第三节数据链路层

1、第三节数据链路层数据链路层的两个子层数据链路层的两个子层 n802 802 n逻辑链路控制逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control)LLC (Logical Link Control)n媒体接入控制媒体接入控制 MAC (Medium Access Control)MAC (Medium Access Control)n与接入到传输媒体有关的内容都放在与接入到传输媒体有关的内容都放在 MACLLC LLC MACLLC LLC 子层来说都是透子层来说都是透明的明的 局域网对局域网对 LLC 子层是透明的子层是透明的 局 域 网网络层物理层站点 1网络层物理层逻辑链路控制

2、LLCLLC媒体接入控制MACMAC数据链路层站点 2以后一般不考虑以后一般不考虑 LLC 子层子层 n由于由于 TCP/IP TCP/IP 体系经常使用的局域网是体系经常使用的局域网是 DIX Ethernet V2 DIX Ethernet V2 而而不是不是 802.3 802.3 标准中的几种局域网，因此现在标准中的几种局域网，因此现在 802 802 委员会委员会制定的逻辑链路控制子层制定的逻辑链路控制子层 LLCLLC（即（即 802.2 802.2 标准）的作用已经标准）的作用已经不大了。不大了。n很多厂商生产的适配器上就仅装有很多厂商生产的适配器上就仅装有 MAC MAC 协议

3、而没有协议而没有 LLC LLC 协议。协议。 1.1 决定局域网与城域网性能的三要素决定局域网与城域网性能的三要素 n 网络拓扑网络拓扑n 传输介质传输介质n 介质访问控制方法介质访问控制方法 3.5 网络拓扑结构：网络拓扑结构：n总线型总线型n环型环型n星型结构星型结构网络传输介质网络传输介质：n双绞线双绞线n同轴电缆同轴电缆n光纤光纤1.2 局域网拓扑结构类型与特点局域网拓扑结构类型与特点特点：特点：n总线型局域网的介质访问控制方法采用的是总线型局域网的介质访问控制方法采用的是“共享介质共享介质”方式；方式；n所有结点都连接到一条作为公共传输介质的总线上；所有结点都连接到一条作为公共传输

4、介质的总线上；n总线传输介质通常采用同轴电缆或双绞线；总线传输介质通常采用同轴电缆或双绞线；n所有结点都可以通过总线传输介质以所有结点都可以通过总线传输介质以“广播广播”方式发送或方式发送或接收数据，因此出现接收数据，因此出现“冲突（冲突（collision）”是不可避免的；是不可避免的；n“冲突冲突”会造成传输失败；会造成传输失败；n必须解决多个结点访问总线的介质访问控制（必须解决多个结点访问总线的介质访问控制（MAC， medium access control）问题。）问题。总线型拓扑构型总线型拓扑构型总线结构与冲突总线结构与冲突介质访问控制方法要解决以下几个问题：介质访问控制方法要解决

5、以下几个问题：n该哪个结点发送数据？该哪个结点发送数据？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？总线型拓扑的优点：总线型拓扑的优点：n结构简单，实现容易；结构简单，实现容易；n易于扩展，可靠性较好。易于扩展，可靠性较好。n结点使用点结点使用点点线路连接，构成闭合的物理的环型结构；点线路连接，构成闭合的物理的环型结构；n环中数据沿着一个方向绕环逐站传输；环中数据沿着一个方向绕环逐站传输；n多个结点共享一条环通路；多个结点共享一条环通路；n环建立、维护、结点的插入与撤出。环建立、维护、结点的插入与撤出。 环型拓扑构型环型拓扑构型n逻辑结构与物理结构的关系逻辑

6、结构与物理结构的关系n交换局域网交换局域网(switched LAN)(switched LAN)的物理结构的物理结构 星型拓扑构型星型拓扑构型 n带有冲突检测的载波侦听多路访问带有冲突检测的载波侦听多路访问CSMA/CDn令牌总线令牌总线 token busn令牌环令牌环 token ring 1.3 介质访问控制方法介质访问控制方法nIEEE 802委员会为局域网制定了一系列标准，它们统称为委员会为局域网制定了一系列标准，它们统称为IEEE 802标准；标准；nIEEE 802标准之间的关系：标准之间的关系： 802.10 可互操作的局域网安全802.2 逻辑链路控制子层802.3CSMA

7、/CD802.4令牌总线802.5令牌环802.6城域网802.9语音与数据综合局域网802.11无线局域网 802.1 体系结构与网络互联nEthernet的核心技术是的核心技术是CSMA/CD介质访问控制方法；介质访问控制方法；n随机争用技术起源于夏威夷大学校园网随机争用技术起源于夏威夷大学校园网ALOHA；n1972年，年，Xerox公司开始公司开始Ethernet实验网的研究；实验网的研究；n1979年，年，Xerox公司宣布了公司宣布了Ethernet产品；产品；n1980年，年，Xerox、DEC与与Intel联合宣布联合宣布Ethernet V2.0规范规范 ； n90年代，年代

8、，10Base-T标准使得标准使得Ethernet性能价格比大大提高；性能价格比大大提高；n目前，交换式目前，交换式Ethernet与最高速率为与最高速率为10Gb/s的高速的高速Ethernet的出现，更确立了它在局域网中的主流地位。的出现，更确立了它在局域网中的主流地位。2.1 Ethernet的发展的发展 1.Ethernet数据发送流程的分析数据发送流程的分析 2.2 Ethernet帧结构与帧发送、接收流程分析帧结构与帧发送、接收流程分析CSMA/CD的发送流程可以概括为：的发送流程可以概括为：n 先听后发先听后发 n 边听边发边听边发n 冲突停止冲突停止n 延迟重发延迟重发 Eth

9、ernet结点结点数据发送流程数据发送流程装配帧冲突次数过多?冲突吗？启动发送冲突加强发送完成?计算后退延迟时间冲突次数N+1N结束：冲突过多YNY发送帧总线忙？NY等待后退延迟时间N结束：发送成功YNnCSMA/CD CSMA/CD 表示表示 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection。n“多点接入多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。根总线上。n“载波监听载波监听”是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算

10、机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免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。发生碰撞。 n总线上并没有什么总线上并没有什么“载波载波”。因此，。因此， “载波监听载波监听”就是用电子就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号。技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号。 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/CDn目的：检查是否已经有结点利用总目的：检查是否已经有结点利用总 线在发送数据线在发送数据总总线线忙忙总总线线空空闲闲v(t)t01载波侦听过程载波侦听过程n“碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压

11、大小。n当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大（互相叠加）。n当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，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。n所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。碰撞检测碰撞检测冲突检测：比较法和编码违例判决法冲突检测：比较法和编码违例判决法n在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严重的在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来。失真，无法从中恢复出有用的信息来。n每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，就要立即停止

12、发送，免得继续浪费网络资源，碰撞，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送然后等待一段随机时间后再次发送。检测到碰撞后检测到碰撞后n当某个站监听到总线是空闲时，也可能总线并非真正是空闲的。当某个站监听到总线是空闲时，也可能总线并非真正是空闲的。 nA A 向向 B B 发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到 B B。nB B 若在若在 A A 发送的信息到达发送的信息到达 B B 之前发送自己的帧之前发送自己的帧( (因为这时因为这时 B B 的载波监听检测不到的载波监听检测不到 A A 所发送的信息所发送的信息) )，则

13、必然要在某个时间和，则必然要在某个时间和 A A 发送的帧发生碰撞。发送的帧发生碰撞。n碰撞的结果是两个帧都变得无用。碰撞的结果是两个帧都变得无用。 电磁波在总线上的有限传播速率的影响电磁波在总线上的有限传播速率的影响1 kmABt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 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 kmABt碰撞t = B 检测到信道空闲发送数据t = / 2发生碰撞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 = ABABAB t = 0 A 检测到信道空闲发

14、送数据ABt = 0t = B 检测到发生碰撞停止发送STOPt = 2 A 检测到发生碰撞STOPAB单程端到端传播时延记为 n使用使用 CSMA/CD CSMA/CD 协议的以太网不能进行全双工通信而只能协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信（半双工通信）。进行双向交替通信（半双工通信）。n每个站在发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇每个站在发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。碰撞的可能性。 n这种发送的不确定性使整个以太网的平均通信量远小于这种发送的不确定性使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率。以太网的最高数据率。 重要特性重要特性n最先发送数

15、据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间 2 2 （两倍的端到端往返时延）（两倍的端到端往返时延）就可知道发送的数据帧就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。是否遭受了碰撞。n以太网的端到端往返时延以太网的端到端往返时延 2 2 称为争用期，或碰撞窗口。称为争用期，或碰撞窗口。n经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。次发送不会发生碰撞。 争用期争用期结点A结点B帧A帧B= D/V帧A +帧 B2总线总线冲突发生冲突发生冲突窗口的概念冲突窗口的概念n发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟

16、（退避）一个随机时间才能再发送数据。n确定基本退避时间，一般是取为争用期 2。n定义重传次数 k ，k 10，即 k = Min重传次数, 10n从整数集合0,1, (2k 1)中随机地取出一个数，记为 r。重传所需的时延就是 r 倍的基本退避时间。n当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。 二进制指数类型退避算法二进制指数类型退避算法n截止二进制指数后退延迟算法截止二进制指数后退延迟算法 2kRa 其中：其中：为结点重新发送需要的后退延迟时间，为结点重新发送需要的后退延迟时间，a为冲突窗口为冲突窗口值，值，R为随机数。为随机数。随机延迟重发随机延迟重发n当发送数据的站一旦发现

17、发生了碰撞时：n立即停止发送数据；n再继续发送若干比特的人为干扰信号(jamming signal)，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。 强化碰撞强化碰撞数据帧干扰信号 TJ人为干扰信号 ABTBt 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 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。这里为了简单起见，只画出 A A 发送干扰信号的情况。发送干扰信号的情况。n前导码与帧前定界符字段前导码与帧前定界符字段n目的地址和源地址字段目的地址和源地址字段 n长度字段长度字段n

18、LLC数据字段数据字段n帧校验字段帧校验字段前导码(7位)帧前定界符(1位)目的地址DA(2/6位)LLC数据(长度可变)帧校验字段FCS(4位)源地址SA(2/6位)长度域(2位)Ethernet帧结构帧结构n前导码与帧前定界符字段前导码与帧前定界符字段 前导码：前导码：7个字节，个字节，10101010101010比特序列比特序列 帧前定界符：帧前定界符：1字节，字节，10101011 n目的地址和源地址字段目的地址和源地址字段 地址字段长度地址字段长度：2 2个字节或个字节或6 6个字节个字节 目的地址类型：目的地址类型： 单一结点地址（单一结点地址（unicast address） 多

19、点地址（多点地址（multicast address） 广播地址（广播地址（broadcast address）Ethernet帧结构的讨论：帧结构的讨论：n长度字段长度字段 帧的最小长度为帧的最小长度为64字节，最大长度为字节，最大长度为1518字节字节 nLLC数据字段数据字段 LLC数据字段是帧的数据字段，长度最小为数据字段是帧的数据字段，长度最小为46个字节少于个字节少于46个字节，需要填充个字节，需要填充n帧校验字段帧校验字段 采用采用32位的位的CRC校验校验 校验的范围是：目的地址、源地址、长度、校验的范围是：目的地址、源地址、长度、LLC数据等字段数据等字段 3.Etherne

20、t接收流程接收流程启动接收8位的整数倍？地址正确？帧校验正确?结束：帧校验错NYY接收帧接收完成？N结束：帧长度错YN帧太短？帧长度正确?YN结束：帧比特错帧拆卸结束：成功接收NYYN系统接口Ethernet控制器（MAC）曼彻斯特编码译码器（PLS）收发器（MAU）主机系统总线同轴电缆主机系统主机系统AUI接口2.3 Ethernet实现方法实现方法2.3 Ethernet实现方法实现方法AUI端口是用来与粗同轴电缆连接的接口，它是一种端口是用来与粗同轴电缆连接的接口，它是一种D型型15针接口针接口，这在令牌环网或总线型网络中是一种比较常见的端口之一，这在令牌环网或总线型网络中是一种比较常见

21、的端口之一2.3 Ethernet实现方法实现方法BNC（基本网络卡）接口是（基本网络卡）接口是10Base2的接头，即同轴细缆接头。可以隔的接头，即同轴细缆接头。可以隔绝视频输入信号，使信号相互间干扰减少，且信号带宽要比普通绝视频输入信号，使信号相互间干扰减少，且信号带宽要比普通15针的针的D型接口大，可达到更佳的信号响应效果。型接口大，可达到更佳的信号响应效果。 Ethernet控制器（M AC+MENDEC）IEEEAddressEPROM缓冲存储器收发器网卡网卡AUI接口BNC接口接计算机I / O 总线接计算机I / O 总线接接传传输输介介质质Ethernet网卡结构网卡结构nEt

22、hernet地址地址 = Manufacture ID + NIC ID 24bit + 24bit 公司：公司：Cisco 00-00-0c Novell 00-00-1B 00-00-D8 3Com 00-20-AF 00-60-8C IBM 08-00-5An典型的典型的Ethernet地址地址 ： 00-60-8C-01-28-12 Ethernet地址具有惟一性，取决于你所使用的网卡。地址具有惟一性，取决于你所使用的网卡。2.4 Ethernet物理地址物理地址n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 MAC 地址。地址。 n802 80

23、2 标准所说的标准所说的“地址地址”严格地讲应当是每一个站的严格地讲应当是每一个站的“名字名字”或标识符。或标识符。 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”称称为为“地址地址”，所以本书也采用这种习惯用法，尽管这种说，所以本书也采用这种习惯用法，尽管这种说法并不太严格。法并不太严格。nIEEE IEEE 的注册管理机构的注册管理机构 RA RA 负责向厂家分配地址字段的前三个负责向厂家分配地址字段的前三个字节字节( (即高位即高位 24 24 位位) )。n地址字段中的后三个字节地址字段中的后三个字节( (即低位即低位 24 24 位位)

24、)由厂家自行指派，称为扩由厂家自行指派，称为扩展标识符，必须保证生产出的适配器没有重复地址。展标识符，必须保证生产出的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 22424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识符实际上就是适配器地址或适配器标识符EUI-48EUI-48。48 48 位的位的 MAC 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 帧就首先用硬件检查帧就首先用硬件检查 MAC MAC 帧中帧中的的 MAC MAC 地址地址. .n如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他的处理。如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他的处理。n否则就将