数据链路层 6PPT课件

1知识点重点、难点 -数据链路层的功能 -点对点协议PPP工作机制 -以太网工作原理 -扩展局域网方法 -透明网桥工作原理第1页/共154页2本讲内容及教学目标 理解数据链路层的功能。 掌握帧、链路等相关概念。 掌握帧定界的方法。 理解数据链路层的三个基本问题。 掌握差错检测CRC的计算方法。 理解透明传输问题。 掌握PPP协议在数据链路层的工作原理第2页/共154页3数据链路层数据链路层使用的信道主要有以下两种类型： 点对点信道。这种信道使用一对一的点对点通信方式。 广播信道。这种信道使用一对多的广播通信方式，因此过程比较复杂。广播信道上连接的主机很多，因此必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机的数据发 第3页/共154页4数据链路层的简单模型局域网局域网广域网广域网主机主机 H1主机主机 H2路由器路由器 R1路由器路由器 R2路由器路由器 R3电话网电话网局域网局域网主机主机 H1 向向 H2 发送数据发送数据链路层链路层应用层应用层运输层运输层网络层网络层物理层物理层链路链路层层应用层应用层运输层运输层网络层网络层物理层物理层链路层链路层网络层网络层物理层物理层链路层链路层网络层网络层物理层物理层链路层链路层网络层网络层物理层物理层R1R2R3H1H2从从层次层次上来看数据的流动上来看数据的流动第4页/共154页5数据链路层的简单模型( ( 续）局域网局域网广域网广域网主机主机 H1主机主机 H2路由器路由器 R1路由器路由器 R2路由器路由器 R3电话网电话网局域网局域网主机主机 H1 向向 H2 发送数据发送数据链路层链路层应用层应用层运输层运输层网络层网络层物理层物理层链路层链路层应用层应用层运输层运输层网络层网络层物理层物理层链路层链路层网络层网络层物理层物理层链路层链路层网络层网络层物理层物理层链路层链路层网络层网络层物理层物理层R1R2R3H1H2仅从仅从数据链路层数据链路层观察帧的流动观察帧的流动第5页/共154页63.1 使用点对点信道的数据链路层3.1.1 数据链路和帧 链路(link)是一条无源的点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换结点。 一条链路只是一条通路的一个组成部分。一条链路只是一条通路的一个组成部分。 数据链路(data link) 除了物理线路外，还必须有通信协议来控制这些数据的传输。若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。 现在最常用的方法是使用适配器（即现在最常用的方法是使用适配器（即网卡网卡）来实）来实现这些协议的硬件和软件。现这些协议的硬件和软件。 一般的适配器都包括了数据链路层和物理层这两一般的适配器都包括了数据链路层和物理层这两层的功能。层的功能。 第6页/共154页IP 数据报1010 0110帧取出数据链路层网络层链路结点 A结点 B物理层数据链路层结点 A结点 B帧(a)(b)发送帧接收链路IP 数据报1010 0110帧装入数据链路层传送的是帧第7页/共154页8数据链路层像个数字管道 常常在两个对等的数据链路层之间画出一个数字管道，而在这条数字管道上传输的数据单位是帧。 早期的数据通信协议曾叫作通信规程(procedure)。因此在数据链路层，规程和协议是同义语。 结点结点帧帧第8页/共154页9点对点信道的DLL通信时的步骤 将网络层的IP数据报封装成帧 将帧发送给目的结点的DLL 若接收的帧无差错则提出IP数据报上交给网络层，否则丢弃帧第9页/共154页103.1.2 三个基本问题 DLL协议有很多种，但三个基本问题相同(1) 封装成帧(2) 透明传输(3) 差错控制 第10页/共154页111. 封装成帧 封装成帧(framing)就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部，然后就构成了一个帧。确定帧的界限。 首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界。 帧结束帧结束帧首部IP 数据报帧的数据部分帧尾部 MTU数据链路层的帧长数据链路层的帧长开始开始发送发送帧开始帧开始第11页/共154页12用控制字符进行帧定界的方法举例 SOH装在帧中的数据部分帧帧帧开始符帧开始符帧结束符帧结束符发送在前发送在前EOT第12页/共154页13帧定界符的作用 判定帧是否完整第13页/共154页142. 透明传输SOHEOT出现了出现了“EOT”被接收端当作无效帧而丢弃被接收端当作无效帧而丢弃被接收端被接收端误认为是一个帧误认为是一个帧数据部分数据部分EOT完整的帧完整的帧发送发送在前在前第14页/共154页15规定 所传输的数据中的任何8比特的组合一定不允许和用作帧定界的控制字符的比特编码一样，比如出现“SOH”和“EOT”第15页/共154页16解决透明传输问题 发送端的数据链路层在数据中出现控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入一个转义字符“ESC”(其十六进制编码是 1B)。 字节填充(byte stuffing)或字符填充(character stuffing)接收端的数据链路层在将数据送往网络层之前删除插入的转义字符。 如果转义字符也出现数据当中，那么应在转义字符前面插入一个转义字符。当接收端收到连续的两个转义字符时，就删除其中前面的一个。 第16页/共154页17SOHSOHEOTSOHESCESCEOTESCSOHESCESCESCSOH原始数据原始数据EOTEOT经过字节填充后发送的数据经过字节填充后发送的数据字节填充字节填充字节填充字节填充字节填充字节填充字节填充字节填充发送发送在前在前帧开始符帧开始符帧结束符帧结束符用字节填充法解决透明传输的问题 SOH第17页/共154页183. 差错检测 在传输过程中可能会产生比特差错：1 可能会变成 0 而 0 也可能变成 1。 在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比率称为误码率 BER (Bit Error Rate)。 误码率与信噪比有很大的关系。反比 为了保证数据传输的可靠性，在计算机网络传输数据时，必须采用各种差错检测措施。 第18页/共154页19循环冗余检验的原理 在数据链路层传送的帧中，广泛使用了循环冗余检验 CRC 的检错技术。 在发送端，先把数据划分为组。假定每组 k 个比特。 假设待传送的一组数据 M = 101001（现在 k = 6）。我们在 M 的后面再添加供差错检测用的 n 位冗余码一起发送。 第19页/共154页20冗余码的计算 用二进制的模 2 运算进行 2n 乘 M 的运算，这相当于在 M 后面添加 n 个 0。 得到的 (k + n) 位的数除以事先选定好的长度为 (n + 1) 位的除数 P，得出商是 Q 而余数是 R，余数 R 比除数 P 少1 位，即 R 是 n 位。 第20页/共154页21冗余码的计算举例 现在 k = 6, M = 101001。 设 n = 3, 除数 P = 1101， 被除数是 2nM = 101001000。 模 2 运算的结果是：商 Q = 110101， 余数 R = 001。 把余数 R 作为冗余码添加在数据 M 的后面发送出去。发送的数据是：2nM + R 即：101001001，共 (k + n) 位。 第21页/共154页22 110101 Q (商) P (除数) 1101 101001000 2nM (被除数) 1101 1110 1101 0111 0000 1110 1101 0110 0000 1100 1101 001 R (余数)，作为 FCS 循环冗余检验的原理说明 第22页/共154页23帧检验序列 FCS 在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列 FCS (Frame Check Sequence)。 循环冗余检验 CRC 和帧检验序列 FCS并不等同。 CRC 是一种常用的是一种常用的检错方法检错方法，而，而 FCS 是添加在数据后面的是添加在数据后面的冗余码冗余码。 FCS 可以用可以用 CRC 这种方法得出，但这种方法得出，但 CRC 并非用来获得并非用来获得 FCS 的唯的唯一方法。一方法。 第23页/共154页24接收端对收到的每一帧进行 CRC 检验 (1) 若得出的余数 R = 0，则判定这个帧没有差错，就接受(accept)。 (2) 若余数 R 0，则判定这个帧有差错，就丢弃。 但这种检测方法并不能确定究竟是哪一个或哪几个比特出现了差错。 只要经过严格的挑选，并使用位数足够多的除数 P，那么出现检测不到的差错的概率就很小很小。 第24页/共154页25多项式表示方法 P(X)=X3+X2+1表示上面的除数P=1101 常用的生成多项式： CRC-16=X16+X15+X2+1 CRC-CCITT=X16+X12+X5+1第25页/共154页26应当注意 仅用循环冗余检验 CRC 差错检测技术只能做到无差错接受(accept)。 “无差错接受”是指：“凡是接受的帧（即不包括丢弃的帧），我们都能以非常接近于 1 的概率认为这些帧在传输过程中没有产生差错”。 也就是说：“凡是接收端数据链路层接受的帧都没有传输差错”（有差错的帧就丢弃而不接受）。 要做到“可靠传输”（即发送什么就收到什么）就必须再加上确认和重传机制。 第26页/共154页27改正差错任务由上层协议完成 由于现在的通信线路的质量大大提高，引起差错的概率大大降低，因特网广泛使用的DLL协议都不使用确认和重传机制，即不要求DLL向上提供可靠传输的服务，往往由运输层的TCP协议完成，实践证明，可以提高通信效率。第27页/共154页283.2 点对点协议 PPP 3.2.1 PPP 协议的特点 现在全世界使用得最多的数据链路层协议是点对点协议 PPP (Point-to-Point Protocol)。 用户使用拨号电话线接入因特网时，一般都是使用 PPP 协议。 第28页/共154页29用户到 ISP 的链路使用 PPP 协议 用用户户至因特网至因特网已向因特网管理机构已向因特网管理机构申请到一批申请到一批 IP 地址地址ISP接入网接入网PPP 协议协议第29页/共154页301. PPP 协议应满足的需求 简单这是首要的要求 封装成帧 透明性 多种网络层协议 多种类型链路 差错检测 检错不等于纠错 检测连接状态 最大传送单元 网络层地址协商 数据压缩协商 第30页/共154页312. PPP 协议不需要的功能 纠错 不可靠传输协议 流量控制 TCP负责 序号 多点线路 点对点的链路通信 半双工或单工链路 全双工链路第31页/共154页323. PPP 协议的组成 1992 年制订了 PPP 协议。经过 1993 年和 1994 年的修订，现在的 PPP 协议已成为因特网的正式标准RFC 1661。 PPP 协议有三个组成部分 一个将一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法。数据报封装到串行链路的方法。 链路控制协议链路控制协议 LCP (Link Control Protocol)。 网络控制协议网络控制协议 NCP (Network Control Protocol)。 第32页/共154页333.2.2 PPP 协议的帧格式 标志字段 F = 0 x7E （符号“0 x”表示后面的字符是用十六进制表示。十六进制的 7E 的二进制表示是 01111110）。 地址字段 A 只置为 0 xFF。地址字段实际上并不起作用。 控制字段 C 通常置为 0 x03。 PPP 是面向字节的，所有的 PPP 帧的长度都是整数字节。 第33页/共154页34PPP 协议的帧格式 PPP 有一个 2 个字节的协议字段。 当协议字段为当协议字段为 0 x0021 时，时，PPP 帧的信息字段帧的信息字段就是就是IP 数据报。数据报。 若为若为 0 xC021, 则信息字段是则信息字段是 PPP 链路控制数链路控制数据。据。 若为若为 0 x8021，则表示这是网络控制数据。，则表示这是网络控制数据。 IP 数据报1211字节字节12不超过不超过 1500 字节字节PPP 帧帧先发送先发送7EFF03FACFCSF7E协议协议信信 息息 部部 分分首部首部尾部尾部第34页/共154页35思考题 如果PPP帧的信息部分是IP数据报，请问该PPP帧的有效数据率最多为多少？ 1500/(1500+5+3)*100%=99.5%第35页/共154页36透明传输问题 当 PPP 用在同步传输链路时，协议规定采用硬件来完成比特填充（和 HDLC 的做法一样）。 当 PPP 用在异步传输时，就使用一种特殊的字节填充法。 第36页/共154页37字节填充 将信息字段中出现的每一个 0 x7E 字节转变成为 2 字节序列(0 x7D, 0 x5E)。 若信息字段中出现一个 0 x7D 的字节, 则将其转变成为 2 字节序列(0 x7D, 0 x5D)。 若信息字段中出现 ASCII 码的控制字符（即数值小于 0 x20 的字符），则在该字符前面要加入一个 0 x7D 字节，同时将该字符的编码加以改变。第37页/共154页38例 若信息字段中出现了ASCII码的控制字符0X03，转变为2字节序列(0X7D,0X23)第38页/共154页39零比特填充 PPP 协议用在 SONET/SDH 链路时，是使用同步传输（一连串的比特连续传送）。这时 PPP 协议采用零比特填充方法来实现透明传输。 在发送端，只要发现有 5 个连续 1，则立即填入一个 0。接收端对帧中的比特流进行扫描。每当发现 5 个连续1时，就把这 5 个连续 1 后的一个 0 删除，第39页/共154页0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 00 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 00 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0信息字段中出现了和标志字段 F 完全一样的 8 比特组合发送端在 5 个连 1 之后填入 0 比特再发送出去在接收端把 5 个连 1之后的 0 比特删除会被误认为是标志字段 F 发送端填入 0 比特接收端删除填入的 0 比特零比特填充零比特填充第40页/共154页41 不提供使用序号和确认的可靠传输 PPP 协议之所以不使用序号和确认机制是出于以下的考虑： 在数据链路层在数据链路层出现差错的概率不大出现差错的概率不大时，使用比较简单的时，使用比较简单的 PPP 协议较为合协议较为合理。理。 在因特网环境下，在因特网环境下，PPP 的信息字段放入的数据是的信息字段放入的数据是 IP 数据报。数据报。数据链路层数据链路层的可靠传输并不能够保证网络层的传输也是可靠的的可靠传输并不能够保证网络层的传输也是可靠的。 帧检验序列帧检验序列 FCS 字段字段可保证无差错接受。可保证无差错接受。 第41页/共154页42 3.2.3 PPP 协议的工作状态 当用户拨号接入 ISP 时，路由器的调制解调器对拨号做出确认，并建立一条物理连接。 PC 机向路由器发送一系列的 LCP 分组（封装成多个 PPP 帧）。 这些分组及其响应选择一些 PPP 参数，和进行网络层配置，NCP 给新接入的 PC机分配一个临时的 IP 地址，使 PC 机成为因特网上的一个主机。 通信完毕时，NCP 释放网络层连接，收回原来分配出去的 IP 地址。接着，LCP 释放数据链路层连接。最后释放的是物理层的连接。 第42页/共154页设备之间无链路链路静止链路建立鉴别网络层协议链路打开链路终止物理链路LCP 链路已鉴别的 LCP 链路已鉴别的 LCP 链路和 NCP 链路物理层连接建立物理层连接建立LCP 配置协商配置协商鉴别成功或无需鉴别鉴别成功或无需鉴别NCP 配置协商配置协商链路故障或链路故障或关闭请求关闭请求LCP 链路链路终止终止鉴别失败鉴别失败LCP 配置配置协商失败协商失败第43页/共154页44作业 P105, 3-01,3-02,3-04,3-05,3-07第44页/共154页45知识回顾 数据链路层功能 差错控制 透明传输 帧定界 PPP协议第45页/共154页46本讲内容 了解局域网的拓扑结构和共享媒体 了解适配器的作用 理解CSMA/CD协议的工作原理 掌握二进制指数类型退避算法 了解局域网体系结构 理解以太网的信道利用率 理解MAC地址 掌握以太网的帧格式第46页/共154页473.3 使用广播信道的数据链路层3.3.1 局域网的数据链路层 局域网最主要的特点是：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。 局域网具有如下的一些主要优点： 具有广播功能具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网。，从一个站点可很方便地访问全网。局域网上的主机可共享连接在局域网上的各种硬局域网上的主机可共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源。件和软件资源。 便于系统的扩展和逐渐地演变便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可，各设备的位置可灵活调整和改变。灵活调整和改变。 提高了提高了系统的可靠性、可用性和残存性系统的可靠性、可用性和残存性。第47页/共154页局域网的拓扑 匹配电阻集线器干线耦合器总线网总线网星形网星形网树形网树形网 环形网环形网指计算机、电缆和网络上其他组件的安排方式或物理布局。第48页/共154页49局域网工作的层次问题 局域网工作的层次跨越了数据链路层和物理层，但由于局域网技术中有关数据链路层的内容比较丰富，放在DLL中讨论。 局域网工作的主要问题是共享信道，如何使众多用户能够合理而方便地共享通信媒体资源第49页/共154页50媒体共享技术 静态划分信道 频分复用频分复用FDM 时分复用时分复用TDM 波分复用波分复用WDM 码分复用码分复用 CDM 动态媒体接入控制（多点接入） 随机接入随机接入,用户随机发送信息。用户随机发送信息。 受控接入受控接入 ，如多点线路探询，如多点线路探询(polling)，或轮询。，或轮询。 第50页/共154页51以太网的两个标准 DIX Ethernet V2 是世界上第一个局域网产品（以太网）的规约。 IEEE 的 802.3 标准。 DIX Ethernet V2 标准与 IEEE 的 802.3 标准只有很小的差别，因此可以将 802.3 局域网简称为“以太网”。 严格说来，“以太网”应当是指符合 DIX Ethernet V2 标准的局域网 第51页/共154页52数据链路层的两个子层 为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，802 委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层： 逻辑链路控制逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control)子层子层 媒体接入控制媒体接入控制 MAC (Medium Access Control)子层。子层。 与接入到传输媒体有关的内容都放在 MAC子层，而 LLC 子层则与传输媒体无关，不管采用何种协议的局域网对 LLC 子层来说都是透明的 第52页/共154页53局域网对 LLC 子层是透明的 局 域 网网络层物理层站点 1网络层物理层逻辑链路控制LLCLLC媒体接入控制MACMAC数据链路层站点 2第53页/共154页54以后一般不考虑 LLC 子层 由于 TCP/IP 体系经常使用的局域网是 DIX Ethernet V2 而不是 802.3 标准中的几种局域网，因此现在 802 委员会制定的逻辑链路控制子层 LLC（即 802.2 标准）的作用已经不大了。很多厂商生产的适配器上就仅装有 MAC 协议而没有 LLC 协议。 第54页/共154页552. 适配器的作用 网络接口板又称为通信适配器(adapter)或网络接口卡 NIC (Network Interface Card)，或“网卡”。 适配器的重要功能： 进行串行进行串行/ /并行转换。并行转换。A/DA/D 对对数据进行缓存数据进行缓存。ChacheChache 在计算机的操作系统在计算机的操作系统安装设备驱动程序安装设备驱动程序。 实现以太网协议实现以太网协议。 第55页/共154页56计算机通过适配器和局域网进行通信 硬件地址至局域网适配器（网卡）串行通信CPU 和存储器生成发送的数据处理收到的数据把帧发送到局域网从局域网接收帧计算机IP 地址并行通信第56页/共154页57 最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。当初认为这样的连接方法既简单又可靠，因为总线上没有有源器件。 3.3.2 CSMA/CD 协议 B向 D发送数据 C D A E匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号）匹配电阻不接受不接受不接受接受B只有 D 接受B 发送的数据第57页/共154页58以太网的广播方式发送 总线上的每一个工作的计算机都能检测到 B 发送的数据信号。 由于只有计算机 D 的地址与数据帧首部写入的地址一致，因此只有 D 才接收这个数据帧。 其他所有的计算机（A, C 和 E）都检测到不是发送给它们的数据帧，因此就丢弃这个数据帧而不能够收下来。 具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。 第58页/共154页59为了通信的简便以太网采取了两种重要的措施 采用较为灵活的无连接的工作方式，即不必先建立连接就可以直接发送数据。 以太网对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。 这样做的理由是局域网信道的质量很好，因信道质量产生差错的概率是很小的。这样做的理由是局域网信道的质量很好，因信道质量产生差错的概率是很小的。 第59页/共154页60以太网提供的服务 以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。 当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，其他什么也不做。差错的纠正由高层来决定。 如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但以太网并不知道这是一个重传的帧，而是当作一个新的数据帧来发送。 第60页/共154页61请注意 我们一般说的面向连接的服务是可靠的，有连接有确认。 面向无连接的服务是不可靠的，没有连接也没有确认，但不是说不可靠的服务就是差的服务，有些情况下，尽最大努力的服务就是最好的服务。第61页/共154页62以太网发送的数据都使用曼彻斯特(Manchester)编码 基带数字信号曼彻斯特编码 码元1111100000出现电平转换保证在每一个码元的正中间出现一次电压的转换，而接受端就利用这种电压保证在每一个码元的正中间出现一次电压的转换，而接受端就利用这种电压的转换很方便地把位同步信号提取出来。的转换很方便地把位同步信号提取出来。第62页/共154页63载波监听多点接入/碰撞检测 CSMA/CD CSMA/CD 表示 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection。 “多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。 “载波监听”是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。 总线上并没有什么“载波”。因此， “载波监听”就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号。 第63页/共154页64碰撞检测 “碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。 当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大（互相叠加）。 当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞。 所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。第64页/共154页65检测到碰撞后 在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来。 每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送。第65页/共154页66CSMA/CD协议分析 计算机的连接方式 某台计算机要发送数据怎么办？ 发送过程中检测到冲突怎么办？ 发生冲突的A站很无辜的说: “监听到空闲时我才发的，怎么在发送过程中又冲突了，郁闷！” 。为什么？第66页/共154页67电磁波在总线上的有限传播速率的影响 当某个站监听到总线是空闲时，也可能总线并非真正是空闲的。 A 向 B 发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到 B。如电磁破在1KM电缆的传播时延约为5us（记住这个数字）。 B 若在 A 发送的信息到达 B 之前发送自己的帧(因为这时 B 的载波监听检测不到 A 所发送的信息)，则必然要在某个时间和 A 发送的帧发生碰撞。 碰撞的结果是两个帧都变得无用。 第67页/共154页1 kmABt碰撞t = 2 A 检测到发生碰撞 t = B 发送数据B 检测到发生碰撞 t = t = 0单程端到端传播时延记为 传播时延对载波监听的影响 第68页/共154页1 kmABt碰撞t = B 检测到信道空闲发送数据t = / 2发生碰撞t = 2 A 检测到发生碰撞 t = B 发送数据B 检测到发生碰撞 t = ABABAB t = 0 A 检测到信道空闲发送数据ABt = 0t = B 检测到发生碰撞停止发送STOPt = 2 A 检测到发生碰撞STOPAB单程端到端传播时延记为 第69页/共154页70重要特性 使用 CSMA/CD 协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信（半双工通信）。 每个站在发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。 这种发送的不确定性使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率。 第70页/共154页71争用期 最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间 2 （两倍的端到端往返时延）就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。 以太网的端到端往返时延 2 称为争用期，或碰撞窗口。 经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。 第71页/共154页72二进制指数类型退避算法 (truncated binary exponential type) 发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟（退避）一个随机时间才能再发送数据。 确定基本退避时间，一般是取为争用期确定基本退避时间，一般是取为争用期 2 。 定义参数定义参数 k ，即，即 k = Min重传次数重传次数, 10 从整数集合从整数集合0,1, (2k 1)中随机地取出一个数，记为中随机地取出一个数，记为 r。重传所需的时。重传所需的时延就是延就是 r 倍的基本退避时间。倍的基本退避时间。 当重传达当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。 第72页/共154页73争用期的长度 以太网取 51.2 s 为争用期的长度。 对于 10 Mb/s 以太网，在争用期内可发送512 bit，即 64 字节。 以太网在发送数据时，若前 64 字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。 第73页/共154页74最短有效帧长 如果发生冲突，就一定是在发送的前 64 字节之内。 由于一检测到冲突就立即中止发送，这时已经发送出去的数据一定小于 64 字节。 以太网规定了最短有效帧长为 64 字节，凡长度小于 64 字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。 第74页/共154页75强化碰撞 当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时： 立即停止发送数据；立即停止发送数据； 再继续发送若干比特的再继续发送若干比特的人为干扰信号人为干扰信号(jamming signal)，以便让所有用，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。户都知道现在已经发生了碰撞。 第75页/共154页数据帧干扰信号TJ人为干扰信号 ABTBtB 发送数据A 检测到冲突开始冲突信道占用时间A 发送数据B 也能够检测到冲突，并立即停止发送数据帧，接着就发送干扰信号。这里为了简单起见，只画出 A 发送干扰信号的情况。第76页/共154页77CSMA/CD协议总结 形成以太网帧，放入适配器缓存待发送 检测信道为空则发送，否则等待 在发送时继续检测，若无冲突发送成功，否则终止数据发送，并发送人为干扰信号 执行指数退避算法，等待后转到步骤2第77页/共154页783.4 使用广播信道的以太网3.4.1 使用集线器的星形拓扑 传统以太网最初是使用粗同轴电缆，后来演进到使用比较便宜的细同轴电缆，最后发展为使用更便宜和更灵活的双绞线。 这种以太网采用星形拓扑，在星形的中心则增加了一种可靠性非常高的设备，叫做集线器(hub) 第78页/共154页79使用集线器的双绞线以太网 集线器集线器两对双绞线两对双绞线站点站点RJ-45 插头插头第79页/共154页80星形网 10BASE-T 不用电缆而使用无屏蔽双绞线。每个站需要用两对双绞线，分别用于发送和接收。 集线器使用了大规模集成电路芯片，因此这样的硬件设备的可靠性已大大提高了。 第80页/共154页81以太网在局域网中的统治地位 10BASE-T 的通信距离稍短，每个站到集线器的距离不超过 100 m。 这种 10 Mb/s 速率的无屏蔽双绞线星形网的出现，既降低了成本，又提高了可靠性。 10BASE-T 双绞线以太网的出现，是局域网发展史上的一个非常重要的里程碑，它为以太网在局域网中的统治地位奠定了牢固的基础。 第81页/共154页82集线器的一些特点 集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线的工作，因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行。 使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各工作站使用的还是 CSMA/CD 协议，并共享逻辑上的总线。 集线器很像一个多接口的转发器，工作在物理层。集线器是物理层的设备 第82页/共154页83具有三个接口的集线器 集线器网卡工作站网卡工作站网卡工作站双绞线第83页/共154页843.4.2 以太网的信道利用率 以太网的信道被占用的情况： 争用期长度为 2 ，即端到端传播时延的两倍。检测到碰撞后不发送干扰信号。 帧长为 L (bit)，数据发送速率为 C (b/s)，因而帧的发送时间为 L/C = T0 (s)。 第84页/共154页85以太网的信道利用率 一个帧从开始发送，经可能发生的碰撞后，将再重传数次，到发送成功且信道转为空闲(即再经过时间 使得信道上无信号在传播)时为止，是发送一帧所需的平均时间。 发发 送送 成成 功功 争用期争用期 争用期争用期 争用期争用期 2 2 2T0t占用期占用期 发生碰撞发生碰撞 发送一帧所需的平均时间发送一帧所需的平均时间第85页/共154页86参数 a 要提高以太网的信道利用率，就必须减小 与 T0 之比。在以太网中定义了参数 a，它是以太网单程端到端时延 与帧的发送时间 T0 之比： 0Ta0Ta(3-2) a0 表示一发生碰撞就立即可以检测出来表示一发生碰撞就立即可以检测出来， 并立即停止发送，因而信道利用率很高。并立即停止发送，因而信道利用率很高。 a 越大，越大，表明争用期所占的比例增大表明争用期所占的比例增大，每发，每发 生一次碰撞就浪费许多信道资源，使得信道生一次碰撞就浪费许多信道资源，使得信道 利用率明显降低。利用率明显降低。 第86页/共154页87对以太网参数的要求 当数据率一定时，以太网的连线的长度受到限制，否则 的数值会太大。 以太网的帧长不能太短，否则 T0 的值会太小，使 a 值太大。 第87页/共154页88 在理想化的情况下，以太网上的各站发送数据都不会产生碰撞（这显然已经不是 CSMA/CD，而是需要使用一种特殊的调度方法），即总线一旦空闲就有某一个站立即发送数据。 发送一帧占用线路的时间是 T0 + ，而帧本身的发送时间是 T0。于是我们可计算出理想情况下的极限信道利用率 Smax为： 信道利用率的最大值 Smax aTTS1100max(3-3)第88页/共154页893.4.3 以太网的 MAC 层1. MAC 层的硬件地址 在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或 MAC 地址。 802 标准所说的“地址”严格地讲应当是每一个站的“名字”或标识符。 但鉴于大家都早已习惯了将这种 48 位的“名字”称为“地址”，所以本书也采用这种习惯用法，尽管这种说法并不太严格。第89页/共154页90 名字指出我们所要寻找的那个资源，地址指出那个资源在何处，路由告诉我们如何到达该处第90页/共154页9148 位的 MAC 地址 IEEE 的注册管理机构 RA 负责向厂家分配地址字段的前三个字节(即高位 24 位)。 地址字段中的后三个字节(即低位 24 位)由厂家自行指派，称为扩展标识符，必须保证生产出的适配器没有重复地址。 一个地址块可以生成224个不同的地址。这种 48 位地址称为 MAC-48，它的通用名称是EUI-48。 “MAC地址”实际上就是适配器地址或适配器标识符EUI-48。第91页/共154页92适配器检查 MAC 地址 适配器从网络上每收到一个 MAC 帧就首先用硬件检查 MAC 帧中的 MAC 地址. 如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他的处理。如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他的处理。 否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。 “发往本站的帧”包括以下三种帧： 单播单播(unicast)帧（一对一）帧（一对一） 广播广播(broadcast)帧（一对全体）帧（一对全体） 多播多播(multicast)帧（一对多）帧（一对多）第92页/共154页932. MAC 帧的格式 常用的以太网MAC帧格式有两种标准 ： DIX Ethernet V2 标准标准 IEEE 的的 802.3 标准标准 最常用的 MAC 帧是以太网 V2 的格式。第93页/共154页94以太网 MAC 帧物理层MAC层10101010101010 10101010101010101011前同步码帧开始定界符7 字节1 字节8 字节插入IP层目的地址 源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网的 MAC 帧格式 第94页/共154页95Question1? MAC帧的数据部分为什么最小是46字节？ 最短有效帧长为64字节。6418（首部尾部）第95页/共154页96Question2? 为什么在传输媒体上实际传送的要比MAC帧还多8个字节？ 一个站在刚开始接收MAC帧时，由于适配器的时钟尚未与到达的比特流达成同步，前7个字节是同步码；后一个字节是帧开始定界符，并且最后是两个连续1第96页/共154页97MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网 V2 的 MAC 帧格式目的地址字段 6 字节第97页/共154页98MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网 V2 的 MAC 帧格式源地址字段 6 字节第98页/共154页99MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网 V2 的 MAC 帧格式类型字段 2 字节类型字段用来标志类型字段用来标志上一层上一层使用的是什么协议，使用的是什么协议，以便把收到的以便把收到的 MAC 帧的数据上交给上一层的这个协议。帧的数据上交给上一层的这个协议。 第99页/共154页100MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网 V2 的 MAC 帧格式数据字段 46 1500 字节数据字段的正式名称是数据字段的正式名称是 MAC 客户数据字段客户数据字段最小长度最小长度 64 字节字节 18 字节的首部和尾部字节的首部和尾部 = 数据字段的最小长度数据字段的最小长度 第100页/共154页101MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网 V2 的 MAC 帧格式FCS 字段 4 字节当传输媒体的误码率为当传输媒体的误码率为 1 10 8 时，时，MAC 子层可使未检测到的差错小于子层可使未检测到的差错小于 1 10 14。 当数据字段的长度小于当数据字段的长度小于 46 字节时，字节时，应在数据字段的后面加入整数字节的填充字段，应在数据字段的后面加入整数字节的填充字段，以保证以太网的以保证以太网的 MAC 帧长不小于帧长不小于 64 字节。字节。 第101页/共154页102MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网 V2 的 MAC 帧格式10101010101010 10101010101010101011前同步码帧开始定界符7 字节1 字节8 字节插入在帧的前面插入的在帧的前面插入的 8 字节中的第一个字段共字节中的第一个字段共 7 个字节，个字节，是前同步码，用来迅速实现是前同步码，用来迅速实现 MAC 帧的比特同步。帧的比特同步。第二个字段是帧开始定界符，表示后面的信息就是第二个字段是帧开始定界符，表示后面的信息就是MAC 帧。帧。 为了达到比特同步，为了达到比特同步，在传输媒体上实际传送的在传输媒体上实际传送的要比要比 MAC 帧还多帧还多 8 个字节个字节第102页/共154页103 数据字段的长度与长度字段的值不一致； 帧的长度不是整数个字节； 用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错； 数据字段的长度不在 46 1500 字节之间。 有效的 MAC 帧长度为 64 1518 字节之间。 对于检查出的无效 MAC 帧就简单地丢弃。以太网不负责重传丢弃的帧。 无效的 MAC 帧 第103页/共154页104 帧间最小间隔为 9.6 s，相当于 96 bit 的发送时间。96bit/10MB/S 一个站在检测到总线开始空闲后，还要等待 9.6 s 才能再次发送数据。 这样做是为了使刚刚收到数据帧的站的接收缓存来得及清理，做好接收下一帧的准备。 帧间最小间隔 第104页/共154页105作业 上交作业 P105,3-09,3-11,3-13,3-14,3-19第105页/共154页106知识回顾 局域网数据链路层 CSMA/CD协议 二进制退避算法 以太网的MAC层 MAC帧的格式第106页/共154页107主要内容和教学目标 理解在物理层使用集线器扩展以太网的原理 理解使用网桥在数据链路层扩展局域网的原理 掌握网桥中CAM表中MAC地址的自学习过程 理解虚拟局域网的形成及应用 虚拟局域网的概念 虚拟局域网使用的以太网帧格式 了解高速以太网的几种类型 100BASE-T 以太网 吉比特以太网 10 吉比特以太网第107页/共154页1083.5 扩展的局域网3.5.1 在物理层扩展局域网 主机使用光纤和一对光纤调制解调器连接到集线器 以太网以太网集线器集线器光纤光纤光纤光纤调制解调器调制解调器光纤光纤调制解调器调制解调器第108页/共154页109 某大学有三个系，各自有一个局域网用多个集线器可连成更大的局域网三个独立的碰撞域三个独立的碰撞域一系一系二系二系三系三系碰撞域碰撞域碰撞域碰撞域碰撞域碰撞域第109页/共154页110用集线器组成更大的局域网都在一个碰撞域中一系三系二系主干集线器一个更大的碰撞域碰撞域第110页/共154页111 优点 使原来属于不同碰撞域的局域网上的计算机能够使原来属于不同碰撞域的局域网上的计算机能够进行跨碰撞域的通信。进行跨碰撞域的通信。 扩大了局域网覆盖的地理范围。扩大了局域网覆盖的地理范围。 缺点 碰撞域增大了，碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高但总的吞吐量并未提高。 如果不同的碰撞域使用不同的数据率，那么就不如果不同的碰撞域使用不同的数据率，那么就不能用集线器将它们互连起来。能用集线器将它们互连起来。 用集线器扩展局域网 第111页/共154页112 在数据链路层扩展局域网是使用网桥。 网桥工作在数据链路层，它根据 MAC 帧的目的地址对收到的帧进行转发。 网桥具有过滤帧的功能。当网桥收到一个帧时，并不是向所有的接口转发此帧，而是先检查此帧的目的 MAC 地址，然后再确定将该帧转发到哪一个接口 3.5.2 在数据链路层扩展局域网 第112页/共154页1. 网桥的内部结构 站表接口管理 软件网桥协议 实体缓存接口 1接口 2网段 B网段 A111222站地址 接口网桥网桥接口 1接口 212第113页/共154页114 过滤通信量，增大吞吐量。 扩大了物理范围。 提高了可靠性。 可互连不同物理层、不同 MAC 子层和不同速率（如10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太网）的局域网。 使用网桥带来的好处 第114页/共154页115网桥使各网段成为隔离开的碰撞域 B2B1碰撞域碰撞域碰撞域ABCDEF第115页/共154页116 存储转发增加了时延。 在MAC 子层并没有流量控制功能。 具有不同 MAC 子层的网段桥接在一起时时延更大。 网桥只适合于用户数不太多(不超过几百个)和通信量不太大的局域网，否则有时还会因传播过多的广播信息而产生网络拥塞。这就是所谓的广播风暴。 使用网桥带来的缺点 第116页/共154页117用户层IPMAC站 1用户层IPMAC站 2物理层网桥 1网桥 2AB用户数据IP-HMAC-HMAC-TDL-HDL-T 物理层DLRMAC物理层物理层DLRMAC物理层物理层LANLAN两个网桥之间还可使用一段点到点链路 网桥不改变它转发的帧的源地址第117页/共154页118 网桥按存储转发方式工作，hub是逐比特转发。 集线器在转发帧时，不对传输媒体进行检测。 网桥在转发帧之前必须执行 CSMA/CD 算法。 若在发送过程中出现碰撞，就必须停止发送和进行退避。若在发送过程中出现碰撞，就必须停止发送和进行退避。网桥和集线器（或转发器）不同 第118页/共154页119 目前使用得最多的网桥是透明网桥(transparent bridge)。 “透明”是指局域网上的站点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥，因为网桥对各站来说是看不见的。 透明网桥是一种即插即用设备，其标准是 IEEE 802.1D。 2. 透明网桥第119页/共154页120 若从 A 发出的帧从接口 x 进入了某网桥，那么从这个接口出发沿相反方向一定可把一个帧传送到 A。 网桥每收到一个帧，就记下其源地址和进入网桥的接口，作为转发表中的一个项目。 在建立转发表时是把帧首部中的源地址写在“地址”这一栏的下面。 在转发帧时，则是根据收到的帧首部中的目的地址来转发的。这时就把在“地址”栏下面已经记下的源地址当作目的地址，而把记下的进入接口当作转发接口。网桥应当按照以下自学习算法处理收到的帧和建立转发表 第120页/共154页121地址 接口转发表的建立过程举例B2B1ABCDEF1212地址 接口B 1B AA BA 1F CF 2A BA 1F CF 2第121页/共154页122过程分析 A向B发送帧 F向C发送帧 B向A发送帧第122页/共154页123Question? A向B发送的帧，B本来就可以直接收到，为什么还要让网桥B1和B2盲目地转发这个帧？第123页/共154页124在网桥的转发表中写入的信息除了地址和接口外，还有帧进入该网桥的时间。这是因为以太网的拓扑可能经常会发生变化，站点也可能会更换适配器（这就改变了站点的地址）。另外，以太网上的工作站并非总是接通电源的。把每个帧到达网桥的时间登记下来，就可以在转发表中只保留网络拓扑的最新状态信息。这样就使得网桥中的转发表能反映当前网络的最新拓扑状态。 网桥在转发表中登记以下三个信息 第124页/共154页125网桥的自学习和转发帧的步骤归纳 网桥收到一帧后先进行自学习。查找转发表中与收到帧的源地址有无相匹配的项目。如没有，就在转发表中增加一个项目（源地址、进入的接口和时间）。如有，则把原有的项目进行更新。 转发帧。查找转发表中与收到帧的目的地址有无相匹配的项目。 如没有，则通过所有其他接口（但进入网桥的接口除外）如没有，则通过所有其他接口（但进入网桥的接口除外）按进行转发。按进行转发。 如有，则按转发表中给出的接口进行转发。如有，则按转发表中给出的接口进行转发。 若转发表中给出的接口就是该帧进入网桥的接口，则应丢若转发表中给出的接口就是该帧进入网桥的接口，则应丢弃这个帧（因为这时不需要经过网桥进行转发）。弃这个帧（因为这时不需要经过网桥进行转发）。第125页/共154页126这是为了避免产生转发的帧在网络中不断地兜圈子。 透明网桥使用了生成树算法 局域网 2局域网 1网桥 2网桥 1 AF不停地不停地兜圈子兜圈子A 发出的帧F1网桥 1 转发的帧F2网桥 2 转发的帧网络资源白白消耗了网络资源白白消耗了第126页/共154页127互连在一起的网桥在进行彼此通信后，就能找出原来的网络拓扑的一个子集。在这个子集里，整个连通的网络中不存在回路，即在任何两个站之间只有一条路径。 为了避免产生转发的帧在网络中不断地兜圈子。为了得出能够反映网络拓扑发生变化时的生成树，在生成树上的根网桥每隔一段时间还要对生成树的拓扑进行更新。 生成树的得出第127页/共154页128透明网桥容易安装，但网络资源的利用不充分。源路由(source route)网桥在发送帧时将详细的路由信息放在帧的首部中。源站以广播方式向欲通信的目的站发送一个发现帧，每个发现帧都记录所经过的路由。发现帧到达目的站时就沿各自的路由返回源站。源站在得知这些路由后，从所有可能的路由中选择出一个最佳路由。凡从该源站向该目的站发送的帧的首部，都必须携带源站所确定的这一路由信息。 3. 源路由网桥第128页/共154页1291990 年问世的交换式集线器(switching hub)，可明显地提高局域网的性能。交换式集线器常称为以太网交换机(switch)或第二层交换机（表明此交换机工作在数据链路层）。以太网交换机通常都有十几个接口。因此，以太网交换机实质上就是一个多接口的网桥，可见交换机工作在数据链路层。4. 多接口网桥以太网交换机 第129页/共154页130以太网交换机的每个接口都直接与主机相连，并且一般都工作在全双工方式。交换机能同时连通许多对的接口，使每一对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样，进行无碰撞地传输数据。 以太网交换机由于使用了专用的交换结构芯片，其交换速率就较高。 以太网交换机的特点第130页/共154页131对于普通 10 Mb/s 的共享式以太网，若共有 N 个用户，则每个用户占有的平均带宽只有总带宽(10 Mb/s)的 N 分之一。使用以太网交换机时，虽然在每个接口到主机的带宽还是 10 Mb/s，但由于一个用户在通信时是独占而不是和其他网络用户共享传输媒体的带宽，因此对于拥有 N 对接口的交换机的总容量为 N 10 Mb/s。这正是交换机的最大优点。 独占传输媒体的带宽 第131页/共154页132用以太网交换机扩展局域网 一系三系二系10BASE-T至因特网100 Mb/s100 Mb/s100 Mb/s万维网服务器电子邮件 服务器以太网交换机路由器第132页/共154页133虚拟局域网 VLAN 是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组。这些网段具有某些共同的需求。这些网段具有某些共同的需求。每一个每一个 VLAN 的帧都有一个明确的标识符，指明发的帧都有一个明确的标识符，指明发送这个帧的工作站是属于哪一个送这个帧的工作站是属于哪一个 VLAN。虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务，而并不是一种新型局域网。 利用以太网交换机可以很方便地实现虚拟局域网 第133页/共154页以太网交换机A4B1以太网交换机VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太网交换机以太网交换机三个虚拟局域网三个虚拟局域网: VLAN1, VLAN2 和和 VLAN3第134页/共154页以太网交换机A4B1以太网交换机VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太网交换机以太网交换机三个虚拟局域网三个虚拟局域网 VLAN1, VLAN2和和 VLAN3 的构成的构成 当当 B1 向向 VLAN2 工作组内成员发送数据时，工作组内成员发送数据时，工作站工作站 B2 和和