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1、计算机网络,2014年9月国防科技学院,第5章 链路层和局域网,计算机网络,我们的目标:理解支撑数据链路层服务的原则:差错检测,纠正共享广播信道:多路访问链路层编址可靠数据传输,流量控制:前面已分析过各种链路层技术实例与实现,第5章 链路层和局域网,5.1 概述与服务5.2 差错检测和纠错 5.3 多路访问协议5.4 链路层编址5.5 以太网5.6 链路层交换机5.7 PPP5.8 链路虚拟化,某些术语:主机和路由器是节点连接沿通信路径的相邻节点的路径是链路有线链路无线链路局域网第二层的分组叫帧,封装数据报,数据链路层具有经一条链路从一个节点传输数据到相邻节点的能力,链路层:概述,使用不同的链
2、路协议经不同的链路传输数据报:如第一段链路是以太网，中间链路是帧中继，最后链路是 802.11每个链路协议 提供不同的服务可能或不能经链路提供可靠数据传输,运输类比从普林斯顿到洛桑的旅行豪华轿车:普林斯顿到JFK飞机:JFK到日内瓦 火车:日内瓦到洛桑 旅行者=datagram运输各段=通信链路运输模式=链路层协议 旅行代理人=选路算法,链路层:相关内容,成帧,链路访问:将数据报封装进帧，加上首部和尾部如果共享媒体，信道访问位于帧首部的“MAC”地址标识源、目的地不同于IP地址!相连节点间的可靠交付在比特差错低的链路很少使用(光纤，某些双绞线)无线链路:高差错率问题:为什么同时使用链路级和端到
3、端可靠性?,链路层服务,流量控制:相邻发送和接收节点间的步调一致差错检测:差错由信号衰减、噪声所致接收方检测差错的存在信号发送方负责重传或丢弃帧纠错:接收方识别和纠正比特差错，而不采取重传半双工 and 全双工使用半双工,链路的两端节点能够传输，但不能同时,链路层服务(续),在“适配器”(又称为NIC)中实现链路层以太网卡，PCMCIA卡,802.11卡发送侧:将数据报封装在帧中增加差错检测比特，可靠数据传输，流量控制,等,接收侧查找差错，可靠数据传输，流量控制,等提取数据报，传递到接收节点适配器是半自治的链路和物理层,发送节点,接收节点,数据报,适配器,适配器,链路层协议,网络适配器实现链路
4、层通信,5.1 概述与服务5.2 差错检测和纠错 5.3多路访问协议5.4 链路层编址5.5 以太网5.6 链路层交换机5.7 PPP5.8 链路虚拟化,EDC=冗余数据D=信息数据 差错检测不是100%可靠 较大的EDC字段产生更好的检测和纠正,差错检测基本原理,发送方：信息数据+冗余数据接收方：检查信息数据和冗余数据的关系，发现差错,单比特奇偶校验:检测单个比特差错,二维比特奇偶校验:检测和纠正单个比特差错,0,0,奇偶比特,奇偶差错,奇偶差错,可纠正的单比特差错,无差错,奇偶校验,专门设置一个奇偶校验位，用它使这组代码中“1”的个数为奇数或偶数。,发送方:将段内容作为16比特整数序列来处
5、理检查和:段内容相加(补码和)发送方将检查和的值放入 UDP 检查和字段,接收方:计算接收到段的检查和检查是否计算的检查和等于 检查和字段的值:NO 检测到差错YES 没有检测到差错.尽管如此，还可能有错。详情见后.,互联网检查和,计算步骤:求和，回卷，求反,循环冗余校验码CRC是计算机网络和数据通信中使用最为广泛的检错码之一。检错能力强（硬件）实现简单广泛用于实践中(ATM,HDLC),循环冗余码校验,比特模式,数学公式,被发送的数据比特,CRC原理,将待发送的位串D看成系数为 0 或 1 的多项式,收发双方约定一个生成多项式 G(x)发送方用位串D及 G(x)进行某种运算得到校验和R，并在
6、帧的末尾加上校验和，使带校验和的帧的多项式(D+R)能被 G(x)整除接收方收到后，用 G(x)除多项式，若有余数则传输有错。,CRC-16：x16+x15+x2+1,CRC-8:x8+x2+x+1,例：D=101110000D(x)=1x8+0 x7+1x6+1x5+1x4+0 x3+0 x2+0 x+0 x0=x8+x6+x5+x4,希望:D.2r XOR R=nG等价为:D.2r=nG XOR R 等价为:如果我们用G除以D.2r,余数为 R,R=余数,D.2rG,CRC例子,多项式除法：模2除法（具体使用模2减法，即模2加法）,5.1 概述与服务5.2 差错检测和纠错 5.3多路访问协
7、议5.4 链路层编址5.5 以太网5.6 链路层交换机5.7 PPP5.8 链路虚拟化,两类“链路”:点对点用于拨号接入的PPP在以太网交换机和主机之间的点对点链路广播(共享线路或媒体)传统的以太网向上游的HFC802.11无线LAN,多路访问链路和协议,单一共享广播信道节点的两个或更多的并行传输：干扰碰撞 如果节点同时接收到两个或更多信号多路访问协议决定节点怎样共享信道的分布式算法，如决定何时节点能够传输有关信道共享的通信必须使用信道本身!不用带外信道来协调,多路访问协议,速率R bps的广播信道1.当一个节点要传输，它能够以速率R发送2.当M节点要传输，每个能以平均速率R/M发送3.全分散
8、:无特殊节点来协调传输无同步时钟、时隙4.简单,理想的多路访问协议,三大类:信道划分将信道划分为较小的“段”(时隙，频率，编码)为节点分配一部分专用随机访问不划分信道，允许碰撞从“碰撞”恢复轮流协议节点轮流，但有更多信息要发送的能够轮流的较长时间,MAC协议:分类,TDMA:时分多路访问”循环“访问信道每个站点在每个循环中获得固定长度时隙(长度=分组传输时间)不使用的时隙空闲例子：6个站点的LAN,时隙1、3、4 有分组,时隙2、5、6 空闲 TDM(Time Division Multiplexing):channel divided into N time slots,one per us
9、er;inefficient with low duty cycle users and at light load.FDM(Frequency Division Multiplexing):frequency subdivided.,信道划分MAC协议:TDMA,FDMA:频分多路访问 信道频谱划分为频带每个站点分配固定的频带频带中未使用的传输时间空闲例子：6个站点的LAN,频带1、3、4 有分组,频带2、5、6 空闲TDM(Time Division Multiplexing):channel divided into N time slots,one per user;inefficie
10、nt with low duty cycle users and at light load.FDM(Frequency Division Multiplexing):frequency subdivided.,frequency bands,time,信道划分 MAC协议:FDMA,当 站点有分组要发送以信道全部速率R传输节点间无优先权协调两个或更多传输节点“碰撞”,随即访问MAC协议 定义了:如何检测碰撞如何从碰撞中恢复(例如，经延迟的重新传输)随即访问MAC协议的例子:时隙ALOHAALOHACSMA,CSMA/CD,CSMA/CA,随机访问协议,假定所有帧有相同长度时间划分为等长时隙，
11、能够传输1个帧节点仅在时隙开始时开始传输帧节点是同步的,操作当节点获得新帧，将在下一个时隙中传输无碰撞，节点能够在下一个时隙中发送新帧如果碰撞，节点在每个后继时隙中以概率p重传帧,时隙ALOHA,优点单个活跃节点能够连续地以信道的全速传输高速分散：仅节点中的时隙需要同步简单,缺点碰撞，浪费时隙空闲时隙节点可能能够以小于传输分组的时间检测到碰撞时钟同步,时隙ALOHA,假定N个有许多帧要发送节点，每个时隙以概率p发送节点1在一个时隙中成功发送的概率=p(1-p)N-1任何节点成功发送的概率=Np(1-p)N-1,对N节点为使效率最大化，求p*使得Np(1-p)N-1最大化对许多节点，当N趋近无穷
12、大，取Np*(1-p*)N-1 极限,得到1/e=0.37,效率是当有许多节点，且每个都有许多帧要发送时，成功时隙与总时隙的长期比值,最多:信道用于有用传输的时间是37%！,时隙Aloha效率,非时隙Aloha:更简单，无同步要求当帧首个到达 立即传输碰撞的概率增加:在t0 发送与在t0-1,t0+1发送的其他帧碰撞,将于i帧起始部分重叠,将于i帧结束部分重叠,纯(非时隙)ALOHA,纯ALOHA的效率仅为时隙ALOHA效率的一半,CSMA:在传输前侦听:如果侦听到信道空闲:传输整个帧如果侦听到信道忙,推迟传输 人类类比:不要打断他人说话!,CSMA(载波侦听多路访问),碰撞还是会出现:传播时
13、延意味着两个节点也许不能听到其他节点传输,碰撞:整个分组传输时间被浪费,节点的空间设置,注意:距离与传播时延在决定碰撞概率的作用,空间,CSMA碰撞,CSMA/CD:载波侦听,如同在CSMA在短时间内检测到碰撞碰撞的传输流产，减少信道浪费碰撞检测:在有线的LAN中容易:测量信号强度，比较传输的和接收的信号在无线LAN中困难：无线节点为了节省能源，Frame发送完毕后就会关闭而没有载波人类类比:礼貌的交谈者,CSMA/CD,a=/T0,a越小，网络性能越好,空间,CSMA/CD碰撞检测,信道划分 MAC协议:在高负载时高效、公平地共享信道低负载时低效：信道访问中延时，当1个活跃节点时，甚至仅有分
14、配了 1/N 带宽!随机访问 MAC协议低负载是有效：单个节点能够全面利用信道高负载：碰撞开销“轮流”协议兼有这方面的优点!,“轮流”MAC协议,轮询协议:主节点“邀请”从节点依次传输关注问题:轮询开销轮询延迟单点故障(主节点),令牌协议:控制令牌从一个节点顺序地传递到下一个.令牌报文关注问题:令牌开销 时延单点故障(令牌),“轮流”MAC协议,对共享媒体你需要做些什么?信道划分,通过时间、频率或编码时分,频分随机划分(动态的),ALOHA,S-ALOHA,CSMA,CSMA/CD载波侦听:在某些技术(有线)中容易，在另一些(无线)中困难CSMA/CD 用在以太网中CSMA/CA 用在 802
15、.11中轮流从中心站点轮询，令牌传递,MAC协议小结,数据链路层前面讲过:服务,差错检测/纠正,多路访问 下面:LAN技术编址以太网集线器,交换机PPP,LAN技术,5.1 概述与服务5.2 差错检测和纠错 5.3多路访问协议5.4 链路层编址5.5 以太网5.6 链路层交换机5.7 PPP5.8 链路虚拟化,两台机器A和B,它们IP地址分别是IA、IB，物理地址分别是PA和PB高层程序仅希望与IP地址交往，而实际通信必须使用物理地址,IP4,IA,PA,HA4,HA3,HA2,HA5,PB,IP5,A,B,IP2,R1,R2,以太网 2,以太网 1,FDDI 网,IP 层上的互联网,IP 数
16、据报,MAC 帧,IB,IP3,MAC 帧,MAC 帧,问题：A如何从B的IP地址得到它的物理地址PB？,地址转换问题,32-bit IP地址:网络层地址用于使数据报到达目的IP子网MAC(或LAN 或物理或以太网)地址:用于使数据报从一个接口到达另一个物理连接的接口(同一个网络内)48 bit MAC地址(对多数LAN)烧在了适配器ROM中,MAC地址和ARP,在LAN中的每块适配器具有独特的LAN地址,广播地址=FF-FF-FF-FF-FF-FF,=适配器,LAN 编址和ARP,MAC地址分配由IEEE管理制造商购买部分MAC地址空间(确保惟一性)类比:(a)MAC地址：像居民身份证号(b
17、)IP地址:像邮政地址 MAC 扁平地址 可移动性 能够将LAN卡从一个LAN移动到另一个去IP层次地址不可移动 取决于节点联系的子网,LAN地址(续),LAN上的每个IP节点(主机、路由器)都有ARP表ARP表:对某些LAN节点的IP/MAC地址映射 TTL(寿命):地址映射将被忘记的时间长度(通常20分钟),1A-2F-BB-76-09-AD,58-23-D7-FA-20-B0,0C-C4-11-6F-E3-98,71-65-F7-2B-08-53,LAN,237.196.7.23,237.196.7.78,237.196.7.14,237.196.7.88,ARP:地址解析协议,A要向B
18、发送数据报,并且B的MAC地址不在A的ARP表中.A广播ARP 请求分组,包含B的IP地址 目的地MAC地址=FF-FF-FF-FF-FF-FF在 LAN上的所有机器接收ARP请求B接收ARP分组，用它的MAC地址回答 A帧发送到A的MAC地址(单播),A在它的ARP表中缓存(保存)IP到MAC的地址对，直到信息变得超时软状态:信息超时除非被更新ARP是“即插即用”:节点创建它们的ARP表无需网络管理员干预,ARP协议:相同的LAN(网络),目的:从A到B经R发送数据报 假定A知道B的IP地址在路由器R中有两个ARP表,每张表对应一个IP网络(LAN)In routing table at s
19、ource Host,find router 111.111.111.110In ARP table at source,find MAC address E6-E9-00-17-BB-4B,etc,A,R,B,选路到另一个LAN,A生成具有源A、目的地B的数据报A使用ARP从111.111.111.110得到R的MAC地址 A生成以R的MAC地址作为目的地的链路层帧,帧包含A-to-B IP 数据报A的适配器发送帧B的适配器接收帧R从以太网帧取出IP数据报，看到它目的地是BR使用ARP得到B的MAC地址R生成包含A-to-B IP数据报的帧向B发送,A,R,B,5.1 概述与服务5.2 差错
20、检测和纠错 5.3多路访问协议5.4 链路层编址5.5 以太网5.6 链路层交换机5.7 PPP5.8 链路虚拟化,“占支配性的”有线LAN技术:首先广泛使用的LAN技术比令牌LAN和ATM更便宜跟上了速率的竞赛:10 Mbps 10 Gbps,Metcalfe的以太网草图,以太网,IEEE802.3 以太网标准IEEE802.3u 100BASE-T快速以太网标准IEEE802.3z/ab 1000Mb/s千兆以太网标准IEEE802.3ae 10GE以太网标准,48,70年代,80年代,90年代,以太网产生,10M以太网发展成熟,共享式转向LAN交换机,100M快速以太网,92年,96年,
21、千兆以太网迅速发展,万兆以太网出现,2002年,以太网技术的发展,网络中所有主机的收发都依赖于同一套物理介质，即共享介质。同一时刻只能有一台主机在发送，各主机通过遵循CSMA/CD规则来保证网络的正常通讯。,49,发送,监听,监听,监听,共享式以太网,扩展了网络带宽。分割了网络冲突域，使得网络冲突被限制在最小的范围内。交换机作为更加智能的交换设备，能够提供更多用户所要求的功能：优先级、虚拟网、远程检测,50,交换式以太网,发送适配器在以太网帧(或其他网络层协议分组)中封装IP数据报前导码:模式为10101010 的7个字节，后跟模式为 10101011 的一个字节用于同步接收方，发送方时钟速率
22、,以太网帧结构,地址:6字节如果适配器接收具有匹配的目的地址或广播地址(如ARP分组)的帧,它将帧中的数据提交给网络层协议否则,适配器丢弃帧类型:指示较高层协议(大多数为IP但也可以支持其他类型如 Novell IPX和AppleTalk)CRC:在接收方核对，如果检测到差错，该帧就被丢弃,以太网帧结构(续),以太网的一些标准,技术标准,线缆类型,10Base5,100BaseTX,AUI(DB15)接口电缆,100BaseFX,EIA/TIA5类（UTP）非屏蔽双绞线2对,多模光纤（MMF）线缆,传输距离,500m,100m,550m-2km,2km-15km,单模光纤（SMF）线缆,100
23、0BaseT,铜质EIA/TIA5类（UTP）非屏蔽双绞线4对,100m,1000BaseSX,多模光纤，使用波长为850nm的激光,550m/275m,1000BaseLX,单模光纤，使用波长为1310nm的激光,2km-15km,以太网物理接口,双绞线（网线）,RJ45（水晶头）,SC,光纤接口,LC,ST,FC,以太网使用CSMA/CD协议,CSMA/CD协议原理载波侦听：先听再说适配器在发送前监听总线是否空闲，总线空闲则发送数据，不空闲则继续监听冲突检测：边说边听数据在发送的同时保持对总线的监听，发现冲突则停止发送随机延迟后重发冲突发生后，采用指数回退方法等待一段随机时间后，再进行监听
24、和发送,指数回退方法:目标：估计当前负载，适应重传尝试重负载:随机等待将更长首次碰撞:从0,1 中 选择K；时延是K 512 bit 传输时间第二次碰撞后:从0,1,2,3选择 K 10次碰撞后,从0,1,2,3,4,1023 选择K,以太网的CSMA/CD(续),用于10BaseT每个比特具有一个跃迁允许发送和接收节点中的时钟互相同步节点之间的集中式、全局时钟没有必要!这是物理层事情!,曼彻斯特编码（以太网编码技术之一）,5.1 概述与服务5.2 差错检测和纠错 5.3多路访问协议5.4 链路层编址5.5 以太网5.6 链路层交换机5.7 PPP5.8 链路虚拟化,集线器基本上是物理层中继器
25、:来自一条链路的比特从其他所有链路出去以相同的速率无帧缓存在集线器中无CSMA/CD:适配器检测碰撞提供网络管理功能,集线器,主干集线器互联LAN网段扩展节点之间的最大距离但单独段碰撞域成为一个大的碰撞域,集线器,集线器,集线器,集线器,用集线器互联,交换一词最早出现于电话系统，特指实现两个不同电话机之间话音信号的交换，完成该工作的设备就是电话交换机。从本意上来讲，交换只是一种技术概念，即完成信号由设备入口到出口的转发。因此，只要是和符合该定义的所有设备都可被称为交换设备。我们经常说到的以太网交换机实际是一个基于网桥技术的多端口第二层网络设备，它为数据帧从一个端口到另一个任意端口的转发提供了低
26、时延、低开销的通路。工作在链路层即插即用，自学习线速转发,交换机,按网络层次划分第二层交换机（以太网交换机）第三层交换机（路由交换机）按网络构成方式接入层交换机汇聚层交换机核心层交换机,交换机的分类,怎样决定向哪个LAN段上转发帧呢?看起来像选路问题.,1,2,3,转发,一个交换机具有一个交换机表（转发表）交换机表中的项:(MAC地址,接口,时戳)表中的陈旧项丢弃交换机学习到通过哪个接口能够到达哪台主机当帧收到,交换机“得知”发送方的位置在交换机中记录了发送方/位置对,自学习,假定C向D发送帧,交换机从C接收帧注意到交换机表中C位于接口1因为D不在表中,交换机将向接口2和3转发帧D接收帧,集线
27、器,集线器,集线器,交换机,A,B,C,D,E,F,G,H,I,地址,接口,ABEG,1123,1,2,3,交换机例子,假定D回答C的帧,交换机从D接收帧注意到在交换机表中D位于接口 2因为C在表中,交换机仅向接口1转发帧C接收帧,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,ABEGC,11231,交换机例子,交换机安装将子网分割成LAN段交换机过滤分组:相同LAN段的帧通常不在其他LAN段上转发段成为分离的碰撞域,碰撞域,碰撞域,碰撞域,交换机:流量隔离,两者都是存储转发设备路由器:网络层设备(检查网络层首部)交换机是链路层设备路由器维护选路表，实现选路算
28、法交换机维护交换机表,实现过滤、学习算法,交换机 vs.路由器,5.1 概述与服务5.2 差错检测和纠错 5.3多路访问协议5.4 链路层编址5.5 以太网5.6 链路层交换机5.7 PPP5.8 链路虚拟化,一个发送方、一个接收方、一段链路：比广播链路容易处理:无媒体访问控制不需要明确的MAC编址流行的点对点DLC协议:PPP(point-to-point协议)HDLC:高级数据链路控制,点对点链路层控制,PPP（Point to Point Protocol）协议是在点对点链路上运行的数据链路层协议用户使用拨号电话线接入Internet时，一般都是使用 PPP 协议PPP协议支持用户的认证
29、，是广域网接入使用最广泛的协议,PSTN,PPP协议,PPP协议概述,PPP主要包括三个部分在串行链路上封装上层数据报文的方法采用LCP（Link-Control Protocol，链路控制协议）来建立、控制数据链路采用NCP（Network-Control Protocol，网络控制协议）来支持多种网络协议,物理介质（同/异步）,LCP,NCP,PPP,IP,IPX,其它网络协议,IPCP,IPXCP,其它NCP,网络层,数据链路层,物理层,PPP的组成,协议域,信息域,0 x7E,0 xFF,0 x03,帧校验,0 x7E,1Byte,2Bytes,2Bytes,1Byte,1Byte,1
30、Byte,信息域：根据协议域的内容而定 当协议域为LCP协议时，信息域内为LCP协商参数 当协议域为NCP协议时，信息域内为NCP协商参数 当协议域为IP协议时，信息域内为用户数据 信息域最大长度不能超过1500字节,地址域：对方的数据链路层地址。因为PPP协议是点对点的链路层协议，所以此字节无意义，用0 xFF填充,标志字节：用来标示PPP帧的开始和结束,控制域：通常用0 x03填充,协议域：用来区分PPP数据帧中信息域所承载的数据报文的内容常见取值：0 xc021 信息域中承载的是LCP协议数据报文0 xc023 信息域中承载的是PAP协议的认证报文0 xc223 信息域中承载的是CHAP
31、协议的认证报文0 x8021 信息域中承载的是NCP协议数据报文0 x0021 信息域中承载的是IP协议数据报文,PPP帧格式,“数据透明性”要求:数据字段必须允许包括标志模式问题:收到的是数据还是标志？发送方:增加(“填充”)额外的 字节 在每个 数据字节接收方:在一排中出现01111101 01111110:丢弃第一个字节,继续数据接收单个01111110:标志字节,字节填充,flag bytepatternin datato send,在传输数据中标志字节模式加上填充字节,字节填充,5.1 概述与服务5.2 差错检测和纠错 5.3多路访问协议5.4 链路层编址5.5 以太网5.6 链路层交换机5.7 PPP5.8 链路虚拟化,印象:端到端传输:ATM是一种网络技术事实:用于连接IP主干路由器“在ATM上传IP”ATM作为交换的 链路层,连接IP路由器,ATM网络,IP网络,ATM:网络或链路层?,经典IP 3个“网络”(如LAN 段)MAC(802.3)和IP 地址,ATM上传IP用ATM网络代替“网络”(如LAN段)ATM地址,IP地址,ATMnetwork,以太网LAN,以太网LAN,IP-Over-ATM,本章小结与作业,重要内容：CSMA/CD协议原理集线器、交换机、路由器功能和特点ARP工作原理,作业：对上述3点重要内容进行简答P325：3题；P326，5题,
