(shù)據(jù)鏈路層能更好地適應(yīng)多種局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，802委員會(huì)就將局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層拆成兩個(gè)子層：邏輯鏈路控制LLC(LogicalLinkControl)子層媒體接入控制MAC(MediumAccessControl)子層。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(wú)關(guān)，不管采用何種協(xié)議的局域網(wǎng)對(duì)LLC子層來(lái)說(shuō)都是透明的局域網(wǎng)對(duì)LLC子層

是透明的局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層物理層站點(diǎn)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(diǎn)2LLC子層看不見下面的局域網(wǎng)以后一般不考慮LLC子層由于TCP/IP體系經(jīng)常使用的局域網(wǎng)是DIXEthernetV2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(huì)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。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。2.適配器的作用網(wǎng)絡(luò)接口板又稱為通信適配器(adapter)或網(wǎng)絡(luò)接口卡

NIC(NetworkInterfaceCard)，或“網(wǎng)卡”。適配器的重要功能：進(jìn)行串行/并行轉(zhuǎn)換。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存。在計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)安裝設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)協(xié)議。

計(jì)算機(jī)通過(guò)適配器

和局域網(wǎng)進(jìn)行通信硬件地址至局域網(wǎng)適配器（網(wǎng)卡）串行通信CPU和存儲(chǔ)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(jì)算機(jī)IP地址并行通信最初的以太網(wǎng)是將許多計(jì)算機(jī)都連接到一根總線上。當(dāng)初認(rèn)為這樣的連接方法既簡(jiǎn)單又可靠，因?yàn)榭偩€上沒有有源器件。3.3.2CSMA/CD協(xié)議B向

D發(fā)送數(shù)據(jù)CDAE匹配電阻（用來(lái)吸收總線上傳播的信號(hào)）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)以太網(wǎng)的廣播方式發(fā)送總線上的每一個(gè)工作的計(jì)算機(jī)都能檢測(cè)到B發(fā)送的數(shù)據(jù)信號(hào)。由于只有計(jì)算機(jī)D的地址與數(shù)據(jù)幀首部寫入的地址一致，因此只有D才接收這個(gè)數(shù)據(jù)幀。其他所有的計(jì)算機(jī)（A,C和E）都檢測(cè)到不是發(fā)送給它們的數(shù)據(jù)幀，因此就丟棄這個(gè)數(shù)據(jù)幀而不能夠收下來(lái)。具有廣播特性的總線上實(shí)現(xiàn)了一對(duì)一的通信。為了通信的簡(jiǎn)便

以太網(wǎng)采取了兩種重要的措施采用較為靈活的無(wú)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)。以太網(wǎng)對(duì)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀不進(jìn)行編號(hào)，也不要求對(duì)方發(fā)回確認(rèn)。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(cuò)的概率是很小的。

以太網(wǎng)提供的服務(wù)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。當(dāng)目的站收到有差錯(cuò)的數(shù)據(jù)幀時(shí)就丟棄此幀，其他什么也不做。差錯(cuò)的糾正由高層來(lái)決定。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(gè)重傳的幀，而是當(dāng)作一個(gè)新的數(shù)據(jù)幀來(lái)發(fā)送。以太網(wǎng)發(fā)送的數(shù)據(jù)都使用

曼徹斯特(Manchester)編碼曼徹斯特1111100000

比特流差分曼徹斯特載波監(jiān)聽多點(diǎn)接入/碰撞檢測(cè)CSMA/CDCSMA/CD表示CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection?！岸帱c(diǎn)接入”表示許多計(jì)算機(jī)以多點(diǎn)接入的方式連接在一根總線上。“載波監(jiān)聽”是指每一個(gè)站在發(fā)送數(shù)據(jù)之前先要檢測(cè)一下總線上是否有其他計(jì)算機(jī)在發(fā)送數(shù)據(jù)，如果有，則暫時(shí)不要發(fā)送數(shù)據(jù)，以免發(fā)生碰撞?？偩€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(cè)總線上有沒有其他計(jì)算機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)信號(hào)。碰撞檢測(cè)“碰撞檢測(cè)”就是計(jì)算機(jī)邊發(fā)送數(shù)據(jù)邊檢測(cè)信道上的信號(hào)電壓大小。當(dāng)幾個(gè)站同時(shí)在總線上發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，總線上的信號(hào)電壓擺動(dòng)值將會(huì)增大（互相疊加）。當(dāng)一個(gè)站檢測(cè)到的信號(hào)電壓擺動(dòng)值超過(guò)一定的門限值時(shí)，就認(rèn)為總線上至少有兩個(gè)站同時(shí)在發(fā)送數(shù)據(jù)，表明產(chǎn)生了碰撞。所謂“碰撞”就是發(fā)生了沖突。因此“碰撞檢測(cè)”也稱為“沖突檢測(cè)”。檢測(cè)到碰撞后在發(fā)生碰撞時(shí)，總線上傳輸?shù)男盘?hào)產(chǎn)生了嚴(yán)重的失真，無(wú)法從中恢復(fù)出有用的信息來(lái)。每一個(gè)正在發(fā)送數(shù)據(jù)的站，一旦發(fā)現(xiàn)總線上出現(xiàn)了碰撞，就要立即停止發(fā)送，免得繼續(xù)浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)資源，然后等待一段隨機(jī)時(shí)間后再次發(fā)送。電磁波在總線上的

有限傳播速率的影響當(dāng)某個(gè)站監(jiān)聽到總線是空閑時(shí)，也可能總線并非真正是空閑的。A向B發(fā)出的信息，要經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后才能傳送到B。B若在A發(fā)送的信息到達(dá)B之前發(fā)送自己的幀(因?yàn)檫@時(shí)B的載波監(jiān)聽檢測(cè)不到A所發(fā)送的信息)，則必然要在某個(gè)時(shí)間和A發(fā)送的幀發(fā)生碰撞。碰撞的結(jié)果是兩個(gè)幀都變得無(wú)用。1kmABt碰撞t=2

A檢測(cè)到發(fā)生碰撞t=

B發(fā)送數(shù)據(jù)B檢測(cè)到發(fā)生碰撞t=t=0單程端到端傳播時(shí)延記為

傳播時(shí)延對(duì)載波監(jiān)聽的影響1kmABt碰撞t=

B檢測(cè)到信道空閑發(fā)送數(shù)據(jù)t=

/2發(fā)生碰撞t=2

A檢測(cè)到發(fā)生碰撞t=

B發(fā)送數(shù)據(jù)B檢測(cè)到發(fā)生碰撞t=ABABABt=0A檢測(cè)到信道空閑發(fā)送數(shù)據(jù)ABt=0t=B檢測(cè)到發(fā)生碰撞停止發(fā)送STOPt=2

A檢測(cè)到發(fā)生碰撞STOPAB單程端到端傳播時(shí)延記為

重要特性使用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（半雙工通信）。每個(gè)站在發(fā)送數(shù)據(jù)之后的一小段時(shí)間內(nèi)，存在著遭遇碰撞的可能性。這種發(fā)送的不確定性使整個(gè)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。爭(zhēng)用期最先發(fā)送數(shù)據(jù)幀的站，在發(fā)送數(shù)據(jù)幀后至多經(jīng)過(guò)時(shí)間2（兩倍的端到端往返時(shí)延）就可知道發(fā)送的數(shù)據(jù)幀是否遭受了碰撞。以太網(wǎng)的端到端往返時(shí)延2稱為爭(zhēng)用期，或碰撞窗口。經(jīng)過(guò)爭(zhēng)用期這段時(shí)間還沒有檢測(cè)到碰撞，才能肯定這次發(fā)送不會(huì)發(fā)生碰撞。二進(jìn)制指數(shù)類型退避算法(truncatedbinaryexponentialtype)發(fā)生碰撞的站在停止發(fā)送數(shù)據(jù)后，要推遲（退避）一個(gè)隨機(jī)時(shí)間才能再發(fā)送數(shù)據(jù)?；就吮軙r(shí)間取為爭(zhēng)用期2。從整數(shù)集合[0,1,…,(2k

1)]中隨機(jī)地取出一個(gè)數(shù)，記為r。重傳所需的時(shí)延就是r倍的基本退避時(shí)間。參數(shù)k

按下面的公式計(jì)算：

k=Min[重傳次數(shù),10]當(dāng)k10時(shí)，參數(shù)k

等于重傳次數(shù)。當(dāng)重傳達(dá)16次仍不能成功時(shí)即丟棄該幀，并向高層報(bào)告。

爭(zhēng)用期的長(zhǎng)度以太網(wǎng)取51.2s為爭(zhēng)用期的長(zhǎng)度。對(duì)于10Mb/s以太網(wǎng)，在爭(zhēng)用期內(nèi)可發(fā)送512bit，即64字節(jié)。以太網(wǎng)在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，若前64字節(jié)沒有發(fā)生沖突，則后續(xù)的數(shù)據(jù)就不會(huì)發(fā)生沖突。最短有效幀長(zhǎng)如果發(fā)生沖突，就一定是在發(fā)送的前64字節(jié)之內(nèi)。由于一檢測(cè)到?jīng)_突就立即中止發(fā)送，這時(shí)已經(jīng)發(fā)送出去的數(shù)據(jù)一定小于64字節(jié)。以太網(wǎng)規(guī)定了最短有效幀長(zhǎng)為64字節(jié)，凡長(zhǎng)度小于64字節(jié)的幀都是由于沖突而異常中止的無(wú)效幀。強(qiáng)化碰撞當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)的站一旦發(fā)現(xiàn)發(fā)生了碰撞時(shí)：立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)；再繼續(xù)發(fā)送若干比特的人為干擾信號(hào)(jammingsignal)，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(hào)TJ人為干擾信號(hào)ABTBtB發(fā)送數(shù)據(jù)A檢測(cè)到?jīng)_突開始沖突信道占用時(shí)間A發(fā)送數(shù)據(jù)B也能夠檢測(cè)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(hào)。這里為了簡(jiǎn)單起見，只畫出A發(fā)送干擾信號(hào)的情況。

3.3.3使用集線器的星形拓?fù)鋫鹘y(tǒng)以太網(wǎng)最初是使用粗同軸電纜，后來(lái)演進(jìn)到使用比較便宜的細(xì)同軸電纜，最后發(fā)展為使用更便宜和更靈活的雙絞線。這種以太網(wǎng)采用星形拓?fù)洌谛切蔚闹行膭t增加了一種可靠性非常高的設(shè)備，叫做集線器(hub)使用集線器的雙絞線以太網(wǎng)集線器兩對(duì)雙絞線站點(diǎn)RJ-45插頭星形網(wǎng)10BASE-T不用電纜而使用無(wú)屏蔽雙絞線。每個(gè)站需要用兩對(duì)雙絞線，分別用于發(fā)送和接收。集線器使用了大規(guī)模集成電路芯片，因此這樣的硬件設(shè)備的可靠性已大大提高了。以太網(wǎng)在局域網(wǎng)中的統(tǒng)治地位10BASE-T的通信距離稍短，每個(gè)站到集線器的距離不超過(guò)100m。這種10Mb/s速率的無(wú)屏蔽雙絞線星形網(wǎng)的出現(xiàn)，既降低了成本，又提高了可靠性。10BASE-T雙絞線以太網(wǎng)的出現(xiàn)，是局域網(wǎng)發(fā)展史上的一個(gè)非常重要的里程碑，它為以太網(wǎng)在局域網(wǎng)中的統(tǒng)治地位奠定了牢固的基礎(chǔ)。集線器的一些特點(diǎn)集線器是使用電子器件來(lái)模擬實(shí)際電纜線的工作，因此整個(gè)系統(tǒng)仍然像一個(gè)傳統(tǒng)的以太網(wǎng)那樣運(yùn)行。使用集線器的以太網(wǎng)在邏輯上仍是一個(gè)總線網(wǎng)，各工作站使用的還是CSMA/CD

協(xié)議，并共享邏輯上的總線。集線器很像一個(gè)多接口的轉(zhuǎn)發(fā)器，工作在物理層。具有三個(gè)接口的集線器集線器網(wǎng)卡工作站網(wǎng)卡工作站網(wǎng)卡工作站雙絞線3.3.4以太網(wǎng)的信道利用率以太網(wǎng)的信道被占用的情況：爭(zhēng)用期長(zhǎng)度為2，即端到端傳播時(shí)延的兩倍。檢測(cè)到碰撞后不發(fā)送干擾信號(hào)。幀長(zhǎng)為L(zhǎng)

(bit)，數(shù)據(jù)發(fā)送速率為C(b/s)，因而幀的發(fā)送時(shí)間為L(zhǎng)/C=T0(s)。

以太網(wǎng)的信道利用率一個(gè)幀從開始發(fā)送，經(jīng)可能發(fā)生的碰撞后，將再重傳數(shù)次，到發(fā)送成功且信道轉(zhuǎn)為空閑(即再經(jīng)過(guò)時(shí)間使得信道上無(wú)信號(hào)在傳播)時(shí)為止，是發(fā)送一幀所需的平均時(shí)間。發(fā)送成功爭(zhēng)用期爭(zhēng)用期爭(zhēng)用期τ2τ2τ2T0τt占用期發(fā)生碰撞發(fā)送一幀所需的平均時(shí)間…參數(shù)a

要提高以太網(wǎng)的信道利用率，就必須減小與T0之比。在以太網(wǎng)中定義了參數(shù)a，它是以太網(wǎng)單程端到端時(shí)延與幀的發(fā)送時(shí)間T0之比：(3-2)a→0表示一發(fā)生碰撞就立即可以檢測(cè)出來(lái)，并立即停止發(fā)送，因而信道利用率很高。

a越大，表明爭(zhēng)用期所占的比例增大，每發(fā)生一次碰撞就浪費(fèi)許多信道資源，使得信道利用率明顯降低。對(duì)以太網(wǎng)參數(shù)的要求當(dāng)數(shù)據(jù)率一定時(shí)，以太網(wǎng)的連線的長(zhǎng)度受到限制，否則的數(shù)值會(huì)太大。以太網(wǎng)的幀長(zhǎng)不能太短，否則T0的值會(huì)太小，使a值太大。在理想化的情況下，以太網(wǎng)上的各站發(fā)送數(shù)據(jù)都不會(huì)產(chǎn)生碰撞（這顯然已經(jīng)不是CSMA/CD，而是需要使用一種特殊的調(diào)度方法），即總線一旦空閑就有某一個(gè)站立即發(fā)送數(shù)據(jù)。發(fā)送一幀占用線路的時(shí)間是T0+，而幀本身的發(fā)送時(shí)間是T0。于是我們可計(jì)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

(3-3)3.3.5以太網(wǎng)的

MAC

層

1.MAC

層的硬件地址

在局域網(wǎng)中，硬件地址又稱為物理地址，或MAC地址。802

標(biāo)準(zhǔn)所說(shuō)的“地址”嚴(yán)格地講應(yīng)當(dāng)是每一個(gè)站的“名字”或標(biāo)識(shí)符。但鑒于大家都早已習(xí)慣了將這種48位的“名字”稱為“地址”，所以本書也采用這種習(xí)慣用法，盡管這種說(shuō)法并不太嚴(yán)格。48位的MAC地址IEEE的注冊(cè)管理機(jī)構(gòu)

RA負(fù)責(zé)向廠家分配地址字段的前三個(gè)字節(jié)(即高位24位)。地址字段中的后三個(gè)字節(jié)(即低位24位)由廠家自行指派，稱為擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符，必須保證生產(chǎn)出的適配器沒有重復(fù)地址。一個(gè)地址塊可以生成224個(gè)不同的地址。這種48位地址稱為MAC-48，它的通用名稱是EUI-48?！癕AC地址”實(shí)際上就是適配器地址或適配器標(biāo)識(shí)符EUI-48。適配器檢查MAC地址適配器從網(wǎng)絡(luò)上每收到一個(gè)MAC幀就首先用硬件檢查MAC幀中的MAC地址.如果是發(fā)往本站的幀則收下，然后再進(jìn)行其他的處理。否則就將此幀丟棄，不再進(jìn)行其他的處理?！鞍l(fā)往本站的幀”包括以下三種幀：?jiǎn)尾?unicast)幀（一對(duì)一）廣播(broadcast)幀（一對(duì)全體）多播(multicast)幀（一對(duì)多）2.MAC

幀的格式常用的以太網(wǎng)MAC幀格式有兩種標(biāo)準(zhǔn)：DIXEthernetV2標(biāo)準(zhǔn)IEEE的802.3標(biāo)準(zhǔn)最常用的MAC幀是以太網(wǎng)V2的格式。以太網(wǎng)MAC幀物理層MAC層1010101010101010101010101010101011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(shù)據(jù)FCS6624字節(jié)46~1500IP數(shù)據(jù)報(bào)MAC幀以太網(wǎng)的MAC

幀格式MAC幀物理層MAC層IP層目的地址源地址類型數(shù)據(jù)FCS6624字節(jié)46~1500IP數(shù)據(jù)報(bào)以太網(wǎng)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(shù)據(jù)FCS6624字節(jié)46~1500IP數(shù)據(jù)報(bào)以太網(wǎng)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(shù)據(jù)FCS6624字節(jié)46~1500IP數(shù)據(jù)報(bào)以太網(wǎng)V2的MAC幀格式類型字段2字節(jié)類型字段用來(lái)標(biāo)志上一層使用的是什么協(xié)議，以便把收到的MAC幀的數(shù)據(jù)上交給上一層的這個(gè)協(xié)議。MAC幀物理層MAC層IP層目的地址源地址類型數(shù)據(jù)FCS6624字節(jié)46~1500IP數(shù)據(jù)報(bào)以太網(wǎng)V2的MAC幀格式數(shù)據(jù)字段46~1500

字節(jié)數(shù)據(jù)字段的正式名稱是MAC

客戶數(shù)據(jù)字段最小長(zhǎng)度64字節(jié)

18字節(jié)的首部和尾部=數(shù)據(jù)字段的最小長(zhǎng)度

MAC幀物理層MAC層IP層目的地址源地址類型數(shù)據(jù)FCS6624字節(jié)46~1500IP數(shù)據(jù)