第5章鏈路層和局域網(wǎng)

1、計算機網(wǎng)絡第5章 鏈路層和局域網(wǎng)第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日2目 錄n數(shù)據(jù)鏈路層：概述和服務n差錯檢測和糾錯技術n多址訪問協(xié)議n鏈路層編址n以太網(wǎng)n互聯(lián)：集線器和交換機nPPP：點對點協(xié)議第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日35.1 數(shù)據(jù)鏈路層 : 概述和服務n術語術語q節(jié)點：主機和路由器q鏈路：沿著通信路徑連接相鄰節(jié)點的通信信道n有線鏈路n無線鏈路q幀：數(shù)據(jù)鏈路層的分組單元n數(shù)據(jù)鏈路層的主要功能數(shù)據(jù)鏈路層的主要功能q負責將數(shù)據(jù)報通過鏈路從一個節(jié)點傳輸?shù)较噜彽墓?jié)點第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日45.1 數(shù)據(jù)鏈路層 : 概述和服務n數(shù)據(jù)鏈路層的簡單模型數(shù)據(jù)鏈路層的

2、簡單模型局域網(wǎng)廣域網(wǎng)主機 H1主機 H2路由器 R1路由器 R2路由器 R3電話網(wǎng)局域網(wǎng)主機 H1 向 H2 發(fā)送數(shù)據(jù)鏈路層應用層運輸層網(wǎng)絡層物理層鏈路層應用層運輸層網(wǎng)絡層物理層鏈路層網(wǎng)絡層物理層鏈路層網(wǎng)絡層物理層鏈路層網(wǎng)絡層物理層R1R2R3H1H2從層次上來看數(shù)據(jù)的流動第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日55.1 數(shù)據(jù)鏈路層 : 概述和服務n數(shù)據(jù)鏈路層的簡單模型數(shù)據(jù)鏈路層的簡單模型局域網(wǎng)廣域網(wǎng)主機 H1主機 H2路由器 R1路由器 R2路由器 R3電話網(wǎng)局域網(wǎng)主機 H1 向 H2 發(fā)送數(shù)據(jù)鏈路層應用層運輸層網(wǎng)絡層物理層鏈路層應用層運輸層網(wǎng)絡層物理層鏈路層網(wǎng)絡層物理層鏈路層網(wǎng)絡層物理層

3、鏈路層網(wǎng)絡層物理層R1R2R3H1H2僅從數(shù)據(jù)鏈路層觀察幀的流動第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日65.1 數(shù)據(jù)鏈路層 : 概述和服務q幾點特別說明n數(shù)據(jù)報在不同鏈路上可能由不同的鏈路層協(xié)議進行處理q例如：第一段鏈路上由PPP處理，最后一段鏈路上由以太網(wǎng)處理，中間鏈路上由廣域鏈路層協(xié)議處理n不同的鏈路層協(xié)議可能提供不同的服務q例如：可靠傳遞、不可靠傳遞第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日75.1 數(shù)據(jù)鏈路層 : 概述和服務n鏈路層提供的服務鏈路層提供的服務q成幀 、鏈路訪問n將數(shù)據(jù)加上頭部和尾部，封裝成數(shù)據(jù)幀n共享介質的信道訪問n幀頭部用MAC地址標識源和目的（不同于IP地址）q

4、可靠傳遞n很少用于誤碼率低的鏈路（光纖、雙絞線鏈路）n用于誤碼率高的鏈路（無線鏈路）q流量控制n在相鄰的收發(fā)節(jié)點間限制流量第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日85.1 數(shù)據(jù)鏈路層 : 概述和服務n鏈路層提供的服務q差錯檢測n信號衰減和電磁干擾噪聲導致出錯n接收方檢測到錯誤存在：q給發(fā)送方發(fā)送信號要求重傳或丟棄該數(shù)據(jù)幀q差錯糾正n接收方檢測和糾正幀中錯誤，不用重傳q半雙工和全雙工n半雙工時，鏈路兩端的節(jié)點都能傳輸分組，但不能同時傳輸?shù)谖逭?鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日95.1 數(shù)據(jù)鏈路層 : 概述和服務n適配器通信適配器通信q鏈路層協(xié)議在適配器中實現(xiàn)q發(fā)送方n在一個幀內封裝數(shù)據(jù)報n增

5、加差錯檢測位，可靠交付，流量檢測等q接收方n查找錯誤,可靠交付, 流量控制等n取出數(shù)據(jù)報，交給網(wǎng)絡層q適配器是半自治單元n幀的接收和發(fā)送、檢錯、丟棄均是自主進行n向上提交數(shù)據(jù)時，需要節(jié)點干預n最終受控于節(jié)點第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日105.2 差錯檢測和糾錯技術n差錯檢測模型差錯檢測模型 EDC= Error Detection and Correction bits 差錯檢測和糾錯比特 D = Data 差錯檢測位保護的數(shù)據(jù)，可包括首部 數(shù)據(jù)報d數(shù)據(jù)比特數(shù)據(jù)報檢測到差錯易出現(xiàn)比特差錯的鏈路 在D中的所有比特正確嗎？第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日115.2 差錯檢測

6、和糾錯技術單比特奇偶校驗:檢測單個比特錯誤檢測單個比特錯誤二維奇偶校驗:檢測和糾正單個比特錯誤檢測和糾正單個比特錯誤00無差錯 列校驗行校驗校驗錯校驗錯可糾正單比特差錯d個數(shù)據(jù)比特校驗位第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日125.2 差錯檢測和糾錯技術n因特網(wǎng)檢查和因特網(wǎng)檢查和q發(fā)送方n將數(shù)據(jù)段的內容作為16比特的整數(shù)序列n校驗和: 累加求和，計算和的1的補碼n發(fā)送方將得到的校驗和值放入PDU校驗和字段q接收方n計算收到的數(shù)據(jù)段的校驗和n檢查計算出的校驗和與校驗和字段中的值是否相同:qNO 檢測到錯誤qYES 沒有錯誤q特別注意：僅用于TCP、UDP和IPv4協(xié)議中第五章 鏈路層和局域網(wǎng)

7、2022年5月16日135.2 差錯檢測和糾錯技術n循環(huán)冗余校驗碼循環(huán)冗余校驗碼qd比特的數(shù)據(jù)，Dq選擇r1比特模式(生成多項式)，表示為Gq目標：選擇r個CRC比特，R，以便n恰好能被G整除（模2計算）n接收方已知G，用G去除 ，若余數(shù)非0，則檢測到錯誤n能檢測到所有少于r+1比特的錯誤q在實踐中被廣泛應用 （ATM，HDLC)D:被發(fā)送的數(shù)據(jù)比特R:CRC比特比特模式數(shù)學公式d比特r比特第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日145.2 差錯檢測和糾錯技術n如果要:qD*2r XOR R = nGn兩邊都異或R，得到:qD*2r = nG XOR R n即: D*2r 除以G,得到余數(shù)

8、R第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日155.3 多址訪問協(xié)議n兩種鏈路兩種鏈路q點到點鏈路nPPPn以太網(wǎng)交換機和主機之間的點到點鏈路q廣播鏈路(共享線路或介質)n傳統(tǒng)以太網(wǎng)n802.11無線LAN第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日165.3 多址訪問協(xié)議n廣播鏈路的特點廣播鏈路的特點q單個共享廣播信道q兩個或多個節(jié)點同時傳輸：相互干擾n 碰撞：一個節(jié)點同時收到兩個或多個信號n多址訪問協(xié)議多址訪問協(xié)議q分布式算法決定節(jié)點如何共享信道，如節(jié)點何時可以傳輸數(shù)據(jù)q特別注意：有關共享信道的通信（協(xié)商）需使用信道本身n沒有額外的信道來進行協(xié)調第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日17

9、5.3 多址訪問協(xié)議n理想的多址訪問協(xié)議需滿足：理想的多址訪問協(xié)議需滿足：q假定：信道為速率為R b/s的廣播信道q當只有一個節(jié)點有數(shù)據(jù)發(fā)送時，該節(jié)點的吞吐量為Rq當M個節(jié)點有數(shù)據(jù)發(fā)送時，每個節(jié)點吞吐量為R/Mq分散n沒有特定節(jié)點用于調整傳輸n沒有時鐘同步q簡單第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日185.3 多址訪問協(xié)議n多址訪問協(xié)議分類多址訪問協(xié)議分類q信道劃分協(xié)議n將信道劃分成小的“片”（時隙、頻率、編碼）n將“片”分配給節(jié)點使用q隨機訪問協(xié)議n信道沒有被分割，允許碰撞n碰撞恢復q輪流協(xié)議n節(jié)點輪流傳送，但數(shù)據(jù)量大的節(jié)點輪流更長時間第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日195.3

10、 多址訪問協(xié)議n信道劃分協(xié)議信道劃分協(xié)議qTDMA(Time Division Multiple Access)n循環(huán)訪問信道n每個節(jié)點在每次循環(huán)中得到固定長度的時隙（時隙長度傳輸單個分組時間）n沒有數(shù)據(jù)發(fā)送的時隙空閑n例如：6-節(jié)點 LAN, 時隙1,3,4 有數(shù)據(jù)發(fā)送, 2,5,6 的時隙空閑第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日205.3 多址訪問協(xié)議用戶ABCDabcdttttt3 個 STDM 幀#1acbab bcacd#2#3統(tǒng)計時分復用統(tǒng)計時分復用 STDM 第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日215.3 多址訪問協(xié)議n信道劃分協(xié)議信道劃分協(xié)議qFDMA(Freque

11、nce Division Multiple Access)n信道按頻譜分成若干頻段n每個節(jié)點分配固定頻段n在頻段不用時該部分信道被閑置和浪費frequency bands第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日225.3 多址訪問協(xié)議n隨機訪問協(xié)議隨機訪問協(xié)議q當節(jié)點有數(shù)據(jù)發(fā)送時n以信道全部速率R傳輸n沒有主節(jié)點起協(xié)調作用q兩個或多個節(jié)點傳送時碰撞q隨機訪問協(xié)議解決n如何檢測碰撞n如何從碰撞中恢復（如：延時后重傳）q隨機訪問協(xié)議舉例：nALOHA、時隙ALOHAnCSMA, CSMA/CD, CSMA/CA第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日235.3 多址訪問協(xié)議nALOHAqALO

12、HA的由來nALOHA 乃Additive Link On-Line HAwaii system簡寫，ALOHA恰好還是夏威夷方言的“你好”。ALOHA網(wǎng)是計算機網(wǎng)絡早期發(fā)展中一個著名的網(wǎng)絡，也是第一個無線計算機網(wǎng)絡，現(xiàn)仍在運行之中。qALOHA網(wǎng)的特征n因群島位置的散布，網(wǎng)絡拓撲采用了星型結構；n為節(jié)省費用和易于組網(wǎng)，網(wǎng)絡中各站點的通信采用了無線傳輸介質。n由于采用無線電信道，考慮到無法申請更多的頻率點，因而所有站點都使用統(tǒng)一的頻率通過主機交換信息。 接口接口 ALOHAALOHA 系統(tǒng)的一般模型系統(tǒng)的一般模型 站站 1 站站 2 站站 n-1 站站 n 總線信道總線信道 第五章 鏈路層和局

13、域網(wǎng)2022年5月16日245.3 多址訪問協(xié)議n純純ALOHA站站 1 t 站站 2 t 站站 N N- -1 1 t 站站 N N t 1 2 3 4 5 6 7 t 純純 A AL LO OH HA A 系系 統(tǒng)統(tǒng) 的的 工工 作作 原原 理理 1 2 3 4 5 6 7 沖沖突突 重重發(fā)發(fā) 沖沖突突 重重發(fā)發(fā) 沖沖突突 再再重重發(fā)發(fā) 發(fā)發(fā)送送成成功功 沖沖突突 重重發(fā)發(fā) 發(fā)發(fā)送送成成功功 發(fā)發(fā)送送成成功功 T0 T0 T0 第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日255.3 多址訪問協(xié)議n純純ALOHA的工作效率的工作效率P(給定節(jié)點成功概率) = P(給定節(jié)點傳送) . P(在 t

14、0-1,t0沒有其它節(jié)點傳送 ). P(在 t0,t0+1沒有其它節(jié)點傳送) = p . (1-p)N-1 . (1-p)N-1 = p . (1-p)2(N-1) 選擇最合適p,n趨于無窮，取極限. = 1/(2e) = 0.18 第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日265.3 多址訪問協(xié)議n時隙時隙ALOHA第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日275.3 多址訪問協(xié)議n時隙時隙ALOHA的工作效率的工作效率 P(給定節(jié)點成功概率) = P(給定節(jié)點傳送) . P(沒有其它節(jié)點傳送 ) = p . (1-p)N-1 選擇最合適p,n趨于無窮，取極限. = 1/e = 0.37 第

15、五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日285.3 多址訪問協(xié)議nCSMA(Carrier Sense Multiple Access)q傳輸前監(jiān)聽n如果信道空閑，傳送整個幀n如果信道忙，推遲傳送q為人處事的規(guī)則之一: 不要打斷別人的發(fā)言!第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日295.3 多址訪問協(xié)議nCSMA分類分類q非堅持(nonpersistent)CSMA 一旦監(jiān)聽到信道忙（即發(fā)現(xiàn)有其他站在發(fā)送數(shù)據(jù)），就不再堅持聽下去，而是根據(jù)協(xié)議的算法延遲一個隨機的時間后重新再監(jiān)聽。若進行載波監(jiān)聽時發(fā)現(xiàn)信道空閑，則將準備好的幀發(fā)送出去。q時隙非堅持CSMA 采用劃分時隙的隨機接入CSMA協(xié)議，協(xié)

16、議規(guī)定只能在每個時隙開始時才能發(fā)送幀。 第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日305.3 多址訪問協(xié)議nCSMA分類分類q1堅持CSMA 當一個站點要傳送數(shù)據(jù)時，首先偵聽信道，看是否有其他站點正在傳送。如果信道正忙，它就持續(xù)等待直到它偵聽到信道空閑時，便將數(shù)據(jù)送出。若發(fā)生沖突，站點就等待一個隨機長的時間，然后重新開始。qP堅持CSMA 當一個站點要傳送數(shù)據(jù)時，首先偵聽信道，看是否有其他站點正在傳送。如果信道正忙，它就持續(xù)等待直到它偵聽到信道空閑時，以概率P發(fā)送數(shù)據(jù)，而以概率（1P）延遲一段時間(網(wǎng)絡中最遠的端到端的傳播時延)，重新監(jiān)聽信道。若發(fā)生沖突，站點就等待一個隨機長的時間，然后重新開

17、始。第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日315.3 多址訪問協(xié)議nCSMA比較比較q非堅持：不能充分利用信道剛剛轉入空閑期的這段時間。q1堅持：容易在上述這段時間產(chǎn)生沖突。qP堅持：可以在一定程度上克服這些缺點，但卻很難選擇一個能用于各種通信量強度的P值。所以在實際網(wǎng)絡中常選擇1堅持。第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日325.3 多址訪問協(xié)議nCSMA/CDq在短時間內碰撞被檢測n在有線LANs中比較容易:測量信號強度，比較收、發(fā)的信號n在無線LANs中比較困難: 傳輸時接收器是關閉的q碰撞后停止傳輸，減少信道浪費 第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日331 kmABt碰撞

18、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單程端到端傳播時延記為 第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日341 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單程端到端傳播時延記為 第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日355.3 多址訪問協(xié)議q強化碰撞n當發(fā)送數(shù)據(jù)的站一旦發(fā)現(xiàn)發(fā)生了碰撞時

19、，除了立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)外，還要再繼續(xù)發(fā)送若干比特的人為干擾信號(jamming signal)，以便讓所有用戶都知道現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)生了碰撞。第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日36數(shù)據(jù)幀干擾信號 TJABTBt B 發(fā)送數(shù)據(jù)A 檢測到?jīng)_突開始沖突信道占用時間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。這里為了簡單起見，只畫出 A 發(fā)送干擾信號的情況。第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日375.3 多址訪問協(xié)議q爭用期n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)過時間 2 （兩倍的端到端往返時延）就可知道發(fā)送的數(shù)據(jù)幀是否遭受了碰撞。n以太網(wǎng)的端到端往返時延

20、2 稱為爭用期，或碰撞窗口。n經(jīng)過爭用期這段時間還沒有檢測到碰撞，才能肯定這次發(fā)送不會發(fā)生碰撞。第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日385.3 多址訪問協(xié)議n輪流協(xié)議輪流協(xié)議q問題的背景n信道劃分協(xié)議q在重負荷時，共享信道有效、公平q在輕負荷時效率低：信道訪問延時，即使只有一個活動節(jié)點，也只能分配到1/N的帶寬n隨機訪問協(xié)議q輕負荷時效率高：只有一個節(jié)點時，能充分利用信道q在重負荷下: 碰撞的開銷n輪流協(xié)議q在兩個方面尋求最佳的解決方案!第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日395.3 多址訪問協(xié)議q輪詢協(xié)議n主節(jié)點邀請從節(jié)點輪流傳輸n關注: 輪詢開銷、等待時間、單點失效(主節(jié)點)q

21、令牌傳遞協(xié)議n控制令牌依次通過各個結點n令牌報文n關注：令牌的開銷、等待時間、單點失效(token)第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日405.3 多址訪問協(xié)議n對于共享介質能做什么對于共享介質能做什么?q信道劃分，基于時間、頻率、編碼n時分，頻分q隨機劃分 (動態(tài)), nALOHA, S-ALOHA, CSMA, CSMA/CDn載波偵聽:有線“易行”、無線“困難”nCSMA/CD 用于以太網(wǎng)nCSMA/CA 用于 802.11q輪流n主節(jié)點輪詢，令牌傳遞第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日415.4 鏈路層編址nMAC地址地址q作用n在數(shù)據(jù)鏈路層標識每塊網(wǎng)絡適配器，使得能夠在廣

22、播信道上尋址目標節(jié)點q組成n48bitn前24bit由IEEE分配管理OUI號n后24bit由廠商自行分配特別注意：MAC地址燒入網(wǎng)絡適配器的ROM中，不可 更改第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日425.4 鏈路層編址q與IP地址的比較nMAC地址是平面地址，類似于身份證號 IP地址是層次地址，類似于郵政通信地址nMAC地址在不同的網(wǎng)絡間遷移時，不會改變 IP地址在不同的網(wǎng)絡間遷移時，需要改變以適應新的網(wǎng)絡配置特別注意：無線網(wǎng)絡中進行漫游時，如果在不同的網(wǎng)絡 間切換時，改變網(wǎng)絡設置，會導致連接中 斷，為維持連接正常工作，第六章將介紹無 線移動管理第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16

23、日435.4 鏈路層編址n地址解析協(xié)議（地址解析協(xié)議（ARP）q目標n根據(jù)目標的IP地址獲取其MAC地址qARP高速緩存n局域網(wǎng)節(jié)點的IP/MAC地址映射 qTTL (Time To Live):超過TTL的地址映射會被刪除 (一般為20分鐘)第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日445.4 鏈路層編址qARP協(xié)議：同一局域網(wǎng)內工作流程廣播主機Z 主機ZMAC? IPARP請求 主機Y MAC 主機Z MACARP應答主機Y主機Z第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日455.4 鏈路層編址qARP協(xié)議：同一局域網(wǎng)內工作流程n建立ARP請求包n廣播發(fā)送該ARP請求包 MAC報頭 IP報頭

24、 ARP請求報文 目標 源 目標 源 你的MAC地FF-FF-FF-FF-FF-FF 02-60-8C-01-02-03 197.15.22.126 197.15.22.33 址是什么？第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日465.4 鏈路層編址n目的197.15.22.126接收到該ARP請求包，建立包含自己MAC地址的ARP應答包（請注意，應答包和請求包的源、目標是不一致的）n直接向源197.15.22.33發(fā)送該ARP應答包n197.15.22.33更新ARP高速緩存 MAC報頭 IP報頭 ARP應答報文 目標 源 目標 源 我的MAC地02-60-8C-01-02-03 08-00

25、-02-89-90-80 197.15.22.33 197.15.22.126 址是第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日47ARP 響應AYXBZ主機 B 向 A 發(fā)送ARP 響應分組 主機 A 廣播發(fā)送ARP 請求分組 ARP 請求ARP 請求ARP 請求ARP 請求209.0.0.5209.0.0.600-00-C0-15-AD-1808-00-2B-00-EE-0A我是 209.0.0.5，硬件地址是 00-00-C0-15-AD-18我想知道主機 209.0.0.6 的硬件地址我是 209.0.0.6硬件地址是 08-00-2B-00-EE-0AAYXBZ209.0.0.5209

26、.0.0.600-00-C0-15-AD-18第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日485.4 鏈路層編址qARP協(xié)議：路由到其它LAN廣播主機Z 主機ZMAC? IPARP請求 主機Y MAC 路由器 MACARP應答路由器A主機Y主機Z第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日495.4 鏈路層編址q互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的ARP主機Y主機Z網(wǎng)絡1網(wǎng)絡3路由器1網(wǎng)絡2路由器2主機Y主機Z MAC報頭 IP報頭目標MAC地址 目標IP地址 路由器1 主機Z 源MAC地址 源IP地址 主機Y 主機Y MAC報頭 IP報頭目標MAC地址 目標IP地址 路由器2 主機Z 源MAC地址 源IP地址 路由器

27、1 主機Y MAC報頭 IP報頭目標MAC地址 目標IP地址 主機Z 主機Z 源MAC地址 源IP地址 路由器2 主機Y第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日505.5 以太網(wǎng)n以太網(wǎng)概述以太網(wǎng)概述q20世紀70年代由Bob Matcalfe和David Boggs發(fā)明q最先被廣泛應用的局域網(wǎng)技術q便宜q速度：10Mbps-100Mbps-1Gbps-10Gbps第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日515.5 以太網(wǎng)n以太網(wǎng)類型以太網(wǎng)類型q總線式以太網(wǎng)B向 D發(fā)送數(shù)據(jù) C D A E匹配電阻（用來吸收總線上傳播的信號）匹配電阻不接受不接受不接受接受B只有 D 接受B 發(fā)送的數(shù)據(jù)第五章

28、 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日525.5 以太網(wǎng)q交換式以太網(wǎng)集線器或交換機第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日535.5 以太網(wǎng)n以太網(wǎng)的幀結構以太網(wǎng)的幀結構q數(shù)據(jù)字段:（46字節(jié)，1500字節(jié)）q前同步碼: n總共8字節(jié)，前7 字節(jié)的格式為 10101010 ，最后一個字節(jié)格式為10101011n 用于同步發(fā)送方與接收方時鐘前同步碼目的地址源地址類型數(shù)據(jù)第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日545.5 以太網(wǎng)q地址: 6 字節(jié)n若適配器收到以太網(wǎng)幀，目的地址為自己的MAC地址或廣播地址（如ARP包），就將幀中的數(shù)據(jù)傳給網(wǎng)絡層。n否則，適配器丟棄該幀q類型: 上層協(xié)議類型 (

29、大多為IP協(xié)議，也支持其它協(xié)議如Novell IPX 和AppleTalk)qCRC: 由接收方檢查,若檢測到錯誤，就將該幀丟棄前同步碼目的地址源地址類型數(shù)據(jù)第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日555.5 以太網(wǎng)n以太網(wǎng)提供的服務以太網(wǎng)提供的服務q無連接服務: 在送適配器和接收適配器之間不需要握手q不可靠服務: 接收適配器不發(fā)送確認幀或否認幀給發(fā)送方n交給網(wǎng)絡層的數(shù)據(jù)報可能存在間隙n若應用使用TCP，間隙會被填充n否則，應用就會看見間隙第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日565.5 以太網(wǎng)n以太網(wǎng)使用的以太網(wǎng)使用的CSMA/CDq特點n沒有時隙n當適配器偵聽到其它適配器在傳輸，則它

30、不傳輸幀, 即載波偵聽n正在傳輸?shù)倪m配器若檢測到其它適配器也在傳輸，則它中止自己的傳輸, 即碰撞檢測n在重新傳輸之前，適配器要等待一段隨機時間，即隨機訪問第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日575.5 以太網(wǎng)q算法n適配器收到來自網(wǎng)絡層的數(shù)據(jù)報，創(chuàng)建幀n若適配器檢測到信道空閑，則開始傳輸幀；若檢測到信道忙，就開始等待，直到信道空閑再開始傳輸該幀n若適配器傳輸了整個幀而沒有檢測到其它適配器的傳輸，則該適配器完成該幀的傳輸n若適配器在傳輸時檢測到其它適配器也在傳輸，則停止傳輸，發(fā)送擁塞信號n中止傳輸后，適配器進入指數(shù)回退階段，在經(jīng)歷第m次碰撞后，適配器隨機從0,1,2,2m-1中選擇K值。適

31、配器在等待 K512比特時間后，返回第2步第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日585.5 以太網(wǎng)q幾個定義n擁塞信號: 用來確保所有傳輸者都能檢測到碰撞而傳輸?shù)男盘枺?8比特長n比特時間: 傳輸1比特所需時間。在10Mbps的以太網(wǎng)中，當K=1023時，等待時間大約為50ms第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日595.5 以太網(wǎng)q指數(shù)回退算法 n目的: 適配器重傳時試圖估計正確的負載q重載: 隨機等待的時間可能會更長n第一次碰撞: 從 0,1中選擇K; 延遲是 K 512 比特傳輸時間n第二次碰撞后: 從 0,1,2, 3中選擇Kn第十次碰撞后: 從 0,1,2,3,4,1023中

32、選擇K第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日605.5 以太網(wǎng)q重要特性n使用 CSMA/CD 協(xié)議的以太網(wǎng)不能進行全雙工通信而只能進行雙向交替通信（半雙工通信）。n每個站在發(fā)送數(shù)據(jù)之后的一小段時間內，存在著遭遇碰撞的可能性。 n這種發(fā)送的不確定性使整個以太網(wǎng)的平均通信量遠小于以太網(wǎng)的最高數(shù)據(jù)率。第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日615.5 以太網(wǎng)q爭用期長度n以太網(wǎng)取 51.2 s 為爭用期的長度。n對于 10 Mb/s 以太網(wǎng)，在爭用期內可發(fā)送512 bit，即 64 字節(jié)。n以太網(wǎng)在發(fā)送數(shù)據(jù)時，若前 64 字節(jié)沒有發(fā)生碰撞，則后續(xù)的數(shù)據(jù)就不會發(fā)生碰撞。q最短有效幀長n如果發(fā)生

33、碰撞，就一定是在發(fā)送的前 64 字節(jié)之內。 n由于一檢測到碰撞就立即中止發(fā)送，這時已經(jīng)發(fā)送出去的數(shù)據(jù)一定小于 64 字節(jié)。 n以太網(wǎng)規(guī)定了最短有效幀長為 64 字節(jié)，凡長度小于 64 字節(jié)的幀都是由于沖突而異常中止的無效幀。 第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日625.5 以太網(wǎng)n傳統(tǒng)以太網(wǎng)的物理層傳統(tǒng)以太網(wǎng)的物理層10BASE5粗纜10BASE2細纜10BASE-T雙絞線10BASE-F光纜以太網(wǎng)媒體接入控制 MAC第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日635.5 以太網(wǎng)q10BaseT and 100BaseTn10、100代表速率nT 代表雙絞線（Twisted Pair）n節(jié)

34、點連接到集線器: “星形拓撲”; 在節(jié)點和集線器之間的最大距離為100 米twisted pairhub第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日645.5 以太網(wǎng)q10Base5第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日655.5 以太網(wǎng)q10Base2第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日665.5 以太網(wǎng)n信號編碼q曼徹斯特編碼010011010NRZ曼徹斯特第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日675.5 以太網(wǎng)q差分曼徹斯特編碼010011010NRZ差分曼徹斯特第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日685.5 以太網(wǎng)n集線器集線器q集線器本質上是物理層的中繼器:q從一個

35、接口收到的比特流會傳給其它所有接口q同樣速率q沒有幀緩存q集線器沒有 CSMA/CD : 由適配器檢測碰撞q提供網(wǎng)絡管理功能第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日695.5 以太網(wǎng)n吉比特以太網(wǎng)吉比特以太網(wǎng)q使用標準以太網(wǎng)幀格式q允許點對點鏈路和共享的廣播信道q共享信道時, 使用CSMA/CD; 為了得到可接受的效率，節(jié)點之間的距離要短q對于點到點鏈路，可以以1Gbps的速率全雙工工作q現(xiàn)在已經(jīng)達到10 Gbps !第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日705.6 互聯(lián) : 集線器和交換機n集線器（或轉發(fā)器）互聯(lián)集線器（或轉發(fā)器）互聯(lián)q主干集線器將LAN網(wǎng)段互聯(lián)起來q擴展了節(jié)點間的最大

36、距離q原先獨立的網(wǎng)段碰撞域變成了一個大的碰撞域q不能將10BaseT 和 100BaseT以太網(wǎng)互聯(lián)10BaseT集線器10BaseT集線器10BaseT集線器主干集線器第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日715.6 互聯(lián) : 集線器和交換機n網(wǎng)橋互聯(lián)網(wǎng)橋互聯(lián)q網(wǎng)橋（Bridge）實質上就是一種存儲轉發(fā)設備，用來實現(xiàn)MAC層的LAN互連第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日725.6 互聯(lián) : 集線器和交換機q網(wǎng)橋的概念結構網(wǎng)橋站表站地址 端口MAC1MAC2MAC3MAC4MAC5MAC6111222端口管理軟件網(wǎng)橋協(xié)議實體端口1緩存端口212網(wǎng)橋21網(wǎng)段B網(wǎng)段AH1H2H4H3H

37、6H5MAC1 MAC2 MAC3MAC4 MAC5 MAC6第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日735.6 互聯(lián) : 集線器和交換機q網(wǎng)橋的工作原理n不斷監(jiān)聽各端口是否有信號n收到無差錯的幀則緩存，反之將差錯幀丟棄n若所收幀的目的MAC地址屬另一網(wǎng)段，則通過站表決定向何端口轉發(fā)n網(wǎng)橋不轉發(fā)同一網(wǎng)段內通信的幀n網(wǎng)橋不修改所轉發(fā)的幀的源地址第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日745.6 互聯(lián) : 集線器和交換機q網(wǎng)橋的優(yōu)勢n過濾通信量n擴大了局域網(wǎng)的物理范圍n提高了可靠性n可互連不同物理層、不同MAC子層和不同速率的局域網(wǎng)第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日755.6 互聯(lián) :

38、 集線器和交換機q網(wǎng)橋的缺點n由于要接收和轉發(fā)，增加了時延nMAC子層沒有流量控制功能，網(wǎng)絡負荷重時，網(wǎng)橋緩存空間可能發(fā)生溢出，產(chǎn)生幀丟失現(xiàn)象n不同MAC子層的網(wǎng)段橋接時，在轉發(fā)幀之前要修改幀的某些字段，這也需要耗費時間n出現(xiàn)廣播風暴。網(wǎng)橋只適合用戶少于幾百個和通信量不太大的局域網(wǎng)，否則有時會因傳播過多廣播信息而產(chǎn)生網(wǎng)絡擁塞第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日765.6 互聯(lián) : 集線器和交換機q網(wǎng)橋和集線器的區(qū)別n集線器只是將網(wǎng)絡的覆蓋距離簡單的延長，而且距離有限，具體實現(xiàn)在物理層；網(wǎng)橋不僅具有將LAN的覆蓋距離延長的作用，而且理論上可做到無限延長，具體實現(xiàn)在MAC層。n集線器僅具有簡

39、單的信號整形和放大的功能；網(wǎng)橋則屬于一種智能互連設備，它主要提供信號的存儲/轉發(fā)、數(shù)據(jù)過濾、路由選擇等能力。n集線器僅是一種硬設備，而網(wǎng)橋既包括硬件又包括軟件。 n集線器僅只能互連同類LAN，而網(wǎng)橋可支持不同類型的LAN互連。第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日775.6 互聯(lián) : 集線器和交換機q透明網(wǎng)橋n這里所謂這里所謂“透明透明”是指是指局域網(wǎng)上的每個站并不知道局域網(wǎng)上的每個站并不知道所發(fā)送的幀將經(jīng)過哪幾個網(wǎng)橋所發(fā)送的幀將經(jīng)過哪幾個網(wǎng)橋，即，即網(wǎng)橋對各站來說網(wǎng)橋對各站來說是看不見的是看不見的第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日785.6 互聯(lián) : 集線器和交換機q透明網(wǎng)橋選路

40、原理 從端口x收到幀，有差錯則丟棄，否則在站表中查找目的站MAC地址； 找到有，則取出相應的端口d，轉，否則轉； 如果所給MAC地址的端口d=x，則丟棄此幀（不需要轉發(fā)），否則從端口d轉發(fā)此幀； 轉到； 向網(wǎng)橋除x以外的所有端口轉發(fā)此幀（可保證找到目的站） 如源站不在站表中，則將源站MAC地址寫入站表，登記該幀進入網(wǎng)橋的端口號和時間，設置計時器，然后轉。否則轉； 更新計時器（由于網(wǎng)絡拓撲經(jīng)常變化，因此，超時記錄要刪除，以反映最新狀態(tài)）； 等待新的數(shù)據(jù)幀。轉第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日795.6 互聯(lián) : 集線器和交換機q透明網(wǎng)橋存在的問題兜圈子F1FF2局域網(wǎng)2局域網(wǎng)1網(wǎng)橋2網(wǎng)橋

41、1不停地兜圈子A發(fā)出的幀A網(wǎng)橋1轉發(fā)的幀網(wǎng)橋2轉發(fā)的幀第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日805.6 互聯(lián) : 集線器和交換機q解決方案支撐樹算法n互連在一起的網(wǎng)橋彼此通信后，就能找出原來的網(wǎng)絡拓撲的一個子集，在這個子集里整個連通的網(wǎng)絡中不存在回路。一旦支撐樹確定了網(wǎng)橋就會將某些端口斷開，以確保從原來的拓撲得出一個支撐樹n支撐樹算法選擇一個網(wǎng)橋為樹的根，然后以最短路徑為依據(jù)，找到樹上的每一個結點n為了讓支撐樹能反映網(wǎng)絡拓撲的變化，每隔幾秒鐘每個網(wǎng)橋要廣播其標識號，和它所知道的所有其他網(wǎng)橋 缺點：互連局域網(wǎng)數(shù)目非常大時，支撐樹算法可能花很 多時間。第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日815.6 互聯(lián) : 集線器和交換機n以太網(wǎng)交換機以太網(wǎng)交換機多端口網(wǎng)橋多端口網(wǎng)橋q鏈路層設備n存儲和轉發(fā)以太網(wǎng)幀n檢查幀頭部，根據(jù)目的MAC地址轉發(fā)幀n當幀轉發(fā)到LAN網(wǎng)段, 用CSMA/CD 訪問 LAN網(wǎng)段q透明n主機不知道交換機的存在q即插即用, 自學習n交換機不需配置q直通交換: 幀從入端口轉發(fā)到出端口不需收集整個幀n能少量減少延遲q共享/專用的、10/100/1000Mbps接口的結合第五章 鏈路層和局域網(wǎng)2022年5月16日825.6 互聯(lián) : 集線器和交換機n以太網(wǎng)交換機以太網(wǎng)交換機 vs 路由器路由器q兩者都是存儲轉發(fā)設備n路由器：網(wǎng)絡層設備 (檢查網(wǎng)絡層頭部)