计算机网络第五版谢希仁配套教材CH3-5ed 数据链路层

课件制作人：谢希仁 计 算 机 网 络 （ 第 5 版 ）第 3 章 数 据 链 路 层 课件制作人：谢希仁 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 课件制作人：谢希仁 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 课件制作人：谢希仁 第 3 章 数 据 链 路 层 （ 续 ）3.5 扩 展 的 以 太 网3.5.1 在 物 理 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 课件制作人：谢希仁 数 据 链 路 层数 据 链 路 层 使 用 的 信 道 主 要 有 以 下 两 种 类型 ：n 点 对 点 信 道 。 这 种 信 道 使 用 一 对 一 的 点对 点 通 信 方 式 。n 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 课件制作人：谢希仁 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 R3H1 H2从 层 次 上 来 看 数 据 的 流 动 课件制作人：谢希仁 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 R3H1 H2仅 从 数 据 链 路 层 观 察 帧 的 流 动 课件制作人：谢希仁 3.1 使 用 点 对 点 信 道 的 数 据 链 路 层3.1.1 数 据 链 路 和 帧 n 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 。n 一 条 链 路 只 是 一 条 通 路 的 一 个 组 成 部 分 。n 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 。 n 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 。n 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 据链 路 层 结 点 A 结 点 B帧 (a) (b)发 送 帧接 收链 路 IP 数 据 报1010 0110帧 装 入数 据 链 路 层 传 送 的 是 帧 课件制作人：谢希仁 数 据 链 路 层 像 个 数 字 管 道 n 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 。n 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 。 结 点 结 点帧 帧 课件制作人：谢希仁 3.1.2 三 个 基 本 问 题 (1) 封 装 成 帧(2) 透 明 传 输(3) 差 错 控 制 课件制作人：谢希仁 1. 封 装 成 帧n 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 。n 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 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 课件制作人：谢希仁 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 课件制作人：谢希仁 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 课件制作人：谢希仁 解 决 透 明 传 输 问 题n 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)。n 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 字 符 。n 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 。 课件制作人：谢希仁SOH SOH EOT SOHESCESCEOT ESCSOH ESCESC ESCSOH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 符用 字 节 填 充 法 解 决 透 明 传 输 的 问 题 SOH 课件制作人：谢希仁 3. 差 错 检 测n 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。n 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)。n 误 码 率 与 信 噪 比 有 很 大 的 关 系 。n 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 。 课件制作人：谢希仁 循 环 冗 余 检 验 的 原 理 n 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 。n 在 发 送 端 ， 先 把 数 据 划 分 为 组 。 假 定 每 组 k 个 比 特 。 n 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 。 课件制作人：谢希仁 冗 余 码 的 计 算 n 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。n 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 R 比 除 数 P 少 1 位 ，即 R 是 n 位 。 课件制作人：谢希仁 冗 余 码 的 计 算 举 例 n 现 在 k = 6, M = 101001。n 设 n = 3, 除 数 P = 1101，n 被 除 数 是 2nM = 101001000。 n 模 2 运 算 的 结 果 是 ： 商 Q = 110101， 余 数 R = 001。n 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 。 课件制作人：谢希仁 110101 Q (商 ) P (除 数 ) 1101 101001000 2nM (被 除 数 ) 1101 1110 1101 0111 0000 1110 1101 0110 0000 1100 1101 001 R (余 数 )， 作 为 FCS 循 环 冗 余 检 验 的 原 理 说 明 课件制作人：谢希仁 帧 检 验 序 列 FCS n 在 数 据 后 面 添 加 上 的 冗 余 码 称 为 帧 检 验序 列 FCS (Frame Check Sequence)。n 循 环 冗 余 检 验 CRC 和 帧 检 验 序 列 FCS并 不 等 同 。n 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 。 n 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 。 课件制作人：谢希仁 接 收 端 对 收 到 的 每 一 帧 进 行 CRC 检 验 n (1) 若 得 出 的 余 数 R = 0， 则 判 定 这 个 帧 没 有 差错 ， 就 接 受 (accept)。n (2) 若 余 数 R 0， 则 判 定 这 个 帧 有 差 错 ， 就 丢弃 。n 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 。n 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 。 课件制作人：谢希仁 应 当 注 意 n 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)。n “ 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 ” 。n 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 ） 。 n 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 。 课件制作人：谢希仁 3.2 点 对 点 协 议 PPP 3.2.1 PPP 协 议 的 特 点 n 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-to-Point Protocol)。n 用 户 使 用 拨 号 电 话 线 接 入 因 特 网 时 ， 一般 都 是 使 用 PPP 协 议 。 课件制作人：谢希仁 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 课件制作人：谢希仁 1. PPP 协 议 应 满 足 的 需 求 n 简 单 这 是 首 要 的 要 求n 封 装 成 帧 n 透 明 性 n 多 种 网 络 层 协 议 n 多 种 类 型 链 路 n 差 错 检 测 n 检 测 连 接 状 态 n 最 大 传 送 单 元 n 网 络 层 地 址 协 商 n 数 据 压 缩 协 商 课件制作人：谢希仁 2. PPP 协 议 不 需 要 的 功 能n 纠 错 n 流 量 控 制 n 序 号 n 多 点 线 路 n 半 双 工 或 单 工 链 路 课件制作人：谢希仁 3. PPP 协 议 的 组 成 n 1992 年 制 订 了 PPP 协 议 。 经 过 1993 年和 1994 年 的 修 订 ， 现 在 的 PPP 协 议 已成 为 因 特 网 的 正 式 标 准 RFC 1661。 n PPP 协 议 有 三 个 组 成 部 分 n 一 个 将 IP 数 据 报 封 装 到 串 行 链 路 的 方 法 。 n 链 路 控 制 协 议 LCP (Link Control Protocol)。n 网 络 控 制 协 议 NCP (Network Control Protocol)。 课件制作人：谢希仁 3.2.2 PPP 协 议 的 帧 格 式n 标 志 字 段 F = 0 x7E （ 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） 。n 地 址 字 段 A 只 置 为 0 xFF。 地 址 字 段 实 际上 并 不 起 作 用 。n 控 制 字 段 C 通 常 置 为 0 x03。n PPP 是 面 向 字 节 的 ， 所 有 的 PPP 帧 的 长度 都 是 整 数 字 节 。 课件制作人：谢希仁 PPP 协 议 的 帧 格 式n PPP 有 一 个 2 个 字 节 的 协 议 字 段 。 n 当 协 议 字 段 为 0 x0021 时 ， PPP 帧 的 信 息 字 段 就 是IP 数 据 报 。n 若 为 0 xC021, 则 信 息 字 段 是 PPP 链 路 控 制 数 据 。n 若 为 0 x8021， 则 表 示 这 是 网 络 控 制 数 据 。 IP 数 据 报1 21 1字 节 1 2不 超 过 1500 字 节PPP 帧先 发 送 7E FF 03F A C FCS F7E协 议 信 息 部 分首 部 尾 部 课件制作人：谢希仁 透 明 传 输 问 题 n 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 ） 。 n 当 PPP 用 在 异 步 传 输 时 ， 就 使 用 一 种 特殊 的 字 符 填 充 法 。 课件制作人：谢希仁 字 符 填 充 n 将 信 息 字 段 中 出 现 的 每 一 个 0 x7E 字 节 转变 成 为 2 字 节 序 列 (0 x7D, 0 x5E)。 n 若 信 息 字 段 中 出 现 一 个 0 x7D 的 字 节 , 则 将其 转 变 成 为 2 字 节 序 列 (0 x7D, 0 x5D)。n 若 信 息 字 段 中 出 现 ASCII 码 的 控 制 字 符（ 即 数 值 小 于 0 x20 的 字 符 ） ， 则 在 该 字符 前 面 要 加 入 一 个 0 x7D 字 节 ， 同 时 将 该字 符 的 编 码 加 以 改 变 。 课件制作人：谢希仁 零 比 特 填 充 n 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 。n 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 后 的 一 个 0 删 除 ， 0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 00 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 00 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 课件制作人：谢希仁 不 提 供 使 用 序 号 和 确 认的 可 靠 传 输 n PPP 协 议 之 所 以 不 使 用 序 号 和 确 认 机 制 是出 于 以 下 的 考 虑 ：n 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 。 n 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 。n 帧 检 验 序 列 FCS 字 段 可 保 证 无 差 错 接 受 。 课件制作人：谢希仁 3.2.3 PPP 协 议 的 工 作 状 态 n 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 。n PC 机 向 路 由 器 发 送 一 系 列 的 LCP 分 组 （ 封 装 成多 个 PPP 帧 ） 。n 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 。n 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 。 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 课件制作人：谢希仁 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 n 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 。 n 局 域 网 具 有 如 下 的 一 些 主 要 优 点 ： n 具 有 广 播 功 能 ， 从 一 个 站 点 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 。 n 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 。n 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 课件制作人：谢希仁 媒 体 共 享 技 术n 静 态 划 分 信 道n 频 分 复 用n 时 分 复 用n 波 分 复 用n 码 分 复 用 n 动 态 媒 体 接 入 控 制 （ 多 点 接 入 ） n 随 机 接 入n 受 控 接 入 ， 如 多 点 线 路 探 询 (polling)，或 轮 询 。 课件制作人：谢希仁 以 太 网 的 两 个 标 准 n DIX Ethernet V2 是 世 界 上 第 一 个 局 域 网产 品 （ 以 太 网 ） 的 规 约 。n IEEE 的 802.3 标 准 。n 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 ” 。n 严 格 说 来 ， “ 以 太 网 ” 应 当 是 指 符 合 DIX Ethernet V2 标 准 的 局 域 网 课件制作人：谢希仁 数 据 链 路 层 的 两 个 子 层 n 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 ：n 逻 辑 链 路 控 制 LLC (Logical Link Control)子 层n 媒 体 接 入 控 制 MAC (Medium Access Control)子 层 。n 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 课件制作人：谢希仁 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 LLC LLC媒 体 接 入 控 制 MAC MAC 数 据链 路 层站 点 2 课件制作人：谢希仁 以 后 一 般 不 考 虑 LLC 子 层 n 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 。n 很 多 厂 商 生 产 的 适 配 器 上 就 仅 装 有 MAC 协 议 而 没 有 LLC 协 议 。 课件制作人：谢希仁 2. 适 配 器 的 作 用 n 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 ” 。 n 适 配 器 的 重 要 功 能 ：n 进 行 串 行 /并 行 转 换 。n 对 数 据 进 行 缓 存 。 n 在 计 算 机 的 操 作 系 统 安 装 设 备 驱 动 程 序 。n 实 现 以 太 网 协 议 。 课件制作人：谢希仁 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 课件制作人：谢希仁 n 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 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 课件制作人：谢希仁 以 太 网 的 广 播 方 式 发 送 n 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 。 n 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 。 n 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 。 n 具 有 广 播 特 性 的 总 线 上 实 现 了 一 对 一 的 通 信 。 课件制作人：谢希仁 为 了 通 信 的 简 便以 太 网 采 取 了 两 种 重 要 的 措 施 n 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 。 n 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 。n 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 。 课件制作人：谢希仁 以 太 网 提 供 的 服 务 n 以 太 网 提 供 的 服 务 是 不 可 靠 的 交 付 ， 即尽 最 大 努 力 的 交 付 。n 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 。n 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 。 课件制作人：谢希仁 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 11 110 0 0 0 0出 现 电 平 转 换 课件制作人：谢希仁 载 波 监 听 多 点 接 入 /碰 撞 检 测 CSMA/CD n CSMA/CD 表 示 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection。n “ 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 。n “ 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 。 n 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 。 课件制作人：谢希仁 碰 撞 检 测n “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 。n 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 ） 。n 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 。n 所 谓 “ 碰 撞 ” 就 是 发 生 了 冲 突 。 因 此 “ 碰 撞 检测 ” 也 称 为 “ 冲 突 检 测 ” 。 课件制作人：谢希仁 检 测 到 碰 撞 后n 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 。n 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 。 课件制作人：谢希仁 电 磁 波 在 总 线 上 的有 限 传 播 速 率 的 影 响 n 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 。 n A 向 B 发 出 的 信 息 ， 要 经 过 一 定 的 时 间后 才 能 传 送 到 B。n 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 。 n 碰 撞 的 结 果 是 两 个 帧 都 变 得 无 用 。 1 kmA Bt 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 kmA Bt 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 = A BA BA B t = 0 A 检 测 到信 道 空 闲发 送 数 据 A B t = 0 t = B 检 测 到 发 生 碰 撞停 止 发 送STOPt = 2 A 检 测 到发 生 碰 撞 STOPA B 单 程 端 到 端传 播 时 延 记 为 课件制作人：谢希仁 重 要 特 性n 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 ） 。n 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 。 n 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 。 课件制作人：谢希仁 争 用 期n 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 。n 以 太 网 的 端 到 端 往 返 时 延 2 称 为 争 用 期 ，或 碰 撞 窗 口 。n 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 。 课件制作人：谢希仁 二 进 制 指 数 类 型 退 避 算 法 (truncated binary exponential type)n 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 。n 确 定 基 本 退 避 时 间 ， 一 般 是 取 为 争 用 期 2。n 定 义 重 传 次 数 k ， k 10， 即 k = Min重 传 次 数 , 10 n 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 。n 当 重 传 达 16 次 仍 不 能 成 功 时 即 丢 弃 该 帧 ， 并向 高 层 报 告 。 课件制作人：谢希仁 争 用 期 的 长 度 n 以 太 网 取 51.2 s 为 争 用 期 的 长 度 。n 对 于 10 Mb/s 以 太 网 ， 在 争 用 期 内 可 发 送512 bit， 即 64 字 节 。n 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 。 课件制作人：谢希仁 最 短 有 效 帧 长 n 如 果 发 生 冲 突 ， 就 一 定 是 在 发 送 的 前 64 字节 之 内 。 n 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 。 n 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 。 课件制作人：谢希仁 强 化 碰 撞 n 当 发 送 数 据 的 站 一 旦 发 现 发 生 了 碰 撞 时 ：n 立 即 停 止 发 送 数 据 ；n 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 。 数 据 帧干 扰 信 号TJ 人 为 干 扰 信 号 A BTBt B 发 送 数 据A 检 测到 冲 突 开 始 冲 突 信道占用时间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 。 课件制作人：谢希仁 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n 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 。n 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) 课件制作人：谢希仁 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 课件制作人：谢希仁 星 形 网 10BASE-T n 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 。n 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 。 课件制作人：谢希仁 以 太 网 在 局 域 网 中 的 统 治 地 位n 10BASE-T 的 通 信 距 离 稍 短 ， 每 个 站 到 集 线器 的 距 离 不 超 过 100 m。n 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 。 n 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 。 课件制作人：谢希仁 集 线 器 的 一 些 特 点 n 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 。 n 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 。 n 集 线 器 很 像 一 个 多 接 口 的 转 发 器 ， 工 作 在物 理 层 。 课件制作人：谢希仁 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 课件制作人：谢希仁 3.4.2 以 太 网 的 信 道 利 用 率 n 以 太 网 的 信 道 被 占 用 的 情 况 ：n 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 。n 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)。 课件制作人：谢希仁 以 太 网 的 信 道 利 用 率 n 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 T 0 t占 用 期 发 生 碰 撞 发 送 一 帧 所 需 的 平 均 时 间 课件制作人：谢希仁 参 数 a n 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 ： 0Ta 0Ta (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 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 。 课件制作人：谢希仁 对 以 太 网 参 数 的 要 求n 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 。n 以 太 网 的 帧 长 不 能 太 短 ， 否 则 T0 的 值 会太 小 ， 使 a 值 太 大 。 课件制作人：谢希仁 n 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 。n 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 aTTS 11 0 0m ax (3-3) 课件制作人：谢希仁 3.4.3 以 太 网 的 MAC 层1. MAC 层 的 硬 件 地 址 n 在 局 域 网 中 ， 硬 件 地 址 又 称 为 物 理 地 址 ，或 MAC 地 址 。 n 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 。 n 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 。 课件制作人：谢希仁 48 位 的 MAC 地 址n 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 )。n 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 。n 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。 n “ MAC地 址 ” 实 际 上 就 是 适 配 器 地 址 或 适配 器 标 识 符 EUI-48。 课件制作人：谢希仁 适 配 器 检 查 MAC 地 址 n 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 .n 如 果 是 发 往 本 站 的 帧 则 收 下 ， 然 后 再 进 行 其 他的 处 理 。n 否 则 就 将 此 帧 丢 弃 ， 不 再 进 行 其 他 的 处 理 。n “ 发 往 本 站 的 帧 ” 包 括 以 下 三 种 帧 ： n 单 播 (unicast)帧 （ 一 对 一 ）n 广 播 (broadcast)帧 （ 一 对 全 体 ）n 多 播 (multicast)帧 （ 一 对 多 ） 课件制作人：谢希仁 2. MAC 帧 的 格 式 n 常 用 的 以 太 网 MAC帧 格 式 有 两 种 标 准 ：n DIX Ethernet V2 标 准n IEEE 的 802.3 标 准n 最 常 用 的 MAC 帧 是 以 太 网 V2 的 格 式 。 课件制作人：谢希仁以 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 FCS6 6 2 4字 节 46 1500IP 数 据 报以 太 网 的 MAC 帧 格 式 课件制作人：谢希仁MAC 帧物理层MAC 层 IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6 6 2 4字节46 1500IP 数据报以 太 网 V2 的 MAC 帧 格 式目 的 地 址 字 段 6 字 节 课件制作人：谢希仁MAC 帧物理层MAC 层 IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6 6 2 4字节46 1500IP 数据报以 太 网 V2 的 MAC 帧 格 式源 地 址 字 段 6 字 节 课件制作人：谢希仁MAC 帧物理层MAC 层 IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6 6 2 4字节46 1500IP 数据报以 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 。 课件制作人：谢希仁MAC 帧物理层MAC 层 IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6 6 2 4字节46 1500IP 数据报以 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 课件制作人：谢希仁MAC 帧物理层MAC 层 IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6 6 2 4字节46 1500IP 数据报以 太 网 V2 的 MAC 帧 格 式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 数 字 节 的 填 充 字 段 ，以 保 证 以 太 网 的 MAC 帧 长 不 小 于 64 字 节 。 课件制作人：谢希仁MAC 帧物理层MAC 层 IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6 6 2 4字节46 1500IP 数据报以 太 网 V2 的 MAC 帧 格 式10101010101010 10101010101010101011前同步码帧开始定界符7 字节1 字节8 字节插入在 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 课件制作人：谢希仁 n 数 据 字 段 的 长 度 与 长 度 字 段 的 值 不 一 致 ；n 帧 的 长 度 不 是 整 数 个 字 节 ；n 用 收 到 的 帧 检 验 序 列 FCS 查 出 有 差 错 ；n 数 据 字 段 的 长 度 不 在 46 1500 字 节 之 间 。n 有 效 的 MAC 帧 长 度 为 64 1518 字 节 之 间 。n 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 课件制作人：谢希仁 n 帧 间 最 小 间 隔 为 9.6 s， 相 当 于 96 bit 的 发 送时 间 。n 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 。n 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 课件制作人：谢希仁 3.5 扩 展 的 局 域 网3.5.1 在 物 理 层 扩 展 局 域 网n 主 机 使 用 光 纤 和 一 对 光 纤 调 制 解 调 器连 接 到 集 线 器 以 太 网集 线 器光 纤 光 纤调 制 解 调 器光 纤调 制 解 调 器 课件制作人：谢希仁 n 某 大 学 有 三 个 系 ， 各 自 有 一 个 局 域 网用 多 个 集 线 器 可 连 成 更 大 的 局 域 网三 个 独 立 的 碰 撞 域一 系