计算机网络技术 第3章 数据链路层.pdf
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1、,计算机网络(第5版)第3章 数据链路层第3章数据链路层3.1 使用点对点信道的数据链路层3.1.1 数据链路和帧3.1.2 三个基本问题3.2 点对点协议PPP3.2.1 PPP协议的特点3.2.2 PPP协议的帧格式3.2.3 PPP协议的工作状态8第3章 数据链路层(续)3.3 使用广播信道的数据链路层3.3.1 局域网的数据链路层3.3.2 CSMA/CD 协议3.4 使用广播信道的以太网3.4.1 使用集线器的星形拓扑3.4.2 以太网的信道利用率3.4.3 以太网的MAC层第3章数据链路层(续)-13.5 扩展的以太网3.5.1 在物理层扩展以太网3.5.2 在数据链路层扩展以太网
2、3.6 高速以太网3.6.1 100BASE-T 以太网3.6.2 吉比特以太网3.6.3 10吉比特以太网3.6.4 使用高速以太网进行宽带接入3.7 其他类型的高速局域网接口I 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 据发数据链路层的简单模型主机乩向出发送数据H1应用层 运输层 网络层 链路层路由器Ri由器?-譬士局域网一I一广域网从层次上来看数据的流动一 主机H2H2才萩用层物理层力理
3、层理理河络层 较各层各层反输层主机儿数据链路层的简单模型(续)主机H1向出发送数据,n 路由器Ri 八一 路由器RQ王机乩 一L一4j 送由器用 一一?局域网广丽一 主机H2H1仅从数据链路层观察帧的流动H2才链路层物理层应用层 运输层 网络层他用层物理物理层理层运输层 网络层 连路层链路S1路层J链路曷,3.1 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。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
4、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(即网卡)来实现 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层 的功能。数据链路层传送的是帧网络层 数据 链路层物理层结点A-一装入E.帧亡三三1010.011C结点B11-LTLT1 11 帧I 数据 链路层结点A-1发送帧H接收厂结点B链路(b)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)o因此歪数搪链路层,规程 和协议是同义语。3.1.2三个基本问题(1)封装成帧(2)透明传输(3)差错
5、控制1.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。数据链路层的帧长亦 rrrpu i nW:切i一局域网网络层LLCMAC物理层站点2数据 链路层以后一般不考虑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。2.适配器的作用网络接口板又称为通信适配器(adapter)
6、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/并行转换。对数据进行缓存。在计算机的操作系统安装设备驱动程序。实现以太网协议。计算机通过适配器 和局域网进行通信IP地址硬件地址计算机CPU和K适配器存储器卜并行式(网卡)生成发送的数据把帧发送到局域网处理收到的数据 从局域网接收帧至局里网 串行茄言3.3.2 CSMA/CD 协议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。A B C D E不接受 B向D 不接受 接受 不接受-发送数据-以太网的广播方式发送 总线上的每一
7、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。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。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
8、数据帧时就丢弃 些帧,其他什么也不做。差错的纠正由 局层来决定。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。以太网发送的数据都使用 曼彻斯特(Manchester)编码出现电平转换码元基带数字信号 曼彻斯特编码10001100卜111I_J_n_TLA 1Ali AJLJ uA i An-TL-T i A i 载波监听多点接入/碰撞检测 CSMA/CD CSMA/CD 表示 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detectiono“多点接入”表示许多计算机以多点接入的方 式连接在
9、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。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”。检测到碰撞后 在发生碰撞时,
10、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。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Bo 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。传播时延对载波监听的影响B、B发送数据-i-T-8Y-f=T单程端到端 传播时延记为工f=T-
11、5/2 发生碰撞B检测到发生碰撞 停止发送重要特性!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。_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2c(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2c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。二进制指数类型退避算法 truncated binary exponential typ
12、e 1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2ro-定义重传次数k,k410,即k=Min重传次数,10 从整数集合 01,(2卜-1 中随机地取出一个 数,记为几重传所需的时延就是倍的基本 退避时间。当重传达16次仍不能成功时即丢弃该帧,并 向高层报告。争用期的长度!以太网取写石US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。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
13、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。强化4曲撞!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;再继续发送若干比特的人为干扰信号(jamming signal),以便让所有用户都知道现在已经发生 了碰撞。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。3.4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
14、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)使用集线器的双绞线以太网两对双绞线集线器/RJ_45插头星形网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。以太网在局域网中的统治地位-JI-10BASE-T的通信距离稍短,每个站到集线 器的距离不超过100 mo 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
15、网在局域网中的统治地位奠定了牢固的基础。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。具有三个接口的集线器集线器网卡 I I网卡 I I网卡工作站工作站工作站3.4.2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2C,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。(b/s),因 而帧的发送时间为L/C-TQ(S)O以太网的信道利
16、用率昼个帧从开始发送,经可能发生鹏后,将再重传数次,到发送成功且信道转为空闲(即再经过 时间T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。-发生碰撞-f-占用期-:争用期1争用期:争用期 发送成功*-2*-2*-2*-TQ-F-发送一帧所需的平均时间-T参数a要提高以太网的信道利用率,就必须减小C与 兀之比。在以太网中定义了参数a,它是以太 网单程端到端时延了与帧的发送时间兀之比:TQ=(3-2)T。a-0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。a越大,表明争用期所占的比例增大,每发 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。对以太网
17、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7的数值会太大。以太网的帧长不能太短,否则兀的值会 太小,使a值太大。信道利用率的最大值smax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To+。而帧本身的 发送时间是兀。于是我们可计算出理想情况下的 极限信道利用率Smax为:SmaxT。二 1 7+T 1+6Z(3-3)3.4.3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“
18、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。.48位的MAC地址 lEEE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。适配器检查MAC地址 适配器从网络上每收到一个MAC帧就首
19、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。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(unicast)帧(一对一)广播(broadcast)帧(一对全体)多播(multicast)帧(一对多)(2.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.IEEE 的 802.3 标准最常用的MAC帧是以太网V2的格式。以太网的MAC帧格式前同步码帧开始 定界符以太网V2的MAC帧格式以太网V2的MAC帧格式以太网V2的MAC帧格式类型字段用来标志上一层使用的是什么协议,以便把收到的MAC
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