第3章+数据链路层

21世纪高等学校计算机规划教材精品系列之一

计算机网络

课件

杨心强制作

人民邮电出版社，2010年6月1课件制作人声明本课件是“21世纪高等学校计算机规划教材”精品系列之一——《计算机网络》的配套服务资料。

本课件共有9个Powerpoint文件(每章一个)。教师可根据教学需要，自行修改或增删此课件内容，但不能自行出版销售。对于课件中存在的缺点和错误，欢迎读者提出宝贵意见，以便及时修订。课件制作人的电邮地址：yang_xinqiang@163.com。课件制作人杨心强2010年6月2计算机网络

第3章数据链路层3第3

章数据链路层教学目的掌握两种类型信道的数据链路层的基本概念掌握点对点信道数据链路层的三个基本问题：帧定界、透明传输和差错检测掌握PPP协议的基本内容掌握广播信道数据链路层的基本内容——基本概念、局域网的体系结构和IEEE802标准掌握以太网及其协议掌握扩展以太网的方法了解高速局域网学习内容数据链路层概述点对点信道数据链路层的基本问题点对点协议PPP广播信道的数据链路层以太网扩展的以太网高速局域网4第

3章内容提纲*3.1数据链路层概述*3.2点对点信道数据链路层的基本问题*3.3

点对点协议PPP*3.4

广播信道的数据链路层*3.5

以太网

3.6

扩展的以太网

3.7高速局域网53.1数据链路层概述数据链路层是网络体系结构的次低层，位于物理层与网络层之间。

数据链路层使用的信道主要有两种类型：⑴点对点信道。这种信道使用一对一的点对点通信方式。⑵广播信道。这种信道使用一对多的广播通信方式。广播信道上连接的主机很多，因此必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机的数据发送。63.1数据链路层概述(续1)主机H1向H2发送数据局域网广域网主机

H1主机

H2路由器

R1路由器

R2路由器

R3电话网局域网链路层应用层运输层网络层物理层链路层应用层运输层网络层物理层链路层网络层物理层链路层网络层物理层链路层网络层物理层R1R2R3H1H2从层次上来看数据的流动73.1数据链路层概述(续2)主机H1向H2发送数据局域网广域网主机

H1主机

H2路由器

R1路由器

R2路由器

R3电话网局域网链路层应用层运输层网络层物理层链路层应用层运输层网络层物理层链路层网络层物理层链路层网络层物理层链路层网络层物理层R1R2R3H1H2仅从数据链路层观察帧的流动83.1数据链路层概述(续3)简化的下三层模型物理链路网络层

IP数据报

IP数据报1010010…0101

IP数据报

IP数据报1010010…0101数据链路物理层数据链路层结点A结点B帧

IP数据报93.1数据链路层概述(续4)物理链路与数据链路物理链路

(link，链路)是指相邻两结点之间无源的物理线路段，中间没有任何其他的交换结点。当两台计算机通信时，其通路是由多条链路串接构成的，这说明一条链路只是一条通路的一个组成部分。数据链路(datalink，逻辑链路)由物理线路以及实现通信协议的硬件和软件组成的。数据链路层协议(即链路控制规程)是在不太可靠的物理链路上实现可靠的数据传输所必不可少的。现在最常用的方法是使用适配器(即网卡)来实现这些协议的硬件和软件。一般的适配器都具有数据链路层和物理层这两层的功能。103.1数据链路层概述(续5)物理链路与数据链路的区别

调制解调器数据链路链路结点交换机链路控制链路控制结点交换机

调制解调器实用的物理链路常采用多路复用技术，此时一条物理链路可以构成多条数据链路，从而提高了链路利用率。

113.1数据链路层概述(续6)讨论数据链路层时，通常在两个对等的数据链路层之间画出一个数字管道，而在这条数字管道上传输的数据单位是帧(包括首部、数据和尾部)。早期的数据通信协议曾叫作通信规程(procedure)。因此在数据链路层，规程和协议是同义语。数据链路层的主要任务是：把网络层下传的IP数据报封装成帧往下传给物理层；从物理层上传接收到的无差错帧中提取IP数据报上交给网络层；如是差错帧则将其丢弃。结点结点帧帧123.1数据链路层概述(续7)数据链路层的主要功能链路管理数据链路的建立、维持和释放帧的封装与拆装发送端帧的封装和接收端帧的拆装帧定界接收方应当从收到的比特流中准确地区分出一帧的开始和结束的位置透明传输任意的比特组合数据均可正确传输差错检测通常采用发送端对被传输的比特流后面附加差错检测码，接收端重新计算检测码，两者进行比较，判别差错存在与否。13第

3章内容提纲*3.1数据链路层概述*3.2点对点信道数据链路层的基本问题*3.3

点对点协议PPP*3.4

广播信道的数据链路层*3.5

以太网

3.6

扩展的以太网

3.7高速局域网143.2点对点信道的数据链路层点对点信道的数据链路层协议要解决三个基本问题帧定界透明传输差错检测153.2.1帧定界帧定界(framing)就是从传送的比特流中正确地区分出帧的边界。帧结束帧首部IP数据报帧的数据部分帧尾部MTU数据链路层的帧长从这里开始发送帧开始163.2.1帧定界(续1)帧定界采用的几种方法(1)字节填充法采用一些特定的控制字符来定界一帧的开始和结束。SOH装在帧中的内容帧帧开始符帧结束符发送在前EOT标志装在帧中的内容标志发送在前帧173.2.1帧定界(续2)一个值得注意的问题采用插入一个转义字符“ESC”(1BH)来解决传送的数据中出现控制字符。如果转义字符也出现数据当中，应在转义字符前面再插入一个转义字符。接收端应删除其插入的转义字符。SOHSOHEOTSOHSOHESCESCEOTESCSOHESCESCESCSOH原始数据EOTEOT经过字节填充后发送的数据字节填充字节填充字节填充字节填充发送在前帧开始符帧结束符183.2.1帧定界(续3)(2)比特填充法采用一特定的比特组合01111110来定界一帧的开始和结束，是目前最常用的方法。采用“零比特插入、删除”技术来解决传送的数据信息中出现特定比特组合的问题。011011111101111111111110010011011111

010111110111110110010被插入的零比特(a)原始数据的帧格式(b)线路上传送的数据的帧格式(d)恢复后的数据的帧格式011011111101111111111110010011011111

010111110111110110010被删除的零比特(c)接收端将插入的零比特删除193.2.1帧定界(续4)(3)字节计数法采用一特定字符来表示一帧的开始，随后使用一个字节计数字段指明该帧所要求传输的字节数。此方法存在的问题在于字节计数值在传输过程中出现错误，就无法确定帧的结束边界。(4)非法比特编码法采用非法编码作为帧的边界。此法仅适用于物理媒体上采用特定比特编码的场合。例如，在局域网中采用双相码传输时，每个码元的中点都存在电平跳变。显然，对于码元中点不发生电平跳变的比特编码就属于非法比特编码，这种非法比特编码就可用作帧的定界。

203.2.1帧定界(续5)小结：字节填充法与特定的字符编码集关系密切，且实现较为复杂。字节计数法的字节计数字段的正确性十分重要，其错误不但影响本帧，还会涉及下一帧。非法比特编码法只适用于采用冗余编码的特殊环境，且对其码型有一定的要求。目前较常用的是比特填充法，或者字节计数法与其他某种方法联合使用，以提高其安全性。213.2.2透明传输透明传输是指不管链路上传输的是何种形式的比特组合，都不会影响数据传输的正常进行。在字节填充法中，采用字节填充技术。被填入的字节是转义字节(ESC)。在比特填充法中，采用“零比特插入、删除”技术。如插入特定的比特组合“01111110”。在字节计数法中，采用字节计数字段指明所要传输的字节数。223.2.3差错控制比特在传输过程中可能会产生差错：1变成0，而0变成1。误码率

BER(BitErrorRate)是衡量传输差错的度量指标。该指标表示：在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比率。如误码率为10-12，表示平均每传送1012个比特就会出现一个比特的差错。误码率与信噪比有着很大的关系。为了保证数据传输的可靠性，利用计算机网络传输数据必须采用各种差错检测措施。循环冗余检验CRC是数据链路层被广泛采用的一种差错检测技术。233.2.3差错控制(续1)循环冗余校验码循环冗余校验码简称循环码或CRC(CycleRedundancyCode)码，是一种高性能的检错、纠错码。在实际应用中常用作检错码。由于它的检错能力强、实现简单容易，因而在数据通信中得到了非常广泛的应用。循环码的特点是有严密的数学结构，对其进行分析要用到近代代数理论。循环码是线性码的一个子集。243.2.3差错控制(续2)线性码与循环码由k个信息码元和r个校验码元构成的码组，其中每一个校验码元是该码组中某些信息码元的模2和，具有这种结构格式的码组称为线性码。线性码具有封闭性，意即线性码的任何两个码组对应位按模2相加所得到的新码组仍然是该线性码的一个码组。例如，线性码中两个码组分别为1101001和1110100，将对应位按模2相加得到新的码组为0011101，它仍是该信息码一个码组。253.2.3差错控制(续3)线性码与循环码(续)对于码长为n、有k个信息码元的线性码，若它具有如下性质：任一码组的每一次循环左移或右移所得到的是码中另一码组。即若(Cn-1,Cn-2,…C0)是(n,k)码的码组，则(Cn-2,Cn-3,…,C0,Cn-1)或(C0,Cn-1,…C1)也是(n，k)码的码组。我们把具有这种循环移位不变性的线性码称为循环码。对于循环码来说，码组C和它的循环左移一位或右移一位的新码组C’都是循环码的码组。循环码的重要特性：在一个(n,k)循环码中，有一个且仅有一个(n-k)次的生成多项式g(x)，且此循环码中的每个码多项式C(x)都是的g(x)倍式。263.2.3差错控制(续4)循环码的编码原理设待编码位信息的码组为它所对应的码多项式是用Xn-k乘以M(x)，得再用给定的(n,k)循环码的生成多项式g(x)除M(x)Xn-k，得（3-2）273.2.3差错控制(续5)按模２运算规则，加与减是相同的，故上式移项后，可得

（3-3）循环码计算步骤:在发送端，先把数据划分为组。假定每组k个比特。

假设待传送的一组数据M。用二进制的模2运算进行2n乘M的运算，这相当于在M后面添加n个0。冗余码的求法是：将得到的(k+n)位数除以除数，此除数P是事先选定好的长度为(n+1)位的生成多项式g(x)，得出商是Q而余数是R，此时余数R比除数P少1位(即只有n位)。在M后面添加的是供差错检测用的nbit冗余码(即余数R)，将其发送出去。283.2.3差错控制(续6)注意：在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列FCS(FrameCheckSequence)。循环冗余检验CRC和帧检验序列

FCS并不等同。CRC是一种常用的检错方法，而FCS是添加在数据后面的冗余码。FCS可以用CRC这种方法得出，但CRC并非是用来获得FCS的唯一方法。293.2.3差错控制(续7)发送端的循环码计算举例假设

M=101001，即

k=6。再设除数

P=1101，即n=3。被除数是2n·M=101001000。模2运算的结果是：商Q=110101，余数R=001。把余数R作为冗余码添加在数据M的后面发送出去。发送的数据是：2n·M+R

，即：101001001，共(k+n)位。303.2.3差错控制(续8)

110101

←

Q

(商)P(除数)→

1101101001000

←

2nM(被除数)

1101

1110

1101

0111

0000

1110

1101

0110

0000

1100

1101

001←R(余数)，作为FCS

除法操作过程313.2.3差错控制(续9)接收端的循环冗余校验

(1)重新计算循环码，若得出的余数R=0，则判定传输没有差错，就接受(accept)。

(2)若余数R

0，则判定传输出现差错，就丢弃。循环冗余校方法并不能确定究竟是哪一个或哪几个比特出现了差错。只要经过严格的挑选，并使用位数足够多的除数P，那么出现检测不到的差错的概率就很小很小。323.2.3差错控制(续10)常用的生成多项式CRC-16

g(x)=X16+X15+X2+1

CRC-CCITT

g(x)=X16+X12+X5+1CRC-32

g(x)=X32+X26+X23+X22+X16+X12X11+X10+X8+X7+X5+X4+X2+X+1循环码的校验能力与生成多项式有关。333.2.3差错控制(续11)注意仅用循环冗余检验CRC差错检测技术只能做到无差错接受(accept)。“无差错接受”是指：“凡是接受的帧(即不包括丢弃的帧)，我们都能以非常接近于1的概率认为这些帧在传输过程中没有产生差错”。这也就是说：“凡是接收端数据链路层接受的帧都没有传输差错”(有差错的帧就丢弃而不接受)。要做到“可靠传输”(即发送什么就收到什么)就必须再加上确认和重传机制。34第

3章内容提纲*3.1数据链路层概述*3.2点对点信道数据链路层的基本问题*3.3点对点协议PPP*3.4

广播信道的数据链路层*3.5

以太网

3.6

扩展的以太网

3.7高速局域网353.3点对点协议PPP

3.3.1

PPP协议概述用户接入因特网的有多种方式，但它们都是通过某种接入网连接到因特网服务提供商ISP才接入因特网。用户至因特网已向因特网管理机构申请到一批

IP地址因特网服务提供者ISPPPP

协议接入网363.3.1

PPP协议概述(续1)用户使用拨号电话线接入因特网时，一般都是使用PPP(Poine-to-PointProtocol)协议。在PPP协议出现之前，因特网早在1984年就开始使用一个简单的面向字符协议SLIP协议，但SLIP存在不少缺点。1992年制订了点对点协议PPP。后经修订现已成为因特网的正式标准[RFC1661]。制订PPP协议的要求：简单；在帧封装、透明传输、差错检测、检测连接状态、支持多种网络层协议和多种类型链路、最大传送单元、网络层地址协商和数据压缩协商等方面也有明确的需求。但明确不再设置纠错控制、流量控制、编制序号、只支持点对点的全双工链路通信等功能。373.3.1

PPP协议概述(续2)PPP协议的组成①一个将IP数据报封装到串行链路的方法。它既支持异步链路，也支持面向比特的同步链路。②一个用来建立、配置和测试数据链路连接的链路控制协议LCP(LinkConlrolProtocol)。该协议允许通信双方协商一些配置选项。③一组网络控制协议NCP。其中的每一个协议支持不同的网络层协议，如IP，OSI网络层，DECnet等。383.3.2

PPP协议的帧格式PPP协议的帧格式IP数据报1211字节12≤

1500字节PPP帧先发送7EFF03FACFCSF7E协议信息部分首部尾部注：PPP协议的帧格式与HDLC

规程的帧格式十分相似。标志字段F(0x7E)作为PPP帧的定界符，表示一帧的开始或结束。地址字段A(0xFF)表示所有的站均可接收此帧。393.3.2

PPP协议的帧格式(续1)控制字段C(0x03)表示这是一个无序号帧。协议字段(2字节)指明信息字段含有的数据属于哪一种网络层协议。当协议字段为0x0021时，PPP帧的信息字段就是IP数据报。若协议字段为

0xC021,则信息字段是链路控制协议LCP的数据。若协议字段为0x8021，则表示这是网络控制数据。信息字段用来存放网络层下传的数据，其长度可变。默认长度是1500字节。帧校验字段FCS规定使用CRC帧校验序列。403.3.2

PPP协议的帧格式(续2)透明传输的实现

在同步传输时，采用硬件来完成比特填充，即“零比特插入、删除”技术。在异步传输时，采用一种特殊的字符填充法，即将信息字段中出现的每一个0x7E字节转变成为2字节序列(0x7D,0x5E)。若信息字段中出现一个0x7D的字节,则将其转变成为2字节序列(0x7D,0x5D)。若信息字段中出现ASCII码的控制字符(即数值小于0x20的字符)，则在该字符前面要加入一个0x7D字节，同时将该控制字符的编码加以改变。413.3.2

PPP协议的帧格式(续3)PPP协议不使用序号和确认的可靠传输机制的理由：在数据链路层出现差错的概率不大时，使用比较简单的

PPP协议较为合理。在因特网环境下，PPP的信息字段放入的数据是IP数据报。数据链路层的可靠传输并不能够保证网络层的传输也是可靠的。帧检验序列FCS字段可保证无差错接受。423.3.3

PPP协议的状态图当用户拨号接入ISP时，路由器的调制解调器对拨号做出确认，并建立一条物理连接。PC机向路由器发送一系列的LCP分组(封装成多个PPP帧)。这些分组及其响应选择一些PPP参数，和进行网络层配置，NCP给新接入的PC机分配一个临时的IP地址，使PC机成为因特网上的一个主机。通信完毕时，NCP释放网络层连接，收回原来分配出去的IP地址。接着，LCP释放数据链路层连接。最后释放的是物理层的连接。433.3.3

PPP协议的状态图(续1)设备之间无链路链路静止链路建立鉴别网络层协议链路打开链路终止物理链路LCP链路已鉴别的LCP链路已鉴别的LCP链路和NCP链路物理层连接建立LCP配置协商鉴别成功或无需鉴别NCP配置协商链路故障或关闭请求LCP链路终止鉴别失败LCP配置协商失败44第

3章内容提纲*3.1数据链路层概述*3.2点对点信道数据链路层的基本问题*3.3

点对点协议PPP*3.4广播信道的数据链路层*3.5

以太网

3.6

扩展的以太网

3.7高速局域网453.4广播信道的数据链路层

3.4.1局域网概述局域网使用一对多通信方式的广播信道，它所使用的传输技术不同于点对点通信。局域网是指在较小地理区域范围内，将计算机、数据通信设备通过通信线路互连在一起的通信网络。局域网的特点：覆盖的地域范围较小，一般在10km以内；通信速率较高，可达10～100Mb/s，甚至1Gb/s；通信时延小，通信误码率低，一般在10-8～10-11；通信方式灵活，既可单播，也可多播和广播；便于系统安装、扩展和维护；性能价格比较高。463.4.1局域网概述(续1)局域网的拓扑结构集线器星形网干线耦合器环形网匹配电阻总线网树形网

473.4.1局域网概述(续2)局域网使用的传输媒体双绞线同轴电缆光纤局域网的技术性能主要取决于拓扑结构、传输媒体和信道访问控制方式。以太网局域网市场中已占绝对优势，因此以太网已成为局域网的同义词。目前，局域网大都采用基带传输，提供单一的数据传输服务。宽带局域网既可传输数据，也可传输话音和图像，还可提供综合服务，有着宽阔的前景。483.4.2局域网参考模型1980年2月，IEEE成立了IEEE802委员会，重点研究要解决局部地区范围内的计算机联网问题。着重研究OSI/RM中的物理层和数据链路层。当时，局域网领域的典型技术与产品是Ethernet，TokenBus和TokenRing，另外还有其他许多制造商的局域网产品，它们在数据链路层和物理层采用的协议各不相同。IEEE802委员会制定一个公认的协议框架结构，对物理层和数据链路层提出进一步分层的概念。493.4.2局域网参考模型(续1)单个局域网的体系结构应包含物理层和数据链路层两个层次，它相当于OSI参考模型中的最低两层。当涉及局域网互连时，分组就必须经由多条链路才能到达目的站，此时需专门设立一个层次来完成网络层的功能，局域网称此为网际层。503.4.2局域网参考模型(续2)物理层分为两个子层：一个子层的位置接近于物理媒体，用来描述与给定传输媒体有关的物理层特性；另一个子层与数据链路层相邻，用来描述与传输媒体无关的物理层特性。数据链路层也分成两个子层，一个是媒体接入控制MAC(MediumAccessControl)子层，它与物理媒体有关；另一个是逻辑链路控制LLC(LogicalLinkControl)子层，它与传输媒体无关，起着屏蔽局域网类型的作用。数据链路层具有接入多种传输媒体的访问控制方法，

513.4.2局域网参考模型(续3)20世纪90年代后，局域网市场激烈竞争的场面渐趋明朗，以太网在局域网市场已占垄断地位。且因特网的发展使得TCP/IP体系经常使用的局域网标准是DIXEthernetV2，因此由IEEE802委员会制定的LLC子层（即IEEE802.2标准）的作用已不重要，人们不再关注LLC子层。

523.4.3IEEE802标准美国电气和电子工程师学会IEEE是最早从事局域网标准制订的机构。于1980年2月成立了802委员会(又称802课题组)，专门从事局域网和城域网标准研究和制订的机构。

802委员会下设多个工作组(802.1～802.12，802.14～802.17，802.20～802.21)，目前尚活跃的工作组只有7个。ISO对这些标准作了修改，并于1987年作为国际标准重新发布，其名称为IEEE8802。53第

3章内容提纲*3.1数据链路层概述*3.2点对点信道数据链路层的基本问题*3.3

点对点协议PPP*3.4

广播信道的数据链路层*3.5以太网

3.6

扩展的以太网

3.7高速局域网543.5以太网

3.5.1以太网概述总线局域网最初是由美国施乐(Xerox)公司的PaloAlto研究中心于1975年研制成功的。数据传输速率为2.94Mb/s，以无源电缆作为传输媒体，并以传播电磁波的以太(Enter)命名，故有“以太网”之称。1981年，Digital、Intel、Xerox三家公司合作提出了以太网规约。次年又修改成第二版，即DIXEthernetV2。1983年，802.3工作组于制订了第一个以太网标准IEEE802.3，其数据传输速率为10Mb/s，并使用CSMA/CD访问技术。目前以太网两种标准，即DIXEthernetV2和IEEE802.3。市场上流行的是前者。553.5.1以太网概述(续1)以太网的物理结构是总线型的，即把许多计算机(称为“主机”，“工作站”或“站”)都连接在一根总线上。当初认为这样的连接方法既简单又可靠，因为总线上没有有源器件。

B向

D发送数据

C

D

A

E匹配电阻(用来吸收总线上传播的信号)不接受不接受不接受B只有D

接受B

发送的数据接受563.5.1以太网概述(续2)以太网采用广播方式发送数据总线上的每一个工作的计算机都能检测到

B发送的数据信号。由于只有计算机

D的地址与数据帧首部写入的地址一致，因此只有D才接收这个数据帧。其他所有的计算机(A，C和E)都检测到不是发送给它们的数据帧，因此就丢弃这个数据帧而不能够收下来。具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。573.5.1以太网概述(续3)以太网采取的两项重要措施(1)采用较为灵活的无连接的工作方式，即不必先建立连接就可以直接发送数据。(2)以太网对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。这样做的理由是局域网信道的质量很好，因信道质量产生差错的概率是很小的。583.5.1以太网概述(续4)以太网提供的服务以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，其他什么也不做。差错的纠正由高层来决定。如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但以太网并不知道这是一个重传的帧，而是当作一个新的数据帧来发送。593.5.1以太网概述(续5)以太网可供选择的传输媒体有双绞线、同轴电缆（基带和宽带）和光纤。IEEE制定了一系列使用相应传输媒体的标准，并采用<数据率(Mb/s)><信令方式><最大网段长度>的记法。例如，10BASE5表示使用粗缆(直径为10mm，特性阻抗为50Ω)作为传输媒体的以太网。这里，“10”表示信号在电缆上的传送速率为10Mb/s，“BASE”表示电缆上传输是基带信号，“5”表示每一段电缆的最大长度为500m。(见表3-1)

603.5.1以太网概述(续6)常见以太网使用的线缆

以太网名称10Base510Base210Base-T10Base-F传输媒体粗同轴电缆（50W）细同轴电缆（50W）非屏蔽双绞线光纤对（850nm）信号编码（曼彻斯特编码）基带信号基带信号基带信号光信号拓扑结构总线总线星形星形单网段最大长度（m）5001851002000每网段站点数1003010241024最大网络长度（用转发器）25009252500－线缆直径10mm5mm0.4～0.6mm62.5/125m连接器类型DB－15BNC－TRJ－45－优点和适用场合现已弃用不需要集线器价格最便宜适用于楼宇间613.5.1以太网概述(续7)以太网使用曼彻斯特(Manchester)编码。编码规则：①把每一码元时间T分为前T/2和后T/2两个相等的时间间隔；②前T/2时间间隔传送该码元的反码，后T/2时间间隔传送该码元的原码；③如果发送的数据为“0”，则它的前T/2传送高电平，后T/2传送低电平。如果发送的数据为“1”，则它的前T/2传送低电平，后T/2传送高电平。623.5.1以太网概述(续8)曼彻斯特编码举例

基带数字信号曼彻斯特编码

码元1111100000出现电平转换曼彻斯特编码的优点：每个码元的电点都存在电平跳变，表示频谱中存在很强的定时分量，这有利于提取定时同步信号；每个码元内正负电平各占一半时间，故不含直流分量。缺点：效率较低，它所占用的频带宽度比原始的基带信号增加了一倍。

633.5.2MAC子层的地址和帧结构1、MAC子层的地址MAC子层地址是局域网上每一个站的编号或标识符，也就是计算机的硬件地址。IEEE802规定：网上每一个站都由网络管理员分配一个长度为48位的全局地址或者用户自行分配一个16位的局部地址。为使用户在买到网卡就能上网，用户可先设定一个16位网络地址。RAC是局域网全局地址的法定管理机构，它仅负责地址字段的前三个字节(即高24位)。后三个字节(即低24位)则由厂家自行指配。这就是MAC-48，其通用名称是EUI-48。643.5.2MAC子层的地址和帧结构(续1)IEEE802规定：地址字段第一字节的最低位I/G位是单播/多播位。I/G=0表示单站地址，

I/G=1表示组地址。第一字节的次低位G/L位是全球/局部位。G/L=0表示全球管理，G/L表示局部管理。请注意：对于地址字段字节最低位的认定，802.5和802.6标准将每一个字节的高位写在最左边，而802.3和802.4标准则将每一个字节的高位写在最右边。653.5.2MAC子层的地址和帧结构(续2)2、MAC帧的格式常用的以太网MAC帧有两种标准：DIXEthernetV2标准(即以太网V2标准)和IEEE802.3标准。这两个标准只有很少的差异。目前市场上流行的都是以太网V2标准。MAC层物理层帧起始定界符10101011前导码P字节目的地址

FCS源地址类型数据以太网V2MAC帧网络层646～150046271MAC帧发送在前1010101010┅1010101010IP数据报663.5.2MAC子层的地址和帧结构(续3)DIXEthernetV2标准规定：MAC帧由五个字段组成。MAC

帧物理层MAC

层IP

层以太网V2

MAC

帧目的地址源地址类型数据FCS6624字节46~1500IP

数据报目的地址字段6字节673.5.2MAC子层的地址和帧结构(续4)MAC

帧物理层MAC

层IP

层以太网V2MAC

帧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DIXEthernetV2标准规定：MAC帧由五个字段组成。683.5.2MAC子层的地址和帧结构(续5)DIXEthernetV2标准规定：MAC帧由五个字段组成。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。以太网V2MAC

帧693.5.2MAC子层的地址和帧结构(续6)MAC

帧物理层MAC

层IP

层以太网

V2MAC

帧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

DIXEthernetV2标准规定：MAC帧由五个字段组成。703.5.2MAC子层的地址和帧结构(续7)采用CRC-32，FCS字段4

字节MAC

帧物理层MAC

层IP

层以太网

V2

MAC

帧目的地址源地址类型数据FCS6624字节46~1500IP

数据报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数字节的填充字段，以保证以太网的MAC帧长不小于64字节。DIXEthernetV2标准规定：MAC帧由五个字段组成。713.5.2MAC子层的地址和帧结构(续8)在帧的前面插入的8字节中的第一个字段共7个字节，是前同步码，用来迅速实现MAC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MAC帧。MAC

帧物理层MAC

层IP

层以太网

V2

MAC

帧目的地址源地址类型数据FCS6624字节46~1500IP

数据报1010101010101010101010101010101011前同步码帧开始定界符7字节1字节…8字节插入为了达到比特同步，在传输媒体上实际传送的要比MAC帧还多8个字节723.5.2MAC子层的地址和帧结构(续9)MAC帧最小长度的规定：最小长度为64字节。对于10Mb/s以太网，相当于51.2s。MAC帧最小间隔为9.6s，相当于12字节。无效MAC帧：①帧的长度与数据长度字段不一致；②帧的长度不是整数个字节；③用帧校验序列FCS检验出差错的帧；④接收到的帧的数据字段长度不在46～1500字节范围内。对于无效MAC帧的处理：将其丢弃，发送端也不重传。733.5.3CSMA/CD协议以太网采用一种协调工作机制，称为载波监听多点接入/冲突检测CSMA/CD(CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetection)协议。“载波监听”指加接在以太网上的每个站在发送数据之前，先要检测总线上是否有其他站正在发送数据，如果有，就暂时不发送数据，以免发生冲突(常称“碰撞”)。“载波监听”只是用来表明检测总线上信号存在与否的一种技术手段。“多点接入”指计算机以多点接入的方式连接到同一根总线上。“冲突检测”指计算机边发送数据边检测总线上信号电压的变化情况。

743.5.3CSMA/CD协议(续1)如何进行冲突检测？“冲突检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小的变化情况。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，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了发送冲突。所谓“冲突”就是信号发生了碰撞。因此“冲突检测”也称为“碰撞检测”。753.5.3CSMA/CD协议(续2)检测到冲突后怎么办？当信号发生冲突时，总线上传输的信号产生了严重的失真，接收站就无法从中恢复出有用的信息。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重新执行发送操作。763.5.3CSMA/CD协议(续3)电磁波在总线上的产生冲突的原因是有限的传播速率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。773.5.3CSMA/CD协议(续4)传播时延对载波监听的影响1kmABt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为单程端到端传播时延注：电磁波在电缆中的传播速度只是在自由空间中的65％，即1km长电缆的传播时延约为5s。

78为单程端到端传播时延t=

B检测到信道空闲发送数据t=

/2发生碰撞AABAB

t=0A检测到信道空闲发送数据ABBt=B检测到发生碰撞停止发送STOPt=2

A检测到发生碰撞STOPAB1kmABt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=0793.5.3CSMA/CD协议(续6)几点结论使用

CSMA/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，一定存在着遭遇信号冲突的可能性。这种发送的不确定性使得整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率。803.5.3CSMA/CD协议(续7)强化冲突实现冲突检测的方法很多，如基于模拟技术的接收信号电平比较法、信号编码波形特征鉴别法和发/收同时进行的逐位比较法等。在实际应用中还要采用一种强化冲突的措施。当发送帧的站监听到冲突时，除了立即停止正常发送之外，还要继续发送若干比特(通常为32比特或48比特)的人为干扰信号(jammingsignal)

，以强化所发生的冲突，使得所有站都能确知现在已经发生了冲突。813.5.3CSMA/CD协议(续8)CSMA/CD强化冲突的示意图(B也能检测到冲突，但图中未绘出B发送的干扰信号)数据帧干扰信号TJABTBtB发送数据A检测到冲突出现冲突信道占用时间A发送数据B检测到冲突823.5.3CSMA/CD协议(续9)争用期若先发送数据帧的A站，在发送数据帧后最多要经过时间2(两倍的端到端往返时延)方可知道发送的数据帧是否遭遇到冲突。以太网的端到端往返时延2称为争用期(contentionperiod)或碰撞窗口。只有经过争用期这段时间而没有检测到冲突，才能肯定这次发送不再会发生冲突。争用期的长短与发送速率有关。以太网的争用期为51.2s。对于10Mb/s以太网，争用期内可发送512bit(64字节)称为最短有效帧长。否则将作为无效帧处理。以太网还规定了帧间最小间隔为9.6s，相当于

96比特时间。这样做是为了使刚刚收到数据帧的站的接收缓存来得及清理，做好接收下一帧的准备。

833.5.3CSMA/CD协议(续10)如何避免冲突？当检测到冲突之后，通信双方都要各自延迟一段随机的时间实行退避，然后再继续载波监听。由于退避时间是随机的，适配器又无记忆功能，一次冲突所涉及的两个站就不可能在下一次发送中再次发生冲突。为了使这种退避能保证系统的稳定，以太网采用一种称为截断二进制指数退避算法，来确定重发帧所需的时延。843.5.3CSMA/CD协议(续11)截断二进制指数退避算法①确定基本退避时间，它就是争用期。②从整数集合｛0，1，…，2k-1｝中随机取一整数，记为r。重传被推迟的时间是r倍的争用期。整数集合中的参数k，可按下式计算：

k=Min［重传次数，10］(3-4)

此式表明，当重传次数不超过10时，参数等于重传次数；当重传次数超过10时，参数就不再增大而一直等于10。③当重发次数达到16次仍不能成功时，则丢弃该帧，并向高层报告差错情况。853.5.3CSMA/CD协议(续12)截断二进制指数退避算法(续)若连续多次发生冲突，则表明可能有较多的站参与争用信道。使用上述退避算法可使重传需要推迟的平均时间随重传次数而增大(称为动态退避)，因而减小发生碰撞的概率，有利于整个系统的稳定。863.5.3CSMA/CD协议(续13)CSMA/CD协议的要点：(1)适配器从网络层获得一个分组，加上首部和尾部，组成以太网帧，放入适配器的缓存中，准备发送。(2)若适配器检测到信道空闲，就发送帧。若检测到信道忙，则继续检测并等待信道转为空闲，然后发送帧。(3)在发送过程中继续检测信道。若检测到碰撞，则在发送干扰信号后就中止数据的发送。(4)在中止发送后，适配器就执行指数退避算法，等待

r倍争用时间(512比特时间)后，返回到步骤(2)。873.5.4以太网的网卡网络适配器又称网络接口卡NIC(NetworkInterfaceCard，简称网卡)，是计算机接入局域网所必备的插卡式接口电路板。目前较新的计算机网卡是嵌入在主板上的。网卡的主要功能：进行串行/并行转换和数据装拆、进行曼彻斯特编/译码功能、数据缓冲管理、数据链路管理(即实现CDMA/CD协议)，以及在计算机的操作系统中安装设备驱动程序。网卡的主要技术参数为带宽、总线方式、电气接口方式等。网卡的接口类型有三种类型：AUI接口(粗缆)、BNC接口(细缆)和RJ-45接口(双绞线)。

883.5.1以太网的网卡(续1)计算机通过网卡与局域网进行通信硬件地址至局域网适配器(网卡)串行通信CPU和存储器生成发送的数据处理收到的数据把帧发送到局域网从局域网接收帧计算机IP地址并行通信893.5.1以太网的网卡(续2)典型以太网卡的原理框图

6CRC编码器CRC译码器曼彻斯特编码器发送移位寄存器接收移位寄存器发送缓冲区接收缓冲区发送控制器冲突检测电路冲突计数器延迟时间发生器随机数发生器曼彻斯特译码器发送电路接收电路媒体访问控制电路传输媒体主机总线MAC地址寄存器1234590第

3章内容提纲*3.1数据链路层概述*3.2点对点信道数据链路层的基本问题*3.3

点对点协议PPP*3.4

广播信道的数据链路层*3.5

以太网

3.6扩展的以太网

3.7高速局域网913.6扩展的以太网

3.6.1在物理层扩展以太网1、利用转发器扩展以太网局域网使用的传输媒体最初是粗同轴电缆，后来演进到使用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。因为信号在电缆上传输会产生衰减，所以对电缆长度有一定的限制。如细缆以太网为例，每段电缆的最大长度为185m。当实际网络的范围超过185m时，就要利用转发器(又称中继器)将两个网段连接起来。923.6.1在物理层扩展以太网(续1)转发器扩展的细缆以太网

两站点间最小距离为0.5mBNCT型连接器转发器933.6.1在物理层扩展以太网(续2)几点说明转发器工作在物理层，其作用是消除信号经过电缆所造成的失真和衰减，将其放大整形后再转发出去，以此来扩展网络的覆盖范围。用转发器连接起来的几个网段仍然属于一个局域网。一般情况下，转发器的两端连接的是相同的传输媒体，但有的转发器也可以完成不同媒体的转发工作。理论上使用转发器的个数是无限的，但实际上是不可能的。943.6.1在物理层扩展以太网(续3)利用转发器扩展局域网的一些具体使用规则项目10Base510Base2传输媒体粗同轴电缆（50W）细同轴电缆（50W）单网段长度（m）500185单网段最多站点数10030站点间最小距离（m）2.50.5最多网段数5（仅有3个网段可连接计算机）5（仅有3个网段可连接计算机）最大作用距离（m）2500925953.6.1在物理层扩展以太网(续4)2、利用集线器扩展局域网目前以太网的传输媒体一般都使用价格便宜、加接灵活的双绞线，构成星形结构。在星形的中心是一种可靠性非常高的集线器(hub)。由于集线器使用了VLSI芯片，因此集线器的可靠性很高。1990年IEEE制定出星形以太网

10BASE-T的标准

802.3i。每个站需要用两对无屏蔽双绞线（做在一根电缆内），分别用于发送和接收。双绞线的两端使用

RJ-45插头，其长度不超过100m。若要扩展主机与集线器之间的距离，最简单的方法是使用光纤，并在两端接上调制解调器。此时

主机与集线器之间的距离可达数公里之远。963.6.1在物理层扩展以太网(续5)集线器扩展的以太网实践证明，使用集线器比使用具有大量机械接头的无源粗缆或细缆更为可靠，这使电缆以太网退出市场。集线器站点RJ-45插头两对线最大长度100m(双绞线)/Xkm(光纤)利用集线器扩展以太网常采用堆叠式集线器973.6.1在物理层扩展以太网(续6)集线器的特点①使用集线器的局域网物理上是一个星形网，但逻辑上仍然是一个总线网，各站共享逻辑上的总线，执行CSMA/CD协议。

②集线器设有多个接口(如8～24个)，每个接口通过RJ-45插座用两对双绞线与一个工作站上的适配器相连。集线器就像一个多接口的转发器。③集线器工作在物理层，在转发信号时具有再生整形和重新定时功能，并进行自适应串音回波抵消。不进行冲突检测。983.6.1在物理层扩展以太网(续7)使用集线器的多级结构局域网存在的主要问题：所有用户共享带宽，每个用户的可用带宽随接入用户数的增加而减少，且不允许多个接口同时工作，因此不可能增加局域网的总吞吐量。中间集线器主干集线器三系一系二系10Mb/s10Mb/s10Mb/s10Mb/s993.6.2在数据链路层扩展以太网1、利用网桥扩展局域网网桥是一种存储型的转发设备，常用于局域网的互联。从实现协议和功能转换的角度，网桥工作在数据链路层，它根据接收到的帧的MAC地址进行转发，或者丢弃CRC检验存在差错的帧和无效帧，即具有帧过滤作用。网桥与集线器(或转发器)不同集线器在转发帧时，不对传输媒体进行检测。网桥在转发帧之前必须执行CSMA/CD算法。网桥不改变转发帧的源地址。1003.6.2在数据链路层扩展以太网(续1)网桥的内部结构缓冲区接口1接口2网络协议实体接口管理软件转发表LAN1LAN2网桥1013.6.2在数据链路层扩展以太网(续2)网桥的工作原理两个网桥之间还可使用一段点到点链路用户层IPMAC站1用户层IPMAC站2物理层网桥1网桥2AB①②③④⑤⑥⑦⑧⑨用户数据IP-HMAC-HMAC-TDL-HDL-T①⑨②⑧③④⑥⑦⑤物理层DLRMAC物理层物理层DLR物理层物理层LANLANMAC1023.6.2在数据链路层扩展以太网(续3)网桥需要处理的四个共性问题①必须对不同局域网的帧格式进行格式转换。②必须对不同的数据传输速率进行转换。③必须处理不同帧的最大长度。④必须进行帧的语义转换。

1033.6.2在数据链路层扩展以太网(续4)网桥带来的好处扩展了物理范围，增加了站的数目；可实现不同拓扑结构和传输媒体局域网的互联；通过帧过滤平滑通信流量，改善了网络性能；便于隔离故障，提高网络的可靠性。B2B1碰撞域碰撞域碰撞域ABCDEF网桥使各网段成为隔离开的碰撞域

1043.6.2在数据链路层扩展以太网(续5)网桥带来的问题通过存储帧和查找转发表会增加时延；MAC子层无流量控制功能，可能会出现帧的丢失现象；只适用于用户不太多和通信量不太大的场合，否则会引起过多的广播信息而产生网络拥塞(即所谓广播风暴)。1053.6.2在数据链路层扩展以太网(续6)(1)透明网桥透明网桥(transparentbridge)是目前使用得最多的网桥。它是一种即插即用设备，其标准是IEEE802.1D。“透明”是指网桥对局域网上的各站是看不见的，但网桥所选择的路由并非是最佳路由，因而不能有效地利用网络带宽和均衡网络负载。

透明网桥采用逆向学习算法（backwardlearning）来建立并维护转发表。1063.6.2在数据链路层扩展以太网(续7)逆向学习算法的基本思路当网桥从接口

x接收到来自某个站A的帧，那么网桥也一定可以沿着相反方向通过这个接口把接收到的帧送回到同一站A。当网桥收到一个帧时，就记录帧中的源地址和进入网桥的接口号，作为转发表的一个表项内容。应注意：此时把记录在转发表相应表项中的源地址当作目的地址，而把当时进入网桥的接口号当作转发接口。1073.6.2在数据链路层扩展以太网(续8)透明网桥使用生成树算法在一对局域网之间允许使用多个透明网桥，以提高网络的可靠性。但此时应避免帧在传送过程中沿闭合环路兜圈子的问题。局域网2局域网1网桥2网桥1

AFF2④F1③不停地兜圈子A发出的帧⑤网桥1转发的帧⑥网桥2转发的帧①②网络资源白白消耗了1083.6.2在数据链路层扩展以太网(续9)生成树的建立每隔几秒钟每一个网桥要广播其标识号和它所知道的其他所有在网上的网桥。标识号是由生产网桥的厂家设定的一个唯一的序号。生成树算法选择一个网桥作为生成树的根(例如，选择一个最小序号的网桥)，然后以最短路径为依据，找到树上的每一个结点。当互连局域网的数目非常大时，生成树的算法很花费时间。这时可将大的互连网划分为多个较小的互连网，然后得出多个生成树。1093.6.2在数据链路层扩展以太网(续10)(2)源路由网桥源路由网桥是由发送帧的源站负责路由的选择。源站为了找到合适的路由，源站以广播方式向目的站发送一个探询帧，该探询帧在传送过程中将记录下它所经历的路由。当帧到达目的站时，又各自沿原路返回。源站在得知这些路由后，可从中选择一条最佳路由作为以后通信的路由。这条详细的路由信息将反映在帧的首部当中。以广播方式获得的路由也不允许存在兜圈子现象。源路由网桥的最大优点是选择了最佳路由，较好地使用网络资源，均衡网络负载。其缺点是可能造成帧的兜圈子现象，增加了主机的负担。1103.6.2在数据链路层扩展以太网(续11)透明网桥与源路由网桥的性能比较

性能透明网桥源路由网桥服务类型无连接服务面向连接服务对主机的透明性完全透明不透明网桥的使用管理自动管理人工管理选择路由的最佳性不一定是最佳路由可选最佳路由故障处理由网桥进行由主机进行网桥结构的复杂性较复杂较复杂1113.6.2在数据链路层扩展以太网(续12)2、利用交换机扩展局域网1990年问世的交换式集线器，常称为以太网交换机(switch)或第二层交换机(表明工作在数据链路层)。它也是一种即插即用设备，其内部的转发表也是通过逆向学习算法自动建立的。

以太网交换机通常都有十几个接口。因此，以太网交换机实质上就是一个多接口的网桥。1123.6.2在数据链路层扩展以太网(续13)以太网交换机的特点①拥有N对接口的交换机的总容量为

N10Mb/s。②从总线式局域网或集线器式局域网转换成交换机式局域网，不需要对所有接入设备的软件和硬件作任何改动。③交换机式局域网的扩充非常容易，通过增加交换机的容量，就可接入新的设备。④以太网交换机一般都具有多种速率(如10Mb/s，100Mb/s和1Gb/s等)的接口，这就便于满足各种不同类型用户的需要。1133.6.2在数据链路层扩展以太网(续14)以太网交换机的转发方式

①直通式。输入接口在接收帧的同时，并不对其进行缓存处理，而是立即按数据帧的目的MAC地址决定该帧的转发接口，从而完成交换功能。②存储转发式。输入接口接收帧将其缓存，并进行差错检测滤去无效帧，对正确帧取其目的地址，通过内部地址表确定其相应的输出接口转发该帧。③无碎片直通式。碎片是指发送信息过程中由于冲突而产生的残缺不全的无用帧(残帧)。采用先进先出FIFO工作方式，检查帧的长度，仅转发大于64字节的帧。④混合式。集前三种之优点，设计出自适应交换机。1143.6.2在数据链路层扩展以太网(续15)虚拟局域网VLAN(VirtualLAN)在交换机式局域网的基础上，利用增值软件可以组建一个跨越不同物理局域网段、不同类型网络站点属于同一逻辑局域网段而形成同一个虚拟工作组，这就构成了虚拟局域网。VLAN是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组，而这些网段具有某些共同的需求。每一个VLAN的帧都有一个明确的标识符，指明发送这个帧的工作站是属于哪一个VLAN。虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务，而并不是一种新型局域网。115以太网交换机A4B1以太网交换机VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太网交换机以太网交换机三个虚拟局域网VLAN1,VLAN2和VLAN3

的构成116以太网交换机A4B1以太网交换机VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太网交换机以太网交换机三个虚拟局域网VLAN1,VLAN2和VLAN3

的构成当B1

向VLAN2

工作组内成员发送数据时，工作站B2和B3将会收到广播的信息。117以太网交换机A4B1以太网交换机VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太网交换机以太网交换机三个虚拟局域网VLAN1,VLAN2和VLAN3

的构成B1发送数据时，工作站A1,A2和C1都不会收到B1发出的广播信息。118以太网交换机A4B1以太网交换机VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太网交换机以太网交换机三个虚拟局域网VLAN1,VLAN2和VLAN3

的构成虚拟局域网限制了接收广播信息的工作站数，使得网络不会因传播过多的广播信息(即“广播风暴”)而引起性能恶化。1193.6.2在数据链路层扩展以太网(续20)IEEE802.1Q标准定义了支持虚拟局域网的以太网帧格式虚拟局域网协议允许在以太网的帧格式中插入一个4字节的标识符，称为

VLAN标记(tag)，用来指明发送该帧的工作站属于哪一个虚拟局域网。以太网V2MAC

帧字节66246~15004MAC帧目地地址源地址长度数据FCS长度/类型=802.1Q

标记类型

标记控制信息

1000000100000000

VID

2字节2字节插入4字节的

VLAN

标记4用户优先级规范格式指示符CFI1203.6.2在数据链路层扩展以太网(续21)VLAN的组网方法①基于交换机端口的VLAN②基于MAC地址的VLAN③基于网络层地址的VLAN④基于IP组播VLAN虚拟局域网的优点主要是便于网络用户的管理，提供了更好的安全性，以及改善了网络服务质量。

121第

3章内容提纲*3.1