數(shù)據(jù)鏈路層 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

數(shù)據(jù)鏈路層2本章知識點(diǎn)（重點(diǎn)掌握）介質(zhì)訪問控制:隨機(jī)訪問介質(zhì)訪問訪問控制CSMA/CD、CSMA/CA和ALOHA可靠傳輸機(jī)制數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)備:網(wǎng)橋和交換機(jī)基本原理

3本章知識點(diǎn)（理解記憶）局域網(wǎng):以太網(wǎng)與IEEE802.3數(shù)據(jù)鏈路層的三個基本問題：成幀、透明傳輸、差錯控制

信道劃分介質(zhì)訪問控制：FDM、TDM、WDM4本章知識點(diǎn)（了解）廣域網(wǎng)協(xié)議：PPP協(xié)議、HDLC協(xié)議5本章知識點(diǎn)（重點(diǎn)掌握）介質(zhì)訪問控制:隨機(jī)訪問介質(zhì)訪問訪問控制CSMA/CD、CSMA/CA和ALOHA可靠傳輸機(jī)制數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)備:網(wǎng)橋和交換機(jī)基本原理

多路訪問協(xié)議CSMA純ALOHA分隙ALOHA載波偵聽多路訪問協(xié)議純ALOHA的原理任何一個站都可以在幀生成后立即發(fā)送（可能沖突），并通過信號的反饋，檢測信道，以確定發(fā)送是否成功，如發(fā)送失敗，則經(jīng)隨機(jī)延時后再發(fā)送在純ALOHA中，站點(diǎn)一旦產(chǎn)生新幀則立即發(fā)送，如果一個標(biāo)準(zhǔn)長度的幀的發(fā)送時間為t，在t0+t時刻允許生成一個新幀，除此新幀之外，在t0~

t0+2t時間內(nèi)不能有其它幀產(chǎn)生，否則沖突，即沖突危險(xiǎn)區(qū)為2t純ALOHA的原理（續(xù)）

沖突危險(xiǎn)區(qū)

t0t0+tt0+2tt0+3t時間多路訪問協(xié)議純ALOHA分隙ALOHA載波偵聽多路訪問協(xié)議分隙ALOHA的原理（續(xù)）分隙ALOHA的時間以時隙(TimeSlot)為單位時隙的長度對應(yīng)一幀的傳輸時間，其起點(diǎn)由專門的信號來標(biāo)志新幀的產(chǎn)生是隨機(jī)的，但分隙ALOHA不允許隨機(jī)發(fā)送，凡幀的發(fā)送必須在時隙的起點(diǎn)，即沖突危險(xiǎn)區(qū)是原來的一半沖突主要發(fā)生在時隙的起點(diǎn)處，一旦發(fā)送成功，則不會出現(xiàn)沖突，即生成新幀并等待發(fā)送的這一幀時內(nèi)，是沖突危險(xiǎn)區(qū)，時間長度為t，是原來的一半在一個時隙內(nèi)只產(chǎn)生一個新幀，新幀不允許立即發(fā)送，將在下一個時隙的開始處t0+t時發(fā)送，不會發(fā)生沖突在一個時隙內(nèi)產(chǎn)生一個以上新幀，下一個時隙的開始處t0+t時，一個以上的幀同時發(fā)送，將發(fā)生沖突，即沖突危險(xiǎn)區(qū)為t分隙ALOHA的原理時間

t0t0+tt0+2tt0+Δt沖突危險(xiǎn)區(qū)

t0t0+tt0+2tt0+tt0+t多路訪問協(xié)議純ALOHA分隙ALOHA載波偵聽多路訪問協(xié)議載波偵聽多路訪問協(xié)議CSMA載波偵聽協(xié)議（CarrierSenseProtocol）持續(xù)和非持續(xù)CSMA（CarrierSenseMultipleAccess，載波偵聽多路訪問）1–持續(xù)CSMA非持續(xù)CSMA（NonpersistentCSMA）p–持續(xù)CSMA（p-persistentCSMA）CSMA協(xié)議的沖突和沖突檢測1–持續(xù)CSMA每個站在發(fā)送前，先偵聽信道，如信道正忙，則等待并持續(xù)偵聽，一旦信道空閑，立即發(fā)送，即發(fā)送的概率為1；如沖突，則延時一隨機(jī)時隙數(shù)后，重新發(fā)送載波偵聽多路訪問協(xié)議CSMA載波偵聽協(xié)議（CarrierSenseProtocol）持續(xù)和非持續(xù)CSMA（CarrierSenseMultipleAccess，載波偵聽多路訪問）1–持續(xù)CSMA非持續(xù)CSMA（NonpersistentCSMA）p–持續(xù)CSMA（p-persistentCSMA）CSMA協(xié)議的沖突和沖突檢測非持續(xù)CSMA（NonpersistentCSMA）每個站在發(fā)送前，先偵聽信道，如信道正忙，則不再繼續(xù)偵聽，而是延時一隨機(jī)時隙數(shù)后，再偵聽信道載波偵聽多路訪問協(xié)議CSMA載波偵聽協(xié)議（CarrierSenseProtocol）持續(xù)和非持續(xù)CSMA（CarrierSenseMultipleAccess，載波偵聽多路訪問）1–持續(xù)CSMA非持續(xù)CSMA（NonpersistentCSMA）p–持續(xù)CSMA（p-persistentCSMA）CSMA協(xié)議的沖突和沖突檢測p–持續(xù)CSMA（p-persistentCSMA）用于分隙信道先偵聽信道，如信道正忙，則等到下一時隙；如信道空閑，則以概率p發(fā)送，而以概率q=(1-p)把本次發(fā)送延至下一時隙，直至發(fā)送成功載波偵聽多路訪問協(xié)議CSMA載波偵聽協(xié)議（CarrierSenseProtocol）持續(xù)和非持續(xù)CSMA（CarrierSenseMultipleAccess，載波偵聽多路訪問）1–持續(xù)CSMA非持續(xù)CSMA（NonpersistentCSMA）p–持續(xù)CSMA（p-persistentCSMA）CSMA協(xié)議的沖突和沖突檢測傳播時延對載波偵聽的影響CSMA并不能完全解決沖突問題如兩個或多個準(zhǔn)備發(fā)送的站都檢測到信道空閑而同時發(fā)送將發(fā)生沖突沖突A1kmB

=5st1kmABt碰撞t=

B檢測到信道空閑發(fā)送數(shù)據(jù)t=

/2發(fā)生碰撞t=2

A檢測到發(fā)生碰撞

t=

B發(fā)送數(shù)據(jù)B檢測到發(fā)生碰撞

t=ABABAB

t=0A檢測到信道空閑發(fā)送數(shù)據(jù)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

二進(jìn)制指數(shù)類型退避算法

(truncatedbinaryexponentialtype)發(fā)生碰撞的站在停止發(fā)送數(shù)據(jù)后，要退避一個隨機(jī)時間才能再發(fā)送數(shù)據(jù)。確定基本退避時間，一般是取為爭用期2。定義重傳次數(shù)k

，k10，即

k=Min[重傳次數(shù),10]從整數(shù)集合[0,1,…,(2k

1)]中隨機(jī)地取出一個數(shù)，記為r。重傳所需的時延就是r倍的基本退避時間。當(dāng)重傳達(dá)16次仍不能成功時即丟棄該幀，并向高層報(bào)告。

二進(jìn)制指數(shù)后退算法舉例在一個時隙的起始處，兩個CSMA/CD站點(diǎn)同時發(fā)送一個幀，求前4次競爭都沖突的概率?第一次競爭沖突的概率為1；第一次沖突后，A、B都將在等待0個或1個時隙之間選擇，選擇的組合有：00、01、10、11，共4種，其中00和11將再次沖突，所以第二次競爭時，沖突的概率為0.5第二次沖突后：A、B都將在0、1、2、3之間選擇，選擇的組合有：00、01、02、03、10、11、12、13、20、21、22、23、30、31、32、33共16種，其中00、11、22、33將再次沖突，所以第三次競爭時，沖突的概率為0.25第三次沖突后：A、B都將在0、1、2、3、4、5、6、7之間選擇，選擇的組合共有64種，其中00、11、……、77將再次沖突，所以第四次競爭時，沖突的概率為0.125前四次競爭都沖突的概率為：1x0.5x0.25x0.125=0.015625帶沖突檢測的CSMA

CSMA/CD CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetection

帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問

CSMA/CD的概念模型：TnbmP258Fig.4–5CSMA/CD有三種狀態(tài)：競爭、傳輸或空閑幀幀幀t0傳輸周期競爭周期空閑周期時間幀競爭時隙一旦沖突，則放棄并隨機(jī)延時總結(jié)發(fā)前先偵聽空閑即發(fā)送邊發(fā)邊檢測沖突時退避26爭用周期2的計(jì)算端到端往返時延2稱為爭用期經(jīng)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)生碰撞爭用周期和端到段的距離有關(guān)以太網(wǎng)取51.2s為爭用期的長度。2的計(jì)算28最短有效幀長太短：發(fā)送端在

2

時間內(nèi)幀已經(jīng)發(fā)送結(jié)束，則即使沖突也無法檢測，最短有效幀長=爭用周期×發(fā)送速率（帶寬）

=（2×端到端距離/傳播速率）×發(fā)送速率以太網(wǎng)規(guī)定了最短有效幀長為64字節(jié)29根據(jù)CSMA/CD協(xié)議的工作原理，下列情形中需要提高最短幀長度的是（）A、網(wǎng)絡(luò)速率不變，沖突域的最大距離變短B、沖突域的最大距離不變，網(wǎng)絡(luò)傳輸速率增大C、上層協(xié)議使用TCP的概率增加D、在沖突域不變的情況下減少線路中的中繼器數(shù)CSMA/CA無線局域網(wǎng)為什么不能使用CSMA/CD?CSMA/CD要求每個站點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時還必須不間斷地檢測信道，而在無線局域網(wǎng)的設(shè)備中要實(shí)現(xiàn)這個功能花費(fèi)過大即使發(fā)送端能夠?qū)崿F(xiàn)碰撞檢測，在接收端仍可能發(fā)生碰撞無線局域網(wǎng)的特殊問題當(dāng)A和C檢測不到無線信號時，都以為B是空閑的，因而都向B發(fā)送數(shù)據(jù)，結(jié)果發(fā)生碰撞。這種未能檢測出媒體上已存在的信號的問題叫做隱蔽站問題(hiddenstationproblem)A的作用范圍C的作用范圍ABCD無線局域網(wǎng)的特殊問題B向A發(fā)送數(shù)據(jù)，而C又想和D通信。C檢測到媒體上有信號，于是就不敢向D發(fā)送數(shù)據(jù)。其實(shí)B向A發(fā)送數(shù)據(jù)并不影響C向D發(fā)送數(shù)據(jù)這就是暴露站問題(exposedstationproblem)ADCB？B的作用范圍C的作用范圍CSMA/CA任何站在完成發(fā)送后必須等待一段很短的時間才能發(fā)送下一幀，這段時間稱為幀間間隔IFS(InterFrameSpace)。間隔時間的長短取決于該站打算發(fā)送的幀類型。高優(yōu)先級的幀等待時間短，低優(yōu)先級的幀等待時間長。爭用：當(dāng)信道從忙轉(zhuǎn)為空閑時，任何站在發(fā)送數(shù)據(jù)前，都要采用二進(jìn)制后退算法減少發(fā)生沖突的概率。與以太網(wǎng)不一樣的是第i次后退是從22+i個時隙中選取一個時間時間時間源站目的站其他站媒體空閑SIFSPIFSDIFS有幀要發(fā)送發(fā)送第一幀SIFSACK有幀要發(fā)送媒體忙SIFSPIFSDIFS爭用窗口發(fā)送下一幀35本章知識點(diǎn)（重點(diǎn)掌握）介質(zhì)訪問控制:隨機(jī)訪問介質(zhì)訪問訪問控制CSMA/CD、CSMA/CA和ALOHA可靠傳輸機(jī)制數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)備:網(wǎng)橋和交換機(jī)基本原理

(a)無差錯情況A發(fā)送M1確認(rèn)M1B發(fā)送M2發(fā)送M3確認(rèn)M2確認(rèn)M3A發(fā)送M1B超時重傳M1發(fā)送M2確認(rèn)M1丟棄有差錯的報(bào)文(b)超時重傳tttt確認(rèn)機(jī)制和重傳機(jī)制確認(rèn)丟失和確認(rèn)遲到

A發(fā)送M1B超時重傳M1發(fā)送M2丟棄重復(fù)的M1重傳確認(rèn)M1(a)確認(rèn)丟失確認(rèn)M1A發(fā)送M1B超時重傳M1發(fā)送M2丟棄重復(fù)的M1重傳確認(rèn)M1(b)確認(rèn)遲到確認(rèn)M1收下遲到的確認(rèn)但什么也不做tttt流水線傳輸

發(fā)送方可連續(xù)發(fā)送多個分組，不必每發(fā)完一個分組就停頓下來等待對方的確認(rèn)。由于信道上一直有數(shù)據(jù)不間斷地傳送，這種傳輸方式可獲得很高的信道利用率。B分組ttAACK累積確認(rèn)

接收方一般采用累積確認(rèn)的方式。即不必對收到的分組逐個發(fā)送確認(rèn)，而是對按序到達(dá)的最后一個分組發(fā)送確認(rèn)，這樣就表示：到這個分組為止的所有分組都已正確收到了。累積確認(rèn)有的優(yōu)點(diǎn)是：容易實(shí)現(xiàn)，即使確認(rèn)丟失也不必重傳。缺點(diǎn)是：不能向發(fā)送方反映出接收方已經(jīng)正確收到的所有分組的信息。Go-back-N（回退N）

如果發(fā)送方發(fā)送了前5幀，而中間的第3幀丟失了。這時接收方只能對前兩個幀發(fā)出確認(rèn)。發(fā)送方無法知道后面三個分組的下落，而只好把后面的三個分組都再重傳一次。這就叫做Go-back-N（回退N），表示需要再退回來重傳已發(fā)送過的N個幀。后退n幀的滑動窗口協(xié)議圖例有一個差錯時后退n幀（WT=7，WR=1）超時間隔出錯時間被丟棄的幀發(fā)收0ACK0ACK1ACK2ACK3ACK4ACK512543287654387601EDDDDDD25436

退后n幀協(xié)議（gobackn）設(shè)幀序號由3個bit表示，即0~7，并且WT=7

,WR=1當(dāng)發(fā)送方出現(xiàn)超時（錯幀的TimeOut）后，重發(fā)自該幀起的所有已發(fā)送幀（在當(dāng)前的緩沖區(qū)中），如發(fā)送方連續(xù)發(fā)送了7幀（2~8），而2#幀無確認(rèn)，超時后，必須從2#幀起全部重發(fā)選擇性重發(fā)窗口協(xié)議圖例有一個差錯時僅重發(fā)一幀（WT=4,WR=

4）出錯將分組2~5交網(wǎng)絡(luò)層被緩存的幀發(fā)收0ACK0ACK1ACK8ACK9ACK10ACK111211109876254314131201E34526781110912ACK2ACK5ACK4ACK3ACK7ACK6Go-Back-NARQ:senderwindowsizeSelectiveRepeatARQ:s/rwindowsize46本章知識點(diǎn)（重點(diǎn)掌握）介質(zhì)訪問控制:隨機(jī)訪問介質(zhì)訪問訪問控制CSMA/CD、CSMA/CA和ALOHA可靠傳輸機(jī)制數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)備:網(wǎng)橋和交換機(jī)基本原理

網(wǎng)橋的自學(xué)習(xí)和轉(zhuǎn)發(fā)幀的步驟網(wǎng)橋收到一幀后先進(jìn)行自學(xué)習(xí)。查找轉(zhuǎn)發(fā)表中與收到幀的源地址有無相匹配的項(xiàng)目。如沒有，就在轉(zhuǎn)發(fā)表中增加一個項(xiàng)目。轉(zhuǎn)發(fā)幀。根據(jù)收到幀的目的地址查找轉(zhuǎn)發(fā)表有無相匹配的項(xiàng)目。如沒有，則通過所有其他接口（但進(jìn)入網(wǎng)橋的接口除外）按進(jìn)行擴(kuò)散。如有，則按轉(zhuǎn)發(fā)表中給出的接口進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。若轉(zhuǎn)發(fā)表中給出的接口就是該幀進(jìn)入網(wǎng)橋的接口，則應(yīng)丟棄這個幀網(wǎng)橋的學(xué)習(xí)過程局域網(wǎng)的廣播域（續(xù)）局域網(wǎng)的廣播域（共享域、沖突域）HUBHUBHUB所有主機(jī)均在192.168.25.0網(wǎng)段，掩碼為255.255.255.0沖突域廣播域局域網(wǎng)的網(wǎng)段分隔（續(xù)）使用網(wǎng)橋和交換機(jī)來分隔網(wǎng)段縮小沖突域HUBHUBHUB分成3個網(wǎng)段所有主機(jī)均配置在192.168.25.0子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0Switch沖突域廣播域局域網(wǎng)的子網(wǎng)劃分（續(xù)）局域網(wǎng)中使用路由器來劃分子網(wǎng)并與Internet連接HUBHUBSNet1:192.168.25.0掩碼為255.255.255.0SNet3:192.168.30.0掩碼為255.255.255.0Internet路由器的每個端口都連接一個子網(wǎng)SwitchRouterSNet2:192.168.28.0掩碼為255.255.255.0沖突域廣播域局域網(wǎng)VLAN劃分舉例（續(xù)1）局域網(wǎng)中VLAN的路由及與Internet的連接InternetR-Net:192.168.25.0掩碼為255.255.255.0Building#1Building#2B-Net:192.168.28.0掩碼為255.255.255.0交換機(jī)端口編號：Port:0/1~0/4Port:1/1~1/8ServerSwitchRouter多個交換端口同屬一個VLAN53本章知識點(diǎn)（理解記憶）局域網(wǎng):以太網(wǎng)與IEEE802.3數(shù)據(jù)鏈路層的三個基本問題：成幀、透明傳輸、差錯控制信道劃分介質(zhì)訪問控制：FDM、TDM、WDM廣域網(wǎng)協(xié)議：PPP協(xié)議、HDLC協(xié)議LLC的作用由于不同的網(wǎng)絡(luò)類型有不同的介質(zhì)訪問子層與之對應(yīng)，而邏輯鏈路控制子層LLC則掩蓋了不同物理網(wǎng)絡(luò)之間的差別，以統(tǒng)一的格式為網(wǎng)絡(luò)層提供服務(wù)LLC子層把網(wǎng)絡(luò)層的分組（在TCP/IP中即IP包）加上LLC頭，交給MAC子層組成相應(yīng)的802.X幀發(fā)送以太網(wǎng)MAC子層協(xié)議以太網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu)802.3的幀結(jié)構(gòu)幀開始字符10101011類型：表示上層使用的協(xié)議如IP協(xié)議為800H，ARP協(xié)議為806H716620~15000~464先導(dǎo)字段10101010目的地址源地址數(shù)據(jù)填充字符校驗(yàn)和716620~15000~464先導(dǎo)字段10101010目的地址源地址數(shù)據(jù)填充字符校驗(yàn)和數(shù)據(jù)字段長度幀開始字符10101011數(shù)據(jù)字段的長度在46~1500字節(jié)之間有效的MAC幀長度為64~1518字節(jié)之間有效MAC幀

第1最高位最先發(fā)送最低位最高位最低位最后發(fā)送001101010111101100010010000000000000000000000001最低位最先發(fā)送最高位最低位最高位最后發(fā)送機(jī)構(gòu)惟一標(biāo)志符OUI擴(kuò)展標(biāo)志符高位在前低位在前十六進(jìn)制表示的EUI-48地址：AC-DE-48-00-00-80二進(jìn)制表示的EUI-48地址：第1字節(jié)第6字節(jié)I/G比特I/G比特字節(jié)順序第2第3第4第5第6第1字節(jié)順序第2第3第4第5第6101011001101111001001000000000000000000010000000802.5802.6802.3802.464本章知識點(diǎn)（理解記憶）局域網(wǎng):以太網(wǎng)與IEEE802.3數(shù)據(jù)鏈路層的三個基本問題：成幀、透明傳輸、差錯控制信道劃分介質(zhì)訪問控制：FDM、TDM、WDM廣域網(wǎng)協(xié)議：PPP協(xié)議、HDLC協(xié)議用控制字符進(jìn)行幀定界的方法SOH裝在幀中的數(shù)據(jù)部分幀幀開始符幀結(jié)束符發(fā)送在前EOTSOHSOHEOTSOHESCESCEOTESCSOHESCESCESCSOH原始數(shù)據(jù)EOTEOT經(jīng)過字節(jié)填充后發(fā)送的數(shù)據(jù)字節(jié)填充字節(jié)填充字節(jié)填充字節(jié)填充發(fā)送在前幀開始符幀結(jié)束符用字節(jié)填充法解決透明傳輸?shù)膯栴}

SOH零比特填充當(dāng)幀中出現(xiàn)一個與幀標(biāo)志相同的位串01111110，則在連續(xù)5個1后自動插入一個0，即變成01111101，接收方將自動刪除第5個1后的0這稱為位插入法，也稱為透明傳輸011011111111111111110010011011111011111011111010010011011111111111111110010循環(huán)冗余檢驗(yàn)的原理CRC碼計(jì)算舉例幀：1101011011除數(shù)：10011實(shí)際傳輸幀：11000010101001111010110110000100111001110011000010000000010000000010100000010110000010110100110101000000101001001101110000001110余數(shù)11010110111110幀數(shù)據(jù)余數(shù)生成多項(xiàng)式71本章知識點(diǎn)（理解記憶）局域網(wǎng):以太網(wǎng)與IEEE802.3數(shù)據(jù)鏈路層的三個基本問題：成幀、透明傳輸、差錯控制信道劃分介質(zhì)訪問控制：FDM、TDM、WDM廣域網(wǎng)協(xié)議：PPP協(xié)議、HDLC協(xié)議頻分復(fù)用FDM(FrequencyDivisionMultiplexing)

用戶在分配到一定的頻帶后，在通信過程中自始至終都占用這個頻帶。頻分復(fù)用的所有用戶在同樣的時間占用不同的帶寬資源頻率時間頻率1頻率2頻率3頻率4頻率5FDM圖示通道1通道260646872頻率（kHz）通道33003100Hz通道1通道2通道3頻率（kHz）60646872時分復(fù)用TDM(TimeDivisionMultiplexing)時分復(fù)用則是將時間劃分為一段段等長的時分復(fù)用幀（TDM幀）。每一個時分復(fù)用的用戶在每一個TDM幀中占用固定序號的時隙時分復(fù)用的所有用戶是在不同的時間占用同樣的頻帶寬度。時分復(fù)用頻率時間BC