CH3-L6 CSMA-CD 协议和以太网.ppt

1、第6讲 CSMA/CD协议和以太网,【第3章 数据链路层（第2讲）】,上讲小结（快速提问1）,上讲的重点是什么？,上讲要点复习（快速提问2）,什么是数据链路 什么是点对点信道 什么是广播信道 数据链路层的3个主要功能 什么是帧 循环冗余效验码的作用 循环冗余效验码的计算方法 什么是透明传输，如何解决 PPP协议的作用 PPP帧有哪些控制信息 LCP协议的作用,第6讲：以太网和CSMA-CD 协议（第3章 第2讲）,1 局域网基础 2. CSMA/CD协议（重点、难点） (3.3) 2.1 CSMA/CD概要 2.2 冲突检测 2.3 截断型二进制指数退避算法 2.4 强化冲突 3 使用广播信道

2、的共享以太网 (3.4 ) 3.1 使用集线器的星形拓扑 (3.4.1 ) 3.2 以太网的信道利用率 (3.4.2 ) 4 以太网的 MAC 层 (3.4.3 ) 4.1 MAC 层的硬件地址 4.2 MAC 帧的格式,本讲预习情况检查（快速提问3）,什么是局域网 局域网的特点 什么是以太网 局域网的数据链路层的特点 CSMA/CD 协议的主要作用 CSMA/CD协议的要点 为什么要冲突检测 冲突时如何处理 什么是以太网争用期，如何计算 指数退避算法的实质是什么 集线器的作用 什么是MAC地址 借鉴PPP的帧格式，理解以太网MAC 层,1. 局域网基础（3.3.1）,局域网最主要的特点： 地

3、理范围较小，站点数目较少 网络(含通信子网)为一个单位所拥有 技术特点 通信子网的专有 主要采用广播信道（共享信道） 发展的主流： 以太网技术,局域网,1975 ，2.94Mbps以太网 1979，10Mbps以太网 1982，IEEE组建工作组(802委员会)制定局域网标准 1984，4M的令牌总线网(802.4) 1985，16M的令牌环网(802.5) 当时的优势：16M；结构化布线；双绞线 1988，100MFDDI 当时的优势：100M、光纤、双环(可靠)； 不足：贵 1990初，ATM(异步传输模式)网，155M,主流：以太网技术,1968，夏威夷(Hawaiian)大学校园网AL

4、OHA系统 用于无线通信 ； 随机争用技术 1972，施乐(Xerox)公司PARC研究所开始实验网的研究； CSMA协议 ； 1973.5.22，第一个个人机网络ALTO ALOHA开始运行 1975， Xerox公司推出以太网，2.94Mbps，1km，100台， CSMA/CD协议 1979， Xerox公司以太网（Ethernet）产品，10M 1980， DEC、Intel与Xerox宣布DIX Ethernet V1.0规范； 1982， DEC、Intel与Xerox宣布DIX Ethernet V2.0规范 ；,发展主流：以太网技术（续）,1983：802.3 IEEE 802

5、参照以太网技术标准建立的以太网国际标准，两者基本兼容。 不同速度、不同介质上的CSMA/CD局域网的MAC层和物理层标准 如，IEEE 10BASE5(10M,500米) 1990：802.3i/10Base-T标准,结构化布线双绞线，使以太网性价比大大提高； 1990： 10M交换以太网 1992：100M快速以太网 1997：1000M（吉比特以太网：1Gb/s ） 目前，万兆（10Gb/s）高速以太网,(2)局域网的拓扑（简单了解）,总线（以太网）、环形都采用广播信道：一个站发送数据，信号传播到其它所有站点,干线耦合器,总线网,树形网,环形网,交换机,星形网,(3)局域网特点和优点,局域

6、网最主要的特点是： 网络(含通信子网)为一个单位所拥有 地理范围较小，站点数目较少 主要采用广播信道 局域网具有如下的一些主要优点： 具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网 各设备的位置可灵活调整，便于系统的扩展和演变 系统的可靠性、可用性和残存性较高,(4) 802标准（简单了解）,1982,IEEE组建工作组(802委员会)制定局域网标准 广播信道的局域网的数据链路层比较复杂 如何共享信道 802 委员会将局域网的数据链路层拆成两个子层： 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 制定了多个MAC层标准：802.3、803.

7、4、802.5、 逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control)子层： 与传输媒体及其访问方法无关 各种局域网有相同的 LLC 层 802.2,802标准,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 2,802标准及LLC 子层逐步被淘汰,现在 LLC（即 802.2 标准）的作用已经不大 802.4(令牌总线)，802.5(令牌环)逐步被淘汰 DIX Ethernet V2以太网成为主流 很多厂商生产的适配器上就仅装有 MAC 协议而没有 LLC 协议。 以后一般不考虑 LLC 子层,(5) 以太网,早期，以太网是将许多计算机连接到一根总线上

8、，没有有源器件（当初认为这样的连接方法既简单又可靠） 特点 广播信道的总线拓扑 分布式争用信道的介质访问控制协议（CSMA/CD协议）,以太网,两个标准（二者差别很小） DIX Ethernet V2 IEEE 的 802.3 标准。 严格说来，“以太网”应当是指符合 DIX Ethernet V2 标准的局域网 可以将 802.3 局域网简称为“以太网”。,(6) 广播信道的访问控制（冲突）问题,如何在广播特性的总线上实现了一对一的通信 例： B 发送给D,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,总线上每一台计算机都能检测到 B 发

9、送的信号。,只有计算机 D 的地址与数据帧首部的目的地址一致， 因此只有 D 才接收这个数据帧。 其他计算机（A, C 和 E）检测地址后都丢弃这个帧。,冲突问题,同一时刻若有二台以上计算机发送信号互相干扰（冲突，Collision，碰撞）此次传输失败。,核心问题：广播信道的访问控制信道共享技术信道分配策略介质访问控制 广播信道上任二点都相邻数据链路层问题,媒体共享技术,静态划分信道（第二章：信道复用） 频分复用、时分复用 将信道划分为多个逻辑子信道， 分别固定地分配给多对站点； 个人计算机通信的突发性，静态划分信道效率低 动态媒体接入控制（多点接入:multiple access ）仅当某站

10、点有数据发送时，才分配信道； 动态时分，复杂 受控接入 ，复杂，如： 集中式的探询(polling)，或轮询 分散式的令牌环 随机接入，如，CSMA/CD（以太网的方法）,2. CSMA/CD协议（重点、难点） (3.3),2.1 CSMA/CD概要,CSMA/CD =Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection =载波监听多点接入/冲突检测 是随机访问算法争用型协议 发展 想发就发，冲突重发ALOHA ALOHA载波检测CSMA 载波检测：发送前，先监听信道，信道空才发 CSMA 冲突检测CSMA/CD 冲突检测：发送时，边发边

11、测。 以太网采用CSMA/CA协议,CSMA/CA协议 基本思想(重点),基本思想，CSMA/CD的工作原理可概括成四句话，即：先听后说，边说边听，冲突停止，随机延迟后重发 载波监听：先听再说 发送前先监听总线上是否有信号 如果有，则停止发送数据(避免冲突)， 同时继续监听，直至发现信道空闲时，发送数据. 冲突检测：边说边听 边发送，边检测，是否与别人发送冲突， 若冲突，立即停止发送，随机延迟后再去“载波监听”,2.2 冲突检测,为什么有了载波监听（先听再说）， 还要冲突检测（边说边听）即，为什么测到信道闲再发送，仍会冲突？ 原因：电磁波传播需要时间，而监听只能测到本站接入点的信号。当某个站监

12、听到总线是空闲时，总线不一定是空闲的。,测到信道闲再发送，仍然冲突，情况一,t0时，当C站发送完毕， A站和B站都测得信道空闲，都立即发送数据，结果导致了冲突。,时间,t0,C B A,用户,测到信道闲再发送，仍然冲突,情况二,原因：电磁波传播需要时间，而监听只能测到本站接入点的信号。当某个站监听到总线是空闲时，也可能总线并非是空闲的。,t0时A开始发送,T1=t0十 时 B开始发送,t0十 /2时发生冲突,设： 为信号在最远的二站间的传播时间,2 时间内可以检测到冲突，,t0十 /2时发生冲突,/2,t0十 时，B测到冲突，停止发送,t0十2 时, A测到冲突 停止发送,冲突信号,1 km,

13、A,B,t,t = 0,单程端到端 传播时延记为,教材上的描述方法,思考：经过2 时间没有检测到冲突，可以肯定这次发送不会发生冲突 概念：以太网将2 称为争用期 (contention period) ， 或冲突窗口，竞争时间片、时间槽、冲突时间片。,争用期的长度,理论上，CSMA/CD协议的争用期为2 工程上，10 M以太网，取 51.2 s 为争用期的长度。 在争用期内可发送512 bit，即 64 字节。 争用期长度，又称为512位延迟(51.2us) 。 以太网在发送数据时，若前 64 字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。,最短有效帧长,10 Mb/s 以太网，如果监测到发生

14、冲突， 一定是在发送的前 64 字节之内。 监测到冲突后立即中止发送， 这时已发出的数据少于 64 个字节。 以太网规定：凡是长度小于 64 字节的帧都认为是由于冲突而异常中止的碎片：无效帧。 所以： 10M以太网规定最短有效帧长为 64 字节,小结,载波检测只能减少冲突，不能避免冲突当某个站监听到总线空闲时，也可能总线并非是空闲的。 原因：电磁波传播需要时间，而监听只能测到本站接入点的信号。 所以发送后需要检测是否发生冲突：“冲突检测”若冲突，立即停止发送，随机延迟后在“载波检测” 经过2 时间没有检测到冲突，可以肯定这次发送不会发生冲突 线路越长，这种冲突的概率越大。 设：信号传播速度c=

15、200m/us， 总线长d100m， d/c=100/200=0.5us ，21us 1us内，有其他站点发送，都可能冲突 总线长d500m， d/c=500/200=2.5us ，25us 5us内，有其他站点发送，都可能冲突,2.3 截断型二进制指数退避算法,发生冲突后，延迟后再去“载波检测” 若延迟相同的时间，都测到信道闲，再次冲突,延迟相同时间,所以各站必须延迟不同的时间再去检测重发,截断型二进制指数退避算法,各站互相不能联系，如何让各站延迟不同的时间？需要动态算法分配等待时间随机取值 如何取随机值？ 已知：发送后最多经过2时间就能检测到冲突， 所以，以2为时间单位， 取随机数 n r

16、andom（0，X） 延时n倍的2时间再去监听信道 二个冲突站，取不同的n，可以避免再次冲突,随机数的范围,n random（0，X）， X如何取？ X太小，负载重时，冲突太多 设，有8个站要发信， 若X=3，可取0， 2 、4 、6 冲突可能性相当大 X太大，负载轻时，效率低，延时大设，只有A，B二个站要发信， X=100，可取0， 2 、4 、，200 若A取180 ，B取190 ， 0180 时间内信道浪费,退避算法分析,希望：根据网络当前负载计算延迟时间： 轻载时(发送站少)，在较小的区间取随机数 重载时(发送站多)，在较大的区间取随机数， 如何知道负载轻重： 根据帧的重复冲突次数猜测

17、负载轻重重复冲突次数多，说明网络负载重延时时间区间大，分散负载,二进制指数规律,为每个帧设一个局部参数L 当第一次发生冲突时，令L2 每重复冲突一次，L加倍L=2，4，8，16， n random（0，L-1） 随机退避n*2 时间再监听信道 等价于：第i次冲突：L= 2i n=random（02i-1） 所以，称为二进制指数规律 效果： 冲突少的帧重发成功的机会大 冲突多的帧重发成功的机会小,什么是截断型,重复冲突次数 i 较大时，指数规律增长太快 n太大，网络效率低，工程上，n取1000已经足够， 所以冲突次数 i10 时，L不再加倍 If i10 then n = random（0102

18、3) else L=L*2； n = random（0L-1) 重复冲突次数太多（如 i 大于15） ， 这种情况可能性不大，猜测可能网络有故障 设置一个最大重传次数M（如，M15）， iM时，则不再重传，并向上层报告出错。 综上，整个算法等价于： n= random（02i-1） i10 n= random（01023) 10i16,冲突后，延时n*2时间再去监听信道,i：当前连续冲突的次数 延时时间n*2 n=random（02i-1） i10 n= random（01023) 10i16,小结,先听后说， 边说边听，冲突停止，随机退避算法 载波监听（先听后说）： 发送前先监听总线上是否有

19、信号 如果有，则不发送数据(避免冲突)，继续监听， 信道空闲，发送数据. 冲突检测（边说边听）： 若冲突,停止发送,按随机退避算法等待后重新载波监听 若在2 时间内无冲突，信道争用成功（只需检测2 时间） 截断型指数退避算法(设，为一帧的第i次冲突) If I 16 then 发送失败，报告上层 else if i10 then n = random（01023) else L=L*2； n = random（0L-1) / 延时n*2时间再去监听信道 实质： 根据冲突次数猜测网络负载， 根据网络负载确定延迟时间取值范围,小结：CSMA/CD流程图,开始发送,载波 监听,冲 突 检 测,2内冲

20、突,是,否,强化 冲突,信道忙,是,否,退 避 算 法,随机延时,冲突过多,是,否,组 帧,放弃发送通知上层,发送成功,2.4 强化冲突,问题：距离较远时，信号衰减大， 冲突信号可能被误测为不是冲突信号 强化冲突： 一旦发现冲突，除了立即停止发送数据外，还要发送较短较强的人为干扰信号(jamming signal)， 使其它站点能测到冲突信号。,人为干扰信号,A检测到冲突（TB2）， 立即停止发送数据帧，接着就发送干扰信号。,为了简单起见，没画出B 发送干扰信号的情况。,特性,发送成功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。,以太网的简便性,不做可靠性控制（不可靠的交付服务

21、） 发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。 目的站收到有差错的帧就丢弃，不纠错。 理由： 局域网信道的质量好，出差概率小。 差错的纠正由高层来决定。 无连接的工作方式 不必先建立连接就可以直接发送数据。,3 使用广播信道的共享以太网 (3.4 ),内容 以太网的物理层 早期4种正式的10 M以太网标准 使用集线器的双绞线以太网,以太网的物理层,基带数字信号,曼彻斯特编码,码元,1,1,1,1,1,0,0,0,0,0,出现电平转换,以太网使用曼彻斯特(Manchester)编码发送数据,早期4种正式的10 M以太网标准,传统的以太网是共享以太网 10Base-5：最初的粗同轴电缆以太网标

22、准 10：速率10M； BASE：基带传输； 5：500米。 10Base-2：细同轴电缆以太网标准。 细同轴电缆便宜，可靠性性差 2：185米 10Base-T：使用集线器和双绞线的以太网标准 更可靠、便宜和灵活 T：双绞线 10Base-F：光缆以太网标准 价格较贵，不灵活 F ：光缆,3.1 使用集线器的双绞线以太网 10Base-T,集线器：提供可靠的接口，是一个多接口的转发器 ，工作在物理层,集 线 器,网卡,工作站,网卡,工作站,网卡,工作站,双绞线,10BASE-T,特征 T：双绞线，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。 使用集线器，既降低了成本，又提

23、高了可靠性。 通信距离稍短， 每个站到集线器的距离不超过 100 m。 是局域网发展史上的一个非常重要的里程碑，为以太网在局域网中的统治地位奠定了牢固的基础。,集线器的共享以太网,物理上采用星形拓扑： 用集线器(hub)作为连接中心（星形的中心） 管理方便、容易扩展 需要更多的网线, ，但布线和连接器比总线型的便宜。 逻辑上仍然是总线拓扑集线器只是向多端口转发，是共享/广播信道，不能选站发送 使用的还是 CSMA/CD 协议。,可以通过级联的方式方便地扩展网络的规模多集线器的以太网,物理上是树形网：总线网或星形网的变形 逻辑上仍是总线网：采用CSMA/CD协议 仍然是一个冲突域，集线器多用于小

24、规模的以太网,HUB,HUB,HUB,HUB,HUB,多级星形结构,总线形星形结构,HUB,3.2 以太网的信道利用率,冲突是影响以太网性能的重要因素冲突使传统的以太网在负载超过40时，效率明显下降。 冲突域：在同一个冲突域中的每一个节点都能收到所有被发送的帧。,以太网的信道利用率,发送一帧所需的平均时间 传播时间 发完最后一位，再经过时间 ，信道上无信号在传播 争用时间：K2 发送时间T0 = L/C (s)帧长(bit)/发送速率 (b/s),参数 a,减小 a 值，可以提高以太网的信道利用率 a0 ：一发生冲突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，争用期所

25、占的比例越大，信道浪费越大。 减小a值，提高以太网的信道利用率，二类方法: 限制以太网的连线长度，减小 。 增加以太网的帧长。,信道利用率的最大值 Smax,最好的情况（理想化的情况） 发送数据没产生冲突。 发送一帧占用线路的时间是 T0 + 可计算出极限信道利用率 Smax为：,(3-3),提高以太网信道利用率方法之三,影响冲突产生的因素：产生冲突的原因有很多，如 数据分组的长度， T0 = L/C (s)帧长/ 速率 （以太网的最大帧长度为1518字节） 网络的直径（ ） 同一冲突域中节点的数量越多，产生冲突的可能性就越大。 提高以太网信道利用率方法之三 使用网桥和交换机将网络分段，将一个

26、大的冲突域划分为若干小冲突域。,4 以太网的 MAC 层4.1 MAC 层的硬件地址,“地址”：是每一个站的“名字”或标识符（与计算机的位置无关） 局域网中计算机的地址，指： 实通信使用的地址，所以又称为物理地址 存储在网卡中，所以称为硬件地址 工作在MAC层（出现在MAC帧中）， 所以又称为 MAC 地址。,MAC-48地址,6字节（48位）的MAC地址，称为 MAC-48 例， 16进制数表示： 02-60-8C-0A-8C-6D 高3字节： 块地址， Block ID ，机构标识符OUI (Organizationally Unique Identifier), 由IEEE注册管理机构

27、RAC统一有偿分配给厂商，全球唯一： 例：02-60-8C代表3COM公司 一个厂商可以买多个块号。 只有223个块（第一字节的最低位为I/G位） 低3字节：块内地址，扩展标识符EUI (Extended Unique Identifier) 由厂商分配（Vendor assigned），块内唯一 代表该厂商制造的一个产品(如一块网卡)。 “MAC地址”实际上是适配器标识 由此，保证了每个产品都具有唯一的MAC地址。,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-C7-75-2A,08-00-20-47-1F-E4,20-6

28、0-8C-11-D2-F6,路由器同时连接到两个网络上（见第四章）， 因此它有两块网卡和两个硬件地址。,MAC-48地址串行发送的顺序,十六进制表示的 EUI-48 地址： AC-DE-48-00-00-80,802.3/4的EUI-48 地址,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,00110101 01111011 00010010 00000000 00000000 00000001,最低位 最先发送,最高位,最低位,最高位 最后发送,低位在前,I/G 比特,第 1,字节顺序,第 2,第 3

29、,第 4,第 5,第 6,802.3 802.4,机构惟一标志符 OUI（23位）,扩展惟一标志符EUI（24位）,C A E D 8 4 0 0 0 0 0 8,I/G（第一字节最低位b0） I/G=0：单地址Individual I/G=1：组地址Group，,适配器检查 MAC 地址,适配器每收到一个 MAC 帧就检查MAC 地址. （用硬件实现 ） 如果是发往本站的帧则收下（可以接收的三种帧） 单播(unicast)帧 （一对一）： I/G=0 多播(multicast)帧（一对多）： I/G=1（本站是该组的成员） 广播(broadcast)帧（一对全体）：全1地址 否则就将此帧丢弃

30、,4.2 MAC 帧的格式,以太网MAC帧格式有两种标准 ： DIX Ethernet V2 标准（常用） IEEE 的 802.3 标准,以太网 MAC 帧,物理层,MAC层,10101010101010 10101010101010101011,前同步码,帧开始 定界符,7 字节,1 字节,8 字节,IP层,目的地址,源地址,类型,数 据,FCS,6,6,2,4,字节,46 1500,MAC 帧,以太网（ V2 ）的 MAC 帧格式,比较： 以太网的帧：MAC帧+物理层的帧开始定界符 P P P 的帧： MAC帧带有帧开始定界符,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,以太网 V2 的 MAC 帧格式,数据字段 46 1500 字节,数据字段的最小长度最小帧长 64 字节 18 字节首部尾部 =46,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。,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：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。,例： 类型0800H，上层为IP数据报,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP