ch5a第五章链路层与网络建设A.ppt

1,第5讲: 数据链路层级网络建设,本讲目标: 了解数据链路层服务原理: 错误检测, 校正 共享广播信道 链路层编址 各类链路层技术的实现和实例 教科书参考 第5章,概述: 链路层的服务 错误检测, 校正 多点访问技术和LAN 链路层寻址, ARP 特定的链路层技术: 以太网 集线器, 网桥, 交换机 IEEE 802.11 LANs PPP ATM,2,链路层: 工作环境,3,链路层: 工作环境,两个 物理上连接的 设备: 主机-路由器, 路由器-路由器, 主机-主机 协议数据单元: frame（帧）,network link physical,M,frame,物理链路,数据链路协议,接口卡,4,链路层的服务,成帧, 链路访问: 将分组封装入帧, 加上帧头, 帧尾 如果是共享介质，则需实现信道的访问, 物理地址 放在帧首用来确定信源、信宿 物理地址IP地址 在两台物理上连接的设备之间实现可靠传递: 不太用在误码率低的场合 (光纤, 某些双绞线) 无线链路: 误码率相当高 Q: 为什么在链路层和端到端之间都要做可靠性的校验?,5,链路层的服务 (续),流量控制: 保持收发双方的同步 错误检测: 信号衰减和噪声会导致出错. 接收端检测到错误时: 给发送端信号要求重发或丢弃出错帧 错误校正: 接受端检测多个位错并加以校正 而无需要求发送端重发,6,链路层: 实现,通过 “adapter（网卡或适配器）” 实现 e.g., PCMCIA 卡, 以太网卡 一般适配器都含有: RAM, DSP 芯片, 主机的总线接口, 和链路接口,network link physical,M,frame,phys. link,data link protocol,adapter card,7,错误检测,EDC= 错误检测校正（Error Detection and Correction ）位 D = 由检验位保护的数据, 可包括首部字段 错误检测不可能达到 100% 可靠! 协议算法可能会忽略了某些错误, 但比例极小 较大的 EDC 字段可以产生较好的检错和纠错效果,8,奇偶校验,单比特校验: 检测一位错误,两维单比特校验: 检测和校正单比特错误,0,0,9,因特网校验和,发送端: 把数据段的内容看成一系列16-bit的整数 校验和: 对内容进行累加 (1s complement sum) 发送端将校验和放入UDP 的checksum 字段,接收端: 对接收到的数据段进行校验和计算 检查计算所得的校验和与接收到值的是否相等 : NO 出错了 YES 没查出错误. 但有可能存在错误? .,目的: 检测 数据段在传输过程中出现的错误 (注意: 仅用在传输层),10,链路类型,有三种类型的 “链路”: 点对点 ( e.g. PPP, SLIP) 广播式 (共享线路或介质; e.g, 以太网, 无线网, etc.) 交换式 (e.g., 交换式以太网, ATM etc),11,多点访问协议,一条共享的通信信道 两个或多个结点可同时发送信号: 相互干扰 在某一时刻只有一个结点可以成功地发送信号 多点访问协议: 分布式的算法来决定如何共享信道, i.e., 决定工作站何时可以发送 注意：有关共享通道的通信（协商）也必须在该通道自身上解决!,12,多点访问协议,我们希望多点访问协议能够解决什么问题: 同步还是异步 了解其他站点的信息 健壮性 (e.g.如何对待信道错误) 性能,13,局域网与802协议组,LLC 与 MAC,14,MAC 协议: 分类,通道分割 将信道分割成较小的 “片” (时隙, 频率) 将小片分给各站点使用 随机访问 允许冲突 从冲突中“恢复” “排队” 严格协调访问来避免冲突,目标: 高效, 公平, 简单, 分散控制,15,信道分割的 MAC 协议: TDMA,TDMA: time division multiple access （时分多路） “依次” 访问信道 每次每个站点分得固定长度的时隙 (时长 = 分组的单位传输时间) 未用的时隙被闲置和浪费 例如: 6个站点的LAN, 1,3,4 有分组发送, 而 2,5,6的时隙则被闲置,16,信道分割的 MAC 协议: FDMA,FDMA: （频分复用） 信道按频谱分成频段，每个站点分得固定的频段 在频段不用时该部分信道被闲置和浪费 例如: 6各站点的 LAN, 1,3,4 发送分组, 而 2,5,6 的频段被闲置,17,随机访问协议,当结点有数据要发送时： 使用信道全部的传输速率 R. 在诸多结点中不存在“预先”协商的机制 可能发生两个以上结点同时传输 - “冲突” 随机访问的 MAC协议定义了: 如何检测冲突 如何从冲突中恢复 (e.g., 通过延迟重发) 随机访问 MAC协议的实例: 时隙ALOHA ALOHA CSMA and CSMA/CD,18,CSMA: Carrier Sense Multiple Access,CSMA: （载波检测多路访问）发送前侦听: 如果信道闲置: 发送整个分组 如果信道忙, 推迟发送 坚持性 CSMA: 当信道闲置时，以p的概率立即重试 (可能导致不稳定) 非坚持性 CSMA: 在某个随机间隔以后再试 为人处事的规则之一: 不要打断别人的发言!,19,CSMA 的冲突,冲突可能发生在: 由于传播延迟两个节点可能听不到对方的发送,冲突: 整个分组的传输时间被浪费,以太网结点间的时空图,注意: 这里的冲突概率是由距离和 传播延迟来决定的,20,CSMA/CD (Collision Detection，冲突检测),在冲突发生后，短时间内可探测到 立即中断传输, 减少信道的时间浪费 坚持性或非坚持性重传 冲突检测: 在有线 LAN中简便易行: 检测信号强度, 比较收、发的信号 在无线 LAN比较困难: 传输时接收器是关闭的 人类社会的范例: 彬彬有礼的交谈者,21,CSMA/CD 冲突检测,22,MAC 协议小结,对于共享介质可以做些什么? 信道分割, 按时间,频率或编码 时分、码分、频分 随机分割 (动态) ALOHA, S-ALOHA, CSMA, CSMA/CD 载波检测: 有线“易行”、无线“困难” CSMA/CD 被用在以太网中,23,LAN 技术,已经提到的数据链路层的内容有: 服务, 错误检测/校正, 多点访问 下面: 讨论LAN 技术 编址 以太网（Ethernet） 集线器、网桥、交换机 802.11无线LAN协议 PPP（点对点协议）,24,LAN 地址和 ARP,32位的IP地址: 网络层 地址 用于从目的网络获取分组 (参见 IP 地址定义，p171) LAN (或MAC 或物理) 地址: 用来(在同一网络中)物理上互相连接的接口之间获取分组（或帧） 48 位MAC 地址 (绝大部分 LANs) 烧制在适配器的 ROM中,25,LAN 地址和 ARP,每个 LAN上的网卡都有具唯一性的LAN 地址,26,LAN 地址 (续),MAC 分配由 IEEE管理 制造商购买部分MAC地址空间 (以保证唯一性) 比方: (a) MAC地址: 美国人的社会保险号 (b) IP地址: 类似邮政地址 MAC 平面地址 = 可以迁移 可以将 LAN卡从一个LAN换到另一个 IP 层次性地址不可迁移 取决于某个站点接入的网络,27,有关路由选择的讨论,A站点给B站点发送IP分组： 查找 B站点的网络地址, 发现B站点与其在同一网络中 给B站点发送的分组是通过链路层的帧来传送的,Bs MAC addr,As MAC addr,As IP addr,Bs IP addr,IP payload,分组,帧,帧的源、宿地址,分组的源、宿地址,28,ARP: 地址解析协议（Address Resolution Protocol）,每个LAN 上的IP 结点 (主机, 路由器) 都有 ARP 模块,和表 ARP 表: 是某些LAN 结点的IP/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),29,ARP 协议,A 知道 B的 IP 地址, 需要了解B的物理地址 A 广播 ARP 查询帧, 包含了 B的 IP地址 所有 LAN 的主机都收到 ARP 查询 B接收到 ARP帧, 将其物理地址返回给A A 对收到的IP/MAC地址对进行缓存直到信息过期 (超时) 软状态: 除非定期刷新，否则超时信息将被删除,30,LAN之间的路由选择,穿越: 经由R将A的数据传输到B 在源主机的配置表中发现了路由器111.111.111.110 在源主机的ARP 表中, 发现 MAC 地址E6-E9-00-17-BB-4B, etc,A,R,B,31,A 创建了 IP分组，源地址为 A,宿地址为 B A 使用 ARP 来获取 R的与111.111.111.110对应的物理地址 A 创建了以R的物理地址为宿地址的以太网帧，该帧包含的A-to-B的 IP分组 A的数据链路层发送以太网的帧 R的数据链路层接收到以太网的帧 R 从以太网帧中取出 IP分组,知道该分组的信宿为 B R使用ARP 来取得 B的物理层地址 R创建了包含了 A-to-B IP 分组的帧并发给 B,A,R,B,32,以太网（Ethernet）,“统治” LAN的技术: 便宜， ￥50 for 100Mbs! 最早被广泛应用的 LAN 技术 较为简单, 比 token LANs 和ATM便宜 赶上了速率竞赛的步伐: 10, 100, 1000 Mbps,Metcalfes Etheret sketch,33,以太网帧结构,发送适配器将IP分组封装在以太网帧中(或其他网络层协议分组) Preamble（前序）: 7 个 10101010 字节尾随一个 10101011 用来同步收发双方的时钟速率,34,以太网帧结构 (续),地址: 6 个字节, 帧为某个LAN上的所有适配器接收，但只要地址不匹配就被丢弃 类型: 说明其上层协议,大部分为 IP，但其他协议如Novell IPX和 AppleTalk也支持 CRC: 在接收端校验,如果出错，则将该帧丢弃,35,以太网: 应用CSMA/CD,A: 检测信道, if 闲置 then 发送并检测信道; If 检测到了其他站点传输 then 中止传输并发送冲突信号; 更新冲突 #; 按指数退避算法延迟发送; goto A else 帧发送结束;将冲突次数置0 else 等待正在进行的传输结束并goto A,36,以太网的 CSMA/CD (续),冲突信号（Jam Signal）: 保证所有其他的收发器能够意识到发生的冲突; 48 bits; 指数退避（Exponential Backoff）: 目的: 使得重发的企图能够与推测出的当前负载相适应 在重负荷下: 随机等待的时间将更长些 首次冲突: 从0,1中选择 K； 延迟的时长为 K x 512 bit 传输时间 第二次冲突后:从 0,1,2,3选择K 在10次或更多的冲突发生后：从 0,1,2,3,4,1023选择K,37,以太网技术规范举例: 10Base2,10: 10Mb/s; Base: 基带传输 2: 最大电缆长度在 200米以下 在总线拓扑结构中使用细同轴电缆 中继器用来连接多个网段(4中继器，5个网段) 中继器为物理层设备：将其在一个接口上收到的位流复制到所有其他接口上发送!,38,以太网技术: 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LAN,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,网络最大跨度 925 m,网络最多5个段,39,以太网技术: 10BaseT,NIC,HUB,段最大长度 100m,双绞线介质（UTP） 以Hub （集线器）为中心节点。Hub多端口转发器。 拓扑结构为星形，逻辑上仍然是总线形。 转发器/中继器的作用：将信号放大并整形后再转发，消除信号传输的失真和衰减。 转发器/中继器/HUB物理层设备(工作在物理层)。 用于小型LAN。,40,10BaseT/100BaseT自适应网络,10/100 Mb/s传输速率; 后者被称为 “快速以太网” T: 代表双绞线（ Twisted Pair） 所有结点通过双绞线连接到集线器（Hub）,物理上呈现出 “星型拓扑” CSMA/CD 算法在集线器（Hub）中实现 从结点到集线器的最长距离为 100米 集线器可以与发生故障的适配器断开而不影响其他 100BaseT保持以太网最短帧格式不变，但是一个网段的最大缆长减小到100米 需要注意：网卡、网线规格、集线器技术参数的匹配,41,局域网的扩展：集线器（Hubs）,物理层设备: 本质上是中继器: 将接收到的位流在所有其他接口上复制发送 集线器可以按照层次结构“级联” ,把骨干 （backbone ）集线器置顶端(p115),42,集线器(续),每个被连接的 LAN称为 LAN网段（ segment） 集线器不隔离碰撞域: 任意LAN网段中的结点都可能与其他网段中的结点发生冲突 集线器的优点: 简单,廉价设备 多层结构提供了一个性能略微降低较大的互联LAN: 即使一个集线器故障，部分 LAN结点仍可以继续工作 扩展了结点间的距离 (每个Hub 100m),43,集线器的局限,单一的冲突域导致了最大吞吐量不可能增加 多层结构的吞吐量实际与单个网段相同 对单个 LAN中同样的冲突域的限制也强加到了所有新近加入到这个互联LAN的结点上 不能连接不同类型的以太网 (e.g., 10BaseT 和 100baseT),44,扩展的局域网：网桥(Bridge),链路层设备: 使用以太网帧工作, 检查帧的首部的信宿地址后，选择性的进行转发 由于网桥可以缓存帧，网桥可以隔离碰撞域 当在网段间转发帧时,网桥使用 CSMA/CD方式访问网段并进行传输,45,扩展的局域网：网桥(续),网桥优点: 隔离冲突域使得网络的最大总吞吐量提高, 对接入的结点数和地理覆盖的范围没有限制 由于是存储转发设备，所以可以连接不同的以太网 透明: 不需要改变主机的LAN网络接口适配器,46,网桥: 帧的过滤,转发,网桥过滤帧 同LAN网段内传输的帧不转发到其他的LAN网段 转发: 如何知道那个LAN网段在哪，如何转发? 看起来好像是路由选择问题 (只不过距离短一点!),47,主干网桥（Backbone Bridge）,48,不使用主干方式的互联,不推荐的两个理由: - 在 Computer Science hub故障可能引出的问题 - 所有在EE 和 SE 之间传输的数据必须通过 CS 网段,49,网桥过滤,网桥可以通过 自学 了解某台主机可以从哪个接口到达: 维护过滤表 当帧到达时,网桥“得知”发送方的位置:信号进入的 LAN网段 在过滤表中记录发送方的位置 过滤表的条目: (结点的 LAN地址, 网桥的接口,时间戳-Time Stamp) 过滤表中过期的条目会被丢弃 (TTL 可以为 60 分钟),50,过滤,filtering procedure: If 信宿LAN地址与接收到的帧处于同一网段 then 丢弃该帧； else 查询过滤表 if 发现了信宿的条目 then 按条目所指的接口进行转发; else 泛洪（flood）; /* 在除了接收该帧的接口以外的所有接口上进行转发*/ ,51,网桥自学过程: 举例,假设 C 给D发送帧， D再用帧对C进行应答,C 发送帧, 网桥没有D的资料,因此在两个LAN进行泛洪 网桥注意C是在1#端口 位处上部的LAN将该帧忽略 LAN D接收到了该帧,52,网桥的自学过程: 举例,D 产生了给 C的应答, 并发送 网桥注意到了D发出的帧 网桥查出D处在2#接口上 网桥已知 C 在1#接口上,所以有