第五章 数据链路层和局域网

1、5: 链路层和局域网5-1Chapter 5Link Layer and LANsComputer Networking: A Top Down Approach Featuring the Internet, 3rd edition. Jim Kurose, Keith RossAddison-Wesley, July 2004. A note on the use of these ppt slides:Were making these slides freely available to all (faculty, students, readers). Theyre in Power

2、Point form so you can add, modify, and delete slides (including this one) and slide content to suit your needs. They obviously represent a lot of work on our part. In return for use, we only ask the following:q If you use these slides (e.g., in a class) in substantially unaltered form, that you ment

3、ion their source (after all, wed like people to use our book!)q If you post any slides in substantially unaltered form on a www site, that you note that they are adapted from (or perhaps identical to) our slides, and note our copyright of this material.Thanks and enjoy! JFK/KWRAll material copyright

4、 1996-2004J.F Kurose and K.W. Ross, All Rights Reserved5: 链路层和局域网5-2第第 5 章章: 数据链路层和局域网数据链路层和局域网目的目的: n 了解数据链路层服务及协议原理:l差错检测和纠错l共享广播信道：多址访问协议l链路层寻址l可靠传输，流量控制n 各种链路层技术的实现5: 链路层和局域网5-3第第 5 章章 大大 纲：纲：5.1 概述和服务概述和服务n5.2 差错检测和纠错技术差错检测和纠错技术 n5.3 多址访问协议和局域网多址访问协议和局域网n5.4 链路层编址和链路层编址和ARPn5.5 以太网以太网n5.6 集线器和交

5、换机集线器和交换机n5.7 PPP：点对点协议：点对点协议n *5.8 链路虚拟化：网络作为链路层链路虚拟化：网络作为链路层lATM lMPLS5: 链路层和局域网5-45.1 链路层：概述和服务常用术语:n 节点：主机和路由器(包括网桥和交换机)n 链路：沿着通信路径连接相邻节点的通信信道l有线链路l无线链路l局域网n 数据帧：链路层协议数据单元。封装网络层分组数据链路层的职责：将封装分组的数据链路层的职责：将封装分组的数据帧通过一个链路，从一个节点数据帧通过一个链路，从一个节点传输到邻近的另一个节点。传输到邻近的另一个节点。“link”5: 链路层和局域网5-5链路层的特点n 分组传输可以

6、经过不同的链路使用不同的协议实现:l 例如，最初的链路是以太网，然后是帧中继，最后的是802.11n 每个链路协议提供不同的服务l 例如，可以在链路上提供或不提供可靠的传输传输类比n从Princeton到Lausanne的旅途l租车： Princeton到JFKl飞机： JFK到Geneval大巴： Geneva到Lausannen旅客 = 数据包n运输段 = 通信链路n运输模式 = 链路层协议n旅行社 = 路由算法5: 链路层和局域网5-65.1.1 链路层服务n 成帧（及拆帧）：l 把数据报加上头和尾，封装成帧l 帧头中的用于标识目的节点和源节点的物理地址 不同于IP地址n 链路（信道）访

7、问：l 介质访问控制（Medium Access Control，MAC）协议l 点对点链路MAC协议比较简单l 多点共享介质（多址访问）的MAC协议比较复杂n 在邻接节点间的可靠传输l 我们已经在第三章学习了怎么做！l 在出错率很低的链路上很少用 (光纤，双绞线)l 无线链路：高出错率 问题：为何链路层和端到端的层都要提供可靠性服务?5: 链路层和局域网5-7n 流量控制：l 在邻接的发送节点和接收节点间的同步n 差错检测:l 差错由信号衰减和噪声引起l 接收方检测错误：如果发现差错 通知发送方重传帧或丢帧n 差错纠正：l 接收方检测和纠正错误，不需发送方重传n 半双工和全双工l 半双工，一

8、个节点不能同时发送和接收l 全双工，节点可以同时发送和接收5.1.1 链路层服务（续）5: 链路层和局域网5-85.1.2 适配器通信n 链路层在 “适配器” (网卡)中实现 l Ethernet卡，PCMCIA卡， 802.11卡n 发送方：l 封装分组成帧l 增加检错位、可靠传输、流量控制等n 接收方l 检测差错、可靠交付、流量控制等l 从帧提取分组，传给接收节点n 适配器是半自治的n 链路层 & 物理层发送节点帧接收节点数据报帧适配器适配器链路层协议5: 链路层和局域网5-9第第 5 章章 大大 纲：纲：n5.1 引言和服务引言和服务5.2 差错检测和纠错技术 n 5.3 多址访

9、问协议和局域网n 5.4 链路层编址和ARPn 5.5 以太网n 5.6 集线器和交换机n 5.7 PPP：点对点协议n *5.8 链路虚拟化：网络作为链路层nATM nMPLS5: 链路层和局域网5-10错误检测EDC= Error Detection and Correction bits (冗余)D = 被EDC保护的数据，包括头部字段n 错误检测不是100%可靠！l 协议有可能漏掉一些错误，但很少l 大的EDC域能提供更好的检错和纠错能力5: 链路层和局域网5-115.2.1 奇偶校验奇偶校验单个奇偶位:检测单个位的错误检测单个位的错误二维偶校验:检测和纠正单个位的错误检测和纠正单个位

10、的错误,检测任意组合的两个错误检测任意组合的两个错误00一比特偶校验一比特偶校验事实上，发生未检测到事实上，发生未检测到错误的概率为错误的概率为50%-有必要深入研究有必要深入研究5: 链路层和局域网5-125.2.2 Internet校验和发送方:n把报文段内容看成16-bit的整数序列n校验和：把报文段的16比特整数求和,再求1的补码n发送方把校验和放入UDP的校验和域接收方：n 计算接收字段的校验和n 检测计算的校验和与校验和域的值是否相等：lNO 检测到错误lYES 没有检测到错误。但可能有错.目标: 检测被传输报文段中的 “错误” (注意:仅用于传输层)5: 链路层和局域网5-135

11、.2.3 循环冗余校验CRC(Cyclic Redundancy Check)n 把数据D，看成d位二进制数n 发送方与接收方商定一个r+1位模式 (生成多项式), G n 目标: 选择r位循环冗余位, R, 将它们添加到D后面l 的d+r位二进制数使用模2运算能被r+1位的二进制数 G整除l 接收方用G去除接收到的的d+r位二进制数，如果余数非零：错误发生l 能检测到少于r+1位的各种猝发错误n 被广泛使用 (ATM, HDLC)5: 链路层和局域网5-14CRC例子想找到一个R，对于n有:D.2r XOR R = nG两边都异或R:D.2r = nG XOR R 如果用G来除 D .2r

12、，余数等于R : R = remainder D.2rGP285例子，D=101110, G=1001，求R ?5: 链路层和局域网5-15n国际标准已经定义了8-、16-、32-位生成多项式G；8-位CRC用于ATM头部5字节的保护；32-CRC用于大量链路层IEEE协议。n每个CRC标准能够检测少于r+1位的猝发错误和任意的奇数个比特错误n其他检错和纠错方法不常用，故不作专门介绍n校验和通常应用于传输层，要求简单快速的软件实现方式，而CRC通常应用于链路层，可以适配器硬件实现复杂的算法。5: 链路层和局域网5-16第第 5 章章 大大 纲：纲：n5.1 引言和服务引言和服务n5.2 差错检

13、测和纠错技术差错检测和纠错技术5.3 多址访问协议和局域网n 5.4 链路层编址和ARPn 5.5 以太网n 5.6 集线器和交换机n 5.7 PPP：点对点协议n *5.8 链路虚拟化：网络作为链路层lATM lMPLS5: 链路层和局域网5-17两种类型的 “链路”n 点对点lPPP （用于拨号访问）或HDLCl在以太网交换机和主机间的点到点链路n 广播(有线或无线共享)l传统以太网l802.11无线局域网5: 链路层和局域网5-18多址访问链路（信道）与协议n 单个共享广播链路（信道）n 两个或多个节点同时传输：冲突（碰撞）l冲突（碰撞）：一个节点同时接收两个或多个信号时发生冲突l在某个

14、时刻只有一个节点可以发送成功信息多址访问协议n 分布式算法决定各节点如何共享链路（信道），即决定节点什么时候可以传送数据n 共享链路（信道）既要负责进行数据传输，又要负责分布式算法的控制信息的传输l没有带外信道传输控制信息5: 链路层和局域网5-19理想的多址访问协议速率为R bps的广播信道1. 当一个节点有数据发送时，它能以R bps的速率发送.2. 当有M个节点要发送数据，每个节点的平均发送速率为 R/M3. 完全分散:l不需要主节点协调传输l不需要时钟、时隙同步4. 简单5: 链路层和局域网5-20MAC 协议协议:分类分类3大类:n 链路（信道）划分协议l把信道划分为小“片” (时隙

15、，频分，码分)l给节点分配专用的小“片”n 随机访问协议l不划分信道，允许冲突l能从冲突中“恢复”n 轮流协议l通过轮流访问信道避免冲突，要发送的节点越多轮流时间越长5: 链路层和局域网5-215.3.1 信道划分协议时分多路访问: TDMATDMA: time division multiple access n 巡回访问信道n 在每个循环（帧时）中，每个节点得到固定长度的时隙l时隙长度通常为数据服务单元的发送时间n 未被使用的时隙空闲n 例子：6个站点的局域网， 1,3,4 被使用，2,5,6空闲 5: 链路层和局域网5-225.3.1 信道划分协议频分多路访问: FDMAFDMA: fr

16、equency division multiple access n链路（信道）频谱被分成不同频段n每个站点分配一个固定的频段n未被使用的频段空闲n例子：6个站点的局域网， 1,3,4 被使用，2,5,6空闲frequency bandstime5: 链路层和局域网5-235.3.1 信道划分协议码分多路访问 (CDMA)CDMA (Code Division Multiple Access) n每个节点分配一个唯一的编码n每个节点用它唯一的编码来对它发送的数据进行编码n允许多个节点“共存” ，信号可叠加，即可以同时传输数据而无冲突 (如果编码 是“正交化”的)5: 链路层和局域网5-245.

17、3.2 随机访问协议n 节点有数据包（帧）发送l以信道满数据率R传送l节点间没有协调者n 2个或更多的发送节点 - “冲突collision”,n 随机访问MAC协议要求: l怎样检测冲突l怎样从冲突中恢复 (例如：通过延时重传)n 随机访问MAC协议实例：lALOHAl时隙ALOHAlCSMA, CSMA/CD, CSMA/CA5: 链路层和局域网5-251. 时隙ALOHA协议原理：协议原理：n所有帧大小相同n时间被划分为相同大小的时隙，1个时隙=传送1帧的时间n节点只能在一个时隙的开始才能传送帧n节点需要时钟同步n如果一个时隙有多个节点同时传送，所有节点都能检测到冲突n没有冲突，节点可以

18、在下一时隙发送新帧n如果有冲突，节点在随后的时隙以概率p重传该帧，直到成功为止。5: 链路层和局域网5-261. 时隙ALOHA（续）优点n单个活跃节点可以持续以满速率传送帧n具有高分散性，独立检测冲突和重传n简单缺点n冲突，浪费时隙n空闲时隙n节点只有在发送数据包时可能检测到冲突n需要节点时钟同步5: 链路层和局域网5-27时隙Aloha效率n假设有N个节点，每个节点在时隙以概率p发送n一个节点在一个时隙成功传送的概率 = p(1-p)N-1n任一节点传送成功的概率 = Np(1-p)N-1 n为了得到N个活跃节点的最大效率，必须找出使表达式Np(1-p)N-1 取最大值的p*n为了得到大量

19、活跃节点的最大效率， 我们求N趋近无穷时Np*(1-p*)N-1 极限值，计算可知最大效率为1/e =0 .37效率效率 ：当有很多节点，每个节点有很多帧要发送时，成功时隙所占的百分比最佳: 信道有 37%的有效传输5: 链路层和局域网5-282. 纯 (非时隙) ALOHAn 非时隙Aloha: 简单，不需同步n 帧一到达l 立即传输n 冲突概率增加:l在t0发送的帧和在 t0-1,t0+1的发送的其它帧冲突5: 链路层和局域网5-29纯Aloha效率P(给定节点成功传送) = P(节点传送) . P(没有其他节点在t0-1,t0内传送) . P(没有其他节点在t0,t0 +1内传送) =

20、p . (1-p)N-1 . (1-p)N-1 = p . (1-p)2(N-1) 选择p值，然后求N-无穷时的极限. = 1/(2e) = 0.18 worse !5: 链路层和局域网5-303.载波侦听多址访问CSMA (Carrier Sense Multiple Access)CSMA: 传送前侦听:n如果信道闲：传送整个帧n如果信道忙：延迟传送n类比人类行为：不打断他人！5: 链路层和局域网5-31CSMA冲突冲突还是可能发生:传播延迟可能导致两个节点没侦听到其它节点的传送冲突:整个数据包传送时间被浪费节点的空间分布 注意:距离和传播延时决定冲突概率5: 链路层和局域网5-32CSM

21、A/CD (冲突检测)CSMA/CD:l在一个短时间内检测冲突l放弃冲突传送，减少带宽浪费n 冲突检测: l在有线LANs中容易：测量信号强度，比较传送和接收信号l在无线LANs中困难: 传输中接收方可能关闭n 人类行为：有礼貌的会谈5: 链路层和局域网5-33CSMA/CD collision detection5: 链路层和局域网5-34CSMA/CD协议基本思想：p当一个节点要发送数据时，首先监听信道，看是否有载波。p如果信道空闲，则发送数据。p如果信道忙，则继续对信道进行监听（1持续CSMA）。一旦发现空闲，便立即发送。p如果在发送过程中检测到碰撞，则停止自己的正常发送，转而发送一短暂

22、的干扰信号jam，强化冲突，使其它站点都能知道出现了冲突。p发送了干扰信号后，退避一随机时间，重新尝试发送。5: 链路层和局域网5-35CSMA/CD协议讨论我有数据要发送监听5: 链路层和局域网5-36CSMA/CD协议讨论我有数据要发送监听网上有载波，等待5: 链路层和局域网5-37CSMA/CD协议讨论我有数据要发送监听发生冲突，立即回退冲突了！我也有数据要发送5: 链路层和局域网5-385.3.3 轮流协议分割信道MAC协议l高负载效率高：该情况下信道共享公平高效l低负载效率低：延迟访问，如果只有一个活跃节点只分配了 1/N的带宽随机访问MAC协议l低负载效率高：单个节点可以获得整个信

23、道l高负载效率低：冲突开销大轮流协议两者的折中!5: 链路层和局域网5-39轮流协议轮询协议: n 主节点轮流 “邀请”从属节点传送数据n 关注：l轮询开销 l延迟l主节点失效，整个网络失效令牌传递协议：n 控制令牌令牌从一个节点顺序传到下一个节点n 令牌消息n 关注：l令牌开销l延时l令牌失效，整个网络失效 5: 链路层和局域网5-40MAC协议总结n 共享介质l信道分割：时间，频率，代码 时分，码分，频分l随机分割 (动态) ALOHA, S-ALOHA, CSMA, CSMA/CD 载波侦听：有线网络容易实现，无线网络困难 CSMA/CD用于以太网 CSMA/CA用于无线网络l轮转 中心

24、节点轮询，令牌传递5: 链路层和局域网5-415.3.3 局域网n多址访问协议广泛应用于局域网n基于随机访问的CSMA/CD广泛应用于局域网n基于令牌传递技术的令牌环和FDDI在局域网技术中变得次要n链路层技术的发展，局域网、城域网、广域网的概念变得越来越模糊和不重要5: 链路层和局域网5-42第第 5 章章 大大 纲：纲：n5.1 引言和服务引言和服务n5.2 差错检测和纠错技术差错检测和纠错技术n5.3 多址访问协议和局域网多址访问协议和局域网5.4 链路层编址和链路层编址和ARPn 5.5 以太网以太网n 5.6 集线器和交换机集线器和交换机n 5.7 PPP：点对点协议：点对点协议n

25、*5.8 链路虚拟化：网络作为链路层链路虚拟化：网络作为链路层lATM lMPLS5: 链路层和局域网5-435.4.1 MAC地址32位IP地址n网络层地址n用于把分组送到目的IP网络 (回忆IP网络定义)MAC(或LAN 或物理或Ethernet) 地址: n链路层地址n用于把数据帧从一个接口传送到另一个接口 (同一网络中)n48位MAC地址(大多数LANs) 固化在适配器的ROM5: 链路层和局域网5-44在局域网中的每一个适配器都有一个唯一的LAN地址广播地址 =FF-FF-FF-FF-FF-FF= 适配器（网卡）1A-2F-BB-76-09-AD58-23-D7-FA-20-B00C

26、-C4-11-6F-E3-9871-65-F7-2B-08-53 LAN(wired orwireless)局域网MAC地址5: 链路层和局域网5-45局域网MAC地址nMAC地址由IEEE统一分配n厂商购买一块MAC地址空间 (要保证唯一性)n比较: (a) MAC地址: 好像身份证号码 (b) IP地址: 好像邮政地址n MAC平面地址 = 可移动l能从一个LAN移动到另一个LANn IP层次地址l 依赖节点所依附的IP网络应用层的主机名，网络层IP地址，链路层MAC地址。有利于保持各层独立的原则。5: 链路层和局域网5-46n每个在局域网上的IP节点 (Host, Router)都有AR

27、P 表nARP表: 局域网上一些节点的IP/MAC地址映射 l TTL (Time To Live): 映射地址的失效时间 (典型为20分钟)问题：知道B的IP地址怎么知道它的MAC地址1A-2F-BB-76-09-AD58-23-D7-FA-20-B00C-C4-11-6F-E3-9871-65-F7-2B-08-53 LAN38485.4.2 地址解析协议 ARP5: 链路层和局域网5-47n A想发送分组给 B，A知道 B的IP地址n 假设B的MAC地址不在A的ARP表中n A广播包含B的IP地址的A

28、RP查询包 l目的MAC地址= FF-FF-FF-FF-FF-FFl在局域网上的所有机器都能收到ARP查询n B收到 ARP包，单播响应A一个带有B的MAC地址的包l 发送给A 关于B的MAC地址帧是一个单播帧n A缓存IP-to-MAC地址对在 ARP表中，直到信息过期 (timeout)l 软件规定: 如果ARP表的信息在一定时间内没有刷新，则信息将过期。n ARP是即插即用的:l 无需网络管理员干预，节点就能创建ARP表1. 地址解析协议 ARP5: 链路层和局域网5-48回忆前面的路由讨论223.

29、1.2.27ABEA把IP分组发送给 B:n查找B的网络地址，发现B和A在同一网络中n链路层发送分组给B，该分组包含在链路层帧中Bs MACaddrAs MACaddrAs IPaddrBs IPaddrIP payloaddatagramframeframe dest, source addressdatagram source, dest address5: 链路层和局域网5-492. 路由到其他局域网A通过R向B发送分组 假设A知道B的IP地址n在路由器R中有两个ARP表，每个针对一个IP网络 (LAN)rIn ro

30、uting table at source Host, find router 10rIn ARP table at source, find MAC address E6-E9-00-17-BB-4B, etcARB5: 链路层和局域网5-50lA创建一个分组，源地址为A，目的地址为BlA使用ARP得到R的10的MAC地址lA创建一个链路层帧，该帧以R的MAC地址为目的地址，并包含 A-to-B的IP数据包lA的适配器发送帧lR的适配器收到帧lR从Ethernet帧中提取IP数据包，得知目的地址为BlR使用 ARP得到B的MAC地址lR创建

31、一个包含A-to-B的IP数据包的帧发送给BARB5: 链路层和局域网5-515.4.3 DHCP: 动态主机配置协议动态主机配置协议目标目标: 允许主机在加入网络时从网络服务器动态得到IP地址 能够在使用时续借地址租用 允许重用地址 (只是连接时拥有地址） 支持准备加入网络的移动用户 (更简单)DHCP 概述:l主机发现DHCP服务器：广播 “DHCP discover” 报文lDHCP服务器用 “DHCP offer” 报文广播响应l主机请求IP地址:广播“DHCP request” 报文lDHCP 服务器发送地址: 广播“DHCP ack” 报文5: 链路层和局域网5-52DHCP 客户

32、服务器协议客户服务器协议 7ABEDHCP 服务器服务器 刚到达的刚到达的 DHCP 客户机客户机需要这个需要这个网络的地址网络的地址7ABEDHCP 服务器服务器 刚到达的刚到达的 DHCP 客户机客户机需要这个需要这个网络的地址网络的地

33、址5: 链路层和局域网5-53DHCP客户服务器协议客户服务器协议DHCP 服务器服务器: 来到的客户来到的客户timeDHCP discoversrc : , 68 dest.: 55,67yiaddr: transaction ID: 654DHCP offersrc: , 67 dest: 55, 68yiaddrr: transaction ID: 654Lifetime: 3600 secsDHCP requestsrc: 0.0.0

34、.0, 68 dest: 55, 67yiaddrr: transaction ID: 655Lifetime: 3600 secsDHCP ACKsrc: , 67 dest: 55, 68yiaddrr: transaction ID: 655Lifetime: 3600 secs5: 链路层和局域网5-54第第 5 章章 大大 纲：纲：n5.1 引言和服务引言和服务n5.2 差错检测和纠错技术差错检测和纠错技术n5.3 多址访问协议和局域网多址访问协议和局域网n5.4 链路层编址和链

35、路层编址和ARP5.5 以太网以太网n 5.6 集线器和交换机集线器和交换机n 5.7 PPP：点对点协议：点对点协议n *5.8 链路虚拟化：网络作为链路层链路虚拟化：网络作为链路层lATM lMPLS5: 链路层和局域网5-55Ethernet：IEEE 802.3 当今主流的 LAN技术n价格便宜! 例如20元/100M网卡n第一个广泛使用的LAN技术n比令牌（环和总线）网络和ATM网络技术简单、便宜n其速度可达: 10，100，1000 Mbps，10Gbps 1970s，MIT的Metcalfe博士论文首次提出并发明该技术，应用到1990s中期，特别是10base-2/5，后来不断发

36、展演化为今天10/100/1G/10Gbase-TMetcalfe的以太网草图5: 链路层和局域网5-56星型拓扑n90年代中期流行总线拓扑结构n后期星型拓扑结构盛行n连接设备使用: 以太网集线器hub或交换机switchhub orswitch5: 链路层和局域网5-575.5.1 Ethernet帧结构将IP分组(或其它网络层协议包)封装在 Ethernet帧中n Preamble: 前同步码，8个字节l前7个字节为 10101010，最后一个为 10101011l用于发送和接收方的时钟同步n Addresses: MAC地址，6个字节l如果适配器收到的帧的目的地址与之匹配或者是一个广播地

37、址（ARP查询帧），就把帧中的数据交付网络层l否则，抛弃该帧5: 链路层和局域网5-58n Type: 类型，2个字节，l指明可以支持的高层协议，主要是IP协议，也可以是其他协议如：Novell IPX和 AppleTalkn CRC:循环冗余校验(帧校验序列)，4个字节。l接收方检测，如果有错，丢弃该帧5.5.1 Ethernet帧结构 (续)5: 链路层和局域网5-59不可靠的无连接服务n 无连接：发送方直接向接收方适配器发送数据帧，不需要“握手” 。n 不可靠： 接收适配器不向发送适配器发送确认帧l数据传输出现错误由上层协议处理l通常是由传输层和应用层协议实现可靠传输5: 链路层和局域网

38、5-605.5.2 CSMA/CD:以太网的多址访问协议CSMA/CD的机制回顾：n任何时刻开始传输，非时隙n适配器检测到有其它适配器发送的时候，就不会发送帧，即它采用了载波侦听机制n在发送过程中，适配器检测到有其他适配器发送，它将中止发送，即它采用了冲突检测机制n在试图重传之前，适配器会等待一个随机时间,这个时间一般比传输一帧的时间要短，即随机回退重传5: 链路层和局域网5-61Ethernet的CSMA/CD算法1. 适配器从网络层得到分组，创建帧2. 如果适配器侦听到信道空闲，开始发送帧。如果信道忙， 它会等到信道空闲才发送帧3. 如果适配器传送整个帧都没有检测到其他适配器发送，就完成该

39、帧的发送4.如果适配器在发送中检测到其它传送，就放弃发送，并发送一个拥塞信号5. 放弃发送后，适配器进入指数回退阶段，即该帧经过n次冲突后，适配器在0,1,2,2m-1中随机选取一个K值，其中m=min(n,10)，然后等待K*512比特时间后，回到第2步5: 链路层和局域网5-62Ethernet的CSMA/CD算法 (续)指数回退：n目标：适配器依据当前负载情况重传l 重负载：等待时间可能变长n 第一次冲突： 在0,1中选k值；延迟Kx512比特时间传送n 第二次冲突：在0,1,2,3中选k值n 10次以后，在 0,1,2,3,4,1023中选k值。拥塞信号：48比特，确保所有传送者知道冲

40、突发生比特时间：对于10 Mbps Ethernet 为0.1微秒/1比特， 当K=1023，等待时间大约50毫秒。算法进一步说明：算法进一步说明：5: 链路层和局域网5-63CSMA/CD 效率ntprop = 在LAN中任两个节点间传播所用最大时间nttrans = 发送一个最大帧所用时间n当tprop接近0时，效率接近于1n当ttrans趋于无穷时，效率接近于1transproptt/511efficiency5: 链路层和局域网5-645.5.3 以太网技术: 10Base-T/F 和 100Base-T/Fn 10M以太网：IEEE802.3；100M以太网：IEEE802.3un

41、IEEE802.3：10base-T/F/2/5； IEEE802.3u：100Base-T/Fn 10Base-T和100Base-T分别为10和100Mbps速率lT 表示双绞线l各节点连接到hub/Switch上，星型拓扑结构l在适配器与hub/Switch间最大距离为100米。n 10Base-F和100Base-F分别为10和100Mbps速率lF 表示光纤l适配器与hub/Switch间最大距离最大可达500米-300公里，主要用于局域网间的主干路由器或交换机的互联l最大传输距离因单模/多模光纤及交换机光纤模块的不同而不同。5: 链路层和局域网5-65Manchester编码n 这

42、是用于10Base-T/F/2/5物理层信号编码技术!n每个位都有一个跳变n发送方和接收方可以彼此进行时钟同步l不需要一个中央或全局时钟节点n 100Base-T/F使用4B/5B物理层编码技术5: 链路层和局域网5-66Gbit Ethernet：IEEE 802.3z和802.3ab 光纤 双绞线n使用标准的Ethernet帧格式，确保兼容n8B/10B编码技术n传输介质-光纤和双绞线n允许点到点链路和共享广播链路n点到点链路使用交换机（目前普遍使用）n共享链路使用CSMA/CD技术；必须限制节点间的最大距离，以确保效率。使用的集线器，被称为“缓存分配器” （目前基本不使用）n现在已经有1

43、0Gbps以太网-IEEE802.3ae !n传输介质-光纤n8B/10B和64B/66B编码技术5: 链路层和局域网5-67第第 5 章章 大大 纲：纲：n5.1 引言和服务引言和服务n5.2 差错检测和纠错技术差错检测和纠错技术n5.3 多址访问协议和局域网多址访问协议和局域网n5.4 链路层编址和链路层编址和ARPn5.5 以太网以太网5.6 集线器和交换机集线器和交换机n 5.7 PPP：点对点协议：点对点协议n *5.8 链路虚拟化：网络作为链路层链路虚拟化：网络作为链路层lATM lMPLS5: 链路层和局域网5-68互连局域网网段的网络设备互连局域网网段的网络设备n 中继器: （

44、物理层）n 转换器：信号转换的中继器l 如光电转换, 10base-2转换到10BaseTn 集线器: （物理层）l集线器是中继器的一种形式，也称为多端口中继器。n 交换机: （链路层）l交换机是网桥的一种形式，也称为多端口网桥。5.6 集线器与交换机5: 链路层和局域网5-69工作原理：工作原理：放大、再生二进制位信号的功能 广播 共享 把从端口接收到的所有二进制位信号，无选择的进行放大再生，并把放大后的信号，通过广播的方式向其他所有端口分发出去。 5.6.1 集线器集线器(Hub)HUBABCD5: 链路层和局域网5-705.6.1 集线器集线器(Hub)功能特性：功能特性：n 连接局域网

45、内各网段n 扩展各节点间的最大距离n 但是把各网段的冲突域汇集成一个大的冲突域l 如果1个CS域的节点和1个EE域的节点同时通信：冲突n 透明性l 主机不关心集线器的存在n 即插即用（不需要被配置）n 支持网管5: 链路层和局域网5-715.6.2 Ethernet交换机n 本质上是多口网桥n 链路层设备l存储和转发以太网帧l检查帧头,并根据目的MAC地址有选择的转发帧l当MAC帧被转发到某一共享网段时,需要使用CSMA/CD访问该网段n 冲突隔离：隔离各个网段或冲突域n 透明性l主机不关心交换机的存在n 即插即用,自学习l交换机不需要被配置n 支持网管5: 链路层和局域网5-72交换机转发原

46、理n 交换机怎么确定将接收到的帧转发到哪一个网段呢? - 这听起来象是一个路由问题.hubhubhubswitch1235: 链路层和局域网5-731. 自学习n 交换机有一个交换表n 交换表的表项: l(MAC地址，接口，时间)l交换表中过期的表项将被删除 (TTL 可以是60分钟) n 交换机学习哪一个主机属于哪一个接口l当接收每个数据帧时，交换机获取该帧的源MAC地址，学习发送者的位置（接口）l在交换表中记录发送者/位置（接口）对应关系5: 链路层和局域网5-742. 转发（过滤转发广播）（过滤转发广播）当交换机接收一数据帧时:根据接收帧的目的MAC地址匹配交换表if 目的MAC地址的表

47、项被发现then if 如果MAC目的地址与源地址MAC在同一网段（接口） then 丢弃该帧（过滤）（过滤） else 转发该帧到指定的接口（转发）（转发） else 广播（广播）（广播） 向所有(除接收帧所在的接口外)其它接口转发5: 链路层和局域网5-75交换机举例假设C发送数据帧到Dn 交换机接收来自C的数据帧l 源地址自学习，注意在交换表中C在交换机的接口1上l 转发，因为D不在交换表中,交换机将转发数据帧到接口2和3n 数据帧被D接收 hubhubhubswitchABCDEFGHIinterfaceABEGC11231123address5: 链路层和局域网5-76交换机举例假设

48、D回复数据帧给C. n 交换机接收来自D的数据帧l 源地址自学习，注意在交换表中D在交换机的接口2上l 转发，因为C在交换表中,所以交换机只向接口1转发数据帧n 数据帧被C接收hubhubhubswitchABCDEFGHIaddressinterfaceABEGCD1123125: 链路层和局域网5-77冲突隔离: 帧转发而非信号再生放大原理决定该特性n 交换机将一个子网划分成若干个LAN网段n 交换机过滤数据帧: l同一LAN网段的数据帧传输不被转发到其它LAN网段l每个LAN网段变成一个独立的冲突域hubhubhubswitchcollision domaincollision doma

49、incollision domain5: 链路层和局域网5-78交换机: 交换到桌面n交换机具有大量接口n主机可以直接连接到交换机n构成多个点对点链路，没有冲突; 全双工模式运行交换: A-到-A 和 B-到-B 同时 交换, 没有冲突5: 链路层和局域网5-79直通交换一种没有太大实效，赚取眼球的交换技术。n 原理:帧从输入端口转发到输出端口，不必等待整个帧的装配l轻微减少延时，只是在缓冲队列空闲时发生作用l不能真正有效提高转发效率5: 链路层和局域网5-80Institutional networkhubhubhubswitchto externalnetworkrouterIP subn

50、etmail serverweb server5: 链路层和局域网5-81交换机 vs. 路由器n 都是存储转发设备l路由器:网络层设备,目的 IP 地址匹配路由表,转发数据报l交换机:链路层设备,目的MAC地址匹配交换表,转发数据帧l路由器由路由算法维护路由表l交换机由自学习算法维护交换表l路由器可以隔离广播信息l交换机不能隔离广播信息（交换机对某些帧广播）switchswitch5: 链路层和局域网5-82综合比较流量隔离流量隔离即插即用即插即用优化路由优化路由直通交换直通交换5: 链路层和局域网5-83第第 5 章章 大大 纲：纲：n5.1 引言和服务引言和服务n5.2 差错检测和纠错技

51、术差错检测和纠错技术n5.3 多址访问协议和局域网多址访问协议和局域网n5.4 链路层编址和链路层编址和ARPn5.5 以太网以太网n5.6 集线器和交换机集线器和交换机5.7 PPP：点对点协议：点对点协议n *5.8 链路虚拟化：网络作为链路层链路虚拟化：网络作为链路层lATM lMPLS5: 链路层和局域网5-84点到点数据链路控制n 一个发送者,一个接收者,一条链路: 较广播链路简单l没有媒体访问控制l不需MAC寻址l例如：拨号电话线,SONET/SDH链路,X.25连接, ISDN 线路,ADSL线路n 流行的点到点DLC（数据链路控制）协议:lPPP (point-to-point

52、 protocol)lHDLC: High level data link control5: 链路层和局域网5-85PPP设计需求 RFC 1557n 分组成帧: 把网络层分组封装到数据链路层帧中l可以同时承载任何网络层协议数据单元l可以向上多路分解，服务于各种网络层协议n 位透明性: 在数据域中可以装载任何位模式n 错误检测 （不纠错）n 面向连接n 连接的存活: 检测链路层故障，并通知网络层n 网络层地址协商: 通信双方能获知/配置各自网络地址5: 链路层和局域网5-86PPP不需的功能n无错误纠正无错误纠正/恢复恢复n无流量控制无流量控制n无顺序提交无顺序提交n不支持多点链路不支持多点

53、链路错误恢复，流量控制，数据排序都交给上层管理错误恢复，流量控制，数据排序都交给上层管理!5: 链路层和局域网5-87标志域标志域地址域地址域控制域控制域协议域协议域信息域信息域校验和校验和标志域标志域011111101111111111111100协议协议信息信息校验和校验和01111110标识帧开始标识帧开始1个字节个字节7E该字段目该字段目前无作用前无作用传输的传输的数据数据标识帧结束标识帧结束 1个字节个字节7E标识目的地址标识目的地址,不起作用不起作用上层协议，上层协议，1/2字节：字节：LCP-C021， IPCP-8021，IP-0021, DECnet-027 , AppleT

54、alk-0029差错检查：差错检查：16/32-CRC，5.7.1 PPP 数据帧5: 链路层和局域网5-88位透明性位透明性：字节填充n “数据透明性”需要： 数据域可以包含标志模式 l问题: 如何知道是数据还是标志?l解决: 不让传输的数据中出现连续两个7E ，因为两个7E字节之间正好是两个帧的分界。具体实现如下： n 发送方:l 在每个数据前增加1个填充字节l 在每个数据前也增加1个填充字节n 接受方: l遇到 就去掉，接收后面的数据l单个01111110: 标志字节5: 链路层和局域网5-89字节填充举例字节填充举例标志域标志域地址域地址域控制域控制域协议域协议域信息域信息域校验和校验

55、和标志域标志域011111101111111111111100协议协议信息信息校验和校验和011111100111111011111111111111000010000101111110校验和校验和01111110011111101111111111111100001000010111110101111110校验和校验和01111110字节填充字节填充发送前发送前发送数据发送数据011111101111111111111100001000010111110101111110校验和校验和011111100111111011111111111111000010000101111110校验和校验和0

56、1111110接收数据处理接收数据处理5: 链路层和局域网5-905.7.2 PPP 数据控制协议在交换网络层数据之前，数据链路对等端必须n 建立/配置PPP链路lLCP链路控制协议 协商最大帧长，身份认证n 获知/配置网络层配置信息lIPCP网络控制协议 用来配制/学习IP地址PPP实际上是一组协议的统称，包括PPP、LCP、IPCP等协议。5: 链路层和局域网5-91第第 5 章章 大大 纲：纲：n5.1 引言和服务引言和服务n5.2 差错检测和纠错技术差错检测和纠错技术n5.3 多址访问协议和局域网多址访问协议和局域网n5.4 链路层编址和链路层编址和ARPn5.5 以太网以太网n5.6

57、 集线器和交换机集线器和交换机n5.7 PPP：点对点协议：点对点协议*5.8 链路虚拟化：网络作为链路层链路虚拟化：网络作为链路层lATM lMPLS5: 链路层和局域网5-92网络虚拟化资源的虚拟化: 系统工程中的一个强有力的抽象:n 计算实例: 虚拟内存, 虚拟设备l虚拟机: 例如, javal1960s/70s 的IBM VM osn 抽象的层次: 不关心更低层的细节，只抽象处理更低层5: 链路层和局域网5-93The Internet:网络虚拟化n1974: 多个独立的网络 lARPAnetldata-over-cable networkslpacket satellite netw

58、ork (Aloha)lpacket radio network 不同在于不同在于:l地址规范l包格式l差错恢复l路由ARPAnetsatellite netA Protocol for Packet Network Intercommunication, V. Cerf, R. Kahn, IEEE Transactions on Communications, May, 1974, pp. 637-648.5: 链路层和局域网5-94The Internet:网络虚拟化网际互联层 (IP): n地址: 为低层异构的局域网提供统一的编址方式，让互联网络成为一个统一的整体n实现网络到网络的互联

59、网关/路由器: n在本地网络包格式中嵌入或提取IP分组n在IP层，路由分组到下一个网关/路由器ARPAnetsatellite netgateway5: 链路层和局域网5-95Cerf & Kahn的互联网结构什么是虚拟化? 或者说是隧道化？n 两个地址层次: 互联网和本地网n 新的层次 (IP) 使所有的网络在IP层同构n 低层的本地网络技术 l电缆l卫星l56K 电话调制解调器l今天的: ATM, MPLS 低层的本地网络技术在互联网层“不可见的”，对于IP来说就象是链路层技术!5: 链路层和局域网5-96ATM 和 MPLSn ATM, MPLS用它们自己的方式划分网络l具有与I

60、nternet不同的服务模型、地址和路由n 从 Internet的观点来看，它们作为连接IP路由器的逻辑链路l就象拨号链路一样，实际上是电话网络的组成部分n ATM和MPSL的技术细节都集中在它们自己的技术领域5: 链路层和局域网5-975.8.1 异步传输模式: ATMn 90年代的高速网络(155Mbps到622 Mbps或更高)标准，服务于宽带综合业务数字网络BISDN 体系结构n 目标: 综合的、端到端的传输声音、视频、数据l满足声音、视频的实时/QoS需求 (与Internet best-effort模型相对)l“下一代”技术: 该技术源于电话系统l分组交换 (包大小固定, 被称为 “cells”)