第10讲_数据链路层2.ppt

1、2019/10/16,计算机网络_数据链路层,1,3.3 使用广播信道的数据链路层 3.3.1 局域网的数据链路层,匹配电阻,集线器,干线耦合器,总线网,星形网,树形网,环形网,不同程度地存在共享信道,局域网拓扑,2019/10/16,计算机网络_数据链路层,2,局域网要解决的问题,局域网包含数据链路层和物理层 数据链路层的内容相对较多 局域网要解决的首要问题 多台计算机共享信道的问题,2019/10/16,计算机网络_数据链路层,3,信道共享技术,静态划分信道：物理层使用 分配到了就不会与其他用户冲突 频分复用、时分复用 波分复用、码分复用 动态媒体接入控制(多点同时接入) 随机接入：所有用

2、户可随机发送信息 受控接入 ，如多点线路探询(polling)，或轮询。,2019/10/16,计算机网络_数据链路层,4,重点讨论以太网,以太网使用随机接入方式共享信道 传统以太网是总线型局域网 以下讨论总线型以太网的信道共享问题,2019/10/16,计算机网络_数据链路层,5,以太网的两个标准,DIX Ethernet V2 是世界上第一个局域网产品（以太网）的规约。 DEC、Intel、施乐共同制定 IEEE 的 802.3 标准。 DIX Ethernet V2 标准与 IEEE 的 802.3 标准只有很小的差别，因此可以将 802.3 局域网简称为“以太网”。 严格说来，“以太网

3、”应当是指符合 DIX Ethernet V2 标准的局域网,2019/10/16,计算机网络_数据链路层,6,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，802.3将以太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,2019/10/16,计算机网络_数据链路层,7,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,数据 链路

4、层,站点 2,LLC 子层看不见 下面的局域网,2019/10/16,计算机网络_数据链路层,8,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。,2019/10/16,计算机网络_数据链路层,9,2. 适配器的作用,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“

5、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。 实现以太网协议。,2019/10/16,计算机网络_数据链路层,10,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,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,2019/10/16,计算机网络_数据链路层,11,3.3.2 CSMA/CD 协议,1 以太网的广播通信方式 2 CSMA/CD中的碰撞检测 3 二进制指数类型退避算法 4 强化碰撞,2019/10/16,计算机网络_数据链路层,12,最初的以太网是将许多

6、计算机都连接到一根总线上。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。,1 以太网的广播通信方式,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）,匹配电阻,不接受,不接受,不接受,接受,B,只有 D 接受 B 发送的数据,2019/10/16,计算机网络_数据链路层,13,对于广播的接收,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

7、总线上实现了一对一的通信。,2019/10/16,计算机网络_数据链路层,14,以太网的两种重要措施,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。,2019/10/16,计算机网络_数据链路层,15,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。,2019/10/16,计算机网络_数据链路层,16,3.3.2 CSMA/CD 协议,1 以太

8、网的广播通信方式 2 CSMA/CD中的碰撞检测 3 二进制指数类型退避算法 4 强化碰撞,2019/10/16,计算机网络_数据链路层,17,生活场景,教室里n位学生讨论问题 每个人都可以发言，且所有人都能听到 多个人同时发言，无法听清 如何解决冲突,2019/10/16,计算机网络_数据链路层,18,载波监听多点接入/碰撞检测 CSMA/CD,CSMA/CD 表示 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，即带碰撞检测的载波监听多点接入。 “多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。 “载波监听”是指每一个

9、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。,2019/10/16,计算机网络_数据链路层,19,碰撞检测,“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，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”。,2019/10/16,计算机网络_数据链路层,20,检测到碰撞后,在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法

10、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。,2019/10/16,计算机网络_数据链路层,21,电磁波在总线上的 有限传播速率的影响,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。,2019/10/16,计算机网络_数据链路层,22,1 k

11、m,A,B,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,2019/10/16,计算机网络_数据链路层,23,1 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 = 0A 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,2019/10/16,计算机网络_数据链路层,24,重要特性,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）。 两端同时发送数据，则必然发生碰撞 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

12、整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率。,2019/10/16,计算机网络_数据链路层,25,争用期,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。,2019/10/16,计算机网络_数据链路层,26,3.3.2 CSMA/CD 协议,1 以太网的广播通信方式 2 CSMA/CD中的碰撞检测 3 二进制指数类型退避算法 4 强化碰撞,2019/10/16,计算机网络_数据链路层,27,二进制指数类型退

13、避算法 (truncated binary exponential type),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，一般取为争用期 2。 定义 k，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。,2019/10/16,计算机网络_数据链路层,28,举例理解,2019/10/16,计算机网络_数据链路层,29,争用期的长度,以太网取 51.2 s 为争用期的长度。 对于 10 Mb/s 以太网，

14、在争用期内可发送512 bit，即 64 字节。 以太网在发送数据时，若前 64 字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。,2019/10/16,计算机网络_数据链路层,30,最短有效帧长,如果发生冲突，就一定是在发送的前 64 字节之内。 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。,2019/10/16,计算机网络_数据链路层,31,3.3.2 CSMA/CD 协议,1 以太网的广播通信方式 2 CSMA/CD中的碰撞检测 3 二进制指数类型退避算法 4

15、 强化碰撞,2019/10/16,计算机网络_数据链路层,32,强化碰撞: 提醒发生了碰撞,当发送数据的站一旦发现发生了碰撞： 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。 人为干扰信号是特定的比特序列,2019/10/16,计算机网络_数据链路层,33,人为干扰信号,A,B,t,A 检测 到冲突,信 道 占 用 时 间,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。,2019/10/16,计算机网络_数据链路层,34,3.4 使用广播信道的以太

16、网 3.4.1 使用集线器的星形拓扑,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),2019/10/16,计算机网络_数据链路层,35,使用集线器的双绞线以太网,集线器,两对双绞线,站点,RJ-45 插头,2019/10/16,计算机网络_数据链路层,36,星形网 10BASE-T,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。,2019/10/

17、16,计算机网络_数据链路层,37,以太网在局域网中的统治地位,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。,2019/10/16,计算机网络_数据链路层,38,集线器的一些特点,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

18、共享逻辑上的总线(盒中总线)。 集线器很像一个多接口的转发器，工作在物理层。 它不进行碰撞检测。,2019/10/16,计算机网络_数据链路层,39,具有三个接口的集线器,集 线 器,网卡,工作站,网卡,工作站,网卡,工作站,双绞线,2019/10/16,计算机网络_数据链路层,40,3.4.2 以太网的信道利用率,以太网信道的利用率 100% 发生碰撞后，各站随机等待一段时间再重发 以太网的信道被占用的情况： 争用期长度为 2，即端到端传播时延的两倍。设检测到碰撞后不发送干扰信号。 帧长为 L (bit)，数据发送速率为 C (b/s)，因而帧的发送时间为 L/C = T0 (s)。,201

19、9/10/16,计算机网络_数据链路层,41,以太网的信道利用率,一个帧从开始发送，经可能发生的碰撞后，将再重传数次，到发送成功且信道转为空闲(即再经过时间 使得信道上无信号在传播)时为止，是发送一帧所需的平均时间。,发送一帧所需的平均时间,2019/10/16,计算机网络_数据链路层,42,以太网的信道利用率,利用率 =k取决于连续发生碰撞的次数,2019/10/16,计算机网络_数据链路层,43,参数 a,要提高以太网的信道利用率，就必须减小 与 T0 之比。在以太网中定义了参数 a，它是以太网单程端到端时延 与帧的发送时间 T0 之比：,(3-2),a0 表示一发生碰撞就立即可以检测出来

20、，并立即停止发送，因而信道利用率很高。a 越大，表明争用期所占的比例增大，每发生一次碰撞就浪费许多信道资源，使得信道利用率明显降低。,2019/10/16,计算机网络_数据链路层,44,对以太网参数的要求,当数据率一定时，应限制以太网的连线长度，否则 的数值会太大。 以太网的帧长不能太短，否则 T0 的值会太小，使 a 值太大。,2019/10/16,计算机网络_数据链路层,45,在理想化的情况下，以太网上的各站发送数据都不会产生碰撞（需要使用特殊的调度方法），即总线一旦空闲就有某一个站立即发送数据。 发送一帧占用线路的时间是 T0 + ，而帧本身的发送时间是 T0。于是我们可计算出理想情况下

21、的极限信道利用率 Smax为：,信道利用率的最大值 Smax,(3-3),2019/10/16,计算机网络_数据链路层,46,3.4.3 以太网的 MAC 层 1. 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。 一般记作如“00-0F-FE-3A-10-58”的形式 802 标准所说的“地址”严格地讲应当是每一个站的“名字”或标识符。,2019/10/16,计算机网络_数据链路层,47,48 位的 MAC 地址,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

22、扩展标识符，必须保证生产出的适配器没有重复地址。 厂家分配到的一个地址块可生成224个地址。 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。,2019/10/16,计算机网络_数据链路层,48,适配器检查 MAC 地址,适配器从网络上每收到一个 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(m

23、ulticast)帧（一对多）,2019/10/16,计算机网络_数据链路层,49,适配器的混杂工作模式,适配器只要听到有帧在传输就悄悄地接收下来，不管它是发给谁的 可监视以太网流量，用于网络管理和维护 但也为黑客入侵提供了便利,2019/10/16,计算机网络_数据链路层,50,2. MAC 帧的格式,常用的以太网MAC帧格式有两种标准 ： DIX Ethernet V2 标准 IEEE 的 802.3 标准 最常用的 MAC 帧是以太网 V2 的格式。,2019/10/16,计算机网络_数据链路层,51,以太网 MAC 帧,物理层,MAC层,10101010101010 101010101

24、01010101011,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 帧格式,2019/10/16,计算机网络_数据链路层,52,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,以太网 V2 的 MAC 帧格式,目的地址字段 6 字节,2019/10/16,计算机网络_数据链路层,53,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,以太网 V2 的 MAC 帧格式,源地址字段 6 字节,2019/10/16,计算机网络_数据链路层,54,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP

25、 层,以太网 V2 的 MAC 帧格式,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。,2019/10/16,计算机网络_数据链路层,55,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,以太网 V2 的 MAC 帧格式,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,2019/10/16,计算机网络_数据链路层,56,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,以太网 V2 的 MAC 帧格式,FCS 字段 4 字节,当传输媒体的误码

26、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。,2019/10/16,计算机网络_数据链路层,57,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,以太网 V2 的 MAC 帧格式,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。,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,2019/10/16,计

27、算机网络_数据链路层,58,有效的 MAC 帧长度为 64 1518 字节之间。 对于检查出的无效 MAC 帧就简单地丢弃。以太网不负责重传丢弃的帧。 无效的MAC帧 帧的长度不是整数个字节； 用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错； 数据字段的长度不在 46 1500 字节之间。,有效和无效的 MAC 帧,2019/10/16,计算机网络_数据链路层,59,IEEE 802.3与以太网V2的区别,第三个字段是“长度/类型” vs. “类型” 字段值大于0x0600时，表示类型； 否则表示数据部分的长度 “长度/类型”字段值小于0x0600时 数据字段装入的就是上层的LLC帧 实际上几乎不使用IEEE 802.3的这些规定,2019/10/16,计算机网络_数据链路层,60,帧间最小间隔为 9.6 s，相当于 96 bit 的发送时间。 一个站在检测到总线开始空闲后，还要等待 9.6 s 才能再次发送数据。 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。,帧间最小间隔,