数据链路层2课件

局域网定义：目前没有统一定义；局域网是由单一机构所使用的专用计算机网络。局域网组成：局域网硬件系统（包括网络服务器、网络工作站及各种网络组件）和局域网软件系统（网络操作系统及相关网络软件）组成。网络所覆盖的地理范围比较小；数据的传输速率比较高；具有较低的延迟和误码率；支持多对多的数据通信，多采用分布式控制和广播式通信5.6.15.6局域网北京化工大学北方学院信息院2局域网的拓扑结构5.6局域网概述星形网。近年来由于集线器(hub)的出现和双绞线大量用于局域网中，星形以太网以及多级星形结构的以太网获得了非常广泛的应用。北京化工大学北方学院信息院环形网，环形拓扑由一些中继器（干线耦合器是一种中继器）和连接中继器的点到点链路首尾相连形成一个闭合的环。最典型的就是令牌环形网(tokenring)，它又称为令牌环。北京化工大学北方学院信息院1.IEEE802

局域网的发展需要，1980年2月成立IEEE802委员会，制定了一系列局域网标准，称为IEEE802标准。它在OSI/RM、TCP/IP（广域网）之后。局域网不用网络层。IEEE802委员会制定的标准被ISO采用为ISO8802。

2.分层按IEEE802标准，局域网体系结构由物理层、介质访问控制子层（MAC-MediaAccessControl）和逻辑链路子层LLC(LogicalLinkControl)组成3局域网体系结构北京化工大学北方学院信息院应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层OSI参考模型传输媒体物理层物理层传输媒体MAC子层LLC子层MAC子层LLC子层高层协议

局域网参考模型高层协议高层协议北京化工大学北方学院信息院1、OSI/RM的物理层与局域网模型的物理层相当2、OSI/RM的数据链路层与局域网模型的LLC+MAC相当3、LLC层与传输介质无关，适合各种类型的局域网

MAC层与传输介质有关，它和网络的拓扑形式、传输介质的类型、介质的访问控制方式有直接关系4、*LLC层的主要作用：为高层协议提供相应的接口，即一个或多个服务访问点，并进行流量和差错控制。

MAC层的主要作用：装/拆帧、地址识别和差错检测

（丢弃出错的帧）、管理和控制对传输媒体的访问说明：北京化工大学北方学院信息院IEEE802标准内部关系802.10可互操作的局域网的安全机制802.1体系结构与网络互连802.2逻辑链路控制层（LLC）802.3CSMA/CDMAC物理层802.4TokenBusMAC物理层802.5TokenRing

MAC物理层802.6MANMAC物理层802.8FDDIMAC802.11无线局域网数据链路层物理层4IEEE802局域网标准北京化工大学北方学院信息院IEEE802局域网实现模型IEEE802.2逻辑链路控制（LLC）IEEE802.3CSMA/CD物理层ISO/OSI高层物理层数据链路层IEEE802.4令牌总线网IEEE802.5令牌环网MAC子层LLC子层TCP/IPIPXNetBEUI4IEEE802局域网标准5.6.2以太网与IEEE802.3北京化工大学北方学院信息院1．802.3物理层规范以太网在物理层可以使用粗同轴电缆、细同轴电缆、非屏蔽双绞线、屏蔽双绞线、光缆等多种传输介质，并且在IEEE802.3标准中，为不同的传输介质制定了不同的物理层标准。为了区分各种可选用的实现方案，该委员会给出了一种简明的表示方法，即：〈数据传输速率（Mpbs）><信号方式><最大段长度（百米）>如10BASE-5、10BASE-2中前面的10表示“数据传输速率”，BASE表示信号方式基带方式，最后面的5、2则分别表示这几种网络的最大网段长度为500m、200m。（2）10BASE-T10Base-T是以太网中常用的一种标准，“10”表示信号的传输速率为10Mbps，“Base”表示信道上传输的是基带信号，“T”是英文Twisted-pair（双绞线电缆）的缩写，说明是使用双绞线电缆作为传输介质，编码也采用曼彻斯特编码方式。5.6.2以太网与IEEE802.3（3）10BASE-F10BASE-F是IEEE802.3中关于以光纤作为媒体的系统的规范。该规范中，每条传输线路均使用一条光纤，每条光纤采用曼切斯特编码传输一个方向上的信号。每一位数据经编码后，转换为一对光信号元素（有光表示高、无光表示低）。5.6.2以太网与IEEE802.3为了通信的简便以太网采取了两种重要的措施。第一、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。第二、以太网发送的数据都使用曼彻斯特(Manchester)编码的信号。曼彻斯特(Manchester)编码信号自含同步信号。在每个码元的正中间出现一次电压的变换，而接收端很方便地把位同步信号提取出来。5.6.2以太网与IEEE802.3北京化工大学北方学院信息院CSMA/CD：CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection译文：带有冲突检测的载波监听多路访问CSMA的基本思想：当一个节点要发送数据时，首先监听信道；如果信道空闲就发送数据，并继续监听；如果在数据发送过程中监听到了冲突，则立刻停止数据发送，等待一段随机的时间后，重新开始尝试发送数据。“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，即总线型拓扑结构。“载波监听”：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”就是总线上计算机发送的数据信号。“冲突检测”就是计算机边发送数据边检测信道上是否发生了冲突802.3MAC层规范——CSMA/CD协议北京化工大学北方学院信息院2.802.3MAC层规范——CSMA/CD协议（1）当一个站点想要发送数据的时候，它检测网络查看是否有其他站点正在传输，即监听信道是否空闲。（2）如果信道忙，则等待，直到信道空闲；如果信道闲，站点就传输数据。（3）在发送数据的同时，站点继续监听网络确信没有其他站点在同时传输数据。因为有可能两个或多个站点都同时检测到网络空闲然后几乎在同一时刻开始传输数据。如果两个或多个站点同时发送数据，就会产生冲突。（4）当一个传输结点识别出一个冲突，它就发送一个拥塞信号，这个信号使得冲突的时间足够长，让其他的节点都能发现。（5）其他节点收到拥塞信号后，都停止传输，等待一个随机产生的时间间隙（回退时间，BackoffTime）后重发。北京化工大学北方学院信息院CSMA／CDCSMA／CD工作原理：发送前先监听信道是否空闲，若空闲则立即发送数据。在发送时，边发边继续监听。若监听到冲突，则立即停止发送。等待一段随机时间（称为退避）以后，再重新尝试。一旦出现两个站点同时发送的情况，如何处理？以上方法均无法处理！归结为四句话：发前先侦听，空闲即发送，边发边检测，冲突时退避。北京化工大学北方学院信息院1kmABt碰撞t=

B检测到信道空闲发送数据t=

/2发生碰撞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=ABABABt=0A检测到信道空闲发送数据ABt=0t=B检测到发生碰撞停止发送STOPt=2

A检测到发生碰撞STOPAB单程端到端传播时延记为

发送数据帧的A站，在发送数据帧后至多经过2就可知道所发送的数据帧是否发生了碰撞。因此以太网的端到端的往返时间2称为争用期，又称为碰撞窗口、时间槽。它是一个重要的参数，因为一个站在发送完数据后，经过争用期的考验，也就是说经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，就能肯定这次发送不会发生碰撞。5.6.2以太网与IEEE802.3数据帧从一个站点开始发送，到该数据帧发送完毕所需的时间和为“数据传输时延”；同理，数据传输时延也表示一个接收站点开始接收数据帧，到该数据帧接收完毕所需的时间。数据传输时延（s）=数据帧长度（bit）/数据传输速率（bps）。5.6.2以太网与IEEE802.35.6.2以太网与IEEE802.3例考虑一个使用CSMA/CD介质访问控制技术的100Mb/s局域网，若该网络跨距为1km，信号在网络上传播速度为200/µs；则能够使用此协议的最小帧长度为多少?最短帧长=2*任意两点间最大距离*数据传输速率/传播速度=2*1000*100/200=1000bit北京化工大学北方学院信息院截断二进制指数退避算法(truncatedbinaryexponentialtype)发生冲突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。确定基本退避时间，一般是取为争用期2。定义重传次数k

，k10，即k=Min[重传次数,10]，重传次数超过10时，k=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r倍的基本退避时间。当重传达16次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。

比如，……3．MAC层的硬件地址48位地址的通用名称为EUI-48。EUI表示扩展的唯一标识符（ExtendedUniqueIdentifier）。为了统一管理物理地址，保证其全球唯一性。IEEE注册委员会为每一个网卡生产厂商分配物理地址的前三字节，即机构唯一标志符。后面三字节(即低位24位)由厂商自行分配，称为扩展标识符，必须保证生产出的适配器没有重复地址。当一个厂商获得一个前三字节的地址就可以生产的网卡数量是224块，即一块网卡对应一个物理地址，也就是说对应物理地址的前三字节可以知道他的生产厂商。5.6.2以太网与IEEE802.35.6.2以太网与IEEE802.33．MAC层的硬件地址MAC地址与网卡的所在地无关。物理地址一般记作00-25-14-89-54-23(主机A的地址是3)。由于网卡是插在计算机中，因此MAC地址就可以用来标识插有网卡的计算机。北京化工大学北方学院信息院路由器1A-24-F6-54-1B-0E00-00-A2-A4-2C-0220-60-8C-C7-75-2A08-00-20-47-1F-E420-60-8C-11-D2-F6路由器由于同时连接到两个网络上，因此它有两块网卡和两个硬件地址。网卡上的硬件地址

5.6以太网（IEEE802.3）北京化工大学北方学院信息院网卡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。“发往本站的帧”包括以下三种帧：单播(unicast)帧（一对一）广播(broadcast)帧（一对全体）多播(multicast)帧（一对多）网卡检查MAC地址

5.6以太网（IEEE802.3）北京化工大学北方学院信息院5.6以太网（IEEE802.3）网卡上的硬件地址

北京化工大学北方学院信息院MAC帧格式

MAC地址的长度一般为6字节（48位），通过命令ipconfig/all可获得当前计算机网卡MAC地址5.6以太网（IEEE802.3）北京化工大学北方学院信息院MAC帧格式

MAC地址的高24位用来标识设备生产商，称为机构唯一标识符OUI。OUI由IEEE或者ISO这类机构进行分配，OUI的第一个字节的最低位是I/G,I/G=0,表示单播地址；I/G=1，表示多播地址。OUI第一个字节次低位G/I,G/I=0,表示是全局管理地址；G/I=1，表示是本地管理地址MAC地址的低24位用来标识每个生产商的联网设备，称为扩展标识符EI，由厂家自行分配但不能重复。5.6以太网（IEEE802.3）机构唯一标识符OUIG/II/G扩展标识符EI高24位低24位北京化工大学北方学院信息院第1最高位最先发送最低位最高位最低位最后发送001101010111100最低位最先发送最高位最低位最高位最后发送机构惟一标志符OUI扩展标志符高位在前低位在前十六进制表示的EUI-48地址：AC-DE-48-00-00-80二进制表示的EUI-48地址：第1字节第6字节I/G比特I/G比特字节顺序第2第3第4第5第6第1字节顺序第2第3第4第5第610101100110111100100100000802.5802.6802.3802.4802.5802.64．以太网帧结构5.6.2以太网与IEEE802.3前同步由7个同步字节组成，用于收发之间的时钟同步。帧开始界定符，位模式，表示帧的开始。目的地址是帧发往的站点地址，每个站点都有唯一地址。源地址是帧发送的站点地址。类型字段用来标识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这个协议。帧校验占4个字节，采用CRC码，用于校验帧传输中的差错。北京化工大学北方学院信息院5.6.1以太网产生与发展

传统以太网是指运行速度为10Mb/s的以太网；今天的以太网速度提高，但基本原理都是在传统以太网的基础上演化而来的；以太网和802.3协议被认为是同义词。5.6传统以太网（IEEE802.3）北京化工大学北方学院信息院IEEE802.3即以太网，是一种总线型局域网，使用的介质访问控制方法是CSMA/CD（载波侦听多路访问/冲突检测），帧格式采用以太网格式，即802.3帧格式,以太网是基带系统，使用曼彻斯特编码，通过检测通道上的信号存在与否来实现载波检测。5.6以太网（IEEE802.3）5.6.2以太网与IEEE802.36．以太网的发展北京化工大学北方学院信息院5.6以太网（IEEE802.3）IEEE802.3ac:描述VLAN的帧扩展（1998）。IEEE802.3ad:描述多重链接分段的聚合协议（Aggregationofmultiplelinksegments）（2000）。IEEE802.3an:描述10GBase-T媒体介质访问方式和相关物理层规范。IEEE802.3ab:它定义了1000Base-T媒体接入控制方式法和相关物理层规范。IEEE802.3标准主要有：北京化工大学北方学院信息院IEEE802.3i:它定义了10Base-T媒体接入控制方式和相关物理层规范。IEEE802.3u:它定义了100Base-T媒体接入控制方式和相关物理层规范。IEEE802.3z:它定义了1000Base-X媒体接入控制方式和相关物理层规范。IEEE802.3ae:它定义了10GBase-X媒体接入控制方式和相关物理层规范。5.6以太网（IEEE802.3）北京化工大学北方学院信息院传统以太网可使用的传输媒体有四种：同轴电缆（粗缆或细缆）双绞线光缆这样，以太网就有四种不同的物理层。10BASE5粗缆10BASE2细缆10BASE-T双绞线10BASE-F光缆以太网媒体接入控制MAC5.6.3以太网的物理层

5.6以太网（IEEE802.3）北京化工大学北方学院信息院以太网的物理层10Base-5粗缆10Base-2细缆10Base-T双绞线10Base-F光缆以太网CSMA/CDAUI5.6以太网（IEEE802.3）北京化工大学北方学院信息院IEEE802.3i10Mbps以太网的基本特性特性10Base-510Base-210Base-T10Base-F速率（Mbps）10101010传输方法基带基带基带基带最大网段长度（m）5001851002000站间最小距离（m）2.50.5最大长度2.5km925m500m传输介质50粗缆50细缆UTP多模光缆网络拓扑总线型总线型星型星型5.6以太网（IEEE802.3）北京化工大学北方学院信息院(1)10Base-5插入式分接头MDI主机箱收发器电缆网卡MAU保护外层外导体屏蔽层内导体收发器DB-15连接器

总线型拓扑；粗同轴电缆

BD-15连接器收发器收发器电缆(AUI电缆)5.6以太网（IEEE802.3）北京化工大学北方学院信息院5.6以太网（IEEE802.3）北京化工大学北方学院信息院粗缆以太网10Base-5网段最大长度500m，每段最多结点数100网络最大长度2.5km两结点间最小距离2.5m收发器中继器终端电阻收发器电缆粗缆5.6以太网（IEEE802.3）北京化工大学北方学院信息院(2)10Base-2总线型拓扑细同轴电缆，可靠性稍差T型接头连接BNC接头网卡用于办公室LAN细缆BNC接头NIC5.6以太网（IEEE802.3）北京化工大学北方学院信息院

细缆以太网10Base-2网段最大长度185m，每段最多结点数30网络最大长度925m两结点间最小距离0.5m中继器终端电阻细缆5.6以太网（IEEE802.3）北京化工大学北方学院信息院(3)10BASE-T

以集线器或交换机为中心的星形拓扑;

用双绞线作为传输介质.5.6以太网（IEEE802.3）北京化工大学北方学院信息院5.6.3令牌环（TokenRing）访问控制方法要点

用令牌来控制对介质的访问，只有得到令牌才能发送或接收信息。

协议标准：IEEE802.5

信道分配方法：“轮转”。网络拓扑结构：环状。站点连接：点到点链路。信号编码:曼彻斯特编码。1.基本原理北京化工大学北方学院信息院环进环出MAUMAUMAUMAU出环入环入环出环入环出环入环出环2.令牌环网集线器之间的连接接口,它的作用是:(1)转发从环路输入的比特流(2)不停地监视两种特殊比特(本站地址和令牌)的组合北京化工大学北方学院信息院3.令牌环网的工作原理令牌在环中流动，有信息发送的站，截获令牌；源站发送数据给目的站，目的站接收并转发数据；源站等待并接收它所发的帧，并将该帧与原发数据比较，以确认传输过程中是否出现错误。若有错误，交给高层处理；若没有错误，则从环上撤离；源站收完所发帧的最后一位后，重新产生空令牌发送到环上，让下一个要发送数据的站点获得数据发送权。北京化工大学北方学院信息院TokenRing：MAC概述ATCBD令牌在环路上流动，A站截获了令牌，A站接口置为发送状态，其它站处于接收。令牌ACBDTA站收完所所发数据后重新发出令牌(否则环路中无令牌)，接口置为接收状态。令牌ACBDA站发送数据给C站，C站接收并转发数据。（否则A站无法进行冲突检测）数据ACBDA站收回所发送的数据(否则数据帧在链路循环,同时为了对发送的数据帧进行冲突检测)。数据5.6.3令牌环网2.令牌环网环长的比特度量

环的长度往往折算成比特数来度量，以比特度量的环长反映了环上能容纳的比特数量。数据帧的传输时延=信号在环路上传播时延，该数据帧的比特数就是以比特度量的环路长度。假如某站点从开始发送数据帧到该帧发送完毕所经历的时间=该帧从开始发送经循环返回到发送站点所经历的时间，则数据帧的所有比特正好布满整个环路。实际操作过程中，环路上的每个接口都会引入延迟。接口延迟时间的存在，相当于增加了环路上的信号传播时延，也即等效于增加了环路的比特长度。所以，接口引入的延迟同样也可以用比特来度量。一般，环路上每个接口相当于增加1位延迟。5.6.3令牌环网2.令牌环网环长的比特度量

以比特度量的环长计算式：（环的比特长度－接口延迟位数）／数据传输速率＝环的介质的长度／传播速度即：环的比特长度=（环的介质的长度／传播速度）数据传输速率+接口延迟位数例如，某令牌环介质长度为10Km，数据传输速率为4Mbps；环路上共有50个站点，每个站点的接口引入1位延迟，计算环的比特长度。（传播速度在同轴电缆和双绞线中为200m/µs，在光纤中为300m/µs。）环的比特长度=10000(m)/200(m/μs)×4(Mbps)＋1(bit)×50=250(bit)北京化工大学北方学院信息院令牌总线（TokenBus）访问控制方法令牌在逻辑环路中依次传递，数据帧的传送在总线上进行。要点标准协议：IEEE802.４。网络拓扑结