數(shù)據(jù)鏈路層 6PPT課件

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1、1知識點重點、難點 -數(shù)據(jù)鏈路層的功能 -點對點協(xié)議PPP工作機制 -以太網(wǎng)工作原理 -擴展局域網(wǎng)方法 -透明網(wǎng)橋工作原理第1頁/共154頁2本講內(nèi)容及教學目標 理解數(shù)據(jù)鏈路層的功能。 掌握幀、鏈路等相關(guān)概念。 掌握幀定界的方法。 理解數(shù)據(jù)鏈路層的三個基本問題。 掌握差錯檢測CRC的計算方法。 理解透明傳輸問題。 掌握PPP協(xié)議在數(shù)據(jù)鏈路層的工作原理第2頁/共154頁3數(shù)據(jù)鏈路層數(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，因此過程比較復雜。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

2、些主機的數(shù)據(jù)發(fā) 第3頁/共154頁4數(shù)據(jù)鏈路層的簡單模型局域網(wǎng)局域網(wǎng)廣域網(wǎng)廣域網(wǎng)主機主機 H1主機主機 H2路由器路由器 R1路由器路由器 R2路由器路由器 R3電話網(wǎng)電話網(wǎng)局域網(wǎng)局域網(wǎng)主機主機 H1 向向 H2 發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)鏈路層鏈路層應用層應用層運輸層運輸層網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層物理層物理層鏈路鏈路層層應用層應用層運輸層運輸層網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層物理層物理層鏈路層鏈路層網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層物理層物理層鏈路層鏈路層網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層物理層物理層鏈路層鏈路層網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層物理層物理層R1R2R3H1H2從從層次層次上來看數(shù)據(jù)的流動上來看數(shù)據(jù)的流動第4頁/共154頁5數(shù)據(jù)鏈路層的簡單模型( ( 續(xù)）局域網(wǎng)局域網(wǎng)廣域網(wǎng)廣域網(wǎng)主

3、機主機 H1主機主機 H2路由器路由器 R1路由器路由器 R2路由器路由器 R3電話網(wǎng)電話網(wǎng)局域網(wǎng)局域網(wǎng)主機主機 H1 向向 H2 發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)鏈路層鏈路層應用層應用層運輸層運輸層網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層物理層物理層鏈路層鏈路層應用層應用層運輸層運輸層網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層物理層物理層鏈路層鏈路層網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層物理層物理層鏈路層鏈路層網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層物理層物理層鏈路層鏈路層網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層物理層物理層R1R2R3H1H2僅從僅從數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層觀察幀的流動觀察幀的流動第5頁/共154頁63.1 使用點對點信道的數(shù)據(jù)鏈路層3.1.1 數(shù)據(jù)鏈路和幀 鏈路(link)是一條無源的點到點的物理線路段，中間沒有任何其他的交換結(jié)

4、點。 一條鏈路只是一條通路的一個組成部分。一條鏈路只是一條通路的一個組成部分。 數(shù)據(jù)鏈路(data link) 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。若把實現(xiàn)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（即現(xiàn)在最常用的方法是使用適配器（即網(wǎng)卡網(wǎng)卡）來實）來實現(xiàn)這些協(xié)議的硬件和軟件?，F(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。層的功能。 第6頁/共154頁IP 數(shù)據(jù)報1010 0110幀取出數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)層鏈路結(jié)點 A結(jié)點 B物理層數(shù)據(jù)鏈路層結(jié)點 A結(jié)點 B幀(a)(b

5、)發(fā)送幀接收鏈路IP 數(shù)據(jù)報1010 0110幀裝入數(shù)據(jù)鏈路層傳送的是幀第7頁/共154頁8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，而在這條數(shù)字管道上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單位是幀。 早期的數(shù)據(jù)通信協(xié)議曾叫作通信規(guī)程(procedure)。因此在數(shù)據(jù)鏈路層，規(guī)程和協(xié)議是同義語。 結(jié)點結(jié)點幀幀第8頁/共154頁9點對點信道的DLL通信時的步驟 將網(wǎng)絡(luò)層的IP數(shù)據(jù)報封裝成幀 將幀發(fā)送給目的結(jié)點的DLL 若接收的幀無差錯則提出IP數(shù)據(jù)報上交給網(wǎng)絡(luò)層，否則丟棄幀第9頁/共154頁103.1.2 三個基本問題 DLL協(xié)議有很多種，但三個基本問題相同(1) 封裝成幀(2) 透明傳輸(3

6、) 差錯控制 第10頁/共154頁111. 封裝成幀 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。 幀結(jié)束幀結(jié)束幀首部IP 數(shù)據(jù)報幀的數(shù)據(jù)部分幀尾部 MTU數(shù)據(jù)鏈路層的幀長數(shù)據(jù)鏈路層的幀長開始開始發(fā)送發(fā)送幀開始幀開始第11頁/共154頁12用控制字符進行幀定界的方法舉例 SOH裝在幀中的數(shù)據(jù)部分幀幀幀開始符幀開始符幀結(jié)束符幀結(jié)束符發(fā)送在前發(fā)送在前EOT第12頁/共154頁13幀定界符的作用 判定幀是否完整第13頁/共154頁142. 透明傳輸SOHEOT出現(xiàn)了出現(xiàn)了“EOT”被接收端當作無效幀而丟

7、棄被接收端當作無效幀而丟棄被接收端被接收端誤認為是一個幀誤認為是一個幀數(shù)據(jù)部分數(shù)據(jù)部分EOT完整的幀完整的幀發(fā)送發(fā)送在前在前第14頁/共154頁15規(guī)定 所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中的任何8比特的組合一定不允許和用作幀定界的控制字符的比特編碼一樣，比如出現(xiàn)“SOH”和“EOT”第15頁/共154頁16解決透明傳輸問題 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”的前面插入一個轉(zhuǎn)義字符“ESC”(其十六進制編碼是 1B)。 字節(jié)填充(byte stuffing)或字符填充(character stuffing)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)

8、當中，那么應在轉(zhuǎn)義字符前面插入一個轉(zhuǎn)義字符。當接收端收到連續(xù)的兩個轉(zhuǎn)義字符時，就刪除其中前面的一個。 第16頁/共154頁17SOHSOHEOTSOHESCESCEOTESCSOHESCESCESCSOH原始數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)EOTEOT經(jīng)過字節(jié)填充后發(fā)送的數(shù)據(jù)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)填充字節(jié)填充字節(jié)填充字節(jié)填充字節(jié)填充發(fā)送發(fā)送在前在前幀開始符幀開始符幀結(jié)束符幀結(jié)束符用字節(jié)填充法解決透明傳輸?shù)膯栴} SOH第17頁/共154頁183. 差錯檢測 在傳輸過程中可能會產(chǎn)生比特差錯：1 可能會變成 0 而 0 也可能變成 1。 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

9、為誤碼率 BER (Bit Error Rate)。 誤碼率與信噪比有很大的關(guān)系。反比 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。 第18頁/共154頁19循環(huán)冗余檢驗的原理 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)。 在發(fā)送端，先把數(shù)據(jù)劃分為組。假定每組 k 個比特。 假設(shè)待傳送的一組數(shù)據(jù) M = 101001（現(xiàn)在 k = 6）。我們在 M 的后面再添加供差錯檢測用的 n 位冗余碼一起發(fā)送。 第19頁/共154頁20冗余碼的計算 用二進制的模 2 運算進行 2n 乘 M 的運算，這相當于在 M 后面添加 n 個 0。 得到的 (k

10、 + n) 位的數(shù)除以事先選定好的長度為 (n + 1) 位的除數(shù) P，得出商是 Q 而余數(shù)是 R，余數(shù) R 比除數(shù) P 少1 位，即 R 是 n 位。 第20頁/共154頁21冗余碼的計算舉例 現(xiàn)在 k = 6, M = 101001。 設(shè) n = 3, 除數(shù) P = 1101， 被除數(shù)是 2nM = 101001000。 模 2 運算的結(jié)果是：商 Q = 110101， 余數(shù) R = 001。 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。 第21頁/共154頁22 110101 Q (商) P (除數(shù))

11、 1101 101001000 2nM (被除數(shù)) 1101 1110 1101 0111 0000 1110 1101 0110 0000 1100 1101 001 R (余數(shù))，作為 FCS 循環(huán)冗余檢驗的原理說明 第22頁/共154頁23幀檢驗序列 FCS 在數(shù)據(jù)后面添加上的冗余碼稱為幀檢驗序列 FCS (Frame Check Sequence)。 循環(huán)冗余檢驗 CRC 和幀檢驗序列 FCS并不等同。 CRC 是一種常用的是一種常用的檢錯方法檢錯方法，而，而 FCS 是添加在數(shù)據(jù)后面的是添加在數(shù)據(jù)后面的冗余碼冗余碼。 FCS 可以用可以用 CRC 這種方法得出，但這種方法得出，但 C

12、RC 并非用來獲得并非用來獲得 FCS 的唯的唯一方法。一方法。 第23頁/共154頁24接收端對收到的每一幀進行 CRC 檢驗 (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) R 0，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。 第24頁/共154頁25多項式表示方法 P(X)=X3+X2+1表示上面的除數(shù)P=1101 常用的生成多項式： CRC-16=X16+X15+X2+1 CRC-CCITT=X16+X

13、12+X5+1第25頁/共154頁26應當注意 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。 第26頁/共154頁27改正差錯任務(wù)由上層協(xié)議完成 由于現(xiàn)在的通信線路的質(zhì)量大大提高，引起差錯的概率大大降低，因特網(wǎng)廣泛使用的DLL協(xié)議都不使用確認和重傳機制，即不要求DLL向上提供可靠傳

14、輸?shù)姆?wù)，往往由運輸層的TCP協(xié)議完成，實踐證明，可以提高通信效率。第27頁/共154頁283.2 點對點協(xié)議 PPP 3.2.1 PPP 協(xié)議的特點 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-Point Protocol)。 用戶使用撥號電話線接入因特網(wǎng)時，一般都是使用 PPP 協(xié)議。 第28頁/共154頁29用戶到 ISP 的鏈路使用 PPP 協(xié)議 用用戶戶至因特網(wǎng)至因特網(wǎng)已向因特網(wǎng)管理機構(gòu)已向因特網(wǎng)管理機構(gòu)申請到一批申請到一批 IP 地址地址ISP接入網(wǎng)接入網(wǎng)PPP 協(xié)議協(xié)議第29頁/共154頁301. PPP 協(xié)議應滿足的需求 簡單這是首要的要求 封

15、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 檢錯不等于糾錯 檢測連接狀態(tài) 最大傳送單元 網(wǎng)絡(luò)層地址協(xié)商 數(shù)據(jù)壓縮協(xié)商 第30頁/共154頁312. PPP 協(xié)議不需要的功能 糾錯 不可靠傳輸協(xié)議 流量控制 TCP負責 序號 多點線路 點對點的鏈路通信 半雙工或單工鏈路 全雙工鏈路第31頁/共154頁323. PPP 協(xié)議的組成 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RFC 1661。 PPP 協(xié)議有三個組成部分 一個將一個將 IP 數(shù)據(jù)報封裝到串行鏈路的方法。數(shù)據(jù)報封裝到串行鏈路的方法。 鏈路控制協(xié)議鏈

16、路控制協(xié)議 LCP (Link Control Protocol)。 網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議 NCP (Network Control Protocol)。 第32頁/共154頁333.2.2 PPP 協(xié)議的幀格式 標志字段 F = 0 x7E （符號“0 x”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）。 地址字段 A 只置為 0 xFF。地址字段實際上并不起作用。 控制字段 C 通常置為 0 x03。 PPP 是面向字節(jié)的，所有的 PPP 幀的長度都是整數(shù)字節(jié)。 第33頁/共154頁34PPP 協(xié)議的幀格式 PPP 有一個 2 個字節(jié)的協(xié)議字段。

17、當協(xié)議字段為當協(xié)議字段為 0 x0021 時，時，PPP 幀的信息字段幀的信息字段就是就是IP 數(shù)據(jù)報。數(shù)據(jù)報。 若為若為 0 xC021, 則信息字段是則信息字段是 PPP 鏈路控制數(shù)鏈路控制數(shù)據(jù)。據(jù)。 若為若為 0 x8021，則表示這是網(wǎng)絡(luò)控制數(shù)據(jù)。，則表示這是網(wǎng)絡(luò)控制數(shù)據(jù)。 IP 數(shù)據(jù)報1211字節(jié)字節(jié)12不超過不超過 1500 字節(jié)字節(jié)PPP 幀幀先發(fā)送先發(fā)送7EFF03FACFCSF7E協(xié)議協(xié)議信信 息息 部部 分分首部首部尾部尾部第34頁/共154頁35思考題 如果PPP幀的信息部分是IP數(shù)據(jù)報，請問該PPP幀的有效數(shù)據(jù)率最多為多少？ 1500/(1500+5+3)*100%=9

18、9.5%第35頁/共154頁36透明傳輸問題 當 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 PPP 用在異步傳輸時，就使用一種特殊的字節(jié)填充法。 第36頁/共154頁37字節(jié)填充 將信息字段中出現(xiàn)的每一個 0 x7E 字節(jié)轉(zhuǎn)變成為 2 字節(jié)序列(0 x7D, 0 x5E)。 若信息字段中出現(xiàn)一個 0 x7D 的字節(jié), 則將其轉(zhuǎn)變成為 2 字節(jié)序列(0 x7D, 0 x5D)。 若信息字段中出現(xiàn) ASCII 碼的控制字符（即數(shù)值小于 0 x20 的字符），則在該字符前面要加入一個 0 x7D 字節(jié)，同時將該字符的編碼加以改變。第37頁/共154

19、頁38例 若信息字段中出現(xiàn)了ASCII碼的控制字符0X03，轉(zhuǎn)變?yōu)?字節(jié)序列(0X7D,0X23)第38頁/共154頁39零比特填充 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）。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，第39頁/共154頁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

20、0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0信息字段中出現(xiàn)了和標志字段 F 完全一樣的 8 比特組合發(fā)送端在 5 個連 1 之后填入 0 比特再發(fā)送出去在接收端把 5 個連 1之后的 0 比特刪除會被誤認為是標志字段 F 發(fā)送端填入 0 比特接收端刪除填入的 0 比特零比特填充零比特填充第40頁/共154頁41 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)鏈路層在數(shù)據(jù)鏈路層出現(xiàn)差錯的概率不大出現(xiàn)差錯的概率不大時，使用比較簡單的時，使用比較簡單的 PPP 協(xié)議較為合協(xié)議較為合理。理。 在因特網(wǎng)環(huán)境下，在因特網(wǎng)環(huán)境下，PPP 的信息

21、字段放入的數(shù)據(jù)是的信息字段放入的數(shù)據(jù)是 IP 數(shù)據(jù)報。數(shù)據(jù)報。數(shù)據(jù)鏈路層數(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。 幀檢驗序列幀檢驗序列 FCS 字段字段可保證無差錯接受。可保證無差錯接受。 第41頁/共154頁42 3.2.3 PPP 協(xié)議的工作狀態(tài) 當用戶撥號接入 ISP 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

22、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)鏈路層連接。最后釋放的是物理層的連接。 第42頁/共154頁設(shè)備之間無鏈路鏈路靜止鏈路建立鑒別網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議鏈路打開鏈路終止物理鏈路LCP 鏈路已鑒別的 LCP 鏈路已鑒別的 LCP 鏈路和 NCP 鏈路物理層連接建立物理層連接建立LCP 配置協(xié)商配置協(xié)商鑒別成功或無需鑒別鑒別成功或無需鑒別NCP 配置協(xié)商配置協(xié)商鏈路故障或鏈路故障或關(guān)閉請求關(guān)閉請求LCP 鏈路鏈路終止終止鑒別失敗鑒別失敗LCP 配置配置協(xié)商失敗協(xié)商失敗第43頁/共154頁44作業(yè) P105, 3-01,3-02,3-04,

23、3-05,3-07第44頁/共154頁45知識回顧 數(shù)據(jù)鏈路層功能 差錯控制 透明傳輸 幀定界 PPP協(xié)議第45頁/共154頁46本講內(nèi)容 了解局域網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)和共享媒體 了解適配器的作用 理解CSMA/CD協(xié)議的工作原理 掌握二進制指數(shù)類型退避算法 了解局域網(wǎng)體系結(jié)構(gòu) 理解以太網(wǎng)的信道利用率 理解MAC地址 掌握以太網(wǎng)的幀格式第46頁/共154頁473.3 使用廣播信道的數(shù)據(jù)鏈路層3.3.1 局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層 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： 具有廣播功能具有廣播功能，從一個站點可很方便地訪問全網(wǎng)。，從一個站點可很方便

24、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。件和軟件資源。 便于系統(tǒng)的擴展和逐漸地演變便于系統(tǒng)的擴展和逐漸地演變，各設(shè)備的位置可，各設(shè)備的位置可靈活調(diào)整和改變。靈活調(diào)整和改變。 提高了提高了系統(tǒng)的可靠性、可用性和殘存性系統(tǒng)的可靠性、可用性和殘存性。第47頁/共154頁局域網(wǎng)的拓撲 匹配電阻集線器干線耦合器總線網(wǎng)總線網(wǎng)星形網(wǎng)星形網(wǎng)樹形網(wǎng)樹形網(wǎng) 環(huán)形網(wǎng)環(huán)形網(wǎng)指計算機、電纜和網(wǎng)絡(luò)上其他組件的安排方式或物理布局。第48頁/共154頁49局域網(wǎng)工作的層次問題 局域網(wǎng)工作的層次跨越了數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，但由于局域網(wǎng)技術(shù)中有關(guān)數(shù)據(jù)鏈路層的內(nèi)容

25、比較豐富，放在DLL中討論。 局域網(wǎng)工作的主要問題是共享信道，如何使眾多用戶能夠合理而方便地共享通信媒體資源第49頁/共154頁50媒體共享技術(shù) 靜態(tài)劃分信道 頻分復用頻分復用FDM 時分復用時分復用TDM 波分復用波分復用WDM 碼分復用碼分復用 CDM 動態(tài)媒體接入控制（多點接入） 隨機接入隨機接入,用戶隨機發(fā)送信息。用戶隨機發(fā)送信息。 受控接入受控接入 ，如多點線路探詢，如多點線路探詢(polling)，或輪詢。，或輪詢。 第50頁/共154頁51以太網(wǎng)的兩個標準 DIX Ethernet V2 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。 DIX Eth

26、ernet V2 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)”應當是指符合 DIX Ethernet V2 標準的局域網(wǎng) 第51頁/共154頁52數(shù)據(jù)鏈路層的兩個子層 為了使數(shù)據(jù)鏈路層能更好地適應多種局域網(wǎng)標準，802 委員會就將局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層拆成兩個子層： 邏輯鏈路控制邏輯鏈路控制 LLC (Logical Link Control)子層子層 媒體接入控制媒體接入控制 MAC (Medium Access Control)子層。子層。 與接入到傳輸媒體有關(guān)的內(nèi)容都放在 MAC子層，而 LLC 子層則與傳輸媒體

27、無關(guān)，不管采用何種協(xié)議的局域網(wǎng)對 LLC 子層來說都是透明的 第52頁/共154頁53局域網(wǎng)對 LLC 子層是透明的 局 域 網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層物理層站點 1網(wǎng)絡(luò)層物理層邏輯鏈路控制LLCLLC媒體接入控制MACMAC數(shù)據(jù)鏈路層站點 2第53頁/共154頁54以后一般不考慮 LLC 子層 由于 TCP/IP 體系經(jīng)常使用的局域網(wǎng)是 DIX Ethernet V2 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。 第54頁/共154頁552. 適配器的作

28、用 網(wǎng)絡(luò)接口板又稱為通信適配器(adapter)或網(wǎng)絡(luò)接口卡 NIC (Network Interface Card)，或“網(wǎng)卡”。 適配器的重要功能： 進行串行進行串行/ /并行轉(zhuǎn)換。并行轉(zhuǎn)換。A/DA/D 對對數(shù)據(jù)進行緩存數(shù)據(jù)進行緩存。ChacheChache 在計算機的操作系統(tǒng)在計算機的操作系統(tǒng)安裝設(shè)備驅(qū)動程序安裝設(shè)備驅(qū)動程序。 實現(xiàn)以太網(wǎng)協(xié)議實現(xiàn)以太網(wǎng)協(xié)議。 第55頁/共154頁56計算機通過適配器和局域網(wǎng)進行通信 硬件地址至局域網(wǎng)適配器（網(wǎng)卡）串行通信CPU 和存儲器生成發(fā)送的數(shù)據(jù)處理收到的數(shù)據(jù)把幀發(fā)送到局域網(wǎng)從局域網(wǎng)接收幀計算機IP 地址并行通信第56頁/共154頁57 最初的以太

29、網(wǎng)是將許多計算機都連接到一根總線上。當初認為這樣的連接方法既簡單又可靠，因為總線上沒有有源器件。 3.3.2 CSMA/CD 協(xié)議 B向 D發(fā)送數(shù)據(jù) C D A E匹配電阻（用來吸收總線上傳播的信號）匹配電阻不接受不接受不接受接受B只有 D 接受B 發(fā)送的數(shù)據(jù)第57頁/共154頁58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)送給它們的數(shù)據(jù)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。

30、 第58頁/共154頁59為了通信的簡便以太網(wǎng)采取了兩種重要的措施 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)生差錯的概率是很小的。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)生差錯的概率是很小的。 第59頁/共154頁60以太網(wǎng)提供的服務(wù) 以太網(wǎng)提供的服務(wù)是不可靠的交付，即盡最大努力的交付。 當目的站收到有差錯的數(shù)據(jù)幀時就丟棄此幀，其他什么也不做。差錯的糾正由高層來決定。 如果高層發(fā)現(xiàn)丟失了一些數(shù)據(jù)而進行重傳，但以太網(wǎng)并不知道這是一個重傳的幀，而是當作一個新

31、的數(shù)據(jù)幀來發(fā)送。 第60頁/共154頁61請注意 我們一般說的面向連接的服務(wù)是可靠的，有連接有確認。 面向無連接的服務(wù)是不可靠的，沒有連接也沒有確認，但不是說不可靠的服務(wù)就是差的服務(wù)，有些情況下，盡最大努力的服務(wù)就是最好的服務(wù)。第61頁/共154頁62以太網(wǎng)發(fā)送的數(shù)據(jù)都使用曼徹斯特(Manchester)編碼 基帶數(shù)字信號曼徹斯特編碼 碼元1111100000出現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換保證在每一個碼元的正中間出現(xiàn)一次電壓的轉(zhuǎn)換，而接受端就利用這種電壓保證在每一個碼元的正中間出現(xiàn)一次電壓的轉(zhuǎn)換，而接受端就利用這種電壓的轉(zhuǎn)換很方便地把位同步信號提取出來。的轉(zhuǎn)換很方便地把位同步信號提取出來。第62頁/共154頁6

32、3載波監(jiān)聽多點接入/碰撞檢測 CSMA/CD CSMA/CD 表示 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection。 “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“載波”。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機發(fā)送的數(shù)據(jù)信號。 第63頁/共154頁64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。 當幾個站同時在總線上發(fā)送數(shù)據(jù)時

33、，總線上的信號電壓擺動值將會增大（互相疊加）。 當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”。第64頁/共154頁65檢測到碰撞后 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。第65頁/共154頁66CSMA/CD協(xié)議分析 計算機的連接方式 某臺計算機要發(fā)送數(shù)據(jù)怎么辦？ 發(fā)送過程中檢測到?jīng)_突怎么辦？ 發(fā)生沖突的A站很

34、無辜的說: “監(jiān)聽到空閑時我才發(fā)的，怎么在發(fā)送過程中又沖突了，郁悶！” 。為什么？第66頁/共154頁67電磁波在總線上的有限傳播速率的影響 當某個站監(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。如電磁破在1KM電纜的傳播時延約為5us（記住這個數(shù)字）。 B 若在 A 發(fā)送的信息到達 B 之前發(fā)送自己的幀(因為這時 B 的載波監(jiān)聽檢測不到 A 所發(fā)送的信息)，則必然要在某個時間和 A 發(fā)送的幀發(fā)生碰撞。 碰撞的結(jié)果是兩個幀都變得無用。 第67頁/共154頁1 kmABt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

35、到發(fā)生碰撞 t = t = 0單程端到端傳播時延記為 傳播時延對載波監(jiān)聽的影響 第68頁/共154頁1 kmABt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 = 0 A 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 第69頁/共154頁70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

36、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。 第70頁/共154頁71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。 第71頁/共154頁72二進制指數(shù)類型退避算法 (truncated binary exponential type) 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，一般是取為爭用期確定基本退避時間，

37、一般是取為爭用期 2 。 定義參數(shù)定義參數(shù) k ，即，即 k = Min重傳次數(shù)重傳次數(shù), 10 從整數(shù)集合從整數(shù)集合0,1, (2k 1)中隨機地取出一個數(shù)，記為中隨機地取出一個數(shù)，記為 r。重傳所需的時。重傳所需的時延就是延就是 r 倍的基本退避時間。倍的基本退避時間。 當重傳達當重傳達 16 次仍不能成功時即丟棄該幀，并向高層報告。次仍不能成功時即丟棄該幀，并向高層報告。 第72頁/共154頁73爭用期的長度 以太網(wǎng)取 51.2 s 為爭用期的長度。 對于 10 Mb/s 以太網(wǎng)，在爭用期內(nèi)可發(fā)送512 bit，即 64 字節(jié)。 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

38、數(shù)據(jù)就不會發(fā)生沖突。 第73頁/共154頁74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。 第74頁/共154頁75強化碰撞 當發(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)；立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)； 再繼續(xù)發(fā)送若干比特的再繼續(xù)發(fā)送若干比特的人為干擾信號人為干擾信號(jamming signal)，以便讓所有用，以便讓所有用戶都知道現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)生了碰撞。戶都知道現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)生了碰撞。 第75頁/共154

39、頁數(shù)據(jù)幀干擾信號TJ人為干擾信號 ABTBtB 發(fā)送數(shù)據(jù)A 檢測到?jīng)_突開始沖突信道占用時間A 發(fā)送數(shù)據(jù)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。第76頁/共154頁77CSMA/CD協(xié)議總結(jié) 形成以太網(wǎng)幀，放入適配器緩存待發(fā)送 檢測信道為空則發(fā)送，否則等待 在發(fā)送時繼續(xù)檢測，若無沖突發(fā)送成功，否則終止數(shù)據(jù)發(fā)送，并發(fā)送人為干擾信號 執(zhí)行指數(shù)退避算法，等待后轉(zhuǎn)到步驟2第77頁/共154頁783.4 使用廣播信道的以太網(wǎng)3.4.1 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，后來演進到使用比較便宜的細同軸電纜，最后發(fā)展

40、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) 第78頁/共154頁79使用集線器的雙絞線以太網(wǎng) 集線器集線器兩對雙絞線兩對雙絞線站點站點RJ-45 插頭插頭第79頁/共154頁80星形網(wǎng) 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，分別用于發(fā)送和接收。 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)備的可靠性已大大提高了。 第80頁/共154頁81以太網(wǎng)在局域網(wǎng)中的統(tǒng)治地位 10BASE-T 的通信距離稍短，每個站到集線器的距離不超過 100 m。 這種 10 Mb/s 速率的無屏蔽雙絞線星

41、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)。 第81頁/共154頁82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)仍然像一個傳統(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。 集線器很像一個多接口的轉(zhuǎn)發(fā)器，工作在物理層。集線器是物理層的設(shè)備 第82頁/共154頁83具有三個接口的集線器 集線器網(wǎng)卡工作站網(wǎng)卡工作站網(wǎng)卡工作站雙絞線第83頁/共154頁843.4.2

42、以太網(wǎng)的信道利用率 以太網(wǎng)的信道被占用的情況： 爭用期長度為 2 ，即端到端傳播時延的兩倍。檢測到碰撞后不發(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)。 第84頁/共154頁85以太網(wǎng)的信道利用率 一個幀從開始發(fā)送，經(jīng)可能發(fā)生的碰撞后，將再重傳數(shù)次，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)發(fā) 送送 成成 功功 爭用期爭用期 爭用期爭用期 爭用期爭用期 2 2 2T0t占用期占用期 發(fā)生碰撞發(fā)生碰撞 發(fā)送一幀所需的平均時間發(fā)送一幀所需的平均時間第85頁/共154頁

43、86參數(shù) a 要提高以太網(wǎng)的信道利用率，就必須減小 與 T0 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 T0 之比： 0Ta0Ta(3-2) a0 表示一發(fā)生碰撞就立即可以檢測出來表示一發(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。并立即停止發(fā)送，因而信道利用率很高。 a 越大，越大，表明爭用期所占的比例增大表明爭用期所占的比例增大，每發(fā)，每發(fā) 生一次碰撞就浪費許多信道資源，使得信道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。利用率明顯降低。 第86頁/共154頁87對以太網(wǎng)參數(shù)的要求 當數(shù)據(jù)率一定時，以太網(wǎng)的連線的長度受到限制，

44、否則 的數(shù)值會太大。 以太網(wǎng)的幀長不能太短，否則 T0 的值會太小，使 a 值太大。 第87頁/共154頁88 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 T0 + ，而幀本身的發(fā)送時間是 T0。于是我們可計算出理想情況下的極限信道利用率 Smax為： 信道利用率的最大值 Smax aTTS1100max(3-3)第88頁/共154頁893.4.3 以太網(wǎng)的 MAC 層1. MAC 層的硬件地址 在局域網(wǎng)中，硬件地址又稱為物理地址，或 MAC 地址。

45、 802 標準所說的“地址”嚴格地講應當是每一個站的“名字”或標識符。 但鑒于大家都早已習慣了將這種 48 位的“名字”稱為“地址”，所以本書也采用這種習慣用法，盡管這種說法并不太嚴格。第89頁/共154頁90 名字指出我們所要尋找的那個資源，地址指出那個資源在何處，路由告訴我們?nèi)绾蔚竭_該處第90頁/共154頁9148 位的 MAC 地址 IEEE 的注冊管理機構(gòu) RA 負責向廠家分配地址字段的前三個字節(jié)(即高位 24 位)。 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地址。 一個地址塊可以生成224個不同的地址。這種 48 位地址

46、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。第91頁/共154頁92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。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。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： 單播單播(unicast)幀（一對一）幀（一對一） 廣播廣播(broadcast)幀（一對全體）幀（一對全體） 多播多播(multicast)

47、幀（一對多）幀（一對多）第92頁/共154頁932. MAC 幀的格式 常用的以太網(wǎng)MAC幀格式有兩種標準 ： DIX Ethernet V2 標準標準 IEEE 的的 802.3 標準標準 最常用的 MAC 幀是以太網(wǎng) V2 的格式。第93頁/共154頁94以太網(wǎng) MAC 幀物理層MAC層10101010101010 10101010101010101011前同步碼幀開始定界符7 字節(jié)1 字節(jié)8 字節(jié)插入IP層目的地址 源地址類型數(shù) 據(jù)FCS6624字節(jié)46 1500IP 數(shù)據(jù)報以太網(wǎng)的 MAC 幀格式 第94頁/共154頁95Question1? MAC幀的數(shù)據(jù)部分為什么最小是46字節(jié)？

48、最短有效幀長為64字節(jié)。6418（首部尾部）第95頁/共154頁96Question2? 為什么在傳輸媒體上實際傳送的要比MAC幀還多8個字節(jié)？ 一個站在剛開始接收MAC幀時，由于適配器的時鐘尚未與到達的比特流達成同步，前7個字節(jié)是同步碼；后一個字節(jié)是幀開始定界符，并且最后是兩個連續(xù)1第96頁/共154頁97MAC 幀物理層MAC 層IP 層目的地址源地址類型數(shù) 據(jù)FCS6624字節(jié)46 1500IP 數(shù)據(jù)報以太網(wǎng) V2 的 MAC 幀格式目的地址字段 6 字節(jié)第97頁/共154頁98MAC 幀物理層MAC 層IP 層目的地址源地址類型數(shù) 據(jù)FCS6624字節(jié)46 1500IP 數(shù)據(jù)報以太網(wǎng)

49、V2 的 MAC 幀格式源地址字段 6 字節(jié)第98頁/共154頁99MAC 幀物理層MAC 層IP 層目的地址源地址類型數(shù) 據(jù)FCS6624字節(jié)46 1500IP 數(shù)據(jù)報以太網(wǎng) V2 的 MAC 幀格式類型字段 2 字節(jié)類型字段用來標志類型字段用來標志上一層上一層使用的是什么協(xié)議，使用的是什么協(xié)議，以便把收到的以便把收到的 MAC 幀的數(shù)據(jù)上交給上一層的這個協(xié)議。幀的數(shù)據(jù)上交給上一層的這個協(xié)議。 第99頁/共154頁100MAC 幀物理層MAC 層IP 層目的地址源地址類型數(shù) 據(jù)FCS6624字節(jié)46 1500IP 數(shù)據(jù)報以太網(wǎng) V2 的 MAC 幀格式數(shù)據(jù)字段 46 1500 字節(jié)數(shù)據(jù)字段的

50、正式名稱是數(shù)據(jù)字段的正式名稱是 MAC 客戶數(shù)據(jù)字段客戶數(shù)據(jù)字段最小長度最小長度 64 字節(jié)字節(jié) 18 字節(jié)的首部和尾部字節(jié)的首部和尾部 = 數(shù)據(jù)字段的最小長度數(shù)據(jù)字段的最小長度 第100頁/共154頁101MAC 幀物理層MAC 層IP 層目的地址源地址類型數(shù) 據(jù)FCS6624字節(jié)46 1500IP 數(shù)據(jù)報以太網(wǎng) V2 的 MAC 幀格式FCS 字段 4 字節(jié)當傳輸媒體的誤碼率為當傳輸媒體的誤碼率為 1 10 8 時，時，MAC 子層可使未檢測到的差錯小于子層可使未檢測到的差錯小于 1 10 14。 當數(shù)據(jù)字段的長度小于當數(shù)據(jù)字段的長度小于 46 字節(jié)時，字節(jié)時，應在數(shù)據(jù)字段的后面加入整數(shù)字

51、節(jié)的填充字段，應在數(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)的以保證以太網(wǎng)的 MAC 幀長不小于幀長不小于 64 字節(jié)。字節(jié)。 第101頁/共154頁102MAC 幀物理層MAC 層IP 層目的地址源地址類型數(shù) 據(jù)FCS6624字節(jié)46 1500IP 數(shù)據(jù)報以太網(wǎng) V2 的 MAC 幀格式10101010101010 10101010101010101011前同步碼幀開始定界符7 字節(jié)1 字節(jié)8 字節(jié)插入在幀的前面插入的在幀的前面插入的 8 字節(jié)中的第一個字段共字節(jié)中的第一個字段共 7 個字節(jié)，個字節(jié)，是前同步碼，用來迅速實現(xiàn)是前同步碼，用來迅速實現(xiàn) MAC 幀的比特同步。幀的比特同步

52、。第二個字段是幀開始定界符，表示后面的信息就是第二個字段是幀開始定界符，表示后面的信息就是MAC 幀。幀。 為了達到比特同步，為了達到比特同步，在傳輸媒體上實際傳送的在傳輸媒體上實際傳送的要比要比 MAC 幀還多幀還多 8 個字節(jié)個字節(jié)第102頁/共154頁103 數(shù)據(jù)字段的長度與長度字段的值不一致； 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)不負責重傳丟棄的幀。 無效的 MAC 幀 第103頁/共154頁104 幀間最

53、小間隔為 9.6 s，相當于 96 bit 的發(fā)送時間。96bit/10MB/S 一個站在檢測到總線開始空閑后，還要等待 9.6 s 才能再次發(fā)送數(shù)據(jù)。 這樣做是為了使剛剛收到數(shù)據(jù)幀的站的接收緩存來得及清理，做好接收下一幀的準備。 幀間最小間隔 第104頁/共154頁105作業(yè) 上交作業(yè) P105,3-09,3-11,3-13,3-14,3-19第105頁/共154頁106知識回顧 局域網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層 CSMA/CD協(xié)議 二進制退避算法 以太網(wǎng)的MAC層 MAC幀的格式第106頁/共154頁107主要內(nèi)容和教學目標 理解在物理層使用集線器擴展以太網(wǎng)的原理 理解使用網(wǎng)橋在數(shù)據(jù)鏈路層擴展局域網(wǎng)的原理

54、 掌握網(wǎng)橋中CAM表中MAC地址的自學習過程 理解虛擬局域網(wǎng)的形成及應用 虛擬局域網(wǎng)的概念 虛擬局域網(wǎng)使用的以太網(wǎng)幀格式 了解高速以太網(wǎng)的幾種類型 100BASE-T 以太網(wǎng) 吉比特以太網(wǎng) 10 吉比特以太網(wǎng)第107頁/共154頁1083.5 擴展的局域網(wǎng)3.5.1 在物理層擴展局域網(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)以太網(wǎng)集線器集線器光纖光纖光纖光纖調(diào)制解調(diào)器調(diào)制解調(diào)器光纖光纖調(diào)制解調(diào)器調(diào)制解調(diào)器第108頁/共154頁109 某大學有三個系，各自有一個局域網(wǎng)用多個集線器可連成更大的局域網(wǎng)三個獨立的碰撞域三個獨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

55、碰撞域第109頁/共154頁110用集線器組成更大的局域網(wǎng)都在一個碰撞域中一系三系二系主干集線器一個更大的碰撞域碰撞域第110頁/共154頁111 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。進行跨碰撞域的通信。 擴大了局域網(wǎng)覆蓋的地理范圍。擴大了局域網(wǎng)覆蓋的地理范圍。 缺點 碰撞域增大了，碰撞域增大了，但總的吞吐量并未提高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。能用集線器將它們互連起來。 用集線器擴展局域網(wǎng) 第111頁/共154頁11

56、2 在數(shù)據(jù)鏈路層擴展局域網(wǎng)是使用網(wǎng)橋。 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 3.5.2 在數(shù)據(jù)鏈路層擴展局域網(wǎng) 第112頁/共154頁1. 網(wǎng)橋的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 站表接口管理 軟件網(wǎng)橋協(xié)議 實體緩存接口 1接口 2網(wǎng)段 B網(wǎng)段 A111222站地址 接口網(wǎng)橋網(wǎng)橋接口 1接口 212第113頁/共154頁114 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10 M

57、b/s 和 100 Mb/s 以太網(wǎng)）的局域網(wǎng)。 使用網(wǎng)橋帶來的好處 第114頁/共154頁115網(wǎng)橋使各網(wǎng)段成為隔離開的碰撞域 B2B1碰撞域碰撞域碰撞域ABCDEF第115頁/共154頁116 存儲轉(zhuǎn)發(fā)增加了時延。 在MAC 子層并沒有流量控制功能。 具有不同 MAC 子層的網(wǎng)段橋接在一起時時延更大。 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暴。 使用網(wǎng)橋帶來的缺點 第116頁/共154頁117用戶層IPMAC站 1用戶層IPMAC站 2物理層網(wǎng)橋 1網(wǎng)橋 2AB用戶數(shù)據(jù)IP-HMAC-HMAC-TD

58、L-HDL-T 物理層DLRMAC物理層物理層DLRMAC物理層物理層LANLAN兩個網(wǎng)橋之間還可使用一段點到點鏈路 網(wǎng)橋不改變它轉(zhuǎn)發(fā)的幀的源地址第117頁/共154頁118 網(wǎng)橋按存儲轉(zhuǎn)發(fā)方式工作，hub是逐比特轉(zhuǎn)發(fā)。 集線器在轉(zhuǎn)發(fā)幀時，不對傳輸媒體進行檢測。 網(wǎng)橋在轉(zhuǎn)發(fā)幀之前必須執(zhí)行 CSMA/CD 算法。 若在發(fā)送過程中出現(xiàn)碰撞，就必須停止發(fā)送和進行退避。若在發(fā)送過程中出現(xiàn)碰撞，就必須停止發(fā)送和進行退避。網(wǎng)橋和集線器（或轉(zhuǎn)發(fā)器）不同 第118頁/共154頁119 目前使用得最多的網(wǎng)橋是透明網(wǎng)橋(transparent bridge)。 “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

59、幾個網(wǎng)橋，因為網(wǎng)橋?qū)Ω髡緛碚f是看不見的。 透明網(wǎng)橋是一種即插即用設(shè)備，其標準是 IEEE 802.1D。 2. 透明網(wǎng)橋第119頁/共154頁120 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 A。 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“地址”欄下面已經(jīng)記下的源地址當作目的地址，而把記下的進入接口當作轉(zhuǎn)發(fā)接口。網(wǎng)橋應當按照以下自學習算法處理收到的幀和建立轉(zhuǎn)發(fā)表 第120頁/共154

60、頁121地址 接口轉(zhuǎn)發(fā)表的建立過程舉例B2B1ABCDEF1212地址 接口B 1B AA BA 1F CF 2A BA 1F CF 2第121頁/共154頁122過程分析 A向B發(fā)送幀 F向C發(fā)送幀 B向A發(fā)送幀第122頁/共154頁123Question? A向B發(fā)送的幀，B本來就可以直接收到，為什么還要讓網(wǎng)橋B1和B2盲目地轉(zhuǎn)發(fā)這個幀？第123頁/共154頁124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

61、，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。這樣就使得網(wǎng)橋中的轉(zhuǎn)發(fā)表能反映當前網(wǎng)絡(luò)的最新拓撲狀態(tài)。 網(wǎng)橋在轉(zhuǎn)發(fā)表中登記以下三個信息 第124頁/共154頁125網(wǎng)橋的自學習和轉(zhuǎn)發(fā)幀的步驟歸納 網(wǎng)橋收到一幀后先進行自學習。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）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)。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)。如有，則按轉(zhuǎn)發(fā)

62、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，則應丟若轉(zhuǎn)發(fā)表中給出的接口就是該幀進入網(wǎng)橋的接口，則應丟棄這個幀（因為這時不需要經(jīng)過網(wǎng)橋進行轉(zhuǎn)發(fā)）。棄這個幀（因為這時不需要經(jīng)過網(wǎng)橋進行轉(zhuǎn)發(fā)）。第125頁/共154頁126這是為了避免產(chǎn)生轉(zhuǎn)發(fā)的幀在網(wǎng)絡(luò)中不斷地兜圈子。 透明網(wǎng)橋使用了生成樹算法 局域網(wǎng) 2局域網(wǎng) 1網(wǎng)橋 2網(wǎng)橋 1 AF不停地不停地兜圈子兜圈子A 發(fā)出的幀F(xiàn)1網(wǎng)橋 1 轉(zhuǎn)發(fā)的幀F(xiàn)2網(wǎng)橋 2 轉(zhuǎn)發(fā)的幀網(wǎng)絡(luò)資源白白消耗了網(wǎng)絡(luò)資源白白消耗了第126頁/共154頁127互連在一起的網(wǎng)橋在進行彼此通信后，就能找出原來的網(wǎng)絡(luò)拓撲的一個子集。在這個子集里，整個連通的網(wǎng)絡(luò)中

63、不存在回路，即在任何兩個站之間只有一條路徑。 為了避免產(chǎn)生轉(zhuǎn)發(fā)的幀在網(wǎng)絡(luò)中不斷地兜圈子。為了得出能夠反映網(wǎng)絡(luò)拓撲發(fā)生變化時的生成樹，在生成樹上的根網(wǎng)橋每隔一段時間還要對生成樹的拓撲進行更新。 生成樹的得出第127頁/共154頁128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(source route)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

64、息。 3. 源路由網(wǎng)橋第128頁/共154頁1291990 年問世的交換式集線器(switching hub)，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（表明此交換機工作在數(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，可見交換機工作在數(shù)據(jù)鏈路層。4. 多接口網(wǎng)橋以太網(wǎng)交換機 第129頁/共154頁130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)。 以太網(wǎng)交換機由于使用了專用的交換結(jié)構(gòu)

65、芯片，其交換速率就較高。 以太網(wǎng)交換機的特點第130頁/共154頁131對于普通 10 Mb/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(10 Mb/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 10 Mb/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?cè)萘繛?N 10 Mb/s。這正是交換機的最大優(yōu)點。 獨占傳輸媒體的帶寬 第131頁/共154頁132用以太網(wǎng)交換機擴展局域網(wǎng) 一系三系二系10BASE-T至因特網(wǎng)100 Mb/s100 Mb/s100 Mb/s萬維網(wǎng)服務(wù)器電

66、子郵件 服務(wù)器以太網(wǎng)交換機路由器第132頁/共154頁133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。這些網(wǎng)段具有某些共同的需求。每一個每一個 VLAN 的幀都有一個明確的標識符，指明發(fā)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送這個幀的工作站是屬于哪一個 VLAN。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)。 利用以太網(wǎng)交換機可以很方便地實現(xiàn)虛擬局域網(wǎng) 第133頁/共154頁以太網(wǎng)交換機A4B1以太網(wǎng)交換機VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太網(wǎng)交換機以太網(wǎng)交換機三個虛擬局域網(wǎng)三個虛擬局域網(wǎng): VLAN1, VLAN2 和和 VLAN3第134頁/共154頁以太網(wǎng)交換機A4B1以太網(wǎng)交換機VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太網(wǎng)交換機以太網(wǎng)交換機三個虛擬局域網(wǎng)三個虛擬局域網(wǎng) VLAN1, VLAN2和和 VLAN3 的構(gòu)成的構(gòu)成 當當 B1 向向 VLAN2 工作組內(nèi)成員發(fā)送數(shù)據(jù)時，工作組內(nèi)成員發(fā)送數(shù)據(jù)時，工作站工作站 B2 和和