局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層.ppt

1、2020/8/18,1,為了使數(shù)據(jù)鏈路層更好適應(yīng)多種局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，將數(shù)據(jù)鏈路層分為兩個子層：邏輯鏈路控制子層LLC和介質(zhì)訪問控制子層MAC。,網(wǎng)絡(luò)層,數(shù)據(jù)鏈路層,物理層,邏輯鏈路控制 LLC,介質(zhì)訪問控制 MAC,高層,OSI,IEEE 802,物理層,（） （） （）,SAP,MAC子層功能：成幀/拆幀， 實現(xiàn)、維護(hù)MAC協(xié)議，位差錯檢測，尋址。 LLC子層功能：向高層提供SAP，建立/釋放邏輯連接，差錯控制，幀序號處理，提供某些網(wǎng)絡(luò)層功能。LLC層與傳輸介質(zhì)無關(guān)。,802.1 概述、體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)互連 802.2 LLC 802.3 CSMA/CD 802.4 Token Bus 802.5

2、 Token Ring 802.6 分布隊列雙總線DQDB -MAN標(biāo)準(zhǔn) FDDI 光纖分布數(shù)據(jù)接口FDDI,數(shù)據(jù)鏈路層,物理層,2020/8/18,3,LLC幀和MAC幀的關(guān)系,2020/8/18,4,邏輯鏈路控制子層 LLC幀(第九章),2020/8/18,5,LLC向高層提供的服務(wù),面向連接的服務(wù)（類型2） 兩個LLC用戶之間的連接是通過LLC服務(wù)訪問點(diǎn)之間的點(diǎn)點(diǎn)式連接； 提供按順序傳送、流控和差錯控制 LLC提供的面向連接的服務(wù)是一種虛電路服務(wù)； 不確認(rèn)無連接服務(wù)（類型1） 雙方通信前無需建立邏輯鏈路； 所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)沒有流量控制和出錯控制恢復(fù)機(jī)制； 支持點(diǎn)點(diǎn)，點(diǎn)多點(diǎn)及廣播等工作方式。,

3、2020/8/18,6,LLC操作類型,類型1操作：為無連接操作，在LLC之間交換PDU時不需要建立數(shù)據(jù)鏈路連接，其所傳輸?shù)腜DU既不被確認(rèn)，也沒有流量控制和差錯恢復(fù)； 類型2操作：在兩LLC間交換帶信息的PDU之前，先建立邏輯鏈路連接，正常的通信包括源LLC向目標(biāo)LLC傳送帶有信息的PDU，接收返回的確認(rèn)PDU。,2020/8/18,7,介質(zhì)訪問控制子層MAC(第五章),通信子網(wǎng)結(jié)構(gòu)： 點(diǎn)到點(diǎn)連接的網(wǎng)絡(luò) 廣播信道的網(wǎng)絡(luò)：廣播網(wǎng)絡(luò)中任何站點(diǎn)在任何時候都有可能 通過公共信道與網(wǎng)絡(luò)中另一個站點(diǎn)進(jìn)行通信。但是任何一部分物理信道在一個時間段內(nèi)只能被一個站點(diǎn)占用來傳送信息。 介質(zhì)訪問控制協(xié)議：將傳輸介質(zhì)

4、的信道有效地分配給網(wǎng)上各站點(diǎn)的用戶的方法。 包括： 1)確定網(wǎng)絡(luò)中每個站點(diǎn)能夠?qū)⑿畔⑺?到通信介質(zhì)上去的時刻； 2)如何對公用通信介質(zhì)的存取和利用 加以控制。,針對廣播網(wǎng)絡(luò),2020/8/18,8,802.3 CSMA/CD,802.4 Token Bus,802.5 Token Ring,802.6 DQDB,802.8 FDDI,802.2 LLC,數(shù)據(jù)鏈路層,物理層,LLC,MAC,802.1B 尋址，網(wǎng)間互連及網(wǎng)絡(luò)管理,802.1A 體系結(jié)構(gòu),PHY,不同網(wǎng)絡(luò)連接方式的MAC協(xié)議,IEEE802體系結(jié)構(gòu),2020/8/18,9,IEEE802.3以太網(wǎng),傳統(tǒng)以太網(wǎng)Ethernet 80

5、2.3 同軸電纜Ethernet 802.3a 細(xì)纜Ethernet 802.3i 雙絞線 802.3j 光纖 快速以太網(wǎng)FE 802.3u 雙絞線，光纖 千兆以太網(wǎng)GE 802.3z 屏蔽短雙絞線、光纖 802.3ab 雙絞線,2020/8/18,10,10Base5 粗同軸 10Base2 細(xì)同軸 10BaseT 雙絞線 10BaseF MMF（多模光纖） 100BaseT 雙絞線 100BaseF MMF/SMF 1000BaseX 屏蔽短雙絞線/MMF/SMF 1000BaseT 雙絞線,Ethernet組網(wǎng)方法,10Base2網(wǎng)絡(luò) 10Base5網(wǎng)絡(luò) 細(xì)/粗電纜混合網(wǎng)絡(luò) 10Base

6、-T網(wǎng)絡(luò) 10Base-T與同軸電纜網(wǎng)絡(luò)兼容的組網(wǎng) 10Base-F網(wǎng)絡(luò),傳輸介質(zhì),2020/8/18,11,10Base2網(wǎng)絡(luò),細(xì)同軸電纜(50 )，可靠性稍差 BNC T型接頭連接 總線型拓?fù)?用于辦公室LAN,2020/8/18,12,10Base5網(wǎng)絡(luò),粗同軸電纜(50 ) ，可靠性好，抗干擾能力強(qiáng) 收發(fā)器 : 發(fā)送/接收, 沖突檢測, 電氣隔離 AUI : 訪問單元接口 總線型拓?fù)?用于網(wǎng)絡(luò)骨干連接,2020/8/18,13,10Base-T網(wǎng)絡(luò),采用無屏蔽雙絞線介質(zhì)（UTP）實現(xiàn)10Mbps傳輸速率。 以Hub （集線器）為中心節(jié)點(diǎn)。Hub多端口轉(zhuǎn)發(fā)器。 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星形，邏輯上仍然

7、是總線形。 轉(zhuǎn)發(fā)器/中繼器的作用：將信號放大并整形后再轉(zhuǎn)發(fā)，消除信號傳輸?shù)氖д婧退p。 轉(zhuǎn)發(fā)器/中繼器/HUB物理層設(shè)備(工作在物理層)。 用于小型LAN。,NIC,HUB,段最大長度 100m,HUB與網(wǎng)卡之間最大距離100m； HUB與HUB之間最大距離100m； 網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)的最大距離2800m； 最多250個工作站數(shù)。,2020/8/18,14,10Base-F網(wǎng)絡(luò),使用光纖進(jìn)行長距離連接，例如建筑物間連接。 使用的連接器和終止器的費(fèi)用昂貴，抗干擾性很好。 星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 最常見的布線標(biāo)準(zhǔn)： 10BaseFL - 異步點(diǎn)到點(diǎn)鏈路，鏈路最長2 km。,2020/8/18,15,PA： 前同步碼

8、 - 10101010序列，用于使接收方與發(fā)送方同步 SFD： 幀首定界 10101011,標(biāo)志有效幀的開始 DA： 目的MAC地址； SA： 源MAC地址 LEN： 數(shù)據(jù)長度（數(shù)據(jù)部分的字節(jié)數(shù)）（0-1500B） LLC PDU+pad - 最少46字節(jié), 最多1500字節(jié) Pad：填充字段，保證有效幀從目的地址到校驗和的長度不少于 64字節(jié)(若Data域46字節(jié)，則無Pad) FCS： 幀校驗序列（CRC-32）,7 1 2/6 2/6 2 46-1500 4 字節(jié),校驗區(qū)間,64-1518 字節(jié),802.3幀格式,2020/8/18,16,Ethernet的控制過程,1堅持的CSMA/C

9、D的控制方法 應(yīng)用中的具體規(guī)定： 緩發(fā)：總線上傳輸?shù)那耙粋€包CRC最后一位與下一個包前文第一位之間最小時間間隔為9.6us； 發(fā)送：一個站點(diǎn)在非緩發(fā)期間可以發(fā)送，只要幀未遭到?jīng)_突就可以持續(xù)發(fā)送。 沖突加強(qiáng)碼：長度46字節(jié)，內(nèi)容不限，但不得為已發(fā)送部分信息的CRC碼； 重發(fā)次數(shù)：重發(fā)16次不成功則認(rèn)為是系統(tǒng)故障，向高層協(xié)議報告。,2020/8/18,17,Ethernet的接收過程,2020/8/18,18,CSMA協(xié)議,CSMA：載波偵聽多路訪問（多點(diǎn)接入）協(xié)議 多點(diǎn)接入：說明是總線網(wǎng)絡(luò)，許多計算機(jī)以多點(diǎn)接入的方式連接在一根總線上。 載波監(jiān)聽：指每一個站點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)之前要先檢測一下總線上是否有

10、其他計算機(jī)在發(fā)送數(shù)據(jù)，如果有則暫時不發(fā)數(shù)據(jù)，以免碰撞。 基本思想： 偵聽介質(zhì)上是否有其它站點(diǎn)正在傳送信息； 通信介質(zhì)未被占用可以進(jìn)行傳送； 有其它站點(diǎn)正在傳送信息等待介質(zhì)平靜之后再進(jìn)行傳送。,MAC子層協(xié)議：1堅持的CSMA/CD,2020/8/18,19,非堅持CSMA：若介質(zhì)空閑則發(fā)送；若介質(zhì)忙，則不再偵聽介質(zhì)，等待一個隨機(jī)時間之后再進(jìn)行監(jiān)聽重復(fù)以上步驟。 1堅持CSMA：介質(zhì)空閑則發(fā)送；介質(zhì)忙則繼續(xù)偵聽至介質(zhì)空閑時立即發(fā)送。若發(fā)生沖突，則等待一個隨機(jī)長的時間然后重復(fù)第一步。 P堅持CSMA：先偵聽介質(zhì)。介質(zhì)空閑便以P概率傳送；若下次仍然空閑，再以概率P傳送；此過程一直重復(fù)至發(fā)送成功或另一

11、站開始發(fā)送為止；若一開始就偵聽到介質(zhì)忙，則繼續(xù)偵聽，直至介質(zhì)空閑重復(fù)第一步。 CSMA技術(shù)不能解決發(fā)送中出現(xiàn)的沖突現(xiàn)象。,2020/8/18,20,CSMA/CD方式,CSMA/CD方式：帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問方式。 是以太網(wǎng)采用的協(xié)調(diào)方法。 沖突檢測：計算機(jī)一邊發(fā)送數(shù)據(jù)，一邊檢測信道上的信號電壓的大小。當(dāng)檢測到信號電壓擺動值超過一個門限時便認(rèn)為出現(xiàn)了沖突。 發(fā)生沖突的后果：總線上傳輸?shù)男盘柈a(chǎn)生嚴(yán)重的失真，無法從中恢復(fù)出有用信息。,2020/8/18,21,工作過程： 站點(diǎn)在發(fā)送前偵聽介質(zhì)，介質(zhì)空閑則發(fā)送； 若介質(zhì)忙，則繼續(xù)偵聽，直到介質(zhì)空閑時立即發(fā)送； 發(fā)送過程中，若檢測到?jīng)_突發(fā)生則立

12、即停止發(fā)送該幀，并發(fā)送一個簡短阻塞信號以加強(qiáng)沖突； 發(fā)送阻塞信號之后等待一段隨機(jī)時間后重復(fù)第一步重新嘗試發(fā)送。,2020/8/18,22,沖突檢測時間,A開始發(fā)送,B開始發(fā)送,沖突發(fā)生,正好在發(fā)送結(jié)束之前A檢測到?jīng)_突,t0,t0+-,t0+,t0+2-,2020/8/18,23,是總線上單程端到端傳播時延。 沖突檢測時間最多是兩倍的總線選倒懸的傳播時延。 按最壞的情況計算，取總線兩端的兩個站之間的傳播時延為端到端傳播時延。,例：以太網(wǎng)取51.2s為沖突檢測時間，對于10Mbit/s的以太網(wǎng)，在沖突窗口內(nèi)可以發(fā)送512bit即64字節(jié)。因此以太網(wǎng)在發(fā)送數(shù)據(jù)時，若前64字節(jié)沒有沖突，那么后續(xù)的數(shù)據(jù)

13、就不會發(fā)生沖突。 由于一檢測到?jīng)_突就立即停止發(fā)送，因此以太網(wǎng)規(guī)定凡長度小于64字節(jié)的幀都是無效幀。,2020/8/18,24,發(fā)生沖突后等待的隨機(jī)時間： tRA(2N-1) t為已沖突N次的信息幀再重試能否發(fā)送的延遲時間 N：沖突次數(shù) A：沖突窗口2 R：隨機(jī)數(shù)（整數(shù)） 例：N2時，t=0,22-1A中的一個整數(shù) N=3時，t=0,23-1A中的一個整數(shù) 當(dāng)重傳16次仍然不能成功時（表明同時打算發(fā)送數(shù)據(jù)的站太多，以致連續(xù)發(fā)生沖突），則丟棄該幀，并向高層報告。,二進(jìn)制指數(shù)后退算法,2020/8/18,25,CSMA/CD的流程圖,2020/8/18,26,CSMA/CD的優(yōu)點(diǎn)：算法簡單，成本適合

14、，可靠性良好，在一定網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況下有很好的延遲特性和吞吐能力。 CSMA/CD的缺點(diǎn)：需要有沖突檢測裝置，對信息幀有最小幀長度的限制（對具有許多短報文的情況會浪費(fèi)帶寬）。隨網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的增加，沖突會出現(xiàn)滾雪球現(xiàn)象，造成性能急劇下降。,2020/8/18,27,高速局域網(wǎng),基于光纖或者高度并行的銅線網(wǎng)絡(luò)。 傳輸速度達(dá)100Mbps以上。 技術(shù)規(guī)范：100Base-FX, 100Base-TX, FDDI。,2020/8/18,28,100Mbps 快速以太網(wǎng),又稱快速以太網(wǎng)(Fast Ethernet，F(xiàn)E)，包括100Base-TX和100Base-FX。 與10Mbps網(wǎng)絡(luò)的比較： 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和媒

15、體布線方法幾乎完全一樣； 傳輸率快10倍； 幀結(jié)構(gòu)和介質(zhì)訪問控制方式沿用IEEE802.3。,3種不同的物理層標(biāo)準(zhǔn)：,MAC子層,100BaseFX,100BaseTX,2對5類 UTP,光纖,4對3類 UTP,100BaseT4,2020/8/18,29,快速以太網(wǎng)組成實例,網(wǎng)卡(外置或內(nèi)置收發(fā)器)、收發(fā)器(外置)與收發(fā)器電纜 集線器（雙絞線或光纖接口） 雙絞線及光纜,外置光纖收發(fā)器,光纖,100Base FX集線器,100Base TX集線器,100Base TX集線器,光纖,插有光纖接口網(wǎng)卡,UTP5,UTP5,UTP5,UTP5,光纖,UTP5,2020/8/18,30,FDDI (F

16、iber Distributed Data Interface),網(wǎng)絡(luò)由雙環(huán)構(gòu)成，可靠性高。 傳輸速率為100Mbps。 介質(zhì)訪問控制方法采用Token Passing，類似于令牌環(huán)。 傳輸介質(zhì)主要為光纖，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍較大(幾十千米)。 主要用作連接一般LAN的主干網(wǎng)。,集中器,集中器,令牌,服務(wù)器,2020/8/18,31,千兆以太網(wǎng)(Gigabit Ethernet，GE),兩種標(biāo)準(zhǔn)：802.3z和802.3ab 802.3z 1000BaseX 屏蔽短雙絞線/MMF/SMF 802.3ab 1000BaseT 無屏蔽雙絞線(5類，6類) 連接距離較短： 1000BaseX:雙絞線 - 2

17、5米；MMF - 550米；SMF - 3km 1000BaseT: 5類雙絞線 100米 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和媒體布線方法同10/100BaseT相同； 傳輸速率比100BaseT快10倍； 幀結(jié)構(gòu)和介質(zhì)訪問控制方式仍沿用IEEE802.3。 允許網(wǎng)絡(luò)平滑升級到千兆主干，具有較好的兼容性。,2020/8/18,32,IEEE802.5 令牌網(wǎng),拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：點(diǎn)到點(diǎn)鏈路連接，構(gòu)成閉合環(huán) 傳輸媒體：STP、光纖，速率4/16Mbps； 最多站點(diǎn)數(shù)：250， 信號采用曼徹斯特編碼,2020/8/18,33,干線耦合器（TCU）,工作狀態(tài)： 發(fā)送方式 站點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時 收聽/轉(zhuǎn)發(fā)方式其他時候 收聽方式下，TCU與D

18、TE斷開 TCU對位流再生并轉(zhuǎn)發(fā)，同時監(jiān)視幀中是否出現(xiàn)本站地址和令牌。若出現(xiàn)本站地址，則將開關(guān)K閉合，TCU與DTE接通，位流復(fù)制到DTE，同時繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)；若出現(xiàn)令牌且有數(shù)據(jù)要發(fā)送，則截獲令牌，轉(zhuǎn)為發(fā)送方式，發(fā)送數(shù)據(jù)幀。 發(fā)送方式下，數(shù)據(jù)以幀為單位從TCU的輸出端發(fā)送到下一個TCU的輸入端。,DTE,TCU,收聽方式,K,K,DTE,TCU,發(fā)送方式,K,K,2020/8/18,34,實際結(jié)構(gòu)星型環(huán)路,A,B,C,D,E,集線器,2020/8/18,35,Token Ring/802.5的操作,1）誰可以發(fā)送幀，是由一個沿著環(huán)旋轉(zhuǎn)的稱為“令牌”（TOKEN）的特殊幀來控制的。只有拿到令牌的站可以

19、發(fā)送幀，而沒有拿到令牌的站只能等待。 2）拿到令牌的站將令牌轉(zhuǎn)變成訪問控制頭，后面加掛上自己的數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送。 3）數(shù)據(jù)幀通過任何一個站點(diǎn)(除源站點(diǎn)外)時，該站點(diǎn)都要把幀的目的地址和本站地址相比較： a)如果地址相符合，則將幀拷貝到接收緩沖器，供高層軟件處理，同時將幀送回環(huán)中； b)如果地址不符合，則直接將幀送回環(huán)中。 4）數(shù)據(jù)循環(huán)一周后由發(fā)送站回收。即發(fā)送的幀在環(huán)上循環(huán)一周后再回到發(fā)送站時，發(fā)送站將該幀從環(huán)上移去，同時再放一個空令牌到環(huán)上，使其余的站點(diǎn)能獲得發(fā)送幀的許可權(quán)。,2020/8/18,36,Token Ring/802.5的操作舉例,A,T = 0,T,A,T = 0,T,A,T =

20、 1,T,Data,C,T,Data,C,T,Data,C,T,Data,C,Data,（a）,（b）,（c）,幀循環(huán)一圈后 A將數(shù)據(jù)幀回收 并放出空令牌,A有數(shù)據(jù)要發(fā)送，它抓住空令牌,A將令牌修改為數(shù)據(jù)幀，并加掛數(shù)據(jù),2020/8/18,37,IEEE802.5的幀結(jié)構(gòu), 起始、結(jié)束標(biāo)志 訪問控制字段包括：,起始,訪問控制,結(jié)束,1B,1B,1B,令牌幀,非令牌幀（信息幀/控制幀）,起始,訪問控制,幀控制,目的地址,源地址,數(shù)據(jù),FCS,結(jié)束,幀狀態(tài), 優(yōu)先級與預(yù)約及優(yōu)先級限制位。圖例:pp205-206 令牌位：幀類型標(biāo)識。0 - 令牌；1 - 信息/控制幀 監(jiān)督位：防止無效幀在環(huán)路中無限

21、循環(huán)。,訪問控制字段,2020/8/18,38,環(huán)的維護(hù),令牌環(huán)設(shè)置一個監(jiān)控站來管理全環(huán)； 監(jiān)控站失效后，由競爭協(xié)議保證從其它工作站中選出一個站作為監(jiān)控站； 監(jiān)控站的功能： 確保令牌不丟失； 清除環(huán)中的壞幀； 將無主幀從環(huán)中取出； 為環(huán)路上傳輸?shù)男畔⑻峁┲鲿r鐘； 為保證環(huán)上至少能容納一個可循環(huán)的令牌時間，監(jiān)控站可插入額外的延遲位，但不能確定環(huán)斷點(diǎn)的位置。,2020/8/18,39,IEEE 802.4：令牌總線, 特點(diǎn)：物理上是總線網(wǎng)，邏輯上是令牌網(wǎng) 物理層：傳輸媒體為75寬帶同軸電纜，數(shù)據(jù)速率為1Mb/s、5Mb/s或10Mb/s； 傳輸機(jī)制為以太網(wǎng)和令牌環(huán)的結(jié)合： 物理傳輸采用廣播方式；

22、介質(zhì)訪問控制采用令牌方式。,2020/8/18,40,令牌總線協(xié)議中采用的機(jī)制,站點(diǎn)入環(huán) 站點(diǎn)保存前站地址PS和后站地址NS;令牌者詢問入環(huán)站點(diǎn)；入環(huán)站點(diǎn)響應(yīng)以“設(shè)置后繼站”幀，獲得令牌。 站點(diǎn)退環(huán) 退環(huán)站點(diǎn)向其前站PS發(fā)送“設(shè)置后繼站”幀，前站PS的后站地址NS將設(shè)置為退環(huán)站點(diǎn)的后繼站。 錯誤管理 檢測到多令牌的站點(diǎn)放棄令牌會到監(jiān)聽狀態(tài)； 令牌持有者的后續(xù)站點(diǎn)故障：發(fā)“誰后繼”幀給故障站點(diǎn)的緊臨站點(diǎn)；仍無響應(yīng)時，廣播；否則為重大事故(接收器失靈)，站點(diǎn)停止活動，監(jiān)聽總線。 邏輯環(huán)初始化 活動計時器 按地址排序“要求令牌”,2020/8/18,41,802.3、802.4與802.5的比較,802.3 優(yōu)點(diǎn)：使用范圍最廣，有巨大的安裝運(yùn)行經(jīng)驗；協(xié)議簡單，使用無源電纜，不用調(diào)制解調(diào)器；具有良好的時延特性和吞吐量特性。 缺點(diǎn)：有許多模擬部件；不適合實時工作；沒有優(yōu)先級；電纜長度有限；高速時效率降低；負(fù)載重時，沖突會嚴(yán)重影響吞吐量。 802.4 優(yōu)點(diǎn)：使用高可靠的電視電纜裝置，可用于數(shù)據(jù)、聲音和電視信號；有更高的可靠性；可處理短