数据通信与网络技术5

1、第3章 数据链路层,数据链路层基本概念 点对点协议PPP 局域网,数据通信与计算机网络,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,2,两种类型的数据链路层,点对点信道 一对一的通信。 常用协议：PPP，PPPoE，HDLC 广播信道 一对多的广播通信。 这种信道使用一对多的广播通信方式，因此过程比较复杂。广播信道上连接的主机很多，因此必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机的数据收发。 常用协议：Ethernet，802.11,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,3,数据链

2、路层的基本概念,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,4,3.1 数据链路层的基本概念,链路(link)是一条无源的点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换结点。 一条链路只是一条通路的一个组成部分。 数据链路(data link) 除了物理线路外，还必须有通信协议来控制这些数据的传输。若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。 现在最常用的方法是使用适配器（即网卡）来实现这些协议的硬件和软件。 一般的适配器都包括了数据链路层和物理层这两层的功能。,wenzhan,School of Communication E

3、ngineering, CUIT,5,数据链路层像个数字管道,常常在两个对等的数据链路层之间画出一个数字管道，而在这条数字管道上传输的数据单位是帧。 早期的数据通信协议曾叫作通信规程(procedure)。因此在数据链路层，规程和协议是同义语。,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,6,数据链路层的简单模型,局域网,广域网,主机 H1,主机 H2,路由器 R1,路由器 R2,路由器 R3,电话网,局域网,主机 H1 向 H2 发送数据,从层次上来看数据的流动,wenzhan,School of Communication Engin

4、eering, CUIT,7,数据链路层的简单模型( 续）,局域网,广域网,主机 H1,主机 H2,路由器 R1,路由器 R2,路由器 R3,电话网,局域网,主机 H1 向 H2 发送数据,链路层,应用层,运输层,网络层,物理层,链路层,应用层,运输层,网络层,物理层,链路层,网络层,物理层,链路层,网络层,物理层,链路层,网络层,物理层,R1,R2,R3,H1,H2,仅从数据链路层观察帧的流动,PPPoE,Ethernet,POS,FDDI,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,8,数据链路层功能,A的数据链路层把网络层交下来的I

5、P数据报封装成帧； A把封装好的帧发送给B的数据链路层； 若B收到的帧无差错，则从帧中提取IP数据报，上交给网络层，否则丢弃此帧。,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,9,3.2 数据链路层的三个基本问题,数据链路层的发送端应当让对方接收端的数据链路层知道，所发送的帧从什么地方开始和从什么地方结束。帧定界 数据链路层传送的数据的比特组合必须是不受限制的，不能禁止传送某种特殊的比特组合。透明传输 数据链路层必须有差错检测功能，当接收端检测出有差错的帧时，根据协议，可以有不同处理方法。差错控制,wenzhan,School of Co

6、mmunication Engineering, CUIT,10,3.2.1 帧定界（framing）,帧定界是指确定帧的界限。数据一帧一帧地传送，当出现差错时，将有错的帧再重发一次，从而避免将全部数据都重传。 帧的装配：在发送帧时，要在帧前后都加入事先商定好的标记，使得接收端在收到帧后，能根据标记识别帧的开始和结束。,IP数据报,帧首部,帧的数据部分,帧尾部,=MTU,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,11,帧定界可以使用特殊的定界字符，如ASCII。如图：,SOH,帧的数据部分,EOT,帧定界也可以使用特殊的bit组合。如图

7、： F01111110,3.2.1 帧定界（framing）,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,12,3.2.2 透明传输,透明传输：在两结点之间如何确定一个分组-帧的开始和结束？ 数据链路层传送的数据的比特组合必须是不受限制的，不能禁止传送某种特殊的比特组合。,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,13,解决透明传输问题方法：当数据中出现“SOH”或“EOT”时，就将其转换为另一字符，称字节插入（byte stuffing）。,比特插入（byte stuffing）

8、P94：在HDLC(PPP)帧中，当数据中出现连续5个1，即11111时，做插入0，以免数据中出现F01111110，被接收方作为帧的结束。 接收方在数据中每扫描到连续5个1，即11111时，便将其后的0删除。,3.2.2 透明传输,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,14,3.2.3 差错检测,n=k+r,1、接收方如何发现数据是否正确？ 2、冗余码解决 奇偶冗余码； 3、检查错误和纠正错误 4、在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列 FCS (Frame Check Sequence)。,差错控制： 在两结点之间数据帧是可靠的

9、吗？ （无错误）,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,15,循环冗余校验CRC(Cyclic Redundancy Check),CRC的校验原理 已知个长度为k的二进制位串，为了检查它在传输中的错误，发送产生另一个r位二进制序列，称为校验序列，使得合成的k+r位二进制位串能够被某一个预定的二进制数(生成多项式)整除(按模2运算)。 接收端收到k+r位位串以后，用这个预定的二进制数(生成多项式去除(模2运算)，若能除尽，则无错误；若除不尽则有错误发生。,n=k+r,wenzhan,School of Communication E

10、ngineering, CUIT,16,模2运算,模2加减：既不借位，也不进位，相同数相加减为0，不同数相加减为1，相当于异或。,模2乘除：与一般乘除相同，采用模2加减，直到余数位数小于被除数为止。,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,17,例：生成多项式g(x)=x5+x4+x2+1、信息位M1010001101。求CRC的发送码组A 解答步骤： 1）求被除数2r*M (k+r bit) 得101000110100000 2）将生成多项式g(x)表示为除数110101 3）作模2除法 4）得商Q = 1101010110 (丢弃

11、) 余数R = 01110 (校验位) 5）得到发送数据为2n*M(被除数)+R(商) 即101000110101110,循环冗余检验的原理说明,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,18,1101010110 Q 商 除数 P 110101 101000110100000 2nM 被除数 110101 111011 110101 111010 110101 111110 110101 101100 110101 110010 110101 01110 R 余数,循环冗余检验的原理说明,wenzhan,School of Commu

12、nication Engineering, CUIT,19,生成多项式g(x) 在CRC循环检验编码中g(x)是事先确定的，要成为生成矩阵g(x)必须满足以下条件： （1）g(x) 必须是常数项为1的（n-k）次多项式。 （2）g(x)必须是不能在进行因式分解的多项式。 （3）g(x)的最高次项次数必须为r(即CRC的监督位个数为g(x)的最高项次数）。例：g(x)=x4+x2+x1+1 从而可以看出监督位个数 r=4。 10111,循环冗余检验的原理说明,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,20,检错,如果不出错，则接收端应该收

13、到的数据为2n*M(被除数)+R(商)，即101000110101110，将这个数据除以除数(生成多项式)110101 （模2），得到的余数为0。 如果数据出错，则在接收端进行以上运算后，一般不会得出余数为0的结果。 注意，CRC只有检错功能，没有纠错功能。,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,21,课堂练习,已知信息位M10011， 生成多项式G(x) = x4+x2+x+1， 求M的CRC编码组A，并说明监督位的位数r。 A = 100111011 r = 4,wenzhan,School of Communication E

14、ngineering, CUIT,22,作业,P105 3-07 3-08,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,23,数据链路层实例简介,SDLC,HDLC,SLIP,PPP,POS PPP over SDH/Sonet,PPPoE PPP over Ethernet,IBM,ISO,IETF,IETF,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,24,用户拨号入网的示意图-PPP实例,路由器,调制解调器,调制解调器,因特网服务提供者(ISP),用户家庭,拨号电话线,PPPo

15、E 连接,至 因 特 网,PC 机,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,25,PPP 协议,1992 年制订了 PPP 协议。经过 1993 年和 1994 年的修订，现在的 PPP 协议已成为因特网的正式标准RFC 1661。 PPP协议有三个组成部分 一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法。 链路控制协议 LCP (Link Control Protocol)。 网络控制协议 NCP (Network Control Protocol)。,wenzhan,School of Communication Engineering

16、, CUIT,26,PPP 协议的帧格式,PPP 有一个 2 个字节的协议字段 当协议字段为 0 x0021 时，PPP 帧的信息字段就是IP 数据报。 若为 0 xC021, 则信息字段是 PPP 链路控制数据。 若为 0 x8021，则表示这是网络控制数据。,IP 数据报,1,2,1,1,字节,1,2,不超过 1500 字节,PPP 帧,先发送,7E,FF,03,F,A,C,FCS,F,7E,协议,信 息 部 分,首部,尾部,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,27,透明传输问题,当 PPP 用在同步传输链路时，协议规定采用硬

17、件来完成比特填充（和 HDLC 的做法一样）。 当 PPP 用在异步传输时，就使用一种特殊的字符填充法。,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,28,透明传输问题-零比特的填充与删除,数据中某一段比特组合恰好 出现和 F 字段一样的情况,0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 0,会被误认为是 F 字段,发送端在 5 个连 1 之后 填入 0 比特再发送出去,填入 0 比特,0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0,在接收端将 5 个连 1 之后 的 0 比特删除，恢复原样,在此

18、位置删除填入的 0 比特,0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,29,字符填充法,将信息字段中出现的每一个 0 x7E 字节转变成为 2 字节序列(0 x7D, 0 x5E)。 若信息字段中出现一个 0 x7D 的字节, 则将其转变成为 2 字节序列(0 x7D, 0 x5D)。 若信息字段中出现 ASCII 码的控制字符（即数值小于 0 x20 的字符），则在该字符前面要加入一个 0 x7D 字节，同时将该字符的编码加以改变。,wenzhan,School o

19、f Communication Engineering, CUIT,30,不提供使用序号和确认-的可靠传输,PPP 协议之所以不使用序号和确认机制是出于以下的考虑： 在数据链路层出现差错的概率不大时，使用比较简单的 PPP 协议较为合理。 在因特网环境下，PPP 的信息字段放入的数据是 IP 数据报。数据链路层的可靠传输并不能够保证网络层的传输也是可靠的。 帧检验序列 FCS 字段可保证无差错接受。,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,31,PPP 协议的工作状态,当用户拨号接入 ISP 时，路由器的调制解调器对拨号做出确认，并建

20、立一条物理连接。 PC 机向路由器发送一系列的 LCP 分组（封装成多个 PPP 帧）。 这些分组及其响应选择一些 PPP 参数，和进行网络层配置，NCP 给新接入的 PC机分配一个临时的 IP 地址，使 PC 机成为因特网上的一个主机。 通信完毕时，NCP 释放网络层连接，收回原来分配出去的 IP 地址。接着，LCP 释放数据链路层连接。最后释放的是物理层的连接。,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,32,PPP 协议的状态图,建立,失败,失败,NCP 配置,鉴别成功,通信 结束,载波 停止,检测到 载波,双方协商 一些选项,鉴

21、别,网络,打开,终止,静止,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,33,思考,P105 3-10,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,34,LAN拓扑结构 CSMA/CD 以太网络 以太网络的设备和演变 2层交换,局域网,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,35,局域网的本意,局域网最主要的特点是：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。 局域网具有如下的一些主要优点： 高数据率； 低时延； 低误

22、码率。,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,36,网络的拓扑,集线器,干线耦合器,总线网,星形网,网状网,环形网,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,37,随机接入与受控接入,干线耦合器,总线网,环形网,随机接入,受控接入,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,38,要回答的问题,1、多路访问网络是什么样的网络？ 2、多路访问网络和点到点网络主要区别是什么？,wenzhan,School of Commun

23、ication Engineering, CUIT,39,媒体（介质）共享技术,静态划分信道 频分复用 时分复用 波分复用 码分复用 动态媒体接入控制（多点接入） 随机接入：所有用户可随机发送信息，可能产生冲突，使发送失败；如CSMA/CD 受控接入：轮询机制，如令牌网络。,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,40,1、PPP为例 链路的打开和关闭； 2、PPP为例 帧的界定和透明传输； 3、PPP为例 比特串交给物理层（信号）； 4、无须地址 独占信道（子信道）,点到点的在两结点之间数据帧如何传送？,wenzhan,School

24、 of Communication Engineering, CUIT,41,1、需要地址 标记发送结点（站）和接受结点； 2、需要帧界定和透明传输； 3、信号处理和信号编码； 4、随机发送 会发生什么？,广播信道：多点共享一个信道， 如何实现两点之间数据帧传送？,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,42,CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection -载波监听多点接入/碰撞检测,局域网,wenzhan,School of Communication

25、Engineering, CUIT,43,最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。当初认为这样的连接方法既简单又可靠。,CSMA/CD 协议,B向 D 发送数据,C,D,A,E,不接受,不接受,不接受,接受,B,只有 D 接受 B 发送的数据,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,44,以太网的广播方式发送*,总线上的每一个工作的计算机都能检测到 B 发送的数据信号。 由于只有计算机 D 的地址与数据帧首部写入的地址一致，因此只有 D 才接收这个数据帧。 其他所有的计算机（A, C 和 E）都检测到不是发送给它们的数据帧，因此

26、就丢弃这个数据帧而不能够收下来。 具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,45,若媒体空闲就传输，否则转（2）； 随机等待一段时间后再监听，检测到信道空闲后立即传输； 在传输中继续监听，若有冲突，则停止发送信号，改发出一个短小的人为干扰(Jamming)信号，让所有的站点都知道发生了冲突并停止传输；,CSMA/CD规则*,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,46,1、再发 如何再发？ 2、随机等待一段时间后再监听和再发； 3、如何

27、随机 随机算法； 4、总是冲突和再发 无限下去？,停止之后怎么办？,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,47,CSMA/CD的发送流程,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,48,CSMA/CD的接收流程,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,49,碰撞检测,“碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。 当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大（互相叠加）。 当一个站检测

28、到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞。 所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,50,电磁波在总线上的 有限传播速率的影响,当某个站监听到总线是空闲时，也可能总线并非真正是空闲的。 A 向 B 发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到 B。 B 若在 A 发送的信息到达 B 之前发送自己的帧(因为这时 B 的载波监听检测不到 A 所发送的信息)，则必然要在某个时间和 A 发送的帧发生碰撞。 碰撞的结果是两个帧都变得

29、无用。,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,51,位置距离1 km,A,B,时间,t = 0,单程端到端 传播时延记为,电磁波在总线上的 有限传播速率的影响*,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,52,A,B,t = B 检测到信道空闲 发送数据,t = / 2 发生碰撞,A,B,A,B,t = 0 A 检测到 信道空闲 发送数据,A,B,t = 0,A,B,单程端到端 传播时延记为,位置距离1 km,时间,电磁波在总线上的 有限传播速率的影响*,wenzhan,Sc

30、hool of Communication Engineering, CUIT,53,争用期*,最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间 2 （两倍的端到端往返时延）就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。 以太网的端到端往返时延 2 称为争用期（最晚到达的冲突），或碰撞窗口。 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。,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,54,争用期的长度*,以太网取 51.2 s 为争用期的长度。 对于 10 Mb/s 以太网，在争用期内可发送512 bit，即 64 字节。 以太网

31、在发送数据时，若前 64 字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,55,最短有效帧长*,如果发生冲突，就一定是在发送的前 64 字节之内。 由于一检测到冲突就立即中止发送，这时已经发送出去的数据一定小于 64 字节。 以太网规定了最短有效帧长为 64 字节，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。,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,56,作业,P106 3-20,wenzhan,School of Com

32、munication Engineering, CUIT,57,MAC层和以太网络的标准 -以太网络的标准 -地址和帧,局域网,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,58,传统以太网-太网的工作原理*,两个标准 DIX Ethernet V2 是世界上第一个局域网产品（以太网）的规约。 IEEE 的 802.3 标准。 DIX Ethernet V2 标准与 IEEE 的 802.3 标准只有很小的差别，因此可以将 802.3 局域网简称为“以太网”。 严格说来，“以太网”应当是指符合 DIX Ethernet V2 标准的局域网,

33、wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,59,数据链路层的两个子层,为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，802 委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层： 逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control)子层 媒体接入控制 MAC (Medium Access Control)子层。 与接入到传输媒体有关的内容都放在 MAC子层，而 LLC 子层则与传输媒体无关，不管采用何种协议的局域网对 LLC 子层来说都是透明的,wenzhan,School of Communication Engineering, C

34、UIT,60,局域网对 LLC 子层 是透明的,局 域 网,网络层,物理层,站点 1,网络层,物理层,数据 链路层,站点 2,LLC 子层看不见 下面的局域网,逻辑链路控制LLC： 向高层提供接入； 建立和释放链路； 差错控制； 顺序号处理,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,61,以后一般不考虑 LLC 子层,由于TCP/IP 体系经常使用的局域网是 DIX Ethernet V2 而不是 802.3 标准中的几种局域网，因此现在 802 委员会制定的逻辑链路控制子层 LLC（即 802.2 标准）的作用已经不大了。 很多厂商生

35、产的网卡上就仅装有 MAC 协议而没有 LLC 协议。,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,62,IEEE 802标准,IEEE 802.1标准:局域网体系结构、网络互连，以及网络管理与性能测试； IEEE 802.2标准:LLC子层功能与服务； IEEE 802.3标准:CSMA/CD总线介质访问控制子层与物理层规范； IEEE 802.4标准:令牌总线(Token Bus)介质访问控制子层与物理层规范； IEEE 802.5标准:令牌环(Token Ring)介质访问控制子层与物理层规范；IEEE 802.6标准: 城域网MA

36、N介质访问控制子层与物理层规范； IEEE 802.7标准: 宽带技术； IEEE 802.8标准: 光纤技术； IEEE 802.9标准: 综合语音与数据局域网IVD LAN技术； IEEE 802.10标准：可互操作的局域网安全性规范SILS； IEEE 802.11标准：无线局域网技术;,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,63,以太网络的主要工作*,帧的界定和透明传输； 根据MAC地址传输数据帧到正确的接收站； 差错检查。,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,

37、64,计算机通过网卡 和局域网进行通信,CPU,高 速 缓 存,存储器,I/O 总线,计算机,至局域网,网络接口卡 （网卡）,串行通信,并行通信,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,65,网卡的作用*,网络接口卡NIC (Network Interface Card) 又称为通信适配器(adapter)或，或“网卡”。 网卡的重要功能： 数据的封装与解封 发送时将上一层交下来的数据加上首部和尾部，成为以太网的帧。接收时将以太网的帧剥去首部和尾部，然后送交上一层。 链路管理 主要是 CSMA/CD 协议的实现。 编码与译码 10ME

38、thernet即曼彻斯特编码与译码。,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,66,网卡不是完全自治的单元，通常称为半自治单元。 当网卡收到一个有差错的帧时，它就丢弃此帧而不必通知它所插入的计算机。 当网卡收到一个正确的帧时，它就使用中断来通知该计算机并交付给网络层。 当计算机要发送一个IP数据报时，就由协议栈向下交给网卡组装成帧后发送到局域网。,网卡的作用,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,67,以太网的 MAC 层 MAC 层的硬件地址*,在局域网中，硬件地址又称为

39、物理地址，或 MAC 地址。 48bit，唯一标识一块网卡。由MAC帧传送。任一站仅接收发往本站（MAC地址相符）的帧。,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,68,一般用十六进制表示为： 0000.0c12.3456 或 00-00-0c-12-34-56,以太网的 MAC 层 MAC 层的硬件地址,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,69,网卡上的硬件地址,路由器,1A-24-F6-54-1B-0E,00-00-A2-A4-2C-02,20-60-8C-C7-75-

40、2A,08-00-20-47-1F-E4,20-60-8C-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。,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,70,作业,P105 3-03,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,71,网卡检查 MAC 地址*,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”

41、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）,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,72,两种不同的 MAC 帧格式*,常用的以太网MAC帧格式有两种标准 ： DIX Ethernet V2 标准 IEEE 的 802.3 标准 最常用的 MAC 帧是以太网 V2 的格式。,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,73,MAC 帧,字节,6,6,2,4,IP 层,物理层,目的地址,源地

42、址,长度/类型,FCS,MAC 层,10101010101010 10101010101010101011,前同步码,帧开始 定界符,7 字节,1 字节,数 据,MAC 子层,IP 层,LLC 子层,这种 802.3 + 802.2 帧已经较少使用,43 1497,1,1,1,DSAP,SSAP,控制,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,74,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,以太网 V2 的 MAC 帧格式*,目的地址字段 6 字节,wenzhan,School of Communication Engineering,

43、 CUIT,75,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,以太网 V2 的 MAC 帧格式*,源地址字段 6 字节,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,76,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,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。,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,77,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,以太网 V2 的 MAC 帧格式

44、*,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,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,78,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,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。,wenzhan,Sch

45、ool of Communication Engineering, CUIT,79,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,以太网 V2 的 MAC 帧格式*,在帧的前面插入的 8 字节中的第一个字段共 7 个字节， 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,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,80,数据字段的长度与长度字段的值不一致； 帧的长度不是整数个字节； 用收到的帧检验序列 FC

46、S 查出有差错； 数据字段的长度不在 46 1500 字节之间。（有效的 MAC 帧长度为 64 1518 字节之间） 对于检查出的无效 MAC 帧就简单地丢弃。以太网不负责重传丢弃的帧。,无效的 MAC 帧*,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,81,帧间最小间隔为 9.6 s，相当于 96 bit 的发送时间。 一个站在检测到总线开始空闲后，还要等待 9.6 s 才能再次发送数据。 这样做是为了使刚刚收到数据帧的站的接收缓存来得及清理，做好接收下一帧的准备。,帧间最小间隔,wenzhan,School of Communica

47、tion Engineering, CUIT,82,以太网络的演化 -设备与拓扑,第 4 章 局域网络,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,83,以太网的连接方法,以太网可使用的传输媒体有四种： 铜缆（粗缆或细缆） 铜线（双绞线） 光缆 这样，以太网就有四种不同的物理层。,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,84,以太网在局域网中的统治地位 未来的地位?,10BASE-T 的通信距离稍短，每个站到集线器的距离不超过 100 m。 这种 10 Mb/s 速率的无屏蔽双绞

48、线星形网的出现，既降低了成本，又提高了可靠性。 10BASE-T 双绞线以太网的出现，是局域网发展史上的一个非常重要的里程碑，它为以太网在局域网中的统治地位奠定了牢固的基础。,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,85,双绞线连接到以太网 的示意图,HUB 100米,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,86,局域网部件*,收发器(Transceiver)：仅粗缆以太网为外置，其余与在网卡中内置，其主要功能对媒体收发数据、冲突检测、电气隔离等； 转发器（中继器Repeat

49、er）：补偿信号经过一段媒体传输后的衰减； 集线器（HUB）：多端口的转发器 网卡(NIC) 网桥(Bridge) 交换机(Switch),wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,87,碰撞域(冲突域Collision Domaim) 冲突域是CSMA/CD工作的范围 任何两站点间同时发送数据就会产生冲突的范围属于同一个冲突域 广播域(Broadcast Domaim) 广播帧到达的网络范围称为广播域 每个广播帧，广播域内所有站点都收到,冲突域与广播域*,wenzhan,School of Communication Engineer

50、ing, CUIT,88,1、物理层的帧冲突增加-冲突域变大 2、效率严重下降,一个网络用HUB来构造有什么问题？,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,89,具有三个端口的集线器,集 线 器,网卡,工作站,网卡,工作站,网卡,工作站,双绞线,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,90,用多个集线器可连成更大的局域网,扩展的局域网 在物理层扩展局域网,一系,二系,三系,三个独立的碰撞域,HUB-集线器,HUB-集线器,HUB-集线器,wenzhan,School of C

51、ommunication Engineering, CUIT,91,用多个集线器可连成更大的局域网,扩展的局域网 在物理层扩展局域网,一系,二系,三系,主干集线器,HUB-集线器,HUB-集线器,HUB-集线器,HUB-集线器,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,92,扩展的局域网 在物理层扩展局域网,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,93,扩展的局域网 在物理层扩展局域网,一个更大的HUB,wenzhan,School of Communication Engin

52、eering, CUIT,94,集线器的一些特点*,物理上是星形网络，逻辑上仍是总线型结构。各工作站使用CSMA/CD协议，共享逻辑上的总线。 多端口转发器。 物理层设备，端口故障隔离。,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,95,使用 极小型网络； 不能作网络的扩展；,如何用集线器*,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,96,1、桥 2、交换机,不用HUB来构造网络，用什么？,wenzhan,School of Communication Engineering, C

53、UIT,97,思考,当FDDI(1000Mbps)站点有一个IP分组要传到以大网 (10Mbps)上时，需要完成哪些工作 ？,站点首先将IP数据报传至数据链路层，并加上FDDI帧头和尾。（FDDI帧最大长度为4500字节，大于此值的可分片传送。 ） FDDI帧到FDDI-以太网桥。 网桥上的数据链路层去掉FDDI帧头和尾，然后送交IP层处理。 经过重新组帧并计算校验值，封装成以太网数据帧格式，并在前面加上以太网帧头和尾。 经传输媒体将帧传至以太网站点。,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,98,在数据链路层扩展局域网是使用网桥(B

54、ridge)。 网桥工作在数据链路层，它根据 MAC 帧的目的地址对收到的帧进行转发。 网桥具有过滤帧的功能。当网桥收到一个帧时，并不是向所有的端口转发此帧，而是先检查此帧的目的 MAC 地址，然后再确定将该帧转发到哪一个端口,在数据链路层扩展局域网,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,99,扩展的局域网 物理层到链路层扩展的演化,存储器 存储器隔离物理信号 存储器来转发帧,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,100,网桥的内部结构,站表,端口管理 软件,网桥协议 实

55、体,端口 1,端口 2,缓存,网段 B,网段 A,1,1,1,2,2,2,站地址,端口,网桥,网桥,MAC地址,从到 的帧如何走？ 1、 在网段B发布帧 无站接收 2、网桥接收后查表 从1端口再送出去 3、网段A的接收了,1,2,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,101,过滤通信量。 扩大了物理范围。 提高了可靠性。 可互连不同物理层、不同 MAC 子层和不同速率（如10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太网）的局域网。,使用网桥带来的好处,wenzhan,School of Communication Engineering

56、, CUIT,102,存储转发增加了时延。 在MAC 子层并没有流量控制功能。 具有不同 MAC 子层的网段桥接在一起时时延更大。 网桥只适合于用户数不太多(不超过几百个)和通信量不太大的局域网，否则有时还会因传播过多的广播信息而产生网络拥塞。这就是所谓的广播风暴。,使用网桥带来的缺点,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,103,1、人工 2、自动登记 透明网桥,桥的MAC地址和端口映射表怎么生成？,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,104,目前使用得最多的网桥是透

57、明网桥(transparent bridge)。 “透明”是指局域网上的站点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥，因为网桥对各站来说是看不见的。 透明网桥是一种即插即用设备，其标准是 IEEE 802.1D。,透明网桥,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,105,站表信息： 1)站地址：源MAC地址 2)端口：与源MAC地址对应的端口号 3)时间(生存期)：收到帧的时间 转发表中的 MAC 地址是根据源 MAC 地址写入的，但在进行转发时是将此 MAC 地址当作目的地址。 如果网桥现在能够从端口 x 收到从源地址 A 发来的帧，那么以后就可以从端口 x 将帧转发到目的地址 A。,网桥在转发表中 登记以下三个信息,wenzhan,School of Communication Engineering, CUIT,106,网桥应当按照以下算法处理收到的帧和建立转发表,wenzhan,School of Communicatio