廣播信道的數(shù)據(jù)鏈路層.ppt

1、第 3 章 數(shù)據(jù)鏈路層,第二講 使用廣播信道的數(shù)據(jù)鏈路層 -局域網(wǎng) 局域網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層概述 傳統(tǒng)以太網(wǎng) CSMA/CD 協(xié)議 使用集線器的星形拓?fù)?以太網(wǎng)信道的利用率,1.局域網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層概述,局域網(wǎng)最主要的特點是：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。 局域網(wǎng)具有如下的一些主要優(yōu)點： 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(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)?干線耦合器,環(huán)形網(wǎng),媒體（信道）的共享技術(shù),靜態(tài)劃分信道 頻分復(fù)用 時分復(fù)用 波分復(fù)用

2、 碼分復(fù)用 動態(tài)媒體接入控制（多點接入） 隨機(jī)接入 受控接入 ，如多點線路探詢(polling)，或輪詢。,網(wǎng)絡(luò)適配器/網(wǎng)卡,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”。 適配器的重要功能： 進(jìn)行串行/并行轉(zhuǎn)換。 對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存。 實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。,計算機(jī)通過適配器和局域網(wǎng)進(jìn)行通信,以太網(wǎng)是美國施樂（ Xerox ）公司1975年研制成功的世界上第一個局域網(wǎng)。 1980年9月，DEC、Intel、Xerox聯(lián)合提出10Mb/s以太網(wǎng)規(guī)約的第一個版本DIX Ethernet V1 ，1982年修改為第二版DI

3、X Ethernet V2 。 IEEE的802委員會于1983年制定了第一個IEEE的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，其編號為802.3,2. 傳統(tǒng)以太網(wǎng),以太網(wǎng)的兩個標(biāo)準(zhǔn) DIX Ethernet V2 IEEE 的 802.3 標(biāo)準(zhǔn) DIX Ethernet V2 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)簡稱為“以太網(wǎng)”。 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) 。,由于 TCP/IP 體系經(jīng)常使用的局域網(wǎng)是 DIX 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

4、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。,最初的以太網(wǎng)是將許多計算機(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單又可靠，因為總線上沒有有源器件。,B向 D 發(fā)送數(shù)據(jù),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(shù)據(jù),總線結(jié)構(gòu)的以太網(wǎng),以太網(wǎng)的廣播方式發(fā)送,總線上的每一個工作的計算機(jī)都能檢測到 B 發(fā)送的數(shù)據(jù)信號。 由于只有計算機(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 才接收這個數(shù)據(jù)幀。 其他所有的計算機(jī)（A, C 和

5、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。 具有廣播特性的總線上實現(xiàn)了一對一的通信。,為了通信的簡便以太網(wǎng)采取了兩種重要的措施： 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)。 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)。 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。,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。 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

6、數(shù)據(jù)幀來發(fā)送。,以太網(wǎng)發(fā)送的數(shù)據(jù)都使用曼徹斯特(Manchester)編碼,曼徹斯特編碼,載波監(jiān)聽多點接入/碰撞檢測 CSMA/CD “多點接入”表示許多計算機(jī)以多點接入的方式連接在一根總線上。 “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(jī)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)生碰撞。 “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(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)信號。,3. CSMA/CD 協(xié)議,“碰撞檢測”就是計算機(jī)邊發(fā)送數(shù)據(jù)邊檢測信道上的信號電壓大小。 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）。 當(dāng)一個站檢測到的信號電壓擺動值超過一定

7、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。 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”。,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。 每一個正在發(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)浪費網(wǎng)絡(luò)資源，然后等待一段隨機(jī)時間后再次發(fā)送。,由于電磁波在總線上的傳播速率有限，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。 A 向 B 發(fā)出的信息，要經(jīng)過一定的時間后才能傳送到 B。 B 若在 A 發(fā)送的信息到達(dá) B 之前發(fā)送自己的幀(因為這時 B 的載波監(jiān)聽檢測不到 A 所發(fā)送的信息)，則必

8、然要在某個時間和 A 發(fā)送的幀發(fā)生碰撞。碰撞的結(jié)果是兩個幀都變得無用。,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。 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。,爭用期,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。 以太網(wǎng)的端到端往返時延 2 稱為爭用期，或碰撞窗口。 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。,二進(jìn)制指數(shù)類型退避算法 (truncated bi

9、nary exponential type),發(fā)生碰撞的站在停止發(fā)送數(shù)據(jù)后，要推遲（退避）一個隨機(jī)時間才能再發(fā)送數(shù)據(jù)。 確定基本退避時間，一般是取為爭用期 2。 定義參數(shù) k ，k 10，即 k = Min重傳次數(shù), 10 從整數(shù)集合0,1, (2k 1)中隨機(jī)地取出一個數(shù)，記為 r。重傳所需的時延就是 r2 =2r 。 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。,爭用期的長度,以太網(wǎng)取 51.2 s 為爭用期的長度。 注：由于還要考慮其它因素，以太網(wǎng)的最大端到端延遲實際上小于25.6 s。 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)。 以太網(wǎng)在

10、發(fā)送數(shù)據(jù)時，若前 64 字節(jié)沒有發(fā)生沖突，則后續(xù)的數(shù)據(jù)就不會發(fā)生沖突。,最短有效幀長,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)。 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。,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： 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(jamming signal)，以便讓所有用戶都知道現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)生了碰撞。,4. 使用集線器的星形拓?fù)湟蕴W(wǎng),傳統(tǒng)以太網(wǎng)最初是使用粗同軸電纜，后來演進(jìn)到使用比較便宜的細(xì)同軸電纜，最后發(fā)

11、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)?，在星形的中心則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),星形網(wǎng) 10BASE-T,10表示數(shù)據(jù)率為10Mb/s，BASE表示電纜上的信號為基帶信號，采用曼徹斯特編碼，T代表雙絞線。 特點： 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。 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。 10BASE-T 的通信距離稍短，每個站到集線器的距離不超過 100 m。,這種 10 Mb/s 速率的無屏蔽雙絞線星形網(wǎng)的出現(xiàn)，既降低了成本，又提高了可靠性。 10B

12、ASE-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)。,集線器的特點,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(wǎng)那樣運行。 使用集線器的以太網(wǎng)在邏輯上仍是一個總線網(wǎng)，各工作站使用的還是 CSMA/CD 協(xié)議，并共享邏輯上的總線。 集線器很像一個多接口的轉(zhuǎn)發(fā)器，工作在物理層。,具有三個接口的集線器,以太網(wǎng)的信道被占用的情況： 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。 幀長為 L (bit)，數(shù)據(jù)發(fā)送速率為 C (b/s)，因而幀的發(fā)送時間為 L/C = T0 (s)

13、。,5.以太網(wǎng)的信道利用率,一個幀從開始發(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)過時間 使得信道上無信號在傳播)時為止，是發(fā)送一幀所需的平均時間。,從上圖可以看出，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)單程端到端時延 與幀的發(fā)送時間 T0 之比：,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。,在理想化的情況下，以太網(wǎng)上的各站發(fā)送數(shù)據(jù)都不會產(chǎn)生碰撞（這顯然已經(jīng)不是 CSMA/CD，

14、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站立即發(fā)送數(shù)據(jù)。 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,對以太網(wǎng)參數(shù)的要求,當(dāng)數(shù)據(jù)率一定時，以太網(wǎng)的連線的長度受到限制，否則 的數(shù)值會太大。 以太網(wǎng)的幀長不能太短，否則 T0 的值會太小，使 a 值太大。,練習(xí)題,局域網(wǎng)最基本的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕愋椭饕? ) A總線型 B總線型、環(huán)型、星型 C總線型、環(huán)型 D總線型、星型、網(wǎng)狀型,練習(xí)題,每塊網(wǎng)卡都有它自己的時鐘，兩個網(wǎng)卡在互相通信時為了知道什么時候一位結(jié)束、下一位開始，其嚴(yán)格具

15、有同樣頻率的原因是( ) A定時令牌機(jī)制 B奇檢驗機(jī)制 C量化機(jī)制 D使用曼徹斯特編碼,練習(xí)題,計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫峭ㄟ^網(wǎng)中結(jié)點與通信線路之間的幾何關(guān)系表示( ) A網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) B網(wǎng)絡(luò)層次 C網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 D網(wǎng)絡(luò)模型,練習(xí)題,根據(jù)CSMA/CD協(xié)議的工作原理，下列情形中，需要增加最短幀長度的是_。 A、網(wǎng)絡(luò)傳輸速率不變，沖突域的最大距離變短 B、網(wǎng)絡(luò)傳輸速率提高，沖突域的最大距離不變 C、上層協(xié)議適合用TCP的概率增加 D、沖突域不變的情況下，減少線路中的中繼器數(shù)量,練習(xí)題,以太網(wǎng)中，在第5次碰撞后，一個節(jié)點選擇等待4個爭用期后在進(jìn)行第6次偵聽的概率為（ ）。 A. 1/8 B. 1/16 C. 1/3

16、2 D. 1/64,二進(jìn)制指數(shù)回退算法： 用來確定第i次沖突后等待多長時間（Ti）再進(jìn)行第i+1次偵聽： Ti = r *沖突時間片 其中：r = random（0 2i-1），沖突時間片=爭用期=2， 當(dāng) i 16 一般認(rèn)為硬件發(fā)生故障，不再重試,*練習(xí)題,在一個采用CSMA/CD協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)中，傳輸介質(zhì)為一根完整的電纜，傳輸速率為1Gbit/s，電纜中信號的傳播速度是200 000 km/s。若最小數(shù)據(jù)幀長度減少800bit，則最遠(yuǎn)的兩個站點之間的距離至少需要_。 A、增加160m B、減少160m C、增加80m D、減少80m,800bit在1Gbit/s的線路上傳輸需要 800bit/1Gbit/s=800*10-9s 信號傳輸距離為 800*10-9