计算机网络基础 数据链路层03

1、计算机科学技术学院计算机科学技术学院计算机网络计算机网络1 计计 算算 机机 网网 络络 第第 3 3 章章 数数 据据 链链 路路 层层 三三 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 2 课程回顾课程回顾 1 1、局域网的拓扑结构。、局域网的拓扑结构。 2 2、数据链路层的两个子层。、数据链路层的两个子层。 3 3、局域网中物理层的功能、局域网中物理层的功能 n信号的编码与译码信号的编码与译码 n为进行同步用的前同步码的产生与去除为进行同步用的前同步码的产生与去除 比特的传输与接收比特的传输与接收 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 3 课程回顾课程回顾 4 4、MACMAC层的

2、功能层的功能 n将上一层交下来的数据封装成将上一层交下来的数据封装成“帧帧”进行发送，进行发送， 接收时进行相反的过程接收时进行相反的过程 n实现和维护实现和维护MACMAC协议协议 n比特差错检测比特差错检测 寻址寻址 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 4 课程回顾课程回顾 5 5、LLCLLC层的功能层的功能 n建立和释放数据链路层的逻辑连接建立和释放数据链路层的逻辑连接 n提供与高层的接口提供与高层的接口 n差错控制差错控制 n给帧加序号给帧加序号 n与媒体接入无关的部分都集中在逻辑链路控制与媒体接入无关的部分都集中在逻辑链路控制 LLCLLC子层。子层。 计算机学院计算机学院

3、 计算机网络计算机网络 5 课程回顾课程回顾 6 6、指示原语和请求原语、指示原语和请求原语 n指示原语是服务提供者向服务用户表示某种状指示原语是服务提供者向服务用户表示某种状 态服务。态服务。 n请求原语是服务用户向服务提供者请求指定的请求原语是服务用户向服务提供者请求指定的 服务。服务。 7 7、适配器的重要功能：、适配器的重要功能： n进行串行进行串行/ /并行转换。并行转换。 n对数据进行缓存。对数据进行缓存。 n在计算机的操作系统安装设备驱动程序。在计算机的操作系统安装设备驱动程序。 n实现以太网协议。实现以太网协议。 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 6 课程回顾课程回顾

4、 8 8、CSMA/CDCSMA/CD。 9 9、曼彻斯特编码。、曼彻斯特编码。 1010、电磁波在、电磁波在1km1km电缆的传播时延约为电缆的传播时延约为( )us( )us。 1111、以太网的争用期。争用期内可发送多少字节。、以太网的争用期。争用期内可发送多少字节。 1212、截断二进制指数退避算法。、截断二进制指数退避算法。 1313、帧间最小间隔。、帧间最小间隔。 1414、以太网规定：最短有效帧长为、以太网规定：最短有效帧长为6464字节，凡长度字节，凡长度 小于小于6464字节的帧都是由于冲突而异常中止的无字节的帧都是由于冲突而异常中止的无 效帧。效帧。 1515、局域网技术的

5、三要素、局域网技术的三要素 拓扑结构、传输介质、介质访问控制方法拓扑结构、传输介质、介质访问控制方法 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 7 课程回顾课程回顾 1616、介质访问控制方法要解决的三个问题、介质访问控制方法要解决的三个问题 n该哪个节点发送？该哪个节点发送？ n发送时会不会出现冲突？发送时会不会出现冲突？ n出现冲突怎么办？出现冲突怎么办？ 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 8 课程目标课程目标 掌握以下内容：掌握以下内容： 1、集线器的工作原理以及其工作在哪一层。、集线器的工作原理以及其工作在哪一层。 2、物理地址的名称、组成、作用。、物理地址的名称、组成、作

6、用。 3、发网本站的帧有三种，其作用分别是什么。、发网本站的帧有三种，其作用分别是什么。 4、MAC帧格式及各字段的作用。帧格式及各字段的作用。 了解并熟悉以下内容：了解并熟悉以下内容： 1、物理地址的管理机构。、物理地址的管理机构。 2、以太网的信道利用率。、以太网的信道利用率。 3、科来网络分析系统。、科来网络分析系统。 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 9 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 n传统以太网最初是使用粗同轴电缆，后来演进到传统以太网最初是使用粗同轴电缆，后来演进到 使用比较便宜的细同轴电缆，最后发

7、展为使用更使用比较便宜的细同轴电缆，最后发展为使用更 便宜和更灵活的双绞线。便宜和更灵活的双绞线。 n这种以太网采用星形拓扑，在星形的中心则增加这种以太网采用星形拓扑，在星形的中心则增加 了一种可靠性非常高的设备，叫做了一种可靠性非常高的设备，叫做集线器集线器(hub) (hub) 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 10 使用集线器的双绞线以太网使用集线器的双绞线以太网 集线器 双绞线 站点 RJ-45 连接器 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 11 三种以太网布线方案三种以太网布线方案 配线柜 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 12 星形网星形网 10BASE-

8、T n10BASE-T10BASE-T： 1010代表代表10Mbps10Mbps的数据率；的数据率； BASEBASE表示连接线上的信号是表示连接线上的信号是 基带信号；基带信号； T T代表双绞线代表双绞线 n不用电缆而使用无屏蔽双绞线。每个站需要用两不用电缆而使用无屏蔽双绞线。每个站需要用两 对铜线，分别用于发送和接收。对铜线，分别用于发送和接收。 n集线器使用了大规模集成电路芯片，因此这样的集线器使用了大规模集成电路芯片，因此这样的 硬件设备的可靠性已大大提高了。硬件设备的可靠性已大大提高了。 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 13 以太网在局域网中的统治地位以太网在局域网中

9、的统治地位 n10BASE-T 10BASE-T 的通信距离稍短，每个站到集线器的的通信距离稍短，每个站到集线器的 距离不超过距离不超过 100 m100 m。 n这种这种 10 Mb/s 10 Mb/s 速率的无屏蔽双绞线星形网的出速率的无屏蔽双绞线星形网的出 现，既降低了成本，又提高了可靠性。现，既降低了成本，又提高了可靠性。 n10BASE-T 10BASE-T 双绞线以太网的出现，是局域网发展双绞线以太网的出现，是局域网发展 史上的一个非常重要的里程碑，它为以太网在局史上的一个非常重要的里程碑，它为以太网在局 域网中的统治地位奠定了牢固的基础。域网中的统治地位奠定了牢固的基础。 计算机

10、学院计算机学院 计算机网络计算机网络 14 集线器的一些特点集线器的一些特点 n集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线的工作，集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线的工作， 因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行。因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行。 n使用集线器的以太网在使用集线器的以太网在逻辑上逻辑上仍是一个总线网，仍是一个总线网， 各工作站使用的还是各工作站使用的还是 CSMA/CD 协议，并共享逻协议，并共享逻 辑上的总线。辑上的总线。 n集线器很像一个多接口的转发器，集线器很像一个多接口的转发器，工作在物理层工作在物理层。 n集线器采用专门芯片进行自适应串音回波抵消。集线器采

11、用专门芯片进行自适应串音回波抵消。 对比特再生整形并重新定时。对比特再生整形并重新定时。 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 15 集线器的工作方式集线器的工作方式 在计算机网络中，以太网是非常典型的广播式在计算机网络中，以太网是非常典型的广播式 共享局域网，所以集线器的基本工作原理是广播共享局域网，所以集线器的基本工作原理是广播 （BroadcastBroadcast）技术。）技术。 在集线器传输过程中，无论从哪一个端口收到在集线器传输过程中，无论从哪一个端口收到 一个数据包时，都将此数据包广播到其他端口。一个数据包时，都将此数据包广播到其他端口。 集线器不具有寻址功能，所以它并不记

12、忆每个集线器不具有寻址功能，所以它并不记忆每个 端口所连接网卡的端口所连接网卡的MACMAC地址。地址。 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 16 集线器的工作方式集线器的工作方式 当集线器将数据包以广播方式发出时，连接在当集线器将数据包以广播方式发出时，连接在 集线器端口上的网卡将判断这个包是否是发送给自集线器端口上的网卡将判断这个包是否是发送给自 己的【判断的依据？】，如果是，则根据以太网数己的【判断的依据？】，如果是，则根据以太网数 据包所要求的功能执行相应的动作，如果不是则丢据包所要求的功能执行相应的动作，如果不是则丢 掉。掉。 集线器对数据包中的内容不进行处理，它只负集线器对

13、数据包中的内容不进行处理，它只负 责将从一个端口上收到的数据广播到所有其他端口。责将从一个端口上收到的数据广播到所有其他端口。 例如，邮递人员将信件送到收信人的手中，自例如，邮递人员将信件送到收信人的手中，自 己并没有权力看信中的内容。己并没有权力看信中的内容。 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 17 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 网卡 工作站 网卡 工作站 双绞线 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 18 3.4.2 以太网的信道利用率以太网的信道利用率 n以太网的信道被占用的情况：以太网的信道被占用的情况： n争用期长度为争用期长度为

14、 2 2 ，即端到端传播时延的两倍。，即端到端传播时延的两倍。 检测到碰撞后不发送干扰信号。检测到碰撞后不发送干扰信号。 n帧长为帧长为 L L (bit) (bit)，数据发送速率为，数据发送速率为 C C (b/s)(b/s)， 因而帧的发送时间为因而帧的发送时间为 L L/ /C C = = T T0 0 (s) (s)。 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 19 以太网的信道利用率以太网的信道利用率 n一个帧从开始发送，经可能发生的碰撞后，将再一个帧从开始发送，经可能发生的碰撞后，将再 重传数次，到发送成功且信道转为空闲（即再经重传数次，到发送成功且信道转为空闲（即再经 过时间

15、过时间 使得信道上无信号在传播）时为止，是使得信道上无信号在传播）时为止，是 发送一帧所需的平均时间。发送一帧所需的平均时间。 发 送 成 功 争用期 争用期 争用期 2 2 2 T0 t 占用期 发生碰撞 发送一帧所需的平均时间 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 20 参数参数 a n要提高以太网的信道利用率，就必须减小要提高以太网的信道利用率，就必须减小 与与 T T0 0 之比。在以太网中定义了参数之比。在以太网中定义了参数 a a，它是以太网单，它是以太网单 程端到端时延程端到端时延 与帧的发送时间与帧的发送时间 T T0 0 之比： 之比： 0 T a (3-2) a a0

16、 0 表示一发生碰撞就立即可以检测出来，并表示一发生碰撞就立即可以检测出来，并 立即停止发送，因而信道利用率很高。立即停止发送，因而信道利用率很高。 a a 越大，表明争用期所占的比例增大，每发生越大，表明争用期所占的比例增大，每发生 一次碰撞就浪费许多信道资源，使得信道利用率一次碰撞就浪费许多信道资源，使得信道利用率 明显降低。明显降低。 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 21 对以太网参数的要求对以太网参数的要求 n当数据率一定时，以太网的连线的长度受到限当数据率一定时，以太网的连线的长度受到限 制，否则制，否则 的数值会太大。的数值会太大。 n以太网的帧长不能太短，否则以太网的

17、帧长不能太短，否则 T0 的值会太小，的值会太小， 使使 a 值太大。值太大。 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 22 n在在理想化理想化的情况下，以太网上的各站发送数据都的情况下，以太网上的各站发送数据都 不会产生碰撞（这显然已经不是不会产生碰撞（这显然已经不是 CSMA/CDCSMA/CD，而是，而是 需要使用一种特殊的调度方法），即总线一旦空需要使用一种特殊的调度方法），即总线一旦空 闲就有某一个站立即发送数据。闲就有某一个站立即发送数据。 n发送一帧占用线路的时间是发送一帧占用线路的时间是 T T0 0 + + ，而帧本身的，而帧本身的 发送时间是发送时间是 T T0 0。于

18、是我们可计算出。于是我们可计算出理想情况下理想情况下 的极限信道利用率的极限信道利用率 S Smax max为： 为： 信道利用率的最大值信道利用率的最大值 Smax aT T S 1 1 0 0 max a S 44. 41 1 max n在在站点数较多站点数较多的情况下，的情况下， S Smax max为： 为： 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 23 3.4.3 以太网的以太网的 MAC 层层 1. MAC 层的硬件地址层的硬件地址 n在局域网中，在局域网中，硬件地址硬件地址又称为又称为物理地址物理地址，或，或 MAC MAC 地址地址。 n802802 标准所说的标准所说的“

19、地址地址”严格地讲应当是每一个严格地讲应当是每一个 站的站的“名字名字”或或标识符标识符。 n但鉴于大家都早已习惯了将这种但鉴于大家都早已习惯了将这种 48 48 位的位的“名字名字” 称为称为“地址地址”，所以本书也采用这种习惯用法，所以本书也采用这种习惯用法， 尽管这种说法并不太严格。尽管这种说法并不太严格。 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 24 48 位的位的 MAC 地址地址 nIEEE IEEE 的的注册管理机构注册管理机构 RA RA 负责向厂家分配地址负责向厂家分配地址 字段的前三个字节字段的前三个字节( (即高位即高位 24 24 位位) )。 n地址字段中的后三个

20、字节地址字段中的后三个字节( (即低位即低位 24 24 位位) )由厂家由厂家 自行指派，称为自行指派，称为扩展标识符扩展标识符，必须保证生产出的，必须保证生产出的 适配器没有重复地址。适配器没有重复地址。 n一个地址块可以生成一个地址块可以生成2 224 24个不同的地址。这种 个不同的地址。这种 48 48 位地址称为位地址称为 MAC-48MAC-48，它的通用名称是，它的通用名称是EUI-48EUI-48。 n“MACMAC地址地址”实际上就是适配器地址或适配器标实际上就是适配器地址或适配器标 识符识符EUI-48EUI-48。 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 25 关于

21、关于 MAC 地址地址 nIEEEIEEE规定地址字段的第一个字节的最低位为规定地址字段的第一个字节的最低位为I/GI/G 位。表示位。表示Individual/GroupIndividual/Group。 n当当I/GI/G位为位为0 0时，地址字段表示一个单个站地址。时，地址字段表示一个单个站地址。 n当当I/GI/G位为位为1 1时，表示组地址，用来表示多播。时，表示组地址，用来表示多播。 nIEEEIEEE规定地址字段的第一个字节的最低第二位规规定地址字段的第一个字节的最低第二位规 定为定为G/LG/L位，表示位，表示Global/LocalGlobal/Local。 n当当G/LG/

22、L位为位为1 1时是全球管理，厂商购买的属于全时是全球管理，厂商购买的属于全 球管理。球管理。 n当当G/LG/L位为位为0 0时是本地管理，这时用户可任意分时是本地管理，这时用户可任意分 配网络上的地址。配网络上的地址。 n采用采用2 2字节地址字段时全都是本地管理。以太网字节地址字段时全都是本地管理。以太网 几乎不使用这个几乎不使用这个G/LG/L位。位。 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 26 适配器检查适配器检查 MAC 地址地址 n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 MAC 帧就首先用硬帧就首先用硬 件检查件检查 MAC MAC 帧中的帧中的 MAC

23、MAC 地址。地址。 n如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他 的处理。的处理。 n否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。 n“发往本站的帧发往本站的帧”包括以下三种帧：包括以下三种帧： n单播单播(unicast)(unicast)帧（一对一）帧（一对一） n广播广播(broadcast)(broadcast)帧（一对全体）帧（一对全体） n多播多播(multicast)(multicast)帧（一对多）帧（一对多） 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 27 2. MAC 帧的格式帧的格式 n常用的以太网

24、常用的以太网MAC帧格式有两种标准帧格式有两种标准 ： nDIX Ethernet V2 标准标准 nIEEE 的的 802.3 标准标准 n最常用的最常用的 MAC 帧是帧是以太网以太网 V2 的格式的格式。 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 28 以太网 MAC 帧物理层 MAC层 10101010101010 10101010101010101011 前同步码 帧开始 定界符 7 字节1 字节 8 字节 插入 IP层 目的地址 源地址类型数 据FCS 6624 字节46 1500 IP 数据报 以太网的以太网的 MAC 帧格式帧格式 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络

25、29 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 以太网以太网 V2 的的 MAC 帧格式帧格式 目的地址字段 6 字节 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 30 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 以太网以太网 V2 的的 MAC 帧格式帧格式 源地址字段 6 字节 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 31 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 以太

26、网以太网 V2 的的 MAC 帧格式帧格式 类型字段 2 字节 类型字段用来标志上一层使用的是什么协议， 以便把收到的 MAC 帧的数据上交给上一层的这个协议。 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 32 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 以太网以太网 V2 的的 MAC 帧格式帧格式 数据字段 46 1500 字节 数据字段的正式名称是 MAC 客户数据字段 最小长度 64 字节 18 字节的首部和尾部 = 数据字段的最小长度 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 33 MAC 帧物理层 MAC 层

27、 IP 层 目的地址源地址类型数 据FCS 6624 字节46 1500 IP 数据报 以太网以太网 V2 的的 MAC 帧格式帧格式 FCS 字段 4 字节 当传输媒体的误码率为当传输媒体的误码率为 1 1 1010 8 8 时，时， MAC MAC 子层可使未检测到的差错小于子层可使未检测到的差错小于 1 1 1010 14 14。 。 当数据字段的长度小于当数据字段的长度小于 46 46 字节时，字节时， 应在数据字段的后面加入整数字节的填充字段，应在数据字段的后面加入整数字节的填充字段， 以保证以太网的以保证以太网的 MAC MAC 帧长不小于帧长不小于 64 64 字节。字节。 计算

28、机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 34 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 以太网以太网 V2 的的 MAC 帧格式帧格式 10101010101010 10101010101010101011 前同步码 帧开始 定界符 7 字节1 字节 8 字节 插入 在帧的前面插入的在帧的前面插入的 8 8 字节中的第一个字段共字节中的第一个字段共 7 7 个字节，个字节， 是前同步码，用来迅速实现是前同步码，用来迅速实现 MAC MAC 帧的比特同步。帧的比特同步。 第二个字段是帧开始定界符，表示后面的信息就是第二个字

29、段是帧开始定界符，表示后面的信息就是MAC MAC 帧。帧。 为了达到比特同步，在传输为了达到比特同步，在传输 媒体上实际传送的要比媒体上实际传送的要比 MAC MAC 帧还多帧还多 8 8 个字节个字节 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 35 n数据字段的长度与长度字段的值不一致；数据字段的长度与长度字段的值不一致； n帧的长度不是整数个字节；帧的长度不是整数个字节； n用收到的帧检验序列用收到的帧检验序列 FCS FCS 查出有差错；查出有差错； n数据字段的长度不在数据字段的长度不在 46461500 1500 字节之间。字节之间。 n对于检查出的无效对于检查出的无效 MAC

30、MAC 帧就简单地丢弃。以太帧就简单地丢弃。以太 网不负责重传丢弃的帧。网不负责重传丢弃的帧。 n有效的有效的 MAC MAC 帧长度为帧长度为 64641518 1518 字节之间。字节之间。 无效的无效的 MAC 帧帧 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 36 nIEEE802.3 IEEE802.3 规定的规定的 MAC MAC 帧的第三个字段是帧的第三个字段是“长度长度 / /类型类型”。当该字段值大于。当该字段值大于0 x06000 x0600时（相当于十进时（相当于十进 制的制的15361536），就表示），就表示“类型类型”。这样的帧和以太。这样的帧和以太 网网V2 MA

31、CV2 MAC帧完全一样。帧完全一样。 n当该值小于当该值小于0 x06000 x0600时才表示时才表示“长度长度”，即，即MACMAC的数的数 据部分的长度。据部分的长度。 n当当“长度长度/ /类型类型”字段值小于字段值小于0 x06000 x0600时，数据字段时，数据字段 必须装入上面的必须装入上面的LLCLLC子层的子层的LLCLLC帧。帧。 n由于现在广泛使用的局域网只有以太网，因此由于现在广泛使用的局域网只有以太网，因此LLCLLC 帧已经失去了原来的意义。帧已经失去了原来的意义。 两种两种MAC帧比较帧比较 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 37 思考思考 n计算机刚刚开机的时候计算机刚刚开机的时候，在，在IEIE浏览器的地址栏输浏览器的地址栏输 入入http:/ 出去的第一个数据包出去的第一