计算机网络教学课件TopDownV45

1、数据链路层与局域网1第5章 链路层与局域网Link Layer and LANs计算机网络：自顶向下方法 (原书第四版)陈鸣译，机械工业出版社，2010年Computer Networking: A Top Down Approach , 4rd edition. Jim Kurose, Keith RossAddison-Wesley, July 2008. 数据链路层与局域网2第5章 链路层和局域网 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数据链路层与局域网3第5章 链路层

2、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 集线器和交换机5.7 PPP5.8 链路虚拟化: ATM和MPLS数据链路层与局域网4链路层: 概述某些术语: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“link”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 数据链路层与局域网5链路层: 相关内容使用不同的链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

3、从 Princeton到 Lausanne的旅行豪华轿车: Princeton到JFK飞机: JFK到Geneva火车: Geneva到Lausanne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= 选路算法数据链路层与局域网6链路层 Services成帧 : 将数据报封装进帧，加上首部和尾部链路访问：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我们已经知道如何做了 (第三章)!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端可靠性?数据链路层

4、与局域网7链路层服务(续)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，但不能同时数据链路层与局域网8Where is the link layer implemented?在每个主机上在“适配器”上(aka network interface card NIC)实现链路层Ethernet card, PCMCI card, 802.11 cardimplements link, physical layer连接

5、到主机系统总线是软件、硬件的结合体controllerphysicaltransmissioncpumemoryhost bus (e.g., PCI)network adaptercardhost schematicapplicationtransportnetworklinklinkphysical数据链路层与局域网9Adaptors Communicating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，传递到接收方的上层controllercontrollersending hostreceiving h

6、ostdatagramdatagramdatagramframe数据链路层与局域网10第5章 链路层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 集线器和交换机5.7 PPP5.8 链路虚拟化: ATM和MPLS数据链路层与局域网11差错检测EDC= 差错检测和纠错 bits (冗余)D = 数据由差错校验保护，可能包括首部字段 差错检测不是100%可靠! 协议可能漏掉某些差错，但是非常少 较大的EDC字段产生更好的检测和纠正数据链路层与局域网12奇偶校验单比特奇偶校验: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00奇偶比特奇

7、偶差错奇偶差错可纠正的单比特差错无差错数据链路层与局域网13互联网检查和发送方:将段内容作为16比特整数序列来处理检查和: 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.目标：检测传输段中的“差错” (如比特翻转) (注意: 仅用于运输层)数据链路层与局域网14检查和:循环冗余码校验将数据比特D看作一个二进制数选择r+1比特模式(生成式), G 目标：选择r个CRC 比特R, 使得 被G整除 (以2为模) 接收方知道G, 用G除以. 如

8、果有非零余数：检测到差错!能够检测所有小于r+1比特的突发差错广泛用于实践中 (ATM, HDCL)比特模式数学公式被发送的数据比特数据链路层与局域网15海明（Hamming） 纠错码m个数据位外加r 个纠错位，在2i (i=0,1,2,3) 的位置放的是纠错位，m个数据位的次序不变，满足条件2r =m+r+1如字符m的7位ASCII码为1101101，要加上4位纠错码0011（偶校验），共11个bit1110987654321A7A6A5P4A4A3A2P3A1P2P111001100111数据链路层与局域网16第5章 链路层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

9、 链路层编址5.5 以太网5.6 集线器和交换机5.7 PPP5.8 链路虚拟化: ATM和MPLS数据链路层与局域网17多路访问链路和协议两类 “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数据链路层与局域网18多路访问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数据链路层与局域网19理想的多路访问协议速率R bps的广播信道1

10、. 当一个节点可传输，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:无特殊节点来协调传输无同步时钟、时隙4. 简单数据链路层与局域网20MAC协议: 分类三大类: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即访问不划分信道，允许碰撞从“碰撞”恢复“轮流”节点轮流，但有更多信息要发送的能够轮流的较长时间数据链路层与局域网21随即访问协议当 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

11、:时隙ALOHAALOHACSMA, CSMA/CD, CSMA/CA数据链路层与局域网22在纯ALOHA中，站点一旦产生新帧则立即发送，如果一个标准长度的帧的发送时间为t，在t0+t时刻允许生成一个新帧，除此新帧之外，在t0 t0+2t 时间内不能有其它帧产生，否则冲突，即冲突危险区为2t纯ALOHA的原理 冲突危险区 t0 t0+t t0+2t t0+3t时间阴影帧的冲突危险区数据链路层与局域网23纯ALOHA的原理（续） 任何一个站都可以在帧生成后立即发送（可能冲突） ，并通过信号的反馈，检测信道，以确定发送是否成功，如发送失败，则经随机延时后再发送 数据链路层与局域网24纯(非时隙)A

12、LOHA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帧结束部分重叠数据链路层与局域网25时隙ALOHA假定所有帧有相同长度时间划分为等长时隙，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如果2个或多个节点在时隙中传输，所有节点检测碰撞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重传帧知道成功数据链路层与局域网26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

13、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数据链路层与局域网27纯ALOHA和分隙ALOHA的比较纯ALOHA中，一旦产生新帧，就立即发送，全然不顾是否有用户正在发送，所以发生冲突的可能伴随着发送的整个过程分隙ALOHA中，规定发送行为必须在时隙的开始，一旦在发送开始时没有冲突，则该帧将成功发送冲突危险区 t0 t0+t t0+2t t0+3t时间冲突危险区 t0 t0+t t0+2tt0+tt0+t数据链路层与局域网28纯ALOHA和分隙ALOHA的比较（续） ALOHA系统中吞吐率和帧产生率之间的关系G为每个帧时内可能的发送次数0 0.5 1.0 1.5 2.

14、0 3.00.400.300.200.10分隙ALOHA：S = Ge-G纯ALOHA：S = Ge-2GS为每帧时内的吞吐率数据链路层与局域网29CSMA (载波侦听多路访问)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 1 持续CSMA非持续CSMA（Nonpersistent CSMA） p 持续CSMA（p-persistent CSMA）人类类比: 不要打断他人说话!数据链路层与局域网301 持续CSMA每个站在发送前，先侦听信道，如信道正忙，则等待并持续侦听，一旦信道空闲，立即发送，即发送的概率为1；如冲突，则延时一随机时隙数后，重新发送

15、数据链路层与局域网31 非持续CSMA（Nonpersistent CSMA） 每个站在发送前，先侦听信道，如信道正忙，则不再继续侦听，而是延时一随机时隙数后，再侦听信道 数据链路层与局域网32 p 持续CSMA（p-persistent CSMA）用于分隙信道先侦听信道，如信道正忙，则等到下一时隙；如信道空闲，则以概率p发送，而以概率q=(1-p)把本次发送延至下一时隙，直至发送成功 数据链路层与局域网33CSMA碰撞碰撞还是会出现 :传播时延造成传输节点也许不能听到其他节点正在传输碰撞: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数据链路层与局域网34传

16、播时延对载波侦听的影响CSMA并不能完全解决冲突问题如两个或多个准备发送的站都检测到信道空闲而同时发送将发生冲突冲突A1 kmB = 5 st数据链路层与局域网35CSMA/CD (碰撞检测)CSMA/CD: 载波侦听, 如同在CSMA在短时间内检测到碰撞放弃碰撞的传输，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：传输中接收方切断人类类比: 礼貌的交谈者 数据链路层与局域网36CSMA/CD 碰撞检测空间数据链路层与局域网37CSMA/CD的要点在一帧传输完成后的时刻t0，想要发送的站点都可以尝试发送 如两个或多个站点同时发送则发生冲

17、突 判断出冲突后，立即停止发送，并延时一个随机时隙数后，通常其中的一个站点将发送成功 数据链路层与局域网38冲突的检测信号电平法基于基带传输，两个帧信号叠加后，电压大一倍自收自发检测法在发送数据的同时也在接收，并逐个比特比较数据链路层与局域网39“轮流” MAC协议信道划分 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!数据链路层与局域网40“轮流” MAC协议轮询: 主节点“邀请”从节点依次传输关注问题:轮询开销时

18、延单点故障(主节点)masterslavespolldatadata数据链路层与局域网41令牌传递: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)Tdata(nothingto send)T数据链路层与局域网42MAC协议小结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 802.11中轮流从中心站点轮询，令牌传递数据链路层与局域网43第5章

19、链路层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 集线器和交换机5.7 PPP5.8 链路虚拟化: ATM和MPLS数据链路层与局域网44地址转换问题两台机器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IP4IAPAHA4HA3HA2HA5PBIP5ABIP2R1R2以太网 2以太网 1FDDI 网IP 层上的互联网IP 数据报MAC 帧IBIP3IP1IP6IP1IP6IP1IP6MAC 帧MAC 帧问题： A如何从B的IP地址得到它的物理地址PB？数据链路层

20、与局域网45MAC地址和ARP32-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中数据链路层与局域网46LAN 编制和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1A-2F-BB-76-09-AD58-23-D7-FA-20-B00C-C4-11-6F-E3-9871-65-F7-2B-08-53 LAN(有线的或无线的)数据链路层与局域网47LAN地址(续

21、)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) 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数据链路层与局域网48ARP: 地址解析协议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)问题: 已知B的IP地址怎样决定B的MAC地址?1A-2F-BB-76-09-AD58-23-D7-FA-20-B00C-C4-11-

22、6F-E3-9871-65-F7-2B-08-53 LAN237.196.7.23237.196.7.78237.196.7.14237.196.7.88数据链路层与局域网49ARP协议: 相同的LAN (网络)A要向B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”

23、:节点创建它们的ARP表无需网络管理员干预数据链路层与局域网50选路到另一个LAN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 source Host, find router 111.111.111.110In ARP table at source, find MAC address E6-E9-00-17-BB-4B, etcARB数据链路层与局域网51A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

24、地的链路层帧,帧包含A-to-B IP 数据报A的适配器发送帧R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ARB数据链路层与局域网52第5章 链路层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 集线器和交换机5.7 PPP5.8 链路虚拟化: ATM和MPLS数据链路层与局域网53以太网“占支配性的” 有线LAN技术: 100Mbs网卡低于$20!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 M

25、etcalfe的以太网草图数据链路层与局域网54星型拓扑直到20世纪90年代，总线拓扑结构为流行结构目前星型拓扑流行连接的选择: 集线器或交换机 (详情见后)交换机位于中心位置结点之间没有冲突switchbus: coaxial cablestar数据链路层与局域网55以太网帧结构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，发送方时钟速率数据链路层与局域网56以太网帧结构(续)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

26、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，该帧就被丢弃类型：表示上层使用的协议如IP协议为800H，ARP协议为806H数据链路层与局域网57数据字段/填充字段 为保证帧的最短长度为64个字节 即：在数据字段长度为0时 两个地址（12字节）+ 长度（2个字节）+ 填充字节+校验和（4个字节）= 64 18字节+ 填充字节 = 64 填充字节 = 46 所以填充字节为：0 46字节 数据链路层与局域网58为什么帧的最短长度为64个字节 为了确认发送帧是否正确到达目的站

27、点，必须保证可能的冲突信号返回时帧的发送尚未结束，如在2 内没有冲突信号返回，则发送成功，如果发送端在2时间内帧已经发送结束，则即使冲突也无法检测，即最短帧长应与2相当 数据链路层与局域网592的计算在极限条件下，802.3局域网中发送方和接收方间允许接有4个中继器，最大距离为2500 m，往返5000 m，在传输速率为10M bps 条件下，如果在信号传播过程的尽头发生冲突，往返的时间大约需要50s，再考虑一些安全余量以及 2的整次幂的因素，所以通常取51.2 s为争用时隙的时间长度（51.2 s即传输512 bit，即64字节所耗费的时间），所以帧的长度至少为64个字节数据链路层与局域网6

28、0曼彻斯特编码用于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!数据链路层与局域网61不可靠, 无连接服务无连接: 在发送和接收适配器之间没有握手不可靠: 接收适配器不向发送适配器发送应答或否定应答传送给网络层的数据报流可能有间隙如果应用程序使用TCP,间隙将能弥补否则，应用程序将看到该间隙数据链路层与局域网62以太网使用CSMA/CD无时隙如果适配器感知到某些其他适配器正在传输，它不传输，即载波侦听当传输适配器感知另一个适配器正在传输，就中止, 即碰撞检测在尝试重传之前，适配器等待一段随机的时间, 即随机访问数据链路层

29、与局域网63以太网CSMA/CD算法1. 适配器从网络层接收数据报并生成帧2. 如果适配器感知信道空闲，它开始传输帧.如果它感知信道忙，等待信道空闲再传输3. 如果适配器传输整个帧而不检测另一个传输，该适配器已经处理完帧 !4. 如果适配器传输过程中检测到另一次传输, 中止并发送强化冲突信号5. 中止后, 适配器进入指数回退: 在第m次碰撞后, 适配器随机地从0,1,2,2m-1选择一个K值。适配器等待K512 比特时间并返回到第二步数据链路层与局域网64以太网的CSMA/CD (续)强化冲突信号: 确保所有的其他传输方都知道碰撞; 48 bit比特时间: 对10 Mbps 以太网是 0.1

30、s; 对K=1023, 等待时间约为50 msec 指数回退 : 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数据链路层与局域网65CSMA/CD效率tprop = LAN中的2站点之间的最大传播时间ttrans = 传输最长帧的时间随着tprop 趋于0, 效率趋于1随着ttrans 趋于无穷大，效率趋于1比ALOHA好得多, 而且分布、简单且便宜效率 随着 a=tprop/ttrans as ttrans 数据链路

31、层与局域网66802.3 以太网标准:链路层k&物理层many different Ethernet standardscommon MAC protocol and frame formatdifferent speeds: 2 Mbps, 10 Mbps, 100 Mbps, 1Gbps, 10G bpsdifferent physical layer media: fiber, cableapplicationtransportnetworklinkphysicalMAC protocoland frame format100BASE-TX100BASE-T4100BASE-FX100B

32、ASE-T2100BASE-SX100BASE-BXfiber physical layercopper (twisterpair) physical layer数据链路层与局域网6710BaseT和100BaseT10/100 Mbps速率; 后来被称为 “快速以太网”T 表示双绞线(Twisted Pair)节点连接到一台集线器: “星型拓扑”; 在节点和集线器之间的最大距离为100twisted pair集线器数据链路层与局域网68集线器集线器基本上是物理层中继器 :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双绞

33、线集线器数据链路层与局域网69局域网的广播域和冲突域局域网的广播域（共享域、冲突域）HUBHUBHUB所有主机均在192.168.25.0网段，掩码为255.255.255.0冲突域广播域数据链路层与局域网70交换式局域网交换式局域网通常以百兆以太网交换机或千兆以太网交换机作为局域网的核心交换设备，交换机的每个端口都可用于连接一个网段或一台主机每个端口连接的网段形成一个冲突域，端口之间帧的传输不受CSMA/CD的限制交换机上不同类型的端口支持不同类型的传输介质，不同类型的端口其最大传输距离也不尽相同数据链路层与局域网71Fast Ethernet（802.3u）结构简单，兼容性好，价格相对低廉

34、双速10/100 Mb/s MAC功能（自动协商 ）优选全双工操作，采用星型连接方式提供对cat3、cat5和STP（屏蔽双绞线）的支持，也支持光纤介质，但不支持同轴电缆采用 4B/5B的二进制编码数据链路层与局域网72局域网的广播域和冲突域使用网桥和交换机来分隔网段缩小冲突域HUBHUBHUB分成3个网段所有主机均配置在192.168.25.0子网掩码为255.255.255.0Switch冲突域广播域数据链路层与局域网73Gigabit Ethernet（802.3z）千兆以太网支持两种工作模式： 全双工工作模式使用两根信道，通常是光纤，不会产生冲突传输距离取决于信号的衰减半双工模式允许使

35、用共享设备（如HUB），采用CSMA/CD机制来实现信道的共享传输距离必须考虑冲突检测，即必须考虑时隙问题千兆以太网的标准802.3z，1998年6月公布数据链路层与局域网74802.3z的两个特性载波扩展短帧突发 802.3z允许链路中使用共享设备（如HUB），为进行冲突检测，则帧的传输时间必须大于最长距离的信号往返的传播时间，即2为保证与HUB的最长距离允许为100 m， 802.3z把时隙定为4.096 s（传输4096比特的时间），为与802.3及802.3u兼容，不能增加最小帧的长度，所以采用了载波扩展技术又为了提高有效数据的传输率，还采用了短帧突发技术数据链路层与局域网75载波扩展

36、为保证与802.3及802.3u兼容，不能增加最小帧的长度，即最小帧的长度仍为64 Byte，但在帧传输完后，如尚未到达4.096 s时，则以载波信号充斥其余时间传输速率 M bps往返距离 m一个时隙2 内可传输的Byte802.310500064 B（51.2 s ）802.3u10050064 B （5.12 s ）802.3z1000400512 B （4.096 s ）数据链路层与局域网76千兆以太网的帧格式千兆以太网的最短帧长与时隙不相关采用载波扩展技术最小帧长为 64Byte = 512Byte载波持续长度7166246 15004448 0先导字段帧起始符目的地址源地址类型/长

37、度数 据FCS扩展对小于64Byte的以太帧，本来就必须填充，与千兆以太网格式无关数据链路层与局域网77载波扩展带来的问题如长度为64 Byte的短帧，都必须在512 Byte的时隙内传输，将严重影响性能，其信道效率为：64 Byte的短帧扩展成512 Byte，如冲突在前64 Byte 之后，帧的重发将是无意义的帧长64 B=64=12%扩展成512 B + 帧前导8 B + 帧间隙12 B532数据链路层与局域网78短帧突发当短帧突发时，让一个站发送多个帧，而只对第一个帧进行载波扩展，紧接着发送后面的帧，这些帧毋需载波扩展时隙4096 bit8192字节突发中启动最后帧的最大时间前导SFD

38、MAC帧1扩展如有需要IFG前导SFDMAC帧2IFG前导SFDMAC帧3 IFG前导SFDMAC帧4IFG（Inter Frame Gap）：帧间隔数据链路层与局域网79第5章 链路层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 集线器和交换机5.7 PPP5.8 链路虚拟化: ATM和MPLS数据链路层与局域网80用集线器互联主干集线器互联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不能互联10BaseT和100BaseT，所有的端口速率相同集线器集线器集线器集线器数据链路层与局域网81交换机链路层设备存储并转发以太

39、网帧检查帧首部并基于MAC目的地址选择性地转发 帧当帧 在网段上转发时，使用CSMA/CD 访问网段透明主机不知道交换机的存在即插即用, 自学习交换机不必配置数据链路层与局域网82转发 怎样决定向哪个LAN段上转发帧呢? 看起来像选路问题.集线器集线器集线器交换机123数据链路层与局域网83Switch: 允许多路同时传输主机使用专线，直接连到交换机交换机缓存分组以太协议用于每个入链路, 但不会产生冲突; 全双工每个链路有它自己的冲突域 switching: A-to-A and B-to-B 同时进行, 没有冲突 对于HUB则不可能AABBCCswitch with six interfac

40、es(1,2,3,4,5,6) 123456数据链路层与局域网84Switch TableQ: how does switch know that A reachable via interface 4, B reachable via interface 5?A: each switch has a switch table, each entry:(MAC address of host, interface to reach host, time stamp)looks like a routing table!Q: how are entries created, maintained

41、 in switch table? something like a routing protocol?AABBCCswitch with six interfaces(1,2,3,4,5,6) 123456数据链路层与局域网85Switch: self-learningswitch learns which hosts can be reached through which interfaceswhen frame received, switch “learns” location of sender: incoming LAN segmentrecords sender/locatio

42、n pair in switch tableAABBCC123456A ASource: ADest: AMAC addr interface TTLSwitch table (initially empty)A160数据链路层与局域网86数据转发工作原理算法如目的站点所属LAN和源站点所属LAN相同，则丢弃该帧 如目的站点所属LAN和源站点所属LAN不同，则转发该帧 如目的站点所属LAN未知，则进行扩散每个SWITCH都有一张散列表（即路由表），用来存放目的站点所属的LAN，该张散列表通过自学习法建立，并且是动态维护的 数据链路层与局域网87过滤/转发当交换机 收到1帧:使用MAC目的地址索

43、引交换机表if 找到目的地项then if 目的地位于帧到达的段 then 丢弃帧 else 在指示的接口转发该帧 else 洪泛 向所有接口(除了该帧到达的)转发该帧数据链路层与局域网88交换机例子假定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接收帧集线器集线器集线器交换机ABCDEFGHI地址接口ABEG1123123数据链路层与局域网89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ABCDEFGHI地址接口ABEGC11231数据

44、链路层与局域网90交换机: 流量隔离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集线器集线器集线器交换机碰撞域碰撞域碰撞域数据链路层与局域网91机构网络集线器集线器集线器交换机到外部网络路由器IP 子网相同的广播域邮件服务器Web服务器数据链路层与局域网92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(检查网络层首部)交换机是链路层设备路由器维护选路表，实现选路算法交换机维护交换机表, 实现过滤、学习算法数据链路层与局域网93连接不同网段从802.x 到802.y 的局域网桥网桥PktPkt802.yPkt802

45、.yPkt802.xPkt802.xPkt802.xPktPktPkt802.xPkt802.x主机APkt802.y网络层LLCMAC物理层PktPktPkt802.yPkt802.y主机B802.x 局域网802.y 局域网LLC头数据链路层与局域网94对比小结 集线器 路由器 交换机流量隔离 no yes yes即插即用 yes no yes优化选路 no yes no直通 no no yes隔离广播 no yes no数据链路层与局域网95第5章 链路层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 集线器和交换机5.7 PPP5.8

46、 链路虚拟化: ATM和MPLS数据链路层与局域网96点对点链路层控制一个发送方、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编制如拨号链路、ISDN链路流行的点对点DLC协议:PPP (point-to-point协议)HDLC: 高级数据链路控制 (数据链路过去被认为位于协议栈的“高层”!数据链路层与局域网97PPP 设计要求RFC 1557分组成帧: 在数据链路帧中封装网络层数据报在相同时间承载任何网络层协议(不止是IP)的网络层数据向上分解的能力透明性: 在数据字段必须承载任何比特模式差错检测 (不纠正)连接活跃性: 对网络层检测、通知链路故障网络层地址协

47、商: 端点能学习/配置每个其他网络地址数据链路层与局域网98PPP不要求无纠错/恢复无流量控制允许失序交付不必支持多点链路 (如轮询)差错恢复, 流量控制, 数据重排序所有都移交到较高层!数据链路层与局域网99PPP数据帧标志: 定界符(成帧)地址: 不起作用 (仅是一个选项)控制:不起作用 ; 以后可能多控制字段协议: 该帧交付的高层协议 (如 PPP-LCP, IP, IPCP等) 可变长度标志标志控制地址协议信息校验数据链路层与局域网100PPP数据帧信息: 高层承载的数据校验: 对差错检测的冗余循环校验可变长度标志标志控制地址协议信息校验数据链路层与局域网101字节填充 “数据透明性”

48、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: 标志字节数据链路层与局域网102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数据链路层与局域网103PPP数据控制协议在交换网络层数据前，数据链路对等方必须配置PPP链路(最大的帧 长度，鉴别)得知/配置网络层信息对IP: 承载IP控制协议 (IPCP)报文(协议字段: 8021)以配置/得知IP地址数

49、据链路层与局域网104面向比特的填充HDLC 的基本工作原理 最早由IBM SNA提出SDLC（Synchronous Data Link Control）ISO根据SDLC，提出了HDLC（High level Data Link Control） HDLC是面向bit的同步通信协议 数据链路层与局域网105HDLC的帧格式8bit88=016801111110地址控制数据校验和01111110帧标志序列即01111110，作为帧的分隔标志，如线路空闲，则用标志序列填充，用位插入方法实现透明传输地址域在总线型多终端情况下，是终端的站号；在点对点的情况下，用来标志命令和响应控制域定义帧的类型、

50、序号等和其它一些功能数据域用户数据，长度任意校验和CRC码，ISO和CCITT有相似的生成多项式 数据链路层与局域网106HDLC的帧类型HDLC的帧有三种类型，不同的类型其控制域的定义有些不同信息帧（I）监控帧（S）无序号帧（U）10TypeP/FNext11TypeP/FNext0SeqP/FNext数据链路层与局域网107监控帧Supervisory Frame 监控帧 有四种格式1000P/F捎带确认号1001P/F捎带确认号1010P/F捎带确认号1011P/F捎带确认号RRRNRREJSREJ数据链路层与局域网108接收准备好RR（Receive Ready）：接收准备好即确认Ne

51、xt-1及Next-1帧以前的所有帧，并准备好接收Next帧 数据链路层与局域网109接收未准备好RNR（Receive Not Ready）：接收未准备好即确认Next-1及Next-1帧以前的帧，并要求发送方停止发送 数据链路层与局域网110拒绝接收REJ（REJect）：拒绝接收即否定性确认，确认Next-1及Next-1帧以前的所有帧，并要求重发Next及Next以后的所有帧 数据链路层与局域网111选择性拒收SREJ（Selective REJect）：选择性拒收即否定性确认，确认Next-1及Next-1帧以前的所有帧，但仅要求重发Next帧（此类型在SDLC及LAPB中不允许）

52、数据链路层与局域网112虚拟局域网VLANVLAN基于交换技术VLAN的划分VLAN的技术特点VLAN是采用交换机技术，将原有网络分成若干个逻辑上的子网，逻辑子网也具有物理子网相同的网络性能，一个VLAN是一个广播域数据链路层与局域网113VLAN基于交换技术VLAN技术属交换机的技术交换机将维护一张交换表交换表是交换端口的编号、MAC地址和所连接主机的MAC地址的关联表交换表可以静态配置，也可以动态维护数据链路层与局域网114虚拟局域网VLANVLAN基于交换技术VLAN的划分VLAN的技术特点VLAN是采用交换机技术，将原有网络分成若干个逻辑上的子网，逻辑子网也具有物理子网相同的网络性能，

53、一个VLAN是一个广播域数据链路层与局域网115按端口划分按交换机的端口来配置（静态）InternetR-Net:192.168.25.0 掩码为 255.255.255.0Building #1Building #2B-Net:192.168.28.0 掩码为 255.255.255.0交换机端口编号：Port: 0/1 0/3Port: 1/1 1/8VLAN交换机端口号R-Net251/11/21/41/71/8B-Net281/31/51/6数据链路层与局域网116按MAC地址划分按主机的MAC地址来配置（动态）必须先为每个注册用户（MAC）划分VLANVLAN主机的MACR-Net2

54、5121235415121238923483756304537848445546372896745424872064821B-Net28246879015426987461200455357878840212InternetR-Net:192.168.25.0 掩码为 255.255.255.0Building #1Building #2B-Net:192.168.28.0 掩码为 255.255.255.0交换机端口编号：Port: 0/1 0/3Port: 1/1 1/8数据链路层与局域网117按主机的IP地址划分按主机的IP地址来配置（动态）必须先为每个注册用户（IP）划分VLANVLA

55、N主机的IP地址R-Net25192.168.25.41192.168.25.42192.168.25.43192.168.25.44192.168.25.45B-Net28192.168.28.65192.168.28.66192.168.28.67InternetR-Net:192.168.25.0 掩码为 255.255.255.0Building #1Building #2B-Net:192.168.28.0 掩码为 255.255.255.0交换机端口编号：Port: 0/1 0/3Port: 1/1 1/8数据链路层与局域网118VLAN的技术特点提高网络的可管理性，便于建立虚拟工

56、作组不同物理网络中的主机可定义在同一个VLAN内， 同一物理网络内的主机也可定义在不同的VLAN中提高网络的安全性不在一个VLAN中的主机，无法监听有效地避免广播风暴，以提高信道利用率，并降低路由器的投资成本在一个物理网络（一个路由器端口连接的网络）内可划分多个逻辑子网减少主机因网络逻辑拓扑改变而在物理上的移动数据链路层与局域网119以太帧中的VLAN标志域802.1Q 的以太帧格式802.3D-MACS-MACLengthDataPadFCS802.1QD-MACS-MACVLANIDTagLengthDataPadFCSPriorityCFIVLAN Identifier802.3和802

57、.1Q以太帧格式最大帧长为1522 Bytes 2B 2B 3b 1b 12b数据链路层与局域网120802.1Q 的以太帧格式说明VLAN-ID 16 bitVLAN协议标识，恒为0 x8100Priority 3 bitPriority，暂且保留CFI 1 bit标准格式标志位VLAN Identifier 12 bitVLAN标识，VLAN编号数据链路层与局域网121与802.3标准兼容802.3协议包括：802.3 10M bps的以太网协议802.3u 100M bps的快速以太网协议802.3z 1000M bps的千兆以太网协议千兆以太网的网卡已支持VLAN可识别和生成帧长为15

58、22 Bytes的帧802.3的帧长为1518 Bytes数据链路层与局域网122传统帧格式与VLAN兼容VLAN标志是供交换机（网桥）来识别该帧的源站点主机属哪个VLAN目前使用的网卡基本都对VLAN不敏感，即不允许帧长超过1518 Bytes：既不能识别或也不能生成VLAN标志如一个VLAN涉及多台交换机，则在帧的传输中，第一台VLAN敏感的交换机负责在帧格式中添加VLAN标志，并由最后一台交换机删除VLAN标志对VLAN 敏感（aware）的和不敏感的交换机必须允许混合使用数据链路层与局域网123VLAN的标志各主机所属VLAN由交换机识别，送给主机的帧格式中毋需添加VLAN标志Inte

59、rnetR-Net:192.168.25.0 掩码为 255.255.255.0Building #1Building #2B-Net:192.168.28.0 掩码为 255.255.255.0交换机端口编号：Port: 0/1 0/4Port: 1/1 1/8ServerSwitchRouter数据链路层与局域网124VLAN的标志（续）两台交换机间要传输VLAN信息，帧格式中必须包含VLAN标志，这就是Trunk功能Y-Net1:192.168.25.0 掩码为255.255.255.0R-Net3:192.168.30.0 掩码为255.255.255.0B-Net2:192.168.

60、28.0掩码为255.255.255.0InternetSwitchRouterServer1Server2Trunk数据链路层与局域网125第5章 链路层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 集线器和交换机5.7 PPP5.8 链路虚拟化: ATM和MPLS数据链路层与局域网126网络的虚拟化资源的虚拟化: 在系统工程中一种强有力的抽象:计算例子：虚拟内存，虚拟设备虚拟机器: 如 java1960s/70s 的IBM VM操作系统层次抽象：不必关心较低层的细节，仅抽象地处理较低层数据链路层与局域网127因特网: 虚拟化的网络197