计算机网络第5章局域网技术与数据链路层协议

1、第第5章章 局域网技术与局域网技术与数据链路层协议数据链路层协议v 数据链路层协议主要功能数据链路层协议主要功能v 数据链路层协议主要类型数据链路层协议主要类型v 数据链路层差错控制技术数据链路层差错控制技术v 以太网以太网MAC层协议基本内容层协议基本内容5.1 数据链路层基本概念数据链路层基本概念5.1.1 链路与数据链路链路与数据链路v 链路：一条点到点的物理线路（中间没有任何其它交换结点）v 数据链路：物理线路/传输设备+规程（软硬件）。保证数据传输正确性v 通路由许多链路串接而成（链路是通路的组成部分）物理线路与数据链路的关系5.1.2 数据链路层主要功能数据链路层主要功能v 链路管

2、理链路管理：数据链路建立、维持和释放v 帧同步帧同步：准确区分数据帧开始和结束v 流量控制流量控制：避免链路拥塞，控制数据发送速率v 差错控制差错控制：接收方能够发现并纠正传输错误v 透明传输透明传输：保证所有数据比特组合，都应当能够在链路上传送v 寻址寻址：保证每帧都能送到正确的目的站5.1.3 向网络层提供的服务向网络层提供的服务v 介于物理层与网络层之间（第2层），其目的：将物理线路（存在传输差错）成为无差错数据链路（对网络层来说）v 实现链路管理、帧传输、流量控制、差错控制等功能。v 为网络层屏蔽物理传输介质、传输技术的差异性（异构互联）。v 为网络层提供服务：正确传输网络层分组数据；

3、屏蔽物理层传输技术的差异性5.2 差错产生差错产生、差错控制方法差错控制方法5.2.1 设计数据链路层的原因设计数据链路层的原因v 在物理通信线路上传输数据信号一定存在差错v 在原始、有差错物理线路上，采取差错检测、差错控制、流量控制等方法，将物理线路改造成无差错的数据链路（向网络层提供高质量服务）v 物理层以上各层都有改善数据传输质量责任，数据链路层差错控制最重要。5.2.2 差错产生原因差错产生原因、类型类型v 传输差错传输差错：数据经过通信信道，接收数据与发送数据不一致v 差错控制方法差错控制方法：查错、纠错v 噪声：噪声：热噪声、冲击噪声5.2.3 误码率定义误码率定义v 衡量数据传输

4、系统传输可靠性的参数（传输错误是正常，不可避免）v 误码率未必越低越好，需根据实际传输要求提出（误码率越低，传输系统越复杂，造价越高）。v 传输非二进制比特数据，需折合成二进制比特计算。v 差错出现具有随机性，只有被测二进制比特数越大，越接近真正误码率5.2.4 检错码检错码、纠错码纠错码检错检错码码：自动发现差错的编码纠错码纠错码：不仅能发现差错，且能自动纠正差错的编码。编码效率R：kkRnkr R越高，用来传送信息码元的有效利用率越高5.2.5 循环冗余码工作原理循环冗余码工作原理CRC（多项式循环冗余）（多项式循环冗余）检错的工作原理检错的工作原理发送方发送方：v 生成多项式f(x) x

5、k（k为多项式最高幂n值）v 将f(x)xk除以多项式G(x)，f(x) xk/G(x) = Q(x)+R(x)/G(x)（R(x)为余数多项式v 将f(x)xk+R(x)作为整体，发送到接收方接收方接收方：v 对多项式f(x)采用运算，f(x)xk/G(x) = Q(x)+ R(x)/G(x)，得余数多项式R(x)v 根据R(x)=R(x) ？，判断是否出现错误5.2.5 循环冗余码工作原理循环冗余码工作原理1CRC（多项式循环冗余）（多项式循环冗余）检错的工作原理检错的工作原理2CRC检错检错例子例子（1）发送数据位1010001（7bit）（2）生成多项式为10111（最高次幂n=4，k

6、=4）（3）将发送数据乘以24（左移4位），得到乘积：10100010000（4）将乘积用生成多项式去除（模2计算），求得余数：11012CRC检错检错例子例子（5）将余数比特流附加到发送数据尾部，得到： （6）若传输过程没有差错，接收方收到的数据比特流（带有CRC码）一定能被相同生成多项式整除。3CRC检错方法特点检错方法特点v 能检查出全部单个错。v 能检查出全部离散的二位错。v 能检查出全部奇数个错。v 能检查出全部长度小于或等于k位的突发错。v 能以1-(1/2)k-1的概率检查出长度为k+1位的突发错。5.2.6 海明码工作原理海明码工作原理v 检错、纠正差错编码（若信息位足够长，编

7、码效率很高）若信息位为：k=n-1位（an-1an-2a1），偶校验位a0，构成一个n位的码字an-1an-2a1a0。接收端校验时，按监督式计算校正因子若S=0，则无错；若S=1，则有错。5.2.6 海明码工作原理海明码工作原理v 码字 n(bit) = k+r，k: 信息位、r: 冗余位v 若用r个监督关系式产生r个校正因子，区分无错、码字中n个不同位置的位错，则要求 即： 以k=4为例，要满足上述不等式，则r3（取r=3，则n=k+r=7）表8-3 S2S1S0值与错码位置的对应S2S1S0000001010100011101110111错码位置无错a0a1a2a3a4a5a65.2.6

8、 海明码工作原理海明码工作原理表8-3 S2S1S0值与错码位置的对应S2S1S0000001010100011101110111错码位置无错a0a1a2a3a4a5a6发送端编码时，信息位a6、a5、a4、a3值取决于输入信号（随机）。冗余位a2、a1、a0值根据信息位取值决定（监督关系式计算）5.2.6 海明码工作原理海明码工作原理由信息位算得的海明码冗余位由信息位算得的海明码冗余位信 息 位冗 余 位信 息 位冗 余 位a6 a5 a4 a3a2 a1 a0a6 a5 a4 a3a2 a1 a000000001000111000101110011000010101101001000111

9、101011001010011011000010101101110101001100111110100011100011111115.2.6 海明码工作原理海明码工作原理5.2 差错产生与差错控制方法差错产生与差错控制方法5.2.7 差错控制机制差错控制机制（ARR纠错）纠错）v 自动反馈重发（ARR纠错）：收发双方在发现帧传输错误时，采用反馈/重发方法纠正错误。v 接收方通过检错码检查接收数据是否正确，发现传输错误就采用ARR纠错ARR的实现机制5.3 数据链路层的流量与拥塞控制数据链路层的流量与拥塞控制5.3.1 数据链路层协议模型数据链路层协议模型v 数据链路层需要有流量与拥塞控制，以保

10、证数据帧传输可靠性5.3.2 单帧停止等待协议单帧停止等待协议1单帧停止等待协议工作原理单帧停止等待协议工作原理v 发送方每次发送一帧后，需要等待确认帧返回，再发送下一帧v 发送方收到否认帧（数据帧错），重新发送出错的数据帧v 优点：协议简单、容易实现v 缺点：帧传输效率低下停止等待协议5.3.2 单帧停止等待协议单帧停止等待协议2单帧停止等待协议效率分析单帧停止等待协议效率分析 帧传输总延时tT ： tT = tp+tf+tpr+ta+tp+tpr = 2tp+2tpr+tf +ta tT tf+2tp 帧传输效率U： U=tf /( tf+2tp)假设 = 传播延时/发送延时（ tp /

11、tf） U=1/(1+2) 5.3.3 连续发送连续发送ARQ协议协议v 发送方连续向接收方发送数据帧，接收方对收到的数据帧进行校验后，向发送方返回相应的应答帧。5.3.4 滑动窗口协议滑动窗口协议1 滑动窗口的基本概念滑动窗口的基本概念v 发送方连续发送帧数量受接收方控制（根据接收缓冲区剩余空间来限制发送帧节奏），避免传输过程出现拥塞。v 滑动窗口：将已发送（但未被确认）的数据帧数目加以限制，达到流量控制目的。v 设置发送窗口Ws ：对发送方进行流量控制（Ws代表在还没有收到接收方确认信息的情况下发送方最多可以发送的数据帧数。v 特例： 当Ws=1，为单帧停止等待协议5.3.4 滑动窗口协议

12、滑动窗口协议2滑动窗口协议工作原理滑动窗口协议工作原理5.3.4 滑动窗口协议滑动窗口协议2滑动窗口协议工作原理滑动窗口协议工作原理工作原理5.3.4 滑动窗口协议滑动窗口协议3 发送序号与发送窗口最大值关系发送序号与发送窗口最大值关系假设Ws=8；发送方发送完0-7（8个）帧，因发送窗口填满，发送暂停；接收方对每个数据帧发送确认帧。v 第一种情况：第一种情况：所有确认帧都正确到达发送方，接着又发送8个新的数据帧，其编号也是0-7。v 第二种情况第二种情况：所有确认帧全部丢失，发送方要重发8个旧数据帧，其编号仍为0-7。问题：问题：接收方无法判定新旧数据帧（即Ws=8不行）。结论：结论：若接收

13、窗口Wr=1，则发送窗口的大小Ws2 n-1时，ARQ协议才能正确运行5.5 局域网参考模型与局域网参考模型与以太网工作原理以太网工作原理5.5.1 IEEE 802参考模型参考模型1 IEEE802参考模型的研究背景参考模型的研究背景v 1980年2月，IEEE成立局域网标准委员会（简称IEEE802委员会）v 研究重点：解决局部范围内计算机组网问题 5.5.1 IEEE 802参考模型参考模型2 IEEE802标准体系结构标准体系结构v 802.1标准：定义局域网体系结构、网络互联、网络管理与性能测试v 802.2标准：定义LLC子层功能与服务v 定义不同介质访问控制技术的相关标准IEEE

14、802标准标准v 802.3标准：定义CSMA/CD介质访问控制子层与物理层标准v 802.11标准：定义无线局域网访问控制子层与物理层标准。v 802.15标准：定义近距离无线个人网络访问控制子层与物理层标准v 802.16标准：定义宽带无线城域网访问控制子层与物理层标准。 5.5.1 IEEE 802参考模型参考模型2 IEEE802标准体系结构标准体系结构 IEEE802数据链路层标准局域网发展趋势：局域网发展趋势：v以太网占据绝对优势，成为组建局域网首选技术v局域网系统中，桌面采用10/100M以太网（FE），主干网采用千兆以太网（GE），核心交换采用10G万兆以太网（10GE）成为趋

15、势v10M以太网基本使用非屏蔽双绞线10BASE-T标准vIP协议直接使用以太网帧接口（LLC协议已经很少使用）vGE/10GE保留传统以太网结构（主干网采用光纤传输介质、点-点全双工通信方式），但非传统CSMA/CD随机争用方式vGE/10GE技术已经发展成熟，逐步扩大到城域网和广域网 5.5.2 以太网基本工作原理以太网基本工作原理1 以太网数据传输特点以太网数据传输特点载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）技术载波侦听：监听总线占用多路访问：平等访问总线冲突检测：冲突不可避免 CSMA/CD工作特点5.5.2 以太网基本工作原理以太网基本工作原理1 以太网数据传输特点以太网数据传输

16、特点 总线忙闲状态判断5.5.2 以太网基本工作原理以太网基本工作原理1 以太网数据传输特点以太网数据传输特点 冲突窗口概念5.5.2 以太网基本工作原理以太网基本工作原理1 以太网数据传输特点以太网数据传输特点冲突检测方法：冲突检测方法：比较法、编码违例判决法 5.5.2 以太网基本工作原理以太网基本工作原理2以太帧结构以太帧结构 前导前导符符/帧前定界符帧前定界符：由10101010比特流组成目的地址目的地址、源地址源地址：MAC地址（6字节）类型类型：网络层协议类型（0 x800表示IP协议；0 x8137表示IPX协议数据数据：46B1500B（帧头长度为18B）帧校验帧校验：32位C

17、RC校验（目的地址、源地址、类型、帧数据）CRC生成多项式生成多项式：G(X)=X32+X26+X23+X22+X16+X12+X11+X10+X8+X7+X5+X4+X2+X+15.5.2 以太网基本工作原理以太网基本工作原理 3. 以太网接收流程分析以太网接收流程分析 5.5.3 以太网卡与物理地址以太网卡与物理地址1. 以太网卡结构以太网卡结构 典型的以太网实现方法 以太网卡结构示意图5.5.3 以太网卡与物理地址以太网卡与物理地址2以太网物理地址以太网物理地址v 统一管理以太网物理地址（地址唯一，不会出现重复） 5.6 现代以太网技术现代以太网技术5.6.1 交换式局域网技术交换式局域

18、网技术1交换式局域网技术研究背景交换式局域网技术研究背景v 交换技术应用于高性能局域网技术v 传统共享介质局域网（所有结点共享一条传输介质）不可避免发生冲突（结点数量不断增加，网络负荷加重，网络效率急剧下降）v 克服网络规模与网络性能矛盾，将共享介质改为交换方式 5.6.1 交换式局域网技术交换式局域网技术2局域网交换机的工作原理局域网交换机的工作原理 局域网交换机结构与工作原理5.6.1 交换式局域网技术交换式局域网技术3 交换机的交换方式交换机的交换方式（1）直接交换方式l 交换机只接收数据帧头部，检测目的地址，立即转发（无论帧是否出错）l 帧出错检测由结点主机完成（延迟小，缺乏差错检测）

19、（2）存储转发交换方式l 交换机完整地接收数据帧，并检测差错。若帧正确，则根据帧目的地址确定输出端口，进行转发出l 具有帧差错检测能力，延迟大（3）改进的直接交换方式（二者结合） 5.6.1 交换式局域网技术交换式局域网技术4局域网交换机性能参数局域网交换机性能参数v 最大转发速率：两个端口之间每秒最多能转发的帧数量v 汇集转发速率：所有端口每秒可以转发的最多帧数量v 转发等待时间：交换机做出过滤或转发决策需要的时间（与交换机采用交换技术相关） 5.6.2 快速以太网快速以太网FE1 快速以太网的发展快速以太网的发展v 传输率比普通以太网块10倍（达到100Mbps）v 保留传统10Mbps速

20、率以太网基本特征（相同帧格式、最小帧长度、最大帧长度、介质访问控制方法、组网方法）v 将10M以太网每个比特发送时间有100ns降低到10ns。v IEEE802委员会定义：快速以太网标准802.3u 第第8章章 数据链路层协议与编程方数据链路层协议与编程方法法5.6.2 快速以太网快速以太网FE2快速以太网协议结构快速以太网协议结构 快速以太网的协议结构。5.6.2 快速以太网快速以太网FE3全双工与半双工工作模式全双工与半双工工作模式v 实现全双工工作，主机需要通过网卡的两个通道（两对双绞线/2根光纤）v 一对双绞线用于发送数据，而另一对双绞线用于接收数据（或者一根光纤用于发送数据，而另一

21、根光纤用于接收数据）v 点-点连接方式（不同于传统以太网连接）v 拓扑结构必须是星形结构 5.6.2 快速以太网快速以太网FE4. 10M/100M速率自动协商功能速率自动协商功能网卡共存下速率自动协商机制v 自动确定连接设备是半双工（10M模式），还是全双工（100M模式）v 向其他结点发布远端连接设备工作模式。v 向远端连接设备交换工作模式相关参数，协调和确定双方工作模式。v 自动选择共有的最高性能工作模式（500ms）。 5.6.3 千兆以太网千兆以太网1千兆以太网的发展千兆以太网的发展v 有更高带宽局域网需求（数据仓库、电视会议、三维图形、高清图像）v 企业网解决方案：桌面系统采用10

22、M以太网、部门级网络采用100M快速以太网、企业级网络采1000M千兆以太网v 随着GE技术的成熟，已经成为大中型局域网系统主干网首选方案。 2千兆以太网协议结构千兆以太网协议结构 1000BASE-T4个标准：个标准：1000BASE-T：5类非屏蔽双绞线（长度可达100m）1000BASE-CX：使用屏蔽双绞线（长度可达25m）1000BASE-LX：使用单模光纤（长度可达3000m）1000BASE-SX：使用多模光纤（长度可达300 550m）5.6.4 十千兆十千兆（万兆）（万兆）以太网以太网110GE主要特点主要特点v 帧格式与10/100/1000M以太网帧格式基本相同v 保留802.3标准最小帧长度、最大帧长度规定（便于升级）v 只使用光纤介质（不能使用双绞线），能在广域网与城域网范围内工作v 只工作在全双工方式（不存在争用问题），传输距离不受冲突检测限制210GE物理层协议物理层协议v 局域网物理层（LAN PHY）标准数据传输率10Gbps，一个10GE交换机支持10个Gbit以太网端口v 可选的广域网物理层（WAN PHY）标准符合光纤通道技术速率体系SONET/SDH的OC-192/STM-64标准 5.6.5 虚拟局域网技术虚拟局域网技术VLANv 一种网络服务（不是组网技术）v 交换式局域网技术是实现VLAN基础（用户与局域网资源一种逻辑组合