计算机网络-第5周数据链路层

1、计算机网络主讲教师：杜育松资讯管理学院 2013年第二学期 上一次课的学习要点数据链路层的三个基本问题点对点协议 PPP 用户宽带拨号接入ISP使用点对点协议PPP使用广播信道的数据链路层 以太网是世界上第一个局域网产品规约 CSMA/CD 协议第 3 章 数据链路层（续）3.3 (再理解)CSMA/CD协议3.4 使用广播信道的以太网 3.4.1 使用集线器的星形拓扑 3.4.2 以太网的信道利用率 3.4.3 以太网的 MAC 层3.5 扩展的以太网3.5.1 在物理层扩展以太网CSMA/CD中的9个概念MA多点接入CS载波监听CD碰撞检测争用期截断二进制指数类型退避算法10 Mb/s 以

2、太网的争用期长度为512比特小于 64 字节的帧是无效帧人为干扰信号帧间最小间隔再理解CSMA/CD协议1/4MA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。在总线上，站点同时发送数据时数据会发生碰撞，碰撞后数据变得无用。因此，总线上的站点要避免发生碰撞。为了在总线上避免发生碰撞，采用CS载波监听机制，即每一个站在发送数据之前先检测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。 即使有CS载波监听机制也不能避免总线上的数据发生碰撞。CD碰撞检测，即站点边发送数据边检测总线上是否发生碰撞，非常必要。再理解CSMA/CD协议2/4根据CD碰撞检测机制检测到

3、碰撞时，站点(适配器)要立即停止发送，免得浪费网络资源。总线上，从数据发生碰撞到站点接收到“发生碰撞”这一消息要经过一定的传播时延。通过数学模型证明，站点在发送数据帧后至多经过两倍的端到端时延或端到端往返时延 ，即2 时间，就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。端到端往返时延 2 被称为争用期。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。 再理解CSMA/CD协议3/4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。否则，同时立即发送又会造成碰撞。这个随机时间根据截断二进制指数类型退避算法计算决定。每一个局域网的规模不同，每一条总线的长度不同，进而争

4、用期长短也不尽相同。为此， CSMA/CD协议以最保守的估计统一了争用期长度，即在10 Mb/s 以太网中，一个争用期长度为发送512比特(64字节)所需的发送时延，也即51.2 s。再理解CSMA/CD协议4/4总线上的站点检查到发生冲突一定是在发送的前 64 字节的时间之内。因此，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。 当发送数据的站发现发生了碰撞时，除立即停止发送数据，还应再继续发送若干比特(例如，32比特或48比特)的人为干扰信号，以便让所有站点都知道现在已经发生了碰撞。 10 Mb/s 以太网规定了帧间最小间隔为9.6 s，即96比特，这样可以使刚刚收到帧的站点的

5、接受缓存来得及清理，做好接受下一帧的准备。CSMA/CD中的1个数学模型1 kmABt碰撞t = 2 A 检测到发生碰撞 t = B 发送数据B 检测到发生碰撞 t = t = 0单程端到端传播时延记为 这个数学模型告诉我们，站点在发送数据帧后至多经过两倍的端到端时延或端到端往返时延 ，即2 时间，就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。CSMA/CD中的1个算法截断二进制指数类型退避算法从整数集合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 r 倍的基本退避时间(2) 。参数 k 按下面的公式计算： k = Min重传次数, 10当 k 10 时，参数 k 等于重传次数

6、。当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。 课本3-26题表明，按照该退避算法，两个站点发送数据发生碰撞时，一个站点重发数据直至成功的平均(期望)重发次数大约为1.64。CSMA/CD中的工作流程(1) 准备发送前载波监听。若检测到总线空闲96比特时间则发送数据帧，否则一直检测。(2) 发送数据帧时不断碰撞检测，看总线上的数据是否发生碰撞。 (2.1)若不发生碰撞则发送成功，重新回到(1) (2.2)若发生碰撞则立即停止发送，并发送干扰信号，然后按照退避算法执行退避。 (2.2.1)退避时间到达后重新回到(1) (2.2.2)退避重发达16次仍不能成功，终止报错 CSMA/CD

7、协议的意义接入到以太网的计算机都可以向总线上发送数据。但是只要有一台计算机正在发送数据，总线的传输资源就被占用。其他计算机不能再发送数据，否则就会发生碰撞，使得所有数据变得无用。如何协调总线上各计算机的工作，尽可能地利用好通信资源是非常重要的问题。以太网采用载波监听多点接入/碰撞检测CSMA/CD来解决这一问题。CSMA/CD协议的缺点使用 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，即半双工通信。每台主机在发送数据之后的一小段时间内，都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。CSMA/CD协议没有考虑安全性问题。

8、CSMA/CD协议总览CSMA/CD协议中的9个概念CSMA/CD协议中的1个数学模型CSMA/CD协议中的1个算法CSMA/CD协议的工作流程CSMA/CD协议的意义CSMA/CD协议的缺点3.4 使用广播信道的以太网3.4.1 使用集线器的星形拓扑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。双绞线的两端使用RJ-45插头。使用双绞线的以太网采用星形拓扑，在星形的中心则增加了一种的设备，叫做集线器(hub) 。集线器上包含了多个RJ-45插头，多条双绞线可同时插在集线器上使用。同轴电缆、双绞线和集线器使用集线器的双绞线以太网 集线

9、器两对双绞线站点RJ-45 插头星形网 10BASE-T 以集线器为中心的以太网形成星形的网络结构。这种星形网通常用10BASE-T表示，其中10代表该网络的数据率有10Mb/s，BASE代表连接线上的信号形式，T代表双绞线。10BASE-T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。10BASE-T 的通信距离稍短，每个站到集线器的距离不超过 100 m。集线器的特点 集线器很像一个多接口的转发器，工作在物理层。它使用电子器件来模拟实际电缆线的工作，每个接口仅仅简单地转发比特，而不进行碰撞检测。因此，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/C

10、D 协议，并共享逻辑上的总线。一些集线器可以检测到在总线上出故障的网卡(例如，不停地发送帧)，在集线器内部断开与出故障的网卡的链接，并以指示灯提示。 具有三个接口的集线器 集线器网卡工作站网卡工作站网卡工作站双绞线集线器的特点 集线器很像一个多接口的转发器，工作在物理层。 因为集线器使用电子器件来模拟实际电缆线的工作，它的每个接口仅仅简单地转发比特，而不进行碰撞检测，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。 3.4.2 以太网的信道利用率发送一帧的平均时间 一个帧从开始发送，经过可能发生的

11、碰撞后，退避若干个争用期，再重传数次，直到发送成功且信道转为空闲为止，是发送一帧所需的平均时间。 发 送 成 功 争用期 争用期 争用期 222T0t占用期 发生碰撞 发送一帧所需的平均时间以太网的信道利用率 发送一帧所需的平均时间中，真正利用信道的时间只有T0 + 。要提高以太网的信道利用率，就必须减小 与 T0 之比a，即以太网单程端到端时延 与帧的发送时延 T0 之比： 其中，L是帧长，而C是发送速率。 对以太网参数的要求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

12、。 上述这个数学模型告诉我们，一方面，当数据率一定时，以太网的连线的长度不能太长，否则 的数值会太大；另一方面，以太网的帧长不能太短，否则 T0 会太小，使 a 太大。 3.4.3 以太网的 MAC 层1. MAC 层的硬件地址 总线上的每一台的计算机都能检测并判断数据帧是否是发给自己的，即要不要接受。要实现这一点，需要MAC 层的硬件地址 。硬件地址又称为物理地址，或 MAC 地址。 802 标准所说的“地址”严格地讲应当是每一个站的“名字”或标识符。 但鉴于大家都早已习惯了将这种 48 位的“名字”称为“地址”，所以课本也采用这种习惯用法，尽管这种说法并不太严格。MAC 地址MAC地址用4

13、8个比特(6个字节)表示，实际上是网络适配器地址或网卡的标识符。48 位的 MAC 地址IEEE 的注册管理机构 RA 负责向厂家分配地址字段的前三个字节(即高位 24 位)，称为组织唯一标识符。地址字段中的后三个字节(即低位 24 位)由厂家自行指派，称为扩展标识符，必须保证生产出的适配器没有重复地址。这种 48 位地址称为 MAC-48，它的通用名称是EUI-48(扩展唯一标识符-48)。厂商在生产网络适配器时，48 位的 MAC 地址就被固化在网络适配器的只读存储(ROM)中。因此，MAC地址也叫做物理地址或硬件地址。查看计算机的MAC地址在Windows7操作系统中，可以在“网络连接状

14、态”中的“详细信息”中查看到该网络连接所使用的网卡的MAC地址。在Windows7操作系统中，要想查看本台计算机上所有网卡的MAC地址，可以打开“命令提示符”对话窗，输入“ipconfig /all”命令，即可看到本台计算机上所有网卡的MAC地址。适配器检查 MAC 地址 以太网中的帧包含MAC地址，因此以太网中的帧被称为MAC帧。适配器从网络上每收到一个 MAC 帧就首先用硬件检查 MAC 帧中的 MAC 地址。如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他的处理，否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。在混杂模式下，网络适配器只要检测到以太网上的数据帧就接受下来，而不管这些帧要被发网那个站。这种混

15、杂模式也是进行网络“窃听”的基础之一。以太网 MAC 帧物理层MAC层10101010101010 11前同步码帧开始定界符7 字节1 字节8 字节插入IP层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报MAC 帧2. MAC 帧的格式 以太网的 MAC 帧格式 特快专递邮件详情单 MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网 V2 的 MAC 帧格式目的地址字段 6 字节MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网 V2 的 MAC 帧格式源地

16、址字段 6 字节MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网 V2 的 MAC 帧格式类型字段 2 字节类型字段用来标志上一层使用的是什么协议，以便把收到的 MAC 帧的数据上交给上一层的这个协议。 MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网 V2 的 MAC 帧格式数据字段 46 1500 字节数据字段的正式名称是 MAC 客户数据字段最小长度 64 字节 18 字节的首部和尾部 = 数据字段的最小长度 MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据F

17、CS6624字节46 1500IP 数据报以太网 V2 的 MAC 帧格式FCS 字段 4 字节当传输媒体的误码率为 1108 时，MAC 子层可使未检测到的差错小于 11014。 当数据字段的长度小于 46 字节时，应在数据字段的后面加入整数字节的填充字段，以保证以太网的 MAC 帧长不小于 64 字节。 以太网 V2 的 MAC 帧格式课件制作人：谢希仁MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报10101010101010 11前同步码帧开始定界符7 字节1 字节8 字节插入在帧的前面插入的 8 字节中的第一个字段共 7 个字节，

18、是前同步码，用来迅速实现 MAC 帧的比特同步。第二个字段是帧开始定界符，表示后面的信息就是MAC 帧。 为了达到比特同步，在传输媒体上实际传送的要比 MAC 帧还多 8 个字节无效 MAC 帧的情况 帧的长度不是整数个字节；用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错；数据字段的长度不在 46 1500 字节之间，或者MAC 帧长度不在 64 1518 字节之间。对于检测出的无效 MAC 帧，网络适配器将其简单丢弃。以太网也不负责重传丢弃的帧。 3.5 扩展的以太网上面说到，10BASE-T 的通信距离稍短，每个站到集线器的距离不超过 100 m，即两个主机之间的距离不超过 200m。想要更多的相距较远的计算机连接在以太网上，就必须对以太网进行扩展。一方面，可以在物理层扩展以太网；另一方面，也可以在数据链路层扩展以太网。这种扩展后的以太网一般被认为仍然是一个网络。因为它们之间没有经过路由器的连接。3.5.1 在物理层扩展以太网主机使用光纤和一对光纤调制解调器连接到集线器可以实现扩展以太网。以太网集线器光纤光纤调制解调器光纤调制解调器用多个集线器可连成更大的以太网某大学有三个系，各自有一个局域网三个独立的碰撞域一系二系三系碰撞域碰撞域碰撞域用集线器组成更大的以太网都在一个碰撞域中一系三系二系主干