1、計算機網絡（第 5 版）第 3 章 數據鏈路層第 3 章 數據鏈路層3.0 使用點對點信道的數據鏈路層3.0.1 數據鏈路和幀3.0.2 三個基本問題3.1 停止等待ARQ協議3.2 點對點協議 PPP3.2.1 PPP 協議的特點3.2.2 PPP 協議的幀格式3.2.3 PPP 協議的工作狀態第 3 章 數據鏈路層（續）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）3.5 擴展的以太網

2、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 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5 3.0 3.0 數據鏈路概念的理解數據鏈路概念的理解主主機機A數數據據緩緩沖沖區區主主機機B高層高層緩緩沖沖區區高層高層數數據據幀幀幀幀發送方發送方接收方接收方數據鏈路層：數據鏈路層：物理線路通信協議物理線路通信協議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

3、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議來協調這些主機的數據發送。 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從層次上來看數據的流動數據鏈路層的簡單模型( 續）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

4、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3.0 使用點對點信道的數據鏈路層3.0.1 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(data link) 除了物理線路外，還必須有通信協議來控制這些數據的傳輸。若把實現這些協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。 10 ？發送方：發送方：？接收方：接收方：？傳輸過

5、程：傳輸過程：！解決這些問題，是鏈路層的主要任務。解決這些問題，是鏈路層的主要任務。！針對這些問題所制定的通信規程就是數據鏈路層的通信協議。針對這些問題所制定的通信規程就是數據鏈路層的通信協議。以多快的速度發送數據幀，即每幀之間相隔多長時間？以多快的速度發送數據幀，即每幀之間相隔多長時間？如何確認對方是否收到數據？如何確認對方是否收到數據？是否接收到正確的數據幀？如何告訴發送方？是否接收到正確的數據幀？如何告訴發送方？能及時處理接收到的數據幀嗎？能及時處理接收到的數據幀嗎？會出錯嗎？會丟失數據幀嗎？會出錯嗎？會丟失數據幀嗎？11數據鏈路層的主要功能數據鏈路層的主要功能12數據鏈路層的主要功能數

6、據鏈路層的主要功能13數據鏈路層的主要功能數據鏈路層的主要功能14數據鏈路層的主要功能數據鏈路層的主要功能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早期的數據通信協議曾叫作通信規程(procedure)。因此在數據鏈路層，規程和協議是同義語。 結點結點幀幀3.0.2 三個基本問題 (1) 封裝成幀(2) 透明傳輸(3) 差錯控制 1. 封

7、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送在前EOT2. 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一個幀數據部分EOT完整的幀發送在前解決透明傳輸問題n發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字節填充(byte s

8、tuffing)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經過字節填充后發送的數據字節填充字節填充字節填充字節填充發送在前幀開始符幀結束符用字節填充法解決透明傳輸的問題 SOH233.3.1 1 停止等待停止等待ARQARQ協議協議3.1.1 3.1.1 完全理想化的數據傳輸完全理想化的數據傳輸 1：在鏈路

9、上傳送數據幀不會出錯，也不會丟失。：在鏈路上傳送數據幀不會出錯，也不會丟失。 2：接收方的速度永遠不會低于發送方的速度。：接收方的速度永遠不會低于發送方的速度。這時數據鏈路層這時數據鏈路層協議非常簡單協議非常簡單： 只要控制發送方把數據幀從緩沖區發送到數據只要控制發送方把數據幀從緩沖區發送到數據鏈路上；接收方把數據幀從鏈路上接收到緩沖區，鏈路上；接收方把數據幀從鏈路上接收到緩沖區，并上交給主機。并上交給主機。假假設設協協議議24完全理想化的數據傳輸完全理想化的數據傳輸數據鏈路層主機 A緩存主機 B數據鏈路AP2AP1緩存發送方接收方幀高層幀25即：即：完全理想化的數據傳輸完全理想化的數據傳輸

10、所基于的兩個假定所基于的兩個假定 26問題的產生、基本解決辦法問題的產生、基本解決辦法273.1.2 3.1.2 具有簡單的流量控制具有簡單的流量控制DATA0DATA0ACKACKACKACKACKACKDATA2DATA2DATA1DATA1假設：假設：鏈路是理想化的，所傳輸的數據不會出錯也不會丟失。鏈路是理想化的，所傳輸的數據不會出錯也不會丟失。協協議議算算法法協議思想：協議思想：協調、控制接收方、發送方的速度。協調、控制接收方、發送方的速度。等待；等待；將收到的數據幀將收到的數據幀上交主機；上交主機；發送應答信息；發送應答信息；轉到第一步轉到第一步發出一幀；發出一幀；等待；等待；直到收

11、到直到收到ACKACK才發送下一幀才發送下一幀發送方發送方接收方接收方28具有最簡單流量控制的具有最簡單流量控制的數據鏈路層協議算法數據鏈路層協議算法29兩種情況的對比（傳輸均無差錯）兩種情況的對比（傳輸均無差錯）ABDATADATADATADATA送主機 B送主機 B送主機 B送主機 BABDATA送主機 BDATA送主機 B時間不需要流量控制需要流量控制303.1.3 3.1.3 停止等待停止等待ARQARQ協議協議（1 1）接近實際情形的假設：）接近實際情形的假設：1）信道不理想，傳輸的數據可能會出錯，也可能會丟失。）信道不理想，傳輸的數據可能會出錯，也可能會丟失。2）雙方的速度不一致，

12、需要對發送端進行流量控制。）雙方的速度不一致，需要對發送端進行流量控制。DATA0DATA0ACKACKACKACKACKACKDATA2DATA2DATA1DATA1出錯出錯a) a) 正常情況正常情況b) b) 數據幀出錯數據幀出錯送主機送主機A AB B送主機送主機送主機送主機DATA0DATA0ACKACKNAKNAKACKACKDATA1DATA1DATA1DATA1送主機送主機A AB B送主機送主機重傳重傳31DATA0DATA0ACKACKACKACKDATA1DATA1DATA1DATA1丟失丟失DATA0DATA0ACKACKACKACKACKACKDATA1DATA1DA

13、TA1DATA1丟失丟失c) c) 數據幀丟失數據幀丟失d) d) 應答幀丟失應答幀丟失送主機送主機送主機送主機丟棄丟棄送主機送主機送主機送主機A AA AB BB Btouttout32超時計時器的作用超時計時器的作用33解決重復幀的問題解決重復幀的問題 34幀的編號問題幀的編號問題 35幀的發送序號幀的發送序號 36可靠傳輸可靠傳輸 3. 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

14、算機網絡傳輸數據時，必須采用各種差錯檢測措施。 循環冗余檢驗的原理 n在數據鏈路層傳送的幀中，廣泛使用了循環冗余檢驗 CRC 的檢錯技術。n在發送端，先把數據劃分為組。假定每組 k 個比特。 n假設待傳送的一組數據 M = 101001（現在 k = 6）。我們在 M 的后面再添加供差錯檢測用的 n 位冗余碼一起發送。 冗余碼的計算 n用二進制的模 2 運算進行 2n 乘 M 的運算，這相當于在 M 后面添加 n 個 0。n得到的 (k + n) 位的數除以事先選定好的長度為 (n + 1) 位的除數 P，得出商是 Q 而余數是 R，余數 R 比除數 P 少1 位，即 R 是 n 位。 冗余碼

15、的計算舉例 n現在 k = 6, M = 101001。n設 n = 3, 除數 P = 1101，n被除數是 2nM = 101001000。 n模 2 運算的結果是：商 Q = 110101， 余數 R = 001。n把余數 R 作為冗余碼添加在數據 M 的后面發送出去。發送的數據是：2nM + R 即：101001001，共 (k + n) 位。 110101 Q (商) P (除數) 1101 101001000 2nM (被除數) 1101 1110 1101 0111 0000 1110 1101 0110 0000 1100 1101 001 R (余數)，作為 FCS 循環冗余

16、檢驗的原理說明 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 并非用來獲得 FCS 的唯一方法。 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

17、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”（即發送什么就收到什么）就必須再加上確認和重傳機制。 3.2 點對點協議 PPP 3.2.1 PPP 協議的特點 n現在全世界使用得最多的數據鏈路層協議是點對點協議 PPP (Point-to-Point

18、 Protocol)。n用戶使用撥號電話線接入因特網時，一般都是使用 PPP 協議。 用戶到 ISP 的鏈路使用 PPP 協議 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 協議1. PPP 協議應滿足的需求 n簡單這是首要的要求n封裝成幀 n透明性 n多種網絡層協議 n多種類型鏈路 n差錯檢測 n檢測連接狀態 n最大傳送單元 n網絡層地址協商 n數據壓縮協商 2. PPP 協議不需要的功能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 協議的組成 n1992 年制訂了 PPP 協議。經過 1993 年和 1994 年的修訂，現在的 PPP

19、協議已成為因特網的正式標準RFC 1661。 nPPP 協議有三個組成部分 n一個將 IP 數據報封裝到串行鏈路的方法。n鏈路控制協議 LCP (Link Control Protocol)。n網絡控制協議 NCP (Network Control Protocol)。 3.2.2 PPP 協議的幀格式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 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 是面向字節的，所有的 PPP 幀的長度都是整數字節。

20、 PPP 協議的幀格式nPPP 有一個 2 個字節的協議字段。n當協議字段為 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12不超過 1500 字節PPP 幀先發送7EFF03FACFCSF7E協議信 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，協議規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 字節轉變成

21、為 2 字節序列(0 x7D, 0 x5E)。 n若信息字段中出現一個 0 x7D 的字節, 則將其轉變成為 2 字節序列(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，同時將該字符的編碼加以改變。 零比特填充 nPPP 協議用在 SONET/SDH 鏈路時，是使用同步傳輸（一連串的比特連續傳送）。這時 PPP 協議采用零比特填充方法來實現透明傳輸。n在發送端，只要發現有 5 個連續 1，則立即填入一個 0。接收端對幀中的比特流進行掃描。每當發現 5 個連續1時，就把這 5 個連續 1 后

22、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 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 比特組合發送端在 5 個連 1 之后填入 0 比特再發送出去在接收端把 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

23、 PPP 協議較為合理。n在因特網環境下，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 PPP 協議的工作狀態 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

24、。接著，LCP 釋放數據鏈路層連接。最后釋放的是物理層的連接。 設備之間無鏈路鏈路靜止鏈路建立鑒別網絡層協議鏈路打開鏈路終止物理鏈路LCP 鏈路已鑒別的 LCP 鏈路已鑒別的 LCP 鏈路和 NCP 鏈路物理層連接建立LCP 配置協商鑒別成功或無需鑒別NCP 配置協商鏈路故障或關閉請求LCP 鏈路終止鑒別失敗LCP 配置協商失敗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。 n局域網具有如下的一些主要優點：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

25、源。 n便于系統的擴展和逐漸地演變，各設備的位置可靈活調整和改變。n提高了系統的可靠性、可用性和殘存性。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 環形網媒體共享技術n靜態劃分信道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）的規約。nIEEE 的 802.3 標準。nDIX 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

26、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，不管采用何種協議的局域網對 LLC 子層來說都是透明的 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MAC

27、MAC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 協議而沒有 LLC 協議。 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 Card)，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安裝設備驅動程序。n實現以太網

28、協議。 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 和存儲器生成發送的數據處理收到的數據把幀發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 協議 B向 D發送數據 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 發送的數據以太網的廣播方式發送 n總線上的每一個工作的計算機都能檢測到 B 發送的數據信號。 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

29、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送數據。 n以太網對發送的數據幀不進行編號，也不要求對方發回確認。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，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如果高層發現丟失了一些數據

30、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送。 以太網發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“載波監聽”是指每一個站在發送數據之前先要檢測一下總線上是否有其他計算機在發送數據，如果有，則暫時不要發送數據，以免發生碰撞。 n總線上并沒有什么“載波”。因

31、此， “載波監聽”就是用電子技術檢測總線上有沒有其他計算機發送的數據信號。 碰撞檢測n“碰撞檢測”就是計算機邊發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送數據，表明產生了碰撞。n所謂“碰撞”就是發生了沖突。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，無法從中恢復出有用的信息來。n每一個正在發送數據的站，一旦發現總線上出現了碰撞，就要立即停止發送，免得繼續浪費網絡資源，然后等待一段隨機時間

32、后再次發送。電磁波在總線上的有限傳播速率的影響 n當某個站監聽到總線是空閑時，也可能總線并非真正是空閑的。 nA 向 B 發出的信息，要經過一定的時間后才能傳送到 B。nB 若在 A 發送的信息到達 B 之前發送自己的幀(因為這時 B 的載波監聽檢測不到 A 所發送的信息)，則必然要在某個時間和 A 發送的幀發生碰撞。n碰撞的結果是兩個幀都變得無用。 1 kmABt碰撞t = 2 A 檢測到發生碰撞 t = B 發送數據B 檢測到發生碰撞 t = t = 0單程端到端傳播時延記為 傳播時延對載波監聽的影響 1 kmABt碰撞t = B 檢測到信道空閑發送數據t = / 2發生碰撞t = 2 A

33、 檢測到發生碰撞 t = B 發送數據B 檢測到發生碰撞 t = ABABAB t = 0 A 檢測到信道空閑發送數據ABt = 0t = B 檢測到發生碰撞停止發送STOPt = 2 A 檢測到發生碰撞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率。 爭用期n最先發送數據幀的站，在發送數據幀后至多經過時間 2 （兩倍的端到端往返時延）就可知道發送的數據幀是否遭受了碰撞。n以

34、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，才能肯定這次發送不會發生碰撞。 二進制指數類型退避算法 (truncated binary exponential type)n發生碰撞的站在停止發送數據后，要推遲（退避）一個隨機時間才能再發送數據。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

35、 為爭用期的長度。n對于 10 Mb/s 以太網，在爭用期內可發送512 bit，即 64 字節。n以太網在發送數據時，若前 64 字節沒有發生沖突，則后續的數據就不會發生沖突。 最短有效幀長 n如果發生沖突，就一定是在發送的前 64 字節之內。 n由于一檢測到沖突就立即中止發送，這時已經發送出去的數據一定小于 64 字節。 n以太網規定了最短有效幀長為 64 字節，凡長度小于 64 字節的幀都是由于沖突而異常中止的無效幀。 強化碰撞 n當發送數據的站一旦發現發生了碰撞時：n立即停止發送數據；n再繼續發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生了

36、碰撞。 數據幀干擾信號 TJ人為干擾信號 ABTBt B 發送數據A 檢測到沖突開始沖突信道占用時間A 發送數據B 也能夠檢測到沖突，并立即停止發送數據幀，接著就發送干擾信號。這里為了簡單起見，只畫出 A 發送干擾信號的情況。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n傳統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 10BASE-T n不用電纜而使用無屏蔽雙絞

37、線。每個站需要用兩對雙絞線，分別用于發送和接收。n集線器使用了大規模集成電路芯片，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，因此整個系統仍然像一個傳統的以太網那樣運行。 n使用集線器的以太網在邏輯上仍是一個總線網，各

38、工作站使用的還是 CSMA/CD 協議，并共享邏輯上的總線。 n集線器很像一個多接口的轉發器，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。檢測到碰撞后不發送干擾信號。n幀長為 L (bit)，數據發送速率為 C (b/s)，因而幀的發送時間為 L/C = T0 (s)。 以太網的信道利用率 n一個幀從開始發送，經可能發生的碰撞后，將再重傳數次，到發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，是發送一幀所需的平均時間。 發 送 成 功

39、 爭用期 爭用期 爭用期 2 2 2T0t占用期 發生碰撞 發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 與幀的發送時間 T0 之比： 0Ta(3-2) a0 表示一發生碰撞就立即可以檢測出來， 并立即停止發送，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 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 的值會太小，使 a 值太大。 n在理想化的情況下，以

40、太網上的各站發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送數據。n發送一幀占用線路的時間是 T0 + ，而幀本身的發送時間是 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 48 位的“名字”稱為“地址”，所以本書也采用這

41、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(即高位 24 位)。n地址字段中的后三個字節(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如果是發往本站的幀則收下，然后再進行其他的處理。n否則

42、就將此幀丟棄，不再進行其他的處理。n“發往本站的幀”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1 字節8 字節插入IP層目的地址 源地址類型數 據FCS6624字節46 1500IP 數據報以太網

43、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46 1500IP 數據報以太網 V2 的 MAC 幀格式目的地址字段 6 字節MAC 幀物理層MAC 層IP 層目的地址源地址類型數 據FCS6624字節46 1500IP 數據報以太網 V2 的 MAC 幀格式源地址字段 6 字節MAC 幀物理層MAC 層IP 層目的地址源地址類型數 據FCS6624字節46 1500IP 數據報以太網 V2 的 MAC 幀格式類型字段 2 字節類型字段用來標志上一層使用的是什么協議，以便把收到的 MAC 幀的數據上交給上一層的這個協議。 MAC 幀物理層MAC

44、 層IP 層目的地址源地址類型數 據FCS6624字節46 1500IP 數據報以太網 V2 的 MAC 幀格式數據字段 46 1500 字節數據字段的正式名稱是 MAC 客戶數據字段最小長度 64 字節 18 字節的首部和尾部 = 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46 1500IP 數據報以太網 V2 的 MAC 幀格式FCS 字段 4 字節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 字節時，應在數據字段的后面加入整數字節的填充字段，以保證以太網的 MAC 幀

45、長不小于 64 字節。 MAC 幀物理層MAC 層IP 層目的地址源地址類型數 據FCS6624字節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1 字節8 字節插入在幀的前面插入的 8 字節中的第一個字段共 7 個字節，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n數據字段的長度與長度字段的值不一致；n幀的長度不是整數個字節；n用收到的幀檢驗序列 FC

46、S 查出有差錯；n數據字段的長度不在 46 1500 字節之間。n有效的 MAC 幀長度為 64 1518 字節之間。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 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，

47、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。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此幀，而是先檢

48、查此幀的目的 MAC 地址，然后再確定將該幀轉發到哪一個接口 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

49、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 網橋不改變它轉發的幀的源地址n集線器在轉發幀時，不對傳輸媒體進行檢測。n網橋在轉發幀之前必須執行 CSMA/CD 算法。n若在發送過程中出現碰撞，就必須停止發送和進行退避。網橋和集線器（或轉發器）不同 n目前使用

50、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 發出的幀從接口 x 進入了某網橋，那么從這個接口出發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，作為轉發表中的一個項目。n在建立轉發表時是把幀首部中的源地址寫在“地址”這一欄的下面。n在轉發幀時，則是根據收到的幀首部中的目的地址來轉發的。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

51、進入接口當作轉發接口。網橋應當按照以下自學習算法處理收到的幀和建立轉發表 地址 接口轉發表的建立過程舉例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把每個幀到達網橋的時間登記下來，就可以在轉發表中只保留網絡拓撲的最新狀態信息。這樣就使得網橋中的轉發表能反映當前網絡的最新拓撲狀態。 網橋在轉發表中登記以下三個信息 網橋的自學習和轉發幀的步驟歸

52、納 n網橋收到一幀后先進行自學習。查找轉發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轉發幀。查找轉發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。n如有，則按轉發表中給出的接口進行轉發。n若轉發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（因為這時不需要經過網橋進行轉發）。n這是為了避免產生轉發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 發出的幀F1網橋 1 轉發的幀F2網

53、橋 2 轉發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 route)網橋在發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送一個發現幀，每個發現幀都記錄所經過的路由。n發現幀到達目的站時就沿各自的路由返回源站。源站在得知

54、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

55、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 對接口的交換機的總容量為 N10 Mb/s。這正是交換機的最大優點。 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 M

56、b/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VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2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VLAN3C3B3VLAN1

57、VLAN2C1A2A1A3C2B2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 發送數據時，工作站 A1, A2 和 C1都不會收到 B1 發出的廣播信息。 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，使得網絡不會因傳播過多的廣播信息(即“廣播風暴”)而引起性能惡化。 n虛擬局域網協