计算机网络第三章 数据链路层.ppt

计算机网络,计 算 机 网 络,主 讲：邓 辉,计算机网络,第 3 章 数据链路层,3.1 使用点对点信道的数据链路层 3.2 点对点协议 PPP 3.3 使用广播信道的数据链路层 3.4 使用广播信道的以太网 3.5 扩展的以太网 3.6 高速以太网 3.7 其他类型的高速局域网接口,计算机网络,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,计算机网络,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,R3,H1,H2,仅从数据链路层观察帧的流动,数据链路层的简单模型,计算机网络,数据链路层的任务,数据链路层的任务是把网络层的数据组合成帧，加上一定的校验，然后交物理层用某种信号表示二进制数据位送到目的计算机，并通过目的计算机的物理层和数据链路层送到网络层，也就是为网络层提供一条可靠的数据链路。,计算机网络,数据链路层的功能,数据链路层要解决向网络层提供透明的数据传送服务。 数据链路层要解决在两个网络实体之间提供数据链路连接的建立、维持和释放管理。 数据链路层要解决如何检测处理传输中出现的差错。,计算机网络,数据链路层服务的区分规则,数据链路层的服务是通过有无连接、有无确认来区分的。 无确认无连接 有确认无连接 有确认有连接 ,计算机网络,确认和连接,确认：接收方在收到数据帧后，必须给发送方发回一个确认。 面向连接：发送方和接收方在传输数据之前必须建立逻辑连接，传输结束后必须释放连接。,计算机网络,无确认的面向无连接服务,无确认是指接收方在收到数据帧后，毋需发回一个确认。 无连接服务是指在数据传输前毋需建立逻辑链路。 物理线路的连接并非意味着提供有连接的服务。 无确认并非不可靠，其可靠性由上层负责。,计算机网络,无确认的面向无连接服务举例,局域网 共享信道毋需建立连接 信道较为理想，数据传输的误码率很低 即使出错或丢失由上层负责恢复,计算机网络,有确认的面向无连接服务,使用前不建立连接，即不建立逻辑链路，但每帧传输必须得到确认。 这在信号传播延时较大、线路状态不一定很可靠的情况下是有效的。 例如：卫星通信 如建立连接，则信道利用率低。 数据传输的误码率相对较高，确认是必要的,计算机网络,有确认的面向连接服务,使用前先建立连接，即先建立数据链路，并且每帧的传输必须得到确认 有连接的服务必须在使用前先建立连接（即建立逻辑链路），然后使用，最后释放连接。 例如：电话,计算机网络,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送。,数据链路层使用的信道,计算机网络,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,数据 链路层,网络层,物理层,计算机网络,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。,计算机网络,3.1.2 三个基本问题 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,计算机网络,用控制字符进行帧定界的方法,SOH,装在帧中的数据部分,帧,帧开始符,帧结束符,发送在前,EOT,其中SOH和EOT均为ASCII编码,计算机网络,2. 透明传输,计算机网络,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ASCLL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。,计算机网络,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,字节填充法解决透明传输问题,SOH,计算机网络,SOH,ESC,EOT,ESC,SOH,ESC,ESC,ESC,EOT,ESC,ESC,ESC,SOH,EOT,SOH,ESC,ESC,EOT,ESC,字节填充例,接收端,发送端,计算机网络,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)。 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。 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。(模2运算),计算机网络,循环冗余检验,在发送端，先把数据划分为组。假定每组 k 个比特。 选定好长度为 (n + 1) 位的除数 P。 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。在 M 的后面再添加供差错检测用的 n 位冗余码R 一起发送。,计算机网络,冗余码的计算举例,现在设M = 101001 ， k = 6 ； 设除数 P = 1101， n = 3； 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。,计算机网络,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,冗余码的计算举例,计算机网络,接收端对收到的每一帧 进行 CRC 检验,用接收到的数据除以发送端选定的除数。 (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。 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出错的概率就很小很小。 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。,计算机网络,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。,计算机网络,多项式表示循环冗余检验,将要发送的二进制数序列看成是一个多项式。n位的数据序列对应n-1次多项式。 P(x)=an-1xn-1 +an-2xn-2 + a1x + a0 除式称为生成多项式。 如除数 P =1101，可用生成多项式表示为： P(x)=X3 +X2 + 1,计算机网络,常用的生成多项式,CRC-12： G(x)=x12+x11+x3+x2+x+1 CRC-16： G(x)=x16+x15+x2+1 CRC-CCITT：G(x)=x16+x12+x5+1 CRC-32： G(x)=x32+x26+x23+x22+x16 +x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1,计算机网络,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。,计算机网络,例3-1：,信息字段代码为1011001；生成多项式：P(x)= X4 + X3 + 1，如用CRC方法进行差错检验，求发送数据。 求得余数为：1010 (即校验字段） 发送方：发送数据 10110011010 接收方：使用相同的生成码进行校验:接收到的字段/生成码，如果能够除尽，则正确，否则出错。,计算机网络,3.2 点对点协议 PPP 3.2.1 PPP 协议的特点,PPP（Point-to-Point Protocol 点对点协议）是为在同等单元之间传输数据包这样的简单链路设计的数据链路层协议。这种链路提供全双工操作，并按照顺序传递数据包。 设计目的主要是用来通过拨号或专线方式建立点对点连接发送数据，使其成为各种主机、网桥和路由器之间简单连接的一种共通的解决方案。,计算机网络,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,计算机网络,路由器,调制解调器,调制解调器,因特网服务提供者(ISP),用户家庭,拨号电话线,使用 TCP/IP 的 PPP 连接,路由选择 进程,至 因 特 网,PC 机,用户到 ISP 的链路 使用 PPP 协议,计算机网络,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,计算机网络,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,计算机网络,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。,计算机网络,PPP 协议的组成,一个将IP数据报封装到串行链路的方法。PPP既支持异步链路，也支持面向比特的同步链路。IP数据报在PPP帧中就是其信息部分。这个信息部分的长度受最大传送单元MTU的限制。 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 (Link Control Protocol)。通信的双方可协商一些选项。 一套网络控制协议NCP(Network Control Protocol)，其中的每一个协议支持不同的网络层协议，如IP、OSI的网络层、DECnet以及AppleTalk等。所有的PPP帧的长度都是整数个字节。,计算机网络,在物理层，可在一系列接口上配置 PPP，这些接口包括： 异步串行 同步串行 HSSI ISDN,PPP 协议的组成,计算机网络,LCP 是 PPP 中实际工作的部分。LCP 位于物理层的上方，其职责是建立、配置和测试数据链路连接。 PPP 提供 LCP 中的服务选项，主要用于协商和帧检查，以帮助管理员实现对指定点对点的控制。 一旦建立了链路，PPP 还会进行 LCP 鉴别。,PPP 协议的组成,计算机网络,PPP 允许多个网络层协议在同一通信链路上运行。 对于所使用的每个网络层协议，PPP 都分别使用独立的 NCP。 NCP 包含了功能字段，功能字段中包含的标准化代码用于指示 PPP 封装的网络层协议。,PPP 协议的组成,计算机网络,PPP 协议的帧格式,IP 数据报,1,2,1,1,字节,1,2,不超过 1500 字节,先发送,7E,FF,03,F,A,C,FCS,F,7E,协议,信 息 部 分,首部,尾部,PPP 帧,计算机网络,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 协议的帧格式,计算机网络,PPP 有一个 2 个字节的协议字段。协议字段不同，后面的信息字段类型就不同。 0x0021信息字段是IP数据报 0xC021信息字段是链路控制数据LCP 0x8021信息字段是网络控制数据NCP 0xC023信息字段是安全性认证PAP 0xC025信息字段是LQR 0xC223信息字段是安全性认证CHAP,PPP 协议的帧格式,计算机网络,透明传输问题,当 PPP 用在异步传输时，就使用一种特殊的字节填充法。 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。,计算机网络,字节填充,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，同时将该字符的编码加以改变。(第6个比特取反码后变成1，前面两种情况均变为0),计算机网络,例3-2：,一个PPP帧的数据部分是7D 5E FE 27 7D 5D 7D 5D 65 7D 24。试问真正的数据是什么（用十六进制表示）？ 答案：7E FE 27 7D 7D 65 04,计算机网络,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 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,计算机网络,例3-3：,PPP协议使用同步传输技术传送比特串0110111111111100。试问经过零比特填充后变成怎样的比特串？若接收端收到的数据是0001110111110111110110，求发送端发送的真实数据？,计算机网络,3.2.3 PPP 协议的工作状态,计算机网络,LCP报文中可以携带的配置选项,计算机网络,假设点对点通信的一端发送了一个Config-Request报文，该报文将携带多种配置选项，具体携带哪些配置选项视应用而定。 当对端正确接收到该报文后，如果接受该报文携带的所有配置选项，则回应一个Config-Ack报文。,1,2,Config-Request,Config-Ack,路由器A,路由器B,链路配置报文举例(一次交互),计算机网络,假设点对点通信的一端发送了一个Config-Request报文。 当对端正确接收到该报文后，如果发现某配置选项可识别，但该配置选项数据域的内容不认可，应发送一个Config-Nak报文且该报文中将携带希望的配置选项内容。 当发端收到该报文后会重新发送一个Config-Request报文，相应的配置选项将改为Config-Nak报文中所希望的配置选项内容。,链路配置报文举例(两次交互),计算机网络,链路配置报文举例(两次交互),假设点对点通信的一端发送了一个Config-Request报文。 当对端正确接收到该报文后，如果发现某配置选项不识别，应发送一个Config-Reject报文，且该报文中将携带该配置选项内容。 当发端收到该报文后会重新发送一个Config-Request报文，相应的配置选项将被删除。,LCP链路鉴别,PPP支持两种授权认证协议： 口令验证协议（PAP，Password Authentication Protocol）通过两握手机制，为建立远程节点的验证提供了一个简单的方法。 挑战握手验证协议（CHAP，Challenge Hand Authentication Protocol）使用三次握手机制来启动一条链路和周期性的验证远程节点。,计算机网络,PAP认证,PAP验证特点： 两次握手协议 明文方式进行验证,Client,Server,Hostname: ruijie Password: 123,username ruijie password 123,用户名+密码,验证成功,验证失败,RB,RA,计算机网络,PAP认证的配置,客户端（被验证方） RA(config)#interface seril 0 RA(config-if)# encapsulation ppp RA(config-if)#ppp pap sent-username ruijie password 123 服务器端（验证方） RB(config)#username ruijie password 123 RB(config)#interface seril 0 RB(config-if)# encapsulation ppp RB(config-if)#ppp authentication pap,计算机网络,CHAP认证,CHAP验证特点： CHAP为三次握手协议 只在网络上传输用户名，而并不传输口令 安全性要比PAP高，但认证报文耗费带宽,Client,Server,Hostname: RA Password: 123,Hostname: RB Password: 123,RB,RA,RB+挑战报文,RA+加密后的密码,验证成功,验证失败,计算机网络,CHAP认证配置,客户端（被验证方） RA(config)#username RB password 123 RA(config)#interface serial 0 RA(config-if)#encapsulation ppp 服务器端（验证方） RB(config)#username RA password 123 RB(config)#interface serial 0 RB(config-if)#encapsulation ppp RB(config-if)#ppp authentication chap,计算机网络,点对点通信设备均设置了IP地址,我知道了,我的IP地址是192.168.0.1,路由器B,路由器A,192.168.0.1,192.168.0.2,我知道了,我的IP地址是192.168.0.2,IPCP静态地址协商,计算机网络,点对点通信的一方设置了IP地址，而另一方则通过从对端获取IP地址,这个地址不合法，用192.168.0.1这个地址吧,我的IP地址是0.0.0.0,路由器B,路由器A,192.168.0.2,我知道了,我的IP地址是192.168.0.2,我的IP地址是192.168.0.1,我知道了,IPCP动态地址协商,计算机网络,PPP链路配置举例,例3-4：路由器Router1和Router2的S0口均封装PPP协议，采用CHAP做认证，在Router1中应建立一个用户，以对端路由器主机名作为用户名，即用户名应为router2。同时在Router2中应建立一个用户，以对端路由器主机名作为用户名，即用户名应为router1。所建的这两用户的password必须相同。,计算机网络,Router1: hostname router1 username router2 password 123 interface Serial0 ip address 192.200.10.1 255.255.255.0 clockrate 1000000 ppp authentication chap Router2: hostname router2 username router1 password 123 interface Serial0 ip address 192.200.10.2 255.255.255.0 ppp authentication chap,计算机网络,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、可用性和生存性。,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,计算机网络,星型拓扑结构也称“集中式拓扑结构”，是因集线器或交换机连接的各连接节点呈星状分布而得名。星型结构是目前应用最广、实用性最好的一种拓扑结构。无论在局域网中，还是在广域网中都可以见到它的身影。复杂的星型网络就是在基本星型结构的基础上通过多台交换机级联形成的，从而形成多级星型结构，满足更多、不同地理位置分布的用户连接和不同端口带宽需求。,星形网,计算机网络,星型结构传输距离限制 因为在星型网络中通常是采用双绞线作为传输介质的（高档网络也有采用光纤的），每一个采用此种结构的集线设备所能连接的网络范围最大直径就达到200米，超过这个范围都将要采用级联或者中继方法。 星型结构主要优缺点： 优点：网络传输数据快；实现容易，成本低；节点扩展、移动方便；维护容易等。 缺点：核心交换机工作负荷重；网络布线较复杂；广播传输，影响网络性能。,星形网,计算机网络,环型网络拓扑结构主要应用于采用同轴电缆（也可以是光纤）作为传输介质的令牌网中，是由连接成封闭回路的网络节点组成的。因为环型网络结构的传输速率最高只有16Mbps，扩展性能又不好，早已被星型结构双绞线以太网替代了。,环形网,计算机网络,令牌环网工作原理 拥有“令牌”的设备才允许在网络中传输数据。这可保证在某一时间内网络中只有一台设备可以传送信息。在环型网络中信息流只能是单方向的，每个收到信息包的站点都向它的下游站点转发该信息包。信息包在环型网络中传输一圈，最后由发送站进行回收。当信息包经过目的站时，目的站根据信息包中的目标地址判断出自己是接收站，并把该信息拷贝到自己的接收缓冲区中。 环型结构的主要优缺点： 优点：网络路径选择和网络组建简单投资成本低。 缺点：传输速度慢；连接用户数非常少；传输效率低；扩展性能差；维护困难这几个方面。,环形网,计算机网络,总线型拓扑结构主要是利用同轴电缆作为传输介质，总线型拓扑结构网络中所有设备通过连接器并行连接到一个传输电缆上，并在两端加装一个称之为“终接器”的组件。现在也有采用光缆作为传输介质的，如ATM网、Cable MODEM所采用的网络等都属于总线型网络结构。为了扩展计算机的台数，还可以在网络中添加其他的扩展设备，如中继器等。,总线网,计算机网络,两种总线网： 一种是传统以太网使用的CSMA/CD，已演进为星形网。 一种是令牌传递总线网，即物理上是总线网而逻辑上是令牌环形网。现在已经退出市场。 总线型结构主要优缺点： 优点：结构简单，便于扩充；网络响应速度快，便于广播式工作；设备量少，价格低廉。 缺点：节点多时，网络性能下降；任何节点故障可能导致网络失效 。,总线网,计算机网络,树型拓扑结构可以认为是多级星型结构组成的，只不过这种多级星型结构自上而下（从核心交换机到会聚层，再到边缘层）是呈三角形分布的，也就是上层的终端和集中交换节点少，中层的终端和集中交换节点多些，而下层的终端和集中交换节点最多。除了具有星型结构的所有优点外，还具有扩展性能好和易于网络维护。,树形网,计算机网络,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。,计算机网络,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 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”应当是指符合 DIX Ethernet V2 标准的局域网,计算机网络,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，不管采用何种传输媒体和MAC子层的局域网对 LLC 子层来说都是透明的。,计算机网络,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 链路层,站点 2,LLC 子层看不见 下面的局域网,计算机网络,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。,部分网络适配器未装LLC协议,计算机网络,2. 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”。它是局域网中提供各种网络设备与网络通信介质相连的接口。 网卡作为一种I/O接口卡插在主机板的扩展槽上，其基本结构包括接口控制电路、数据缓冲器、数据链路控制器、编码解码电路、内收发器、介质接口装置等六大部分。,计算机网络,适配器的重要功能： 进行串行/并行转换。 对数据进行缓存。 编码与译码。 实现以太网协议。,2. 网络适配器,计算机网络,网络适配器,用于台式PC机的以太网网卡,用于笔记本电脑的网卡,用于台式PC机无线局域网网卡,计算机网络,网卡的基本结构,计算机网络,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,计算机网络,3.3.2 CSMA/CD 协议,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。,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,计算机网络,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。,计算机网络,为了通信的简便 以太网采取了两种重要的措施,采用较为灵活的无确认无连接的工作方式，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。,计算机网络,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。,计算机网络,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,把一个码元分成两个相等的间隔，用“前低后高”来表示码元1，用“前高后低”来表示码元0。,计算机网络,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。 “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。,计算机网络,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。,计算机网络,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”。,计算机网络,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。,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,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,计算机网络,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。,计算机网络,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。,计算机网络,争用期的长度,10 Mb/s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。争用期也可以是512比特时间。 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。,计算机网络,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。,计算机网络,最短有效帧长,如果争用期不变，则 100Mbps以太网： LMIN 51.2 x 10-6 x 108 =5120b=640B 1000Mbps以太网： LMIN 51.2 x 10-6 x 109 =51200b=6400B,计算机网络,例3-5：,假定2 km长的CSMA/CD网络的数据率为1 Gb/s，设信号在网络上的传播速率为2108m/s，求能够使用此协议的最短帧长。 解： =2 x 103/2 x 108= 10-5（s） LMIN = 2 C =2 x 10-5 x 109 = 2 x 104 (b) =1250(B),计算机网络,截断二进制指数退避算法 (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。 定义参数 k ，k 10，且 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。,计算机网络,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。,A,B,t,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。,计算机网络,帧间最小间隔,帧间最小间隔为 9.6 s，10Mb/s以太网相当于 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。,计算机网络,站点装配帧并准备发送,侦听信道忙否？,启动发送并检测冲突,冲突否？,发送完成？,发送冲突加强信号,冲突次数增1,冲突次数16？,计算随机延迟时间,等待延迟时间后再次启动发送,发送成功,发送失败,工作原理归结： 先听后发、边听边发、冲突停止、随机延迟后重发。,计算机网络,CSMA/CD协议要点,（1）组帧，存入适配器，准备发送。 （2）检测信道，9.6 s空闲则发送；否则继续检测并等待，如信道空闲再发送。 （3）发送过程中继续检测，如无碰撞，就把帧发送完毕。有碰撞，中止发送，并发送人为干扰信号。 （4）中止发送后，适配器执行退避算法，等待r倍争用期时间后，返回到步骤（2）。,计算机网络,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,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)。,计算机网络,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,计算机网络,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。,计算机网络,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。,计算机网络,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。每个接口仅仅简单的转发比特，不进行碰撞检测。 集线器采用了专门的芯片，进行自适应串音回波抵消，接口转发的信号不致产生干扰。,计算机网络,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,计算机网络,集线器,（a）独立集线器,（b）堆叠式集线器,计算机网络,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 (bit)，数据发送速率为 C (b/s)，因而帧的发送时间为 L/C = T0 (s)。,计算机网络,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,计算机网络,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。,计算机网络,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。,计算机网络,信道利用率的最大值 Smax,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：,计算机网络,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。 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”，所以一般也采用这种习惯用法，尽管这种说法并不太严格。,计算机网络,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。,第 1,最高位 最先发送,最低位,最高位,最低位 最后发送,00110101 01111011 00010010 00000000 00000000 00000001,最低位 最先发送,最高位,最低位,最高位 最后发送,机构惟一标志符 OUI,扩展标志符,高位在前,低位在前,十六进制表示的 EUI-48 地址： AC-DE-48-00-00-80,二进制表示的 EUI-48 地址：,第 1 字节,第 6 字节,I/G 比特,I/G 比特,字节顺序,第 2,第 3,第 4,第 5,第 6,第 1,字节顺序,第 2,第 3,第 4,第 5,第 6,10101100 11011110 01001000 00000000 00000000 10000000,802.5 802.6,802.3 802.4,G/L比特,计算机网络,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）,计算机网络,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。,计算机网络,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,FCS,6,6,2,4,字节,46 1500,MAC 帧,以太网的 MAC 帧格式,计算机网络,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,计算机网络,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,源地址字段 6 字节,以太网 V2 的 MAC 帧格式,计算机网络,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 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。,计算机网络,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,计算机网络,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。,计算机网络,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,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,以太网 V2 的 MAC 帧格式,计算机网络,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。,计算机网络,3.5 扩展的局域网 3.5.1 在物理层扩展局域网,主机使用光纤和一对光纤调制解调器连接到集线器，扩展两者之间的距离。,以太网 集线器,光纤,光纤 调制解调器,光纤 调制解调器,计算机网络,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,二系,三系,碰撞域,碰撞域,碰撞域,某大学有三个系，各自有一个局域网,计算机网络,用集线器组成更大的局域网 都在一个碰撞域中,一系,三系,二系,主干集线器,一个更大的碰撞域,碰撞域,计算机网络,用集线器扩展局域网,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。 仍为一个碰撞域，当节点数目增大时，碰撞域也随之增长，重负荷下可能导致网络瘫痪。 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。,计算机网络,3.5.2 在数据链路层扩展局域网,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转发。 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,1. 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,计算机网络,网桥使各网段成为隔离开的碰撞域,B2,B1,碰撞域,碰撞域,碰撞域,A,B,C,D,E,F,计算机网络,使用网桥带来的好处,过滤通信量，增大吞吐量。 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。,计算机网络,使用网桥带来的缺点,存储转发增加了时延。 在MAC 子层并没有流量控制功能。 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,