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1、第3章 数据链路层章节安排：3.1 使用点对点信道的数据链路层3.1.1 数据链路和帧3.1.2 三个基本问题3.2 点对点协议 PPP3.2.1 PPP 协议的特点3.2.2 PPP 协议的帧格式3.2.3 PPP 协议的工作状态2计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生章节安排：3.3 使用广播信道的数据链路层 3.3.1 局域网的数据链路层 3.3.2 CSMA/CD 协议3.4 使用广播信道的以太网 3.4.1 使用集线器的星形拓扑 3.4.2 以太网的信道利用率 3.4.3 以太网的 MAC 层3计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生章节安排：3.5 扩展的以太网3.5.1 在物理层扩展以
2、太网3.5.2 在数据链路层扩展以太网3.6 高速以太网 3.6.1 100BASE-T 以太网 3.6.2 吉比特以太网 3.6.3 10 吉比特以太网 3.6.4 使用高速以太网进行宽带接入3.7 其他类型的高速局域网接口4计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生本章重点：1.数据链路层三个基本问题2.点对点协议 PPP 3.CSMA/CD 协议4.高速以太网5计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生数据链路层概述数据链路层使用的信道主要有以下两种类型：l点对点信道点对点信道:采用一对一的通信方式。l广播信道广播信道。使用一对多的广播通信方式，因广播信道上连接的主机很多，必须使用专用的共享信道协议
3、来协调主机的数据发送。6计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生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电话网局域网主机主机 H1 向向 H2 发送数据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R1R2R3H1H2从层次上来看数据的流动从层次上来看数据的流动7计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生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电话网局域网主机主机 H1 向向 H2 发送数据发送数据链路层应用层运输层网络层物理层
4、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R1R2R3H1H2仅从数据链路层观察帧的流动仅从数据链路层观察帧的流动8计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生3.1 使用点对点信道的数据链路层3.1.1 数据链路和帧l链链路路 (link)(link)是从一个结点到相邻结点的一一段段物物理理线线路路，中间没有任何其他的交换结点。l在进行数据通信时，两个计算机之间的通信路径往往要经过许多段这样的链路。可见，链路只是一条路径的组成部分链路只是一条路径的组成部分。9计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生l数据链路数据链路(data link)除了物理线路外，还必须有
5、通信协议通信协议来控制数据的传输。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。u现在最常用的方法是使用适配器（即网卡）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。来实现这些协议的硬件和软件。u一般的适配器都包括了数据链路层和物理层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这两层的功能。10计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生l也有人把链路分为物理链路和逻辑链路物理链路和逻辑链路。l物理链路物理链路就是所说的链路就是所说的链路l逻辑链路逻辑链路就是所说的数据链路就是所说的数据链路11计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生IP 数据报数据报1010 011
6、0帧帧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物理层物理层数据数据链路层链路层结点结点 A结点结点 B帧帧(a)(b)发送发送帧帧接收接收链路链路IP 数据报数据报1010 0110帧帧装入数据链路层传送的是帧12计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生数据链路层像个数字管道 l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帧。结点结点帧帧13计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生3.1.2 三个基本问题(1)封装成帧(2)透明传输(3)差错控制 14计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生1.封装成帧l封装成帧(framing):在一段
7、数据的前后分别添加首部和尾部，然后就构成了一个帧。要点：确定帧的界限。l首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界帧定界。帧结束帧首部IP 数据报帧的数据部分帧尾部 MTU数据链路层的帧长开始发送帧开始15计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生用控制字符进行帧定界的方法举例 SOH装在帧中的数据部分帧帧开始符帧结束符发送在前EOT16计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生2.透明传输SOHEOT出现了“EOT”被接收端当作无效帧而丢弃被接收端误认为是一个帧数据部分EOT完整的帧发送在前17计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生解决透明传输问题l发送端的数据链路层在数据中出现控制字符“SOH”或“EOT”
8、的前面插入一个转义字符“ESC”(其十六进制编码是 1B)。l字节填充字节填充(byte stuffing)或字符填充字符填充(character stuffing)接收端的数据链路层在将数据送往网络层之前删除插入的转义字符。l如果转义字符也出现数据当中，那么应在转义字符前面插入一个转义字符。当接收端收到连续的两个转义字符时，就删除其中前面的一个。18计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生SOHSOHEOTSOHESCESCEOTESCSOHESCESCESCSOH原始数据EOTEOT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发送在前帧开始符帧结束符用字节填充法解决透明传输的问题
9、SOH19计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生3.差错检测l在传输过程中可能会产生比特差错比特差错：1 可能会变成 0，0 也可能变成 1。l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误码率误码率 BER(Bit Error Rate)。l误码率与信噪比有很大的关系。l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。20计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生循环冗余检验的原理 l在数据链路层传送的帧中，广泛使用了循循环冗余检验环冗余检验 CRC 的检错技术。21计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生循环冗余检验的原理lnbit冗余码的得出：若要传送的数据为M
10、，用二进制模2运算进行2nM的运算，这相当于在M的后面添加n个0。用 2nM除以事先选定好的数P得到商Q而余数是R，余数R比除数P至少少一个比特.将得到的余数将得到的余数R作为冗余码添加在数据作为冗余码添加在数据M的后面发送出去，的后面发送出去，即将2nM+R发送出去。l如果数据在传输过程中不产生误码，则接收端收到的应当是2nM+R。将这个数除以P后得到的余数为022计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生 110101 Q(商)P(除数)1101 101001000 2nM(被除数)1101 1110 1101 0111 0000 1110 1101 0110 0000 1100 1101 00
11、1 R(余数)，作为 FCS 循环冗余检验的原理说明 23计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生帧检验序列 FCS l在数据后面添加上的冗余码称为帧检验帧检验序列序列 FCS(Frame Check Sequence)。l循环冗余检验 CRC 和帧检验序列 FCS并不等同。uCRC 是一种常用的是一种常用的检错方法检错方法，而，而 FCS 是是添加在数据后面的添加在数据后面的冗余码冗余码。uFCS 可以用可以用 CRC 这种方法得出，但这种方法得出，但 CRC 并非用来获得并非用来获得 FCS 的唯一方法。的唯一方法。24计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生接收端对收到的每一帧进行接收端对收到的
12、每一帧进行 CRC 检验检验 l(1)若得出的余数 R=0，则判定这个帧没有差错，就接受接受(accept)。l(2)若余数 R 0，则判定这个帧有差错，就丢弃丢弃。l但这种检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。l只要经过严格的挑选，并使用位数足够多的除数 P，那么出现检测不到的差错的概率就很小。25计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生3.2 点对点协议 PPP 3.2.1 PPP 协议的特点 l现在全世界使用得最多的数据链路层协议是点对点协议点对点协议 PPP(Point-to-Point Protocol)。l用户使用拨号电话线接入因特网时，一般都是使用 PPP 协议。26
13、计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生用户到 ISP 的链路使用 PPP 协议 用户至因特网已向因特网管理机构申请到一批 IP 地址ISP接入网PPP 协议27计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生（1）.PPP 协议应满足的需求 l简单这是首要的要求首要的要求l封装成帧 l透明性 l多种网络层协议 l多种类型链路 l差错检测 l检测连接状态 l最大传送单元 l网络层地址协商 l数据压缩协商 28计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生（2）.PPP 协议不需要的功能l纠错 l流量控制 l序号 l多点线路 l半双工或单工链路 29计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生（3）.PPP 协议的组成 lPPP
14、 协议有三个组成部分 u一个将一个将 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。u链路控制协议链路控制协议 LCP(Link Control Protocol)，用来建立、配置和测试数据链，用来建立、配置和测试数据链路连接。路连接。u网络控制协议网络控制协议 NCP(Network Control Protocol)，其中的每一个协议支持不同的，其中的每一个协议支持不同的网络层协议。网络层协议。30计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生3.2.2 PPP 协议的帧格式IP 数据报1211字节12不超过 1500 字节PPP 帧先发送7EFF03FACFCSF7E协议信 息 部
15、 分首部尾部31计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生l标志字段 F=0 x7E（符号“0 x”表示后面的字符是用十六进制表示。十六进制的 7E 的二进制表示是 01111110）。l地址字段 A 只置为 0 xFF。地址字段实际上并不起作用。l控制字段 C 通常置为 0 x03。lPPP 是面向字节的，所有的 PPP 帧的长度都是整数字节。32计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生lPPP 有一个 2 个字节的协议字段。u当协议字段为当协议字段为 0 x0021 时，时，PPP 帧的信息字段就是帧的信息字段就是IP 数据报。数据报。u若为若为 0 xC021,则信息字段是则信息字段是 PPP 链
16、路控制数据。链路控制数据。u若为若为 0 x8021，则表示这是网络，则表示这是网络控制数据。控制数据。33计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生透明传输问题 l当 PPP 用在异步传输时，就使用一种特殊的字符填充法字符填充法。l当PPP使用异步传输时，它把转义符定转义符定义为义为0 x7D0 x7D，并使用字节填充。l当 PPP 用在同步传输链路时，协议规定采用硬件来完成比特填充比特填充。34计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生字符填充（RFC1662）l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)。l若信息字段中出现一个 0 x7D 的字节,则将
17、其转变成为 2 字节序列(0 x7D,0 x5D)。l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。35计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生零比特填充 lPPP 协议用在 SONET/SDH 链路时，使用同步传输（一连串的比特连续传送）。这时 PPP 协议采用零比特填充方法来实现透明传输。l发送端：只要发现有 5 个连续 1，则立即填入一个 0。l接收端：每当发现 5 个连续1时，就把这 5 个连续 1 后的一个 0 删除，36计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生零比特填充37计算机网络主讲
18、：南京信息工程大学刘生 3.2.3 PPP 协议的工作状态 l当用户拨号接入用户拨号接入 ISP 时时，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建立一条物理连接。lPC 机向路由器发送一系列的发送一系列的 LCP 分组分组（封装成多个 PPP 帧）。这些分组及其响应选择将要使用的一些 PPP 参数。l接着进行网络层配置，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。l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。38计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生设备之
19、间无链路链路静止链路建立鉴别网络层协议链路打开链路终止物理链路LCP 链路已鉴别的 LCP 链路已鉴别的 LCP 链路和 NCP 链路物理层连接建立（检测到载波）LCP 配置协商鉴别成功或无需鉴别NCP 配置协商链路故障或关闭请求LCP 链路终止鉴别失败LCP 配置协商失败39计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生lLCP链路的另一端可以发送以下几种响应。u配置确认帧配置确认帧 (configure-(configure-ackack)：所有选项都接受。：所有选项都接受。u配置否认帧配置否认帧 (configure-(configure-nacnac)：所有选项都理解但不能：所有选项都理解但不能
20、接受。接受。u配置拒绝帧配置拒绝帧 (configure-(configure-reject)reject)：选项有的无法识别：选项有的无法识别或不能接受，需要协商。或不能接受，需要协商。40计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生lLCP配置选项包括链路上的最大帧长、所使用的鉴别协议(authentication protocol)的规约（如果有的话），以及不使用PPP帧中的地址和控制字段。l协商结束后就进入“鉴别状态”。若通信的双方鉴别身份成功，则进入“网络状态”。l如果在PPP链路上运行的是IP，则使用IP控制协议IPCP(IP Control Protocol)来对PPP链路的每一端配置I
21、P模块(如分配IP地址）。41计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生l当网络层配置完毕后，链路就进入可进行数据通信的“链路打开状态”。两个PPP端点还可发送回送请求LCP分组(echo-request)和回送回答LCP分组(echo-reply)以检查链路的状态。42计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生l数据传输结束后，链路的一端发出终止请求LCP分组(terminate-request)请求终止链路连接，而当收到对方发来的终止确认LCP分组(terminate-ack)后，就转到“终止状态”。当载波停止后则回到“静止状态”。43计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生3.3 使用广播信道的数据链路
22、层3.3.1 局域网的数据链路层 l局域网的主要特点：u网络为一个单位所拥有网络为一个单位所拥有u地理范围和站点数目均有限。地理范围和站点数目均有限。44计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生3.3 使用广播信道的数据链路层3.3.1 局域网的数据链路层 l局域网的主要优点如下：u能方便地共享昂贵的外部设备、能方便地共享昂贵的外部设备、主机以及软件、数据。从一个站主机以及软件、数据。从一个站点可以访问全网。点可以访问全网。u便于系统的扩展和逐渐演变，各便于系统的扩展和逐渐演变，各设备的位置可灵活的调整和改变。设备的位置可灵活的调整和改变。u提高系统的可靠性、可用性和残提高系统的可靠性、可用性和残
23、存性。存性。45计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生局域网的拓扑 匹配电阻集线器干线耦合器总线网星形网树形网 环形网46计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生媒体共享技术l静态划分信道u频分复用频分复用u时分复用时分复用u波分复用波分复用u码分复用码分复用 l动态媒体接入控制（多点接入）u随机接入随机接入u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。47计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生以太网的工作原理 1.以太网的两个标准 uDIX Ethernet V2uIEEE 的的 802.3 标准标准nDIX Ethernet V2 标准与标准与 IEEE
24、的的 802.3 标准标准只有很小的差别，可以将只有很小的差别，可以将 802.3 局域网简称为局域网简称为“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 48计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生数据链路层的两个子层数据链路层的两个子层 l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：u逻辑链路控制逻辑链路控制 LLC(Logical Link Control)子层子层u媒体接入控制媒体接入控制 MAC(Medium Access Control)子层子层
25、。49计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生局域网对局域网对 LLC 子层是透明的子层是透明的 局 域 网网络层物理层站点 1网络层物理层逻辑链路控制LLCLLC媒体接入控制MACMAC数据链路层站点 2LLC 子层看不见子层看不见下面的局域网下面的局域网50计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生DIX一般不考虑一般不考虑 LLC 子层子层 lTCP/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u现在现在 802 委员会制定的逻辑链委员会制定的逻辑链路控制子层路控制子层 LLC（即（即 802.2 标标准）的作用已经不大了。准）的作用已经不大
26、了。l很多厂商生产的网卡上就仅装有 MAC 协议而没有 LLC 协议。51计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生2.适配器的作用适配器的作用 l网络接口板又称为通信适配器通信适配器(adapter)或网络接口卡网络接口卡 NIC(Network Interface Card)，或“网卡网卡”。l网卡的重要功能：u进行串行进行串行/并行转换。并行转换。u数据缓存。数据缓存。u在计算机操作系统中安装设备驱动程序。在计算机操作系统中安装设备驱动程序。u实现以太网协议。实现以太网协议。52计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生计算机通过适配器和局域网进行通信 硬件地址至局域网适配器（网卡）串行通信CPU
27、和存储器生成发送的数据处理收到的数据把帧发送到局域网从局域网接收帧计算机IP 地址并行通信53计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生3.载波监听多点接入载波监听多点接入/碰撞检测协议碰撞检测协议（CSMA/CD）l“多点接入多点接入”说明是总线网络，许多计算机以多点接入的方式说明是总线网络，许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。协议的实质是连接在一根总线上。协议的实质是“载波监听载波监听”和和“碰撞检测碰撞检测”。l“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一下总线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，则暂时不要发送数上是否有其他计算机
28、在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。据，以免发生碰撞。l“碰撞检测碰撞检测”就是边发送数据边检测信道上的信号电压大小，就是边发送数据边检测信道上的信号电压大小，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，表明产生了碰撞。也为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞。也称为称为“冲突检测冲突检测”。54计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生组织数据组织数据总线忙？总线忙？启动发送启动发送冲突吗？冲突吗？发送完成？发送完成？发送成功发送成功发送失败发送失败冲突次数冲突次数16
29、?冲突加强冲突加强冲突次数冲突次数n=n+1退后延时退后延时55计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生启动接收启动接收接收数据接收数据接收完成？接收完成？处理接收数据处理接收数据接收成功接收成功冲突发生？冲突发生？废弃接收数据废弃接收数据56计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生电磁波在总线上的有限传播速率的影响 l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。lA 向 B 发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到 B。lB 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。l碰撞的结果是两个
30、帧都变得无用。57计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生1 kmABt碰撞t=2 A 检测到发生碰撞 t=B 发送数据B 检测到发生碰撞 t=t=0单程端到端传播时延记为 传播时延对载波监听的影响 58计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生1 kmABt碰撞t=B 检测到信道空闲发送数据t=/2发生碰撞t=2 A 检测到发生碰撞 t=B 发送数据B 检测到发生碰撞 t=ABABAB t=0 A 检测到信道空闲发送数据ABt=0t=B 检测到发生碰撞停止发送STOPt=2 A 检测到发生碰撞STOPAB单程端到端传播时延记为 59计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生争用期l最先发送数据帧的站，在发送
31、数据帧后至多经过时间 2（两倍的端到端传播时延）就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。l以太网的端到端传播时延 2 称为争用期，或碰撞窗口。l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。60计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生争用期的长度 l以太网取 51.2 s 为争用期的长度。l对于 10 Mb/s 以太网，在争用期内可发送512 bit，即 64 字节。l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。61计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生最短有效帧长 l如果发生冲突，就一定是在发送的前 64 字节之内。l由于一检测到冲突就立即中止发送
32、，这时已经发送出去的数据一定小于 64 字节。l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无效帧。62计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生4.截断的二进制指数退避算法截断的二进制指数退避算法 让发生碰撞的站在停止发送数据后，不是立即再发送数据，而是推迟一个随机的时间。这样做是为了推迟重传而再次发生冲突的概率减小。（1）确定基本的退避时间,一般取争用期2 。（2）定义一个参数k,它等于重传次数，但不超过10。因此，k=Min重传次数，10。63计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生 （3）从离散的整数集合0，1,（2k-1）中随机的取出一个数，
33、记为r。重传需要推迟的时间就是r倍的基本退避时间。（4）当重传达16次仍不能成功时，则丢弃该帧，并向高层报告。64计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生l以太网的端到端时延并不等于争用期的以太网的端到端时延并不等于争用期的一半。一半。争用期被规定为51.2s，不仅是考虑了以太网的端到端时延，而且还考虑了其他的许多因素，如可能存在的转发器所增加的时延，以及强化碰撞的干扰信号的持续时间等。65计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生l为了使每个站都能尽可能早的知道是否发生了碰撞，以太网还采取了强化碰撞的措施强化碰撞的措施。即当发送数据的站一旦发生了碰撞时，除了立即停止发送数据外，还要再继续发送若干比特的
34、人为干扰信号，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。66计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生l人为干扰信号的加入TBTJtAB信道占用时间干扰信号数据帧开始冲突A检测到冲突B发送数据B 也能够检测到冲突，并立即停止发送数据帧，接着就发送干扰信号。这里为了简单起见，只画出 A 发送干扰信号的情况。67计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生3.4 使用广播信道的以太网3.4.1 使用集线器的星形拓扑集线器两对双绞线站点RJ-45 插头68计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生具有三个接口的集线器 集线器网卡工作站网卡工作站网卡工作站双绞线69计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生集线器的特点l从表面上
35、看，使用集线器的局域网在物理上是一个星型网，但整个系统仍像一个传统以太网一样运行。（逻辑上仍是一个总线网，各站中的适配器执行CSMA/CD协议）l一个集线器有许多端口，一个集线器很像一个多端口的转发器。l集线器工作在物理层，它的每个端口都具有发送和接收数据的功能。l集线器采用了专门的芯片，进行自适应串音回波抵消。70计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生以太网在局域网中的统治地位l10BASE-T 中每个站到集线器的距离不超过 100 m。l这种 10 Mb/s 速率的非屏蔽双绞线星形网结构，既降低了成本，又提高了可靠性。l10BASE-T 双绞线以太网的出现，是局域网双绞线以太网的出现，是局域
36、网发展史上的一个非常重要的里程碑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。71计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生l以太网的四种不同物理层以太网的四种不同物理层10BASE5粗缆10BASE2细缆10BASE-T双绞线10BASE-F光缆以太网媒体接入控制 MAC72计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生3.4.2以太网的信道利用率 l一个帧从开始发送，经可能发生的碰撞后，将再重传数次，到发送成功且信道转为空闲(即再经过时间 使得信道上无信号在传播)时为止，是发送一帧所需的平均时间。发 送 成 功 争用期 争用期 争用期 2 2 2T0t占用期 发生碰撞 发
37、送一帧所需的平均时间73计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生参数 a l要提高以太网的信道利用率，就必须减小 与 T0 之比。l在以太网中定义了参数 a，它是以太网单程端到端时延 与帧的发送时间 T0 之比：(3-2)a0 表示一发生碰撞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，表明争用期所占的比例增大，每发 生一次碰撞就浪费许多信道资源，使得信道 利用率明显降低。74计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生对以太网参数的要求l当数据率一定时，以太网的连线的长度受到限制，否则 的数值会太大。l以太网的帧长不能太短，否则 T0 的值会太小，使 a 值太大。75计算机网络主讲：
38、南京信息工程大学刘生l在理理想想化化的情况下，以太网上的各站发送数据都不会产生碰撞（这显然已经不是 CSMA/CD，而是需要使用一种特殊的调度方法），即总线一旦空闲就有某一个站立即发送数据。l发送一帧占用线路的时间是 T0+，而帧本身的发送时间是 T0。于是我们可计算出理理想想情情况况下下的极限信道利用率 Smax为：信道利用率的最大值 Smax(3-3)76计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生3.4.3 以太网的 MAC 层1.MAC 层的硬件地址 l在局域网中，硬件地址硬件地址又称为物理地址物理地址，或 MAC 地址地址。l802 标准所说的“地址”严格地讲应当是每一个站的“名字名字”或“
39、标识符标识符”。l但鉴于大家都早已习惯了将这种 48 位的“名字”称为“地址”，所以本书也采用这种习惯用法，尽管这种说法并不太严格。77计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生48 位的 MAC 地址lIEEE 的注册管理机构注册管理机构 RA 负责向厂家分配地址字段的前三个字节(即高位 24 位)。l地址字段中的后三个字节(即低位 24 位)由厂家自行指派，称为扩展标识符扩展标识符，必须保证生产出的适配器没有重复地址。l一个地址块可以生成224个不同的地址。这种 48 位地址称为 MAC-48，它的通用名称是EUI-48。l“MAC地址”实际上就是适配器地址或适配器标识符EUI-48。78计算机
40、网络主讲：南京信息工程大学刘生适配器检查 MAC 地址 l适配器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.u如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他的处理。他的处理。u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。l“发往本站的帧”包括以下三种帧：u单播单播(unicast)帧（一对一）帧（一对一）u广播广播(broadcast)帧（一对全体）帧（一对全体）u多播多播(multicast)帧（一对多）帧（一对多）79计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生2.MAC 帧的格式 l常用的以太网MA
41、C帧格式有两种标准：uDIX Ethernet V2 标准标准uIEEE 的的 802.3 标准标准l最常用的 MAC 帧是以太网以太网 V2 的格式的格式。80计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生以太网 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 字节插入IP层目的地址 源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报MAC MAC 帧帧以太网V2的 MAC 帧格式 81计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生MAC 帧物理层MAC 层IP 层以太网 V2 MAC 帧目的地址源地址类型数 据FC
42、S6624字节46 1500IP 数据报以太网 V2 的 MAC 帧格式目的地址字段 6 字节82计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生MAC 帧物理层MAC 层IP 层以太网 V2 MAC 帧目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网 V2 的 MAC 帧格式源地址字段 6 字节83计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生MAC 帧物理层MAC 层IP 层以太网 V2 MAC 帧目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网 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
43、交给上一层的这个协议。84计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生MAC 帧物理层MAC 层IP 层以太网 V2 MAC 帧目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网 V2 的 MAC 帧格式数据字段 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 85计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生MAC 帧物理层MAC 层IP 层以太网 V2 MAC 帧目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网 V2 的 MAC 帧格式FCS 字段 4 字节当传输媒体的误码率为
44、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。86计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生MAC 帧物理层MAC 层IP 层以太网 V2 MAC 帧目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网 V2 的 MAC 帧格式10101010101010 10101010101010101011前同步码帧开始定界符7 字节1 字节8 字节插入在帧的前面插入的 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
45、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87计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生l数据字段的长度与长度字段的值不一致；l帧的长度不是整数个字节；l用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错；l数据字段的长度不在 46 1500 字节之间。l有效的 MAC 帧长度不在 64 1518 字节之间。l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 88计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生l帧间最小间隔为 9.6 s，相当于 96 bit 的发送时间。l一个站在检测到总线
46、开始空闲后，还要等待 9.6 s 才能再次发送数据。l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 89计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生3.5扩展局域网 l在物理层扩展局域网 l在数据链路层扩展局域网 90计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生3.5.1 在物理层扩展局域网l主机使用光纤和一对光纤调制解调器连接到集线器 以太网集线器光纤光纤调制解调器光纤调制解调器91计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生l某大学有三个系，各自有一个局域网用多个集线器可连成更大的局域网三个独立的碰撞域一系二系三系碰撞域碰撞域碰撞域92计算机网络主讲：南京信息工程大学刘
47、生用集线器组成更大的局域网都在一个碰撞域中一系三系二系主干集线器一个更大的碰撞域碰撞域93计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生l优点优点u使原来属于不同碰撞域的局域网上的计算使原来属于不同碰撞域的局域网上的计算机能够进行通信。机能够进行通信。u扩大了局域网覆盖的地理范围。扩大了局域网覆盖的地理范围。l缺点缺点u碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。u如果不同的碰撞域使用不同的数据率，那如果不同的碰撞域使用不同的数据率，那么就不能用集线器将它们互连起来。么就不能用集线器将它们互连起来。用集线器扩展局域网 94计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生l在数据链路层扩展
48、局域网是使用网桥网桥。l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。l网桥具有过滤帧过滤帧的功能。当网桥收到一个帧时，并不是向所有的接口转发此帧，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接口 3.5.2 在数据链路层扩展局域网 95计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生1.网桥的内部结构 站表接口管理 软件网桥协议 实体缓存接口 1接口 2网段 B网段 A111222站地址 接口网桥网桥接口 1接口 21296计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生l过滤通信量。l扩大了物理范围。l提高了可靠性。l可互连不同物理层、不同 MAC 子层和不同速率（如1
49、0 Mb/s 和 100 Mb/s 以太网）的局域网。使用网桥带来的好处 97计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生网桥使各网段成为隔离开的碰撞域 B2B1碰撞域碰撞域碰撞域ABCDEF98计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生l存储转发增加了时延。l在MAC 子层并没有流量控制功能。l具有不同 MAC 子层的网段桥接在一起时时延更大。l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广播风暴。使用网桥带来的缺点 99计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生用户层IPMAC站 1用户层IPMAC站 2物理层网桥 1网桥
50、 2AB用户数据IP-HMAC-HMAC-TDL-HDL-T 物理层DLRMAC物理层物理层DLRMAC物理层物理层LANLAN两个网桥之间还可使用一段点到点链路 网桥不改变它转发的帧的源地址100计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生l集线器在转发帧时，不对传输媒体进行检测。l网桥在转发帧之前必须执行 CSMA/CD 算法。u若在发送过程中出现碰撞，就必须停若在发送过程中出现碰撞，就必须停止发送和进行退避。止发送和进行退避。网桥和集线器（或转发器）不同 101计算机网络主讲：南京信息工程大学刘生l目前使用得最多的网桥是透明网桥(transparent bridge)。l“透明”是指局域网上的站