計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課件第3章

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

計(jì)算機(jī)學(xué)院

本章主要講述內(nèi)容

使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信道的數(shù)據(jù)鏈路層

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議PPP

使用廣播信道的數(shù)據(jù)鏈路層

使用廣播信道的以太網(wǎng)

擴(kuò)展的以太網(wǎng)

高速以太網(wǎng)

其他類(lèi)型的高速局域網(wǎng)接口

I數(shù)據(jù)鏈路層

星據(jù)鏈路層使用的信道主要有以下兩種類(lèi)型:

■點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信道。這種信道使用一對(duì)一的點(diǎn)對(duì)

點(diǎn)通信方式。

■廣播信道。這種信道使用一對(duì)多的廣播通

信方式，因此過(guò)程比較復(fù)雜。廣播信道上

連接的主機(jī)很多，因此必須使用專(zhuān)用的共

享信道協(xié)議來(lái)協(xié)調(diào)這些主機(jī)的數(shù)據(jù)發(fā)送

3.1使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信道的數(shù)據(jù)鏈路層

13.1.1數(shù)據(jù)鏈路和幀

■■鏈路(link)是二條無(wú)源的點(diǎn)到點(diǎn)的物理線(xiàn)

路段，中間沒(méi)有任何其他的交換結(jié)點(diǎn)。

-一條鏈路只是一條通路的一個(gè)組成部分。

■數(shù)據(jù)鏈路(datalink)除了物理線(xiàn)路外，還必須

有通信協(xié)議來(lái)控制這些數(shù)據(jù)的傳輸。若把實(shí)現(xiàn)

這些協(xié)議的硬件和軟件加到鏈路上，就構(gòu)成了

數(shù)據(jù)鏈路。

■現(xiàn)在最常用的方法是使用適配器(即網(wǎng)卡)來(lái)實(shí)現(xiàn)

這些協(xié)議的硬件和軟件。

-一般的適配器都包括了數(shù)據(jù)鏈路層和物理層這兩層

的功能。

數(shù)據(jù)鏈路層傳送的是幀

結(jié)點(diǎn)B

幀丁二

1010..........011C

Iliiii

鏈路

(a)

結(jié)點(diǎn)A結(jié)點(diǎn)B

數(shù)據(jù)一I發(fā)送接收匚

鏈路層幀B幀B

鏈路

(b)

數(shù)據(jù)鏈路層像個(gè)數(shù)字管道

■常常在兩個(gè)對(duì)等的數(shù)據(jù)鏈路層之間畫(huà)出

一個(gè)數(shù)字管道，而在這條數(shù)字管道上傳

輸?shù)臄?shù)據(jù)單位是幀。

■早期的數(shù)據(jù)通信協(xié)議曾叫作通信規(guī)程

(procedure)o因it匕在數(shù)搪鏈路層，規(guī)程

和協(xié)議是同義語(yǔ)。

3.1.2三個(gè)基本問(wèn)題

(1)封裝成幀

(2)透明傳輸

(3)差錯(cuò)控制

1.封裝成幀

■封裝成幀(framing)就是在一段數(shù)據(jù)的前后分別

添加首部和尾部，然后就構(gòu)成了一個(gè)幀。確定

幀的界限。

■首部和尾部的一個(gè)重要作用就是進(jìn)行幀定界。

——<MTU--------

數(shù)據(jù)鏈路層的幀長(zhǎng)

*用控制字符進(jìn)行幀定界的方法舉例

幀開(kāi)始符幀結(jié)束符

SOH裝在幀中的數(shù)據(jù)部分EOT

I--------------幀------------------------

發(fā)送在前

2.透明傳輸

出現(xiàn)了“EOT”

完整的幀一

發(fā)送—數(shù)據(jù)部分

非前

SOHEOTEOT

被接收端被接收端當(dāng)作無(wú)效幀而丟棄

誤認(rèn)為是一個(gè)幀

解決透明傳輸問(wèn)題

■發(fā)送端的數(shù)據(jù)鏈路層在數(shù)據(jù)中出現(xiàn)控制字符

“SOH”或“EOT”的前面插入一個(gè)轉(zhuǎn)義字符

“ESC”(其十六進(jìn)制編碼是1B)O

■字節(jié)填充(bytestuffing)或字符填充(character

stuffing)——接收端的數(shù)據(jù)鏈路層在將數(shù)據(jù)送往網(wǎng)

絡(luò)層之前刪除插入的轉(zhuǎn)義字符。

■如果轉(zhuǎn)義字符也出現(xiàn)數(shù)據(jù)當(dāng)中，那么應(yīng)在轉(zhuǎn)義字

符前面插入一個(gè)轉(zhuǎn)義字符。當(dāng)接收端收到連續(xù)的

兩個(gè)轉(zhuǎn)義字符時(shí)，就刪除其中前面的一個(gè)。

■.用字節(jié)填充法解決透明傳輸?shù)膯?wèn)題

4

幀開(kāi)始符幀結(jié)束符

原始數(shù)據(jù)

SOHEOTSOHESCSOHEOT

字節(jié)塘尢/字節(jié)|充；字與填'充'字卷填充

■!!-''>\'、、■'、、

SOHESCEOTESCSOHESCESCESCSOHEOT

--------------------經(jīng)過(guò)字節(jié)填充后發(fā)送的數(shù)據(jù)-----------------

發(fā)送

在前

3.差錯(cuò)檢測(cè)

■在傳輸過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生比特差錯(cuò)：1可能會(huì)

變成。而。也可能變成1。

■在一段時(shí)間內(nèi)，傳輸錯(cuò)誤的比特占所傳輸比特

總數(shù)的比率稱(chēng)為誤碼率BER(BitErrorRate)。

■誤碼率與信噪比有很大的關(guān)系。

■為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，在?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳

輸數(shù)據(jù)時(shí)，必須采用各種差錯(cuò)檢測(cè)措施。

循環(huán)冗余檢驗(yàn)的原理

■在數(shù)據(jù)鏈路層傳送的幀中，廣泛使用了循

環(huán)冗余檢驗(yàn)CRC的檢錯(cuò)技術(shù)。

■在發(fā)送端，先把數(shù)據(jù)劃分為組。假定每組k

個(gè)比特。

■假設(shè)待傳送的一組數(shù)據(jù)101001（現(xiàn)在

k=6）。我們?cè)贛的后面再添加供差錯(cuò)檢

測(cè)用的。位冗余碼一起發(fā)送。

冗余碼的計(jì)算

■用二進(jìn)制的模2運(yùn)算進(jìn)行2〃乘M的運(yùn)算,

這相當(dāng)于在M后面添加。個(gè)0。

-得到的(k+")位的數(shù)除以事先選定好的

長(zhǎng)度為("+1)位的除數(shù)尸，得出商是Q

而余數(shù)是R余數(shù)R比除數(shù)尸少1位，

即R是。位。

冗余碼的計(jì)算舉例

?現(xiàn)在k=6,M=101001c

■設(shè)。=3,除數(shù)P=1101,

■被除數(shù)是101001000。

■模2運(yùn)算的結(jié)果是：商Q=110101,

余數(shù)尺二001。

■把余數(shù)R作為冗余碼添加在數(shù)據(jù)M的后面發(fā)

送出去。發(fā)送的數(shù)據(jù)是：2W+R

即：101001001,共（k+c）位。

幀檢驗(yàn)序歹ijFCS

-在數(shù)據(jù)后面添加上的冗余碼稱(chēng)為幀檢驗(yàn)

序歹ijFCS(FrameCheckSequence)o

■循環(huán)冗余檢驗(yàn)CRC和幀檢驗(yàn)序列FCS

并不等同。

■CRC是一種常用的檢錯(cuò)方法，而FCS是添

加在數(shù)據(jù)后面的冗余碼。

■FCS可以用CRC這種方法得出，但CRC

并非用來(lái)獲得FCS的唯一方法。

接收端對(duì)收到的每一幀進(jìn)行CRC檢驗(yàn)

■(1)若得出的余數(shù)尺二0,則判定這個(gè)幀沒(méi)有差

錯(cuò)，就接受(accept)。

■(2)若余數(shù)RwO,則判定這個(gè)幀有差錯(cuò)，就丟

棄。

■但這種檢測(cè)方法并不能確定究竟是哪一個(gè)或哪

幾個(gè)比特出現(xiàn)了差錯(cuò)。

■只要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的挑選，并使用位數(shù)足夠多的除

數(shù)尸，那么出現(xiàn)檢測(cè)不到的差錯(cuò)的概率就很小

很小。

應(yīng)當(dāng)注意

■僅用循環(huán)冗余檢驗(yàn)CRC差錯(cuò)檢測(cè)技術(shù)只能做

到無(wú)差錯(cuò)接受（accept）o

■“無(wú)差錯(cuò)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(rèn)為這些幀在傳輸過(guò)程中沒(méi)有產(chǎn)生差錯(cuò)”。

■也就是說(shuō)：“凡是接收端數(shù)據(jù)鏈路層接受的幀

都沒(méi)有傳輸差錯(cuò)”（有差錯(cuò)的幀就丟棄而不接

受）。

-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(rèn)和重傳機(jī)制。

3.2點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議PPP

3.2.1PPP協(xié)議的特點(diǎn)

■現(xiàn)在全世界使用得最多的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)

議是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議PPP(Point-to-Point

Protocol)o

■用戶(hù)使用撥號(hào)電話(huà)線(xiàn)接入因特網(wǎng)時(shí)，一

般都是使用PPP協(xié)議。

1.ppp協(xié)議應(yīng)滿(mǎn)足的需求

■簡(jiǎn)單——這是首要的要求

■封裝成幀

■透明性

■多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議

■多種類(lèi)型鏈路

■差錯(cuò)檢；則

■檢測(cè)連接狀態(tài)

-最大傳送單元

■網(wǎng)絡(luò)層地址協(xié)商

■數(shù)據(jù)壓縮協(xié)商

2.PPP協(xié)議不需要的功能

■糾錯(cuò)

■流量控制

■序號(hào)

■多點(diǎn)線(xiàn)路

■半雙工或單工鏈路

3.PPP協(xié)議的組成

■1992年制訂了PPP協(xié)議。經(jīng)過(guò)1993年

和1994年的修訂,現(xiàn)在的PPP協(xié)議已

成為因特網(wǎng)的正式標(biāo)準(zhǔn)[RFC1661]O

-ppp協(xié)議有三個(gè)組成部分

■一個(gè)將IP數(shù)據(jù)報(bào)封裝到串行鏈路的方法。

■鏈路控制協(xié)議LCP(LinkControlProtocol)o

■網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議NCP(NetworkControl

Protocol)o

3.2.2PPP協(xié)議的幀格式

標(biāo)志字段F=0x7E（符號(hào)“Ox”表示后面

的字符是用十六進(jìn)制表示。十六進(jìn)制的

7E的二進(jìn)制表示是01111110）。

■地址字段A只置為OxFF。地址字段實(shí)際

上并不起作用。

■控制字段C通常置為0x03。

■PPP是面向字節(jié)的，所有的PPP幀的

長(zhǎng)度都是整數(shù)字節(jié)。

透明傳輸問(wèn)題

■當(dāng)PPP用在同步傳輸鏈路時(shí)，協(xié)議規(guī)定

采用硬件來(lái)完成比特填充（和HDLC的

做法一樣）。

■當(dāng)PPP用在異步傳輸時(shí)，就使用一種特

殊的字符填充法。

字符填充

■將信息字段中出現(xiàn)的每一個(gè)0x7E字節(jié)轉(zhuǎn)

變成為2字節(jié)序列(0x7D,0x5E)o

■若信息字段中出現(xiàn)一個(gè)0x7D的字節(jié)，則將

其轉(zhuǎn)變成為2字節(jié)序列(0x7D,0x5D)o

■若信息字段中出現(xiàn)ASCII碼的控制字符

(即數(shù)值小于0x20的字符)，則在該字

符前面要加入一個(gè)0x7D字節(jié)，同時(shí)將該

字符的編碼加以改變。

零比特填充

■PPP協(xié)議用云SONET/SDH鏈路時(shí),是

使用同步傳輸（一連串的比特連續(xù)傳

送）。這時(shí)PPP協(xié)議采用零比特填充方

法來(lái)實(shí)現(xiàn)透明傳輸。

-在發(fā)送端，只要發(fā)現(xiàn)有5個(gè)連續(xù)1,則

立即填入一個(gè)0。接收端對(duì)幀中的比特

流進(jìn)行掃描。每當(dāng)發(fā)現(xiàn)5個(gè)連續(xù)1時(shí)，就

把這5個(gè)連續(xù)1后的一個(gè)0刪除，

零比特填充

信息字段中出現(xiàn)了和01001111110001010

標(biāo)志字段F完全一樣k--------Y--------)

的8比特組合會(huì)被誤認(rèn)為是標(biāo)志字段F

oodd14dOTooodOdO

ii-—i-ii

發(fā)送端在5個(gè)連1之后F

填入0比特再發(fā)送出去

發(fā)送端填入0比特

010011111010001010

在接收端把5個(gè)連1

之后的0比特刪除

接收端刪除填入的0比特

不提供使用序號(hào)和確認(rèn)

的可靠傳輸

PPP協(xié)議之所以不使用序號(hào)和確認(rèn)機(jī)制是

出于以下的考慮：

■在數(shù)據(jù)鏈路層出現(xiàn)差錯(cuò)的概率不大時(shí)，使用比

較簡(jiǎn)單的PPP協(xié)議較為合理。

■在因特網(wǎng)環(huán)境下，PPP的信息字段放入的數(shù)

據(jù)是IP數(shù)據(jù)報(bào)。數(shù)據(jù)鏈路層的可靠傳輸并不

能夠保證網(wǎng)絡(luò)層的傳輸也是可靠的。

-幀檢驗(yàn)序列FCS字段可保證無(wú)差錯(cuò)接受。

3.2.3PPP協(xié)議的工作狀態(tài)

■當(dāng)用戶(hù)撥號(hào)接入ISP時(shí)，路由器的調(diào)制解調(diào)器對(duì)

撥號(hào)做出確認(rèn)，并建立一條物理連接。

■PC機(jī)向路由器發(fā)送一系列的LCP分組（封裝成

多個(gè)ppp幀）。

■這些分組及其響應(yīng)選擇一些PPP參數(shù)，和進(jìn)行

網(wǎng)絡(luò)層配置，NCP給新接入的PC機(jī)分配一個(gè)臨

時(shí)的IP地址，使PC機(jī)成為因特網(wǎng)上的一個(gè)主

機(jī)。

■通信完畢時(shí)，NCP釋放網(wǎng)絡(luò)層連接，收回原來(lái)

分配出去的IP地址。接著，LCP釋放數(shù)據(jù)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(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(fǎng)問(wèn)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。

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(xiàn)路探詢(xún)(polling),

或蛤詢(xún)O

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(chēng)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

■媒體寸妾入寸空制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

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(chǎng)商生產(chǎn)的適配器上就僅裝有

MAC協(xié)議而沒(méi)有LLC協(xié)議。

2.適配器的作用

是網(wǎng)絡(luò)接口板又稱(chēng)為通信適配器(adapter)

或網(wǎng)絡(luò)接口卡NIC(NetworkInterface

Card),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。

以太網(wǎng)的廣播方式發(fā)送

■總線(xiàn)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(xiě)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)（人,。和￡）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(xiàn)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

局息來(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。

載波監(jiān)聽(tīng)多點(diǎn)接入/碰撞檢測(cè)

CSMA/CD

■CSMA/CD表示CarrierSenseMultiple

AccesswithCollisionDetectiono

■“多點(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(xiàn)上。

■“載波監(jiān)聽(tīng)”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(xiàn)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。

■總線(xiàn)上并沒(méi)有什么“載波”。因此，“載波監(jiān)

聽(tīng)”就是用電子技術(shù)檢測(cè)總線(xiàn)上有沒(méi)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(xiàn)上發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，總線(xiàn)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(mén)限值時(shí)，就認(rèn)為總線(xiàn)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(chēng)為“沖突檢測(cè)”。

檢測(cè)到碰撞后

*■在發(fā)生碰撞時(shí)，總線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)上的

有限傳播速率的影響

廿弄鬲到總線(xiàn)是空閑時(shí),也可能

總線(xiàn)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Bo

■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(tīng)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。

傳播時(shí)延對(duì)載波監(jiān)聽(tīng)的影響

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了（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丁稱(chēng)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(méi)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(lèi)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)。

■確定基本退避時(shí)間，一般是取為爭(zhēng)用期

■定義重傳次數(shù)k,k<10,即

k=Min［重傳次數(shù)，10］

■從整數(shù)集合［01…，（2k-1）］中隨機(jī)地取出一個(gè)

數(shù)，記為幾重傳所需的時(shí)延就是廠(chǎng)倍的基本

退避時(shí)間。

■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51.2恪為爭(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(méi)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)(jamming

signal),以便讓所有用戶(hù)都知道現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)生

了碰撞。

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(jiàn)，只畫(huà)出A

發(fā)送干擾信號(hào)的情況。

3.4使用廣播信道的以太網(wǎng)

j3.4.1使用集線(xiàn)器的星形拓?fù)?/p>

■傳統(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(xiàn)。

■這種以太網(wǎng)采用星形拓?fù)洌谛切蔚闹行?/p>

則增加了一種可靠性非常高的設(shè)備，叫做

集線(xiàn)器(hub)

使用集線(xiàn)器的雙絞線(xiàn)以太網(wǎng)

星形網(wǎng)10BASE-T

■不用電纜而使用無(wú)屏蔽雙絞線(xiàn)。每個(gè)站需要

用兩對(duì)雙絞線(xiàn)，分別用于發(fā)送和接收。

■集線(xiàn)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(xiàn)

器的距離不超過(guò)100m。

■這種10Mb/s速率的無(wú)屏蔽雙絞線(xiàn)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(xiàn)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

礎(chǔ)。

集線(xiàn)器的一些特點(diǎn)

■集線(xiàn)器是使用電子器件來(lái)模擬實(shí)際電纜線(xiàn)

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(xiàn)器的以太網(wǎng)在邏輯上仍是一個(gè)總

線(xiàn)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(xiàn)。

■集線(xiàn)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(xiàn)器

工作站工作站工作站

3.4.2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22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)為上(bit),數(shù)據(jù)發(fā)送速率為C(b/s),因

而幀的發(fā)送商間為L(zhǎng)/C=To(s)o

參數(shù)a

■要提高以太網(wǎng)的信道利用率,就必須減小二與

丁0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)延工與幀的發(fā)送時(shí)間丁。之比:

a=—(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(xiàn)的長(zhǎng)度

受到限制，否則7的數(shù)值會(huì)太大。

-以太網(wǎng)的幀長(zhǎng)不能太短，否則丁。的值會(huì)

太小，使a值太大。

信道利用率的最大值Smax

生理想化的情況下，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(xiàn)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(xiàn)路的時(shí)間是To+「，而幀本身的

發(fā)送時(shí)間是丁。。于是我們可計(jì)算出理想情況下的

極限信道利用率Smax為：

丁。_1

Smax(3-3)

7。+c1+a

3.4.3以太網(wǎng)的MAC層

I1.MAC層的硬件地址

■在局域網(wǎng)中，硬件地址又稱(chēng)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(chēng)為“地址”，所以本書(shū)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

■lEEE的注冊(cè)管理機(jī)構(gòu)RA負(fù)責(zé)向廠(chǎng)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(chǎng)家自行指派，稱(chēng)為擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符，必須保

證生產(chǎn)出的適配器沒(méi)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(chēng)為MAC-48,它的通用名稱(chēng)

是ELH-48。

■“MAC地址”實(shí)際上就是適配器地址或適

配器標(biāo)識(shí)符ELH-48。

q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。

■“發(fā)往本站的幀"包括以下三種幀：

■單播(unicast)幀(一對(duì)一)

■廣播(broadcast)幀(一對(duì)全體)

■多播(multicast)幀(一對(duì)多)

I2.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)的MAC幀格式

前同步碼幀開(kāi)始

定界符

以太網(wǎng)V2的MAC幀格式

以太網(wǎng)V2的MAC幀格式

>-------

以太網(wǎng)V2的MAC幀格式

以太網(wǎng)V2的MAC幀格式

數(shù)據(jù)字段的正式名稱(chēng)是MAC客戶(hù)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

以太網(wǎng)V2的MAC幀格式

當(dāng)傳輸媒體的誤碼率為1x10-8時(shí)，

MAC子層可使未檢測(cè)到的差錯(cuò)小于1x10-14。

FCS字段4字節(jié)

IP層

MAC層

MAC幀物理層

當(dāng)數(shù)據(jù)字段的長(zhǎng)度小于46字節(jié)時(shí)，

應(yīng)在數(shù)據(jù)字段的后面加入整數(shù)字節(jié)的填充字段,

以保證以太網(wǎng)的MAC幀長(zhǎng)不小于64字節(jié)。

以太網(wǎng)V2的MAC幀格式

無(wú)效的MAC幀

■數(shù)據(jù)字段的長(zhǎng)度與長(zhǎng)度字段的值不一致；

■幀的長(zhǎng)度不是整數(shù)個(gè)字節(jié)；

■用收到的幀檢驗(yàn)序列FCS查出有差錯(cuò)；

■數(shù)據(jù)字段的長(zhǎng)度不在46~1500字節(jié)之間。

■有效的MAC幀長(zhǎng)度為64~1518字節(jié)之間。

■對(duì)于檢查出的無(wú)效MAC幀就簡(jiǎn)單地丟棄。以

太網(wǎng)不負(fù)責(zé)重傳丟棄的幀。

幀間最小間隔

■幀間最小間隔為9.6ILLS,相當(dāng)于96bit的發(fā)送

時(shí)間。

■一個(gè)站在檢測(cè)到總線(xiàn)開(kāi)始空閑后，還要等待

9.6g才能再次發(fā)送數(shù)據(jù)。

-這樣做是為了使剛剛收到數(shù)據(jù)幀的站的接收緩

存來(lái)得及清理，做好接收下一幀的準(zhǔn)備。

3.5擴(kuò)展的局域網(wǎng)

3.5.1在物理層擴(kuò)展局域網(wǎng)

-主機(jī)使用光纖和一對(duì)光纖調(diào)制解調(diào)器

連接到集線(xiàn)器

用多個(gè)集線(xiàn)器可連成更大的局域網(wǎng)

?■某大學(xué)有三個(gè)系,各自有一個(gè)局域網(wǎng)

三個(gè)獨(dú)立的碰撞域

用集線(xiàn)器組成更大的局域網(wǎng)

都在一個(gè)碰撞域中

用集線(xiàn)器擴(kuò)展局域網(wǎng)

■優(yōu)點(diǎn)

-使原來(lái)屬于不同碰撞域的局域網(wǎng)上的計(jì)算機(jī)能夠進(jìn)

行跨碰撞域的通信。

-擴(kuò)大了局域網(wǎng)覆蓋的地理范圍。

■缺點(diǎn)

-碰撞域增大了，但總的吞吐量并未提高。

-如果不同的碰撞域使用不同的數(shù)據(jù)率，那么就不能

用集線(xiàn)器將它們互連起來(lái)。

3.5.2在數(shù)據(jù)鏈路層擴(kuò)展局域網(wǎng)

■在數(shù)據(jù)鏈路層擴(kuò)展局域網(wǎng)是使用網(wǎng)橋。

■網(wǎng)橋工作在數(shù)據(jù)鏈路層，它根據(jù)MAC幀的目

的地址對(duì)收到的幀進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

■網(wǎng)橋具有過(guò)濾幀的功能。當(dāng)網(wǎng)橋收到一個(gè)幀時(shí),

并不是向所有的接口轉(zhuǎn)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(zhuǎn)發(fā)

到哪一個(gè)接口

使用網(wǎng)橋帶來(lái)的好處

■過(guò)濾通信量。

■擴(kuò)大了物理范圍。

■提高了可靠性。

■可互連不同物理層、不同MAC子層和不同速

率（如10Mb/s和100Mb/s以太網(wǎng)）的局域網(wǎng)。

網(wǎng)橋使各網(wǎng)段成為

隔離開(kāi)的碰撞域

使用網(wǎng)橋帶來(lái)的缺點(diǎn)

■存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)增加了時(shí)延。

■在MAC子層并沒(méi)有流量控制功能。

■具有不同MAC子層的網(wǎng)段橋接在一起時(shí)時(shí)延

更大。

■網(wǎng)橋只適合于用戶(hù)數(shù)不太多（不超過(guò)幾百個(gè)）和

通信量不太大的局域網(wǎng)，否則有時(shí)還會(huì)因傳播

過(guò)多的廣播信息而產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)擁塞。這就是所謂

的廣播風(fēng)暴。

網(wǎng)橋和集線(xiàn)器（或轉(zhuǎn)發(fā)器）不同

■集線(xiàn)器在轉(zhuǎn)發(fā)幀時(shí)，不對(duì)傳輸媒體進(jìn)行檢

測(cè)。

■網(wǎng)橋在轉(zhuǎn)發(fā)幀之前必須執(zhí)行CSMA/CD

算法。

■若在發(fā)送過(guò)程中出現(xiàn)碰撞，就必須停止發(fā)送

和進(jìn)行退避。

2.透明網(wǎng)橋

■目前使用得最多的網(wǎng)橋是透明網(wǎng)橋(transparent

bridge)o

■“透明”是指局域網(wǎng)上的站點(diǎn)并不知道所發(fā)送

的幀將經(jīng)過(guò)哪幾個(gè)網(wǎng)橋，因?yàn)榫W(wǎng)橋?qū)Ω髡緛?lái)說(shuō)

是看不見(jiàn)的。

■透明網(wǎng)橋是一種即插即用設(shè)備，其標(biāo)準(zhǔn)是IEEE

802.1Do

網(wǎng)橋在轉(zhuǎn)發(fā)表中

登記以下三個(gè)信息

■在網(wǎng)橋的轉(zhuǎn)發(fā)表中寫(xiě)入的信息除了地址和接

口外，還有幀進(jìn)入該網(wǎng)橋的時(shí)間。

■這是因?yàn)橐蕴W(wǎng)的拓?fù)淇赡芙?jīng)常會(huì)發(fā)生變化,

站點(diǎn)也可能會(huì)更換適配器（這就改變了站點(diǎn)

的地址）。另外，以太網(wǎng)上的工作站并非總

是接通電源的。

■把每個(gè)幀到達(dá)網(wǎng)橋的時(shí)間登記下來(lái)，就可以

在轉(zhuǎn)發(fā)表中只保留網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖钚聽(tīng)顟B(tài)信息。

這樣就使得網(wǎng)橋中的轉(zhuǎn)發(fā)表能反映當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)

的最新拓?fù)錉顟B(tài)。

生成樹(shù)的得出

■互連在一起的網(wǎng)橋在進(jìn)行彼此通信后，就能

找出原來(lái)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞囊粋€(gè)子集。在這個(gè)子

集里，整個(gè)連通的網(wǎng)絡(luò)中不存在回路，即在

任何兩個(gè)站之間只有一條路徑。

■為了避免產(chǎn)生轉(zhuǎn)發(fā)的幀在網(wǎng)絡(luò)中不斷地兜圈

子。

■為了得出能夠反映網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化時(shí)的生

成樹(shù)，在生成樹(shù)上的根網(wǎng)橋每隔一段時(shí)間還

要對(duì)生成樹(shù)的拓?fù)溥M(jìn)行更新。

3.源路由網(wǎng)橋

■透明網(wǎng)橋容易安裝，但網(wǎng)絡(luò)資源的利用不充分。

■源路由(sourceroute)網(wǎng)橋在發(fā)送幀時(shí)將詳細(xì)的路由

信息放在幀的首部中。

■源站以廣播方式向欲通信的目的站發(fā)送一個(gè)發(fā)現(xiàn)幀,

每個(gè)發(fā)現(xiàn)幀都記錄所經(jīng)過(guò)的路由。

■發(fā)現(xiàn)幀到達(dá)目的站時(shí)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(gè)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。

4.多接口網(wǎng)橋—以太網(wǎng)交換機(jī)

■1990年問(wèn)世的交換式集線(xiàn)器(switchinghub),可

明顯地提高局域網(wǎng)的性能。

■交換式集線(xiàn)器常稱(chēng)為以太網(wǎng)交換機(jī)(switch)或第二

層交換機(jī)(表明此交換機(jī)工作在數(shù)據(jù)鏈路層)。

■以太網(wǎng)交換機(jī)通常都有十幾個(gè)接口。因此，以太

網(wǎng)交換機(jī)實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)多接口的網(wǎng)橋，可見(jiàn)交

換機(jī)工作在數(shù)據(jù)鏈路層。

以太網(wǎng)交換機(jī)的特點(diǎn)

■以太網(wǎng)交換機(jī)的每個(gè)接口都直接與主機(jī)相連，并

且一般都工作在全雙工方式。

■交換機(jī)能同時(shí)連通許多對(duì)的接口，使每一對(duì)相互

通信的主機(jī)都能像獨(dú)占通信媒體那樣，進(jìn)行無(wú)碰

撞地傳輸數(shù)據(jù)。

■以太網(wǎng)交換機(jī)由于使用了專(zhuān)用的交換結(jié)構(gòu)芯片，

其交換速率就較高。

獨(dú)占傳輸媒體的帶寬

■對(duì)于普通10Mb/s的共享式以太網(wǎng)，若共有N個(gè)

用戶(hù)，則每個(gè)用戶(hù)占有的平均帶寬只有總帶寬(10

Mb/s)的N分之一。

■使用以太網(wǎng)交換機(jī)時(shí)，雖然在每個(gè)接口到主機(jī)的

帶寬還是10Mb/s,但由于一個(gè)用戶(hù)在通信時(shí)是獨(dú)

占而不是和其他網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)共享傳輸媒體的帶寬，

因此對(duì)于擁有N對(duì)接口的交換機(jī)的總?cè)萘繛?/p>

A/x10Mb/So這正是交換機(jī)的最大優(yōu)點(diǎn)。

利用以太網(wǎng)交換機(jī)可以很方便地

±實(shí)現(xiàn)虛擬局域網(wǎng)

4---------

■虛擬局域網(wǎng)VLAN是由一些局域網(wǎng)網(wǎng)段構(gòu)成的與

物理位置無(wú)關(guān)的邏輯組。

-這些網(wǎng)段具有某些共同的需求。

-每一個(gè)VLAN的幀都有一個(gè)明確的標(biāo)識(shí)符，指明發(fā)送這

個(gè)幀的工作站是屬于哪—IskVLANo

■虛擬局域網(wǎng)其實(shí)只是局域網(wǎng)給用戶(hù)提供的一種服

務(wù)，而并不是一種新型局域網(wǎng)。

以太網(wǎng)三個(gè)虛擬局域網(wǎng)：

交換機(jī)和

VLANiI,'VLAN4?VLANO3

當(dāng)&向VLAN2工作組內(nèi)成員發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí),

工作站B2和B3將會(huì)收到廣播的信息。

Bi發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，工作站AI，A2和C1

都不會(huì)收到發(fā)出的廣播信息。

虛擬局域網(wǎng)限制了接收廣播信息的工作站數(shù)，使得網(wǎng)絡(luò)

不會(huì)因傳播過(guò)多的廣播信息（即“廣播風(fēng)暴”）而引起性能惡

化。

3.6高速以太網(wǎng)

3.6.1100BASE-T以太網(wǎng)

■速率達(dá)到或超過(guò)100Mb/s的以太網(wǎng)稱(chēng)為

高速以太網(wǎng)。

■在雙絞線(xiàn)上傳送100Mb/s基帶信號(hào)的星

型拓?fù)湟蕴W(wǎng)，仍使用IEEE802.3的

CSMA/CD協(xié)議。100BASE-T以太網(wǎng)又

稱(chēng)為快速以太網(wǎng)(FastEthernet)o

100BASE-T以太網(wǎng)的特點(diǎn)