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1、计算机网络,第5章 链路层和局域网,2022年12月26日,2,目 录,链路层：概述和服务差错检测和纠错技术多路访问协议链路层编址以太网链路层和交换机PPP：点对点协议,2022年12月26日,3,5.1 链路层 : 概述和服务,术语节点：主机和路由器链路：沿着通信路径连接相邻节点的通信信道有线链路无线链路帧：数据链路层的分组单元链路层的主要功能负责将数据报通过链路从一个节点传输到相邻的节点,2022年12月26日,4,5.1 链路层 : 概述和服务,链路层的简单模型,局域网,广域网,主机 H1,主机 H2,路由器 R1,路由器 R2,路由器 R3,电话网,局域网,主机 H1 向 H2 发送数
2、据,链路层,应用层,运输层,网络层,物理层,链路层,应用层,运输层,网络层,物理层,链路层,网络层,物理层,链路层,网络层,物理层,链路层,网络层,物理层,R1,R2,R3,H1,H2,从层次上来看数据的流动,2022年12月26日,5,5.1 链路层 : 概述和服务,链路层的简单模型,局域网,广域网,主机 H1,主机 H2,路由器 R1,路由器 R2,路由器 R3,电话网,局域网,主机 H1 向 H2 发送数据,链路层,应用层,运输层,网络层,物理层,链路层,应用层,运输层,网络层,物理层,链路层,网络层,物理层,链路层,网络层,物理层,链路层,网络层,物理层,R1,R2,R3,H1,H2,
3、仅从数据链路层观察帧的流动,2022年12月26日,6,5.1 链路层 : 概述和服务,几点特别说明数据报在不同链路上可能由不同的链路层协议进行处理例如：第一段链路上由PPP处理，最后一段链路上由以太网处理，中间链路上由广域链路层协议处理不同的链路层协议可能提供不同的服务例如：可靠传递、不可靠传递,2022年12月26日,7,5.1 链路层 : 概述和服务,链路层提供的服务成帧 、链路介质访问将数据加上头部和尾部，封装成数据帧共享介质的信道访问帧头部用MAC地址标识源和目的（不同于IP地址）可靠交付很少用于误码率低的链路（光纤、双绞线链路）用于误码率高的链路（无线链路）流量控制在相邻的收发节点
4、间限制流量,2022年12月26日,8,5.1 链路层 : 概述和服务,链路层提供的服务（续）差错检测信号衰减和电磁干扰噪声导致出错接收方若检测到错误存在：给发送方发送信号要求重传或丢弃该数据帧差错纠正接收方检测和纠正帧中错误，不用重传半双工和全双工半双工时，链路两端的节点都能传输分组，但不能同时传输,2022/12/26,9,适配器通信,发送方,接收方,网络层数据报,适配器卡,适配器卡,链路层协议,链路层协议在适配器中实现(aka NIC)以太网卡, PCMCI卡, 802.11 卡发送方NIC:在一个帧内封装数据报增加差错检测位，可靠交付，流量检测等,接收方NIC查找错误,可靠交付, 流量
5、控制等取出数据报，交给网络层适配器是半自治单元实现了链路层和物理层的功能,2022年12月26日,10,5.2 差错检测和纠错技术,差错检测模型 EDC= Error Detection and Correction bits 差错检测和纠错比特 D = Data 差错检测位保护的数据，可包括首部,2022年12月26日,11,5.2 差错检测和纠错技术,单比特奇偶校验:检测单个比特错误,二维奇偶校验:d个比特数据被划分为i行j列，产生i+j+1个奇偶比特可检测和纠正单个比特错误,d个数据比特,附加的一个比特使得d + 1个比特中1的总数是偶数（偶校验）附加的一个比特使得d + 1个比特中1的
6、总数是奇数（奇校验）,2022年12月26日,12,5.2 差错检测和纠错技术,因特网检验和发送方将数据段的内容作为16比特的整数序列检验和：累加求和，计算和的反码发送方将得到的校验和值放入PDU校验和字段接收方计算收到的数据（包括检验和）的检验和检查计算出的结果是否为全1：NO 检测到错误YES 没有错误特别注意：仅用于TCP、UDP和IPv4协议中,2022年12月26日,13,5.2 差错检测和纠错技术,循环冗余校验码d比特的数据，D选择r1比特模式(生成多项式)，表示为G目标：选择r个CRC比特-R，以便恰好能被G整除（模2计算）接收方已知G，用G去除 ，若余数非0，则检测到错误能检测
7、到所有少于r+1比特的错误在实践中被广泛应用 （ATM，HDLC)等数据链路层协议，并用硬件实现,D:被发送的数据比特,R:CRC比特,2022年12月26日,14,5.2 差错检测和纠错技术,如果要:D*2r XOR R = nG两边都异或R，得到:D*2r = nG XOR R 即: D*2r 除以G,得到余数 R,2022年12月26日,15,5.3 多路访问协议,两种链路点到点链路PPP广播链路(共享线路或介质)传统以太网802.11无线局域网,2022年12月26日,16,5.3 多路访问协议,广播链路的特点单个共享广播信道两个或多个节点同时传输：相互干扰 碰撞：一个节点同时收到两个
8、或多个信号多路访问协议：解决共享信道的访问控制分布式算法决定节点如何共享信道，如节点何时可以传输数据特别注意：有关共享信道的通信（协商）需使用信道本身没有额外的信道来进行协调,2022年12月26日,17,5.3 多路访问协议,理想的多路访问协议需满足（假定：信道为速率为R b/s的广播信道）：当只有一个节点有数据发送时，该节点的吞吐量为R当M个节点有数据发送时，每个节点吞吐量为R/M分散没有特定节点用于调整传输没有时钟同步简单,2022年12月26日,18,5.3 多路访问协议,多路访问协议分类信道划分协议将信道划分成小的“片”（时隙、频率、CDMA编码）将“片”分配给节点使用随机访问协议信
9、道没有被分割，允许碰撞碰撞恢复轮流协议节点轮流传送，但数据量大的节点轮流更长时间,2022年12月26日,19,5.3 多路访问协议,信道划分协议TDMA(Time Division Multiple Access)循环访问信道每个节点在每次循环中得到固定长度的时隙（时隙长度传输单个帧时间）没有数据发送的时隙空闲例如：6-节点 LAN, 时隙1,3,4 有数据发送, 2,5,6 的时隙空闲,2022年12月26日,20,5.3 多路访问协议,信道划分协议FDMA(Frequence Division Multiple Access)信道按频谱分成若干频段每个节点分配固定频段在频段不用时该部分信
10、道被闲置和浪费,frequency bands,5.3 多路访问协议,码分多址访问（CDMA）CDMA(Code Division Mutiple Access):就是每个用户可以在同样的时间内用相同的频带进行通信。由于各用户使用经过特殊挑选的不同编码，因此不会造成干扰。这种通信信号具有很高的抗干扰能力。发送方发送的每个比特都通过乘以信号（编码片序列）比特进行编码每个用户被指派一个惟一的m bit码片序列。所有用户共享相同的频道, 但每个用户用自己的“码片”序列对数据编码当站点发送比特“1”时，就发送指定给该站点的mbit码片序列；发送比特“0”时，发送此mbit码片序列的二进制反码习惯上，将
11、码片序列中的“0”写成“-1”，“1”写成“+1”允许多个用户共存和发送信号,且相互的干扰极小,2022年12月26日,21,5.3 多路访问协议,CDMA码片序列的特点：每一个站的码片序列各不相同，互相正交。即任何两个站点（如S和T站点）的码片向量的规格化内积为0。任何码片向量和自己的规格化内积为1。任何码片向量和其反码的规格化内积为1。,2022年12月26日,22,5.3 多路访问协议,数据码元比特,t,t,t,t,t,t,t,S站的码片序列S,S站发送的信号Sx,T站发送的信号Tx,总的发送的信号SxTx,规格化内积S Sx,规格化内积S Tx,发送端,接收端,1,1,0,S站的码片序
12、列是（-1-1-1+1+1-1+1+1），发送的数据是110T站的码片序列是（-1-1+1-1+1+1+1-1），发送的数据是110,设有S站和T站均以相同频率发送数据，且接收站希望收到S站的数据，如下图所示。,2022年12月26日,23,2022年12月26日,24,5.3 多路访问协议,随机访问协议当节点有数据发送时以信道全部速率R传输没有主节点起协调作用两个或多个节点传送时碰撞随机访问协议解决如何检测碰撞如何从碰撞中恢复（如：延时后重传）随机访问协议举例：ALOHA、时隙ALOHACSMA, CSMA/CD, CSMA/CA,2022年12月26日,25,5.3 多路访问协议,ALOH
13、AALOHA的由来ALOHA 乃Additive Link On-Line HAwaii system简写，ALOHA恰好还是夏威夷方言的“你好”。ALOHA网是计算机网络早期发展中一个著名的网络，也是第一个无线计算机网络，现仍在运行之中。ALOHA网的特征因群岛位置的散布，网络拓扑采用了星型结构；为节省费用和易于组网，网络中各站点的通信采用了无线传输介质。由于采用无线电信道，考虑到无法申请更多的频率点，因而所有站点都使用统一的频率通过主机交换信息。,2022年12月26日,26,5.3 多路访问协议,纯ALOHA,一个节点收到网络层的数据立即发送。如果传输的帧发生了碰撞，该节点在全部传输完碰
14、撞帧后以概率p重传该帧，否则等待一帧的传输时间。等待时间结束后再以概率p重传该帧，或以概率1-p等待另一帧的传输时间。,2022年12月26日,27,5.3 多路访问协议,纯ALOHA的工作效率在任何给定的时间，一个节点传输一帧的概率是p，假设该帧在t0时刻发送，假设时间单位是一帧的发送时间。 P(给定节点成功概率) = P(给定节点传送) * P(在 t0-1,t0没有其它节点传送 ) * P(在 t0,t0+1没有其它节点传送) = p . (1-p)N-1 . (1-p)N-1 = p . (1-p)2(N-1) 任意一个节点传输成功的概率：N p . (1-p)2(N-1) 选择最合适
15、p*，使任意一个节点传输成功的概率最大。当N趋于无穷时，求Np*.(1-p*)2(N-1) 的极限= 1/(2e) = 0.184,2022年12月26日,28,5.3 多路访问协议,时隙ALOHA,1：所有帧正好由L比特组成2：带宽为R，一帧传输时间 = L/R3: 以L/R为单位划分时隙4：节点只在每个时隙的开始传输帧5: 节点时钟同步，因此每个节点知道时隙什么时候开始6：如果一个节点发送的帧产生碰撞，该节点以概率p在后续的每个时隙重发该帧，直到该帧无碰撞地传输成功。,2022年12月26日,29,5.3 多路访问协议,时隙ALOHA的工作效率 P(给定节点成功概率) = P(给定节点传送
16、) . P(没有其它节点传送 ) = p . (1-p)N-1 任意一个节点传输成功的概率为Np.(1-p)N-1 选择最合适p*，使任意一个节点传输成功的概率最大。当N趋于 无穷时，求p*.(1-p*)N-1 的极限= 1/(e) = 0.386。是纯ALOHA的2 倍，因为同步机制，使得发生碰撞的可能性比纯ALOHA小。,2022年12月26日,30,5.3 多路访问协议,CSMA(Carrier Sense Multiple Access)传输前监听如果信道空闲，传送整个帧如果信道忙，推迟传送为人处事的原则之一： 不要打断别人的发言,2022年12月26日,31,5.3 多路访问协议,C
17、SMA分类非坚持(nonpersistent)CSMA 一旦监听到信道忙（即发现有其他站在发送数据），就不再坚持听下去，而是根据协议的算法延迟一个随机的时间后重新再监听。若进行载波监听时发现信道空闲，则将准备好的帧发送出去。时隙非坚持CSMA 采用划分时隙的随机接入CSMA协议，协议规定只能在每个时隙开始时才能发送帧。,2022年12月26日,32,5.3 多路访问协议,CSMA分类（续）1坚持CSMA 当一个站点要传送数据时，首先侦听信道，看是否有其他站点正在传送。如果信道正忙，它就持续等待直到它侦听到信道空闲时，便将数据送出。若发生冲突，站点就等待一个随机长的时间，然后重新开始。P坚持CS
18、MA 当一个站点要传送数据时，首先侦听信道，看是否有其他站点正在传送。如果信道正忙，它就持续等待直到它侦听到信道空闲时，以概率P发送数据，而以概率（1P）延迟一段时间(网络中最远的端到端的传播时延)，重新监听信道。若发生冲突，站点就等待一个随机长的时间，然后重新开始。,2022年12月26日,33,5.3 多路访问协议,CSMA比较非坚持：不能充分利用信道刚刚转入空闲期的这段时间。1坚持：容易在上述这段时间产生冲突。P坚持：可以在一定程度上克服这些缺点，但却很难选择一个能用于各种通信量强度的P值。所以在实际网络中常选择1坚持。,CSMA为什么会产生碰撞,冲突仍然可能发生:信道传播时延使得两个节
19、点可能没有侦听到对方的传输,碰撞:整个包传输时间被浪费,注意:距离和传播时延在检测碰撞时起决定性作用,空间,时间,2022年12月26日,35,5.3 多路访问协议,CSMA/CD：载波侦听/碰撞检测边传输边检测碰撞发现碰撞后停止传输，减少信道浪费碰撞检测在有线局域网中比较容易:测量信号强度，比较收、发的信号在无线局域网中比较困难: 传输时接收器是关闭的人类社会谈话的礼貌,CSMA/CD碰撞检测,空间,时间,检测到碰撞/放弃的时间,在此处2路信号发生碰撞而加强,2022年12月26日,37,1 km,A,B,t,t = 0,单程端到端传播时延记为,2022年12月26日,38,1 km,A,B
20、,t,t = B 检测到信道空闲发送数据,t = / 2发生碰撞,A,B,A,B,t = 0 A 检测到信道空闲发送数据,A,B,t = 0,A,B,单程端到端传播时延记为,2022年12月26日,39,5.3 多路访问协议,强化碰撞当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时，除了立即停止发送数据外，还要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。,2022年12月26日,40,A,B,t,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。,2022年12月26日,41,5.3
21、 多路访问协议,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。,2022年12月26日,42,5.3 多路访问协议,轮流协议问题的背景信道划分协议在重负荷时，共享信道有效、公平在轻负荷时效率低：信道访问延时，即使只有一个活动节点，也只能分配到1/N的带宽随机访问协议轻负荷时效率高：只有一个节点时，能充分利用信道在重负荷下: 碰撞的开销轮流协议在两个方面寻求最佳的解决方案!,2022年12月26日,43,5.
22、3 多路访问协议,轮询协议主节点邀请从节点轮流传输关注: 轮询开销、等待时间、单点失效(主节点)令牌传递协议控制令牌依次通过各个结点令牌报文关注：令牌的开销、等待时间、单点失效(token),2022年12月26日,44,5.3 多路访问协议,对于共享介质能做什么?信道划分，基于时间、频率、编码时分，频分，CDMA随机划分 (动态), ALOHA, S-ALOHA, CSMA, CSMA/CD载波侦听:有线“易行”、无线“困难”CSMA/CD 用于以太网CSMA/CA 用于 802.11轮流主节点轮询，令牌传递,2022年12月26日,45,5.4 链路层编址,MAC地址作用在数据链路层标识每
23、块网络适配器，使得能够在广播信道上寻址目标节点（在数据链路层寻址）组成48bit前24bit由IEEE分配管理OUI（组织唯一标识符）号后24bit由厂商自行分配特别注意：MAC地址写入网络适配器的ROM中，不可 更改,2022年12月26日,46,5.4 链路层编址,与IP地址的比较MAC地址是平面地址，类似于身份证号 IP地址是层次地址，类似于邮政通信地址MAC地址在不同的网络间迁移时，不会改变 IP地址在不同的网络间迁移时，需要改变以适应新的网络配置,2022年12月26日,47,5.4 链路层编址,地址解析协议（ARP）目标根据目标的IP地址获取其MAC地址ARP高速缓存局域网节点的I
24、P/MAC地址映射 TTL (Time To Live):超过TTL的地址映射会被删除 (一般为20分钟),2022/12/26,48,局域网地址和ARP,局域网中每个适配器有唯一的局域网地址,广播地址 =FF-FF-FF-FF-FF-FF,= 适配器,2022/12/26,49,ARP:地址解析协议（为什么需要这个协议）,假设主机A要发送数据给主机B主机A知道主机B的IP地址主机A的IP分组向下传递到数据链路层，被封装在帧里但是帧的首部需要填主机B的MAC地址怎么得到主机B的MAC地址？ARP解析已知主机IP，求主机MAC,1A-2F-BB-76-09-AD,58-23-D7-FA-20-B
25、0,0C-C4-11-6F-E3-98,LAN,237.196.7.23,237.196.7.78,237.196.7.14,237.196.7.88,2022年12月26日,50,5.4 链路层编址,ARP协议：工作在同一个子网 ARP请求和应答被封装在帧里,广播,IP Z IP YMAC Z? MAC Y,ARP请求：通过广播帧发送,IP Y MAC Y,IP Z MAC Z,ARP应答：回复帧（单播）,主机Y,主机Z,2022年12月26日,51,5.4 链路层编址,ARP协议：同一子网内工作流程建立ARP请求包广播发送该ARP请求包,2022年12月26日,52,5.4 链路层编址,目
26、的197.15.22.126接收到该ARP请求包，建立包含自己MAC地址的ARP应答包（请注意，应答包和请求包的源、目标是不一致的）直接向源197.15.22.33发送该ARP应答包（不是广播）197.15.22.33更新ARP高速缓存,2022年12月26日,53,A,Y,X,B,Z,主机 B 向 A 发送ARP 响应分组,主机 A 广播发送ARP 请求分组,ARP 请求,ARP 请求,ARP 请求,209.0.0.5,209.0.0.6,00-00-C0-15-AD-18,08-00-2B-00-EE-0A,我是 209.0.0.5，硬件地址是 00-00-C0-15-AD-18我想知道主
27、机 209.0.0.6 的硬件地址,我是 209.0.0.6硬件地址是 08-00-2B-00-EE-0A,A,Y,X,B,Z,209.0.0.5,209.0.0.6,00-00-C0-15-AD-18,2022/12/26,54,路由到其它 LAN,穿越: 从 A 发送数据报到B，途经R 假定 A知道 B的 IP地址在路由器R中有两个ARP表, 分别针对两个IP网络(LAN)从源到目的，穿越几个子网，就发生几次ARP解析In routing table at source Host, find router 111.111.111.110In ARP table at source, fin
28、d MAC address E6-E9-00-17-BB-4B, etc,A,R,B,2022/12/26,55,A创建IP数据报，源地址为A,目的地址为 B A 用ARP获得 R中 111.111.111.110 对应的MAC地址(E6-E9-00-17-BB-4B)A创建链路层帧(封装A到B的IP数据报)，目的地址为R的MAC地址(E6-E9-00-17-BB-4B)A的适配器发送以太网帧R的适配器接收该以太网帧R从以太帧获取IP数据报，得知它的目的是到B(需要穿过子网2)R用ARP获得B的MAC地址R创建帧(封装A到B的IP数据报)，发送给B,A,R,B,2022年12月26日,56,5
29、.4 链路层编址,互联网环境下的ARP,网络1,网络3,R1,网络2,R2,主机Y,主机Z,R1(接口1),R1(接口2),R2(接口1),R2(接口2),ARP解析,ARP解析,ARP解析,2022年12月26日,57,5.5 以太网,以太网概述20世纪70年代由Bob Matcalfe和David Boggs发明最先被广泛应用的局域网技术便宜速度：10Mbps100Mbps 1Gbps 10Gbps,2022年12月26日,58,5.5 以太网,以太网类型总线式拓扑,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
30、 接受B 发送的数据,2022年12月26日,59,5.5 以太网,星形拓扑,集线器或交换机,2022年12月26日,60,5.5 以太网,以太网的帧结构数据字段:（46字节-1500字节）最短帧长：为了检测最晚到达的冲突最短帧长=争用期*带宽（51.2 s *10Mbps=512bit=64字节）前同步码: 总共8字节，前7 字节的格式为 10101010 ，最后一个字节格式为10101011 用于同步发送方与接收方时钟结束：检查有无电流,2022年12月26日,61,5.5 以太网,地址: 6 字节若适配器收到以太网帧，目的地址为自己的MAC地址或广播地址（如ARP包），就将帧中的数据传给
31、网络层。否则，适配器丢弃该帧类型: 2字节。上层协议类型 (大多为IP协议，也支持其它协议如Novell IPX 和AppleTalk)CRC: 4字节由接收方检查,若检测到错误，就将该帧丢弃,10M以太网最小帧长=64，首部+尾部+类型=18字节因此数据字段最少46字节,2022年12月26日,62,5.5 以太网,以太网提供的服务无连接服务: 在送适配器和接收适配器之间不需要握手不可靠服务: 接收适配器不发送确认帧或否认帧给发送方交给网络层的数据报可能存在间隙（存在丢失情况）若应用使用TCP，间隙会被填充否则，应用就会看见间隙,2022年12月26日,63,5.5 以太网,以太网使用的CS
32、MA/CD特点没有时隙当适配器侦听到其它适配器在传输，则它不传输帧, 即载波侦听正在传输的适配器若检测到其它适配器也在传输，则它中止自己的传输, 即碰撞检测在重新传输之前，适配器要等待一段随机时间，即随机访问,2022年12月26日,64,5.5 以太网,算法适配器收到来自网络层的数据报，创建帧若适配器检测到信道空闲（在96bit时间内没有信号能量进入信道），则开始传输帧；若检测到信道忙，就开始等待，直到信道空闲再开始传输该帧若适配器传输了整个帧而没有检测到其它适配器的传输，则该适配器完成该帧的传输若适配器在传输时检测到其它适配器也在传输，则停止传输，发送一个48bit的拥塞信号中止传输后，适
33、配器进入指数回退阶段，在经历第n次碰撞后，适配器随机从0,1,2,2m-1中选择K值，其中m=minn,10。适配器在等待 K512比特时间后，返回第2步,2022年12月26日,65,5.5 以太网,几个定义拥塞信号: 用来确保所有传输者都能检测到碰撞而传输的信号；48比特长比特时间: 传输1比特所需时间。在10Mbps的以太网中，当K=1023时，等待时间大约为50ms,2022年12月26日,66,5.5 以太网,指数回退算法 目的: 适配器重传时试图估计正确的负载重载: 随机等待的时间可能会更长第一次碰撞: 从 0,1中选择K; 延迟是 K 512 比特传输时间第二次碰撞后: 从 0,
34、1,2, 3中选择K第十次碰撞后: 从 0,1,2,3,4,1023中选择K,2022年12月26日,67,5.5 以太网,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。,2022年12月26日,68,5.5 以太网,争用期长度以太网取 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 字节没有发生碰撞，则后续的数据就不会发生
35、碰撞。最短有效帧长如果发生碰撞，就一定是在发送的前 64 字节之内。 由于一检测到碰撞就立即中止发送，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。,以太网效率,tprop = 局域网中两个节点之间的最大传播时延ttrans = 传输最大长度帧所需时间效率接近1 如果 tprop 接近于0如果 ttrans 无穷大比ALOHA的性能好，且简单、便宜、分散,5.5 以太网,2022年12月26日,69,2022年12月26日,70,5.5 以太网,传统以太网的物理层,2022年12月26日,71,5
36、.5 以太网,10BaseT and 100BaseT10、100代表速率T 代表双绞线（Twisted Pair）节点连接到集线器: “星形拓扑”; 在节点和集线器之间的最大距离为100 米,2022年12月26日,72,5.5 以太网,10Base5,粗同轴电缆，可靠性好，抗干扰能力强 收发器 : 发送/接收, 冲突检测, 电气隔离AUI : 连接件单元接口总线型拓扑用于网络骨干连接,最大段长度 500米每段最多站点数 100,两站点间最小距离 2.5米,粗缆,Vampire tap,BNC端子,收发器,AUI 电缆,NIC,网络最大跨度 2.8公里 (500*3+1000+6*50),2
37、022年12月26日,73,5.5 以太网,10Base2,细同轴电缆，可靠性稍差 BNC T型接头连接 总线型拓扑用于办公室局域网,细缆,BNC 接头,NIC,每段最大长度 185m每段最多站点数 30,两站点间最短距离 0.5 m,网络最多5个段,2022年12月26日,74,5.5 以太网,信号编码:曼彻斯特编码与差分曼彻斯特编码以太网使用基带传输，在10BaseT中可使用曼彻斯特编码每个比特会有一次跳变可用于收发双方节点的时钟同步不需要在节点间设置一个集中、全局的时钟这是一个物理层的操作,2022年12月26日,75,5.5 以太网,曼彻斯特编码,NRZ（不归零码）,曼彻斯特,0：,1
38、：,2022年12月26日,76,5.5 以太网,快速以太网速率达到100Mbps吉比特以太网使用标准以太网帧格式允许点对点链路和共享的广播信道共享信道时, 使用CSMA/CD; 为了得到可接受的效率，节点之间的距离要短对于点到点链路(不会碰撞，不需要CSMA/CD)，可以以1Gbps的速率全双工工作现在速率已经达到10 Gbps !,很多的 不同以太网标准不同的MAC协议和相同的帧格式不同速度： 2 Mbps, 10 Mbps, 100 Mbps, 1Gbps, 10G bps不同的物理层媒体：光纤、铜缆,MAC协议和帧格式,100BASE-TX,100BASE-T4,100BASE-FX,
39、100BASE-T2,100BASE-SX,100BASE-BX,5.5 以太网,2022年12月26日,77,2022年12月26日,78,5.6 链路层交换机,集线器集线器本质上是物理层的中继器:从一个接口收到的比特流会传给其它所有接口同样速率没有帧缓存集线器没有 CSMA/CD : 由适配器检测碰撞提供网络管理功能,2022年12月26日,79,5.6 链路层交换机,集线器（或转发器）互联主干集线器将LAN网段互联起来扩展了节点间的最大距离原先独立的网段碰撞域变成了一个大的碰撞域不能将10BaseT 和 100BaseT以太网互联,10BaseT集线器,10BaseT集线器,10Base
40、T集线器,主干集线器,2022/12/26,80,交换机,链路层设备存储和转发以太网帧检查帧头部，根据目的MAC地址转发帧当帧转发到LAN网段, 用CSMA/CD 访问 LAN网段透明主机不知道交换机的存在即插即用, 自学习交换机不需配置,2022/12/26,81,交换机转发,转发帧时，如何决定转发到那个LAN网段? 看起来象一个路由问题.,集线器,集线器,集线器,交换机,1,2,3,2022/12/26,82,自学习,交换机有一个交换表 交换表项: (MAC地址,接口, 时间戳)老的表项被删除 (TTL 可能为 60分钟) 交换机能学习到哪个主机从哪个接口到达当收到帧的时候，交换机学习发送
41、者的位置：进入的端口号在交换表中记录发送者/位置对,2022/12/26,83,交换机举例,假定C发送帧到D,交换机收到来自C的帧在表中增加一项纪录：C 1因为D不在表中，交换机将帧转发到接口2和3帧被 D收到,集线器,集线器,集线器,交换机,A,B,C,D,E,F,G,H,I,地址,接口,ABEGC,11231,1,2,3,2022/12/26,84,交换机举例,假定D返回数据给C.,交换机收到来自D的帧在表中增加一项纪录：D 2因为C在表中，交换机只将帧转发给接口1C收到该帧,集线器,集线器,集线器,交换机,A,B,C,D,E,F,G,H,I,地址,接口,ABEGCD,112312,202
42、2/12/26,85,交换机: 流量隔离,交换机将子网分成了LAN网段交换机包过滤: 同一LAN网段的帧通常不会转发到其它LAN网段网段保持独立的碰撞域,集线器,集线器,集线器,交换机,碰撞域,碰撞域,碰撞域,2022/12/26,86,交换机: 专用接入（点对点）,交换机有很多接口主机直接连到交换机没有碰撞; 全双工交换: A-to-A 和 B-to-B 同时传输，没有碰撞,交换机,A,A,B,B,C,C,2022/12/26,87,交换机: 专用接入（点对点）,由于每条链路变成了点对点链路，因此载波监听和碰撞检测不再需要同时每个主机和交换机端口间的连接使用两对双绞线，因此每个主机可以工作在
43、全双工模式下。但帧的格式不变，因此仍然叫以太网,交换机,A,A,B,B,C,C,2022/12/26,88,学院网络的组建案例,集线器,集线器,集线器,交换机,到外部网络,路由器,IP 网络,邮件服务器,web 服务器,2022年12月26日,89,5.6 链路层交换机,以太网交换机 vs 路由器两者都是存储转发设备路由器：网络层设备 (检查网络层头部，根据IP转发)交换机是链路层设备（检查帧首部，根据MAC地址转发）路由器维护路由表，实现路由算法交换机维护交换表，实现MAC地址过滤、学习算法,2022年12月26日,90,5.6 链路层交换机,集线器 vs 以太网交换机 vs 路由器,集线器
44、,路由器,交换机,流量隔离,无,有,有,即插即用,有,无,有,优化选路,无,有,无,直通交换,有,无,有,2022年12月26日,91,5.7 PPP : 点对点协议,点到点数据链路控制一个发送方，一个接收方，一条链路，比广播链路更容易实现没有媒体访问控制不需要 MAC地址如：拨号链路，ISDN电路流行的点到点协议PPP (point-to-point protocol)HDLC: High level data link control (数据链路被认为是协议栈中的高层）,2022年12月26日,92,5.7 PPP : 点对点协议,PPP设计要求RFC 1547分组成帧: 网络层的数据报封
45、装成帧的数据多种网络层协议:可携带任意网络层协议（不仅仅IP）的网络层数据，有向上分用的能力比特透明: 携带的数据可以是任何比特模式的多种类型链路:串行/并行；同步/异步；高速/低速差错检测: (不纠错)连接的活性: 检测链路层故障，并向网络层通知该差错网络层地址协商: 提供机制使得网络层能获知/配置相互通信的网络层地址简单性,2022年12月26日,93,5.7 PPP : 点对点协议,PPP不要求实现差错纠正流量控制有序 多点链路 (如：轮询),错误恢复，流量控制，数据排序交给上层处理,2022/12/26,94,PPP协议栈,其中：网络层数据包、NCP协议帧、LCP协议帧都封装在PPP数
46、据帧中,2022年12月26日,95,5.7 PPP : 点对点协议,PPP数据帧格式标志: 分隔符 (标志帧的开始和结束)地址: 没有用 (只是一个选项)控制: 没有用; 今后可能使用控制域协议: 帧中封装的数据所属的上层协议 (如PPP-LCP, IP:21, IPCP等) 信息: 携带的上层数据校验和: 用于差错检测的循环冗余校验和,2022/12/26,96,字节填充,“数据透明” 要求: 数据域可以使用标志字段的值Q: 收到的是数据还是标志?发送方: 数据中的每个前增加填充字节（称为转义字节）接收方: 看到 之前有字节: 丢弃第一个字节,继续后续的数据接收单:帧的起始标志,2022/
47、12/26,97,字节填充,flag bytepatternin datato send,传输数据中的标志序列进行字节填充,2022/12/26,98,PPP 链路控制协议（LCP）,在交换网络层数据之前, 数据链对等双方必须配置 PPP 链路 (最大帧长度，认证)：通过LCP协议学习/配置网络层信息 对 IP: 携带IP控制协议 (IPCP)消息 (协议域: 8021) 配置/学习IP地址,2022/12/26,99,PPP 链路协议状态（1）,PPP总是以死亡状态开始当发生了载波检测，PPP进入链路创建状态，在该状态下，双方通过LCP配置请求帧、 LCP配置确认帧（或LCP配置否认帧、 L
48、CP配置拒绝帧）来协商最大帧长度，认证规范等选项。LCP帧为协议字段设为LCP，PPP信息字段包含具体配置请求的PPP帧。,2022/12/26,100,PPP 链路协议状态（2）,一旦链路建立起来，就执行认证（如果有）接着进行网络层配置。如果IP运行在PPP上，IPCP协议配置PPP链路两端的IP协议模块。IPCP帧在PPP帧（协议字段8021）携带。IPCP允许PPP两端的IP模块交换或配置IP地址。一旦网络层配置完成，PPP就可以发送网络层数据。链路处在打开状态。一旦一方发送一个LCP帧来请求终止，则链路进入终止状态。如果对方用LCP帧来确认终止，则链路进入死亡状态。,作业题,习 题:5、11、16、19,
