ACKV計算機網(wǎng)絡(luò)通信 第三章

第三章數(shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層于物理層之上，屬于低層。

物理層傳輸?shù)氖潜忍亓?單位是比特。

數(shù)據(jù)鏈路層傳輸單位是幀,一幀一幀地處理。

其工作是從物理層獲取比特流,進行封裝成

幀、并對幀進行一系列,如透明傳輸、差錯控制

等處理,從而遞交給上一層（網(wǎng)絡(luò)層）,同

時也對網(wǎng)絡(luò)層下傳的數(shù)據(jù)進行處理,進而傳

給物理層。

數(shù)據(jù)鏈路層的信道

數(shù)據(jù)鏈路層使用的信道主要有以下兩種類型:

點對點信道:這種信道使用一對一的點對點通信方式。

廣播信道這種信道使用一對多的廣播通信方式,因此過程匕戢復(fù)雜。廣播信道上連接的主機很多,

因此必須使用專用的共享信道協(xié)議來協(xié)調(diào)這些主機的數(shù)據(jù)發(fā)送。

數(shù)據(jù)鏈路層的簡單模型

主機HI向H2發(fā)送數(shù)據(jù)

%從層次上來看數(shù)據(jù)的流動

應(yīng)用層

網(wǎng)絡(luò)層

鏈路層

物理層

數(shù)據(jù)鏈路層的簡單模型

主機Hi向H2發(fā)送數(shù)據(jù)

鏈路(link)是f點到點的物理線路段,中間沒有任何其他的交換結(jié)點。

-一條鏈路只是一條通路的一個組成部分。

數(shù)據(jù)鏈路(datalink)除了物理線路外,還必須有通信協(xié)議來控制這些數(shù)據(jù)的傳輸。

這些協(xié)議的硬件和軟件加到鏈路上,就構(gòu)成了數(shù)據(jù)鏈路。

-現(xiàn)在最常用的方法是使用適配器(即網(wǎng)卡)來實現(xiàn)這些協(xié)議的硬件和軟件。

-一般的適配器都包括了數(shù)據(jù)鏈路層和物理層這兩層的功能。

數(shù)據(jù)鏈路層傳送的是幀

物理層

（3）

結(jié)點力結(jié)點B

(b)

數(shù)據(jù)鏈路層像個數(shù)字管道

常常在兩個對等的數(shù)據(jù)鏈路層之間畫出一個數(shù)字管道,而故條數(shù)字管道上傳輸?shù)南杈?/p>

單位是幀。

數(shù)據(jù)鏈路層具體工作過程

(1)封裝成幀

(2)透明傳輸

封裝成幀(framing)就是在一段數(shù)據(jù)的前后分別添加首部和尾部，然后就構(gòu)成了一個幀。確定幀的界限。

首部和尾部的一個重要作用就是進行幀定界。

數(shù)據(jù)鏈路層的幀長

幀開始符

SOH

幀

友送在刖

出現(xiàn)了"EOT"

誤認為是一個幀

解決方法

發(fā)送端的數(shù)據(jù)鏈路層在數(shù)據(jù)中出現(xiàn)控制字符

"SOH"或"EOT",在前面插入一個轉(zhuǎn)義字符

"ESC"(其十六進制編碼是1B)O

字節(jié)填充(bytestuffing)或字符填充

(characterstuffing)?接收端的數(shù)據(jù)鏈路

層在將數(shù)據(jù)送往網(wǎng)絡(luò)層之前刪除插入的轉(zhuǎn)義

字符。如果轉(zhuǎn)義字符也出現(xiàn)數(shù)據(jù)當(dāng)中，那么

應(yīng)在轉(zhuǎn)義字符前面插入一個轉(zhuǎn)義字符。當(dāng)接

收端收到連續(xù)的兩個轉(zhuǎn)義字符時,就刪除其

中前面的一個。

字節(jié)填充法解決透明傳輸問題

幀開始符幀結(jié)束符

SOHEOTSOHESCSOH

字節(jié)填龍字節(jié)埴充\字節(jié)填充、'、字節(jié)填充

/

SOHESCSOHESCESCESCSOHEOT

發(fā)送

在前

問：問題是否完全解決了?

在傳輸過程中可能會產(chǎn)生比特差錯:1可

能會變成。而0也可能變成L

在一段時間內(nèi),傳輸錯誤的比特占所傳輸

比特總數(shù)的比率稱為誤碼率BER(BitErrorRate)。

誤碼率與信噪比有很大的關(guān)系。

為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?在計算機網(wǎng)

絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)時,必須采用各種差錯檢測措

施。

差錯控制

有奇偶檢驗碼、循環(huán)冗余碼、海明碼等

要求:加冗余碼少,檢錯率局。

分類:

糾錯型:對數(shù)據(jù)進行檢驗并糾正其中錯誤部

分,用于實時控制系統(tǒng)。

檢錯型:對數(shù)據(jù)進行檢驗,發(fā)現(xiàn)錯誤要求對方

進行重發(fā),用于現(xiàn)在大部分網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中。

循環(huán)冗余檢驗

在數(shù)據(jù)鏈路層傳送的幀中,廣泛使用了循環(huán)

冗余檢驗CRC的檢錯技術(shù)。

用二進制的模2運算進行方乘M的運算,這

相當(dāng)于在M后面添加n個0o

得至U的（k+n）bit的數(shù)除以事先選定好的長

度為（n+1）bit的數(shù)P,得出商是Q而余數(shù)

是R,余數(shù)R（n位）比除數(shù)P少1個比特。

冗余碼的計算舉例

現(xiàn)在k=6,M=101001o

設(shè)n=工除數(shù)P=1101,

被除數(shù)是2nM=101001000o

模2運算的結(jié)果是:商Q:110101,

余數(shù)R=001o

把余數(shù)R作為冗余碼添加在數(shù)據(jù)M的后面發(fā)送出去。發(fā)送的數(shù)據(jù)是:2nM+R

即:101001001，共(k+n)位。

循環(huán)冗余檢驗算式

110101一Q（商）

P（除數(shù)）一1101101（^17JUU（被除數(shù)）

—:

切。

HH0111

—ii：：0000

\\1110

\\iioi

---T：：0110

0000

\\1100

1101

001-R（余數(shù)）,作為FCS

1Q商

除數(shù)PT11011010貝00至‘0例被除數(shù)

商可舍棄,余數(shù)為0收到正確,否則要求重發(fā)

檢測出差錯

(1)若得出的余數(shù)R=0,則判定這個幀沒有差錯,就接受(accept)。

(2)若余數(shù)R0,則判定這個幀有差錯,就丟棄。

但這種檢測方法并不能確定究竟是哪一個或哪幾個比特出現(xiàn)了差錯。

只要經(jīng)過嚴格的挑選,并使用位數(shù)足夠多的除數(shù)P,那么出現(xiàn)檢測不到的差錯的概率就

很小很小。

實用的CRC檢驗器都是用硬件完成的。而且生成多項式較長,P69

CRC檢驗器能夠自動丟棄檢測到的出錯幀。因此所謂的"丟棄出錯幀"，對上層軟件或用戶來說都是

感覺不到的。

發(fā)送端對出錯的數(shù)據(jù)幀進行重傳是自動進行的,因而這種差錯控制體制常簡稱為ARQ(Automatic

RepeatreQuest),直譯是自動重傳請求,但意思是自動請求重傳。

能否用已學(xué)過的語言編制一個CRC檢驗器

CRC要求掌握

給予需傳送數(shù)據(jù)M與P,列算式,在發(fā)送碼后加正確的檢驗碼

給予收到數(shù)據(jù)M與P,列算式,得出收到碼是否正確

應(yīng)當(dāng)注意

僅用循環(huán)冗余檢驗CRC差錯檢測技術(shù)只能做到無差錯接受（accept）。

"無差錯接受"是指:〃凡是接受的幀（即不包括丟棄的幀），我們都能以非常接近于

1的概率認為這些幀在傳輸過程中沒有產(chǎn)生差錯”。

也就是說:"凡是接收端數(shù)據(jù)鏈路層接受的幀都沒有傳輸差錯”（有差錯的幀就丟棄而

不接受）。

要做到“可靠傳輸"（即發(fā)送什么就收到什么）就必須再加上確認和重傳機制。

點對點協(xié)議ppp

現(xiàn)在全世界使用得最多的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)

議是點對點協(xié)議PPP(Point-to-PointProtocol以前較多曾使用HDLC協(xié)議。

用戶使用撥號電話線接入因特網(wǎng)時

般都是使用PPP協(xié)議。

用戶撥號入網(wǎng)的示意圖

用戶豕庭因特網(wǎng)服務(wù)提供者(ISP)

至

因

特

網(wǎng)

用戶到ISP的鏈路使用PPP協(xié)議

ppp協(xié)議應(yīng)滿足的需求

簡單（省去不必要的功能:糾錯、流量控制、序號

多點線路、半雙工或單工鏈路）

封裝成幀

透明性

多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議

多種類型鏈路

差錯檢測

檢測連接狀態(tài)

最大傳送單元

網(wǎng)絡(luò)層地址協(xié)商

ppp協(xié)議不需要的功能

糾錯

流量控制

序號

多點線路

半雙工或單工鏈路

ppp協(xié)議

?1992年制訂了PPP協(xié)議。經(jīng)過1993年和1994年的修訂，現(xiàn)在的PPP協(xié)議已成為因特網(wǎng)的

正式標準［RFC1661］。

?PPP協(xié)議有三個期部分

-一個將IP數(shù)據(jù)報封裝到串行鏈路的方法。

-鏈路控制協(xié)議LCP(LinkControlProtocol)。

-網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議NCP(NetworkControlProtocol)。

ppp協(xié)議的幀格式

?PPP的幀格式和HDLC的相似。

?標志字段F仍為0x7E（符號"Ox〃表示后面的字符是用十六進制表示。十六進制的7E

的二進制表示是01111110）o

?地址字段A只置為OxFF。地址字段實際上并不起作用。

?控制字段C通常置為0x03。

?PPP是面向字節(jié)的，所有的PPP幀的長度都是整數(shù)字節(jié)。

ppp協(xié)議的幀格式

先發(fā)送

字節(jié)

V------------------------------------------PPP幀------------------------------------------------------------------------------------------1

?ppp有一個2個字節(jié)的協(xié)議字段。

-當(dāng)協(xié)議字段為0x0021時,PPP幀的信息字段就是IP數(shù)據(jù)報。

-若為OxCO21,則信息字段是PPP鏈路控制數(shù)據(jù)。

-若為0x8021,則表示這是網(wǎng)絡(luò)控制數(shù)據(jù)。

當(dāng)PPP用在同步傳輸鏈路時,協(xié)議規(guī)定采用硬件來完成比特填充（和HDLC的做法一樣）。

當(dāng)PPP用在異步傳輸時,就使用一種特殊的字符填充法。

字符填充

?將信息字段中出現(xiàn)的每一個0x7E字節(jié)轉(zhuǎn)變成為2字節(jié)序列(0x7D,0x5E)o

?

若信息字段中出現(xiàn)一個0x7D的字節(jié),則將其轉(zhuǎn)變成為2字節(jié)序列(0x7D,0x5D)o

?若信息字段中出現(xiàn)ASCII碼的控制字符(即數(shù)值小于0x20的字符)，則在該字符前面要

加入一個0x7D字節(jié),同時將該字符的編碼加以改變。

零比特填充

?PPP協(xié)議用在SONET/SDH鏈路時,是使用同步傳輸（一連串的比特連續(xù)傳送）o這時PPP

協(xié)議采用零比特填充方法來實現(xiàn)透明傳輸。

?在發(fā)送端,只要發(fā)現(xiàn)有5個連續(xù)1,則立即填入一個0。接收端對幀中的比特流進行掃描。每

當(dāng)發(fā)現(xiàn)5個連續(xù)1時,就把這5個連續(xù)1后的一個0刪除,

零比特填充

信息字段中出現(xiàn)了和01001111110001010

標志字段F完全一樣I,

的8比特組合--------------y--------------)

會被誤認為是標志字段F

0100111110100010

發(fā)送端在5個連1之后

填入。比特再發(fā)送出去

發(fā)送端填入。比特

0100111110100010

在接收端把5個連1

之后的0比特刪除

接收端刪除填入的0比特

不提供使用序號和確認的可靠傳輸

PPP協(xié)議之所以不使用序號和確認機制是出于以下的考慮:

-在數(shù)據(jù)鏈路層出現(xiàn)差錯的概率不大時，使用匕戢簡單的PPP協(xié)議較為合理。

-在因特網(wǎng)環(huán)境下，PPP的信息字段放入的數(shù)據(jù)是IP數(shù)據(jù)報。數(shù)據(jù)鏈路層的可靠傳輸并不能

夠保證網(wǎng)絡(luò)層的傳輸也是可靠的。

-幀檢驗序列FCS字段可保證無差錯接受。

ppp協(xié)議的工作狀態(tài)

當(dāng)用戶撥號接入EP時,路由器的調(diào)制解調(diào)器對撥號做出確認,并建立一條物理連接。

PC機向路由器發(fā)送一系列的LCP分組（封裝成多個PPP幀）。

這些分組及其響應(yīng)選擇一些PPP參數(shù),和進行網(wǎng)絡(luò)層配置,NCP給新接入的PC機分配一個臨時

的IP地址,使PC機成為因特網(wǎng)上的一個主機。

通信完畢時,NCP釋放網(wǎng)絡(luò)層連接,收回原來分配出去的IP地址。接著，LCP釋放數(shù)據(jù)鏈路層連

按。最后釋放的是物理層的連接。

鑒別成功或無需鑒別

鏈路故障或\f

關(guān)閉請求已鑒別的LCP鏈路

NCP配置協(xié),商

,*

鏈路打開已鑒別的LCP鏈路

和NCP鏈路

局域網(wǎng)最主要的特點是:網(wǎng)絡(luò)為一個單位所擁有,且地理范圍和站點數(shù)目均有限。

局域網(wǎng)具有如下的一些主要優(yōu)點:

具有廣播功能,從一個站點可很方便地訪問全網(wǎng)。局域網(wǎng)上的主機可共享連接在局域網(wǎng)上的

各種硬件和軟件資源。

便于系統(tǒng)的擴展和逐漸地演變,各設(shè)備的位置可靈活調(diào)整和改變。

提高了系統(tǒng)的可靠性、可用性和殘存性。

局域網(wǎng)的拓撲

環(huán)形網(wǎng)樹形網(wǎng)

媒體共享技術(shù)

靜態(tài)劃分信道

-頻分復(fù)用

-時分復(fù)用

-波分復(fù)用

-碼分復(fù)用

動態(tài)媒體接入控制(多點接入)

-隨機接入

-受控接入，如多點線路探詢(polling),或輪詢。

以太網(wǎng)的兩個標準

DIXEthernetV2是世界上第一個局域網(wǎng)產(chǎn)品（以太網(wǎng)）的規(guī)約。

IEEE的802.3標準。

DIXEthernetV2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(wǎng)簡稱為"以太網(wǎng)"。

嚴格說來,"以太網(wǎng)"應(yīng)當(dāng)是指符合DIXEthernetV2標準的局域網(wǎng)

裝罩^據(jù)鏈路層能更好地適應(yīng)多種局域網(wǎng)標準,802委員會就將局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層拆成兩

一邏輯鏈路控制LLC(LogicalLinkControl)子層

~媒體接入控制MAC(MediumAccessControl)子層

第蠹羸鬻髯需算蠹層，而此子層則與傳輸媒體無關(guān),不管采用何

局域網(wǎng)對LLC子層是透明的

LLC子層看不見

下面的局域網(wǎng)

網(wǎng)絡(luò)層

LLC

MAC

物理層

站點1站點2

LLC子層趨向淘汰

由于TCP/IP體系經(jīng)常使用的局域網(wǎng)是DIXEthernetV2而不是802.3標準中的幾

種局域網(wǎng),因此現(xiàn)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(jīng)不大了。

很多廠商生產(chǎn)的適配器上就僅裝有MAC協(xié)議而沒有LLC協(xié)議。

網(wǎng)卡（適配器）的作用

網(wǎng)絡(luò)接口板又稱為通信適配器（ad叩ter）或網(wǎng)絡(luò)接口卡NIC（NetworkInterfaceCard）,或〃網(wǎng)

卡”。

適配器的重要功能:

進行串行/并行轉(zhuǎn)換。

對數(shù)據(jù)進行緩存。

在計算機的操作系統(tǒng)安裝設(shè)備驅(qū)動程序。

實現(xiàn)以太網(wǎng)協(xié)議。

計算機通過網(wǎng)卡和局域網(wǎng)進行通信

IP地址硬件地址

計算機

至局域網(wǎng)

串行通信

生成發(fā)送的數(shù)據(jù)把幀發(fā)送到局域網(wǎng)

處理收到的數(shù)據(jù)從局域網(wǎng)接收幀

CSMA/CD協(xié)議

最初的以太網(wǎng)是將許多計算機都連接到一根總線上。當(dāng)初認為這樣的連接方法既簡單又可靠,

因為總線是無源的。

匹配電阻（用來吸收總線上傳播的信號）匹配電阻

只有D接受

B發(fā)送的數(shù)據(jù)

CDE

不接受不接受不接受

以太網(wǎng)的廣播方式發(fā)送

總線上的每一個工作的計算機都能檢測到B發(fā)送的數(shù)據(jù)信號。

由于只有計算機D的地址與數(shù)據(jù)幀首部寫入的地址一致,因此只有D才接收這個數(shù)據(jù)幀。

其他所有的計算機（A,C和E）都檢測到不是發(fā)送給它們的期幀,因此就丟棄這個數(shù)據(jù)幀而不能

夠收下來。

具有廣播特性的總線上實現(xiàn)了一對一的通信。

以太網(wǎng)的兩種重要的措施

一.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(shù)據(jù);以太網(wǎng)對發(fā)送

的數(shù)據(jù)幀不進行編號,也不要求對方發(fā)回確認。

-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)生差錯的概率不大的。

以太網(wǎng)發(fā)送的數(shù)據(jù)使用

曼徹斯特(Manchester)編碼

二

碼元100010011

基帶數(shù)字信號11

1

1

1

1

曼徹斯特編碼UrrLTLru_rn_rLLrLrLr

出現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換Y?tT：t⑴M尸M11t

載波監(jiān)聽多點接入/碰撞檢測CSMA/CD

CSMA/CD表示CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection,,

"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。

"載波監(jiān)聽”是指每一個站在發(fā)送數(shù)據(jù)之前先要檢測一下總線上是否有其他計算機在發(fā)送數(shù)據(jù),

如果有,則暫時不要發(fā)送數(shù)據(jù),以免發(fā)生碰撞。

總線上并沒有什么‘露皮“。因此,"載波監(jiān)聽"就是用電子技術(shù)檢測總線上有沒有其他計算

碰撞檢測

?"碰撞檢測"就是計算機邊發(fā)送數(shù)據(jù)邊檢測信道上的信號電壓大小。

?當(dāng)幾個站同時在總線上發(fā)送數(shù)據(jù)時，總線上的信號電壓擺動值將會增大（互相疊加）。

?當(dāng)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(shù)據(jù)，表明產(chǎn)生了碰撞。

?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"o

在發(fā)生碰撞時,總線上傳輸?shù)男盘柈a(chǎn)生了嚴重的失真,無法從中恢復(fù)出有用的信息來。

每一個正在發(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

網(wǎng)絡(luò)資源,然后等待一段隨機時間后再次發(fā)送。

電磁波在總線上的

有限傳播速率的影響

,當(dāng)某個站監(jiān)聽到總線是空閑時,也可能總線并非真正是空閑的。

,A向B發(fā)出的信息,要經(jīng)過一定的時間后才能傳送到B。

,彳鬣3勰建鼎箭弱疆號褊時B的載波監(jiān)聽檢測不到人所發(fā)送

?碰撞的結(jié)果是兩個幀都變得無用。

A--------------------------1km-------------------------------B

重要特性

使用CSMA/CD協(xié)議的以太網(wǎng)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）。

每個站在發(fā)送數(shù)據(jù)之后的一小段時間內(nèi),存在著遭遇碰撞的可能性。

這種發(fā)送的不確定性使整個以太網(wǎng)的平均通信量遠小于以太網(wǎng)的最高數(shù)據(jù)率。

爭用期

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)過時間2（兩倍的端到端往返時延）就可

知道發(fā)送的數(shù)據(jù)幀是否遭受了碰撞。

以太網(wǎng)的端到端往返時延2稱為爭用期,或碰撞窗口。

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。

二進制指數(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,要推遲(退避)一個隨機時間才能再發(fā)送數(shù)據(jù)。

-確定基本退避時間,T殳是取為爭用期2。

-定義k,k10,即

k=Min［重傳次數(shù),10］

-從整數(shù)集合…,(2k1)］中隨機地取出一個數(shù)，記為幾重傳所需的時延就是r倍的

基本退避時間。

-當(dāng)重傳達16次仍不能成功時即丟棄該幀，并向高層報告。

爭用期的長度

以太網(wǎng)取5L2s為爭用期的長度。

對于10Mb/s以太網(wǎng),在爭用期內(nèi)可發(fā)送512bit,即64字節(jié)。也可說512比特時間。

以太網(wǎng)在發(fā)送數(shù)據(jù)時,若前64字節(jié)沒有發(fā)生沖突,則后續(xù)的數(shù)據(jù)就不會發(fā)生沖突。

最短有效幀長

?如果發(fā)生沖突,就一定是在發(fā)送的前64字節(jié)之內(nèi)。

?由于一檢測到?jīng)_突就立即中止發(fā)送,這時已經(jīng)發(fā)送出去的數(shù)據(jù)一定小于64字節(jié)。

?以太網(wǎng)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。

強化碰撞

當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)的站一旦發(fā)現(xiàn)發(fā)生了碰撞時:

-立即停止發(fā)送數(shù)據(jù);

-再繼續(xù)發(fā)送若干比特的人為干擾信號(jammingsignal),以便讓所有用戶都知道現(xiàn)在

已經(jīng)發(fā)生了碰撞。

人為干擾信號

#

道

占

用

爾

聞

B也能夠檢測到?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。這里為了簡單起見,只畫

出A發(fā)送干擾信號的情況。

使用廣播信道的以太網(wǎng)

使用集線器的星形拓撲

傳統(tǒng)以太網(wǎng)最初是使用粗同軸電纜,后來演進^使用匕H交便宜的細同軸電纜,最后發(fā)展為

使用更便宜和更靈活的雙絞線。

這種以太網(wǎng)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(shè)備,叫做集線器

(hub)

使用集線器的雙絞線以太網(wǎng)

星開綱10BASE-T

.不用電纜而使用無屏蔽雙絞線。每個站需要用兩對雙絞線，分別呼翌￡鷲

.集線器使用了大規(guī)模集成電路芯片，因此這樣的硬件設(shè)備的可靠性已大.圖了。

10BASE-T的通信距離稍短,每個站到集線器的距離不超過100m.

這種10Mb/s速率的無屏蔽雙絞線星形網(wǎng)的出現(xiàn),既降低了成本,又提高了可靠性。

10BASE-T雙絞線以太網(wǎng)的出現(xiàn)，是局域網(wǎng)發(fā)展史上的一個非常重要的里程碑,它為以太網(wǎng)

在局域網(wǎng)中的統(tǒng)治地位奠定了牢固的基礎(chǔ)。

集線器的一些特點

集線器是使用電子器件來模擬實際電纜線的工作,因此整個系統(tǒng)仍然像T傳統(tǒng)的以太網(wǎng)

那樣運行。

使用集線器的以太網(wǎng)在邏輯上仍是一個總線網(wǎng)，各工作站使用的還是CSMA/CD協(xié)議,并

共享邏輯上的總線。

集線器有許多接口,工作理層。

具有三個接口的集線器

工作站工作站工作站

以太網(wǎng)的信道利用率

以太網(wǎng)的信道被占用的情況:

若干個爭用期,爭用期長度為2,即端到端傳播時延的兩倍。(檢測到崛后不發(fā)送干擾信

號。)

幀長為L(bit),數(shù)據(jù)發(fā)送速率為C(b/s),因而幀的發(fā)送時間為L/C=T0(s)o

一個幀從開始發(fā)送,經(jīng)可能發(fā)生的碰撞后,將經(jīng)過數(shù)次重傳,到發(fā)送成功且信道轉(zhuǎn)為空閑（即

再經(jīng)過時間使得信道上無信號在傳播）時為止，是發(fā)送一幀所需的平均時間。

發(fā)生碰撞占用期________________,

IIIII--------------------------

'爭用期'爭用期I...'爭用期發(fā)送成功

1111

_______________________________________________________________

—才—----------------

?—2—2To---------------->7-

發(fā)送一幀所需的平均時間__________________________________

參數(shù)a

要提高以太網(wǎng)的信道利用率,就必須減小與To之比。在以太網(wǎng)中定義了參數(shù)a,它是以

太網(wǎng)單程端到端時延與幀的發(fā)送時間T。之比:

T

CL—

T

/o

?a-0表示一發(fā)生碰撞就立即可以檢測出來,

并立即停止發(fā)送，因而信道利用率很高。

?a越大,表明爭用期所占的比例增大,每發(fā)

生一次碰撞就浪費許多信道資源,使得信道

利用率明顯降低。

以太網(wǎng)參數(shù)的要求

當(dāng)數(shù)據(jù)率一定時,以太網(wǎng)的連線的長度受到限制,否則的數(shù)值會太大。

以太網(wǎng)的幀長不能太短,否則To的值會太小,使a值太大。

信道利用率的最大值Smax

在理想化的情況下,以太網(wǎng)上的各站發(fā)送數(shù)據(jù)都不會產(chǎn)生碰撞（這顯然已經(jīng)不是

CSMA/CD,而是需要使用一種特殊的調(diào)度方法）,即總線一旦空閑就有某一個站立即發(fā)

送數(shù)據(jù)。

發(fā)送一幀占用線路的時間是To+,而幀本身的發(fā)送時間是G于是我們可計算出理想

情況下的極限信道利用率Smax為:

1

Smax

"+01+Q

以太網(wǎng)的MAC層硬件地址

在局域網(wǎng)中,硬件地址又稱為物理地址,或MAC地址。

802標準所說的"地址"嚴格地講應(yīng)當(dāng)是每一個站的〃名字"或標識符。

但鑒于大家都早已習(xí)慣了將這種48位的"名字”稱為〃地址"，所以本書也采用這種習(xí)慣

用法,盡管這種說法并不太嚴格。

48位的MAC地址

IEEE的注冊管理機構(gòu)RA負責(zé)向廠家分配地址字段的前三個字節(jié)（即高位24位）-地址塊。

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(chǎn)出的

適配器沒有重復(fù)地址。

一個地址塊可以生成224個不同的地址。這種48位地址稱為MAC-48,它的通用名稱是EUI-48。

"MAC地址"實際上就是適配器地址或適配器標識符EUI-48。

適配器檢查MAC地址

適配器從網(wǎng)絡(luò)上每收到一個MAC幀就首先用硬件檢查MAC幀中的MAC地址.

-如果是發(fā)往本站的幀則收下，然后再進行其他的處理。

-否則就將此幀丟棄，不再進行其他的處理。

"發(fā)往本站的幀"包括以下三種幀:

-單播(unicast)幀(一對一)

-廣播(broadcast)幀(一對全體)

-多播(multicast)幀(一對多)

MAC幀的格式

常用的以太網(wǎng)MAC幀格式有兩種標準:

DIXEthernetV2標準

IEEE的802.3標準

最常用的MAC幀是以太網(wǎng)V2的格式

MAC幀格式

IP數(shù)據(jù)報IP層

MAC層

物理層

前同步碼

X窺E界付

MAC幀目的地址

IP層

MAC層

物理層

MAC幀源地址

MAC幀協(xié)議類型格式

類型字段用來標志上一層使用的是什么協(xié)議，

以便把收到的MAC幀的數(shù)據(jù)上交給上一層的這個協(xié)議。

MAC幀數(shù)據(jù)字段

數(shù)據(jù)字段的正式名稱是MAC客戶數(shù)據(jù)字段

最小長度64字節(jié)18字節(jié)的首部和尾部=數(shù)據(jù)字段的最小長度

MAC幀的FCS字段

當(dāng)傳輸媒體的誤碼率為1168時,

MAC子層可使未檢測到的差錯小于11G叱

當(dāng)數(shù)據(jù)字段的長度小于46字節(jié)時,

應(yīng)在數(shù)據(jù)字段的后面加入整數(shù)字節(jié)的填充字段,

以保證以太網(wǎng)的MAC幀長不小于64字節(jié)。

MAC幀完整格式

在幀的前面插入的8字節(jié)中的第一個字段共7個字節(jié),

是前同步碼,用來迅速實現(xiàn)MAC幀的比特同步。

第二個字段是幀開始定界符,表示后面的信息就是MAC幀。

幀開魁

前同步碼定界稱

無效的MAC幀

?幀的長度不是整數(shù)個字節(jié);

?用收到的幀檢驗序列FCS查出有差錯;

?數(shù)據(jù)字段的長度不在46~1500字節(jié)之間。

有效的MAC幀長度為64~1518字節(jié)之間。

對于檢查出的無效MAC幀就簡單地丟棄。以太網(wǎng)不負責(zé)重傳丟棄的幀。

擴展的局域網(wǎng)

?主機使用光纖和一對光纖調(diào)制解調(diào)器連接到集線器

以太網(wǎng)

集線器

光纖

光纖光纖

調(diào)制解調(diào)器調(diào)制解調(diào)器

多個集線器可連成更大局域網(wǎng)

?某大學(xué)有三個系,各自有T局域網(wǎng)

三個獨立的碰撞域

用集線器組成更大的局域網(wǎng)

都在一個碰撞域中

一個更大的碰撞域

用集線器擴展局域網(wǎng)

優(yōu)點

-使原來屬于不同碰撞域的局域網(wǎng)上的計算機能夠進行跨碰撞域的通信。

-擴大了局域網(wǎng)覆蓋的地理范圍。

缺點

-碰撞域增大了，但總的吞吐量并未提高。

-如果不同的碰撞域使用不同的數(shù)據(jù)率，那么就不能用集線器將它們互連起來。

,網(wǎng)橋工作在數(shù)據(jù)鏈路層,它根據(jù)MAC幀的目的地址對收到的幀進行轉(zhuǎn)發(fā)。

,網(wǎng)橋具有過濾幀的功能。當(dāng)網(wǎng)橋收到一個幀時,并不是向所有的接口轉(zhuǎn)發(fā)此幀,而是先

檢查此幀的目的MAC地址，然后再確定將該幀轉(zhuǎn)發(fā)到哪一個接口

網(wǎng)橋

站地址接口

站表①1

②1

③1

接口管理網(wǎng)橋協(xié)議④2

軟件實體⑤2

⑥2

接口1接口2

接口1接口2

1「

①②③④⑤⑥

____.

使用網(wǎng)橋的優(yōu)點

過濾通信量，增大吞吐量。

擴大了物理范圍。

提高了可靠性。

可互連不同物理層、不同MAC子層和不同速率（如10Mb/s和:L00Mb/s以太網(wǎng)）的

網(wǎng)橋使各網(wǎng)段成為隔離開的碰撞域

?存儲轉(zhuǎn)發(fā)增加了時延。

?在MAC子層并沒有流量控制功能。

?網(wǎng)橋只適合于用戶數(shù)不太多（不超過幾百個）和通信量不太大的局域網(wǎng),否則有時還會因傳播

過多的廣播信息而產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)擁塞。這就是所謂的廣播風(fēng)暴。

站1兩個網(wǎng)橋之間還可使用一段點到點鏈路站2

用戶層

IP

MAC

物理層

網(wǎng)橋不改變它轉(zhuǎn)發(fā)的幀的源地址

目前使用得最多的網(wǎng)橋是透明網(wǎng)橋(transparentbridge)。

〃透明”是指局域網(wǎng)上的站點并不知道所發(fā)送的幀將經(jīng)過哪幾個網(wǎng)橋,因為網(wǎng)橋?qū)Ω髡緛?/p>

說是看不見的。

透明網(wǎng)橋是一種即插即用設(shè)備,其標準是IEEE802.1DO

網(wǎng)橋的自學(xué)習(xí)算法

若從A發(fā)出的幀從接口x進入了某網(wǎng)橋,那么從這個接口出發(fā)沿相反方向一定可把一個幀傳送到

4

網(wǎng)橋每收到一個幀,就記下其源地址和進入網(wǎng)橋的接口,作為轉(zhuǎn)發(fā)表中的一個項目。

在建立轉(zhuǎn)發(fā)表時是把幀首部中的源地址寫在“地址"這一欄的下面。

在轉(zhuǎn)發(fā)幀時,則是根據(jù)收到的幀首部中的目的地址來轉(zhuǎn)發(fā)的。這時就把在“典”欄下面已經(jīng)記

下的源地址當(dāng)作目的地址,而把記下的進入接口當(dāng)作轉(zhuǎn)發(fā)接口。

轉(zhuǎn)發(fā)表的建立過程舉例

網(wǎng)橋在轉(zhuǎn)發(fā)表中登記以下三個信息

在網(wǎng)橋的轉(zhuǎn)發(fā)表中寫入的信息除了地址和接口外,還有幀進入該網(wǎng)橋的時間。

這是因為以太網(wǎng)的拓撲可能經(jīng)常會發(fā)生變化,站點也可能會更換適配器（這就改變了站點

的地址）。另外,以太網(wǎng)上的工作站并非總是接通電源的。

把每個幀到達網(wǎng)橋的時間登記下來,就可以在轉(zhuǎn)發(fā)表中只保留網(wǎng)絡(luò)拓撲的最新狀態(tài)信息。

網(wǎng)橋的自學(xué)習(xí)和轉(zhuǎn)發(fā)幀步驟歸納

網(wǎng)橋收到一幀后先進行自學(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目。如沒

有,就在轉(zhuǎn)發(fā)表中增加一個項目（源地址、進入的接口和時間）。如有,則把原有的項目

進行更新。

轉(zhuǎn)發(fā)幀。查找轉(zhuǎn)發(fā)表中與收到幀的目的地址有無相匹配的項目。

-如沒有，則通過所有其他接口（但進入網(wǎng)橋的接口除外）按進行轉(zhuǎn)發(fā)。

-如有，則按轉(zhuǎn)發(fā)表中給出的接口進行轉(zhuǎn)發(fā)。若轉(zhuǎn)發(fā)表中給出的接口就是該幀進入網(wǎng)橋

的接口,則應(yīng)丟棄這個幀（因為這時不需要經(jīng)過網(wǎng)橋進行轉(zhuǎn)發(fā)）。

透明網(wǎng)橋容易安裝,但網(wǎng)絡(luò)資源的利用不充分。

源路由(sourceroute)網(wǎng)橋在發(fā)送幀時將詳細的路由信息放在幀的首部中。

源站以廣播方式向欲通信的目的站發(fā)送一個發(fā)現(xiàn)幀,每個發(fā)現(xiàn)幀都記錄所經(jīng)過的路由。

發(fā)現(xiàn)幀到達目的站時就沿各自的路由返回源站。源站在得知這些路由后,從所有可能的路

由中選擇出一個最佳路由。凡從該源站向該目的站發(fā)送的幀的首部,都必須攜帶源站所確

定的這一路由信息。

多接口網(wǎng)橋—以太網(wǎng)交換機

1990年問世的交換式集線器(switchinghub),可明顯地提高局域網(wǎng)的性能。

交換式集線器常稱為以太網(wǎng)交換機(switch)或第二層交換機(表明此交演幾工作在數(shù)據(jù)鏈路

層)。

以太網(wǎng)交換機通常都有十幾個接口。因此,以太網(wǎng)交換機實質(zhì)上就是一個多接口的網(wǎng)橋。

以太網(wǎng)交換機的特點

以太網(wǎng)交換機的每個接口都直接與主機相連,并且一般都工作在全雙工方式。

交換機能同時連通許多對的接口,使每一對相互通信的主機都能像獨占通信媒體那樣,進

行無碰撞地傳輸數(shù)據(jù)。

也是一種即插即用的設(shè)備,使用自學(xué)習(xí)算法建立轉(zhuǎn)發(fā)表。

以太網(wǎng)交換機由于使用了專用的交換結(jié)構(gòu)芯片,其交換速率就較高。

獨占傳輸媒體的帶寬

對于普通10Mb/s的共享式以太網(wǎng),若共有N個用戶,則每個用戶占有的平均帶寬只有總

帶寬(10Mb/s)的N分之一。

使用以太網(wǎng)交換機時,雖然在每個接口到主機的帶寬還是10Mb/s,但由于一個用戶在通信

時是獨占而不是和其他網(wǎng)絡(luò)用戶共享傳輸媒體的帶寬,因此對于擁有N對接口的交換機的總

容量為N10Mb/s。這正是交換機的最大優(yōu)點。

用以太網(wǎng)交換機擴展局域網(wǎng)

利用以太網(wǎng)交換機可以方便實現(xiàn)虛擬局域網(wǎng)

虛擬局域網(wǎng)VLAN是由一些局域網(wǎng)網(wǎng)段構(gòu)成的與物理位置無關(guān)的邏輯組。

■這些網(wǎng)段具有某些共同的需求。

每一個VLAN的幀都有一個明確的標識符,指明發(fā)送這個幀的工作站是屬于哪一個

VLANO

虛擬局域網(wǎng)其實只是局域網(wǎng)給用戶提供的一種服務(wù),而并不是一種新型局域網(wǎng)。

三個虛擬局域網(wǎng):

以太網(wǎng)VLAN】,VLAN2和VLAN3

交換機

當(dāng)Bi向VLAN2工作組內(nèi)成員發(fā)送數(shù)據(jù)時,

工作站B2和B3將會收到廣播的信息。

交換機

以太網(wǎng)--7Z%

交換機_nu4

?—,

門VLAN3

VLAN1VLAN2

以太網(wǎng)~i

交換機4

G

以太網(wǎng)—；「I

交換機-'J

4

Bi發(fā)送數(shù)據(jù)時,工作站A》A2和G

都不會收到%發(fā)出的廣播信息。

交換機

以太網(wǎng)----7Z%

交換機_nu4

?—,

門VLAN3

VLAN1VLAN2

以太網(wǎng)~i

交換機4

G

以太網(wǎng)—；「I

交換機-'J

4

虛擬局域網(wǎng)限制了接收廣播信息的工作站數(shù),使得網(wǎng)絡(luò)

不會因傳播過多的廣播信息（即"廣播風(fēng)暴"）而引起性能惡化。

-7"T^r????，

q交換機

虛擬局域網(wǎng)使用的以太網(wǎng)幀格式

虛擬局域網(wǎng)協(xié)議允許在以太網(wǎng)的幀格式中插入一個4