新编第三节数据链路层2课件

1、第 3 章 数据链路层李彬 山东轻工业学院 理学院数据链路层的两个子层 为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，802 委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层：逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control)子层媒体接入控制 MAC (Medium Access Control)子层。与接入到传输媒体有关的内容都放在 MAC子层，而 LLC 子层则与传输媒体无关，不管采用何种协议的局域网对 LLC 子层来说都是透明的 局域网对 LLC 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LLCLLC媒体接入控制MACMAC数据链路层站点 2LLC 子层看

2、不见下面的局域网以后一般不考虑 LLC 子层 由于 TCP/IP 体系经常使用的局域网是 DIX Ethernet V2 而不是 802.3 标准中的几种局域网，因此现在 802 委员会制定的逻辑链路控制子层 LLC（即 802.2 标准）的作用已经不大了。很多厂商生产的适配器上就仅装有 MAC 协议而没有 LLC 协议。 1.1 决定局域网与城域网性能的三要素 网络拓扑 传输介质 介质访问控制方法 3.5 介质访问控制子层网络拓扑结构：总线型环型星型结构网络传输介质：双绞线同轴电缆光纤1.2 局域网拓扑结构类型与特点特点：总线型局域网的介质访问控制方法采用的是“共享介质”方式；所有结点都连接

3、到一条作为公共传输介质的总线上；总线传输介质通常采用同轴电缆或双绞线；所有结点都可以通过总线传输介质以“广播”方式发送或接收数据，因此出现“冲突（collision）”是不可避免的；“冲突”会造成传输失败；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。总线型拓扑构型总线结构与冲突介质访问控制方法要解决以下几个问题：该哪个结点发送数据？发送时会不会出现冲突？出现冲突怎么办？总线型拓扑的优点：结构简单，实现容易；易于扩展，可靠性较好。结点使用点点线路连接，构成闭合的物理的环型结构；环中数据沿着一个方向绕环逐站传输；多个结点共享一条环通路；环建立

4、、维护、结点的插入与撤出。 环型拓扑构型逻辑结构与物理结构的关系交换局域网(switched LAN)的物理结构 星型拓扑构型 带有冲突检测的载波侦听多路访问CSMA/CD令牌总线 token bus令牌环 token ring 1.3 介质访问控制方法IEEE 802委员会为局域网制定了一系列标准，它们统称为IEEE 802标准；IEEE 802标准之间的关系： Ethernet的核心技术是CSMA/CD介质访问控制方法；随机争用技术起源于夏威夷大学校园网ALOHA；1972年，Xerox公司开始Ethernet实验网的研究；1979年，Xerox公司宣布了Ethernet产品；1980年，

5、Xerox、DEC与Intel联合宣布Ethernet V2.0规范 ； 90年代，10Base-T标准使得Ethernet性能价格比大大提高；目前，交换式Ethernet与最高速率为10Gb/s的高速Ethernet的出现，更确立了它在局域网中的主流地位。2.1 Ethernet的发展 1.Ethernet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CSMA/CD的发送流程可以概括为： 先听后发 边听边发 冲突停止 延迟重发 Ethernet结点数据发送流程CSMA/CD 表示 Carrier Sense Multiple Access with Collisio

6、n Detection。“多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。“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。 总线上并没有什么“载波”。因此， “载波监听”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。 载波监听多点接入/碰撞检测 CSMA/CD目的：检查是否已经有结点利用总 线在发送数据载波侦听过程“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大小。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）。当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，

7、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。所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。碰撞检测冲突检测：比较法和编码违例判决法在发生碰撞时，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。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。检测到碰撞后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。 A 向 B 发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到 B。B 若在 A 发送的信息到达 B 之前发送自己的帧(因为这时 B 的载波监听检测不到 A 所发送的信息)，则必然要

8、在某个时间和 A 发送的帧发生碰撞。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 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 使用 CSM

9、A/CD 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）。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。 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。 重要特性最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间 2 （两倍的端到端往返时延）就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。以太网的端到端往返时延 2 称为争用期，或碰撞窗口。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。 争用期冲突窗口的概念发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟（退避）一个随机时间才能再发送数据。确定基本退避时间，一般是取为争用期 2。定义重传次数 k

10、，k 10，即 k = Min重传次数, 10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。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截止二进制指数后退延迟算法 2kRa 其中：为结点重新发送需要的后退延迟时间，a为冲突窗口值，R为随机数。随机延迟重发当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时：立即停止发送数据；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。 强化碰撞数据帧干扰信号TJ人为干扰信号 ABTBtB 发送数据A 检测到冲突开始冲突信道占

11、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。前导码与帧前定界符字段目的地址和源地址字段 长度字段LLC数据字段帧校验字段Ethernet帧结构前导码与帧前定界符字段 前导码：7个字节，10101010101010比特序列 帧前定界符：1字节，10101011 目的地址和源地址字段 地址字段长度：2个字节或6个字节 目的地址类型： 单一结点地址（unicast address） 多点地址（multicast address） 广播地址（broadcast address）Ethernet帧结构的讨论：长度字段

12、 帧的最小长度为64字节，最大长度为1518字节 LLC数据字段 LLC数据字段是帧的数据字段，长度最小为46个字节少于46个字节，需要填充帧校验字段 采用32位的CRC校验 校验的范围是：目的地址、源地址、长度、LLC数据等字段 3.Ethernet接收流程2.3 Ethernet实现方法2.3 Ethernet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D型15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一2.3 Ethernet实现方法BNC（基本网络卡）接口是10Base2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15

13、针的D型接口大，可达到更佳的信号响应效果。 Ethernet网卡结构Ethernet地址 = Manufacture ID + NIC ID 24bit + 24bit 公司：Cisco 00-00-0c Novell 00-00-1B 00-00-D8 3Com 00-20-AF 00-60-8C IBM 08-00-5A典型的Ethernet地址 ： 00-60-8C-01-28-12 000000001010000010001100 Ethernet地址具有惟一性，取决于你所使用的网卡。2.4 Ethernet物理地址在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或 MAC 地址。 802 标准所

14、说的“地址”严格地讲应当是每一个站的“名字”或标识符。 但鉴于大家都早已习惯了将这种 48 位的“名字”称为“地址”，所以本书也采用这种习惯用法，尽管这种说法并不太严格。IEEE 的注册管理机构 RA 负责向厂家分配地址字段的前三个字节(即高位 24 位)。地址字段中的后三个字节(即低位 24 位)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。一个地址块可以生成224个不同的地址。这种 48 位地址称为 MAC-48，它的通用名称是EUI-48。“MAC地址”实际上就是适配器地址或适配器标识符EUI-48。48 位的 MAC 地址适配器从网络上每收到一个 MAC 帧就首先

15、用硬件检查 MAC 帧中的 MAC 地址.如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他的处理。否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。“发往本站的帧”包括以下三种帧： 单播(unicast)帧（一对一）广播(broadcast)帧（一对全体）多播(multicast)帧（一对多）适配器检查 MAC 地址以太网 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FCS6624字节46 1500IP 数据报MAC 帧以太网的 MAC 帧格式MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源

16、地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报目的地址字段 6 字节MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 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FCS6624字节46 1500IP 数据报类型字段 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。 MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报数据字段 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 MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报FCS 字段 4 字节当传输媒体的误码率为 1108 时，MAC 子层可使未检测到的差错小于 11014。 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