CH3-06+數據鏈路層

1、1本節(jié)要點n以太網的兩個標準n局域網的數據鏈路層組成n網卡的作用nCSMA/CD的工作原理n爭用期、最短有效幀含義n強化沖突n集線器（物理層）擴展局域網nMAC地址23.3 使用廣播信道的數據鏈路層3.3.1 局域網的數據鏈路層 n局域網最主要的特點是：網絡為一個單位所擁有，且地理范圍和站點數目均有限。n高速率n低延遲n低誤碼率3局域網具有的一些主要優(yōu)點n具有廣播功能，從一個站點可很方便地訪問全網。局域網上的主機可共享連接在局域網上的各種硬件和軟件資源。 n便于系統(tǒng)的擴展和逐漸地演變，各設備的位置可靈活調整和改變。n提高了系統(tǒng)的可靠性、可用性和殘存性。4局域網的拓撲分類匹配電阻集線器干線耦合器

2、總線網星形網樹形網 環(huán)形網5媒體共享技術n靜態(tài)劃分信道n頻分復用n時分復用n波分復用n碼分復用 n動態(tài)媒體接入控制（多點接入）n隨機接入n受控接入 ，如多點線路探詢(polling)，或輪詢。 6以太網的兩個標準 nDIX Ethernet V2 是世界上第一個局域網產品（以太網）的規(guī)約。nIEEE 的 802.3 標準。nDIX Ethernet V2 標準與 IEEE 的 802.3 標準只有很小的差別，因此可以將 802.3 局域網簡稱為“以太網”。n嚴格說來，“以太網”應當是指符合 DIX Ethernet V2 標準的局域網。 7數據鏈路層的兩個子層 n為了使數據鏈路層能更好地適應多

3、種局域網標準，802 委員會就將局域網的數據鏈路層拆成兩個子層：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的內容都放在 MAC子層，而 LLC 子層則與傳輸媒體無關，不管采用何種協(xié)議的局域網對 LLC 子層來說都是透明的。8局域網對 LLC 子層是透明的 局 域 網網絡層物理層站點 1網絡層物理層邏輯鏈路控制LLCLLC媒體接入控制MACMAC數據鏈路層站點 29以后一般不考慮 LLC 子層 n由于 TCP/IP 體系經常使用的局域網是 DIX Ethernet V2

4、 而不是 802.3 標準中的幾種局域網，因此現在 802 委員會制定的邏輯鏈路控制子層 LLC（即 802.2 標準）的作用已經不大了。n很多廠商生產的適配器上就僅裝有 MAC 協(xié)議而沒有 LLC 協(xié)議。 102. 適配器的作用 n網絡接口板又稱為通信適配器(adapter)或網絡接口卡 NIC (Network Interface Card)，或“網卡”。 n適配器的重要功能：n進行串行/并行轉換。n對數據進行緩存。n在計算機的操作系統(tǒng)安裝設備驅動程序。n實現以太網協(xié)議。 11計算機通過適配器和局域網進行通信 硬件地址至局域網適配器（網卡）串行通信CPU 和存儲器生成發(fā)送的數據處理收到的數

5、據把幀發(fā)送到局域網從局域網接收幀計算機IP 地址并行通信12n最初的以太網是將許多計算機都連接到一根總線上。當初認為這樣的連接方法既簡單又可靠，因為總線上沒有有源器件。 3.3.2 CSMA/CD 協(xié)議 B向 D發(fā)送數據 C D A E匹配電阻（用來吸收總線上傳播的信號）匹配電阻不接受不接受不接受接受B只有 D 接受B 發(fā)送的數據13以太網的廣播方式發(fā)送 n總線上的每一個工作的計算機都能檢測到 B 發(fā)送的數據信號。 n由于只有計算機 D 的地址與數據幀首部寫入的地址一致，因此只有 D 才接收這個數據幀。 n其他所有的計算機（A, C 和 E）都檢測到不是發(fā)送給它們的數據幀，因此就丟棄這個數據幀

6、而不能夠收下來。n具有廣播特性的總線上實現了一對一的通信。 14為了通信的簡便以太網采取了兩種重要的措施 n采用較為靈活的無連接的工作方式，即不必先建立連接就可以直接發(fā)送數據。 n以太網對發(fā)送的數據幀不進行編號，也不要求對方發(fā)回確認。n這樣做的理由是局域網信道的質量很好，因信道質量產生差錯的概率是很小的。 15以太網提供的服務 n以太網提供的服務是不可靠的交付，即盡最大努力的交付。n當目的站收到有差錯的數據幀時就丟棄此幀，其他什么也不做。差錯的糾正由高層來決定。n如果高層發(fā)現丟失了一些數據而進行重傳，但以太網并不知道這是一個重傳的幀，而是當作一個新的數據幀來發(fā)送。 16以太網發(fā)送的數據都使用曼

7、徹斯特(Manchester)編碼 基帶數字信號曼徹斯特編碼 碼元1111100000出現電平轉換17載波監(jiān)聽多點接入/碰撞檢測 CSMA/CD nCSMA/CD 表示 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection。n“多點接入”表示許多計算機以多點接入的方式連接在一根總線上。n“載波監(jiān)聽”是指每一個站在發(fā)送數據之前先要檢測一下總線上是否有其他計算機在發(fā)送數據，如果有，則暫時不要發(fā)送數據，以免發(fā)生碰撞。 n總線上并沒有什么“載波”。因此， “載波監(jiān)聽”就是用電子技術檢測總線上有沒有其他計算機發(fā)送的數據信號。 18碰撞檢測n“碰撞檢

8、測”就是計算機邊發(fā)送數據邊檢測信道上的信號電壓大小。n當幾個站同時在總線上發(fā)送數據時，總線上的信號電壓擺動值將會增大（互相疊加）。n當一個站檢測到的信號電壓擺動值超過一定的門限值時，就認為總線上至少有兩個站同時在發(fā)送數據，表明產生了碰撞。n所謂“碰撞”就是發(fā)生了沖突。因此“碰撞檢測”也稱為“沖突檢測”。19檢測到碰撞后n在發(fā)生碰撞時，總線上傳輸的信號產生了嚴重的失真，無法從中恢復出有用的信息來。n每一個正在發(fā)送數據的站，一旦發(fā)現總線上出現了碰撞，就要立即停止發(fā)送，免得繼續(xù)浪費網絡資源，然后等待一段隨機時間后再次發(fā)送。20電磁波在總線上的有限傳播速率的影響 n當某個站監(jiān)聽到總線是空閑時，也可能總

9、線并非真正是空閑的。 nA 向 B 發(fā)出的信息，要經過一定的時間后才能傳送到 B。nB 若在 A 發(fā)送的信息到達 B 之前發(fā)送自己的幀(因為這時 B 的載波監(jiān)聽檢測不到 A 所發(fā)送的信息)，則必然要在某個時間和 A 發(fā)送的幀發(fā)生碰撞。n碰撞的結果是兩個幀都變得無用。 211 kmABt碰撞t = 2 A 檢測到發(fā)生碰撞 t = B 發(fā)送數據B 檢測到發(fā)生碰撞 t = t = 0單程端到端傳播時延記為 傳播時延對載波監(jiān)聽的影響 電磁波在電磁波在1km1km電纜的傳播時延約為電纜的傳播時延約為5s5s221 kmABt碰撞t = B 檢測到信道空閑發(fā)送數據t = / 2發(fā)生碰撞t = 2 A 檢測

10、到發(fā)生碰撞 t = B 發(fā)送數據B 檢測到發(fā)生碰撞 t = ABABAB t = 0 A 檢測到信道空閑發(fā)送數據ABt = 0t = B 檢測到發(fā)生碰撞停止發(fā)送STOPt = 2 A 檢測到發(fā)生碰撞STOPAB單程端到端傳播時延記為 23重要特性n使用 CSMA/CD 協(xié)議的以太網不能進行全雙工通信而只能進行雙向交替通信（半雙工通信）。n每個站在發(fā)送數據之后的一小段時間內，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以太網的平均通信量遠小于以太網的最高數據率。 24爭用期n最先發(fā)送數據幀的站，在發(fā)送數據幀后至多經過時間 2 （兩倍的端到端往返時延）就可知道發(fā)送的數據幀是否遭受了碰撞。n

11、以太網的端到端往返時延 2 稱為爭用期，或碰撞窗口。n經過爭用期這段時間還沒有檢測到碰撞，才能肯定這次發(fā)送不會發(fā)生碰撞。 25二進制指數類型退避算法 (truncated binary exponential type)n發(fā)生碰撞的站在停止發(fā)送數據后，要推遲（退避）一個隨機時間才能再發(fā)送數據。n確定基本退避時間，一般是取為爭用期 2。n定義重傳次數 k ，k 10，即 k = Min重傳次數, 10n從整數集合0,1, (2k 1)中隨機地取出一個數，記為 r。重傳所需的時延就是 r 倍的基本退避時間。n當重傳達 16 次仍不能成功時即丟棄該幀，并向高層報告。 26爭用期的長度 n以太網取 5

12、1.2 s 為爭用期的長度。n對于 10 Mb/s 以太網，在爭用期內可發(fā)送512 bit，即 64 字節(jié)。n以太網在發(fā)送數據時，若前 64 字節(jié)沒有發(fā)生沖突，則后續(xù)的數據就不會發(fā)生沖突。 27最短有效幀長 n如果發(fā)生沖突，就一定是在發(fā)送的前 64 字節(jié)之內。 n由于一檢測到沖突就立即中止發(fā)送，這時已經發(fā)送出去的數據一定小于 64 字節(jié)。 n以太網規(guī)定了最短有效幀長為 64 字節(jié)，凡長度小于 64 字節(jié)的幀都是由于沖突而異常中止的無效幀。 28強化碰撞 n當發(fā)送數據的站一旦發(fā)現發(fā)生了碰撞時：n立即停止發(fā)送數據；n再繼續(xù)發(fā)送若干比特的人為干擾信號(jamming signal)，以便讓所有用戶都

13、知道現在已經發(fā)生了碰撞。 29數據幀干擾信號 TJ人為干擾信號 ABTBt B 發(fā)送數據A 檢測到沖突開始沖突信道占用時間A 發(fā)送數據B 也能夠檢測到沖突，并立即停止發(fā)送數據幀，接著就發(fā)送干擾信號。這里為了簡單起見，只畫出 A 發(fā)送干擾信號的情況。303.4 使用廣播信道的以太網3.4.1 使用集線器的星形拓撲n傳統(tǒng)以太網最初是使用粗同軸電纜，后來演進到使用比較便宜的細同軸電纜，最后發(fā)展為使用更便宜和更靈活的雙絞線。n這種以太網采用星形拓撲，在星形的中心則增加了一種可靠性非常高的設備，叫做集線器(hub) 31使用集線器的雙絞線以太網 集線器兩對雙絞線站點RJ-45 插頭32星形網 10BAS

14、E-T n不用電纜而使用無屏蔽雙絞線。每個站需要用兩對雙絞線，分別用于發(fā)送和接收。n集線器使用了大規(guī)模集成電路芯片，因此這樣的硬件設備的可靠性已大大提高了。 n1010Mb/snBase基帶傳輸nT雙絞線（Twisted）33以太網在局域網中的統(tǒng)治地位n10BASE-T 的通信距離稍短，每個站到集線器的距離不超過 100 m。n這種 10 Mb/s 速率的無屏蔽雙絞線星形網的出現，既降低了成本，又提高了可靠性。 n10BASE-T 雙絞線以太網的出現，是局域網發(fā)展史上的一個非常重要的里程碑，它為以太網在局域網中的統(tǒng)治地位奠定了牢固的基礎。 34集線器的一些特點 n集線器是使用電子器件來模擬實際

15、電纜線的工作，因此整個系統(tǒng)仍然像一個傳統(tǒng)的以太網那樣運行。 n使用集線器的以太網在邏輯上仍是一個總線網，各工作站使用的還是 CSMA/CD 協(xié)議，并共享邏輯上的總線。 n集線器很像一個多接口的轉發(fā)器，工作在物理層。 35具有三個接口的集線器 集線器網卡工作站網卡工作站網卡工作站雙絞線363.4.3 以太網的 MAC 層1. MAC 層的硬件地址 n在局域網中，硬件地址又稱為物理地址，或 MAC 地址。 n802 標準所說的“地址”嚴格地講應當是每一個站的“名字”或標識符。 n但鑒于大家都早已習慣了將這種 48 位的“名字”稱為“地址”，所以本書也采用這種習慣用法，盡管這種說法并不太嚴格。374

16、8 位的 MAC 地址nIEEE 的注冊管理機構 RA 負責向廠家分配地址字段的前三個字節(jié)(即高位 24 位)。n地址字段中的后三個字節(jié)(即低位 24 位)由廠家自行指派，稱為擴展標識符，必須保證生產出的適配器沒有重復地址。n一個地址塊可以生成224個不同的地址。3848 位的 MAC 地址nMAC地址=ManufactureID 24bit + NICID 24bitn例如公司：Cisco 00-00-0C Novell 00-00-1B 或 00-00-D8 3Com 00-20-AF 或 00-60-8C IBM 08-00-5AnMAC地址具有惟一性，取決于你所使用的網卡。3948 位的 MAC 地址n這種 48 位地址稱為 MAC-48，通常由16進制的數字組成，它的通用名稱是EUI-48。n例如：00-0D-88-48-2C-56n查看方法n右鍵網上鄰居“屬性”-雙擊本地連接-選擇“支持”選項卡-詳細信息中“實際地址”n開始-