第3章数据链路层

1、 第3章 数据链路层 3.1 使用点对点通信的数据链路层使用点对点通信的数据链路层 3.2 点对点协议点对点协议PPP 3.3 使用广播信道的数据链路层使用广播信道的数据链路层 3.4 使用广播信道的以太网使用广播信道的以太网 3.5 扩展的以太网扩展的以太网 3.6 高速以太网高速以太网 3.7 其他类型的高速局域网或接口其他类型的高速局域网或接口 数据链路层数据链路层 数据链路层数据链路层最基本的服务最基本的服务：将：将源源计算机计算机 网络层网络层传下来传下来的数据的数据可靠地可靠地传输到传输到相邻相邻结点的结点的目目 标标计算机的计算机的网络层网络层。 为达到这一目的，数据链路层必须具

2、备为达到这一目的，数据链路层必须具备 一系列相应的一系列相应的功能功能： u如何将如何将IP数据报数据报组合组合成成帧帧； u控制控制帧在物理信道上的传输，例如怎样处理传输帧在物理信道上的传输，例如怎样处理传输 差错。差错。 3.1 使用点对点信道的数据链路层使用点对点信道的数据链路层 3.1.1 数据链路和帧数据链路和帧 p链路链路(link)(link)：一个结点到一个结点到相邻相邻结点的结点的物理线路物理线路，中间没有，中间没有 任何其他的交换结点。任何其他的交换结点。 p数据链路数据链路(data link)(data link)：除了除了物理物理链路外，还必须有通信链路外，还必须有通

3、信协协 议议来控制这些数据的传输。若把实现这些协议的来控制这些数据的传输。若把实现这些协议的硬件硬件和和软软 件件加到链路上，就构成了数据链路。加到链路上，就构成了数据链路。 现在最常用的方法是使用现在最常用的方法是使用适配器适配器（网卡）来实现这些协议的硬件（网卡）来实现这些协议的硬件 和软件。和软件。 一般的适配器都包括了一般的适配器都包括了数据链路层数据链路层和和物理层物理层这两层的功能。这两层的功能。 p帧：帧：数据链路层的协议数据单元（数据链路层的协议数据单元（PDU：Protocol Data Unit）。）。 数据链路层属于计算机网络的数据链路层属于计算机网络的低低层，使层，使

4、用的用的信道信道主要有以下两种类型：主要有以下两种类型： u点对点信道：点对点信道：这种信道使用这种信道使用一对一一对一的点对点通信的点对点通信 方式。方式。 u广播信道：广播信道：这种信道使用这种信道使用一对多一对多的广播通信方式，的广播通信方式， 过程比较复杂。广播信道上连接的主机很多，因过程比较复杂。广播信道上连接的主机很多，因 此必须使用专用的此必须使用专用的共享信道协议共享信道协议来协调这些主机来协调这些主机 的数据发送。的数据发送。 数据链路层的简单模型数据链路层的简单模型 主机主机 H1 H1 向向 H2 H2 发送数据发送数据 局域网广域网 主机 H1 主机 H2 路由器 R1

5、 路由器 R2 路由器 R3 电话网 局域网 链路层 应用层 运输层 网络层 物理层 链路层 应用层 运输层 网络层 物理层 链路层 网络层 物理层 链路层 网络层 物理层 链路层 网络层 物理层 R1R2R3 H1H2 从层次上来看数据的流动 仅从数据链路层观察仅从数据链路层观察帧帧的流动的流动 链路层 应用层 运输层 网络层 物理层 链路层 应用层 运输层 网络层 物理层 链路层 网络层 物理层 链路层 网络层 物理层 链路层 网络层 物理层 R1R2R3 H1H2 3 网络层 2 数据链路层 1 物理层 IP数据报（分组） 帧 比特 PDU（protocol data unit） 思考：

6、 因特网上传送的数据单元是？ 数据链路层传送的是数据链路层传送的是帧帧 数据链路层通信时的主要步骤：数据链路层通信时的主要步骤： （1 1）把网络层传下来的）把网络层传下来的IPIP数据报添加首部和尾部数据报添加首部和尾部封装封装成帧。成帧。 （2 2）把封装好的帧）把封装好的帧传给传给物理层，然后再通过物理链路发送给结点物理层，然后再通过物理链路发送给结点B B。 （3 3）结点）结点B B收到的帧如果无差错，收到的帧如果无差错，解封装解封装，上传给网络层，否则丢弃。，上传给网络层，否则丢弃。 IP 数据报 1010 0110 帧 取出 链路层 网络层 链路 结点 A结点 B 物理层 IP

7、数据报 1010 0110 帧 装入 回回 顾顾 1. 链路？数据链路？链路？数据链路？ 2.五层体系结构的低三层所对应的五层体系结构的低三层所对应的PDU分分 别是别是? 补充：补充： 5层体系结构的英文名称层体系结构的英文名称 Application Transport Network DataLink Physical 3.1.2 三个基本问题三个基本问题 数据链路层数据链路层协议协议有许多：如有许多：如PPP协议、协议、 CSMA/CD协议等，但有协议等，但有3个问题是共同的：个问题是共同的： (1) 封装成帧封装成帧 (2) 透明传输透明传输 (3) 差错控制差错控制 回顾回顾 协议

8、：控制对等实体之间通信的规则。协议：控制对等实体之间通信的规则。 协议三要素：语义、语法、同步。协议三要素：语义、语法、同步。 1. 封装成帧封装成帧 封装成帧封装成帧(framing)：在一段：在一段数据数据的前后分别添加的前后分别添加 首部和尾部，就构成了一个帧。首部和尾部，就构成了一个帧。 首部和尾部的一个重要作用就是进行首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界帧定界。 MTU (Maximum Transfer Unit) ：帧的：帧的数据数据部部 分的长度上限。分的长度上限。 帧结束 帧首部 IP 数据报 帧的数据部分帧尾部 MTU 数据链路层的帧长 开始 发送 帧开始 用用控制字符控

9、制字符进行帧定界的方法进行帧定界的方法 SOH（Start Of Header）：）： 二进制二进制 00000001 EOT（End Of Transmission）：二进制）：二进制 00000100 帧定界符的作用：帧定界符的作用： 当数据在传输中发生中断，由于使用了帧定界符，因此当数据在传输中发生中断，由于使用了帧定界符，因此 只有首部只有首部SOH，没有结束符，没有结束符EOT。接收端就知道收到的。接收端就知道收到的 数据是个不完整的帧，必须丢弃。数据是个不完整的帧，必须丢弃。 SOH 装在帧中的数据部分 帧 帧开始符帧结束符 发送在前 EOT帧首部帧尾部 2. 透明传输透明传输 S

10、OHEOT 出现了“EOT” 当作无效帧，丢弃误认为是一个帧 数据部分 EOT 完整的帧 在发 送前 u当传送的帧是文本文件时，其数据部分不会 出现像SOH、EOT这样的控制字符，因此是透 明传输； u当数据部分是非ASC码的文本文件时（如 ：二进制代码的计算机程序），如果数据中的 某个字节的二进制代码恰好和SOH、EOT这种 控制字符一样： 用用字节填充法字节填充法解决透明传输的问题解决透明传输的问题 SOH SOHEOTSOHESC ESC EOTESC SOHESC ESCESC SOH 原始数据 EOT EOT 经过字节填充后发送的数据 字节填充字节填充字节填充字节填充 在发 送前 帧

11、开始符帧结束符 SOH 解决方法： l发送端的数据链路层在数据中出现控制字符“SOH”、“EOT”之前插入 转义字符“ESC”（escape）:00011011。 l接收端的数据链路层先删除这些转义字符，然后再将数据送往网络层。 3. 差错检测差错检测 v 比特差错：比特差错：比特在传输过程中可能比特在传输过程中可能会产生差错会产生差错：1 可能会可能会 变成变成 0， 而而 0 也可能变成也可能变成 1。 v 误码率误码率 BER (Bit Error Rate)：在一段时间内，传输在一段时间内，传输错错 误误的比特占传输比特总数的比率。的比特占传输比特总数的比率。 v 为了降低误码率，目前

12、在数据链路上广泛使用为了降低误码率，目前在数据链路上广泛使用循环冗余检循环冗余检 验验CRC（Cyclic Redundancy Check ）的检错技术。）的检错技术。 循环冗余检验的原理循环冗余检验的原理 检错方法检错方法：循环冗余检验循环冗余检验CRC（Cyclic Redundancy Check） 在发送端，先把数据划分为组。在发送端，先把数据划分为组。 假设待传送的假设待传送的一组一组数据数据 M = 101001（每组（每组 k = 6个比特），在个比特），在 M 的后面再添加供差错检测用的的后面再添加供差错检测用的 n 位冗余码位冗余码一起发送。一起发送。 冗余码的计算方法冗余

13、码的计算方法 用二进制的模用二进制的模2运算进行运算进行 2n 乘乘M 的运算：即在的运算：即在 M 后面添加后面添加 n 个个 0。 l 被除数被除数 2n M ：k 位位 l 除数除数 P ：n+1位位 l 商商 Q : l 余数余数 R ：n位位 例：例： 数据数据M = 101001， k = 6 除数除数 P = 1101， n+1 = 4，n = 3 被除数被除数 2nM = 101001000 模模 2 运算运算的结果是：的结果是：商商 Q = 110101， 余数余数 R = 001。 110101 Q (商) P (除数) 1101 101001000 2nM (被除数) 1

14、101 1110 1101 0111 0000 1110 1101 0110 0000 1100 1101 001 R (余数)，作为 FCS 运算规则 商：够4位商1；不够4 位商0 减法：异或运算，不进 位 余数：n位 帧检验序列 (Frame Check Sequence)：为了检错而添加 的冗余码 结结 论论 接收端对收到的每一帧进行接收端对收到的每一帧进行 CRC 检验后，检验后， (1) 若得出的余数若得出的余数 R = 0，则判定这个帧没有差错，就，则判定这个帧没有差错，就接接 受受(accept)。 (2) 若余数若余数 R 0，则判定这个帧有差错，则判定这个帧有差错，丢弃丢弃

15、。（这种。（这种 检测方法并不能确定究竟是哪一个或哪几个比特出现了差检测方法并不能确定究竟是哪一个或哪几个比特出现了差 错）。错）。 通常通常除数除数P写成关于写成关于X的多项式：的多项式：P(X) 传输差错分类：传输差错分类： 1.1.比特差错比特差错 循环冗余检验循环冗余检验CRC 2.2.帧丢失、帧重复、帧失序帧丢失、帧重复、帧失序 循环冗余检验循环冗余检验CRC 帧编号、确认、重传机制帧编号、确认、重传机制 现在数据链路层的协议都不使用确认和重传机制，现在数据链路层的协议都不使用确认和重传机制， 即即不不要求数据链路层向上提供要求数据链路层向上提供可靠可靠传输的服务。如果在数传输的服务

16、。如果在数 据链路层出现了差错并且需要改正，就由据链路层出现了差错并且需要改正，就由第第5章运输层的章运输层的 TCP协议协议来完成。来完成。 作业：作业： 3-07 已知：要发送的数据：已知：要发送的数据：1101011011 P(X)=X4+X+1 求：冗余码求：冗余码 3.2 点对点协议点对点协议 PPP 3.2.1 PPP (Point-to-Point Protocol)协议的特点协议的特点 用户到用户到 ISP 的的链路链路使用使用 PPP 协议协议 用 户 至因特网 已向因特网管理机构 申请到一批 IP 地址 ISP 接入网 PPP 协议 1. PPP 协议应满足的需求协议应满足

17、的需求 简单：简单：不不需要纠错，需要纠错，不不需要序号，需要序号，不不需要流量控制；需要流量控制； 封装成帧：要有封装成帧：要有帧定界符帧定界符； 透明性：当数据中碰巧出现和透明性：当数据中碰巧出现和帧定界符帧定界符一样的比特组合时，要采取有一样的比特组合时，要采取有 效的措施来解决；效的措施来解决； 支持多种网络层协议：在同一物理链路上同时支持支持多种网络层协议：在同一物理链路上同时支持多种多种网络层协议，网络层协议， 如如IPIP、IPXIPX； 支持多种类型链路：能在支持多种类型链路：能在多种多种类型的链路上运行，如串行或并行、光类型的链路上运行，如串行或并行、光 的或电的、同步的异步

18、的、高速的低速的；的或电的、同步的异步的、高速的低速的； 差错检错：只检错，丢弃有差错的帧，差错检错：只检错，丢弃有差错的帧，不纠错，不纠错，是是不可靠不可靠的协议；的协议； 检测连接状态：能够及时检测出链路是否处于正常工作状态；检测连接状态：能够及时检测出链路是否处于正常工作状态； 设置最大传送单元：设置最大传送单元：数据部分数据部分的最大长度，不是整个帧的总长度；的最大长度，不是整个帧的总长度； 只支持只支持全双工全双工链路。链路。 3. PPP 协议的组成协议的组成 PPP 协议有三个组成部分：协议有三个组成部分： 一种将一种将IPIP数据报封装到串行链路的数据报封装到串行链路的方法，方

19、法，既支持异步链路既支持异步链路 也支持同步链路；也支持同步链路； 一个一个链路控制协议链路控制协议LCPLCP (Link Control Protocol) (Link Control Protocol)：建立、：建立、 配置、测试数据链路的连接状态；配置、测试数据链路的连接状态； 一套一套网络控制协议网络控制协议NCPNCP (Network Control Protocol) (Network Control Protocol)：每：每 一个协议支持不同体系结构的网络层协议，如一个协议支持不同体系结构的网络层协议，如IPIP（4 4）、）、 OSIOSI（7 7）、）、DECnetDE

20、Cnet（8 8）和）和AppleTalkAppleTalk（6 6）的网络层。）的网络层。 3.2.2 PPP 协议的协议的帧格式帧格式 1.1.字段的意义字段的意义 lF(flag):F(flag):标志字段标志字段0 x7E, ,表示一个帧的开始和结束表示一个帧的开始和结束, , lA(address):A(address):地址字段地址字段, , lC(control):C(control):控制字段控制字段, , l协议字段：表示帧的信息部分是哪一层的协议字段：表示帧的信息部分是哪一层的, ,网络层或链路层网络层或链路层 l信息部分：信息部分：1500字节字节 lFCSFCS：使用：

21、使用CRCCRC的帧检验序列的帧检验序列 IP 数据报 1211字节12不超过 1500 字节 PPP 帧 先发送 7EFF03 FAC FCS F 7E 协议 信 息 部 分 首部尾部 2.2.字节填充字节填充 当信息字段中出现和当信息字段中出现和标志字段标志字段一样的比特（一样的比特（0 x7E），必），必 须采取措施：须采取措施： l 将信息字段中出现的每一个将信息字段中出现的每一个 0 x7E 字节转变成为字节转变成为 2 字节字节 序列序列(0 x7D-转义字符转义字符, 0 x5E)。 l 若信息字段中出现一个若信息字段中出现一个 0 x7D 的字节的字节, 则将其转变成为则将其转

22、变成为 2 字节序列字节序列(0 x7D-转义字符转义字符, 0 x5D)。 5E:010111 10 7D:0111110 1 7E:01111110 7D:0111110 1 7D:011111 01 5D:0101110 1 3. 零比特填充零比特填充（当使用同步光纤网、同步数字系列时）（当使用同步光纤网、同步数字系列时） 发送端，只要发现有发送端，只要发现有5 5个连续个连续1 1，则立即在后面填入一个，则立即在后面填入一个0 0。 接收端，对帧中的比特流进行扫描，每当发现接收端，对帧中的比特流进行扫描，每当发现5 5个连续个连续1 1时，时， 就把这就把这5 5个连续个连续1 1后后

23、的一个的一个0 0删除。删除。 0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 信息字段中出现了和 标志字段 F 完全一样 的 8 比特组合 发送端在5个连续1之后填入0比 特再发送出去 接收端把 5 个连续1 之后的 0 比特删除 被误认为是标志字段 F 发送端填入 0 比特 接收端删除填入的 0 比特 3.2.3 PPP 协议的协议的工作状态工作状态 PPP链路是怎样被初始化的？链路是怎样被初始化的？ 1.链路建立：链路建立：当

24、用户拨号接入当用户拨号接入ISP时（屏幕上点击时（屏幕上点击“宽带连接宽带连接”按钮），按钮）， 路由器能够检测到调制解调器发出的载波信号，对拨号做出确认，并路由器能够检测到调制解调器发出的载波信号，对拨号做出确认，并 建立一条建立一条物理连接；物理连接； 2.建立链路层的建立链路层的LCP连接：连接：PC机向路由器发送一系列的机向路由器发送一系列的LCP分组，然后封分组，然后封 装成多个装成多个PPP 帧，以便建立帧，以便建立LCP连接；连接； 3.建立网络层的建立网络层的NCP连接：连接：这些分组及其响应选择一些这些分组及其响应选择一些PPP参数，进行网参数，进行网 络层配置，络层配置，N

25、CP给新接入的给新接入的PC机分配一个机分配一个临时临时的的IP地址，使地址，使PC机成为机成为 因特网上的一个主机；因特网上的一个主机； 4.链路打开：链路打开：交换数据；交换数据； 5.链路终止：链路终止：通信完毕时，通信完毕时，NCP释放释放网络层连接，收回原来分配出去的网络层连接，收回原来分配出去的 IP 地址；接着地址；接着LCP释放释放数据链路层连接；最后数据链路层连接；最后释放释放物理层的连接。物理层的连接。 设备之间无链路链路静止 链路建立 鉴别 网络层协议 链路打开 链路终止 物理链路 LCP 链路 已鉴别的 LCP 链路 已鉴别的 LCP 链路 和 NCP 链路 物理层连接

26、建立 LCP 配置协商 鉴别成功或无需鉴别 NCP 配置协商 链路故障或 关闭请求 LCP 链路 终止 鉴别失败 LCP 配置 协商失败 PAP:口令鉴别协议 CHAP:口令握手鉴别协议 最大帧长、鉴别协议的规约 回回 顾顾 1.在数据链路层，用方法解决透明在数据链路层，用方法解决透明 传输；用技术解决比特差错检测，传输；用技术解决比特差错检测， 冗余码的计算方法。冗余码的计算方法。 2.数据链路层的两种典型协议：和数据链路层的两种典型协议：和 。 3.数据链路层的数据链路层的PPP协议，其工作状态协议，其工作状态 分为步，分别是：、分为步，分别是：、 、链路打开、链路打开、链路终止链路终止。

27、 3.3 使用使用广播广播信道的数据链路层信道的数据链路层 3.3.1 局域网局域网的数据链路层的数据链路层 局域网工作的层次跨越了局域网工作的层次跨越了数据链路层数据链路层和和物理层物理层 局域网主要优点：局域网主要优点： 网络为一个单位所拥有，且地理网络为一个单位所拥有，且地理范围范围和和站点数站点数均有限；均有限； 具有具有广播广播功能，从一个站点可以很方便地访问全网；功能，从一个站点可以很方便地访问全网； 局域网上的主机可局域网上的主机可共享共享连接在局域网上的各种硬件和软件连接在局域网上的各种硬件和软件 资源；资源； 便于系统的便于系统的扩展扩展和逐渐演变，各设备的位置可灵活调整和和

28、逐渐演变，各设备的位置可灵活调整和 改变；改变； 系统的可靠性系统的可靠性(reliability)(reliability)、可用性、可用性(availability)(availability)和和 生存性生存性(survivability)(survivability)比较高比较高 。 局域网的拓扑局域网的拓扑 匹配电阻： 吸收电磁波 能量，避免 产生有害的 电磁波反射 集线器、 交换机 干线耦合器 总线网星形网 树形网 环形网 共享信道要着重考虑的一个问题是，如何让共享信道要着重考虑的一个问题是，如何让众多众多用用 户能够合理而方便的共享通信媒体资源。在技术上有两种方户能够合理而方便的

29、共享通信媒体资源。在技术上有两种方 法：法： （1 1）静态划分信道：）静态划分信道：代价高，不适合局域网使用；代价高，不适合局域网使用； 频分复用频分复用 时分复用时分复用 波分复用波分复用 码分复用码分复用 （2 2）动态媒体接入控制（多点接入：）动态媒体接入控制（多点接入：Multiple Access）：）： 信道并非固定分配给用户信道并非固定分配给用户 随机接入：以太网随机接入：以太网 受控接入：分散控制的令牌环网；受控接入：分散控制的令牌环网； 集中控制的多点线路探询集中控制的多点线路探询(polling)(polling)。 1. 以太以太网的两个标准网的两个标准 DEC(美国数

30、字设备公司美国数字设备公司)、Intel、Xerox(施乐公施乐公 司司)公司提出的公司提出的DIX Ethernet V2是世界上是世界上第一第一 个个以太网的规约，数据率为以太网的规约，数据率为10Mb/s。 IEEE 802委员会制定的委员会制定的IEEE 802.3 标准。标准。 DIX Ethernet V2 与与 IEEE 的的 802.3 标准只有很小的差别，因此可以将标准只有很小的差别，因此可以将 802.3局域网简称为局域网简称为“以太网以太网”。 为了使数据链路层能更好地适应多种局域为了使数据链路层能更好地适应多种局域 网标准，如令牌环网、令牌总线网等，网标准，如令牌环网、

31、令牌总线网等，802 委员会委员会 就将局域网的就将局域网的数据链路层数据链路层拆成两个子层：拆成两个子层： 逻辑链路控制逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control)子层子层 媒体接入控制媒体接入控制 MAC (Medium Access Control)子层子层 u与接入到与接入到传输媒体传输媒体有关的内容都放在有关的内容都放在MAC子层；子层； u而而LLC子层则与传输媒体无关，不管采用何种协议子层则与传输媒体无关，不管采用何种协议 的局域网，对的局域网，对LLC子层来说都是子层来说都是透明透明的。的。 局域网对局域网对 LLC 子层是透明的子层是透明的 局 域 网

32、物理层 站点 1 物理层 逻辑链路控制 LLCLLC 媒体接入控制 MACMAC 数据 链路层 站点 2 LLC 子层看不见 下面的局域网 但随着因特网的发展，LLC子层的作用 已经消失。 2. 适配器的作用适配器的作用 计算机与外界局域网的连接要通过通信计算机与外界局域网的连接要通过通信适配器适配器 (adapter)(adapter)，适配器是在主机箱内插入的一块网络接，适配器是在主机箱内插入的一块网络接 口卡，又称为口卡，又称为“网卡网卡”。 适配器的重要功能：适配器的重要功能： 1.1.进行进行串串/ /并并行转换：适配器和局域网行转换：适配器和局域网/ /适配器和计算机适配器和计算机

33、 2.2.对数据进行对数据进行缓存缓存：网络上的数据率和计算机总线上的不同：网络上的数据率和计算机总线上的不同 3.3.实现以太网协议实现以太网协议 计算机通过适配器和局域网进行通信计算机通过适配器和局域网进行通信 硬件地址 至局域网 适配器 （网卡）的ROM中 双绞线 串行通信 CPU 和 存储器 生成发送的数据 处理收到的数据 把帧发送到局域网 从局域网接收帧 计算机 IP 地址 I/O总线 并行通信 适配器接收和发送各种帧时不使用计 算机的CPU 3.3.2 CSMA/CD 协议协议 1. 1. 为了通信简便，以太网采取了两种重要的措施：为了通信简便，以太网采取了两种重要的措施： 灵活的

34、灵活的无连接无连接的工作方式，即不必先建立连接就可以直接的工作方式，即不必先建立连接就可以直接 发送数据。发送数据。 以太网对发送的数据帧以太网对发送的数据帧不不进行进行编号编号，也，也不不要求对方发回要求对方发回确确 认认。因为局域网信道的质量很好，产生差错的概率很小。因为局域网信道的质量很好，产生差错的概率很小。 2.2.以太网提供的服务以太网提供的服务 以太网提供的服务是以太网提供的服务是不可靠不可靠的；的； 当目的站收到有差错的数据帧时就当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃丢弃，有差错的帧是否，有差错的帧是否 需要重传由需要重传由高层高层来决定。来决定。 3. 以太网发送的数据都使用曼彻

35、斯特以太网发送的数据都使用曼彻斯特(Manchester)编码编码 这样就保证了在每一个码元的这样就保证了在每一个码元的正中间正中间出现一次电压的转换，出现一次电压的转换， 而接收端就利用这种电压的转换很方便地把而接收端就利用这种电压的转换很方便地把位同步信号位同步信号提取提取 出来。出来。 基带数字信号 曼彻斯特编码 码元 1111100000 出现电平转换 4. 载波监听多点接入载波监听多点接入/碰撞检测碰撞检测 CSMA/CD 为了在同一时间只有为了在同一时间只有一台一台计算机发送信息，且计计算机发送信息，且计 算机能正常发送信息，互不干扰，我们采用算机能正常发送信息，互不干扰，我们采用

36、CSMA/CD协协 议：议： CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)：载波监听多点接入：载波监听多点接入/碰撞检测。碰撞检测。 u“载波监听载波监听”：每一个站在发送数据之前每一个站在发送数据之前先监听先监听一下总线上是否有其一下总线上是否有其 他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。 u“多点接入多点接入”：许多许多计算机以多点接入的方式连接在计算机以多点接入的方式连接在一根一根总线上。总线上。 u“碰撞检测碰撞检测”：

37、计算机计算机边发送数据边检测边发送数据边检测信道上的信号电压大小，如信道上的信号电压大小，如 果信号电压摆动值超过一定的果信号电压摆动值超过一定的门限值门限值，就认为总线上至少有两个站同，就认为总线上至少有两个站同 时在发送数据，表明产生了碰撞，立即时在发送数据，表明产生了碰撞，立即停止停止发送。发送。 思考：思考： 既然每一个站在发送数据之前已经监听到信道为既然每一个站在发送数据之前已经监听到信道为 “空闲空闲”，那么为什么还会出现数据在总线上的碰，那么为什么还会出现数据在总线上的碰 撞呢？撞呢？ 电磁波在总线上总是以电磁波在总线上总是以有限的有限的速率传播的速率传播的 当某个站监听到总线是

38、空闲时，传输过程中总当某个站监听到总线是空闲时，传输过程中总 线并非一直是空闲的。线并非一直是空闲的。 传播时延对载波监听的影响传播时延对载波监听的影响 1 kmAB t 碰撞 t = 2 A 检测到发生碰撞 t = B 发送数据 B 检测到发生碰撞 t = t = 0 单程端到端 传播时延记为 t = B 检测到信道空闲 发送数据 t = / 2 发生碰撞 A B AB AB AB t = B 检测到发生碰撞 停止发送 STOP t = 2 A 检测到 发生碰撞 STOP A B t = 0 A发送数据 截断二进制指数退避算法截断二进制指数退避算法 (truncated binary exp

39、onential type) 重传所需的时延就是重传所需的时延就是 r 倍的基本退避时间倍的基本退避时间： (1) 基本退避时间：基本退避时间：争用期争用期 2 ，以太网把争用期定为以太网把争用期定为51.2 s 对于对于10Mb/s以太网，争用期内可发送以太网，争用期内可发送512bit，即，即 512/8=64字节。以太网在发送数据时，若前字节。以太网在发送数据时，若前 64 字节没有字节没有 发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。 (2) r：从整数集合从整数集合0,1, (2k 1)中随机地取出一个数中随机地取出一个数 k：重传次数重传次数 ，k

40、10，即，即 k = Min 重传次数重传次数, 10 当重传当重传16次仍不能成功时，丢弃该帧，并向高层报告。次仍不能成功时，丢弃该帧，并向高层报告。 数据帧 干扰信号 TJ 人为干扰信号 AB TB t B 发送数据 A 检测 到冲突 开始冲突 信 道 占 用 时 间 A 发送数据 B也能够检测到冲突，并立即停止发送数据帧 ，接着就发送干扰信号。这里为了简单起见， 只画出A发送干扰信号的情况。 重要特性重要特性 半双工通信：半双工通信：使用使用 CSMA/CD 协议的以太网不能进行全协议的以太网不能进行全 双工通信而只能进行双工通信而只能进行双向交替双向交替通信。通信。 不确定性：不确定性

41、：每个站在发送数据之后的每个站在发送数据之后的一小段时间一小段时间内，存在内，存在 着遭遇碰撞的可能性，这一小段时间是不确定的。着遭遇碰撞的可能性，这一小段时间是不确定的。 争用期争用期(碰撞窗口碰撞窗口)：以太网端到端的往返以太网端到端的往返传播时延传播时延2 。经经 过争用期这段时间还没检测到碰撞，才能肯定这次发送不过争用期这段时间还没检测到碰撞，才能肯定这次发送不 会发生碰撞。会发生碰撞。 退避时间：退避时间：发生碰撞的站在停止发送数据后，不是等待信发生碰撞的站在停止发送数据后，不是等待信 道变为空闲后立即发送数据，而是要道变为空闲后立即发送数据，而是要推迟推迟（退避）一个随（退避）一个

42、随 机时间再发送数据。机时间再发送数据。 强化碰撞：强化碰撞：当发送数据的站一旦发生了碰撞，除立即停止当发送数据的站一旦发生了碰撞，除立即停止 发送数据外，还要再发送发送数据外，还要再发送32或或48bit的的人为干扰信号人为干扰信号，以，以 便让便让所有所有用户都知道发生了碰撞。用户都知道发生了碰撞。 3.4 使用广播信道的以太网使用广播信道的以太网 3.4.1 使用集线器的星形拓扑使用集线器的星形拓扑 传统以太网：粗同轴电缆传统以太网：粗同轴电缆细同轴电缆细同轴电缆双绞双绞 线线 这种以太网采用这种以太网采用星形星形拓扑，在星形的中心增加了一种可拓扑，在星形的中心增加了一种可 靠性非常高的

43、设备，叫做靠性非常高的设备，叫做集线器集线器(Hub)。采用双绞线，传。采用双绞线，传 输速率为输速率为10Mb/s的以太网，我们称之为的以太网，我们称之为10BASE-T。 集线器 两对双绞线： 1、3发送；2、6接收 站点 RJ- 45 插头 集线器的主要特点：集线器的主要特点： 使用集线器的以太网在使用集线器的以太网在物理上物理上是一个星型网，是一个星型网，逻辑逻辑 上上是总线型，各站是总线型，各站共享共享逻辑上的总线，使用的还是逻辑上的总线，使用的还是 CSMA/CD协议。协议。 一个集线器有许多接口，就像一个一个集线器有许多接口，就像一个多接口多接口的转发器。的转发器。 集线器工作在

44、集线器工作在物理层物理层，它的每个接口只是简单地，它的每个接口只是简单地转转 发发比特，不进行碰撞检测。比特，不进行碰撞检测。 具有三个接口的集线器具有三个接口的集线器 集 线 器 网卡 工作站 2 网卡 工作站 1 网卡 工作站 3 双绞线 3.4.3 以太网的以太网的 MAC 层层 MAC 层的硬件地址层的硬件地址 在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或MAC地址。地址。 IEEE802标准为局域网规定了一种标准为局域网规定了一种48位位的全球唯一地址，的全球唯一地址， 是指局域网上的每一台计算机中是指局域网上的每一台计算机中固化固化在适配器的在适配器

45、的ROM中的中的 地址。地址。 例如，例如，3COM公司生产的适配器的公司生产的适配器的MAC地址的前三个字节地址的前三个字节 是是02-60-8C，后三个字节是，后三个字节是(即低即低24位位)则由厂家自行指则由厂家自行指 派，称为扩展标识符。派，称为扩展标识符。 如果主机或路由器安装有多个适配器，那么就有如果主机或路由器安装有多个适配器，那么就有多个多个“地地 址址”，更确切的说，更确切的说，48位的地址应该是某个位的地址应该是某个接口接口的标识符。的标识符。 补充： 查找硬件地址的命令 适配器的适配器的“过滤过滤”功能：功能： 适配器从网络上每收到一个适配器从网络上每收到一个MAC帧就首

46、先用硬件检查帧就首先用硬件检查 MAC 帧中的帧中的目的地址目的地址： u如果是如果是发往本站的帧发往本站的帧就收下，就收下，“发往本站的帧发往本站的帧”包括包括 以下三种帧：以下三种帧： 单播单播(unicast)帧（一对一）帧（一对一） 广播广播(broadcast)帧（一对全体）帧（一对全体） 多播多播(multicast)帧（一对多）帧（一对多） u否则就将此帧丢弃否则就将此帧丢弃 以太网适配器还可以设置为一种特殊的方式，即以太网适配器还可以设置为一种特殊的方式，即混混 杂方式杂方式，网络管理员就用这种方式来监视和分析以太，网络管理员就用这种方式来监视和分析以太 网上的流量，有一种工具

47、叫做网上的流量，有一种工具叫做“嗅探器嗅探器”(Sniffer)(Sniffer)就就 使用了设置为混杂方式的网络适配器。使用了设置为混杂方式的网络适配器。 MAC 帧 物理层 MAC 层 IP 层 目的地址源地址类型数 据FCS 6624 字节46 1500 IP 数据报 目的地址字段6字 节 2. MAC 帧的格式 MAC 帧 物理层 MAC 层 IP 层 目的地址源地址类型数 据FCS 6624 字节46 1500 IP 数据报 源地址字段6字 节 MAC 帧 物理层 MAC 层 IP 层 目的地址源地址类型数 据FCS 6624 字节46 1500 IP 数据报 类型字段2字 节 类型

48、字段用来标志上一层使用的是什么协议， 以便把收到的 MAC 帧的数据交给上一层的这个协议。 MAC 帧: 64 1518 物理层 MAC 层 IP 层 目的地址源地址类型数 据FCS 6624 字节46 1500 IP 数据报 数据字段461500字 节 数据字段的最小长度 = 最小长度 64 字节 18 字节的首部和尾部 当数据字段的长度小于 46 字节时，应在数据字段的后面加入整数字 节的填充字段，以保证以太网的 MAC 帧长不小于 64 字节。 回回 顾顾 1.集线器、网卡分别工作在哪一层，有哪些功集线器、网卡分别工作在哪一层，有哪些功 能？能？ 2.硬件地址又称地址或硬件地址又称地址或

49、MAC地址，即地址，即 的中存放的地址；软件地址又称地的中存放的地址；软件地址又称地 址，即计算机中存放的地址。址，即计算机中存放的地址。 3.现在的以太网普遍采用型拓扑结构，采现在的以太网普遍采用型拓扑结构，采 用协议，这种协议的三个特点？产生碰用协议，这种协议的三个特点？产生碰 撞的原因？撞的原因？ 4.查找硬件地址的命令查找硬件地址的命令 3.5 扩展的以太网扩展的以太网 3.5.1 在物理层扩展以太网在物理层扩展以太网 3.5.2 在数据链路层扩展以太网在数据链路层扩展以太网 3.5 扩展的以太网扩展的以太网 3.5.1 在物理层扩展以太网在物理层扩展以太网 主机使用光纤和光纤调制解调

50、器连接到集线器主机使用光纤和光纤调制解调器连接到集线器 以太网 集线器 光纤 光纤 调制解调器 光纤 调制解调器 几公里 三个独立的碰撞域 一系二系三系 碰撞域 碰撞域 碰撞域 100 m 具有三个接口的集线器具有三个接口的集线器 集 线 器 网卡 工作站 2 网卡 工作站 1 网卡 工作站 3 双绞线 用多个集线器可连成更大的以太网用多个集线器可连成更大的以太网 一系三系二系 主干集线器碰撞域 一个更大的碰撞域一个更大的碰撞域 当二系的站1、3通信时，其他站点不能通信，一发数据就会产生碰撞。 100 m 100 m 思考：思考： 由于集线器的功能：只是简单地转发比特（收到由于集线器的功能：只

51、是简单地转发比特（收到 1就转发就转发1，收到，收到0就转发就转发0），那么，主机是如何），那么，主机是如何 判断哪个判断哪个MAC帧是发给自己的呢？帧是发给自己的呢？ 网卡的“过滤”功能 P88 用集线器扩展以太网用集线器扩展以太网 优点：优点： 属于不同碰撞域的计算机能够进行属于不同碰撞域的计算机能够进行跨碰撞域跨碰撞域通信；通信； 扩大了局域网覆盖的地理范围。扩大了局域网覆盖的地理范围。 缺点：缺点： 碰撞域增大了，但总的碰撞域增大了，但总的吞吐量吞吐量并未提高。因为所传送的数据并未提高。因为所传送的数据 会通过会通过所有的所有的集线器进行转发，其他碰撞域的内部在这时都集线器进行转发，其

52、他碰撞域的内部在这时都 不能不能通信；通信； 如果不同的碰撞域使用如果不同的碰撞域使用不同不同的数据率，用集线器将它们互连的数据率，用集线器将它们互连 起来之后，只能工作在起来之后，只能工作在低低速率。速率。 一系三系 主干集线器 碰撞域 一个更大的碰撞域一个更大的碰撞域 100 m 100 m 3.5.2 在数据链路层扩展以太网在数据链路层扩展以太网 n 在数据链路层扩展以太网使用的是在数据链路层扩展以太网使用的是网桥网桥； n 网桥工作在网桥工作在数据链路层数据链路层； n 根据根据 MAC 帧的目的地址对收到的帧进行帧的目的地址对收到的帧进行转发转发和和 丢弃丢弃 ； n 当网桥收到一个

53、帧时，当网桥收到一个帧时，并不是向所有的接口并不是向所有的接口转发转发 此帧，而是先检查此帧的目的此帧，而是先检查此帧的目的 MAC 地址，然后地址，然后 再确定将该帧转发到再确定将该帧转发到哪一个哪一个接口。接口。 网桥的内部结构网桥的内部结构 站表 接口管理 软件 网桥协议 实体 缓存接口 1接口 2 ABC 网段 B网段 A 1 1 1 2 A C E2 B D F2 地址接口 网桥 DEF 接口 1接口 2 接口1接口2 网段(segment)：原来的每个 以太网可以称为一个网段。 AE AB 网桥使各网段成为网桥使各网段成为 隔离开的碰撞域隔离开的碰撞域 B2B1 碰撞域碰撞域碰撞域

54、 ABCDEF A和B正在通信，其他网段上的C和D、E和F也都可以同时通信； A和C正在通信，这两个网段上其他站点就不能通信，但E和F仍然可以通信。 优点：优点： 过滤通信量，增大吞吐量；过滤通信量，增大吞吐量； 扩大了物理范围；扩大了物理范围； 提高了可靠性：网络故障只影响个别网段；提高了可靠性：网络故障只影响个别网段； 可互连不同物理层、不同可互连不同物理层、不同 MAC子层和不同速率子层和不同速率 （如（如10Mb/s和和100Mb/s以太网）的局域网。以太网）的局域网。 缺点：缺点： 接收到整个帧，先存储再转发，执行接收到整个帧，先存储再转发，执行CSMA/CD 算法（发生碰撞时要退避

55、），增加了算法（发生碰撞时要退避），增加了时延时延； MAC子层没有流量控制功能，负荷过重时，缓存子层没有流量控制功能，负荷过重时，缓存 空间不够而发生溢出，会导致空间不够而发生溢出，会导致帧丢失帧丢失； 如果用户数太多（超过几百个）、通信量太大会如果用户数太多（超过几百个）、通信量太大会 产生网络拥塞，即所谓的产生网络拥塞，即所谓的“广播风暴广播风暴”。 1. 透明网桥透明网桥 透明网桥透明网桥（transparent bridge）：透）：透 明网桥是一种明网桥是一种即插即用设备，即插即用设备，只要把网桥接入局只要把网桥接入局 域网，不用人工配置转发表，网桥域网，不用人工配置转发表，网桥就

56、能工作。就能工作。 透明透明：以太网上的站点并不知道所发送：以太网上的站点并不知道所发送 的的帧帧将经过哪几个网桥，因为网桥对各站来说是将经过哪几个网桥，因为网桥对各站来说是 看不见的。看不见的。 网桥通过网桥通过自学习算法自学习算法处理收到的帧和建立转发表，在网桥的处理收到的帧和建立转发表，在网桥的 转发表中写入的信息除了转发表中写入的信息除了地址地址和和接口接口外，还有帧进入该网桥外，还有帧进入该网桥 的的时间时间。 转发表的建立过程转发表的建立过程 地址 接口 B2B1 ABCDEF 1212 地址 接口 B 1B A A BA 1 F CF 2 A BA 1 F CF 2 网桥的自学习

57、和转发帧网桥的自学习和转发帧 1.1.自学习：自学习：查找转发表中与收到帧的查找转发表中与收到帧的源地址源地址有无相匹配的项有无相匹配的项 v 如没有，就在转发表中如没有，就在转发表中增加增加一个项目（源地址、进入的接口、时间）；一个项目（源地址、进入的接口、时间）； v 如有，则把原有的项目进行如有，则把原有的项目进行更新更新。 2.2.转发帧：转发帧：查找转发表中与收到帧的查找转发表中与收到帧的目的地址目的地址有无相匹配的项有无相匹配的项 v 如没有，则通过所有如没有，则通过所有其他其他接口（但进入网桥的接口除外）进行转发；接口（但进入网桥的接口除外）进行转发； v 如有，则按转发表中如有

58、，则按转发表中给出给出的接口进行转发。（若转发表中给出的接口就的接口进行转发。（若转发表中给出的接口就 是该帧进入网桥的接口，则应是该帧进入网桥的接口，则应丢弃丢弃这个帧。）这个帧。） 练习：练习： 3-32 登记：在转发表中增加一个项目登记：在转发表中增加一个项目 B2B1 ABC E 1212LAN1LAN2 D LAN3 发送的帧发送的帧 B1的转发表的转发表 B2的转发表的转发表B1的处理（登记？的处理（登记？ 转发？丢弃？）转发？丢弃？） B2的处理（登记？的处理（登记？ 转发？丢弃？）转发？丢弃？） 地址地址接口接口地址地址接口接口 AE CB DC BA 2. 多接口网桥多接口网

59、桥以太网交换机以太网交换机 以太网交换机（第二层交换机）实质上就以太网交换机（第二层交换机）实质上就 是一个是一个多接口的网桥多接口的网桥，工作在，工作在数据链路层数据链路层。 优点：优点： 以太网交换机的每个接口都工作在以太网交换机的每个接口都工作在全双工全双工方式；方式； 每一对相互通信的主机都能每一对相互通信的主机都能独占独占信道，进行无碰信道，进行无碰 撞地传输数据；撞地传输数据； 以太网交换机由于使用了专用的交换结构芯片，以太网交换机由于使用了专用的交换结构芯片， 其交换其交换速率较高速率较高； 实现实现虚拟局域网虚拟局域网VLAN (Virtual LAN)，控制广，控制广 播风暴

60、。播风暴。 用以太网交换机扩展以太网用以太网交换机扩展以太网 一系 三系二系10BASE-T 至因特网 100 Mb/s 100 Mb/s 100 Mb/s 万维网 服务器 电子邮件 服务器 以太网 交换机 路由器 以太网交换机 独立的碰撞域 HUBHUB HUB 以太网交换机实现虚拟局域网以太网交换机实现虚拟局域网 虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服服 务务，而并不是一种新型局域网。，而并不是一种新型局域网。 虚拟局域网虚拟局域网 VLAN：是由一些局域网是由一些局域网网段网段构成的，构成的， 与物理位置无关的与物理位置无关的逻辑组逻辑组。 S