1、第 3 章 數(shù)據(jù)鏈路層李彬 山東輕工業(yè)學(xué)院 理學(xué)院數(shù)據(jù)鏈路層的兩個(gè)子層 為了使數(shù)據(jù)鏈路層能更好地適應(yīng)多種局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，802 委員會(huì)就將局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層拆成兩個(gè)子層：邏輯鏈路控制 LLC (Logical Link Control)子層媒體接入控制 MAC (Medium Access Control)子層。與接入到傳輸媒體有關(guān)的內(nèi)容都放在 MAC子層，而 LLC 子層則與傳輸媒體無關(guān)，不管采用何種協(xié)議的局域網(wǎng)對 LLC 子層來說都是透明的 局域網(wǎng)對 LLC 子層是透明的 局 域 網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層物理層站點(diǎn) 1網(wǎng)絡(luò)層物理層邏輯鏈路控制LLCLLC媒體接入控制MACMAC數(shù)據(jù)鏈路層站點(diǎn) 2LLC 子層看

2、不見下面的局域網(wǎng)以后一般不考慮 LLC 子層 由于 TCP/IP 體系經(jīng)常使用的局域網(wǎng)是 DIX Ethernet V2 而不是 802.3 標(biāo)準(zhǔn)中的幾種局域網(wǎng)，因此現(xiàn)在 802 委員會(huì)制定的邏輯鏈路控制子層 LLC（即 802.2 標(biāo)準(zhǔn)）的作用已經(jīng)不大了。很多廠商生產(chǎn)的適配器上就僅裝有 MAC 協(xié)議而沒有 LLC 協(xié)議。 1.1 決定局域網(wǎng)與城域網(wǎng)性能的三要素 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?傳輸介質(zhì) 介質(zhì)訪問控制方法 3.5 介質(zhì)訪問控制子層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：總線型環(huán)型星型結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)：雙絞線同軸電纜光纖1.2 局域網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類型與特點(diǎn)特點(diǎn)：總線型局域網(wǎng)的介質(zhì)訪問控制方法采用的是“共享介質(zhì)”方式；所有結(jié)點(diǎn)都連接

3、到一條作為公共傳輸介質(zhì)的總線上；總線傳輸介質(zhì)通常采用同軸電纜或雙絞線；所有結(jié)點(diǎn)都可以通過總線傳輸介質(zhì)以“廣播”方式發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，因此出現(xiàn)“沖突（collision）”是不可避免的；“沖突”會(huì)造成傳輸失?。槐仨毥鉀Q多個(gè)結(jié)點(diǎn)訪問總線的介質(zhì)訪問控制（MAC， medium access control）問題?？偩€型拓?fù)錁?gòu)型總線結(jié)構(gòu)與沖突介質(zhì)訪問控制方法要解決以下幾個(gè)問題：該哪個(gè)結(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)？發(fā)送時(shí)會(huì)不會(huì)出現(xiàn)沖突？出現(xiàn)沖突怎么辦？總線型拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)現(xiàn)容易；易于擴(kuò)展，可靠性較好。結(jié)點(diǎn)使用點(diǎn)點(diǎn)線路連接，構(gòu)成閉合的物理的環(huán)型結(jié)構(gòu)；環(huán)中數(shù)據(jù)沿著一個(gè)方向繞環(huán)逐站傳輸；多個(gè)結(jié)點(diǎn)共享一條環(huán)通路；環(huán)建立

4、、維護(hù)、結(jié)點(diǎn)的插入與撤出。 環(huán)型拓?fù)錁?gòu)型邏輯結(jié)構(gòu)與物理結(jié)構(gòu)的關(guān)系交換局域網(wǎng)(switched LAN)的物理結(jié)構(gòu) 星型拓?fù)錁?gòu)型 帶有沖突檢測的載波偵聽多路訪問CSMA/CD令牌總線 token bus令牌環(huán) token ring 1.3 介質(zhì)訪問控制方法IEEE 802委員會(huì)為局域網(wǎng)制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)，它們統(tǒng)稱為IEEE 802標(biāo)準(zhǔn)；IEEE 802標(biāo)準(zhǔn)之間的關(guān)系： Ethernet的核心技術(shù)是CSMA/CD介質(zhì)訪問控制方法；隨機(jī)爭用技術(shù)起源于夏威夷大學(xué)校園網(wǎng)ALOHA；1972年，Xerox公司開始Ethernet實(shí)驗(yàn)網(wǎng)的研究；1979年，Xerox公司宣布了Ethernet產(chǎn)品；1980年，

5、Xerox、DEC與Intel聯(lián)合宣布Ethernet V2.0規(guī)范 ； 90年代，10Base-T標(biāo)準(zhǔn)使得Ethernet性能價(jià)格比大大提高；目前，交換式Ethernet與最高速率為10Gb/s的高速Ethernet的出現(xiàn)，更確立了它在局域網(wǎng)中的主流地位。2.1 Ethernet的發(fā)展 1.Ethernet數(shù)據(jù)發(fā)送流程的分析 2.2 Ethernet幀結(jié)構(gòu)與幀發(fā)送、接收流程分析CSMA/CD的發(fā)送流程可以概括為： 先聽后發(fā) 邊聽邊發(fā) 沖突停止 延遲重發(fā) Ethernet結(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送流程CSMA/CD 表示 Carrier Sense Multiple Access with Collisio

6、n Detection。“多點(diǎn)接入”表示許多計(jì)算機(jī)以多點(diǎn)接入的方式連接在一根總線上。“載波監(jiān)聽”是指每一個(gè)站在發(fā)送數(shù)據(jù)之前先要檢測一下總線上是否有其他計(jì)算機(jī)在發(fā)送數(shù)據(jù)，如果有，則暫時(shí)不要發(fā)送數(shù)據(jù)，以免發(fā)生碰撞。 總線上并沒有什么“載波”。因此， “載波監(jiān)聽”就是用電子技術(shù)檢測總線上有沒有其他計(jì)算機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)信號(hào)。 載波監(jiān)聽多點(diǎn)接入/碰撞檢測 CSMA/CD目的：檢查是否已經(jīng)有結(jié)點(diǎn)利用總 線在發(fā)送數(shù)據(jù)載波偵聽過程“碰撞檢測”就是計(jì)算機(jī)邊發(fā)送數(shù)據(jù)邊檢測信道上的信號(hào)電壓大小。當(dāng)幾個(gè)站同時(shí)在總線上發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，總線上的信號(hào)電壓擺動(dòng)值將會(huì)增大（互相疊加）。當(dāng)一個(gè)站檢測到的信號(hào)電壓擺動(dòng)值超過一定的門限值時(shí)，

7、就認(rèn)為總線上至少有兩個(gè)站同時(shí)在發(fā)送數(shù)據(jù)，表明產(chǎn)生了碰撞。所謂“碰撞”就是發(fā)生了沖突。因此“碰撞檢測”也稱為“沖突檢測”。碰撞檢測沖突檢測：比較法和編碼違例判決法在發(fā)生碰撞時(shí)，總線上傳輸?shù)男盘?hào)產(chǎn)生了嚴(yán)重的失真，無法從中恢復(fù)出有用的信息來。每一個(gè)正在發(fā)送數(shù)據(jù)的站，一旦發(fā)現(xiàn)總線上出現(xiàn)了碰撞，就要立即停止發(fā)送，免得繼續(xù)浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)資源，然后等待一段隨機(jī)時(shí)間后再次發(fā)送。檢測到碰撞后當(dāng)某個(gè)站監(jiān)聽到總線是空閑時(shí)，也可能總線并非真正是空閑的。 A 向 B 發(fā)出的信息，要經(jīng)過一定的時(shí)間后才能傳送到 B。B 若在 A 發(fā)送的信息到達(dá) B 之前發(fā)送自己的幀(因?yàn)檫@時(shí) B 的載波監(jiān)聽檢測不到 A 所發(fā)送的信息)，則必然要

8、在某個(gè)時(shí)間和 A 發(fā)送的幀發(fā)生碰撞。碰撞的結(jié)果是兩個(gè)幀都變得無用。 電磁波在總線上的有限傳播速率的影響1 kmABt碰撞t = 2 A 檢測到發(fā)生碰撞 t = B 發(fā)送數(shù)據(jù)B 檢測到發(fā)生碰撞 t = t = 0單程端到端傳播時(shí)延記為 傳播時(shí)延對載波監(jiān)聽的影響 1 kmABt碰撞t = B 檢測到信道空閑發(fā)送數(shù)據(jù)t = / 2發(fā)生碰撞t = 2 A 檢測到發(fā)生碰撞 t = B 發(fā)送數(shù)據(jù)B 檢測到發(fā)生碰撞 t = ABABAB t = 0 A 檢測到信道空閑發(fā)送數(shù)據(jù)ABt = 0t = B 檢測到發(fā)生碰撞停止發(fā)送STOPt = 2 A 檢測到發(fā)生碰撞STOPAB單程端到端傳播時(shí)延記為 使用 CSM

9、A/CD 協(xié)議的以太網(wǎng)不能進(jìn)行全雙工通信而只能進(jìn)行雙向交替通信（半雙工通信）。每個(gè)站在發(fā)送數(shù)據(jù)之后的一小段時(shí)間內(nèi)，存在著遭遇碰撞的可能性。 這種發(fā)送的不確定性使整個(gè)以太網(wǎng)的平均通信量遠(yuǎn)小于以太網(wǎng)的最高數(shù)據(jù)率。 重要特性最先發(fā)送數(shù)據(jù)幀的站，在發(fā)送數(shù)據(jù)幀后至多經(jīng)過時(shí)間 2 （兩倍的端到端往返時(shí)延）就可知道發(fā)送的數(shù)據(jù)幀是否遭受了碰撞。以太網(wǎng)的端到端往返時(shí)延 2 稱為爭用期，或碰撞窗口。經(jīng)過爭用期這段時(shí)間還沒有檢測到碰撞，才能肯定這次發(fā)送不會(huì)發(fā)生碰撞。 爭用期沖突窗口的概念發(fā)生碰撞的站在停止發(fā)送數(shù)據(jù)后，要推遲（退避）一個(gè)隨機(jī)時(shí)間才能再發(fā)送數(shù)據(jù)。確定基本退避時(shí)間，一般是取為爭用期 2。定義重傳次數(shù) k

10、，k 10，即 k = Min重傳次數(shù), 10從整數(shù)集合0,1, (2k 1)中隨機(jī)地取出一個(gè)數(shù)，記為 r。重傳所需的時(shí)延就是 r 倍的基本退避時(shí)間。當(dāng)重傳達(dá) 16 次仍不能成功時(shí)即丟棄該幀，并向高層報(bào)告。 二進(jìn)制指數(shù)類型退避算法截止二進(jìn)制指數(shù)后退延遲算法 2kRa 其中：為結(jié)點(diǎn)重新發(fā)送需要的后退延遲時(shí)間，a為沖突窗口值，R為隨機(jī)數(shù)。隨機(jī)延遲重發(fā)當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)的站一旦發(fā)現(xiàn)發(fā)生了碰撞時(shí)：立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)；再繼續(xù)發(fā)送若干比特的人為干擾信號(hào)(jamming signal)，以便讓所有用戶都知道現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)生了碰撞。 強(qiáng)化碰撞數(shù)據(jù)幀干擾信號(hào)TJ人為干擾信號(hào) ABTBtB 發(fā)送數(shù)據(jù)A 檢測到?jīng)_突開始沖突信道占

11、用時(shí)間A 發(fā)送數(shù)據(jù)B 也能夠檢測到?jīng)_突，并立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)幀，接著就發(fā)送干擾信號(hào)。這里為了簡單起見，只畫出 A 發(fā)送干擾信號(hào)的情況。前導(dǎo)碼與幀前定界符字段目的地址和源地址字段 長度字段LLC數(shù)據(jù)字段幀校驗(yàn)字段Ethernet幀結(jié)構(gòu)前導(dǎo)碼與幀前定界符字段 前導(dǎo)碼：7個(gè)字節(jié)，10101010101010比特序列 幀前定界符：1字節(jié)，10101011 目的地址和源地址字段 地址字段長度：2個(gè)字節(jié)或6個(gè)字節(jié) 目的地址類型： 單一結(jié)點(diǎn)地址（unicast address） 多點(diǎn)地址（multicast address） 廣播地址（broadcast address）Ethernet幀結(jié)構(gòu)的討論：長度字段

12、 幀的最小長度為64字節(jié)，最大長度為1518字節(jié) LLC數(shù)據(jù)字段 LLC數(shù)據(jù)字段是幀的數(shù)據(jù)字段，長度最小為46個(gè)字節(jié)少于46個(gè)字節(jié)，需要填充幀校驗(yàn)字段 采用32位的CRC校驗(yàn) 校驗(yàn)的范圍是：目的地址、源地址、長度、LLC數(shù)據(jù)等字段 3.Ethernet接收流程2.3 Ethernet實(shí)現(xiàn)方法2.3 Ethernet實(shí)現(xiàn)方法AUI端口是用來與粗同軸電纜連接的接口，它是一種D型15針接口，這在令牌環(huán)網(wǎng)或總線型網(wǎng)絡(luò)中是一種比較常見的端口之一2.3 Ethernet實(shí)現(xiàn)方法BNC（基本網(wǎng)絡(luò)卡）接口是10Base2的接頭，即同軸細(xì)纜接頭。可以隔絕視頻輸入信號(hào)，使信號(hào)相互間干擾減少，且信號(hào)帶寬要比普通15

13、針的D型接口大，可達(dá)到更佳的信號(hào)響應(yīng)效果。 Ethernet網(wǎng)卡結(jié)構(gòu)Ethernet地址 = Manufacture ID + NIC ID 24bit + 24bit 公司：Cisco 00-00-0c Novell 00-00-1B 00-00-D8 3Com 00-20-AF 00-60-8C IBM 08-00-5A典型的Ethernet地址 ： 00-60-8C-01-28-12 000000001010000010001100 Ethernet地址具有惟一性，取決于你所使用的網(wǎng)卡。2.4 Ethernet物理地址在局域網(wǎng)中，硬件地址又稱為物理地址，或 MAC 地址。 802 標(biāo)準(zhǔn)所

14、說的“地址”嚴(yán)格地講應(yīng)當(dāng)是每一個(gè)站的“名字”或標(biāo)識(shí)符。 但鑒于大家都早已習(xí)慣了將這種 48 位的“名字”稱為“地址”，所以本書也采用這種習(xí)慣用法，盡管這種說法并不太嚴(yán)格。IEEE 的注冊管理機(jī)構(gòu) RA 負(fù)責(zé)向廠家分配地址字段的前三個(gè)字節(jié)(即高位 24 位)。地址字段中的后三個(gè)字節(jié)(即低位 24 位)由廠家自行指派，稱為擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符，必須保證生產(chǎn)出的適配器沒有重復(fù)地址。一個(gè)地址塊可以生成224個(gè)不同的地址。這種 48 位地址稱為 MAC-48，它的通用名稱是EUI-48?！癕AC地址”實(shí)際上就是適配器地址或適配器標(biāo)識(shí)符EUI-48。48 位的 MAC 地址適配器從網(wǎng)絡(luò)上每收到一個(gè) MAC 幀就首先

15、用硬件檢查 MAC 幀中的 MAC 地址.如果是發(fā)往本站的幀則收下，然后再進(jìn)行其他的處理。否則就將此幀丟棄，不再進(jìn)行其他的處理。“發(fā)往本站的幀”包括以下三種幀： 單播(unicast)幀（一對一）廣播(broadcast)幀（一對全體）多播(multicast)幀（一對多）適配器檢查 MAC 地址以太網(wǎng) MAC 幀物理層MAC層10101010101010 10101010101010101011前同步碼幀開始定界符7 字節(jié)1 字節(jié)8 字節(jié)插入IP層目的地址源地址類型數(shù) 據(jù)FCS6624字節(jié)46 1500IP 數(shù)據(jù)報(bào)MAC 幀以太網(wǎng)的 MAC 幀格式MAC 幀物理層MAC 層IP 層目的地址源

16、地址類型數(shù) 據(jù)FCS6624字節(jié)46 1500IP 數(shù)據(jù)報(bào)目的地址字段 6 字節(jié)MAC 幀物理層MAC 層IP 層目的地址源地址類型數(shù) 據(jù)FCS6624字節(jié)46 1500IP 數(shù)據(jù)報(bào)源地址字段 6 字節(jié)MAC 幀物理層MAC 層IP 層目的地址源地址類型數(shù) 據(jù)FCS6624字節(jié)46 1500IP 數(shù)據(jù)報(bào)類型字段 2 字節(jié)類型字段用來標(biāo)志上一層使用的是什么協(xié)議，以便把收到的 MAC 幀的數(shù)據(jù)上交給上一層的這個(gè)協(xié)議。 MAC 幀物理層MAC 層IP 層目的地址源地址類型數(shù) 據(jù)FCS6624字節(jié)46 1500IP 數(shù)據(jù)報(bào)數(shù)據(jù)字段 46 1500 字節(jié)數(shù)據(jù)字段的正式名稱是 MAC 客戶數(shù)據(jù)字段最小長度 64 字節(jié) 18 字節(jié)的首部和尾部 = 數(shù)據(jù)字段的最小長度 MAC 幀物理層MAC 層IP 層目的地址源地址類型數(shù) 據(jù)FCS6624字節(jié)46 1500IP 數(shù)據(jù)報(bào)FCS 字段 4 字節(jié)當(dāng)傳輸媒體的誤碼率為 1108 時(shí)，MAC 子層可使未檢測到的差錯(cuò)小于 11014。 當(dāng)數(shù)據(jù)字段的長度小于 46 字節(jié)時(shí)，應(yīng)在數(shù)據(jù)字段的后面加入整