C041 使用廣播信道的數(shù)據(jù)鏈路層

1、課件制作人：謝希仁 3.3 使用廣播信道的數(shù)據(jù)鏈路層 3.3.1 局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層 n廣播信道可以進(jìn)行一對(duì)多的通信。 n局域網(wǎng)最主要的特點(diǎn)：網(wǎng)絡(luò)為一個(gè)單位 所擁有，且地理范圍和站點(diǎn)數(shù)目均有限 n局域網(wǎng)具有如下的一些主要優(yōu)點(diǎn)： n具有廣播功能，從一個(gè)站點(diǎn)可很方便地訪問(wèn)全網(wǎng)。 局域網(wǎng)上的主機(jī)可共享連接在局域網(wǎng)上的各種硬件 和軟件資源。 n便于系統(tǒng)的擴(kuò)展和逐漸地演變，各設(shè)備的位置可靈 活調(diào)整和改變。 n提高了系統(tǒng)的可靠性、可用性和生存性。 局域網(wǎng)的拓?fù)?匹配電阻 集線器 干線耦合器 總線網(wǎng)星形網(wǎng) 樹(shù)形網(wǎng) 環(huán)形網(wǎng) 課件制作人：謝希仁 媒體共享技術(shù) n靜態(tài)劃分信道 n頻分復(fù)用 n時(shí)分復(fù)用 n碼分復(fù)用

2、n波分復(fù)用 n動(dòng)態(tài)媒體接入控制（多點(diǎn)接入） n隨機(jī)接入（隨機(jī)發(fā)送消息，產(chǎn)生碰撞） n受控接入 ，如多點(diǎn)線路探詢(polling)， 或輪詢。 課件制作人：謝希仁 以太網(wǎng)的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn) nDIX Ethernet V2 是世界上第一個(gè)局域網(wǎng)產(chǎn)品 （以太網(wǎng)）的規(guī)約。 n1982年，DEC, Intel, Xerox n1983年IEEE 的 802.3 標(biāo)準(zhǔn)。 nDIX Ethernet V2 標(biāo)準(zhǔn)與 IEEE 的 802.3 標(biāo)準(zhǔn) 只有很小的差別(P93)，因此可以將 802.3 局 域網(wǎng)簡(jiǎn)稱為“以太網(wǎng)”。 n嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，“以太網(wǎng)”應(yīng)當(dāng)是指符合 DIX Ethernet V2 標(biāo)準(zhǔn)的局域網(wǎng) 課件制作人

3、：謝希仁 數(shù)據(jù)鏈路層的兩個(gè)子層 n為了使數(shù)據(jù)鏈路層能更好地適應(yīng)多種局域 網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，802 委員會(huì)就將局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈 路層拆成兩個(gè)子層： n邏輯鏈路控制 LLC (Logical Link Control)子層 n媒體接入控制 MAC (Medium Access Control) 子層。 n與接入到傳輸媒體有關(guān)的內(nèi)容都放在 MAC 子層，而 LLC 子層則與傳輸媒體無(wú)關(guān)，不 管采用何種協(xié)議的局域網(wǎng)對(duì) LLC 子層來(lái)說(shuō) 都是透明的 課件制作人：謝希仁 局域網(wǎng)對(duì) LLC 子層 是透明的 局 域 網(wǎng) 網(wǎng)絡(luò)層 物理層 站點(diǎn) 1 網(wǎng)絡(luò)層 物理層 邏輯鏈路控制 LLCLLC 媒體接入控制MACMAC 數(shù)據(jù)

4、鏈路層 站點(diǎn) 2 課件制作人：謝希仁 以后一般不考慮 LLC 子層 n由于 TCP/IP 體系經(jīng)常使用的局域網(wǎng)是 DIX Ethernet V2 而不是 802.3 標(biāo)準(zhǔn)中 的幾種局域網(wǎng)，因此現(xiàn)在 802 委員會(huì)制 定的邏輯鏈路控制子層 LLC（即 802.2 標(biāo)準(zhǔn)）的作用已經(jīng)不大了。 n很多廠商生產(chǎn)的適配器上就僅裝有 MAC 協(xié)議而沒(méi)有 LLC 協(xié)議。 課件制作人：謝希仁 2. 適配器的作用 n網(wǎng)絡(luò)接口板又稱為通信適配器(adapter)或網(wǎng)絡(luò)接口卡 NIC (Network Interface Card)，或“網(wǎng)卡”。 n適配器的重要功能： n進(jìn)行串行/并行轉(zhuǎn)換。 n適配器和局域網(wǎng)之間通過(guò)

5、電纜或雙絞線以串行傳輸方式通信 n適配器和計(jì)算機(jī)之間通過(guò)計(jì)算機(jī)主板上的I/O總線以并行傳輸方式 通信 n對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存。 n網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)率和計(jì)算機(jī)總線上的數(shù)據(jù)率并不相同 n在計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)安裝設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。 n告訴適配器從存儲(chǔ)器的什么位置把多長(zhǎng)的數(shù)據(jù)塊發(fā)送到局域網(wǎng) n應(yīng)當(dāng)在存儲(chǔ)器的什么位置上把局域網(wǎng)傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)塊存儲(chǔ)下來(lái) n實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)協(xié)議。 課件制作人：謝希仁 計(jì)算機(jī)通過(guò)適配器 和局域網(wǎng)進(jìn)行通信 硬件地址 3.4.3節(jié) 至局域網(wǎng) 適配器 （網(wǎng)卡） 串行通信 CPU 和 存儲(chǔ)器 生成發(fā)送的數(shù)據(jù) 處理收到的數(shù)據(jù) 把幀發(fā)送到局域網(wǎng) 從局域網(wǎng)接收幀 計(jì)算機(jī) IP 地址 4.2.3節(jié) 并行 通信 課

6、件制作人：謝希仁 n最初的以太網(wǎng)是將許多計(jì)算機(jī)都連接到一根總 線上。當(dāng)初認(rèn)為這樣的連接方法既簡(jiǎn)單又可靠， 因?yàn)榭偩€上沒(méi)有有源器件。 3.3.2 CSMA/CD 協(xié)議 B向 D 發(fā)送數(shù)據(jù) C D A E 匹配電阻（用來(lái)吸收總線上傳播的信號(hào)）匹配電阻 不接受不接受不接受 接受 B 只有 D 接受 B 發(fā)送的數(shù)據(jù) 課件制作人：謝希仁 以太網(wǎng)的廣播方式發(fā)送 n總線上的每一個(gè)工作的計(jì)算機(jī)都能檢測(cè)到 B 發(fā) 送的數(shù)據(jù)信號(hào)。 n由于只有計(jì)算機(jī) D 的硬件地址與數(shù)據(jù)幀首部寫 入的地址一致，因此只有 D 才接收這個(gè)數(shù)據(jù)幀。 n其他所有的計(jì)算機(jī)（A, C 和 E）都檢測(cè)到不是 發(fā)送給它們的數(shù)據(jù)幀，因此就丟棄這個(gè)數(shù)

7、據(jù)幀 而不能夠收下來(lái)。 n具有廣播特性的總線上實(shí)現(xiàn)了一對(duì)一的通信。 課件制作人：謝希仁 以太網(wǎng)提供的服務(wù) n為了通信的簡(jiǎn)便，以太網(wǎng)采取了兩種重 要的措施 n采用較為靈活的無(wú)連接的工作方式，即不必 先建立連接就可以直接發(fā)送數(shù)據(jù)。 n以太網(wǎng)對(duì)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀不進(jìn)行編號(hào)，也不要 求對(duì)方發(fā)回確認(rèn)。 n這樣做的理由是局域網(wǎng)信道的質(zhì)量很好，因信道 質(zhì)量產(chǎn)生差錯(cuò)的概率是很小的。 課件制作人：謝希仁 以太網(wǎng)提供的服務(wù) n以太網(wǎng)提供的服務(wù)是不可靠的交付，即 盡最大努力的交付。 n當(dāng)目的站收到有差錯(cuò)的數(shù)據(jù)幀時(shí)就丟棄 此幀，其他什么也不做。差錯(cuò)的糾正由 高層來(lái)決定。 n如果高層發(fā)現(xiàn)丟失了一些數(shù)據(jù)而進(jìn)行重 傳，但以太網(wǎng)并

8、不知道這是一個(gè)重傳的 幀，而是當(dāng)作一個(gè)新的數(shù)據(jù)幀來(lái)發(fā)送。 課件制作人：謝希仁 以太網(wǎng)發(fā)送的數(shù)據(jù)都使用 曼徹斯特(Manchester)編碼 基帶數(shù)字信號(hào) 曼徹斯特編碼 碼元1111100000 出現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換 為提供位同步（和發(fā)送端時(shí)鐘同步），每一個(gè)碼元分成兩個(gè)相等的間隔 碼元1是“前低后高”，碼元0是“前高后低”。 每一個(gè)碼元的正中間出現(xiàn)一次電壓的轉(zhuǎn)換。 頻帶寬度比原始的基帶信號(hào)增加了1倍，每秒傳送的碼元數(shù)加倍。 課件制作人：謝希仁 載波監(jiān)聽(tīng)多點(diǎn)接入/碰撞檢測(cè) CSMA/CD n如何協(xié)調(diào)總線上各計(jì)算機(jī)工作？ n在同一時(shí)間只能允許一臺(tái)計(jì)算機(jī)發(fā)送信息 nCSMA/CD 表示 Carrier Sen

9、se Multiple Access with Collision Detection。 n“多點(diǎn)接入”表示許多計(jì)算機(jī)以多點(diǎn)接入的方式連接 在一根總線上。 n“載波監(jiān)聽(tīng)”是指每一個(gè)站在發(fā)送數(shù)據(jù)之前先要檢測(cè) 一下總線上是否有其他計(jì)算機(jī)在發(fā)送數(shù)據(jù)，如果有， 則暫時(shí)不要發(fā)送數(shù)據(jù)，以免發(fā)生碰撞。 n總線上并沒(méi)有什么“載波”。因此， “載波監(jiān)聽(tīng)”就 是用電子技術(shù)檢測(cè)總線上有沒(méi)有其他計(jì)算機(jī)發(fā)送的數(shù) 據(jù)信號(hào)。 課件制作人：謝希仁 碰撞檢測(cè) n“碰撞檢測(cè)”就是計(jì)算機(jī)邊發(fā)送數(shù)據(jù)邊檢測(cè)信道 上的信號(hào)電壓大小。 n當(dāng)幾個(gè)站同時(shí)在總線上發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，總線上的 信號(hào)電壓擺動(dòng)值將會(huì)增大（互相疊加）。 n當(dāng)一個(gè)站檢測(cè)到的信號(hào)

10、電壓擺動(dòng)值超過(guò)一定的 門限值時(shí)，就認(rèn)為總線上至少有兩個(gè)站同時(shí)在 發(fā)送數(shù)據(jù)，表明產(chǎn)生了碰撞。 n所謂“碰撞”就是發(fā)生了沖突。因此“碰撞檢 測(cè)”也稱為“沖突檢測(cè)”。 課件制作人：謝希仁 檢測(cè)到碰撞后 n在發(fā)生碰撞時(shí)，總線上傳輸?shù)男盘?hào)產(chǎn)生了嚴(yán)重 的失真，無(wú)法從中恢復(fù)出有用的信息來(lái)。 n每一個(gè)正在發(fā)送數(shù)據(jù)的站，一旦發(fā)現(xiàn)總線上出 現(xiàn)了碰撞，就要立即停止發(fā)送，免得繼續(xù)浪費(fèi) 網(wǎng)絡(luò)資源，然后等待一段隨機(jī)時(shí)間后再次發(fā)送。 n既然每一個(gè)站在發(fā)送數(shù)據(jù)之前已經(jīng)監(jiān)聽(tīng)到信道 為“空閑”，那么為什么還會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)在總線 上的碰撞呢？ 課件制作人：謝希仁 電磁波在總線上的 有限傳播速率的影響 n當(dāng)某個(gè)站監(jiān)聽(tīng)到總線是空閑時(shí)，也可

11、能 總線并非真正是空閑的。 nA 向 B 發(fā)出的信息，要經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間 后才能傳送到 B。 nB 若在 A 發(fā)送的信息到達(dá) B 之前發(fā)送自 己的幀(因?yàn)檫@時(shí) B 的載波監(jiān)聽(tīng)檢測(cè)不到 A 所發(fā)送的信息)，則必然要在某個(gè)時(shí)間 和 A 發(fā)送的幀發(fā)生碰撞。 n碰撞的結(jié)果是兩個(gè)幀都變得無(wú)用。 1 km AB t 碰撞 t = 2 A 檢測(cè)到發(fā)生碰撞 t = B 發(fā)送數(shù)據(jù) B 檢測(cè)到發(fā)生碰撞 t = t = 0 單程端到端 傳播時(shí)延記為 傳播時(shí)延對(duì)載波監(jiān)聽(tīng)的影響 假定A和B用同軸電纜相連。電磁波在1km電纜的傳播時(shí)延約為5us 1 km AB t 碰撞 t = B 檢測(cè)到信道空閑 發(fā)送數(shù)據(jù) t = / 2

12、 發(fā)生碰撞 t = 2 A 檢測(cè)到發(fā)生碰撞 t = B 發(fā)送數(shù)據(jù) B 檢測(cè)到發(fā)生碰撞 t = A B AB AB t = 0 A 檢測(cè)到 信道空閑 發(fā)送數(shù)據(jù) AB t = 0 t = B 檢測(cè)到發(fā)生碰撞 停止發(fā)送 STOP t = 2 A 檢測(cè)到 發(fā)生碰撞 STOP A B 單程端到端 傳播時(shí)延記為 課件制作人：謝希仁 重要特性 n使用 CSMA/CD 協(xié)議的以太網(wǎng)不能進(jìn)行全 雙工通信而只能進(jìn)行雙向交替通信（半雙 工通信）。 n每個(gè)站在發(fā)送數(shù)據(jù)之后的一小段時(shí)間內(nèi)， 存在著遭遇碰撞的可能性。 n這種發(fā)送的不確定性使整個(gè)以太網(wǎng)的平均 通信量遠(yuǎn)小于以太網(wǎng)的最高數(shù)據(jù)率。 課件制作人：謝希仁 爭(zhēng)用期(c

13、ontention period) n最先發(fā)送數(shù)據(jù)幀的站，在發(fā)送數(shù)據(jù)幀后至 多經(jīng)過(guò)時(shí)間 2 （兩倍的端到端往返時(shí)延） 就可知道發(fā)送的數(shù)據(jù)幀是否遭受了碰撞。 n以太網(wǎng)的端到端往返時(shí)延 2 稱為爭(zhēng)用期， 或碰撞窗口。 n經(jīng)過(guò)爭(zhēng)用期這段時(shí)間還沒(méi)有檢測(cè)到碰撞， 才能肯定這次發(fā)送不會(huì)發(fā)生碰撞。 課件制作人：謝希仁 二進(jìn)制指數(shù)類型退避算法 (truncated binary exponential type) n發(fā)生碰撞的站在停止發(fā)送數(shù)據(jù)后，要推遲 （退避）一個(gè)隨機(jī)時(shí)間才能再發(fā)送數(shù)據(jù)。 n確定基本退避時(shí)間，一般是取為爭(zhēng)用期 2。 n定義重傳參數(shù) k ，k 10，即 k = Min重傳次數(shù), 10 n從整數(shù)

14、集合0,1, (2k 1)中隨機(jī)地取出一個(gè) 數(shù)，記為 r。重傳所需的時(shí)延就是 r 倍的基本 退避時(shí)間。 n當(dāng)重傳達(dá) 16 次仍不能成功時(shí)即丟棄該幀，并 向高層報(bào)告。 課件制作人：謝希仁 爭(zhēng)用期的長(zhǎng)度 n以太網(wǎng)取 51.2 s 為爭(zhēng)用期的長(zhǎng)度2 。 n對(duì)于 10 Mb/s 以太網(wǎng)，在爭(zhēng)用期內(nèi)可發(fā)送 512 bit，即 64 字節(jié)（ 512比特）。 n爭(zhēng)用期是512比特時(shí)間。1比特時(shí)間就是發(fā) 送1比特所需的時(shí)間（0.1 s )。 n以太網(wǎng)在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，若前 64 字節(jié)沒(méi)有發(fā) 生沖突，則后續(xù)的數(shù)據(jù)就不會(huì)發(fā)生沖突。 課件制作人：謝希仁 最短有效幀長(zhǎng) n如果發(fā)生沖突，就一定是在發(fā)送的前 64 字 節(jié)之內(nèi)

15、。 n由于一檢測(cè)到?jīng)_突就立即中止發(fā)送，這時(shí) 已經(jīng)發(fā)送出去的數(shù)據(jù)一定小于 64 字節(jié)。 n以太網(wǎng)規(guī)定了最短有效幀長(zhǎng)為 64 字節(jié)，凡 長(zhǎng)度小于 64 字節(jié)的幀都是由于沖突而異常 中止的無(wú)效幀。 課件制作人：謝希仁 強(qiáng)化碰撞 n當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)的站一旦發(fā)現(xiàn)發(fā)生了碰撞時(shí)： n立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)； n再繼續(xù)發(fā)送若干比特的人為干擾信號(hào)(jamming signal)，以便讓所有用戶都知道現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)生 了碰撞。 數(shù)據(jù)幀 干擾信號(hào) TJ 人為干擾信號(hào) AB TB t B 發(fā)送數(shù)據(jù) A 檢測(cè) 到?jīng)_突 開(kāi)始沖突 信 道 占 用 時(shí) 間 A 發(fā)送數(shù)據(jù) B 也能夠檢測(cè)到?jīng)_突，并立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)幀，接 著就發(fā)送干擾信號(hào)。這里為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，只畫出 A 發(fā)送干擾信號(hào)的情況。 課件制作人：謝希仁 n幀間最小間隔為 9.6 s，相當(dāng)于 96 bit 的發(fā)送 時(shí)間。 n一個(gè)站在檢測(cè)到總線開(kāi)始空閑后，還要等待 9.6 s 才能再次發(fā)送數(shù)據(jù)。 n這樣做是為了使剛剛收到數(shù)據(jù)幀的站的接收緩 存來(lái)得及清理，做好接收下一幀的準(zhǔn)備。 幀間最小間隔 課件制作人：謝希仁 CSMA/CD協(xié)議要點(diǎn) 1.適配器從網(wǎng)絡(luò)層獲得一個(gè)分組，加上