1、计算机网络（第 5 版）,第 3 章 数据链路层,第 3 章 数据链路层,3.1 使用点对点信道的数据链路层3.1.1 数据链路和帧3.1.2 三个基本问题 3.2 点对点协议 PPP3.2.1 PPP 协议的特点3.2.2 PPP 协议的帧格式3.2.3 PPP 协议的工作状态,第 3 章 数据链路层（续）,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3.3.2 CSMA/CD 协议 3.4 使用广播信道的以太网3.4.1 使用集线器的星形拓扑3.4.2 以太网的信道利用率3.4.3 以太网的 MAC 层,第 3 章 数据链路层（续）,3.5 扩展的以太网3.5.1 在物理
2、层扩展以太网3.5.2 在数据链路层扩展以太网 3.6 高速以太网3.6.1 100BASE-T 以太网3.6.2 吉比特以太网3.6.3 10 吉比特以太网3.6.4 使用高速以太网进行宽带接入 3.7 其他类型的高速局域网接口,数据链路层,数据链路层使用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协议来协调这些主机的数据发,数据链路层的主要功能归纳如下：,（1）链路管理 数据链路的建立、维持和释放就叫做链路管理。 （2）帧同步 （3）流量控制(
3、flow control) （4）差错控制 （5）将数据和控制信息区分开 （6）透明传输 （7）寻址,数据链路层的简单模型,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,主机 H1 向 H2 发送数据,从层次上来看数据的流动,数据链路层的简单模型( 续）,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,主机 H1 向 H2 发送数据,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,R1,R2
4、,R3,H1,H2,仅从数据链路层观察帧的流动,3.1 使用点对点信道的数据链路层 3.1.1 数据链路和帧,链路(link)是一条无源的点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换结点。 一条链路只是一条通路的一个组成部分。 数据链路(data link) 除了物理线路外，还必须有通信协议来控制这些数据的传输。若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。 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。 一般的适配器都包括了数据链路层和物理层这两层的功能。,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
5、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,数据链路层传送的是帧,数据链路层像个数字管道,常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。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。,3.1.2 三个基本问题,(1) 封装成帧 (2) 透明传输 (3) 差错控制,1. 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，然后就构成了一个帧。确定帧的界限。 首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界。,帧结束,帧首部,IP 数据
6、报,帧的数据部分,帧尾部, MTU,数据链路层的帧长,开始 发送,帧开始,用控制字符进行帧定界的方法举例,SOH,装在帧中的数据部分,帧,帧开始符,帧结束符,发送在前,EOT,2. 透明传输,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,解决透明传输问题,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)。 字节填充(byte stuffing)或字符填充(character stuffing)接收端的数据链路层在将数据送往网络层之前删除插入的转义
7、字符。 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。,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 在前,帧开始符,帧结束符,用字节填充法解决透明传输的问题,SOH,3. 差错检测,在传输过程中可能会产生比特差错：1 可能会变成 0 而 0 也可能变成 1。 在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比率称为误码率 BER (Bit Error Rate)。
8、误码率与信噪比有很大的关系。 为了保证数据传输的可靠性，在计算机网络传输数据时，必须采用各种差错检测措施。,循环冗余检验的原理,在数据链路层传送的帧中，广泛使用了循环冗余检验 CRC 的检错技术。 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 = 101001（现在 k = 6）。我们在 M 的后面再添加供差错检测用的 n 位冗余码一起发送。,冗余码的计算,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。 得到的 (k + n) 位的数除以事先选定好的长度为 (n + 1) 位的除数 P，得出商是 Q 而余数是 R，余数
9、R 比除数 P 少1 位，即 R 是 n 位。,冗余码的计算举例,现在 k = 6, M = 101001。 设 n = 3, 除数 P = 1101， 被除数是 2nM = 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：2nM + R 即：101001001，共 (k + n) 位。,110101 Q (商)P (除数) 1101 101001000 2nM (被除数)11011110 110101110000111011010110000011001101001 R (余数)
10、，作为 FCS,循环冗余检验的原理说明,帧检验序列 FCS,在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列 FCS (Frame Check Sequence)。 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 并非用来获得 FCS 的唯一方法。,接收端对收到的每一帧进行 CRC 检验,(1) 若得出的余数 R = 0，则判定这个帧没有差错，就接受(accept)。 (2) 若余数 R 0，则判定这个帧有差错，就丢弃。 但这种检测方法并不能确定究竟是哪一个或哪几个比特出现了差错
11、。 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。,应当注意,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”。 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。,流量控制,1、停止等待协议 假定：链路是理想的传输信道，即所传送的任何数据既不会出差错也不会丢失。在发送结点：（1）从主机取一个数据
12、帧；（2）将数据帧送到数据链路层的发送缓存；（3）将发送缓存中的数据帧发送出去；（4）等待；（5）若收到由接收结点发过来的信息(此信息的格式与内容可由双方事先商定好)，则从主机取一个新的数据帧，然后转到（2）。,在接收结点：（1）等待；（2）若收到由发送结点发过来的数据帧，则将其放入数据链路层的接收缓存；（3）将接收缓存中的数据帧上交主机；（4）向发送结点发一信息，表示数据帧已经上交给主机；（5）转到(1)。,2 实用的停止等待协议（ARQ）,传输数据的信道不能保证使所传的数据不产生差错，并且还需要对数据的发送端进行流量控制。下图 (a)画的是数据在传输过程中不出差错的情况。当发现差错时，结点
13、B就向主机A发送一个否认帧NAK，以表示主机A应当重传出现差错的那个数据帧。图 (b)画出了主机A重传数据帧。,有时链路上的干扰很严重，或由于其他一些原因，结点B收不到结点A发来的数据帧。这种情况称为帧丢失，如图 c所示。于是就出现了死锁现象。 要解决死锁问题，可在结点A发送完一个数据帧时，就启动一个超时计时器(timeout timer)。若到了超时计时器所设置的重传时间tout而仍收不到结点B的任何确认帧，则结点A就重传前面所发送的这一数据帧，如图c和图d所示。一般可将重传时间选为略大于“从发完数据帧到收到确认帧所需的平均时间”。,3 ARQ的算法,在发送结点：（1）从主机取一个数据帧。（
14、2）V(S)0。 发送状态变量初始化（3）N(S)V(S)； 将发送状态变量的数值写入发送序号将数据帧送交发送缓存。（4）将发送缓存中的数据帧发送出去。（5）设置超时计时器。 选择适当的超时重传时间tout ,（6）等待。 等待以下3个事件中最先出现的一个 （7）若收到确认帧ACK，则：从主机取一个新的数据帧；V(S)1 V(S)； 更新发送状态变量，变为下一个序号转到(3)。 （8）若收到否认帧NAK，则转到(4)。 重传数据帧 （9）若超时计时器时间到，则转到(4)。 重传数据帧,在接收结点：（1）V(R)0。 接收状态变量初始化，其数值等于欲接收的数据帧的发送序号（2）等待。（3）当收到
15、一个数据帧，就检查有无产生传输差错(如用CRC)。若检查结果正确无误，则执行后续算法；否则转到(8)。,（4）若N(S) = V(R)，则执行后续算法； 收到发送序号正确的数据帧否则丢弃此数据帧，然后转到(7)。 （5）将收到的数据帧中的数据部分送交主机。 （6）V(R)1 V(R)。 更新接收状态变量，准备接收下一个数据帧 （7）发送确认帧 ACK，并转到(2)。 （8）发送否认帧 NAK，并转到(2)。,状态变量的概念很重要，一定要弄清以下几点：（1）每发送一个数据帧，都必须将发送状态变量V(S)的值(即0或1)写到数据帧的发送序号N(S)上。但只有收到一个确认帧ACK后，才更新发送状态变
16、量V(S)一次(将1变成0或0变成1)并发送新的数据帧。（2）在接收端，每接收到一个数据帧，就要将发送方在数据帧上设置的发送序号N(S)与本地的接收状态变量V(R) 相比较。若二者相等就表明是新的数据帧，否则为重复帧。,（3）在接收端，若收到一个重复帧，则丢弃它(即不做任何处理)，且接收状态变量不变，但此时仍须向发送端发送一个确认帧ACK。由于发送端对出错的数据帧进行重传是自动进行的，所以这种差错控制体制常简称为ARQ (Automatic Repeat reQuest)，直译是自动重传请求，但意思是自动请求重传。,4 停止等待协议中的几个重要时间关系,停止等待协议中的几个重要时间关系，如图所
17、示。,5 连续ARQ协议,5.1 连续ARQ协议的工作原理连续ARQ协议工作原理的要点就是在发送完一个数据帧后，不是停下来等待确认帧，而是可以连续再发送若干个数据帧。如果这时收到了接收端发来的确认帧，那么还可以接着发送数据帧。由于减少了等待时间，整个通信的吞吐量就提高了。,要注意两点：（1）接收端只按序接收数据帧。（2）结点A在每发送完每一个数据帧时都要设置超时计时器。,5.2 滑动窗口的概念 发送窗口用来对发送端进行流量控制，而发送窗口的大小WT就代表在还没有收到对方确认信息的情况下发送端最多可以发送多少个数据帧。,发送窗口的规则归纳如下：（1）发送窗口内的帧是允许发送的帧，而不考虑有没有收
18、到确认。发送窗口右侧所有的帧都是不允许发送的帧。图 (a)说明了这一情况。（2）每发送完一个帧，允许发送的帧数就减1。但发送窗口的位置不变。图 (b)说明已经发送了0号帧，因此允许发送的帧数就少了一个，即只有4个。（3）如果所允许发送的5个帧都发送完了，但还没有收到任何确认，那么就不能再发送任何帧了。图 (c)表示这种情况。这时，发送端就进入等待状态。,（4）每收到对一个帧的确认，发送窗口就向前(即向右方)滑动一个帧的位置。图 (d)表示发送端已经收到了0, 1和2号帧共3个帧的确认，因此发送窗口可以向前滑动3个帧的位置。于是，发送端现在又可以继续发送3个帧(即5 7号帧)。,在接收端只有当收
19、到的数据帧的发送序号落入接收窗口内才允许将该数据帧收下。 接收窗口的规则很简单，归纳如下： （1）只有当收到的帧的序号与接收窗口一致时才能接收该帧。否则，就丢弃它。 （2）每收到一个序号正确的帧，接收窗口就向前(即向右方)滑动一个帧的位置。同时向发送端发送对该帧的确认。图 (a)表明一开始接收窗口处于0号帧处，接收端准备接收0号帧。一旦收到0号帧，接收窗口即向前滑动一个帧的位置(图 (b)，准备接收1号帧，同时向发送端发送对0号帧的确认信息。当陆续收到1号至3号帧后，接收窗口的位置应如图 (c)所示。,6 选择重传ARQ协议,为进一步提高信道的利用率，可设法只重传出现差错的数据帧或者是计时器超
20、时的数据帧。,3.2 面向比特的链路控制规程HDLC,3.2.1 HDLC概述HDLC可适用于链路的两种基本配置，即非平衡配置与平衡配置。非平衡配置的特点是由一个主站(primary station)控制整个链路的工作。主站发出的帧叫做命令(command)。受控的各站叫做次站或从站(secondary station)。次站发出的帧叫做响应(response)。在多点链路中，主站与每一个次站之间都有一个分开的逻辑链路。,3.2.2 HDLC 的帧结构,1各字段的意义数据链路层的数据传送是以帧为单位的。一个帧的结构具有固定的格式，如图所示。,HDLC采用零比特填充法使一帧中两个F字段之间不会出
21、现6个连续1。零比特填充的具体做法是：在发送端，当一串比特流数据尚未加上标志字段时，先用硬件扫描整个帧(用软件也能实现，但要慢些)。只要发现有5个连续1，则立即填入一个0。因此经过这种零比特填充后的数据，就可以保证在数据中不会出现6个连续1。在接收一个帧时，先找到F字段以确定一个HDLC帧的边界。接着再用硬件对其中的比特流进行扫描。每当发现5个连续1时，就将这5个连续1后的一个0删除，以还原成原来的比特流，如图所示。,HDLC帧划分为三大类，即信息帧、监督帧和无编号帧，其简称分别是I (Information)、S (Supervisory)和U (Unnumbered)。下图是对应于这3种帧
22、的控制字段以及控制字段中的各比特的作用。,信息帧若控制字段的第1比特为0，则该帧为信息帧。比特2 4为发送序号N(S)，而比特6 8为接收序号N(R)。N(S)表示当前发送的信息帧的序号，而N(R)表示这个站所期望收到的帧的发送序号。,监督帧若控制字段的第1 2比特为1 0，则对应的帧即为监督帧S。监督帧共有四种，取决于第3 4比特的值(如上图中标有S的二比特)。下表是这四种监督帧的名称和功能。,无编号帧若控制字段的第1 2比特都是1时，这个帧就是无编号帧U。,3.2 点对点协议 PPP 3.2.1 PPP 协议的特点,现在全世界使用得最多的数据链路层协议是点对点协议 PPP (Point-t
23、o-Point Protocol)。 用户使用拨号电话线接入因特网时，一般都是使用 PPP 协议。,用户到 ISP 的链路使用 PPP 协议,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,1. PPP 协议应满足的需求,简单这是首要的要求 封装成帧 透明性 多种网络层协议 多种类型链路 差错检测 检测连接状态 最大传送单元 网络层地址协商 数据压缩协商,2. PPP 协议不需要的功能,纠错 流量控制 序号 多点线路 半双工或单工链路,3. PPP 协议的组成,1992 年制订了 PPP 协议。经过 1993 年和 1994 年的修订，现在的 PPP
24、协议已成为因特网的正式标准RFC 1661。 PPP 协议有三个组成部分 一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法。 链路控制协议 LCP (Link Control Protocol)。 网络控制协议 NCP (Network Control Protocol)。,3.2.2 PPP 协议的帧格式,标志字段 F = 0x7E （符号“0x”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）。 地址字段 A 只置为 0xFF。地址字段实际上并不起作用。 控制字段 C 通常置为 0x03。 PPP 是面向字节的，所有的 PPP 帧的长度都是整数字节。,PPP 协
25、议的帧格式,PPP 有一个 2 个字节的协议字段。 当协议字段为 0x0021 时，PPP 帧的信息字段就是IP 数据报。 若为 0xC021, 则信息字段是 PPP 链路控制数据。 若为 0x8021，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,透明传输问题,当 PPP 用在同步传输链路时，协议规定采用硬件来完成比特填充（和 HDLC 的做法一样）。 当 PPP 用在异步传输时，就使用一种特殊的字符填充法。,字符填充,将信息字段中出现的每一个
26、 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，同时将该字符的编码加以改变。,零比特填充,PPP 协议用在 SONET/SDH 链路时，是使用同步传输（一连串的比特连续传送）。这时 PPP 协议采用零比特填充方法来实现透明传输。 在发送端，只要发现有 5 个连续 1，则立即填入一个 0。接收端对帧中的比特流进行扫描。每当发现 5 个连续1时，就把这 5 个连续 1
27、 后的一个 0 删除，,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,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,零比特填充,不提供使用序号和确认 的可靠传输,PPP 协议之所以不使用序号和确认机制是出于以下的考虑： 在数据链路层出现差
28、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。,3.2.3 PPP 协议的工作状态,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
29、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。,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,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,局域网最主要的特点是：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。 局域网具有如下的一些主要优点： 具有广播功能，从一个站点
30、可很方便地访问全网。局域网上的主机可共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源。 便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活调整和改变。 提高了系统的可靠性、可用性和残存性。,局域网的拓扑,匹配电阻,集线器,干线耦合器,总线网,星形网,树形网,环形网,媒体共享技术,静态划分信道 频分复用 时分复用 波分复用 码分复用 动态媒体接入控制（多点接入） 随机接入 受控接入 ，如多点线路探询(polling)，或轮询。,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。 IEEE 的 802.3 标准。 DIX Ethernet V2 标准与 IEEE 的 8
31、02.3 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”应当是指符合 DIX Ethernet V2 标准的局域网,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,局域网对 LLC 子层 是透明的,局
32、域 网,网络层,物理层,站点 1,网络层,物理层,数据 链路层,站点 2,LLC 子层看不见 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。,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“网卡”。 适配器的重要功能： 进行串行/
33、并行转换。 对数据进行缓存。 数据的封装与解封，发送时将上一层交下来的数据加上首部和尾部，成为以太网的帧。接收时将以太网的帧剥去首部和尾部，然后送交上一层。 链路管理：实现以太网协议（CSMA/CD）。 编码与译码，即曼彻斯特编码与译码。,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,最初的以太网是将许多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。,3.3.2 CSMA/CD 协议,B向 D 发送数
34、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,以太网的广播方式发送,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。,为了通信的简便 以太网采取了两种重要的措施,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
35、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。,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。,以太网发送的数据都使用 曼彻斯特(Manchester)编码,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,优点：接收端利用电压变换很方便的把位同步信号提取出来。 缺点：所占频带宽度是原始信号的2倍。,载波
36、监听多点接入/碰撞检测 CSMA/CD,CSMA/CD 表示 Carrier Sense Multiple Access with Collision 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。,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
37、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”。,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。,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
38、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。,1 km,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,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,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）。 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
39、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。,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。,二进制指数类型退避算法 (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，一般是取为争用期 2。 定义重传次数 k ，k 10，即k = Min重传次数, 10 从整数集合0,
40、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。,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，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。,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
41、无效帧。,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,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（32bit或48bit）的情况。,CSMA/CD 协议的要点,网络适配器从网络层获得一个分组，加上以太网的首部和尾部形成以太网帧，放入网络适配器的缓存中准备发送。 若检测到信道空闲（即在9.6微妙内没有检测到信道上有信号），则发送这个帧。
42、若检测到信道忙，则继续检测并等待信道空闲，然后发送该帧。在发送过程中继续检测信道，若在51.2微妙内一直未检测到碰撞，就把该帧发送完毕；若检测到碰撞则中止数据发送，并发送认为干扰信号。 在中止发送后，执行指数退避算法，等待r倍51.2微妙后，返回第2步。,3.4 使用广播信道的以太网3.4.1传统以太网,可使用的传输媒体有四种，即粗缆、细缆、双绞线和光缆。 下图在MAC层下面给出了对应于这四种传输媒体的物理层，即10BASE5(粗缆)、10BASE2(细缆)、10BASE-T(双绞线)和10BASE-F (光缆),几种以太网的连接方式,集线器,两对双绞线,站点,RJ-45 插头,星形网 10B
43、ASE-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。,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。,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
44、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，工作在物理层。它的每个端口都具有发送和接收数据的功能。当集线器的某个端口接收到工作站发来的比特时，就简单地将该比特向所有其他端口转发。若两个端口同时有信号输入(即发生碰撞)，那么所有的端口都收不到正确的帧。,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,三种以太网的主要指标的比较如表5-1所示。,3.4.2 以太网的信道利用率,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。检测到碰撞后不发送干扰信号。 帧长为 L
45、 (bit)，数据发送速率为 C (b/s)，因而帧的发送时间为 L/C = T0 (s)。,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 成 功,争用期,争用期,争用期,2,2,2,T0,t,占用期,发生碰撞,发送一帧所需的平均时间,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，并立即停止发送，因而信道利用率很
46、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。,对以太网参数的要求,当数据率一定时，以太网的连线的长度受到限制，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。,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（这显然已经不是 CSMA/CD，而是需要使用一种特殊的调度方法），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的极限信道利用率 Smax为：,信道利用率的最大值 Smax,(3-3),3.4.3 以太网的
47、 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。 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。 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。,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
48、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。,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(multicast)帧（一对多）,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。,以太网 MAC 帧,物理层,MAC层,10101010101010 10101010101010101011,
