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1、 第第3 3章章 数据链路层数据链路层3.1使用点对点通信的数据链路层使用点对点通信的数据链路层3.2点对点协议点对点协议PPP3.3使用广播信道的数据链路层使用广播信道的数据链路层3.4使用广播信道的以太网使用广播信道的以太网3.5扩展的以太网扩展的以太网3.6高速以太网高速以太网3.7其他类型的高速局域网或接口其他类型的高速局域网或接口数据链路层数据链路层数数据据链链路路层层最最基基本本的的服服务务：将将源源计计算算机机网网络络层层传传下下来来的的数数据据可可靠靠地地传传输输到到相相邻邻结结点点的的目目标标计计算机的算机的网络层网络层。为为达达到到这这一一目目的的，数数据据链链路路层层必必
2、须须具具备备一一系系列相应的列相应的功能功能：u如何将如何将IP数据报数据报组合组合成成帧帧；u控控制制帧帧在在物物理理信信道道上上的的传传输输，例例如如怎怎样样处处理理传传输输差错差错。3.1使用点对点信道的数据链路层使用点对点信道的数据链路层3.1.1数据链路和帧数据链路和帧p链链路路(link)(link)：一一个个结结点点到到相相邻邻结结点点的的物物理理线线路路，中中间间没没有有任何其他的交换结点。任何其他的交换结点。p数数据据链链路路(data(data link)link)：除除了了物物理理链链路路外外，还还必必须须有有通通信信协协议议来来控控制制这这些些数数据据的的传传输输。若若
3、把把实实现现这这些些协协议议的的硬硬件件和和软软件件加到链路上，就构成了数据链路。加到链路上，就构成了数据链路。现现在在最最常常用用的的方方法法是是使使用用适适配配器器（网网卡卡）来来实实现现这这些些协协议议的的硬硬件件和软件。和软件。一般的适配器都包括了一般的适配器都包括了数据链路层数据链路层和和物理层物理层这两层的功能。这两层的功能。p帧帧：数数据据链链路路层层的的协协议议数数据据单单元元（PDU：ProtocolDataUnit）。）。数数据据链链路路层层属属于于计计算算机机网网络络的的低低层层，使使用用的的信道信道主要有以下两种类型：主要有以下两种类型：u点点对对点点信信道道：这这种种
4、信信道道使使用用一一对对一一的的点点对对点点通通信信方式。方式。u广广播播信信道道：这这种种信信道道使使用用一一对对多多的的广广播播通通信信方方式式，过过程程比比较较复复杂杂。广广播播信信道道上上连连接接的的主主机机很很多多，因因此此必必须须使使用用专专用用的的共共享享信信道道协协议议来来协协调调这这些些主主机机的数据发送。的数据发送。数据链路层的简单模型数据链路层的简单模型 主机主机 H1 H1 向向 H2 H2 发送数据发送数据局域网局域网广域网广域网主机主机 H H1 1主机主机 H H2 2路由器路由器 R R1 1路由器路由器 R R2 2路由器路由器 R R3 3电话网电话网局域网
5、局域网链路层链路层应用层应用层运输层运输层网络层网络层物理层物理层链路层链路层应用层应用层运输层运输层网络层网络层物理层物理层链路层链路层网络层网络层物理层物理层链路层链路层网络层网络层物理层物理层链路层链路层网络层网络层物理层物理层R1R2R3H1H2从层次上来看数据的流动从层次上来看数据的流动仅从数据链路层观察仅从数据链路层观察帧帧的流动的流动链路层链路层应用层应用层运输层运输层网络层网络层物理层物理层链路层链路层应用层应用层运输层运输层网络层网络层物理层物理层链路层链路层网络层网络层物理层物理层链路层链路层网络层网络层物理层物理层链路层链路层网络层网络层物理层物理层R1R2R3H1H23
6、 网络层2 数据链路层1 物理层IP数据报（分组）数据报（分组）帧帧比特比特PDU（protocoldataunit）思考：思考：因特网上传送的数据单元是？因特网上传送的数据单元是？数据链路层传送的是数据链路层传送的是帧帧 数据链路层通信时的主要步骤：数据链路层通信时的主要步骤：（1 1）把网络层传下来的）把网络层传下来的IPIP数据报添加首部和尾部数据报添加首部和尾部封装封装成帧。成帧。（2 2）把封装好的帧）把封装好的帧传给传给物理层，然后再通过物理链路发送给结点物理层，然后再通过物理链路发送给结点B B。（3 3）结点）结点B B收到的帧如果无差错，收到的帧如果无差错，解封装解封装，上传
7、给网络层，否则丢弃。，上传给网络层，否则丢弃。IP IP 数据报数据报10101010 01100110帧帧取出取出链路层链路层 网络层网络层链路链路结点结点 A A结点结点 B B 物理层物理层IP IP 数据报数据报10101010 01100110帧帧装入装入回回 顾顾1.1.链路？数据链路？链路？数据链路？链路？数据链路？链路？数据链路？2.2.五层体系结构的低三层所对应的五层体系结构的低三层所对应的五层体系结构的低三层所对应的五层体系结构的低三层所对应的PDUPDU分分分分别是别是别是别是?补充：补充：补充：补充：5 5层体系结构的英文名称层体系结构的英文名称层体系结构的英文名称层体
8、系结构的英文名称n nApplicationApplicationn nTransportTransportn nNetworkNetworkn nDataLinkDataLink n nPhysicalPhysical3.1.2三个基本问题三个基本问题数数 据据 链链 路路 层层 协协 议议 有有 许许 多多：如如 PPP协协 议议、CSMA/CD协议等，但有协议等，但有3个问题是共同的：个问题是共同的：(1)封装成帧封装成帧(2)透明传输透明传输(3)差错控制差错控制回顾回顾协议：控制对等实体之间通信的规则。协议：控制对等实体之间通信的规则。协议三要素：语义、语法、同步。协议三要素：语义、
9、语法、同步。1.封装成帧封装成帧封封装装成成帧帧(framing)：在在一一段段数数据据的的前前后后分分别别添添加加首部和尾部，就构成了一个帧。首部和尾部，就构成了一个帧。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。MTU(MaximumTransferUnit)：帧帧的的数数据据部部分分的长度上限。的长度上限。帧结束帧结束帧首部帧首部IP IP 数据报数据报帧的帧的数据数据部分部分帧尾部帧尾部 MTUMTU数据链路层的帧长数据链路层的帧长开始开始发送发送帧开始帧开始用用控制字符控制字符进行帧定界的方法进行帧定界的方法SOH（StartOfHeader）：）：
10、二进制二进制00000001EOT（EndOfTransmission）：二进制）：二进制00000100帧定界符的作用：帧定界符的作用：当当数数据据在在传传输输中中发发生生中中断断，由由于于使使用用了了帧帧定定界界符符，因因此此只只有有首首部部SOH，没没有有结结束束符符EOT。接接收收端端就就知知道道收收到到的的数据是个不完整的帧，必须丢弃。数据是个不完整的帧，必须丢弃。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帧首部帧首部帧尾部帧尾部2.透明传输透明传输SOHEOT出现了出现了“EOT”当作无效帧，当作无效帧，丢弃丢弃误认为是一个
11、帧误认为是一个帧数据部分数据部分EOT完整的帧完整的帧在发在发送前送前u当当传传送送的的帧帧是是文文本本文文件件时时，其其数数据据部部分分不不会会出出现现像像SOH、EOT这样的控制字符，因此是透明传输；这样的控制字符，因此是透明传输；u当当数数据据部部分分是是非非ASC码码的的文文本本文文件件时时（如如：二二进进制制代代码码的的计计算算机机程程序序），如如果果数数据据中中的的某某个个字字节节的的二二进进制制代代码码恰恰好好和和SOH、EOT这种控制字符一样：这种控制字符一样：用用字节填充法字节填充法解决透明传输的问题解决透明传输的问题SOHSOHEOTSOHESCESC EOTESC SOH
12、ESC ESCESC SOH原始数据原始数据EOTEOT经过字节填充后发送的数据经过字节填充后发送的数据字节填充字节填充字节填充字节填充字节填充字节填充字节填充字节填充在发在发送前送前帧开始符帧开始符帧结束符帧结束符SOH解决方法：解决方法：l发发送送端端的的数数据据链链路路层层在在数数据据中中出出现现控控制制字字符符“SOH”、“EOT”之之前前插插入入转义字符转义字符“ESC”（escape）:00011011。l接收端的数据链路层先接收端的数据链路层先删除删除这些转义字符，然后再将数据送往网络层。这些转义字符，然后再将数据送往网络层。3.差错检测差错检测v比比特特差差错错：比比特特在在传
13、传输输过过程程中中可可能能会会产产生生差差错错：1可可能能会会变成变成0，而而0也可能变成也可能变成1。v误误码码率率BER(BitErrorRate)：在在一一段段时时间间内内，传传输输错错误误的比特占传输比特总数的比率。的比特占传输比特总数的比率。v为为了了降降低低误误码码率率，目目前前在在数数据据链链路路上上广广泛泛使使用用循循环环冗冗余余检检验验CRC（CyclicRedundancyCheck）的检错技术。）的检错技术。循环冗余检验的原理循环冗余检验的原理检错方法检错方法：循环冗余检验循环冗余检验CRC（CyclicRedundancyCheck）在发送端，先把数据划分为组。在发送端
14、，先把数据划分为组。假假设设待待传传送送的的一一组组数数据据M=101001（每每组组k=6个个比比特特），在在M 的的后后面再添加供差错检测用的面再添加供差错检测用的n位冗余码位冗余码一起发送。一起发送。冗余码的计算方法冗余码的计算方法用二进制的模用二进制的模2运算进行运算进行2n 乘乘M 的运算：即在的运算：即在M 后面添加后面添加n 个个0。l被除数被除数2n M：k位位l除数除数P：n+1位位l商商Q:l余数余数R：n位位例：例：数据数据M=101001，k=6除数除数P=1101，n+1=4，n=3被除数被除数2nM=101001000模模2运算运算的结果是：的结果是：商商Q=110
15、101，余数余数R=001。110101Q (商商)P(除数除数)11011010010002nM (被除数被除数)11011110110101110000111011010110000011001101001R(余数余数)，作为，作为FCS运算规则运算规则商：够商：够4位商位商1；不够；不够4位商位商0减法：异或运算，减法：异或运算，不进位不进位余数：余数：n位位帧帧检检验验序序列列(FrameCheckSequence)：为为了了检检错错而而添添加的冗余码加的冗余码结结论论接收端对收到的每一帧进行接收端对收到的每一帧进行CRC检验后，检验后，(1)若若得得出出的的余余数数R=0，则则判判定
16、定这这个个帧帧没没有有差差错错，就就接接受受(accept)。(2)若若余余数数R 0，则则判判定定这这个个帧帧有有差差错错，丢丢弃弃。（这这种种检检测测方法并不能确定究竟是哪一个或哪几个比特出现了差错）。方法并不能确定究竟是哪一个或哪几个比特出现了差错）。通常通常除数除数P写成关于写成关于X的多项式：的多项式：P(X)传输差错分类：传输差错分类：1.1.比特差错比特差错 循环冗余检验循环冗余检验CRC2.2.帧帧丢丢失失、帧帧重重复复、帧帧失失序序 循循环环冗冗余余检检验验CRC帧编号、确认、重传机制帧编号、确认、重传机制现现在在数数据据链链路路层层的的协协议议都都不不使使用用确确认认和和重
17、重传传机机制制，即即不不要要求求数数据据链链路路层层向向上上提提供供可可靠靠传传输输的的服服务务。如如果果在在数数据据链链路路层层出出现现了了差差错错并并且且需需要要改改正正，就就由由第第5章章运运输输层层的的TCP协议协议来完成。来完成。作业：作业：3-07已知：要发送的数据：已知：要发送的数据：1101011011P(X)=X4+X+1求：冗余码求：冗余码3.2点对点协议点对点协议PPP3.2.1PPP(Point-to-PointProtocol)协议的特点协议的特点用户到用户到ISP的的链路链路使用使用PPP协议协议用用户户至因特网至因特网已向因特网管理机构已向因特网管理机构申请到一批
18、申请到一批 IP IP 地址地址ISPISP接入网接入网PPP PPP 协议协议1.PPP协议应满足的需求协议应满足的需求简单：简单：不不需要纠错，需要纠错，不不需要序号，需要序号，不不需要流量控制；需要流量控制；封装成帧：要有封装成帧：要有帧定界符帧定界符；透透明明性性：当当数数据据中中碰碰巧巧出出现现和和帧帧定定界界符符一一样样的的比比特特组组合合时时，要要采采取取有有效的措施来解决；效的措施来解决；支支持持多多种种网网络络层层协协议议：在在同同一一物物理理链链路路上上同同时时支支持持多多种种网网络络层层协协议议，如如IPIP、IPXIPX；支支持持多多种种类类型型链链路路：能能在在多多种
19、种类类型型的的链链路路上上运运行行，如如串串行行或或并并行行、光光的或电的、同步的异步的、高速的低速的；的或电的、同步的异步的、高速的低速的；差错检错：只检错，丢弃有差错的帧，差错检错：只检错，丢弃有差错的帧，不纠错，不纠错，是是不可靠不可靠的协议；的协议；检测连接状态：能够及时检测出链路是否处于正常工作状态；检测连接状态：能够及时检测出链路是否处于正常工作状态；设置最大传送单元：设置最大传送单元：数据部分数据部分的最大长度，不是整个帧的总长度；的最大长度，不是整个帧的总长度；只支持只支持全双工全双工链路。链路。3.PPP协议的组成协议的组成PPP协议有三个组成部分：协议有三个组成部分：一一种
20、种将将IPIP数数据据报报封封装装到到串串行行链链路路的的方方法法，既既支支持持异异步步链链路路也支持同步链路；也支持同步链路；一一个个链链路路控控制制协协议议LCPLCP (Link(Link Control Control Protocol)Protocol)：建建立立、配置、测试数据链路的连接状态；配置、测试数据链路的连接状态；一一套套网网络络控控制制协协议议NCPNCP (Network(Network Control Control Protocol)Protocol)：每每一一个个协协议议支支持持不不同同体体系系结结构构的的网网络络层层协协议议，如如IPIP（4 4）、OSIOSI
21、（7 7）、）、DECnetDECnet（8 8）和）和AppleTalkAppleTalk（6 6）的网络层。）的网络层。3.2.2PPP协议的协议的帧格式帧格式1.1.字段的意义字段的意义lF(flagF(flag):):标标 志志 字字 段段 0 x7E,表表 示示 一一 个个 帧帧 的的 开开 始始 和和 结结 束束,01111110lA(addressA(address):):地址字段地址字段,11111111lC(controlC(control):):控制字段控制字段,00000011l协议字段：表示帧的信息部分是哪一层的协议字段：表示帧的信息部分是哪一层的,网络层或链路层网络层
22、或链路层l信息部分：信息部分：1500字节字节lFCSFCS：使用：使用CRCCRC的的帧检验序列帧检验序列IP IP 数据报数据报1 12 21 11 1字节字节1 12 2不超过不超过 1500 1500 字节字节 PPP PPP 帧帧先发送先发送7E7EFFFF0303F FA AC C FCS FCSF F7E7E协议协议 信信 息息 部部 分分首部首部尾部尾部2.2.字节填充字节填充当信息字段中出现和当信息字段中出现和标志字段标志字段一样的比特（一样的比特（0 x7E），必须），必须采取措施：采取措施：l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
23、为2字节字节序列序列(0 x7D-转义字符转义字符,0 x5E)。l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,则将其转变成为则将其转变成为2字节序列字节序列(0 x7D-转义字符转义字符,0 x5D)。5E:010111107D:011111017E:011111107D:011111017D:011111015D:010111013.零比特填充零比特填充（当使用同步光纤网、同步数字系列时）（当使用同步光纤网、同步数字系列时）发送端，只要发现有发送端，只要发现有5 5个连续个连续1 1，则立即在后面填入一个，则立即在后面填入一个0 0。接接收收端端，对对帧帧中中的的比比特
24、特流流进进行行扫扫描描，每每当当发发现现5 5个个连连续续1 1时时，就把这就把这5 5个连续个连续1 1后后的一个的一个0 0删除。删除。0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 1 1 11 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 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 1 0 0 0 1 0 1 00 1 0 0 0 1 0 0 1 1 1 1 11 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 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
25、字段 F F 完全一样完全一样的的 8 8 比特组合比特组合发发送送端端在在5 5个个连连续续1 1之之后后填填入入0 0比比特再发送出去特再发送出去接收端把接收端把 5 5 个连续个连续1 1之后的之后的 0 0 比特比特删除删除被误认为是标志字段被误认为是标志字段 F F 发送端填入发送端填入 0 0 比特比特接收端删除填入的接收端删除填入的 0 0 比特比特3.2.3PPP协议的协议的工作状态工作状态PPP链路是怎样被初始化的？链路是怎样被初始化的？1.链链路路建建立立：当当用用户户拨拨号号接接入入ISP时时（屏屏幕幕上上点点击击“宽宽带带连连接接”按按钮钮），路路由由器器能能够够检检测
26、测到到调调制制解解调调器器发发出出的的载载波波信信号号，对对拨拨号号做做出出确确认认，并并建立一条建立一条物理连接；物理连接；2.建建立立链链路路层层的的LCP连连接接：PC机机向向路路由由器器发发送送一一系系列列的的LCP分分组组，然然后后封装成多个封装成多个PPP帧，以便建立帧，以便建立LCP连接；连接；3.建建立立网网络络层层的的NCP连连接接：这这些些分分组组及及其其响响应应选选择择一一些些PPP参参数数，进进行行网网络络层层配配置置，NCP给给新新接接入入的的PC机机分分配配一一个个临临时时的的IP地地址址，使使PC机机成为因特网上的一个主机；成为因特网上的一个主机；4.链路打开：链
27、路打开：交换数据；交换数据；5.链链路路终终止止：通通信信完完毕毕时时，NCP释释放放网网络络层层连连接接，收收回回原原来来分分配配出出去去的的IP地址；接着地址；接着LCP释放释放数据链路层连接；最后数据链路层连接；最后释放释放物理层的连接。物理层的连接。设备之间无链路设备之间无链路链路静止链路静止链路建立链路建立鉴别鉴别网络层协议网络层协议链路打开链路打开链路终止链路终止物理链路物理链路LCP LCP 链路链路已鉴别的已鉴别的 LCP LCP 链路链路已鉴别的已鉴别的 LCP LCP 链路链路和和 NCP NCP 链路链路物理层连接建立物理层连接建立LCP LCP 配置协商配置协商鉴别成功
28、或无需鉴别鉴别成功或无需鉴别NCP NCP 配置协商配置协商链路故障或链路故障或关闭请求关闭请求LCP LCP 链路链路终止终止鉴别失败鉴别失败LCP LCP 配置配置协商失败协商失败PAP:PAP:口令鉴别协议口令鉴别协议CHAP:CHAP:口令握手鉴别协议口令握手鉴别协议最大帧长、鉴别协议的规约最大帧长、鉴别协议的规约回回顾顾1.1.在在在在数数数数据据据据链链链链路路路路层层层层，用用用用方方方方法法法法解解解解决决决决透透透透明明明明传传传传输输输输；用用用用技技技技术术术术解解解解决决决决比比比比特特特特差差差差错错错错检检检检测测测测，冗余码的计算方法。冗余码的计算方法。冗余码的计
29、算方法。冗余码的计算方法。2.2.数数数数据据据据链链链链路路路路层层层层的的的的两两两两种种种种典典典典型型型型协协协协议议议议：和和和和。3.3.数数数数据据据据链链链链路路路路层层层层的的的的PPPPPP协协协协议议议议，其其其其工工工工作作作作状状状状态态态态分分分分为为为为步步步步，分分分分别别别别是是是是：、链路打开、链路打开、链路打开、链路打开、链路终止链路终止链路终止链路终止。3.3使用使用广播广播信道的数据链路层信道的数据链路层3.3.1局域网局域网的数据链路层的数据链路层局域网工作的层次跨越了局域网工作的层次跨越了数据链路层数据链路层和和物理层物理层局域网主要优点：局域网主
30、要优点：网络为一个单位所拥有，且地理网络为一个单位所拥有，且地理范围范围和和站点数站点数均有限；均有限；具有具有广播广播功能，从一个站点可以很方便地访问全网；功能，从一个站点可以很方便地访问全网；局局域域网网上上的的主主机机可可共共享享连连接接在在局局域域网网上上的的各各种种硬硬件件和和软软件件资源；资源；便便于于系系统统的的扩扩展展和和逐逐渐渐演演变变，各各设设备备的的位位置置可可灵灵活活调调整整和和改变；改变；系系统统的的可可靠靠性性(reliability)(reliability)、可可用用性性(availability)(availability)和和生存性生存性(survivabi
31、lity)(survivability)比较高比较高 。局域网的拓扑局域网的拓扑匹配电阻：匹配电阻：吸收电磁波吸收电磁波能量，避免能量，避免产生有害的产生有害的电磁波反射电磁波反射集线器、集线器、交换机交换机干线耦合器干线耦合器总线网总线网星形网星形网树形网树形网 环形网环形网共共享享信信道道要要着着重重考考虑虑的的一一个个问问题题是是，如如何何让让众众多多用用户户能能够合理而方便的共享通信媒体资源。在技术上有两种方法：够合理而方便的共享通信媒体资源。在技术上有两种方法：（1 1）静态划分信道：）静态划分信道：代价高，不适合局域网使用；代价高，不适合局域网使用；频分复用频分复用时分复用时分复用
32、波分复用波分复用码分复用码分复用 （2 2）动动 态态 媒媒 体体 接接 入入 控控 制制（多多 点点 接接 入入：Multiple Access）：信道并非固定分配给用户信道并非固定分配给用户随机接入：以太网随机接入：以太网受控接入：分散控制的令牌环网；受控接入：分散控制的令牌环网；集中控制的多点线路探询集中控制的多点线路探询(polling)(polling)。1.以太以太网的两个标准网的两个标准DEC(美美国国数数字字设设备备公公司司)、Intel、Xerox(施施乐乐公公司司)公公司司提提出出的的DIXEthernetV2是是世世界界上上第第一一个个以太网的规约，数据率为以太网的规约，
33、数据率为10Mb/s。IEEE802委员会制定的委员会制定的IEEE802.3标准。标准。DIXEthernetV2与与IEEE的的802.3标标准准只只有有很很小小的的差差别别，因因此此可可以以将将802.3局局域域网网简简称称为为“以太网以太网”。为为了了使使数数据据链链路路层层能能更更好好地地适适应应多多种种局局域域网网标标准准，如如令令牌牌环环网网、令令牌牌总总线线网网等等，802委委员员会会就就将将局域网的局域网的数据链路层数据链路层拆成两个子层：拆成两个子层：逻辑链路控制逻辑链路控制LLC(LogicalLinkControl)子层子层媒体接入控制媒体接入控制MAC(MediumA
34、ccessControl)子层子层u与接入到与接入到传输媒体传输媒体有关的内容都放在有关的内容都放在MAC子层；子层；u而而LLC子子层层则则与与传传输输媒媒体体无无关关，不不管管采采用用何何种种协协议议的局域网，对的局域网，对LLC子层来说都是子层来说都是透明透明的。的。局域网对局域网对LLC子层是透明的子层是透明的局局域域网网物理层物理层站点站点1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但随着因特网的发展，但随着因特网的发展，LLC子层的作用已经消失。子层的作用已经消
35、失。2.适配器的作用适配器的作用 计计算算机机与与外外界界局局域域网网的的连连接接要要通通过过通通信信适适配配器器(adapter)(adapter)，适适配配器器是是在在主主机机箱箱内内插插入入的的一块网络接口卡，又称为一块网络接口卡，又称为“网卡网卡”。适配器的重要功能：适配器的重要功能：1.1.进行进行串串/并并行转换：适配器和局域网行转换：适配器和局域网/适配器和计算机适配器和计算机2.2.对数据进行对数据进行缓存缓存：网络上的数据率和计算机总线上的不同：网络上的数据率和计算机总线上的不同3.3.实现以太网协议实现以太网协议计算机通过适配器和局域网进行通信计算机通过适配器和局域网进行通
36、信硬件地址硬件地址至局域网至局域网适配器适配器（网卡）的（网卡）的ROM中中双绞线双绞线串行串行通信通信CPU 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把帧帧发送到局域网发送到局域网从局域网接收从局域网接收帧帧计算机计算机IP IP 地址地址I/OI/O总线总线并行并行通信通信适配器接收和发送各种帧时不使用计算机的适配器接收和发送各种帧时不使用计算机的CPU3.3.2CSMA/CD协议协议1.1.为了通信简便，以太网采取了两种重要的措施：为了通信简便，以太网采取了两种重要的措施：灵灵活活的的无无连连接接的的工工作作方方式式，即即不不必必先先建建立立连连
37、接接就就可可以以直直接接发送数据。发送数据。以以太太网网对对发发送送的的数数据据帧帧不不进进行行编编号号，也也不不要要求求对对方方发发回回确确认认。因为局域网信道的质量很好，产生差错的概率很小。因为局域网信道的质量很好，产生差错的概率很小。2.2.以太网提供的服务以太网提供的服务以太网提供的服务是以太网提供的服务是不可靠不可靠的；的；当当目目的的站站收收到到有有差差错错的的数数据据帧帧时时就就丢丢弃弃，有有差差错错的的帧帧是是否否需要重传由需要重传由高层高层来决定。来决定。3.以太网发送的数据都使用曼彻斯特以太网发送的数据都使用曼彻斯特(Manchester)编码编码这这样样就就保保证证了了在
38、在每每一一个个码码元元的的正正中中间间出出现现一一次次电电压压的的转转换换，而而接接收收端端就就利利用用这这种种电电压压的的转转换换很很方方便便地地把把位位同同步步信信号号提提取取出来。出来。基带数字信号基带数字信号曼彻斯特编码曼彻斯特编码 码元码元1 11 11 11 11 10 00 00 00 00 0出现电平转换出现电平转换4.载波监听多点接入载波监听多点接入/碰撞检测碰撞检测CSMA/CD为为了了在在同同一一时时间间只只有有一一台台计计算算机机发发送送信信息息，且且计计算算机机能正常发送信息，互不干扰，我们采用能正常发送信息，互不干扰，我们采用CSMA/CD协议：协议：CSMA/CD
39、(Carrier Sense Multiple Access with CollisionDetection)：载波监听多点接入：载波监听多点接入/碰撞检测。碰撞检测。u“载载波波监监听听”：每每一一个个站站在在发发送送数数据据之之前前先先监监听听一一下下总总线线上上是是否否有有其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。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。u“多点接入多点接入”：许多许多计算机以多点接入的方式连接在计算机以多点接入的方式连接在一根一根总线上。总线上。u“碰碰撞撞检检测测”：计计算算机机边边发发送送数数据据边边检检测测信信道道上上
40、的的信信号号电电压压大大小小，如如果果信信号号电电压压摆摆动动值值超超过过一一定定的的门门限限值值，就就认认为为总总线线上上至至少少有有两两个个站站同同时在发送数据，表明产生了碰撞，立即时在发送数据，表明产生了碰撞，立即停止停止发送。发送。思考：思考：既然每一个站在发送数据之前已经监听到信既然每一个站在发送数据之前已经监听到信道为道为“空闲空闲”，那么为什么还会出现数据在，那么为什么还会出现数据在总线上的碰撞呢？总线上的碰撞呢？电磁波在总线上总是以电磁波在总线上总是以有限的有限的速率传播的速率传播的当某个站监听到总线是空闲时，传输过程当某个站监听到总线是空闲时，传输过程中总线并非一直是空闲的。
41、中总线并非一直是空闲的。传播时延对载波监听的影响传播时延对载波监听的影响1kmABt碰撞碰撞t=2A检测到发生碰撞检测到发生碰撞 t=B发送数据发送数据B检测到发生碰撞检测到发生碰撞 t=t=0单程端到端单程端到端传播时延记为传播时延记为 t=B检测到检测到信道空闲信道空闲发送数据发送数据t=/2发生碰撞发生碰撞ABABABABt=B检测到发生碰撞检测到发生碰撞停止发送停止发送STOPt=2 A检测到检测到发生碰撞发生碰撞STOPABt=0A发送数据发送数据截断二进制指数退避算法截断二进制指数退避算法(truncatedbinaryexponentialtype)重传所需的时延就是重传所需的时
42、延就是r 倍的基本退避时间倍的基本退避时间：(1)基基本本退退避避时时间间：争争用用期期2，以以太太网网把把争争用用期期定定为为51.2 s对对于于10Mb/s以以太太网网，争争用用期期内内可可发发送送512bit，即即512/8=64字字节节。以以太太网网在在发发送送数数据据时时，若若前前64字字节节没没有有发发生生冲冲突突，则后续的数据就不会发生冲突。则后续的数据就不会发生冲突。(2)r：从整数集合从整数集合0,1,(2k 1)中随机地取出一个数中随机地取出一个数k：重传次数重传次数，k 10，即，即k=Min重传次数重传次数,10当重传当重传16次仍不能成功时，丢弃该帧，并向高层报告。次
43、仍不能成功时，丢弃该帧，并向高层报告。数据帧数据帧干扰信号干扰信号 TJ人为干扰信号人为干扰信号 ABTBt B发送数据发送数据A检测检测到冲突到冲突开始冲突开始冲突信信道道占占用用时时间间A发送数据发送数据B也也能能够够检检测测到到冲冲突突，并并立立即即停停止止发发送送数数据据帧帧，接接着着就就发发送送干干扰信号。这里为了简单起见，只画出扰信号。这里为了简单起见，只画出A发送干扰信号的情况。发送干扰信号的情况。重要特性重要特性半半双双工工通通信信：使使用用CSMA/CD协协议议的的以以太太网网不不能能进进行行全全双双工通信而只能进行工通信而只能进行双向交替双向交替通信。通信。不不确确定定性性
44、：每每个个站站在在发发送送数数据据之之后后的的一一小小段段时时间间内内，存存在在着遭遇碰撞的可能性，这一小段时间是不确定的。着遭遇碰撞的可能性，这一小段时间是不确定的。争争用用期期(碰碰撞撞窗窗口口)：以以太太网网端端到到端端的的往往返返传传播播时时延延2。经经过过争争用用期期这这段段时时间间还还没没检检测测到到碰碰撞撞，才才能能肯肯定定这这次次发发送送不不会发生碰撞。会发生碰撞。退退避避时时间间：发发生生碰碰撞撞的的站站在在停停止止发发送送数数据据后后，不不是是等等待待信信道道变变为为空空闲闲后后立立即即发发送送数数据据，而而是是要要推推迟迟（退退避避）一一个个随随机时间再发送数据。机时间再
45、发送数据。强强化化碰碰撞撞：当当发发送送数数据据的的站站一一旦旦发发生生了了碰碰撞撞，除除立立即即停停止止发发送送数数据据外外，还还要要再再发发送送32或或48bit的的人人为为干干扰扰信信号号，以以便便让让所有所有用户都知道发生了碰撞。用户都知道发生了碰撞。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拓扑传统以太网：粗同轴电缆传统以太网：粗同轴电缆细同轴电缆细同轴电缆双绞线双绞线这这种种以以太太网网采采用用星星形形拓拓扑扑，在在星星形形的的中中心心增增加加了了一一种种可可靠靠性性非非常常高高的的设设备备，叫叫做做集集线线器器(Hub)。采采用用
46、双双绞绞线线，传传输输速率为速率为10Mb/s的以太网，我们称之为的以太网，我们称之为10BASE-T。集线器集线器两对双绞线：两对双绞线：1、3发送；发送；2、6接收接收站点站点RJ-45插头插头集线器的主要特点：集线器的主要特点：使使用用集集线线器器的的以以太太网网在在物物理理上上是是一一个个星星型型网网，逻逻辑辑上上是是总总线线型型，各各站站共共享享逻逻辑辑上上的的总总线线，使使用用的的还还是是CSMA/CD协议。协议。一个集线器有许多接口，就像一个一个集线器有许多接口，就像一个多接口多接口的转发器。的转发器。集集线线器器工工作作在在物物理理层层，它它的的每每个个接接口口只只是是简简单单
47、地地转转发发比特，不进行碰撞检测。比特，不进行碰撞检测。具有三个接口的集线器具有三个接口的集线器集线器网卡工作站 2网卡工作站 1网卡工作站 3双绞线3.4.3以太网的以太网的MAC层层1.MAC层的硬件地址层的硬件地址在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或MAC地址。地址。IEEE802标标准准为为局局域域网网规规定定了了一一种种48位位的的全全球球唯唯一一地地址址，是是指指局局域域网网上上的的每每一一台台计计算算机机中中固固化化在在适适配配器器的的ROM中中的的地址。地址。例例如如，3COM公公司司生生产产的的适适配配器器的的MAC地地址址的的前前三三
48、个个字字节节是是02-60-8C，后后三三个个字字节节是是(即即低低24位位)则则由由厂厂家家自自行行指指派派，称为扩展标识符。称为扩展标识符。如如果果主主机机或或路路由由器器安安装装有有多多个个适适配配器器，那那么么就就有有多多个个“地地址址”，更确切的说，更确切的说，48位的地址应该是某个位的地址应该是某个接口接口的标识符。的标识符。补充：补充：查找硬件地址的命令查找硬件地址的命令适配器的适配器的“过滤过滤”功能：功能：适适配配器器从从网网络络上上每每收收到到一一个个MAC帧帧就就首首先先用用硬硬件件检检查查MAC帧中的帧中的目的地址目的地址：u如如果果是是发发往往本本站站的的帧帧就就收收
49、下下，“发发往往本本站站的的帧帧”包包括括以下三种帧：以下三种帧：单播单播(unicast)帧（一对一）帧（一对一）广播广播(broadcast)帧（一对全体）帧（一对全体）多播多播(multicast)帧（一对多）帧（一对多）u否则就将此帧丢弃否则就将此帧丢弃 以以太太网网适适配配器器还还可可以以设设置置为为一一种种特特殊殊的的方方式式，即即混混杂杂方方式式，网网络络管管理理员员就就用用这这种种方方式式来来监监视视和和分分析析以以太太网网上上的的流流量量，有有一一种种工工具具叫叫做做“嗅嗅探探器器”(Sniffer)(Sniffer)就使用了设置为混杂方式的网络适配器。就使用了设置为混杂方式
50、的网络适配器。MAC帧帧物理层物理层MAC层层IP层层目的地址目的地址源地址源地址类型类型数数据据FCS6624字节字节461500IP数据报数据报目的地址字段目的地址字段6字节字节2.MAC帧的格式帧的格式MAC帧帧物理层物理层MAC层层IP层层目的地址目的地址源地址源地址类型类型数数据据FCS6624字节字节461500IP数据报数据报源地址字段源地址字段6字节字节MAC帧帧物理层物理层MAC层层IP层层目的地址目的地址源地址源地址类型类型数数据据FCS6624字节字节461500IP数据报数据报类型字段类型字段2字节字节类型字段用来标志类型字段用来标志上一层上一层使用的是什么协议，使用的