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1、第 3 章 数据链路层,第二讲 使用广播信道的数据链路层-局域网局域网数据链路层概述传统以太网CSMA/CD 协议使用集线器的星形拓扑以太网信道的利用率,1.局域网数据链路层概述,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，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件和软件资源。便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活调整和改变。提高了系统的可靠性、可用性和残存性。,局域网的拓扑,干线耦合器,环形网,媒体（信道）的共享技术,静态划分信道频分复用时分复用波分复用码分复用 动态媒体接入控制（
2、多点接入）随机接入受控接入，如多点线路探询(polling)，或轮询。,网络适配器/网卡,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/并行转换。对数据进行缓存。实现数据链路层协议。,计算机通过适配器和局域网进行通信,以太网是美国施乐（Xerox）公司1975年研制成功的世界上第一个局域网。1980年9月，DEC、Intel、Xerox联合提出10Mb/s以太网规约的第一个版本DIX Ethernet V1，1982年修改为第二版DIX Ethernet V2。IEEE的802委员会于1
3、983年制定了第一个IEEE的以太网标准，其编号为802.3,2.传统以太网,以太网的两个标准DIX Ethernet V2 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。,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
4、配器上就仅装有 MAC 协议而没有 LLC 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。,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,总线结构的以太网,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
5、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。,以太网发送的数据都使用曼彻斯特(Manchester)编码,曼彻斯特编码,载
6、波监听多点接入/碰撞检测 CSMA/CD“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。“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。,3.CSMA/CD 协议,“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
7、撞检测”也称为“冲突检测”。,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。,由于电磁波在总线上的传播速率有限，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。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。,重要特性,使用 CSMA/CD 协议的以
8、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 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。,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
9、本退避时间，一般是取为争用期 2。定义参数 k，k 10，即 k=Min重传次数,10从整数集合0,1,(2k 1)中随机地取出一个数，记为 r。重传所需的时延就是 r2=2r。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 51.2 s 为争用期的长度。注：由于还要考虑其它因素，以太网的最大端到端延迟实际上小于25.6 s。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
10、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；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。,4.使用集线器的星形拓扑以太网,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),使用集线器的双绞线以太网,星形网 10B
11、ASE-T,10表示数据率为10Mb/s，BASE表示电缆上的信号为基带信号，采用曼彻斯特编码，T代表双绞线。特点：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。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。,集线器的特点,集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线的
12、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,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)。,5.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。,从上图可以看
13、出，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：,a0 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。,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
14、道利用率的最大值 Smax,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。,练习题,局域网最基本的网络拓扑类型主要有()A总线型 B总线型、环型、星型C总线型、环型D总线型、星型、网状型,练习题,每块网卡都有它自己的时钟，两个网卡在互相通信时为了知道什么时候一位结束、下一位开始，其严格具有同样频率的原因是()A定时令牌机制 B奇检验机制C量化机制D使用曼彻斯特编码,练习题,计算机网络拓扑是通过网中结点与通信线路之间的几何关系表示()A网络结构 B网络层次C网络协议 D网络模型,练习题,根据CSM
15、A/CD协议的工作原理，下列情形中，需要增加最短帧长度的是_。A、网络传输速率不变，冲突域的最大距离变短B、网络传输速率提高，冲突域的最大距离不变C、上层协议适合用TCP的概率增加D、冲突域不变的情况下，减少线路中的中继器数量,练习题,以太网中，在第5次碰撞后，一个节点选择等待4个争用期后在进行第6次侦听的概率为（）。A.1/8B.1/16C.1/32D.1/64,二进制指数回退算法：用来确定第i次冲突后等待多长时间（Ti）再进行第i+1次侦听：Ti=r*冲突时间片 其中：r=random（0 2i-1），冲突时间片=争用期=2，当 i 16 一般认为硬件发生故障，不再重试,*练习题,在一个采
16、用CSMA/CD协议的网络中，传输介质为一根完整的电缆，传输速率为1Gbit/s，电缆中信号的传播速度是200 000 km/s。若最小数据帧长度减少800bit，则最远的两个站点之间的距离至少需要_。A、增加160m B、减少160mC、增加80m D、减少80m,800bit在1Gbit/s的线路上传输需要 800bit/1Gbit/s=800*10-9s信号传输距离为 800*10-9s*200*106km=160m，即信号往返80m，故选D,*练习题,以太网交换机进行转发决策时使用的PDU地址是（）。A.目的物理地址B.目的IP地址C.源物理地址D.源IP地址,练习题,在同一局域网上的两个设备若具有相同的静态MAC地址，其结果是（）。A.首次引导的设备使用该地址，第二个设备不能通信B.最后引导的设备使用该地址，第一个设备不能通信C.两个设备都可以正确通信D.两个设备都不能正确通信,作业,P105 3-15，3-18，3-20，3-22，3-25,
