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gecimao 发表于 2019-07-22 16:34 | 查看: | 回复:

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  计算机网络原理 第3章 数据链路层 主 讲:刘红旗 9/liuhongqi 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(重点,难点) 3.4 以太网的信道利用率 3.5 扩展的以太网(重点) 3.6 高速以太网 3.7 其他类型的高速局域网接口(不讲) 数据链路层的基本概念 数据链路层的作用:如何在有差错的物理线路上,进行无差错传输。 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送。 数据链路层的简单模型 数据链路层的简单模型 3.1 使用点对点信道的数据链路层 本节讨论使用点对点信道的数据链路层的一些基本问题。 其中的某些概念对广播信道也是适用的。 3.1.1 数据链路和帧 3.1.2 三个基本问题 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。 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。 首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界。 用控制字符进行帧定界的方法举例 2. 透明传输 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)。 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。 用字节填充法解决透明传输的问题 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。 目前在数据链路层广泛使用了循环冗余校验 CRC 的检错技术。 循环冗余校验(cyclic redundancy check,CRC)是一种能力相当强的检错码,并且实现编码和检码的电路比较简单。 CRC的原理 CRC基于二进制除法。 在CRC中,在数据单元(比如一个字节)的后面附加一个称为“循环冗余码”或“CRC余数”的冗余数位串,使该数据单元可被另一个预先给定的二进制数完全除尽。 接收端将所接收的数据单元用同样的二进制数相除,如果无余数,则可认为所接收的数据单元正确无误,如果有余数,则认定该数据单元已有差错。 模 2 运算 模2运算是指以按位模2加减为基础的四则运算,运算时不考虑进位和借位。 模2加减的原则为:两数相同为0,两数相异为1。 模2除法:模2除法与算术除法类似,但每一位除(减)的结果不影响其它位,即不向上一位借位。所以实际上就是异或。步骤如下: a、用除数对被除数最高几位做模2减,没有借位。 b、被除数右移一位,若余数最高位为1,则商为1,并对余数做模2减。若余数最高位为0,则商为0,除数继续右移一位。 c、一直做到余数的位数小于除数时,该余数就是最终余数。 CRC的计算过程(发送端) 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)。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(设为C)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。 把余数 R 作为冗余码添加在数据 M 的后面发送出去。 CRC的检验过程(接收端) 接收端将所接收的数据单元用同样的二进制数P相除: (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。 一种较为方便的方法是用多项式来表示循环冗余检验过程。 方法是将待传输的数据位串看成系数为0或1的多项式f(x),如位串10011可表示为f(x)=x4+x+1。发送前收发双方约定一个生成多项式G(x)(其最高阶和最低阶系数必为1),设G(x)为r阶(即最高次幂为r)。计算xr×f(x)/ G(x)的余数(r位)作为冗余码,发送方在数据位串的末尾加上冗余码,使带冗余码的位串多项式能被G(x)整除。 接收方收到后用G(x)除多项式,若有余数,则传输有错。 生成多项式的选择 生成多项式应该满足以下要求: 任何一位发生错误都应使余数不为0 不同位发生错误应使余数不同 对余数继续作模2除运算应使余数循环 例1 取h(X)=X4+X+1,假设欲发送的一段信息101100110,问在线路上传输的码字是? 例2 仍取h(x)=X4+X+1,如果接收端收到的码字为10,问传输过程中有无出错? 例4. 要发送的数据为1101。采用CRC的生成多项式是P(x)=x2+1 。试求应添加在数据后面的余数。 数据在传输过程中要发送的数据1101变成1100,问接收端能否发现?能否发现那几位发生错误? 若数据在传输过程中要发送的数据1101变成1000 ,问接收端能否发现?能否发现那几位发生错误? 答:(1)添加的检验序列为10 ( 1101除以101) (2)数据在传输过程中要发送的数据1101变成1100 ,110010除以101,余数为01,不为0,接收端可以发现差错。 (3)若数据在传输过程中要发送的数据1101变成1000 , 100010除以101,余数为0,接收端不能发现差错。 应当注意 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。 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。 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)。即“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。 3.2 点对点协议 PPP 通信线路质量较差的年代:HDLC(高级数据链路控制) 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) 3.2.1 PPP协议的特点 3.2.2 PPP协议的帧格式 3.2.1 PPP 协议的特点 PPP协议是IETF在1992年制定的。经过1993年和1994年的修订,现在的PPP协议在1994年就已称为因特网的正式标准。 用户使用拨号电话线接入因特网时,一般都是使用 PPP 协议。 PPP协议是目前广域网上应用最广泛的协议之一,它的优点在于简单、具备用户验证能力、可以解决IP分配等。 用户到 ISP 的链路使用 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 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 PPP 协议的帧格式 标志字段 F = 0x7E (二进制表示为01111110),表示一个帧的开始和结束(即PPP帧的定界符)。 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 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。 信息字段:长度是可变的,不超过1500字节。 PPP 协议的帧格式 PPP 有一个 2 个字节的帧检验序列 FCS 。 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 的惟一方法。 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。 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 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与0x20进行异或。 PPP接收帧时,删除 0x7D ,并将其后面的字符与0x20进行异或,还原成原来的字符。 例题: 一个PPP帧的数据部分(用十六进制写出)是7D 5E FE 27 7D 5D 7D 5D 65 7D 5E。试问真正的数据是什么(用十六进制写出)??? ?答案: 7E FE 27 7D 7D 65 7E 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。 例题: PPP协议使用同步传输技术传送比特串0。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PPP帧的数据部分是1110110,问删除发送端加入的零比特后变成怎样的比特串? 答案:(1) 000 (2) 1-11111-110 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。 3.3 使用广播信道的数据链路层 广播信道可以进行一对多的通信。下面要讨论的局域网使用的就是广播信道。 3.3.1 局域网的数据链路层 3.3.2 CSMA/CD 协议 3.3.1 局域网的数据链路层 局域网的定义: 局域网LAN是指在较小的地理范围内,将有限的通信设备互联起来的计算机通信网络。 局域网的特点 ①共享传输信道。在局域网中,多个系统连接到一个共享的通信媒体上。 ②地理范围有限,用户个数有限。通常局域网仅为一个单位服务,只在一个相对独立的局部范围内连网。一般来说,局域网的覆盖范围约为10m~10km内或更大一些。 ③传输速率高。局域网的数据传输速率一般为10~100Mbps,能支持计算机之间的高速通信,所以时延较低。 ④误码率低。因近距离传输,所以误码率很低,一般在10-8~10-11之间。 ⑤多采用分布式控制和广播式通信。在局域网中各站是平等关系而不是主从关系,可以进行广播或组播。 局域网的拓扑结构 局域网的传输形式 基带传输 典型传输介质有双绞线、基带同轴电缆、光纤 宽带传输 典型传输介质有宽带同轴电缆、无线电波 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:站点/用户可随机发送信息;可能产生碰撞 受控接入 :站点/用户必须遵循某种发送规则,不能随机发送; IEEE 802模型 1980年2月成立IEEE802委员会(IEEE - Institute of Electrical and Electronic Engineers ,即电器和电子工程师协会)。该委员会制定了一系列局域网和城域网标准,称为IEEE 802标准。 IEEE 802标准系列:(红色字体为目前活跃的工作组) IEEE 802.1? 桥接/体系结构。 IEEE 802.2? 逻辑链路控制。 IEEE 802.3? CSMA/CD总线访问控制方法及物理层技术规范。 IEEE 802.4? 令牌总线访问控制方法及物理层技术规范。 IEEE 802.5? 令牌环网访问控制方法及物理层规范。 IEEE 802.6? 城域网访问控制方法及物理层技术规范。 IEEE 802.7? 宽带技术。 IEEE 802.8? 光纤技术。 IEEE 802.9? 综合业务数字网(ISDN)技术。 IEEE 802.10 局域网安全技术。 IEEE 802.11 无线BASE-VG标准 IEEE 802.14 有线电视网(CATV Broadband)标准 IEEE 802.15 无线个人区域网 IEEE 802.16 宽带无线 弹性分组环 IEEE 802.18 无线 移动宽带无线 媒体无关切换 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。 MAC层的主要功能 与接入各种传输介质有关的问题都放在MAC子层: 在发送端将要传输的数据组装成帧,帧中包含有地址和差错检测等字段; 在接收端,将接收到的帧解包,进行地址识别和差错检测; 管理和控制对于局域网传输介质的访问; LLC层的主要功能 数据链路层中与介质接入无关的部分都集中在LLC子层: 建立和释放数据链路层的逻辑连接; 提供与高层的接口; 差错控制; 给帧加上序号 局域网对 LLC 子层 是透明的 参考模型 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。 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/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。 计算机通过适配器 和局域网进行通信 3.3.2 以太网 局域网技术中最著名和应用最广泛的是以太网(Ethernet),它是局域网的主流网络技术。 全球90%以上的LAN都是以太网,全球网络中以太网端口至少在32亿个以上,已安装的以太网设备高达几万亿美元。 由于以太网的数据率已演进到100Mb/s、1Gb/s甚至10Gb/s,因此通常就用“传统以太网”来表示最早流行的10Mb/s速率的以太网。 下面我们先介绍传统以太网。 以太网的两个标准 (1)DIX Ethernet V2 :是世界上第一个局域网产品(以太网)的规约。 (2)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 以太网发送的数据都使用 曼彻斯特(Manchester)编码 3.3.3 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。 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 (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。 (2)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。 不要确认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。因此,以太网提供的服务是不可靠的交付,即尽最大努力的交付。差错的纠正由高层协议来完成。 剩余问题 剩下的一个重要问题就是如何协调总线上各计算机的工作。 由于总线上只要有一台计算机在发送数据,总线的资源就被占用,因此,在同一时间只能允许一台计算机发送数据,否则各计算机之间就会相互干扰,结果大家都无法正常发送数据。 这个任务交由媒体接入控制(MAC)子层来完成。 媒体接入控制方法要解决以下几个问题: 该哪个结点发送数据? 发送时会不会出现碰撞? 出现碰撞怎么办? 在以太网中,使用的是CSMA/CD(载波监听多点接入/碰撞检测)来解决以上问题。 CSMA/CD 协议 CSMA/CD 表示 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection,全称为载波监听多点接入/碰撞检测 。 CSMA/CD主要解决两个问题: 一是各站点如何访问共享介质; 二是如何解决同时访问造成的碰撞。 “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”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。 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。 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? (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。 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 字节没有发生碰撞,则后续的数据就不会发生碰撞。 最短有效帧长 如果发生碰撞,就一定是在发送的前 64 字节之内。 由于一检测到碰撞就立即中止发送,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 字节的帧都是由于碰撞而异常中止的无效帧。 帧间最小间隔 以太网还规定了帧间最小间隔为9.6 ?s ,相当于96比特时间。 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接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。 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?。 第1次碰撞发生后,每个站点等待0或1个争用期后重发; 第2次发生碰撞后,等待时间从0、1、2、3个争用期中随机选一个; 第3次发生碰撞后,等待时间从0~23-1个争用期之间随机选一个; 检测 i 次碰撞后,等待时间从0~ 2i-1 个争用期之间随机选一个; 检测10次碰撞后,等待时间就从0到1023个争用期之间随机选一个; 检测16次碰撞后,控制器不再动作,并宣告发送失败。 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 CSMA/CD 协议的过程总结(发送端) (1)适配器从网络层获得一个分组,加上以太网的首部和尾部,组成以太网帧,放入适配器的缓存中,准备发送。 (2)若适配器检测到信道空闲(即在96比特时间内没有检测到信道上有信号),就发送这个帧。若检测到信道忙,则继续检测并等待信道转为空闲(加上96比特时间),然后发送这个帧。 (3)在发送过程中继续检测信道,若一直未检测到碰撞,就顺利把这个帧成功发送完毕。若检测到碰撞,则中止数据的发送,并发送人为干扰信号。 (4)在中止发送后,适配器就执行指数退避算法,等待 r 倍512比特时间后,返回到步骤(2)。 CSMA/CD的发送过程可以简单描述为: 讲前先听——忙则等待 无声则讲——边讲边听 冲突即停 后退(等待一段时间)重传 多次无效(仍冲突),放弃发送 CSMA/CD帧的接收过程 滤除帧碎片(总长度64字节的帧)。 检查帧的目的地址字段(DA)是否与本站地址相匹配。如果不匹配,则将它丢弃掉。 检查帧的完整性: 滤除因碰撞而产生的超长帧(总长度1518字节)和不完整的帧(总长度位数不是8的完整倍数) 进行帧的CRC校验。如果CRC校验有错,则丢弃该帧。 最后将有效的帧的数据提交给上层(LLC子层或网络层)。 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。 例1: 设某单总线Mbps,数字信号在总线m/s),则每个信号占据的介质长度为 米. 当CSMA/CD访问时,如只考虑数据帧而忽略其他一切因素,则最小时间片的长度为 us,最小帧长度是 位? (1)答:2c/3=2*3*108/3=2*108 (m/s) 1000米所需时间为T=1000/2*108=5*10-6秒 T时间内可传输多少位呢? 5*10-6 *10*106=50bit 则1000米上有50位,1位占据的介质长度为20米 (2)答:最小时间片的长度=2*传播时延=2*T=10-5秒=10us (3)答:最短数据帧长(bit) /数据传输速率(Mbps) = 2T 则:最短数据帧长=数据传输速率×2T =10×106×10-5=100(b) 例2: 在最小帧的长度为512bit,传输速率为100Mb/s,电磁波在电缆中的传播速率为200m/us。局域网的最大覆盖半径为 m。 3.3.4 以太网的信道利用率 假定以下参数: 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)。 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。 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: 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。 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 + ?,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: 3.3.5 传统以太网的传输介质 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BASE-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。 传统以太网的传输介质 (1) 10Base5 : 粗缆Ethernet (2) 10Base2 : 细缆Ethernet (3) 10Base-T :双绞线,星型Ethernet (4) 10Base-F :光纤Ethernet 3.4 以太网的 MAC 层 3.4.1. MAC 层的硬件地址 3.4.2. MAC 帧的格式 3.4.1 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。它是网络上用于识别一个网络硬件设备的标识符。 IEEE 802.3 标准规定 MAC 地址的长度可以是 6B(48bit),也可以是 2B(16bit)。通常情况下都是采用 48bit 的地址。 48 位的 MAC 地址 MAC地址字段的前三个字节(即高位 24 位)称为机构唯一标识符OUI。由 IEEE 的注册管理机构 RA 负责向厂家分配这三个字节,这三个字节构成的号就成为一个地址块。 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。(EUI表示扩展的唯一标识符) MAC地址的三种类型 单播地址(一对一):用于单播地址的帧将发送给网络中唯一一个由单播地址指定的站点。当MAC地址中的I/G位为0时就表示该MAC地址是单播地址。 广播地址(一对全体):当目的地址为广播地址时,表示该帧将发送给所有节点。广播地址是所有位都为1(写成十六进制就是FF- FF- FF- FF- FF- FF)的MAC地址。 多播地址(一对多):当目的地址为多播地址时,表示该帧将发送给网络中一部分(一组)站点。多播地址是I/G位为1的MAC地址。 只有目的地址才使用广播地址和多播地址,也使用单播地址。而源地址只有单播地址。 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) 网卡上的硬件地址 3.4.2. 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DIX Ethernet V2的格式(即以太网 V2 MAC 帧)。 以太网 V2 的 MAC 帧格式 以太网 V2 的 MAC 帧格式 以太网 V2 的 MAC 帧格式 以太网 V2 的 MAC 帧格式 以太网 V2 的 MAC 帧格式 以太网 V2 的 MAC 帧格式 IEEE 802.3 MAC帧与 以太网 V2 MAC 帧的区别 IEEE 802.3 规定的 MAC 帧的第三个字段是“长度/类型字段”。 当这个字段值大于 0x0600 时(相当于十进制的1536),就表示类型。这样的帧和以太网 V2 MAC 帧完全一样。 只有当这个字段值小于 0x0600 时才表示“长度”,即 MAC 帧的数据部分长度。 当“长度/类型字段”字段值小于 0x0600 时,数据字段必须装入上面的 LLC 子层的 LLC 帧。 3.5 扩展的局域网 在许多情况下,我们希望把以太网的覆盖范围扩展。 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 这种扩展的以太网在网络层看来仍然是一个网络。 3.5.1 在物理层扩展局域网 在物理层扩展以太网主要使用集线器(hub)。这种以太网采用星形拓扑,这样的网络称为10BASE-T以太网。 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。 不使用同轴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。 使用集线器的双绞线以太网 具有三个接口的集线器 用多个集线器可连成更大的局域网 某大学有三个系,各自有一个局域网 用集线器组成更大的局域网 都在一个碰撞域中 扩展主机和集线BASE-T 的通信距离稍短,每个站到集线 m。 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。 如果不同的碰撞域使用不同的数据率,那么就不能用集线 在数据链路层扩展局域网 局域网中,多个节点共享同一介质,整个系统处于一个碰撞域范围内。 对于有N个节点的网络,每个站点发送数据的概率只有1/N,或者说每个站点平均只占有系统带宽的1/N。 解决方案:把网络分割成一些网段,使网络中的一部分站点能够并行地发送数据。 把一个网络分割成子网的设备称为网桥,也称桥接器。 网桥的工作特点 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。 此外,由于网桥没有网卡,因此网桥并不改变它转发的帧的源地址。 1. 网桥的内部结构 使用网桥带来的好处 把网络分成多个碰撞域,过滤通信量,增大吞吐量。 扩大了物理范围,增加了整个局域网上站点的数量。 提高了可靠性,一个网段的故障不会扩散到其他网段。 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。 使用网桥带来的缺点 存储—查表—转发过程增加了时延。 具有不同MAC子层的网段桥接在一起时,网桥在转发一个帧之前,必须修改帧的某些字段的内容,以适合另一个MAC子层的要求。这也耗费时间,因而增加时延。 在MAC子层并没有流量控制功能。当网络上的负荷很重时,网桥中的缓存的存储空间可能不够而发生溢出,以致产生帧丢失的现象。 网络连接的所有用户还在同一个广播域之内。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较大的广播风暴。 网桥和集线器(或转发器)不同 集线器在转发帧时,不对传输媒体进行检测。 网桥在转发帧之前必须执行 CSMA/CD 算法。 若在发送过程中出现碰撞,就必须停止发送和进行退避。 2. 透明网桥 目前使用得最多的网桥是透明网桥(transparent bridge)。透明网桥是一种即插即用设备,其标准是 IEEE 802.1D。 “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,因为网桥对各站来说是看不见的。 网桥是根据其转发表来处理接收到的数据帧的。 当网桥刚刚连接到以太网时,其转发表是空的。网桥按照自学习算法处理接收到的帧,并逐步建立转发表。 自学习算法的原理:若从站 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站A。 网桥的自学习和转发帧的过程 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、进入的接口和时间)。 如有,则把原有的项目进行更新。 网桥的自学习和转发帧的过程 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)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)。 转发表的建立过程举例 3. 源路由网桥 透明网桥容易安装,但网络资源的利用不充分。 源路由(source route)网桥在发送帧时将详细的路由信息放在帧的首部中。 源站以广播方式向欲通信的目的站发送一个发现帧,每个发现帧都记录所经过的路由。 发现帧到达目的站时就沿各自的路由返回源站。源站在得知这些路由后,从所有可能的路由中选择出一个最佳路由。凡从该源站向该目的站发送的帧的首部,都必须携带源站所确定的这一路由信息。 4. 多接口网桥——以太网交换机 1990 年问世的交换式集线器(switching hub),可明显地提高局域网的性能。 交换式集线器常称为以太网交换机(switch)或第二层交换机(表明此交换机工作在数据链路层)。 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。 以太网交换机的特点 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。 交换式网络从根本上改变了共享介质工作方式,它可以通过交换机在多端口之间实现多个并发连接,实现多个节点间的并发通信,以增加带宽,改善网络性能和服务质量。 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。 独占传输媒体的带宽 对于普通 10 Mb/s 的共享式以太网,若共有 N 个用户,则每个用户占有的平均带宽只有总带宽(10 Mb/s)的 N 分之一。 使用以太网交换机时,虽然在每个接口到主机的带宽还是 10 Mb/s,但由于一个用户在通信时是独占而不是和其他网络用户共享传输媒体的带宽,因此对于拥有 N 对接口的交换机的总容量为 N?10 Mb/s。这正是交换机的最大优点。 用以太网交换机扩展局域网 交换过程 过滤同网段帧 转发异网段帧 广播未知帧 自学信源地址 三种交换方式 直通方式(cut-throught) 交换机端口接收到数据帧的目的地址,就立即将数据帧发往目的地端口,“边收边发”。 存储-转发方式(store-forward) 交换机端口等数据帧全部接收到后,检查是否出错,如无错才送往目的端口。 改良的直通交换方式(以太网交换机) 交换机仅在转发帧的前64个字节时进行碰撞检测。 第二层交换机与网桥的异同 第二层交换机和网桥相比具有以下特点: 端口的数量和类型均多于网桥。 转发的速度要比网桥快。因为网桥主要是基于软件进行转发,而交换机使用硬件进行转发。 既可进行存储转发,又可支持直通交换。 可支持网络管理。 可支持VLAN技术,有效地避免了广播风暴。 中继器(Repeater) 中继器工作在物理层,只是简单的对信号进行再生、放大再从另外的端口传送出去,对高层的数据并不处理。 所以中继器连接的网段在同一个碰撞域内,同时也在同一个广播域内。 Hub连接的设备共享一个碰撞域,同时Hub连接的设备也共享一个广播域。 集线器不能增加网络的带宽,集线器只能用来连接各个站点或者简单地用来扩展网络的距离。 交换机(Switch) 交换机与网络分段 以太网交换机碰撞域局限于交换机一个端口上 交换机与集线.在OSI中的工作层次不同 2.数据传输方式不同 交换机:转发 集线.传输模式不同 交换机:全双工 集线.碰撞域不同 例 题: 有10个站连接到以太网上,试计算以下三种情况下每一个站所能得到带宽。 (1)10个站点连接到一个10 Mbit/s以太网集线 Mbit/s以太网集线 Mbit/s以太网交换机。 答:(1)10个站共享10Mbit/s; (2)10个站共享100Mbit/s; (3)每一个站独占10Mbit/s。 3.6 高速以太网 速率达到或超过 100 Mb/s 的以太网称为高速以太网。 高速以太网的发展,主要得益于下面的技术: (1)高速传输介质技术 (2)交换技术 (3)全双工技术 采用全双工技术可以带来如下优势: 不再受冲突域的限制,只与介质损耗有关 传输带宽可提高一倍 (4)编码技术 高速以太网不再采用传统的曼彻斯特编码,而采用不归零制的特殊编码方式。 3.6.1 100BASE-T 以太网 100 Base-T也称快速以太网(Fast Ethernet)。 支持半双工和全双工的工作方式。 在全双工方式下不使用 CSMA/CD 协议。 100 Base-T保持了与10Mb/s 以太网同样的MAC子层,使用同样的CSMA/CD 协议和相同的帧格式。包括同样的基本内容:最大帧长1518B,最小帧长64B,争用期512比特时间,帧间隙96比特时间。 因为100 Base-T传输速率是原以太网的10倍,所以争用期的时间长度变为了原来的十分之一,即5.12 ?s 。帧间隙变为0.96 ?s。 100 Base-T可以直接利用原有的线Mbps的无缝连接和自然过渡。 三种不同的物理层标准 (1)100BASE-TX 使用2对5类UTP或STP,其中一对用于发送,另一对用于接收。 可使用一个hub,或两个相隔5米的hub。 最大电缆长度100米,最大跨距205米。 信号采用MLT-3编码方法。 三种不同的物理层标准 (2)100BASE-FX 使用2根光纤,其中一根用于发送,另一根用于接收。 使用两根 62.5μm多模光纤时, 若采用半双工通信方式,节点最大间距为412米; 若采用全双工通信方式,最大传输距离为2千米; 使用单模光纤时,若采用全双工通信方式,最大传输距离为10千米; 信号的编码采用 4B/5B-NRZI 编码。 三种不同的物理层标准 (3)100BASE-T4 使用4对3类或5类UTP,这主要是为已使用3类UTP的大量用户而设计的。 使用3对线同时传送数据(每一对以 100/3 Mbps的速率传送数据),用1对线用作冲突检测的接收信道。 节点最大间距100米。 信号的编码采用8B/6T-NRZ(不归零)的编码方法。这样每对线上传输的电信号的波特率为25M,因此可以使用3类 UTP 传输。 3.6.2 吉比特以太网 支持全双工和半双工两种方式工作。 在半双工方式下使用 CSMA/CD 协议(全双工方式不需要使用 CSMA/CD 协议)。 使用 802.3 协议规定的帧格式。 与 10BASE-T 和 100BASE-T 技术向后兼容。 吉比特以太网的物理层 (1)1000 Base-T 使用4对5类双绞线作为传输介质。 采用PAM-5 (5级脉冲放大调制) 编码在每个线Mbps。 最大传输距离100米。 吉比特以太网的物理层 (2)1000 Base-X 采用8B/10B NRZI方案,信号速度达1.25G波特。 1000 Base-SX 使用62.5微米或50微米多模光纤,短波(850nm),最大传输距离为260米到525米 ; 1000 Base-LX 可使用62.5微米或50微米多模光纤,长波 (1300nm),最大传输距离为550米;也可使用10微米单模光纤,最大传输距离为5000米。 1000 Base-CX 使用150ΩSTP作为传输介质,最大传输距离为25米。 载波延长和分组突发技术 吉比特以太网工作在半双工方式时,必须进行冲突检测。 由于数据率提高了,因此只有减小最大电缆长度或增大帧的最小长度,才能保证在帧的发送期间检出所有的冲突。 吉比特以太网规定最短帧长仍为 64 字节(这样可以保持兼容性),同时将争用时间增大为 512 字节的时延。 在短的MAC帧后加上载波延伸 当发送的 MAC 帧长不足 512 字节时,就用一些特殊字符填充在帧的后面,使MAC 帧的发送长度增大到 512 字节,但这对有效载荷并无影响。 接收端在收到以太网的 MAC 帧后,要将所填充的特殊字符删除后才向高层交付。 分组突发机制 当很多短帧要发送时,第一个短帧要采用上面所说的载波延伸的方法进行填充。 随后的一些短帧则可一个接一个地发送,只需留有必要的帧间最小间隔(96位时)即可。这样就形成可一串分组的突发,直到达到 1500 字节或稍多一些为止。 全双工方式 当吉比特以太网工作在全双工方式时(即通信双方可同时进行发送和接收数据),不使用载波延伸和分组突发。 3.6.3 10 吉比特以太网 10 吉比特以太网只工作在全双工方式,因此没有争用问题,也不使用 CSMA/CD 协议。 10 吉比特以太网与 10 Mb/s、100 Mb/s 和 1 Gb/s 以太网的帧格式完全相同。 10 吉比特以太网还保留了 802.3 标准规定的以太网最小和最大帧长,便于升级。 10 吉比特以太网不再使用铜线而只使用光纤作为传输媒体。 吉比特以太网的物理层 局域网物理层 LAN PHY。局域网物理层的数据率是 10.000 Gb/s。 可选的广域网物理层 WAN PHY。广域网物理层具有另一种数据率,这是为了和 SONET/SDH相连接。 为了使 10 吉比特以太网的帧能够插入到 OC-192/STM-64 帧的有效载荷中,就要使用可选的广域网物理层,其数据率为 9.95328 Gb/s。 这种方式的好处就是可与现有的电信网络的SONET/SDH 兼容,保护了原有的投资。 端到端的以太网传输 10 吉比特以太网的出现,以太网的工作范围已经从局域网(校园网、企业网)扩大到城域网和广域网,从而实现了端到端的以太网传输。 这种工作方式的好处是: 成熟的技术 互操作性很好 在广域网中使用以太网时价格便宜。 统一的帧格式简化了操作和管理。 以太网从 10 Mb/s 到 10 Gb/s 的演进 以太网从 10 Mb/s 到 10 Gb/s 的演进证明了以太网是: 可扩展的(从 10 Mb/s 到 10 Gb/s)。 灵活的(多种传输媒体、全/半双工、共享/交换)。 易于安装。 稳健性好。 习 题 1: 数据率为10Mbit/s的以太网的码元传输速率是多少波特? 答:以太网使用曼彻斯特编码,这就意味着发送的每一位都有两个信号周期。标准以太网的数据速率是10Mb/s,因此波特率是数据率的两倍,即20M波特。 习 题 2: 假定1km长的CSMA/CD网络的数据率为1Gbit/s。设信号在网络上的传播速率为200000km/s。求能够使用此协议的最短帧长。 答:对于1km电缆,单程端到端传播时延为:τ=1÷200000=5×10-6s=5μs, 端到端往返时延为: 2τ=10μs 为了能按照CSMA/CD工作,最小帧的发送时延不能小于10μs,以1Gb/s速率工作,10μs可发送的比特数等于:10×10-6×1×109=10000bit=1250字节。 第三章 结束 目地地址 源地址 数据长度 数 据 FCS MAC 帧的最小值 = 64 字节 载波延伸 PA 加上载波延伸使 MAC 帧长度 = 争用期长度 512 字节 在以太网上实际传输的帧长 SOF 发送的 数据 分组#1 RRRRRRR 分组#2 RRRRR 分组#3RRRR 分组#4 争用期 512 字节 将突发计时器设定为 1500 字节 载波 监听 载波延伸 最小间隔 站表 接口管理 软件 网桥协议 实体 缓存 接口 1 接口 2 ① ② ③ 网段 B 网段 A 1 1 1 2 ① ③ ⑤ 2 ② ④ ⑥ 2 站地址 接口 网桥 网桥 ④ ⑤ ⑥ 接口 1 接口 2 1 2 B2 B1 碰撞域 碰撞域 碰撞域 A B C D E F 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 MAC 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 地址 接口 B2 B1 A B C D E F 1 2 1 2 地址 接口 B 1 B → A A → B A 1 A → B A 1 F → C F 2 F → C F 2 ………………………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………………. 万维网 服务器 电子邮件 服务器 以太网 交换机 客户机 ………………………………………………………………………………………………………. 5.交换机与集线器、中继器间的区别 集线器(Hub) 集线器也工作在物理层,只负责物理信号的传播,而不关心上层功能。他仅仅是通过将一个端口接收的信号再生放大以后重复地分发给其他端口,扩展了网络的物理连接距离,连接到集线器上的所有工作站都可以“看”到这个介质上的所有通信流量。 集线器连接的网络 能够隔离碰撞域,交换机的每一个端口属于一个碰撞域,但是它的所有端口处于一个广播域中,当收到一个广播帧时,它会将广播帧转发给自己所有的端口。 发 送 成 功 争用期 争用期 争用期 τ 2 τ 2 τ 2 T0 τ t 占用期 发生碰撞 发送一帧所需的平均时间 … a→0 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。 ………………………………………………………………………………………………………. 点对点 星形 总线型 总线型 拓扑结构 ST RJ-45 BNC DB-15 连接器类型 62.5/125多模光纤 3类UTP双绞线 每段节点数 取决于连接类型 取决于主干类型 925m 2500m 最大网络长度 2km 100m 185m 500m 每段最大长度 10Base-F 10Base-T 10BASE2 10BASE5 简写标识 光纤 双绞线 细同轴电缆 粗同轴电缆 传统10Mbps以太网的物理层特性 ………………………………………………………………………………………………………. 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 802.5 802.6 802.3 802.4 802.5 802.6 路由器 1A-24-F6-54-1B-0E 00-00-A2-A4-2C-02 02-60-8C-C7-75-2A 08-00-20-47-1F-E4 02-60-8C-11-D2-F6 路由器由于同时连接到多个网络上,因此它有多块网卡和多个硬件地址。 ………………………………………………………………………………………………………. MAC 帧 字节 6 6 2 4 IP 层 物理层 目的地址 源地址 长度/类型 FCS MAC 层 010 01011 前同步码 帧开始 定界符 7 字节 1 字节 … 8 字节 插入 数 据 MAC 子层 IP 层 LLC 子层 802.2 LLC 帧 当长度/类型字段 表示长度时 802.3 MAC 帧 以太网 V2 MAC 帧 这种 802.3 + 802.2 帧已经较少使用 目的地址 源地址 类型 数 据 FCS 6 6 2 4 字节 46 ~ 1500 43 ~ 1497 1 1 1 DSAP SSAP 1 1 1 控制 数 据 字节 DSAP SSAP 控制 IP 数据报 IP 数据报 以太网 MAC 帧 物理层 MAC层 010 01011 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 IP 数据报 MAC 帧 以太网的 MAC 帧格式 MAC 帧 物理层 MAC 层 IP 层 目的地址 源地址 类型 数 据 FCS 6 6 2 4 字节 46 ~ 1500 IP 数据报 6字节,接收方的MAC地址 可为单播地址、多播地址、广播地址 MAC 帧 物理层 MAC 层 IP 层 目的地址 源地址 类型 数 据 FCS 6 6 2 4 字节 46 ~ 1500 IP 数据报 6字节,发送方的MAC地址 MAC 帧 物理层 MAC 层 IP 层 目的地址 源地址 类型 数 据 FCS 6 6 2 4 字节 46 ~ 1500 IP 数据报 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。 MAC 帧 物理层 MAC 层 IP 层 目的地址 源地址 类型 数 据 FCS 6 6 2 4 字节 46 ~ 1500 IP 数据报 数据字段 46 ~ 1500 字节 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 目的地址 源地址 类型 数 据 FCS 6 6 2 4 字节 46 ~ 1500 IP 数据报 帧校验序列 FCS 字段 4 字节 根据目的地址、源地址、类型和数据字段计算出来的32位CRC校验值 当传输媒体的误码率为 1?10?8 时, MAC 子层可使未检测到的差错小于 1?10?14。 MAC 帧 物理层 MAC 层 IP 层 目的地址 源地址 类型 数 据 FCS 6 6 2 4 字节 46 ~ 1500 IP 数据报 010 01011 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,由硬件生成。 ………………………………………………………………………………………………………. 集线器 两对双绞线 插头 集 线 器 网卡 工作站 网卡 工作站 网卡 工作站 双绞线 三个独立的碰撞域 一系 二系 三系 碰撞域 碰撞域 碰撞域 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 集线器 光纤 光纤 调制解调器 光纤 调制解调器 使用光纤代替双绞线可以扩展主机与集线器之间的距离:主机使用光纤和一对光纤调制解调器连接到集线器。 使用这种方法可以很容易地使主机和几公里外的集线器相连接。 ………………………………………………………………………………………………………. 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 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 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 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 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 km A B t 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 B A B A 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 STOP t = 2? ? ? A 检测到 发生碰撞 STOP A B 单程端到端 传播时延记为? 数据帧 干扰信号 ? TJ A B TB t ? B 发送数据 A 检测 到碰撞 开始碰撞 信 道 占 用 时 间 A 发送数据 B 也能够检测到碰撞,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。 信道忙? 节点准备发送帧 发送数据帧 发送干扰信号 碰撞? 发送完? N≥16? 发送成功 发送失败 碰撞次数N++ 根据退避算法,延迟时间 是 是 是 否 是 否 否 否 CSMA/CD工作流程(发送端) ………………………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………………. 512 ………………………………………………………………………………………………………. 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 ………………………………………………………………………………………………………. 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 PPP 是面向字节的,所有的 PPP 帧的长度都是整数字节。 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 个连续 1 之后 填入 0 比特再发送出去 在接收端把 5 个连 续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 ………………………………………………………………………………………………………. 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 3.2.3 PPP 协议的工作状态 匹配电阻 集线器 干线耦合器 总线网 星形网 树形网 环形网 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 LLC 子层看不见 下面的局域网 LAN只是一个计算机通信网,不存在路由选择问题,因此局域网可以不要网络层。 * 南阳理工学院计算机科学与技术系 局域网 广域网 主机 H1 主机 H2 路由器 R1 路由器 R2 路由器 R3 电线 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 从层次上来看数据的流动 局域网 广域网 主机 H1 主机 H2 路由器 R1 路由器 R2 路由器 R3 电线 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 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 ………………………………………………………………………………………………………. 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 SOH 装在帧中的数据部分 帧 帧开始符 帧结束符 发送在前 EOT ………………………………………………………………………………………………………. 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 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 SOH ………………………………………………………………………………………………………. 多项式表示法 CRC-12 = x12 + x11 + x3 + x2 + x + 1 CRC-16 = x16 + x15 + x2 + 1 CRC-CCITT = x16 + x12 + x5 + 1 CRC-32 = x32 + x26 + x23 + x22 + x16 + x12 + x11 + x10 + x8 + x7 + x5 + x4 + x2 + x + 1 四个多项式已成为国际标准 101011000 10011 00 10011 10101 10011 11010 10011 10010 10011 1000 解:由h(X)=X4+X+1得 生成的码字为:10011,n为4 原始信息101100110对应的多项式 M(x)=X8+X6+X5+X2+X, XnM(x)=X4× (X8+X6+X5+X2+X)= X12+X10+X9+X6+X5,则XnM(x)对应的码字为:00 用对应的h(X)的码字去除对应的XnM(x)的位串得余数为1000. 把XnM(x)位串与余数相加就是实际要传送的码字,为: 00 100011101 10011 10 10011 11111 10011 11000 10011 10110 10011 10110 10011 101 例3.已知:接收码字:1100111001多项式:T(X)=X9+X8+X5+X4+X3+1 生成多项式:h(X)=X4+X3+1(r=4) 求:码字的正确性。若正确,则指出冗余码和信息码。 1 0 0 0 0 1←Q(X) h(x)→1 1 0 0 1 )1 1 0 0 1 1 1 0 0 1←F(X)*Xr+R(x) 1 1 0 0 1, 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0←S(X)(余数) 解: 1)用字码除以生成码,余数为0,所以码字正确。 2)因r=4,所以冗余码是:1001,信息码是:110011 ……………………………………………………………………………………………………….

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