4_数据链路层(2).ppt

1、4.1数据链路层需要解决的问题 4.2基本数据链路协议 4.3计算机网络传输技术 4.4点到点的数据链路访问 4.5广播网络的媒体访问控制,第四章数据链路层和媒体访问控制子层（2）,4.3计算机网络传输技术,1）点到点网络（Point-to-Point） 2）广播网络（broadcasting）,A,B,1）点到点网络,一个发送者（sender）/一个接收者（receiver） 主要用于广域网WAN,许多发送者/许多接收者 访问共享媒体（media） 需要寻址 主要用于局域网LAN,2）广播网络,A,B,C,D,E,F,4.4点到点的数据链路协议,HDLC(High-level Data Li

2、nk Control) 同步、面向位 具有差错控制功能 PPP(Point-to Point Protocol) 在点到点链路上传输网络层分组的协议,HDLC,面向位，位填充 帧的一般格式 三种类型 信息帧，监控帧，无序号帧,帧头标识,帧尾标识,控制,待发送：001111100111111110000111 位填充：00111110001111101110000111,控制字段的定义,具有3位序列号的滑动窗口,期望接收帧的序列号（确认）,Type,监控帧类型定义,Type=00Receive Ready Next指明期望接收帧的序号，用于非夹带确认 Type=01Reject Next说明要重

3、传的第一帧序号，用于退后n帧策略 Type=10Receive Not Ready 要求暂停发送（如接收缓冲区满），不确认Next Type=11Selective Reject Next指定要重传帧的序号，用于选择重传策略,PPP,面向字符、字符填充成帧 支持动态分配IP地址 具有差错控制和身份认证等功能 层次结构 帧格式,网络层,数据链路层,物理层,PPP的层次结构,网络控制协议NCP,链路控制协议LCP,同步、异步传输介质,PPP,IP,IPX,其他,帧头标识 01111110,校验和,LCP,LENTH,IDEN,Data,CODE,接收地址 11111111,控制,协议,帧尾标识 0

4、1111110,帧,链路控制协议(LCP) 建立连接 配置连接 维护连接 终止连接,PPP的帧格式,4.5广播网络的媒体访问控制,1）广播网络需要解决的问题 2）局域网的数据链路层模型 3）多路访问协议 4）IEEE802.3和以太网,1）广播网络需要解决的问题,一个竞争冲突的例子 媒体的多路访问控制,一个竞争冲突例子,声波在有限的空间范围内传播,我想应该是,告诉你一个特大 新闻！刚才我听见,我可以发誓,这里太吵啦！ 我听不清,媒体的多路访问控制,共享式广播信道提出的问题 可能两个（或更多）站点同时请求占用信道 解决办法：信道分配 信道的静态分配 信道的动态分配,多路访问信道multiacce

5、ss channel,信道的静态分配,将信道资源N等分 例如电话干线的频分复用FDM 适于用户数量少且数目固定、通信量大情况 问题 资源分配不合理，不能满足用户对资源占用的不同需求 有资源浪费，效率低,信道的动态分配,通过多路访问协议（ Multiple Access Protocol ）动态分配信道资源，提高信道利用率 基本概念 信道争用模型 帧的发送方式 信道的状态与检测,信道争用模型,站点 连接到广播网络中的每一台独立的设备，能够产生待发送帧，具有占用信道的平等权利。 单一信道 所有站点都通过同一信道发送/接收帧，某一特定时刻只允许一个站点使用信道。,站点1,站点2,站点3,站点N,.,

6、连续时间 帧允许在任意时刻 t0 发送。 时间片（时隙） 将时间用时钟分离为片段，帧只允许在每个片段的开始瞬间发送。,帧的发送方式,t,t0,t,t0,信道的状态与检测,信道的状态 状态检测方式 载波侦听（carrier sense） 非载波侦听,空闲,传输,两个站点同时争用信道发送帧，帧被破坏,冲突,轮巡,竞争,数据链路层,物理层,网络层,媒体访问控制MAC,逻辑链路控制LLC,Logical Link Control,Media Access Control,向上层提供 连接环境,对下层提供 媒体访问方法,2）局域网的数据链路层模型,3）多路访问协议,协议分类 IEEE802标准系列,多路

7、访问协议分类,随机访问协议 特点 站点争用信道，可能出现站点之间的冲突 典型协议 受控访问协议 特点 站点被分配占用信道，无冲突 典型协议,Random Access Aloha 站点可在任意时刻发送帧 检测到冲突，等待一个随机时间后重发 Slotted Aloha 站点只在时间片到来的瞬间发送帧 信道利用率提高一倍 CSMA(IEEE 802.3 和Ethernet) 站点通过载波侦听信道的情况确定发送帧的策略,典型随机访问协议,典型受控访问协议,Controlled Access Predetermined channel Allocation ：TDMA Demand Adaptive

8、：Token Passing Bus IEEE802.4 Ring IEEE802.5 IEEE802.8 （FDDI）,IEEE802标准系列,802.10 安 全 和 保 密,4）IEEE802.3和以太网,载波侦听多路访问协议概述 CSMA/CD协议的基本原理 IEEE802.3标准 以太网,载波侦听多路访问协议概述,载波侦听（Carrier Sense） 每个站点在使用信道前，需检测信道是否已被其他站点占用 CSMA协议分类 坚持和非坚持CSMA 对Aloha的改进：信道忙时不会有其他站点争用 CSMA/CD 对Aloha的进一步改进，终止冲突帧的发送过程,坚持和非坚持CSMA,侦听/

9、发送策略 1-坚持CSMA 发现信道空闲后发送数据（概率为1） 发现信道忙则持续等待，直至信道空闲 非坚持CSMA 站点发现信道忙则不再侦听，等待一个随机长时间再开始侦听/发送过程,CSMA/CD,Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection 对冲突的解决方法 方法1（坚持与非坚持CSMA） 继续完成已经发送的冲突帧的传送过程 方法2（CSMA/CD） 尽快终止已经破坏的冲突帧的发送过程,CSMA/CD协议的基本原理,CSMA/CD概念模型 冲突的检测 冲突的处理 发现冲突的站点向全网发送一个噪声帧 等待一个随机长的时间 例：二进

10、制指数后退算法,CSMA/CD概念模型,信道的三种状态： 传输周期：一个站点使用信道，其他站点禁止使用 竞争周期：所有站点都有权尝试使用信道，争用时间片 空闲周期：所有站点都不使用信道,时间,争用时间片,to,冲突的检测,冲突检测方法 比较发送信号（AB）与回复信号（AB）的能量或脉冲宽度变化 冲突检测的要求 时间片宽度 =最大冲突检测时间 在一个时间片内可以检测到最远距离的冲突 发送有效帧的时间 最大冲突检测时间 防止在发生冲突时完成短帧发送,若两个最远距离站点间的传输时间为T，则网络的最大冲突检测时间为2T。,冲突检测时间,T,A在t=0时刻向F发送帧。,F在t=T- 时刻向A发送帧，在t

11、=T时检测到冲突，立即发送噪声帧。,A在t= 2T时刻收到F向全网发送的噪声帧。,冲突检测时间与时间片的关系,时间片,A,B,t1,t2,t3,开始发送,开始发送,发现冲突，终止发送数据帧，广播信道阻塞信号，避让。,最远距离,时间,时间,收到B发送的阻塞信号，终止发送过程。,CSMA/CD概念模型争用时间片的宽度为2T。,时间片,帧长度与时间片的关系,A,B,t1,t2,t3,t4,t5,结束发送阻塞信号,开始发送,结束发送,A无法判定冲突由自己造成，自认为已成功发送出帧。,开始发送,发现冲突,最远距离,时间,时间,CSMA/CD要求最短帧的发送时间至少为2T。,各站点尝试争用信道而连续遇到冲

12、突时，随机选择一定范围内的某个退避等待时间片（2T）数，范围如下： 第 1 次冲突：01 （即21-1） ； 第 2 次冲突：0 3 （即22-1）； 第10 次冲突：01023（即210-1），此后固定选择范围； 第16次冲突：仍不成功则放弃，并报告上层。,二进制指数后退算法,IEEE802.3标准,物理层 电缆：10Base5, 10Base2, 10BaseT, 10BaseF 编码:曼彻斯特编码 介质访问控制（MAC）层 CSMA/CD协议 二进制后退算法 帧格式 MAC地址,Byte,10101010 时钟同步,IEEE802.3帧格式,10101011,循环冗余校验,保证有效帧长度

13、 64,有效帧长度 64 Byte,帧头,有效帧长度 64 Byte,要求最短帧的发送时间 争用时间片2 802.3规定，在10Mbps局域网中 时间片2T = 51.2 微秒 最短帧长度 10Mbps* (2T)/8 = 64 Byte,普通地址（unicast） 组播地址（ multicast） 广播地址（broadcast）,IEEE802.3地址定义,也称MAC地址,.,以太网,以太网技术发展概述 10Mbps以太网 100Mbps以太网 1000Mbps以太网（千兆位）,以太网技术发展概述,以太网的提出 以太网的发展历史,以太网的提出,Bob Metcalfe,以太网的发展历史,70

14、年代，由Xerox公司研制成功 80年代，形成IEEE 802工业标准 90年代，广泛应用,Source: IDC 1997 PC NIC Market Forecast Summary, 1995-2001.,以太网对IEEE802标准的影响,1980年提交第一个“以太网”蓝皮书 随后成立IEEE802小组 高层接口802.1 数据链路控制LLC802.2 介质访问控制MAC 802.3CSMA/CDDEC, Intel, Xerox 802.4Token Bus 802.5Token RingIBM,以太网的广泛应用,1990年，10Base-T被广泛应用 1995年，对FDDI的改进 快

15、速以太网:100Base-T 交换式以太网:交换机 现在，千兆位以太网,10Mbps以太网,与IEEE802.3的比较 相似之处 不同之处 MAC地址定义 常用的10BastT 拓扑结构 特点,与IEEE802.3非常相似,物理层 以10M速率的铜线传输介质为主 采用曼彻斯特编码 MAC层 采用CSMA/CD协议 采用2i-1后退算法（1 i 10),以太网与802.3帧格式比较,Byte,10101010 时钟同步,10101011,由LLC填写，461500Byte,802.3帧格式,以太网帧格式,以太网的MAC地址,24 位,24 位,08:00:20:0e:56:7d,厂商代码,序列号

16、,ROM,RAM,MAC 地址48位， 固化在网络接口 卡的 ROM中， 也称为物理地址。,10Base-T的拓扑结构,物理连接是星型结构 逻辑上是总线结构（站点争用总线）,物理结构,逻辑结构,10BaseT的特点,与同轴电缆相比的优点 安装成本大大降低 即插即用，组网灵活 星型结构，故障隔离 适于大批量制造 具有开放式标准的互操作能力 问题 多用户共享一条10M速率信道,100M和交换式以太网,改进10M以太网 100M以太网的传输介质 提高传输速率的方法 100Base-T4 100Base-TX,改进10M以太网,改进10M以太网的技术 快速以太网（100MBase-T） 交换式以太网 改进的基本要求 与现有网络兼容（物理结构、硬件和软件） 成本比10Base-T更低 标准化，可由多数厂商提供产品实现,100M以太网的传输介质,星型结构，用集线器连接站点 改变曼彻斯特编码,100Base-T4,3对线携带信息呈27种组合形式，至少传送4 bit信息 信道的传输速率：4bit*25MHZ = 100Mbps 半双工数据传输方式,站 点,集 线 器,信号状态（0，1，2）,信号的变化频率25MHZ,当前数据 传输方向,4对线,每5个时钟周期发送4 bit信息 信道的传输速率：（4bit/5）*125MHZ = 100Mbps 全双工数据传输方式,