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1、CH3 数据链路层3ed第第 3 章章 数据链路层数据链路层第第 3 章章 数据链路层数据链路层n3.1 使用使用点对点信道的数据链路层点对点信道的数据链路层n3.2 点对点协议点对点协议 PPPn3.3 使用广播信道的数据链路层使用广播信道的数据链路层n3.4 扩展的以太网扩展的以太网n3.5 高速高速以太网以太网数据链路层数据链路层使用的信道使用的信道数据链路层使用的信道主要有以下两种类型：数据链路层使用的信道主要有以下两种类型：n点对点信道。点对点信道。这种信道使用这种信道使用一对一的点对点通一对一的点对点通信信方式。方式。n广播信道。广播信道。这种信道使用这种信道使用一对多的广播通信一
2、对多的广播通信方方式，因此过程比较复杂。广播信道上连接的主式，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协调这些主机的数据发送。发送。 3.1.1 数据链路和帧数据链路和帧 n链路链路(link)是一条无源的点到点的物理线路段，中间没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。有任何其他的交换结点。n一条链路只是一条通路的一个组成部分。一条链路只是一条通路的一个组成部分。n数据链路数据链路(data link) 除了物理线路外，还必须有通信除了物理线路外，还必须有通信协议来控制这些数据的
3、传输。若把实现这些协议的硬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。件和软件加到链路上，就构成了数据链路。n现在最常用的方法是使用适配器（即网卡）来实现这些协议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。的硬件和软件。n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。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。 3.1.1 数据链路和帧数据链路和帧 n也也有人采用另外的术语。这就是把链路分为物有人采用另外的术语。这就是把链路分为物理链路和逻辑链路理链路和逻辑链路。n物理物理链路链路就是上面所说的就是上面所说的链路链路。
4、n逻辑逻辑链路链路就是上面的数据链路，是物理链路加就是上面的数据链路，是物理链路加上必要的通信协议。上必要的通信协议。n早期的数据通信协议曾叫作早期的数据通信协议曾叫作通信规程通信规程(procedure)。因此在数据链路层，规程和协议。因此在数据链路层，规程和协议是同义语。是同义语。数据数据链路层链路层结点结点 A结点结点 B帧帧(b) 只考虑数据链路层只考虑数据链路层发送发送帧帧接收接收链路链路IP 数据报数据报1010 0110帧帧取出取出数据数据链路层链路层网络层网络层链路链路结点结点 A结点结点 B物理层物理层(a) 三层的简化模型三层的简化模型IP 数据报数据报1010 0110帧
5、帧装入装入数据链路层传送的是帧数据链路层传送的是帧使用使用点对点信道的数据链路层点对点信道的数据链路层数据链路层像个数字管道数据链路层像个数字管道 n常常在两个对等的数据链路层之间画出一个数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字管道，而在这条数字管道上传输的数据单位是帧。是帧。n数据链路层不必考虑物理层如何实现比特传输数据链路层不必考虑物理层如何实现比特传输的细节的细节。甚至。甚至还可以更简单地设想好像是沿着还可以更简单地设想好像是沿着两个数据链路层之间的水平方向把帧直接发送两个数据链路层之间的水平方向把帧直接发送到到对方对方。结点结点结点结点帧帧帧
6、帧3.1.2 三个基本问题三个基本问题 n数据链路层协议有许多种，但有三个基本问题数据链路层协议有许多种，但有三个基本问题则是共同的。这三个基本问题则是共同的。这三个基本问题是是：(1) 封装成帧封装成帧(2) 透明传输透明传输(3) 差错控制差错控制 1. 封装成帧封装成帧n封装成帧封装成帧(framing)就是在一段数据的前后分别添加首就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部，然后就构成了一个帧。确定帧的界限。部和尾部，然后就构成了一个帧。确定帧的界限。n首部和尾部的一个重要作用就是进行首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界帧定界。 课件制作人：谢希仁课件制作人：谢希仁帧结束帧结束帧首部帧首
7、部IP 数据报数据报帧的数据部分帧的数据部分帧尾部帧尾部 MTU数据链路层的帧长数据链路层的帧长从这里开始发送从这里开始发送帧开始帧开始发送发送用用帧首部和帧尾部封装成帧帧首部和帧尾部封装成帧用用控制字符控制字符进行帧定界的方法举例进行帧定界的方法举例 n当数据是由可打印的当数据是由可打印的ASCII码组成的文本文件时，帧定码组成的文本文件时，帧定界可以使用特殊的界可以使用特殊的帧定界符。帧定界符。n控制字符控制字符SOH (Start Of Header)放在一帧的最前面，放在一帧的最前面，表示帧的首部开始。另一个控制字符表示帧的首部开始。另一个控制字符EOT (End Of Transmi
8、ssion)表示帧的结束。表示帧的结束。SOH装在帧中的数据部分装在帧中的数据部分帧帧帧开始符帧开始符帧结束符帧结束符发送在前发送在前EOT用用控制字符进行帧定界的方法举例控制字符进行帧定界的方法举例2. 透明传输透明传输n如果数据链路层协议允许所传送的数据可具有如果数据链路层协议允许所传送的数据可具有任意形式的比特组合（即使出现了和帧首部或任意形式的比特组合（即使出现了和帧首部或帧尾部标记完全一样的比特组合，协议也会采帧尾部标记完全一样的比特组合，协议也会采取适当的措施来处理），那么这样的传输就称取适当的措施来处理），那么这样的传输就称为透明传输（表示任意形式的比特组合都可以为透明传输（表示
9、任意形式的比特组合都可以不受限制地在数据链路层传输）。不受限制地在数据链路层传输）。3. 差错检测差错检测n在传输过程中可能会产生在传输过程中可能会产生比特差错：比特差错：1 可能会变可能会变成成 0 而而 0 也可能变成也可能变成 1。n在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比率称为总数的比率称为误码率误码率 BER (Bit Error Rate)。n误码率与信噪比有很大的关系。误码率与信噪比有很大的关系。n为了保证数据传输的可靠性，在计算机网络传为了保证数据传输的可靠性，在计算机网络传输数据时，必须采用各种差错检测措施。输数据时，必须采用各
10、种差错检测措施。 循环冗余检验循环冗余检验 应当注意应当注意 n应当明确，应当明确，“无比特差错无比特差错”与与“无传输差错无传输差错”是是不不同同的的概念概念。n在在数据链路层使用数据链路层使用CRC检验，能够实现无比特检验，能够实现无比特差错的传输，但这还不是可靠传输差错的传输，但这还不是可靠传输。n本章介绍的数据链路层协议都不是可靠传输的本章介绍的数据链路层协议都不是可靠传输的协议。协议。3.2 点对点协议点对点协议PPPn3.2.1 PPP协议协议的的主要主要特点特点n3.2.2 PPP协议的帧格式协议的帧格式n3.2.3 PPP协议的工作状态协议的工作状态3.2.1 PPP 协议的特
11、点协议的特点 n对于点对点的对于点对点的链路链路，目前目前使用得最广泛的数据使用得最广泛的数据链路层链路层协议协议是是点对点协议点对点协议 PPP (Point-to-Point Protocol)。n用户用户使用拨号电话线使用拨号电话线接入互联网时，接入互联网时， 用户用户计算计算机和机和ISP进行通信时所使用的数据链路层进行通信时所使用的数据链路层协议就协议就是是PPP协议协议。nPPP协议协议在在1994年就已成为互联网的正式年就已成为互联网的正式标准标准。用户到用户到 ISP 的链路使用的链路使用 PPP 协议协议 用用户户至互联网至互联网已已向互联网管理向互联网管理机构机构申请到一批
12、申请到一批 IP 地址地址ISP接入网接入网PPP 协议协议1. PPP 协议应满足的需求协议应满足的需求 n简单简单 这这是首要的是首要的要求。要求。n封装成封装成帧帧 必须必须规定特殊的字符作为帧规定特殊的字符作为帧定界符定界符。n透明性透明性 必须必须保证数据传输的保证数据传输的透明性透明性。n多种网络层多种网络层协议协议 能够在同能够在同一条物理链路上同时支一条物理链路上同时支持多种网络层持多种网络层协议协议。n多种类型多种类型链路链路 能够能够在多种类型的链路上在多种类型的链路上运行运行。n差错检测差错检测 能够能够对接收端收到的帧进行检测，并立对接收端收到的帧进行检测，并立即丢弃有
13、差错的即丢弃有差错的帧帧。3. PPP 协议的组成协议的组成 nPPP 协议有三个协议有三个组成部分：组成部分：n(1) 一一个将个将 IP 数据报封装到串行链路的方法。数据报封装到串行链路的方法。n(2) 链路控制链路控制协议协议 LCP (Link Control Protocol)。n(3) 网络网络控制协议控制协议 NCP (Network Control Protocol)。 3.2.2 PPP 协议的帧格式协议的帧格式nPPP帧的首部和尾部分别帧的首部和尾部分别为为4个个字段字段和和2个个字段。字段。n标志标志字段字段 F = 0 x7E （符号（符号“0 x”表示后面的字表示后面
14、的字符是用十六进制表示。十六进制的符是用十六进制表示。十六进制的 7E 的二进制的二进制表示是表示是 01111110）。n地址字段地址字段 A 只置为只置为 0 xFF。地址字段实际上并不。地址字段实际上并不起作用。起作用。n控制字段控制字段 C 通常置为通常置为 0 x03。nPPP 是面向字节的，所有的是面向字节的，所有的 PPP 帧的长度都是帧的长度都是整数字节整数字节。PPP 协议的帧格式协议的帧格式IP 数据报数据报1211字节字节12不超过不超过 1500 字节字节PPP 帧帧先发送先发送7EFF03FACFCSF7E协议协议信信 息息 部部 分分首部首部尾部尾部PPP 有一个有
15、一个 2 个字节的协议字段个字节的协议字段。其值。其值l若若为为 0 x0021，则信息字段，则信息字段就是就是IP 数据报数据报。l若为若为 0 x8021，则信息字段是网络控制数据，则信息字段是网络控制数据。l若为若为 0 xC021，则则信息字段是信息字段是 PPP 链路控制数据。链路控制数据。l若若为为 0 xC023，则信息字段则信息字段是鉴别数据。是鉴别数据。透明传输问题透明传输问题 n当当 PPP 用在同步传输链路时，协议规定采用硬用在同步传输链路时，协议规定采用硬件来完成件来完成比特填充比特填充（和（和 HDLC 的做法一样）。的做法一样）。 n当当 PPP 用在异步传输时，就
16、使用一种特殊的用在异步传输时，就使用一种特殊的字字符填充法符填充法。 字符填充字符填充 n将信息字段中出现的每一个将信息字段中出现的每一个 0 x7E 字节转变成为字节转变成为 2 字节字节序列序列 (0 x7D, 0 x5E)。 n若信息字段中出现一个若信息字段中出现一个 0 x7D 的字节的字节, 则将其转则将其转变成为变成为 2 字节字节序列序列 (0 x7D, 0 x5D)。n若信息字段中出现若信息字段中出现 ASCII 码的控制字符（即数码的控制字符（即数值小于值小于 0 x20 的字符），则在该字符前面要加入的字符），则在该字符前面要加入一个一个 0 x7D 字节，同时将该字符的编
17、码加以改字节，同时将该字符的编码加以改变。变。 零比特填充零比特填充 nPPP 协议用在协议用在 SONET/SDH 链路时链路时，使用，使用同步同步传输（一连串的比特连续传送）。传输（一连串的比特连续传送）。这时这时 PPP 协协议采用议采用零比特填充零比特填充方法来实现透明传输。方法来实现透明传输。n在发送端，只要发现有在发送端，只要发现有 5 个连续个连续 1，则立即填，则立即填入一个入一个 0。n接收接收端对帧中的比特流进行扫描。每当发现端对帧中的比特流进行扫描。每当发现 5 个连续个连续1时，就把这时，就把这 5 个连续个连续 1 后的一个后的一个 0 删除。删除。零比特填充零比特填
18、充 0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 00 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 00 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0信息字段中出现了和信息字段中出现了和标志字段标志字段 F 完全一样完全一样的的 8 比特组合比特组合发送端在发送端在 5 个连个连 1 之后之后填入填入 0 比特再发送出去比特再发送出去接收接收端把端把 5 个连个连 1之后的之后的 0 比特删除比特删除会被误认为是标志字段会被误认为是标志字段 F 发送端填入发送端填入 0 比特比特接收端删除填入的接收端删除填入的 0 比特比特零零比特的
19、填充与删除比特的填充与删除 不提供使用序号和不提供使用序号和确认的确认的可靠传输可靠传输 nPPP 协议之所以不使用序号和确认机制是出于协议之所以不使用序号和确认机制是出于以下的考虑：以下的考虑：n在数据链路层出现差错的概率不大时，使用比较简在数据链路层出现差错的概率不大时，使用比较简单的单的 PPP 协议较为合理。协议较为合理。n在因特网环境下，在因特网环境下，PPP 的信息字段放入的数据是的信息字段放入的数据是 IP 数据报。数据报。数据链路层的可靠传输并不能够保证网络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。层的传输也是可靠的。n帧检验序列帧检验序列 FCS 字段可保证无差
20、错接受字段可保证无差错接受。 3.2.3 PPP 协议的工作状态协议的工作状态 n当用户拨号接入当用户拨号接入 ISP 时，路由器的调制解调器对拨号做出确认，时，路由器的调制解调器对拨号做出确认，并建立一条物理连接。并建立一条物理连接。nPC 机向路由器发送一系列的机向路由器发送一系列的 LCP 分组（封装成多个分组（封装成多个 PPP 帧）。帧）。n这些分组及其响应选择一些这些分组及其响应选择一些 PPP 参数参数，并进行，并进行网络层配置，网络层配置，NCP 给新接入的给新接入的 PC机分配一个临时的机分配一个临时的 IP 地址，使地址，使 PC 机成为机成为因特网上的一个主机。因特网上的
21、一个主机。n通信完毕时，通信完毕时，NCP 释放网络层连接，收回原来分配出去的释放网络层连接，收回原来分配出去的 IP 地地址。接着，址。接着，LCP 释放数据链路层连接。最后释放的是物理层的释放数据链路层连接。最后释放的是物理层的连接连接。n可见，可见，PPP协议已不是纯粹的数据链路层的协议，它还包含了协议已不是纯粹的数据链路层的协议，它还包含了物理层和网络层的物理层和网络层的内容内容。3.3 使用广播信道的数据链路层使用广播信道的数据链路层n3.3.1 局域网的数据链路层局域网的数据链路层n3.3.2 CSMA/CD协议协议n3.3.3 使用集线器的星形拓扑使用集线器的星形拓扑n3.3.4
22、 以太网的信道利用率以太网的信道利用率n3.3.5 以太网的以太网的MAC层层3.3.1 局域网的数据链路层局域网的数据链路层 n局域网最主要的局域网最主要的特点特点是是：n网络网络为一个单位所为一个单位所拥有；拥有；n地理地理范围和站点数目均有限。范围和站点数目均有限。 n局域网具有局域网具有如下如下主要主要优点优点：n具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网。局域网。局域网上上的主机可共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源。的主机可共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源。 n便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活调整和便于系统的扩展和逐渐
23、地演变，各设备的位置可灵活调整和改变。改变。n提高了系统的可靠性、可用性和残存性。提高了系统的可靠性、可用性和残存性。局域网拓扑结构局域网拓扑结构 干线耦合器干线耦合器环形网环形网星形网星形网集线器集线器总线网总线网匹配电阻匹配电阻媒体共享技术媒体共享技术n静态划分信道静态划分信道n频分复用频分复用n时分复用时分复用n波分复用波分复用n码分复用码分复用 n动态媒体接入控制（多点接入）动态媒体接入控制（多点接入）n随机接入随机接入n受控接入受控接入 ，如多点线路探询，如多点线路探询(polling)，或轮询。，或轮询。 1. 以太网以太网的两个标准的两个标准 nDIX Ethernet V2 是
24、世界上第一个局域网产品是世界上第一个局域网产品（以太网）的规约。（以太网）的规约。nIEEE 802.3是是第一第一个个IEEE的以太网的以太网标准标准。nDIX Ethernet V2 标准与标准与 IEEE 的的 802.3 标准只标准只有很小的差别，因此可以将有很小的差别，因此可以将 802.3 局域网简称局域网简称为为“以太网以太网”。n严格说来，严格说来，“以太网以太网”应当是指符合应当是指符合 DIX Ethernet V2 标准的局域网标准的局域网 。 数据链路层的两个子层数据链路层的两个子层 n为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准
25、，IEEE 802 委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层：层：n逻辑链路控制逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control)子层；子层；n媒体接入控制媒体接入控制 MAC (Medium Access Control)子层。子层。n与接入到传输媒体有关的内容都放在与接入到传输媒体有关的内容都放在 MAC子层，而子层，而 LLC 子层则与传输媒体子层则与传输媒体无关。无关。n不管不管采用何种协议的采用何种协议的局域网，对局域网，对 LLC 子层来说都是透子层来说都是透明明的。的。局域网对局域网对 LLC 子层是子层是透明的透明的 局局
26、域域 网网网络层网络层物理层物理层站点站点 1网络层网络层物理层物理层逻辑链路控制逻辑链路控制LLCLLC媒体接入控制媒体接入控制MACMAC数据数据链路层链路层站点站点 2LLC 子层看不见子层看不见下面的局域网下面的局域网一般一般不考虑不考虑 LLC 子层子层 n由于由于 TCP/IP 体系经常使用的局域网是体系经常使用的局域网是 DIX Ethernet V2 而不是而不是 802.3 标准中的标准中的几种局域网，因此现在几种局域网，因此现在 802 委员会制定的委员会制定的逻辑链路控制子层逻辑链路控制子层 LLC（即（即 802.2 标准）标准）的作用已经不大了。的作用已经不大了。n很
27、多厂商生产的适配器上就仅装有很多厂商生产的适配器上就仅装有 MAC 协议而没有协议而没有 LLC 协议。协议。 2. 适配器的作用适配器的作用 n网络接口板又称为网络接口板又称为通信适配器通信适配器(adapter)或或网络网络接口卡接口卡 NIC (Network Interface Card)，或，或“网网卡卡”。 n适配器的重要功能：适配器的重要功能：n进行串行进行串行/ /并行转换。并行转换。n对数据进行缓存。对数据进行缓存。n在计算机的操作系统安装设备驱动程序。在计算机的操作系统安装设备驱动程序。n实现以太网协议。实现以太网协议。 计算机通过计算机通过适配器和适配器和局域网进行通信局
28、域网进行通信 至局域网至局域网适配器适配器（网卡）（网卡）串行通信串行通信CPU 和和存储器存储器生成发送的数据生成发送的数据处理收到的数据处理收到的数据把帧发送到局域网把帧发送到局域网从局域网接收帧从局域网接收帧计算机计算机并行并行通信通信硬件地址硬件地址IP 地址地址3.3.2 CSMA/CD 协议协议 n最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总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，线上。当初认为这样的连接方法既简单又可靠，因为总线上没有有源器件。因为总线上没有有源器件。 B向向 D发送数据发送数据 C D A E匹配电阻（用来吸收总线上传播的信
29、号）匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号）匹配电阻匹配电阻不接受不接受不接受不接受不接受不接受接受接受B只有只有 D 接受接受B 发送的数据发送的数据以太网采用广播以太网采用广播方式发送方式发送 n总线上的每一个工作的计算机都能检测到总线上的每一个工作的计算机都能检测到 B 发发送的数据信号。送的数据信号。 n由于只有计算机由于只有计算机 D 的地址与数据帧首部写入的的地址与数据帧首部写入的地址一致，因此只有地址一致，因此只有 D 才接收这个数据帧。才接收这个数据帧。 n其他所有的计算机（其他所有的计算机（A, C 和和 E）都检测到不是）都检测到不是发送给它们的数据帧，因此就丢弃这个数据帧发送
30、给它们的数据帧，因此就丢弃这个数据帧而不能够收下来。而不能够收下来。n在具有在具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。广播特性的总线上实现了一对一的通信。 以太网以太网采取了两种重要的措施采取了两种重要的措施 为了为了通信的通信的简便，以太网简便，以太网采取了两种重要的采取了两种重要的措施：措施：(1) 采用采用较为灵活的较为灵活的无连接的工作无连接的工作方式方式n不必不必先建立连接就可以直接发送先建立连接就可以直接发送数据数据n对对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。认。n这样做的理由是局域网信道的质量很好，因信道质这样做的理由是局域网信道
31、的质量很好，因信道质量产生差错的概率是很小的。量产生差错的概率是很小的。 以太网提供的服务以太网提供的服务 n以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。努力的交付。n当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，其他什么也不做。其他什么也不做。差错的纠正由高层来决定差错的纠正由高层来决定。n如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但以太网并不知道这是一个重传的帧，而是当作以太网并不知道这是一个重传的帧，而是当作一个新的数据帧来发送。一个新的数据帧来发送。 CSMA/CD协议
32、协议 nCSMA/CD 含义：含义：载波监听多点接入载波监听多点接入 / 碰撞碰撞检测检测 (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) 。n“多点接入多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上在一根总线上。n“载波监听载波监听”是指每一个站在发送数据之前先要检测是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，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。则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。 n总线上并没有什么总线上
33、并没有什么“载波载波”。因此，。因此， “载波监听载波监听”就就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号据信号。碰撞检测碰撞检测n“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就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。号电压大小。n当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电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）。压摆动值将会增大（互相叠加）。n当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值当一个站检测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，表时
34、，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。明产生了碰撞。n所谓所谓“碰撞碰撞”就是发生了冲突。因此就是发生了冲突。因此“碰撞检测碰撞检测”也也称为称为“冲突检测冲突检测”。检测到碰撞后检测到碰撞后n在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严重在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来。的失真，无法从中恢复出有用的信息来。n每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，就要现了碰撞，就要立即停止发送立即停止发送，免得继续浪费，免得继续浪费网络资源，然后网络资源，然后等待一段随机等待一段随机时间后再次发送。时间
35、后再次发送。为什么要进行碰撞检测？为什么要进行碰撞检测？n由于电磁波由于电磁波在总线上在总线上的的传播传播速率是有限的，速率是有限的，当当某个站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。监听到总线是空闲时，也可能总线并非真正是空闲的。 nA 向向 B 发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到 B。nB 若在若在 A 发送的信息到达发送的信息到达 B 之前发送自己的之前发送自己的帧帧 (因为因为这时这时 B 的载波监听检测不到的载波监听检测不到 A 所发送的信息所发送的信息)，则必然，则必然要在某个时间和要在某个时间和 A 发送的帧发生碰撞。发
36、送的帧发生碰撞。n碰撞的结果是两个帧都变得无用碰撞的结果是两个帧都变得无用。n所以需要在发送所以需要在发送期间进行期间进行碰撞碰撞检测，以检测冲突。检测，以检测冲突。 CSMA/CD重要重要特性特性n使用使用 CSMA/CD 协议的以太网不能进行全双工协议的以太网不能进行全双工通信而通信而只能进行双向交替通信（半双工通信）只能进行双向交替通信（半双工通信）。n每个站在发送数据之后的一小段时间内，存在每个站在发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。着遭遇碰撞的可能性。 n这种这种发送的不确定性发送的不确定性使整个以太网的平均通信使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率。量远小
37、于以太网的最高数据率。 争用期争用期n最先发送数据帧的站，在发送数据帧后最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多至多经经过时间过时间 2 （两倍的端到端往返时延）（两倍的端到端往返时延）就可知道就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。发送的数据帧是否遭受了碰撞。n以太网的端到端往返时延以太网的端到端往返时延 2 称为称为争用期争用期，或，或碰碰撞窗口撞窗口。n经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能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肯定这次发送不会发生碰撞。争用期的长度争用期的长度 n10 Mbit/s 以太网以太网取取 51.2 s 为争用期的长度。为争用期的长度。n
38、对于对于 10 Mbit/s 以太网，在争用期内可发送以太网，在争用期内可发送512 bit，即，即 64 字节字节。这意味着：这意味着：以太网以太网在发送数据时，若前在发送数据时，若前 64 字节没有发生字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。冲突，则后续的数据就不会发生冲突。最短有效帧长最短有效帧长 n如果发生冲突，就一定是在发送的前如果发生冲突，就一定是在发送的前 64 字节之字节之内。内。 n由于一检测到冲突就立即中止发送，这时已经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发送出去的数据一定小于 64 字节。字节。 n以太网规定了最短有效帧长为以太网规定了最短
39、有效帧长为 64 字节，凡长度字节，凡长度小于小于 64 字节的帧都是由于冲突而异常中止的字节的帧都是由于冲突而异常中止的无无效帧效帧。 强化碰撞强化碰撞 当当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时：发送数据的站一旦发现发生了碰撞时：n(1) 立即立即停止发送数据；停止发送数据；n(2) 再再继续发送若干比特的继续发送若干比特的人为干扰信号人为干扰信号 (jamming signal)，以便让所有用户都知道现在，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。已经发生了碰撞。 CSMA/CD协议的要点协议的要点n(1) 准备准备发送发送。但但在发送之前，必须先检测信道。在发送之前，必须先检测信道。n(2)
40、检测检测信道信道。若若检测到信道忙，则应不停地检测，一直等检测到信道忙，则应不停地检测，一直等待信道转为空闲。若检测到信道空闲，并在待信道转为空闲。若检测到信道空闲，并在96比特时间内比特时间内信道保持空闲（保证了帧间最小间隔），就发送这个帧。信道保持空闲（保证了帧间最小间隔），就发送这个帧。n(3) 检查碰撞。检查碰撞。在在发送过程中仍不停地检测信道，即网络适发送过程中仍不停地检测信道，即网络适配器要边发送边监听。这里只有两种可能性配器要边发送边监听。这里只有两种可能性：n发送成功：发送成功：在争用期内一直未检测到碰撞。这个帧肯定能够发送在争用期内一直未检测到碰撞。这个帧肯定能够发送成功。发
41、送完毕后，其他什么也不做。然后回到成功。发送完毕后，其他什么也不做。然后回到(1)。n发送失败：发送失败：在争用期内检测到碰撞。这时立即停止发送数据，并在争用期内检测到碰撞。这时立即停止发送数据，并按规定发送人为干扰信号。适配器接着就执行指数退避算法，等待按规定发送人为干扰信号。适配器接着就执行指数退避算法，等待r倍倍512比特时间后，返回到步骤比特时间后，返回到步骤(2)，继续检测信道。但若重传达，继续检测信道。但若重传达16次仍不能成功，则停止重传而向上报错。次仍不能成功，则停止重传而向上报错。3.4 使用广播信道的以太网使用广播信道的以太网3.4.1 使用集线器的星形拓扑使用集线器的星形
42、拓扑n传统以太网最初是使用粗同轴电缆，后来演进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用更便宜和更灵活的双绞线。n采用采用双绞线双绞线的的以太网以太网采用星形拓扑，在星形的采用星形拓扑，在星形的中心则增加了一种可靠性非常高的设备，叫做中心则增加了一种可靠性非常高的设备，叫做集线器集线器(hub)，使用集线器的双绞线以太网使用集线器的双绞线以太网 集线器集线器两对双绞线两对双绞线站点站点RJ-45 插头插头星形以太网星形以太网 10BASE-T n1990年年IEEE制定出星形制定出星形以太网
43、以太网 10BASE-T 的标的标准准 802.3i。10BASET 双绞线双绞线基带基带速率为速率为10 Mbit/s 星形以太网星形以太网 10BASE-T n使用使用无屏蔽无屏蔽双绞线，采用星形拓扑。双绞线，采用星形拓扑。n每个每个站需要用两对双绞线，分别用于发送和接站需要用两对双绞线，分别用于发送和接收收。n双绞线双绞线的两端使用的两端使用RJ-45插头插头。n集线器使用了大规模集成电路芯片，集线器使用了大规模集成电路芯片，因此因此集线集线器的器的可靠性提高可靠性提高。 n10BASE-T 的通信距离稍短，每个站到集线器的通信距离稍短，每个站到集线器的距离不超过的距离不超过 100 m
44、。集线器的一些特点集线器的一些特点 n(1) 集线器集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线的工作，是使用电子器件来模拟实际电缆线的工作，因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行。因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行。 n(2) 使用使用集线器的以太网在集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，逻辑上仍是一个总线网，各工作站使用的还是各工作站使用的还是 CSMA/CD 协议，并协议，并共享逻辑共享逻辑上的总线。上的总线。 n(3) 集线器集线器很像一个多接口的转发器，很像一个多接口的转发器，工作在物理层。工作在物理层。n(4) 集线器采用了专门的芯片，进行自适应串音回波集线器采用了专门的芯片，
45、进行自适应串音回波抵消抵消，减少了，减少了近端串音近端串音。3.4.2 以太网的以太网的MAC层层重点介绍：重点介绍：n1. MAC层的硬件层的硬件地址地址n2. MAC帧的格式帧的格式1. MAC 层的硬件地址层的硬件地址 n在局域网中，在局域网中，硬件地址硬件地址又称为又称为物理地址物理地址，或，或 MAC 地址地址。 n802 标准所说的标准所说的“地址地址”严格地讲应当是每一个站的严格地讲应当是每一个站的“名字名字”或或标识符标识符。 n但鉴于大家都早已习惯了将这种但鉴于大家都早已习惯了将这种 48 位的位的“名字名字”称为称为“地址地址”，所以本书也采用这种习惯用法，尽管这种，所以本
46、书也采用这种习惯用法，尽管这种说法并不太严格。说法并不太严格。请注意，如果连接在局域网上的主机或路由器安装请注意，如果连接在局域网上的主机或路由器安装有多个适配器，那么这样的主机或路由器就有多个有多个适配器，那么这样的主机或路由器就有多个“地址地址”。更准确些说，。更准确些说，这种这种48位位“地址地址”应当是应当是某个接口的标识符。某个接口的标识符。48 位的位的 MAC 地址地址nIEEE 802标准规定标准规定MAC地址字段可采用地址字段可采用6字节字节(48位位) 或或 2字节字节 (16位位) 这这两种中的一两种中的一种种。nIEEE 的注册管理机构的注册管理机构 RA 负责向厂家分
47、配负责向厂家分配地址字段地址字段6个字节中的前三个个字节中的前三个字节字节(即即高位高位 24 位位)，称为，称为组织唯一组织唯一标识符标识符。n地址字段地址字段6个个字节字节中中的后三个字节的后三个字节(即即低位低位 24 位位)由厂家由厂家自行指派，称为自行指派，称为扩展唯一标识符扩展唯一标识符，必须保证生产出的必须保证生产出的适配器没有重复地址适配器没有重复地址。组织唯一标识符组织唯一标识符扩展扩展唯一标识符唯一标识符3字节字节 （24位）位）3字节字节 （24位）位）48 位的位的 MAC 地址地址48 位的位的 MAC 地址地址n一一个地址块可以生成个地址块可以生成224个不同的地址
48、。这种个不同的地址。这种 48 位地址称为位地址称为 MAC-48，它的通用名称是，它的通用名称是EUI-48。n生产适配器生产适配器时时，6字节的字节的MAC地址已被固化在适地址已被固化在适配器的配器的ROM，因此，因此，MAC地址也叫作地址也叫作硬件地址硬件地址(hardware address)或或物理物理地地址址。n“MAC地址地址”实际上就是适配器地址或适配器实际上就是适配器地址或适配器标识符标识符EUI-48。适配器检查适配器检查 MAC 地址地址 n适配器从网络上每收到一个适配器从网络上每收到一个 MAC 帧就首先用硬帧就首先用硬件检查件检查 MAC 帧中的帧中的 MAC 地址。
49、地址。n如果是如果是发往本站的帧发往本站的帧则收下，然后再进行其他的处则收下，然后再进行其他的处理。理。n否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。n“发往本站的帧发往本站的帧”包括以下三种帧：包括以下三种帧： n单播单播(unicast)帧（一对一）帧（一对一）n广播广播(broadcast)帧（一对全体）帧（一对全体）n多播多播(multicast)帧（一对多帧（一对多）适配器检查适配器检查 MAC 地址地址 n所有所有的适配器都的适配器都至少至少能够识别前两种帧，即能够识别前两种帧，即能能够识别单够识别单播播地址地址和广播地址。和广播地址。n有有的适配器
50、可用编程方法识别多播的适配器可用编程方法识别多播地址地址。n只有只有目的地址才能使用广播地址和多播地址目的地址才能使用广播地址和多播地址。n以以混杂方式混杂方式(promiscuous mode)工作的工作的以太网以太网适配器只要适配器只要“听到听到”有帧在以太网上传输就有帧在以太网上传输就都都接收下来接收下来。2. MAC 帧的格式帧的格式 n常用的以太网常用的以太网MAC帧格式有两种标准帧格式有两种标准 ：nDIX Ethernet V2 标准标准nIEEE 的的 802.3 标准标准n最常用的最常用的 MAC 帧是帧是以太网以太网 V2 的格式。的格式。以太网以太网V2的的 MAC 帧格