3第三章 数据链路层.ppt

1、第三章 数据链路层,自动化系匡畅,本章内容,数据链路层的概述 数据链路的帧 数据链路的功能（三大问题） 点对点协议PPP PPP协议概述 PPP协议帧格式 PPP协议工作状态,本章内容（续）,局域网和以太网 局域网的拓扑结构 以太网的两个标准 适配器的作用 CSMA/CD协议 以太网的MAC层,本章内容（续）,以太网的扩展 在物理层扩展：集线器 在数据链路层扩展：网桥 典型以太网,数据链路层的概述,数据链路层的信道主要有以下两种类型： 点对点信道这种信道使用一对一的点对点通信方式。 广播信道这种信道使用一对多的广播通信方式，因此过程比较复杂。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

2、协议来协调这些主机的数据发,数据链路层的概述,数据链路层的传输单元-帧,IP 数据报,1010 0110,帧,取出,数据 链路层,网络层,链路,结点 A,结点 B,物理层,数据 链路层,结点 A,结点 B,(a),(b),发送,接收,链路,IP 数据报,1010 0110,帧,装入,数据链路层的概述,数据链路层的基本问题： 如何控制帧在信道上传输； 如何进行差错控制和数据同步； 如何建立的收发双方通信连接。 数据链路层的三个基本功能： (1) 封装成帧 (2) 透明传输 (3) 差错控制,数据链路层的概述,封装成帧 封装成帧(framing)就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部，然后就构成了

3、一个帧。确定帧的界限。 为什么要封装成帧？ （1）统一的信息格式 （2）便于管理与同步 （3）可以添加控制信息（差错、流量）,数据链路层的概述,帧的一般格式： 首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界。 中间是帧的信息部分，有长度限制。,帧结束,帧首部,IP 数据报,帧的数据部分,帧尾部,数据链路层的帧长,开始 发送,帧开始, MTU,数据链路层的概述,用控制字符进行帧定界的方法举例 这里我们以二进制同步通信协议（BSC）为例。 BSC是IBM公司最早提出的面向字符同步的协议，最后ANSI和ISO也都提出了类似的标准。 BSC使用的信息编码是ASCII码控制编码则是自定的编码，例如：SOH：报文

4、报头开始EOT：报文结束，拆除链路,SOH,装在帧中的数据部分,帧,帧开始符,帧结束符,发送在前,EOT,数据链路层的概述,透明传输 定义：就是无论什么样排列的代码都可以在信道中传输，这样的数据对于收发控制端而言是透明的。 用一个例子来理解：,SOH,EOT,出现了“EOT”,被接收端当作无效帧而丢弃,被接收端 误认为是一个帧,数据部分,EOT,完整的帧,发送 在前,数据链路层的概述,实现透明传输的几种方法 （1）使用字符填充的首尾定界符法 用特定字符来界定一帧的起始于终止（如BSC规程）。这些特殊字符依赖于字符的编码集，兼容性较差。 例子：单片机聊天室的软件 这种方式称为“字节填充法”或“字

5、符填充法”,数据链路层的概述,字节填充法举例 发送端的数据链路层在数据中出现控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入一个转义字符“ESC”(其十六进制编码是 1B)。 是否完全解决透明传输问题了呢？若数据部分出现“ESC”怎么办？ 如果转义字符也出现数据当中，那么应在转义字符前面插入一个转义字符。当接收端收到连续的两个转义字符时，就删除其中前面的一个。,数据链路层的概述,字节填充法举例（续）,SOH,SOH,EOT,SOH,ESC,ESC,EOT,ESC,SOH,ESC,ESC,ESC,SOH,原始数据,EOT,EOT,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

6、前,帧开始符,帧结束符,SOH,数据链路层的概述,实现透明传输的几种方法（续） （2）使用比特填充的首尾标志法 使用特定的比特模式（如01111110）来标志一帧的起始于终止。如果出现如果数据中出现连续5个“1”，则在最后一个“1”后加一个“0”，然后再发送。接收端收到后则自动删除多加的“0”。 我们成这种方式为“零比特填充”,数据链路层的概述,零比特填充举例,0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0,0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 0,0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0,信息字段中出现了和 标志

7、字段 F 完全一样 的 8 比特组合,发送端在 5 个连 1 之后 填入 0 比特再发送出去,在接收端把 5 个连 1 之后的 0 比特删除,会被误认为是标志字段 F,发送端填入 0 比特,接收端删除填入的 0 比特,数据链路层的概述,实现透明传输的几种方法（续） （3）违法编码 在物理层采用特定的比特编码方法。例如数据采用的是曼彻斯特编码，这时控制编码采用全高和全低的不归零码，这些不归零码对于曼彻斯特编码而言是违法的。,数据链路层的概述,实现透明传输的几种方法（续） （4）字节计数法 使用一个特殊字符表示帧的开始，然后用一个专门的字段来表明帧内的字节数，也就是这一帧的长度。 数字数据通信报文

8、协议DDCMP帧格式： 这个帧格式可变的只有数据部分，长度最长为8*（214）-1）= 131064，长度必须为8的整数倍。 双重校验的原因是，如果Count出错，则整个帧都会出现错误（丢失或多出一些字节），而不仅仅是数据部分。,数据链路层的概述,差错检测 差错检测的方法很多，常用的是利用信道编码进行差错检测。 信道编码的基本思想是在传输的信息中加入一些冗余码，或叫做监督吗。它与被传送的信息有一定关系（规律），利用这些关系（规律），我们可以判断信息的正误从而纠正他们。,数据链路层的概述,检错、纠错的原理： 案例一： 设发送端发送A、B两个消息，此时我们采用一位编码，即1表示A，0表示B。 如果

9、在发送过程中发生误码，将1错成0，将0错成1，由于1和0都是发送的码元，接收端无法判断收到的信息是否正确。 因此这种方法没有检错纠错能力。,数据链路层的概述,检错、纠错的原理（续）： 案例二： 若在上诉案例中增加一位监督码元，且增加码元与信息码元相同，即用11表示A，用00表示B。 如果在传输过程中发生一位错误，出现了10或01，此时接收端就可以发现这种错误，因为发送端不可能发送01或10。 但是此时发送端无法纠正这种错误，当接收到10或01时，接收端无法确定发送端要发的是11还是00。,数据链路层的概述,检错、纠错的原理（续）： 案例三： 若在上诉案例中再增加一位监督码元，一共是三位监督码元

10、，监督码元和信息码元依然一样，此时我们用111表示A，用000表示B。 这时如果传输过程中出现一位错误，110或001或101或010等等，此时接收端不但可以检查出是否出错，而且还可以根据错码与000,111的相似程度还原纠正错误的码元。 但如果出现了两位错误，此时虽然接收端可以判断出信息出错，但是此时纠错的话会导致纠错错误。,数据链路层的概述,奇偶校验 （1）垂直奇偶校验（常规奇偶校验） 奇偶校验的原理： 在数据后面加1位，作为奇偶校验位。比如ASCII编码一共7位，再加一位奇偶校验码，共8位。 通过控制校验位，可以改变数据中“1”码的个数，因此来判断正误。 因此奇偶校验又可以分为: 偶校验

11、：数据中“1”码的个数永远为偶数个。 奇校验：数据中“1”码的个数永远为奇数个。,数据链路层的概述,奇偶校验（续） （1）垂直奇偶校验（常规奇偶校验）（续） 垂直奇偶校验的例子 偶校验：1101 001 0 奇校验：1010 000 1 能检出所有奇数位错误，漏检率=1/2。,数据链路层的概述,奇偶校验（续） （2）水平奇偶校验（加强奇偶校验） 例子：发送3组3位的信息 对于垂直奇偶校验，每组信息加一位，共4位3组信息。 对于水平奇偶校验，每组不加任何位，发送3组信息后再发送一组完全又奇偶校验位组成的信息，分别对应每组信息的第一位、第二位和第三位。 水平奇偶校验的检测率较垂直的高；但是检错时间

12、较长，必须收到校验帧才能开始检错。,数据链路层的概述,奇偶校验（续） （3）水平垂直奇偶校验（方块校验） 方块校验的方法集合了水平和垂直两种方法，其优点是检错率更高，还可以纠正1位错码。 但是检错时间依然较长。 必然能检出4位以下的错误、奇数位错误及一大部分偶数位错误。,数据链路层的概述,循环冗余检验 奇偶校验漏检率较高，不适合计算机网络，在计算机网络中的数据链路层广泛还用的是循环冗余CRC校验，CRC码也称为多项式码。 编码概述： （1）二进制数与多项式的关系 任何二进制码组都可以唯一的对应一个系数为0或1的多项式。 例如：,数据链路层的概述,（2）信息码的组成 我们将要发送的信息的多项式设

13、为T(X)； T(X)由两部分组成，分别是信息位K(X)和冗余位R(X)，其中冗余位用于检测信息是否出错。 例如： 信息位：1011001K(X)= X6 +X4 +X3 +1 冗余位：1010R(X)= X3 +X 信息码：10110011010T(X)= X4 K(X)+R(X) = X10 +X8 +X7+ X4 +X3 +1,数据链路层的概述,（3）发送信息流程： 1.发送信息前，收发双发必须约定一个大家都知道的生成多项式G(X)。 2.发送端先把数据划分为组，假定每组k个比特位（信息位）。然后在信息位后加上n位冗余码一起发送，共k+n位。 例如：1011001（k=7）；这里设 n=

14、4 。 3.求冗余位R。这里用Xn乘以信息位，相当于在信息位后补n个零。然后用得到的结果除以G(X)，得到的余数就是要求的冗余位R。 注意：这里采用的是模2运算,数据链路层的概述,模2运算： 0+0=00+1=11+0=11+1=00-0=00-1=11-0=11-1=0 这里求出R=1010，就将R替换后补的零，然后发送信息。,数据链路层的概述,（4）接受信息流程： 1.接受端收到信息后就直接将收到的信息除以G(X)，这里还是使用模2运算。 2.如果得到的余数是0，说明收到的结果没有出错； 3.如果得到的余数是1，说明收到的结果出现错误。 思考一下：为什么可以检错？可靠吗？ CRC的特点：

15、可检出所有奇数位错误； 可检出所有双比特错误；,数据链路层的概述,常用的CRC生成多项式 可以看出，生成多项式G(X)位数越多，校验能力越强。 目前广泛使用的有以下四种： （1）CRC12 =X12 + X11 + X3 + X2 + 1 （2）CRC16 =X16 + X15 + X2 + 1（IBM） （3）CRC16 =X16 + X15 + X5 + 1（ITU） （4）CRC32 =X32 + X26 + X23 + X22 + X16 + X11 + X10 + X8 + X7 + X5 + X4 + X2 + X + 1,点对点协议PPP,PPP协议的概述 早期通信线路质量很差，

16、曾广泛使用一种叫高级数据链路控制HDLC的数据链路层协议。 对于点对点链路，HDLC目前已经很少使用了，现在使用较多的是简单得多的PPP协议。 PPP协议的典型案例就是用户调制解调器和远端路由器之间的拨号连接。,用 户,至因特网,已向因特网管理机构 申请到一批 IP 地址,ISP,接入网,PPP 协议,点对点协议PPP,PPP协议的特点 简单：没有流量控制，没有纠错功能。 封装成帧 透明性 支持多种网络层协议 支持多种链路 差错检测 能够检测连接状态 控制最大传输单元,点对点协议PPP,PPP协议没有的功能 纠错：PPP协议不提供可靠服务 流量控制：在TCP/IP中，只有运输层负责 序号 多点

17、线路 半双工或单工链路：PPP只支持全双工链路,点对点协议PPP,PPP的帧格式： 标志字段 F = 0 x7E ，这是帧的定界符，表示帧开始与结束。（符号“0 x”表示后面的字符是用十六进制表示。十六进制的 7E 的二进制表示是 01111110）。,IP 数据报,1,2,1,1,字节,1,2,不超过 1500 字节,PPP 帧,先发送,7E,FF,03,F,A,C,FCS,F,7E,协议,信 息 部 分,首部,尾部,点对点协议PPP,PPP的帧格式（续）： 地址字段 A 的值为 0 xFF，控制字段 C 通常置为 0 x03。 这两个字段实际上并不起作用，因为没有规定具体的意义。,IP 数

18、据报,1,2,1,1,字节,1,2,不超过 1500 字节,PPP 帧,先发送,7E,FF,03,F,A,C,FCS,F,7E,协议,信 息 部 分,首部,尾部,点对点协议PPP,PPP的帧格式（续）： PPP 是面向字节的，所有的 PPP 帧的长度都是整数字节，1字节 = 8位二进制。,IP 数据报,1,2,1,1,字节,1,2,不超过 1500 字节,PPP 帧,先发送,7E,FF,03,F,A,C,FCS,F,7E,协议,信 息 部 分,首部,尾部,点对点协议PPP,PPP的帧格式（续）： PPP 有一个 2 个字节的协议字段。 （1）当协议字段为 0 x0021 时，PPP 帧的信息字

19、段就是IP 数据报。 （2）若为 0 xC021, 则信息字段是 PPP 链路控制数据。 （3）若为 0 x8021，则表示这是网络控制数据。,IP 数据报,1,2,1,1,字节,1,2,不超过 1500 字节,PPP 帧,先发送,7E,FF,03,F,A,C,FCS,F,7E,协议,信 息 部 分,首部,尾部,点对点协议PPP,PPP的帧格式（续）： PPP 是面向字节的，所有的 PPP 帧的长度都是整数字节，1字节 = 8位二进制。,IP 数据报,1,2,1,1,字节,1,2,不超过 1500 字节,PPP 帧,先发送,7E,FF,03,F,A,C,FCS,F,7E,协议,信 息 部 分,

20、首部,尾部,点对点协议PPP,PPP的帧格式（续）： 信息字段的长度可变，但不能超过1500字节。 FCS字段是检验和字段，负责差错检测。,IP 数据报,1,2,1,1,字节,1,2,不超过 1500 字节,PPP 帧,先发送,7E,FF,03,F,A,C,FCS,F,7E,协议,信 息 部 分,首部,尾部,点对点协议PPP,PPP协议的透明传输 字节填充 当PPP使用异步传输时，转移字符定义为0 x7D。 （1）把信息字段中的每一个0 x7E换成（0 x7D，0 x5D） （2）若信息字段出现了（0 x7D，0 x5D），则将第一个0 x7D换成（0 x7D，0 x5D） （3）若信息字段出

21、现了（0 x7D，0 x5D），则会转变成（0 x7D，0 x5D，0 x5D），不会影响结果,点对点协议PPP,PPP协议的透明传输（续） 零比特填充 PPP 协议用在 SONET/SDH 链路时，是使用同步传输，这时 PPP 协议采用零比特填充方法来实现透明传输。,0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0,0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 0,0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0,信息字段中出现了和 标志字段 F 完全一样 的 8 比特组合,发送端在 5 个连 1 之后 填入 0 比特再发送出去,

22、在接收端把 5 个连 1 之后的 0 比特删除,会被误认为是标志字段 F,发送端填入 0 比特,接收端删除填入的 0 比特,点对点协议PPP,异步传输 异步传输（Asynchronous Transmission）： 异步传输将比特分成小组进行传送，小组一般是8位的1个字符或更长。发送方可以在任何时刻发送这些比特组，而接收方从不知道它们会在什么时候到达。 由于异步传输的接收方并不知道数据会在什么时候到达。因此，每次异步传输的信息都以一个起始位开头，它通知接收方数据已经到达了，这就给了接收方响应、接收和缓存数据比特的时间；在传输结束时，一个停止位表示该次传输信息的终止。,点对点协议PPP,异步传

23、输（续） 按照惯例，空闲（没有传送数据）的线路实际携带着一个代表二进制1的信号，异步传输的开始位使信号变成0，其他的比特位使信号随传输的数据信息而变化。最后，停止位使信号重新变回1，该信号一直保持到下一个开始位到达。 异步传输的特点： （1）实现比较容易， （2）计时的漂移不会产生大的积累 （3）开销较大，总的传输负载就增加25% （4）常用于低速设备。,点对点协议PPP,同步传输 同步传输（Synchronous Transmission）：同步传输的比特分组要大得多。它不是独立地发送每个字符，每个字符都有自己的开始位和停止位，而是把它们组合起来一起发送。我们将这些组合称为数据帧，或简称为帧

24、。 数据帧的第一部分包含一组同步字符，它是一个独特的比特组合，类似于异步传输的起始位，用于通知接收方一个帧已经到达，但它同时还能确保接收方的采样速度和比特的到达速度保持一致，使收发双方进入同步。帧的最后一部分是一个帧结束标记。与同步字符一样，它也是一个独特的比特串，类似于前面提到的停止位，用于表示在下一帧开始之前没有别的即将到达的数据了。,点对点协议PPP,同步传输（续） 同步传输通常要比异步传输快速得多。接收方不必对每个字符进行开始和停止的操作。一旦检测到帧同步字符，它就在接下来的数据到达时接收它们。另外，同步传输的开销也比较少。 例如，一个典型的帧可能有500字节（即4000比特）的数据，

25、其中可能只包含100比特的开销（同步、首尾部）。这时，增加的比特位使传输的比特总数增加2.5%，这与异步传输中25 %的增值要小得多。,点对点协议PPP,同步传输（续） 帧的长度必须有所限制：缓存数据所需要的缓冲区的大小限制了一个帧的大小。帧越大，它占据传输媒体的连续时间也越长。在极端的情况下，这将导致其他用户等得太久。 同步传输方式中发送方和接收方的时钟是统一的、字符与字符间的传输是同步无间隔的。异步传输方式并不要求发送方和接收方的时钟完全一样，字符与字符间的传输是异步的。,点对点协议PPP,异步传输与同步传输的区别： 1,异步传输是面向字符的传输，而同步传输是面向比特的传输。 2,异步传输

26、的单位是字符而同步传输的单位是帧。 3,异步传输通过字符起止的开始和停止码抓住再同步的机会，而同步传输则是以数据中抽取同步信息。 4,异步传输对时序的要求较低，同步传输往往通过特定的时钟线路协调时序。 5,异步传输相对于同步传输效率较低。,点对点协议PPP,PPP协议的工作状态 在未进行拨号连接时，链路处于静止状态。 当用户拨号时，调制解调器请求建立一条物理连接。,点对点协议PPP,PPP协议的工作状态 连接建立后，PC开始进行LCP配置。 即： （1）线路配置 （2）用户认证 （3）网络配置 最后打开链路。,局域网,局域网的拓扑结构 什么是拓扑结构？ 把实际的东西抽象成与其大小无关的“点”与

27、“线”，进而研究点、线、面之间的图形关系。说白了，就是计算机网络的分布简化图，每一种分布都有其传输特点。,星形拓扑 优点： （1）控制简单：只有一个控制节点 （2）故障诊断和隔离容易：除中心节点外，其他节点对网络通信没有重要影响 （3）方便服务：服务都来自中心节点 缺点： （1）安装工作量和电缆长度 （2）中央节点是网络瓶颈 （3）除中心节点外，其他节点处理能力较低,局域网,总线形拓扑 优点： （1）电缆数少 （2）结构简单 （3）易于扩充 缺点： （1）总线传输距离有限 （2）故障诊断和隔离较难 （3）不具备实时性，必须要有访问控制功能,局域网,环形拓扑 优点： （1）电缆长度短 （2）适合

28、使用光纤（其他的也可以） （3）访问公平，性能稳定 缺点： （1）一个节点故障殃及全网 （2）增减节点麻烦、复杂 （3）采用令牌控制方式，利用率较低,局域网,树形拓扑 类似于星形结构 网形拓扑 结构最复杂，多种结构的集合,局域网,局域网,以太网的两个标准 最早由Xerox（施乐）公司创建，于1980年DEC、lntel和Xerox三家公司联合开发的一种局域网。 DIX Ethernet V2 是世界上第一个局域网产品（以太网）的规约。 IEEE 随后基于DIX Ethernet V2 制定了国际标准 802.3 标准。 DIX Ethernet V2 标准与 IEEE 的 802.3 标准只有

29、很小的差别。严格说来，“以太网”应当是指符合 DIX Ethernet V2 标准的局域网。,局域网,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,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 Eth

30、ernet 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。,局域网,网络适配器 网络接口板又称为通信适配器(adapter)或网络接口卡 NIC (Network Interface Card)，或“网卡”。 适配器的重要功能： 进行串行/并行转换。 对数据进行缓存。 在计算机的操作系统安装设备驱动程序。 实现以太网协议。,局域网,计算机通过适配器和局域网进行通信,硬件地址,至局域网,适配器 （网卡）,串行通信,CPU 和 存储器,

31、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,CSMA/CD 协议,以太网是广播方式网络 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。,C,D,A,E,B,CSMA/CD 协议,以太网采用以下两种措施： （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；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。 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

32、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。,CSMA/CD 协议,CSMA/CD 协议（续） （2）以太网发送的数据都使用曼彻斯特(Manchester)编码。 方便接收端提取信号的同步信息。,基带数字信号,曼彻斯特编码,码元,1,1,1,1,1,0,0,0,0,0,出现电平转换,CSMA/CD 协议,载波监听多点接入/碰撞检测（CSMA/CD） “多点接入”（MA） 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”（CS） 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”。

33、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。,CSMA/CD 协议,“碰撞检测”（CD） 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，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”,CSMA/CD 协议,“碰撞检测”（CD）（续） 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

34、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。,CSMA/CD 协议,CSMA/CD的工作流程 综上所述，可见CSMA/CD的工作流程大致为： （1）发送信息前先检测是否空闲或碰撞 （2）若没有出现，则一边发送信息，一边监听碰撞 （3）若发生碰撞，就立即停止信息发送 虽然CSMA/CD在发送信息之前信道已经是空闲了，为什么还会出现碰撞呢？ 这是由于信道传播时延造成的。,1 km,A,B,t,t = B 检测到信道空闲 发送数据,t = / 2 发生碰撞,A,B,A,B,t = 0 A 检测到 信道空闲 发送数据,A,B,t = 0,A,B,单程端到端 传播时延记为,CS

35、MA/CD 协议,可以看出 CSMA/CD 的几个特点 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，存在着遭遇碰撞的可能性，它取决于站到站的距离。 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。 我们常把总线上端到端的传播时延记为，往返时延就是2。 如果信息在2时间内都没有发生碰撞，就一定不会发生碰撞。因此，以太网常把2称为争用期或碰撞窗口。,CSMA/CD 协议,二进制指数类型退避算法 以太网使用二进制指数类型退避算法来解决碰撞问题。它的工作流程是： 发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟

36、（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（整数） ，k 10，k的取值为： k = Min重传次数, 10（k大于10后就一直为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。,CSMA/CD 协议,争用期的长度 一般而言，电磁波在1km的电缆中传输，需要约5s。 以太网取 51.2s 为争用期的长度，即端到端需要25.6s，对于 10 Mb/s 以太网，在争用期内可发送512 bit，即 64 字节。这里考虑到了转发器

37、和强化碰撞的延时。 最短有效帧长 由于一检测到冲突就立即中止发送，这时已经发送出去的数据一定小于 64 字节。 以太网规定了最短有效帧长为 64 字节，凡长度小于 64 字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。,CSMA/CD 协议,转发器（Repeater） 也叫中继器，是局域网环境下用来延长网络距离的最简单最廉价的网络互联设备，工作在OSI的物理层，中继器对在线路上的信号具有放大再生的功能，用于扩展局域网网段的长度(仅用于连接相同的局域网网段)。,CSMA/CD 协议,强化碰撞 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32或48比特的人为干扰信号(jamming

38、 signal)，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。,CSMA/CD 协议,以太网规定帧与帧之间的最小间隔为9.6us，这是为了让接收端来得及处理接受缓存中的信息。 CSMA/CD要点综述： 适配器从网络层获得分组，加上以太网的首尾部组成帧，放在适配器的发送缓存中准备发送。 适配器检测信道空闲（即96us内务信号），则发送这个帧。若信道忙，则等待信道空闲（加上9.6us），然后发送这个帧。 发送过程中继续检测信道，若无碰撞就一直发完。若出现碰撞就终止发送，并发送人为干扰。 终止发送后，适配器就开始执行指数退避算法，等待r倍51.2us后，重新检测信道是否空闲。,星形以太网,使用集线器的星

39、形拓扑 传统以太网最初是使用粗同轴电缆，后来演进到使用比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。 这种以太网采用星形拓扑，在星形的中心则增加了一种可靠性非常高的设备，叫做集线器(hub),集线器,两对双绞线,站点,RJ-45 插头,星形以太网,星形网 10BASE-T 的特点 不用电缆而使用无屏蔽双绞线。每个站需要用两对双绞线，分别用于发送和接收。 集线器使用了大规模集成电路芯片，因此这样的硬件设备的可靠性已大大提高了。 10BASE-T 的通信距离稍短，每个站到集线器的距离不超过 100 m。 这种 10 Mb/s 速率的无屏蔽双绞线星形网的出现，既降低了成本，又提高了可靠

40、性。 10BASE-T 双绞线以太网的出现，是局域网发展史上的一个非常重要的里程碑，它为以太网在局域网中的统治地位奠定了牢固的基础。,星形以太网,集线器（Hub） 集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线的工作，因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行。 使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各工作站使用的还是 CSMA/CD 协议，并共享逻辑上的总线。 集线器很像一个多接口的转发器（中继器），工作在物理层。,集 线 器,网卡,工作站,网卡,工作站,网卡,工作站,双绞线,以太网的 MAC 层,MAC 层的硬件地址 在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或 MAC 地址。 MAC地址其实就是网络

41、适配的标识符或编号，它固存在网卡中，用于互相识别。 MAC地址一共由48个二进制数构成。,以太网的 MAC 层,48 位的 MAC 地址的产生 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)，我们称之为公司标识符 OUI。 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。 “MAC地址”实际上就是适配器地址或适配器标识符EUI-48。 OUI不能代表公司，因为一个大公司可能购买多个OUI；多个小公司可能合伙购买一个OUI。,以太网的 MAC 层,适配器检查 MAC 地址 适配器从网络上每收到一

42、个 MAC 帧就首先用硬件检查 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）,以太网的 MAC 层,MAC 帧的格式 常用的以太网MAC帧格式有两种标准 ：（1）DIX Ethernet V2 标准（2）IEEE 的 802.3 标准 这里介绍的是 DIX Ethernet V2 标准的帧格式,以太网 MAC 帧,物理层,MAC层,10101010101010 1010

43、1010101010101011,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,FCS,6,6,2,4,字节,46 1500,MAC 帧,以太网的 MAC 层,MAC 帧的格式（续）,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,目的地址字段 6 字节,源地址字段 6 字节,以太网的 MAC 层,MAC 帧的格式（续）,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,类型字段 2 字节,以太网的 MAC 层,MAC 帧的格式（续）,数据字段的正式名称是

44、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,数据字段 46 1500 字节,以太网的 MAC 层,MAC 帧的格式（续）,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。,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,FCS 字段 4 字节,以太网的 MAC 层,MAC 帧的格式（续）,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

45、信息就是MAC 帧。,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,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,以太网的 MAC 层,MAC 帧的格式（续） IEEE 802.3 的帧格式与V2帧格式只有以下两点区别： 第三个字段为“长度/类型”，该字段值小于0 x0600时表示MAC帧数据部分的长度；大于或等于0 x0600时与V2帧一样，表示上一层的协议类型。由于MAC帧采用了曼彻斯特编码，长度字段意义不大。 若第三字段表示“长度”时，数据字段就要装入LLC子层的帧，用以表面类型。由于以太网在局域网中的统治地位，LLC子层的定义失去了意义。,以太网的扩展,在物

46、理层扩展：集线器,三个独立的碰撞域,一系,二系,三系,碰撞域,碰撞域,碰撞域,以太网的扩展,在物理层扩展：集线器（续）,一系,三系,二系,主干集线器,一个更大的碰撞域,碰撞域,以太网的扩展,在物理层扩展：集线器（续） 优点 使原来属于不同碰撞域的局域网上的计算机能够进行跨碰撞域的通信。 扩大了局域网覆盖的地理范围。 缺点 碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。 如果不同的碰撞域使用不同的数据率，那么就不能用集线器将它们互连起来。（数据率会降低）,以太网的扩展,在数据链路层扩展：网桥 在数据链路层扩展局域网是使用网桥。 网桥工作在数据链路层，它根据 MAC 帧的目的地址对收到的帧进行储存-转发。

47、网桥具有过滤帧的功能。当网桥收到一个帧时，并不是向所有的接口转发此帧，而是先检查此帧的目的 MAC 地址，然后再确定将该帧转发到哪一个接口,以太网的扩展,网桥的内部结构,站表,接口管理 软件,网桥协议 实体,缓存,接口 1,接口 2,网段 B,网段 A,1,1,1,2,2,2,站地址,接口,网桥,网桥,接口 1,接口 2,1,2,以太网的扩展,网桥的优点 过滤通信量。 扩大了物理范围。 提高了可靠性。 可互连不同物理层、不同 MAC 子层和不同速率（如10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太网）的局域网。 网桥的缺点 存储转发增加了时延。 在MAC 子层并没有流量控制功能。 具有不同 MAC

48、 子层的网段桥接在一起时时延更大。 网桥只适合于用户数不太多(不超过几百个)和通信量不太大的局域网，否则有时还会因传播过多的广播信息而产生网络拥塞。这就是所谓的广播风暴。,用户层,IP,MAC,站 1,用户层,IP,MAC,站 2,物理层,网桥 1,网桥 2,A,B,用户数据,IP-H,MAC-H,MAC-T,DL-H,DL-T, , , ,物理层,DL,R,MAC,物理层,物理层,DL,R,物理层,物理层,LAN,LAN,两个网桥之间还可使用一段点到点链路,网桥不改变它转发的帧的源地址,以太网的扩展,集线器,中继器(转发器),网桥(交换机)的区别 网桥是把整个帧都收下来，处理（查找转发表）后

49、再转发，集线器和中继器（转发器）则是一个bit一个bit转发，不管目的地址是什么。 网桥是全双工方式，无碰撞地传输数据，集线器和转发器是半双工方式，有碰撞地传输数据。 使用集线器时，多个用户共用一个带宽，而使用交换机时，多个用户共享一个带宽。即10M/s的带宽用集线器分给N个用户，则每一个用户平均得到10/NM/s带宽。若用交换机分给N个用户，则每个用户都有10M/s带宽。 集线器所连接的是一个碰撞域，而交换机则可以把碰撞域分割开来。,以太网的扩展,透明网桥 目前使用得最多的网桥是透明网桥(transparent bridge)。 “透明”是指局域网上的站点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥，

50、因为网桥对各站来说是看不见的。 透明网桥是一种即插即用设备，其标准是 IEEE 802.1D。 网桥的自学习算法 网桥刚连接到网络时，转发表是空的，网桥通过自学习算法建立转发表。,以太网的扩展,转发表的建立过程举例 若从 A 发出的帧从接口 x 进入了某网桥，那么从这个接口出发沿相反方向一定可把一个帧传送到 A。 网桥每收到一个帧，就记下其源地址和进入网桥的接口，作为转发表中的一个项目。,地址 接口,B2,B1,A,B,D,F,1,2,1,2,地址 接口,C,E,以太网的扩展,A 向 B 发送帧 此时，B可以收到帧，网桥1同样收到了帧。 网桥1首先记录下A的地址和对应接口，然后查找转发表。 由

51、于没有记录，因此网桥1对其所有接口转发此帧,即接口2。,地址 接口,B2,B1,A,B,D,F,1,2,1,2,地址 接口,C,E,以太网的扩展,A 向 B 发送帧（续） 因此C，D，网桥2同样收到此帧。 网桥2同样记录下A的地址和对应接口，然后查找转发表，并对所有接口转发此帧。,地址 接口,B2,B1,A,B,D,F,1,2,1,2,地址 接口,C,E,以太网的扩展,F 向 C 发送帧 过程略,地址 接口,B2,B1,A,B,D,F,1,2,1,2,地址 接口,C,E,以太网的扩展,B 向 A 发送帧 由于已经知道A的地址和对应接口，因此网桥1不会转发此帧，而是将其丢弃。,地址 接口,B2,

52、B1,A,B,D,F,1,2,1,2,地址 接口,C,E,以太网的扩展,网桥在转发表中登记以下三个信息 在网桥的转发表中写入的信息除了地址和接口外，还有帧进入该网桥的时间。 这是因为以太网的拓扑可能经常会发生变化，站点也可能会更换适配器（这就改变了站点的地址）。另外，以太网上的工作站并非总是接通电源的。 把每个帧到达网桥的时间登记下来，就可以在转发表中只保留网络拓扑的最新状态信息。这样就使得网桥中的转发表能反映当前网络的最新拓扑状态。,以太网的扩展,网桥的自学习和转发帧的步骤归纳 网桥收到一帧后先进行自学习。查找转发表中与收到帧的源地址有无相匹配的项目。如没有，就在转发表中增加一个项目（源地址

53、、进入的接口和时间）。如有，则把原有的项目进行更新。 转发帧。查找转发表中与收到帧的目的地址有无相匹配的项目。 如没有，则通过所有其他接口（但进入网桥的接口除外）按进行转发。 如有，则按转发表中给出的接口进行转发。 若转发表中给出的接口就是该帧进入网桥的接口，则应丢弃这个帧（因为这时不需要经过网桥进行转发）。,以太网的扩展,生成树算法 这是为了避免产生转发的帧在网络中不断地兜圈子。,局域网 2,局域网 1,网桥 2,网桥 1,A,F,不停地 兜圈子,A 发出的帧,网络资源白白消耗了,以太网的扩展,生成树算法（续） 互连在一起的网桥在进行彼此通信后，就能找出原来的网络拓扑的一个子集。在这个子集里

54、，整个连通的网络中不存在回路，即在任何两个站之间只有一条路径。 为了避免产生转发的帧在网络中不断地兜圈子。 为了得出能够反映网络拓扑发生变化时的生成树，在生成树上的根网桥每隔一段时间还要对生成树的拓扑进行更新。,以太网的扩展,多接口网桥以太网交换机 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，可见交换机工作在数据链路层。 以太网交换机的每个接口都直接与主机相连，并且一般都工作在全双工方式。 交换机能同时连通许多对的接口，使每一对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样，进行无碰撞地传输数据。 以太网交换机由于使用了专用的交换结构芯片，其交换速率就较高。,虚拟局域网

55、VLAN,概念 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。 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。 虚拟局域网相当于给局域网分了一个逻辑组。,以太网 交换机,A4,B1,以太网 交换机,VLAN3,C3,B3,VLAN1,VLAN2,C1,A2,A1,A3,C2,B2,以太网 交换机,以太网 交换机,三个虚拟局域网: VLAN1, VLAN2 和 VLAN3,以太网 交换机,A4,B1,以太网 交换机,VLAN3,C3,B3,VLAN1,VLAN2,C1,A2,A1,A3,C2,B2,以太网 交换机,以太网 交换机,三个虚拟局域网 VLAN1,