計算機網(wǎng)絡（第5版）

第3章數(shù)據(jù)鏈路層

[第3章數(shù)據(jù)鏈路層

3.1使用點對點信道的數(shù)據(jù)鏈路層

3.3使用廣播信道的數(shù)據(jù)鏈路層

3.4使用廣播信道的以太網(wǎng)

3.5擴展的以太網(wǎng)

3.6高速以太網(wǎng)

數(shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層使用的信道主要有以下兩種類

型：

■點對點信道。這種信道使用一對一的點

對點通信方式。

■廣播信道。這種信道使用一對多的廣播

通信方式，因此過程比較復雜。廣播信

道上連接的主機很多，因此必須使用專

用的共享信道協(xié)議來協(xié)調這些主機的數(shù)

據(jù)發(fā)

數(shù)據(jù)鏈路層的簡單模型

主機乩向“發(fā)送數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)鏈路層的簡單模型

（續(xù)）

訪H；向H2發(fā)送數(shù)據(jù)

僅從數(shù)據(jù)鏈路層觀察幀的流動

應用層女用層

運輸層,亙輸層

網(wǎng)絡層I網(wǎng)絡層

物理層L理層理層

3.1使用點對點信道的數(shù)據(jù)鏈路層

13.1.1數(shù)據(jù)鏈路和幀

■■鏈路(link)是二條無源的點到點的物理線

路段，中間沒有任何其他的交換結點。

-一條鏈路只是一條通路的一個組成部分。

■數(shù)據(jù)鏈路(datalink)除了物理線路外，還必須

有通信協(xié)議來控制這些數(shù)據(jù)的傳輸。若把實現(xiàn)

這些協(xié)議的硬件和軟件加到鏈路上，就構成了

數(shù)據(jù)鏈路。

■現(xiàn)在最常用的方法是使用適配器(即網(wǎng)卡)來實現(xiàn)

這些協(xié)議的硬件和軟件。

-一般的適配器都包括了數(shù)據(jù)鏈路層和物理層這兩層

的功能。

數(shù)據(jù)鏈路層傳送的是幀

結點B

幀丁二

1010..........011C

Iliiii

鏈路

(a)

結點A結點B

數(shù)據(jù)一I發(fā)送接收匚

鏈路層幀B幀B

鏈路

(b)

數(shù)據(jù)鏈路層像個數(shù)字管道

■常常在兩個對等的數(shù)據(jù)鏈路層之間畫出

一個數(shù)字管道，而在這條數(shù)字管道上傳

輸?shù)臄?shù)據(jù)單位是幀。

■早期的數(shù)據(jù)通信協(xié)議曾叫作通信規(guī)程

(procedure)o因it匕在數(shù)搪鏈路層，規(guī)程

和協(xié)議是同義語。

3.1.2三個基本問題

(1)封裝成幀

(2)透明傳輸

(3)差錯控制

1.封裝成幀

■封裝成幀(framing)就是在一段數(shù)據(jù)的前后分別

添加首部和尾部，然后就構成了一個幀。確定

幀的界限。

■首部和尾部的一個重要作用就是進行幀定界。

——<MTU-------

數(shù)據(jù)鏈路層的幀長

用控制字符進行幀定界的方法舉例

--------------------

幀開始符01(00000001)幀結束符04(00000100)

SOH裝在幀中的數(shù)據(jù)部分EOT

I--------------幀------------------------

發(fā)送在前

2.透明傳輸

出現(xiàn)了“EOT”

完整的幀一

發(fā)送—數(shù)據(jù)部分

非前

SOHEOTEOT

<7j

被接收端被接收端當作無效幀而丟棄

誤認為是一個幀

解決透明傳輸問題

■發(fā)送端的數(shù)據(jù)鏈路層在數(shù)據(jù)中出現(xiàn)控制字符

“SOH”或“EOT”的前面插入一個轉義字符

“ESC”(其十六進制編碼是1B)O

■字節(jié)填充(bytestuffing)或字符填充(character

stuffing)——接收端的數(shù)據(jù)鏈路層在將數(shù)據(jù)送往網(wǎng)

絡層之前刪除插入的轉義字符。

■如果轉義字符也出現(xiàn)數(shù)據(jù)當中，那么應在轉義字

符前面插入一個轉義字符。當接收端收到連續(xù)的

兩個轉義字符時，就刪除其中前面的一個。

■.用字節(jié)填充法解決透明傳輸?shù)膯栴}

4

幀開始符幀結束符

原始數(shù)據(jù)

SOHEOTSOHESCSOHEOT

字節(jié)蹲為/字節(jié)，充;字書填亮、超卷填充

SOHESCEOTESCSOHESCESCESCSOHEOT

--------------------經(jīng)過字節(jié)填充后發(fā)送的數(shù)據(jù)-----------------

發(fā)送

在前

3.差錯檢測

■在傳輸過程中可能會產(chǎn)生比特差錯：1可能會

變成。而。也可能變成1。

■在一段時間內，傳輸錯誤的比特占所傳輸比特

總數(shù)的比率稱為誤碼率BER(BitErrorRate)。

■誤碼率與信噪比有很大的關系。

■為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，在計算機網(wǎng)絡傳

輸數(shù)據(jù)時，必須采用各種差錯檢測措施。循環(huán)

冗余校驗CRCo

幀檢驗序歹ijFCS

-在數(shù)據(jù)后面添加上的冗余碼稱為幀檢驗

序歹ijFCS(FrameCheckSequence)o

■循環(huán)冗余檢驗CRC和幀檢驗序列FCS

并不等同。

■CRC是一種常用的檢錯方法，而FCS是添

加在數(shù)據(jù)后面的冗余碼。

■FCS可以用CRC這種方法得出，但CRC

并非用來獲得FCS的唯一方法。

應當注意

■僅用循環(huán)冗余檢驗CRC差錯檢測技術只能做

到無差錯接受（accept）o

■“無差錯接受”是指：“凡是接受的幀（即不

包括丟棄的幀），我們都能以非常接近于1的

概率認為這些幀在傳輸過程中沒有產(chǎn)生差錯”。

■也就是說：“凡是接收端數(shù)據(jù)鏈路層接受的幀

都沒有傳輸差錯”（有差錯的幀就丟棄而不接

受）。

-要做到“可靠傳輸”（即發(fā)送什么就收到什么）

就必須再加上確認和重傳機制。

3.3使用廣播信道的數(shù)據(jù)鏈路層

3.3.1局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層

■局域網(wǎng)最主要的特點是：網(wǎng)絡為一個單

位所擁有，且地理范圍和站點數(shù)目均有

限。

■局域網(wǎng)具有如下的一些主要優(yōu)點：

-具有廣播功能，從一個站點可很方便地訪問全網(wǎng)。

局域網(wǎng)上的主機可共享連接在局域網(wǎng)上的各種硬件

和軟件資源。

-便于系統(tǒng)的擴展和逐漸地演變，各設備的位置可靈

活調整和改變。

-提高了系統(tǒng)的可靠性、可用性和生存性。

局域網(wǎng)的拓撲

■-集線器.早早「

總U線網(wǎng)j\\

星形網(wǎng)

匹配電阻

（干線耦合器a*.

U早.

環(huán)形網(wǎng)樹形網(wǎng)

媒體共享技術

■靜態(tài)劃分信道

■頻分復用

■時分復用

■波分復用

■碼分復用

■動態(tài)媒體接入控制(多點接入)

■隨機接入

■受控接入，如令牌環(huán)局域網(wǎng)中使用的分

散控制多點線路探詢(polling),或輪詢。

傳統(tǒng)以太網(wǎng)的兩個標準

■DIXEthernetV2是世界上第一個局域網(wǎng)

產(chǎn)品（以太網(wǎng)）的規(guī)約。

■IEEE的802.3標準。

■DIXEthernetV2標準與IEEE的802.3

標準只有很小的差別，因此可以將802.3

局域網(wǎng)簡稱為“以太網(wǎng)”。

■嚴格說來，“以太網(wǎng)”應當是指符合

DIXEthernetV2標準的局域網(wǎng)

數(shù)據(jù)鏈路層的兩個子層

『為了使數(shù)據(jù)鏈路層能更好地適應多種局域

網(wǎng)標準，802委員會就將局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈

路層拆成兩個子層：

■邏輯鏈路控制LLC(LogicalLinkControl)子層

■媒體寸妾入寸空制MAC(MediumAccessControl)

子層。

■與接入到傳輸媒體有關的內容都放在MAC

子層，而LLC子層則與傳輸媒體無關，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

邏輯鏈路控制數(shù)據(jù)

媒體接入控制鏈路層

站點1站點2

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DIXEthernetV2而不是

802.3標準中的幾種局域網(wǎng)，因此

現(xiàn)在802委員會制定的邏輯鏈路控

制子層LLC（即802.2標準）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。

2.適配器的作用

是網(wǎng)絡接口板又稱為通信適配器(adapter)

或網(wǎng)絡接口卡NIC(NetworkInterface

Card),或“網(wǎng)卡”。

■適配器的重要功能：

■進行串行/并行轉換。

■對數(shù)據(jù)進行緩存。

■在計算機的操作系統(tǒng)安裝設備驅動程序。

■實現(xiàn)以太網(wǎng)協(xié)議。

3.3.2CSMA/CD協(xié)、議

■最初的以太網(wǎng)是將許多計算機都連接到一根總

線上。當初認為這樣的連接方法既簡單又可靠,

因為總線上沒有有源器件。

ABCDE

不接受］B向D［不接受］］接受［不接受

發(fā)送數(shù)據(jù)------------------

以太網(wǎng)的廣播方式發(fā)送

■總線上的每一個工作的計算機都能檢測到B發(fā)

送的數(shù)據(jù)信號。

■由于只有計算機D的地址與數(shù)據(jù)幀首部寫入的

地址一致，因此只有D才接收這個數(shù)據(jù)幀。

■其他所有的計算機（人,。和￡）都檢測到不是

發(fā)送給它們的數(shù)據(jù)幀，因此就丟棄這個數(shù)據(jù)幀

而不能夠收下來。

■具有廣播特性的總線上實現(xiàn)了一對一的通信。

為了通信的簡便

以太網(wǎng)采取了兩種重要的措施

■采用較為靈活的無連接的工作方式,即

不必先建立連接就可以直接發(fā)送數(shù)據(jù)。

■以太網(wǎng)對發(fā)送的數(shù)據(jù)幀不進行編號，也

不要求對方發(fā)回確認。

■這樣做的理由是局域網(wǎng)信道的質量很好，因

信道質量產(chǎn)生差錯的概率是很小的。

以太網(wǎng)提供的服務

■以太網(wǎng)提供的服務是不可靠的交付，即

盡最大努力的交付。

■當目的站收到有差錯的數(shù)據(jù)幀時就丟棄

此幀，其他什么也不做。差錯的糾正由

局息來決定。

■如果高層發(fā)現(xiàn)丟失了一些數(shù)據(jù)而進行重

傳，但以太網(wǎng)并不知道這是一個重傳的

幀，而是當作一個新的數(shù)據(jù)幀來發(fā)送。

以太網(wǎng)發(fā)送的數(shù)據(jù)都使用

曼徹斯特(Manchester)編碼

碼元1000100111

基帶數(shù)字信號!

11

1

?1

11

曼徹斯特編碼:1~Unn_liIIL__nnr

!!

出現(xiàn)電平轉換'tttttrtttt

載波監(jiān)聽多點接入/碰撞檢測

CSMA/CD

■CSMA/CD表示CarrierSenseMultiple

AccesswithCollisionDetectiono

■“多點接入”表示許多計算機以多點接入的方

式連接在一根總線上。

■“載波監(jiān)聽”是指每一個站在發(fā)送數(shù)據(jù)之前先

要檢測一下總線上是否有其他計算機在發(fā)送數(shù)

據(jù)，如果有，則暫時不要發(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”就是用電子技術檢測總線上有沒有其他計

算機發(fā)送的數(shù)據(jù)信號。

碰撞檢測

■“碰撞檢測”就是計算機邊發(fā)送數(shù)據(jù)邊檢測信道

上的信號電壓大小。

■當幾個站同時在總線上發(fā)送數(shù)據(jù)時，總線上的

信號電壓擺動值將會增大（互相疊加）。

■當一個站檢測到的信號電壓擺動值超過一定的

門限值時，就認為總線上至少有兩個站同時在

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”。

檢測到碰撞后

*■在發(fā)生碰撞時，總線上傳輸?shù)男盘柈a(chǎn)生

了嚴重的失真，無法從中恢復出有用的

信息來。

■每一個正在發(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)浪費網(wǎng)絡資源，然后等待一段

隨機時間后再次發(fā)送。

3.4使用廣播信道的以太網(wǎng)

]341使用集線器的星形拓撲

!傳統(tǒng)以太網(wǎng)最初是使用粗同軸電纜,后來

演進到使用比較便宜的細同軸電纜，最后

發(fā)展為使用更便宜和更靈活的雙絞線。

■這種以太網(wǎng)采用星形拓撲，在星形的中心

則增加了一種可靠性非常高的設備，叫做

集線器(hub)

使用集線器的雙絞線以太網(wǎng)

星形網(wǎng)10BASE-T

■不用電纜而使用無屏蔽雙絞線。每個站需要

用兩對雙絞線，分別用于發(fā)送和接收。

■集線器使用了大規(guī)模集成電路芯片，因此這

樣的硬件設備的可靠性已大大提高了。

以太網(wǎng)在局域網(wǎng)中的統(tǒng)治地位

■10BASE-T的通信距離稍短，每個站到集線

器的距離不超過100m。

■這種10Mb/s速率的無屏蔽雙絞線星形網(wǎng)的

出現(xiàn)，既降低了成本，又提高了可靠性。

■10BASE-T雙絞線以太網(wǎng)的出現(xiàn)，是局域網(wǎng)

發(fā)展史上的一個非常重要的里程碑，它為以

礎。

集線器的一些特點

■集線器是使用電子器件來模擬實際電纜線

的工作，因此整個系統(tǒng)仍然像一個傳統(tǒng)的

以太網(wǎng)那樣運行。

■使用集線器的以太網(wǎng)在邏輯上仍是一個總

線網(wǎng)，各工作站使用的還是CSMA/CD協(xié)

議，并共享邏輯上的總線。

■集線器很像一個多接口的轉發(fā)器，工作在

物理層。

[集線器的一些特點

■采用專門的芯片，進行自適應串音回波抵

消

具有三個接口的集線器

工作站工作站工作站

3.4.3以太網(wǎng)的MAC層

I1.MAC層的硬件地址

■在局域網(wǎng)中，硬件地址又稱為物理地址，

或MAC地址。

■802標準所說的“地址”嚴格地講應當是

每一個站的“名字”或標識符。

■但鑒于大家都早已習慣了將這種48位的

“名字”稱為“地址”，所以本書也采用

這種習慣用法，盡管這種說法并不太嚴格。

.48位的MAC地址

■lEEE的注冊管理機構RA負責向廠家分配

地址字段的前三個字節(jié)（即高位24位）。

■地址字段中的后三個字節(jié)（即低位24位）由

廠家自行指派，稱為擴展標識符，必須保

證生產(chǎn)出的適配器沒有重復地址。

■一個地址塊可以生成224個不同的地址。這

種48位地址稱為MAC-48,它的通用名稱

是ELH-48。

■“MAC地址”實際上就是適配器地址或適

配器標識符ELH-48。

q適配器檢查MAC地址

■適配器從網(wǎng)絡上每收到一個MAC幀就首

先用硬件檢查MAC幀中的MAC地址.

■如果是發(fā)往本站的幀則收下，然后再進行其他

的處理。

■否則就將此幀丟棄，不再進行其他的處理。

■“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)

I2.MAC幀的格式

■常用的以太網(wǎng)MAC幀格式有兩種標準：

■DIXEthernetV2標準

.IEEE的802.3標準

■最常用的MAC幀是以太網(wǎng)V2的格式。

以太網(wǎng)的MAC幀格式

前同步碼幀開始

定界符

以太網(wǎng)V2的MAC幀格式

以太網(wǎng)V2的MAC幀格式

>-------

以太網(wǎng)V2的MAC幀格式

以太網(wǎng)V2的MAC幀格式

J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

以太網(wǎng)V2的MAC幀格式

當傳輸媒體的誤碼率為1x10-8時，

MAC子層可使未檢測到的差錯小于1x10-14。

FCS字段4字節(jié)

IP層

MAC層

物理層

當數(shù)據(jù)字段的長度小于46字節(jié)時，

應在數(shù)據(jù)字段的后面加入整數(shù)字節(jié)的填充字段,

以保證以太網(wǎng)的MAC幀長不小于64字節(jié)。

以太網(wǎng)V2的MAC幀格式

3.5擴展的局域網(wǎng)

3.5.1在物理層擴展局域網(wǎng)

-主機使用光纖和一對光纖調制解調器

連接到集線器

以太網(wǎng)

集線器

光纖

光纖光纖

調制葡調器調制葡調器

多個集線器可連成更大的局域網(wǎng)

-某大學有三個系，各自有一個局域網(wǎng)

三個獨立的碰撞域

用集線器組成更大的局域網(wǎng)

都在一個碰撞域中

用集線器擴展局域網(wǎng)

■優(yōu)點

-使原來屬于不同碰撞域的局域網(wǎng)上的計算機能夠進

行跨碰撞域的通信。

-擴大了局域網(wǎng)覆蓋的地理范圍。

■缺點

-碰撞域增大了，但總的吞吐量并未提高。

-如果不同的碰撞域使用不同的數(shù)據(jù)率，那么就不能

用集線器將它們互連起來。

3.5.2在數(shù)據(jù)鏈路層擴展局域網(wǎng)

■在數(shù)據(jù)鏈路層擴展局域網(wǎng)是使用網(wǎng)橋。

■網(wǎng)橋工作在數(shù)據(jù)鏈路層，它根據(jù)MAC幀的目

的地址對收到的幀進行轉發(fā)。

■網(wǎng)橋具有過濾幀的功能。當網(wǎng)橋收到一個幀時,

并不是向所有的接口轉發(fā)此幀，而是先檢查此

幀的目的MAC地址，然后再確定將該幀轉發(fā)

到哪一個接口

1.網(wǎng)橋的內部結構

接口1接口2

①②③④⑤⑥

III

使用網(wǎng)橋帶來的好處

■過濾通信量。

■擴大了物理范圍。

■提高了可靠性。

■可互連不同物理層、不同MAC子層和不同速

率（如10Mb/s和100Mb/s以太網(wǎng)）的局域網(wǎng)。

網(wǎng)橋使各網(wǎng)段成為

隔離開的碰撞域

使用網(wǎng)橋帶來的缺點

■存儲轉發(fā)增加了時延。具有不同MAC子層的

網(wǎng)段橋接在一起時時延更大。

■在MAC子層并沒有流量控制功能。

■網(wǎng)橋只適合于用戶數(shù)不太多（不超過幾百個）和

通信量不太大的局域網(wǎng)，否則有時還會因傳播

過多的廣播信息而產(chǎn)生網(wǎng)絡擁塞。這就是所謂

的廣播風暴。

網(wǎng)橋和集線器（或轉發(fā)器）不同

■集線器在轉發(fā)幀時，不對傳輸媒體進行檢

測。

■網(wǎng)橋在轉發(fā)幀之前必須執(zhí)行CSMA/CD

算法。

■若在發(fā)送過程中出現(xiàn)碰撞，就必須停止發(fā)送

和進行退避。

2.透明網(wǎng)橋

■目前使用得最多的網(wǎng)橋是透明網(wǎng)橋(transparent

bridge)o

■“透明”是指局域網(wǎng)上的站點并不知道所發(fā)送

的幀將經(jīng)過哪幾個網(wǎng)橋，因為網(wǎng)橋對各站來說

是看不見的。

-透明網(wǎng)橋是一種即插即用設備，其標準是IEEE

802.1Do

3.源路由網(wǎng)橋

■透明網(wǎng)橋容易安裝，但網(wǎng)絡資源的利用不充分。

■源路由(sourceroute)網(wǎng)橋在發(fā)送幀時將詳細的路由

信息放在幀的首部中。

■源站以廣播方式向欲通信的目的站發(fā)送一個發(fā)現(xiàn)幀,

每個發(fā)現(xiàn)幀都記錄所經(jīng)過的路由。

■發(fā)現(xiàn)幀到達目的站時就沿各自的路由返回源站。源

站在得知這些路由后，從所有可能的路由中選擇出

一個最佳路由。凡從該源站向該目的站發(fā)送的幀的

首部，都必須攜帶源站所確定的這一路由信息。

4.多接口網(wǎng)橋—以太網(wǎng)交換機

■1990年問世的交換式集線器(switchinghub),可

明顯地提高局域網(wǎng)的性能。

■交換式集線器常稱為以太網(wǎng)交換機(switch)或第二

層交換機(表明此交換機工作在數(shù)據(jù)鏈路層)。

■以太網(wǎng)交換機通常都有十幾個接口。因此，以太

網(wǎng)交換機實質上就是一個多接口的網(wǎng)橋，可見交

換機工作在數(shù)據(jù)鏈路層。

以太網(wǎng)交換機的特點

■以太網(wǎng)交換機的每個接口都直接與主機相連，并

且一般都工作在全雙工方式。

■交換機能同時連通許多對的接口，使每一對相互

通信的主機都能像獨占通信媒體那樣，進行無碰

撞地傳輸數(shù)據(jù)。

■以太網(wǎng)交換機由于使用了專用的交換結構芯片，

其交換速率就較高。

用以太網(wǎng)交換機擴展局域網(wǎng)

萬維網(wǎng).

服務器二100Mb/s路由器至因特網(wǎng)

以太網(wǎng)100Mb/s一X---------

100Mb/s交換機

電子郵件上_

服務器—/

一系—至，士三系10BASE-T

利用以太網(wǎng)交換機可以很方便地

±實現(xiàn)虛擬局域網(wǎng)

4---------

■虛擬局域網(wǎng)VLAN是由一些局域網(wǎng)網(wǎng)段構成的與

物理位置無關的邏輯組。

-這些網(wǎng)段具有某些共同的需求。

-每一個VLAN的幀都有一個明確的標識符，指明發(fā)送這

個幀的工作站是屬于哪—IskVLANo

■虛擬局域網(wǎng)其實只是局域網(wǎng)給用戶提供的一種服

務，而并不是一種新型局域網(wǎng)。

以太網(wǎng)三個虛擬局域網(wǎng)：

交換機、和

VLANI，VLAN乙2VLANO3

當&向VLAN2工作組內成員發(fā)送數(shù)據(jù)時,

工作站B2和B3將會收到廣播的信息。

?,~1--------------------------------------------------