計算機網(wǎng)絡 數(shù)據(jù)鏈路層

計算機網(wǎng)絡數(shù)據(jù)鏈路層第一頁，共214頁。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

3.1.1數(shù)據(jù)鏈路和幀

3.1.2三個基本問題3.2點對點協(xié)議PPP 3.2.1PPP協(xié)議的特點

3.2.2PPP協(xié)議的幀格式

3.2.3PPP協(xié)議的工作狀態(tài)第二頁，共214頁。第3章數(shù)據(jù)鏈路層（續(xù)）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

3.3.2CSMA/CD協(xié)議3.4使用廣播信道的以太網(wǎng)

3.4.1使用集線器的星形拓撲

3.4.2以太網(wǎng)的信道利用率

3.4.3以太網(wǎng)的MAC層第三頁，共214頁。第3章數(shù)據(jù)鏈路層（續(xù)）3.5擴展的以太網(wǎng)

3.5.1在物理層擴展以太網(wǎng)

3.5.2在數(shù)據(jù)鏈路層擴展以太網(wǎng)3.6高速以太網(wǎng)

3.6.1100BASE-T以太網(wǎng)

3.6.2吉比特以太網(wǎng)

3.6.310吉比特以太網(wǎng)

3.6.4使用高速以太網(wǎng)進行寬帶接入3.7其他類型的高速局域網(wǎng)接口第四頁，共214頁。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(diào)這些主機的數(shù)據(jù)發(fā)送。第五頁，共214頁。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)的流動第六頁，共214頁。數(shù)據(jù)鏈路層的簡單模型(續(xù)）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僅從數(shù)據(jù)鏈路層觀察幀的流動第七頁，共214頁。3.1使用點對點信道的數(shù)據(jù)鏈路層

3.1.1數(shù)據(jù)鏈路和幀

鏈路(link)是一條無源的點到點的物理線路，中間沒有任何其他的交換結(jié)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(gòu)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。

第八頁，共214頁。IP數(shù)據(jù)報1010……0110幀取出數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡層鏈路結(jié)點A結(jié)點B物理層數(shù)據(jù)鏈路層結(jié)點A結(jié)點B幀(a)(b)發(fā)送幀接收鏈路IP數(shù)據(jù)報1010……0110幀裝入數(shù)據(jù)鏈路層傳送的是幀第九頁，共214頁。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)。因此在數(shù)據(jù)鏈路層，規(guī)程和協(xié)議是同義語。結(jié)點結(jié)點幀幀第十頁，共214頁。3.1.2三個基本問題(1)封裝成幀(2)透明傳輸(3)差錯控制第十一頁，共214頁。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(gòu)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。

幀結(jié)束幀首部IP數(shù)據(jù)報幀的數(shù)據(jù)部分幀尾部MTU數(shù)據(jù)鏈路層的幀長開始發(fā)送幀開始第十二頁，共214頁。用控制字符進行幀定界的方法舉例SOH裝在幀中的數(shù)據(jù)部分幀幀開始符幀結(jié)束符發(fā)送在前EOT第十三頁，共214頁。2.透明傳輸透明傳輸是數(shù)據(jù)鏈路層提供的重要功能之一，指的是接收方應當能從接收到的二進制比特流中準確地判斷出一個幀開始和結(jié)束的位置。常用的方法有字節(jié)計數(shù)法帶字符填充的首尾定界符法(字符填充法)帶比特填充的首尾標志法（比特填充法）第十四頁，共214頁。透明傳輸SOHEOT出現(xiàn)了“EOT”被接收端當作無效幀而丟棄被接收端誤認為是一個幀數(shù)據(jù)部分EOT完整的幀發(fā)送在前第十五頁，共214頁。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(zhuǎn)義字符“ESC”(其十六進制編碼是1B)。字節(jié)填充(bytestuffing)或字符填充(characterstuffing)——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(zhuǎn)義字符。如果轉(zhuǎn)義字符也出現(xiàn)數(shù)據(jù)當中，那么應在轉(zhuǎn)義字符前面插入一個轉(zhuǎn)義字符。當接收端收到連續(xù)的兩個轉(zhuǎn)義字符時，就刪除其中前面的一個。第十六頁，共214頁。SOHSOHEOTSOHESCESCEOTESCSOHESCESCESCSOH原始數(shù)據(jù)EOTEOT經(jīng)過字節(jié)填充后發(fā)送的數(shù)據(jù)字節(jié)填充字節(jié)填充字節(jié)填充字節(jié)填充發(fā)送在前幀開始符幀結(jié)束符用字節(jié)填充法解決透明傳輸?shù)膯栴}SOH第十七頁，共214頁。字節(jié)計數(shù)法字節(jié)計數(shù)法以一個特殊字符表示一幀的起始，并以一個專門字段來標明幀內(nèi)傳送有效數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)；接受方可以通過對該特殊字符的識別從比特流中區(qū)分出幀的起始，并從專門字段中獲知該幀中隨后的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，從而可確定出幀的終止位置；由于采用字節(jié)計數(shù)法來確定幀的終止邊界不會引起數(shù)據(jù)及其他信息的混淆，因而不必采用任何措施便可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明性，即任何數(shù)據(jù)均可不受限制的傳輸。第十八頁，共214頁。字節(jié)計數(shù)法第十九頁，共214頁。字符填充法帶字符填充的首尾定界符法適用一些特定的字符來定界幀的起始與終止；需要依賴于所采用的字符編碼集，兼容性比較差。第二十頁，共214頁。比特填充法帶比特填充的首尾標志法使用一組特定的比特序列來標志一幀的起始與終止（）；不依賴于認識字符編碼集；應用較為廣泛。(a)Theoriginaldata.(b)Thedataastheyappearontheline.(c)Thedataastheyarestoredinreceiver’smemoryafterdestuffing.第二十一頁，共214頁。3.差錯檢測傳輸差錯—

通過通信信道后接收的數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)不一致的現(xiàn)象;在傳輸過程中可能會產(chǎn)生比特差錯：1可能會變成0而0也可能變成1。差錯控制—

檢查是否出現(xiàn)差錯以及如何糾正差錯；通信信道的噪聲分為兩類：熱噪聲和沖擊噪聲；熱噪聲引起的差錯是隨機差錯，或隨機錯；沖擊噪聲引起的差錯是突發(fā)差錯，或突發(fā)錯；在通信過程中產(chǎn)生的傳輸差錯，是由隨機差錯與突發(fā)差錯共同構(gòu)成的。第二十二頁，共214頁。傳輸差錯

產(chǎn)生過程第二十三頁，共214頁。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0而0也可能變成1。在一段時間內(nèi)，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)目煽啃裕谟嬎銠C網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)時，必須采用各種差錯檢測措施。第二十四頁，共214頁。檢錯碼與糾錯碼

檢錯碼:

分組僅包含足以使接收端發(fā)現(xiàn)差錯的冗余信息；接收端能發(fā)現(xiàn)出錯，但不能確定哪一比特是錯的，并且自己不能糾正傳輸差錯。特點：不能自動糾錯，但原理簡單，實現(xiàn)容易，編碼與解碼速度快。糾錯碼：每個傳輸?shù)姆纸M帶上足夠的冗余信息；接收端能發(fā)現(xiàn)并自動糾正傳輸差錯。特點：能自動糾錯，但實現(xiàn)困難，一般通信場合不采用。第二十五頁，共214頁。常用的檢錯碼奇偶校驗碼

垂直奇（偶）校驗水平奇（偶）校驗水平垂直奇（偶）校驗（方陣碼）

只用于通信要求較低的環(huán)境循環(huán)冗余編碼CRC

目前應用最廣的檢錯碼編碼方法之一第二十六頁，共214頁。奇偶校驗碼垂直奇偶校驗碼水平奇偶校驗碼I11 I12…

I1qI21 I22…

I2q… … ….Ip1 Ip2…

Ipq r1 r2

…rq信息位冗余位

奇校驗:ri=I1i

I2i

…

Ipi

1偶校驗:

ri=I1i

I2i

…

Ipi第二十七頁，共214頁。循環(huán)冗余檢驗的原理在數(shù)據(jù)鏈路層傳送的幀中，廣泛使用了循環(huán)冗余檢驗CRC的檢錯技術。在發(fā)送端，先把數(shù)據(jù)劃分為組。假定每組k個比特。假設待傳送的一組數(shù)據(jù)M=101001（現(xiàn)在k=6）。我們在M的后面再添加供差錯檢測用的n

位冗余碼一起發(fā)送。第二十八頁，共214頁。冗余碼的計算用二進制的模

2

運算進行2n乘M的運算，這相當于在M后面添加n個0。得到的(k+n)位的數(shù)除以事先選定好的長度為(n+1)位的除數(shù)

P，得出商是Q而余數(shù)是R，余數(shù)R比除數(shù)P少1位，即R是n

位。第二十九頁，共214頁。冗余碼的計算舉例現(xiàn)在

k=6,M=101001。設

n=3,除數(shù)

P=1101，被除數(shù)是2nM=101001000。模2運算的結(jié)果是：商

Q=110101，

余數(shù)

R=001。把余數(shù)R作為冗余碼添加在數(shù)據(jù)M的后面發(fā)送出去。發(fā)送的數(shù)據(jù)是：2nM+R

即：101001001，共(k+n)位。第三十頁，共214頁。

110101

←

Q

(商)P(除數(shù))→

1101101001000

←

2nM(被除數(shù))

1101

1110

1101

0111

0000

1110

1101

0110

0000

1100

1101

001←R(余數(shù))，作為FCS

循環(huán)冗余檢驗的原理說明第三十一頁，共214頁。幀檢驗序列FCS在數(shù)據(jù)后面添加上的冗余碼稱為幀檢驗序列

FCS(FrameCheckSequence)。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。

第三十二頁，共214頁。接收端對收到的每一幀進行CRC檢驗(1)若得出的余數(shù)R=0，則判定這個幀沒有差錯，就接受(accept)。(2)若余數(shù)R

0，則判定這個幀有差錯，就丟棄。但這種檢測方法并不能確定究竟是哪一個或哪幾個比特出現(xiàn)了差錯。只要經(jīng)過嚴格的挑選，并使用位數(shù)足夠多的除數(shù)

P，那么出現(xiàn)檢測不到的差錯的概率就很小很小。第三十三頁，共214頁。CRC校驗碼的檢錯能力CRC校驗碼能檢查出全部單個錯；CRC校驗碼能檢查出全部離散的二位錯；CRC校驗碼能檢查出全部奇數(shù)個錯；CRC校驗碼能檢查出全部長度小于或等于K位的突發(fā)錯；CRC校驗碼能以[1-（1/2）K-1]的概率檢查出長度為（K+1）位的突發(fā)錯；如果K=16，則該CRC校驗碼能全部檢查出小于或等于16位的所有的突發(fā)差錯，并能以1-（1/2）16-1=99.997％的概率檢查出長度為17位的突發(fā)錯，漏檢概率為0.003%；第三十四頁，共214頁。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)。“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。第三十五頁，共214頁。常用的糾錯碼——海明碼求校驗位數(shù)：一個碼字有m個信息位，r個校驗位，能糾正所有的單比特錯，根據(jù)要求(m+r+1)≤2r，即可得出r的下界值放置校驗位：從左邊開始，編號為2的冪次方的位為校驗位，其它為數(shù)據(jù)位。展開編號：將各個編號寫成2的冪次方的和，只有出現(xiàn)在k的展開式中的這些校驗位才校驗位置k上的數(shù)據(jù)位。每個校驗位都迫使某一組比特位的1的個數(shù)為偶數(shù)或奇數(shù)。第三十六頁，共214頁。海明碼中的奇偶校驗規(guī)則1=12=23=1+24=45=1+46=2+47=1+2+48=89=1+810=2+811=1+2+812＝4+8校驗位被校驗位

1->1357911

2->23671011

4->456712

8->89101112第三十七頁，共214頁。第三十八頁，共214頁。第三十九頁，共214頁。第四十頁，共214頁。補充：差錯控制機制

反饋重發(fā)第四十一頁，共214頁。差錯控制如何確保所有的幀最終都被遞交給目標機器上的網(wǎng)絡層，并且保持正確的順序。確?？煽刻峤坏某Ｓ梅椒ㄊ窍虬l(fā)送方提供一些有關線路另一端狀況的反饋信息——肯定確認（ACK）或否定確認（NAK）幀丟失，則發(fā)送方將永遠等待下去——定時器若接收端接收了重復的幀，將多次向網(wǎng)絡層遞交——序列號第四十二頁，共214頁。反饋重發(fā)機制的分類1、停止等待ARQ協(xié)議

一種最簡單的差錯控制和流量控制協(xié)議。特點：一次發(fā)送一個數(shù)據(jù)幀后，便停止發(fā)送，等待接收端的響應幀。第四十三頁，共214頁。A.正常情況（無數(shù)據(jù)差錯）1、A發(fā)送一個數(shù)據(jù)幀；2、B收到一個正確數(shù)據(jù)幀，送主機B；3、向A送一個確認幀ACK；tDATAACKDATAABB收到正確幀送主機B停止等待ARQ協(xié)議的四種情況第四十四頁，共214頁。B、數(shù)據(jù)幀出錯A發(fā)送；B收到出錯幀；B向A發(fā)送否認幀NAK，通知A重發(fā)；A重發(fā)。DATA0NAKDATA0ACK431B收到出錯幀數(shù)據(jù)幀出錯!第四十五頁，共214頁。C.數(shù)據(jù)幀丟失A發(fā)送，在發(fā)送途中該數(shù)據(jù)幀丟失;當然，B也不會向A發(fā)送任何應答幀，如果A要等待B的應答信息，那么就會永遠等待下去;這種情況稱為“死鎖”;要解決這一問題，可在A發(fā)送完一個數(shù)據(jù)幀后，就啟動一個超時定時器。第四十六頁，共214頁。

由于鏈路上的干擾嚴重發(fā)生數(shù)據(jù)丟失，若在Tout的時間內(nèi)仍然收不到B的任何應答，則A重發(fā)這一數(shù)據(jù)幀DATA0DATA0ACK41數(shù)據(jù)幀丟失!ABTout第四十七頁，共214頁。D.應答幀丟失重發(fā)!重復幀丟掉DATA0DATA0ACK應答幀丟失!ABTout

解決方法:每一數(shù)據(jù)幀帶上發(fā)送序號第四十八頁，共214頁。ABL/C2R停止等待協(xié)議的信道利用率：1、C為信道容量（b/s);2、L為數(shù)據(jù)長度(bit);3、R為傳播時延(s);4、設發(fā)送ACK時間很短；即有效利用率為：U=L/CL/C+2R停止等待ARQ協(xié)議優(yōu)缺點：優(yōu)點：比較簡單缺點：通信信道的利用率不高第四十九頁，共214頁。停等協(xié)議的運行傳輸分組的第一個比特,t=0發(fā)送方接收方RTT

傳輸分組的最后一個比特,t=L/R分組第一個比特到達傳輸最后一個比特到達,發(fā)送ACKACK到達，發(fā)送下一個分組,t=RTT+L/R第五十頁，共214頁。流水線協(xié)議:增加利用率傳輸?shù)谝粋€分組比特,t=0發(fā)送者接收者RTT傳輸最后一個比特,t=L/R第一個分組比特到達分組最后一個比特到達,發(fā)送ACKACK到達,發(fā)送下一個分組,t=RTT+L/R第二個分組最后比特到達,發(fā)送ACK第三個分組最后比特到達,發(fā)送ACK利用率增加3倍!第五十一頁，共214頁。2、連續(xù)ARQ協(xié)議允許一次連續(xù)發(fā)送若干個數(shù)據(jù)幀，即不用等待前一個幀被確認便可發(fā)送下一幀，這樣減少了等待時間，提高了鏈路的利用率。數(shù)據(jù)幀出錯或丟失所以要重傳，這要求發(fā)送端有一個較大的緩沖區(qū)，以保存已發(fā)送過但沒有被確認的數(shù)據(jù)幀的拷貝。兩種方法拉回方式選擇重發(fā)方式第五十二頁，共214頁。A、拉回方式/Go-Back-N方式發(fā)送方在收到接收方的確認之前可以連續(xù)發(fā)送多個幀，一旦收到了否定確認幀或定時器超時，則重傳錯誤幀或下一個未被肯定確認的幀以后所有各幀。盡管連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)幀提高了效率，但也可能將正確傳送到接收端的數(shù)據(jù)幀重傳一遍，這顯然又降低了效率。因此在鏈路質(zhì)量很差的情況下，由于誤碼率大，重傳次數(shù)增加，連續(xù)ARQ協(xié)議不一定優(yōu)于停止等待協(xié)議。第五十三頁，共214頁。拉回方式第五十四頁，共214頁。B、選擇重傳方式策略：出錯時只重傳出現(xiàn)差錯的幀或者定時器超時的幀。要求接收方有較大的緩沖區(qū)第五十五頁，共214頁。流量控制最常使用的流量控制機制是滑動窗口（slidingwindows）機制。所有滑動窗口協(xié)議的本質(zhì)是：在任何時刻，發(fā)送方總是維持著一組序列號，對應于允許它發(fā)送的幀，這些幀落在發(fā)送窗口之內(nèi)。接收方也維持一個接收窗口對應一組允許它接收的幀。在滑動窗口協(xié)議中，一般通過在發(fā)送方設定的發(fā)送窗口與在接收方設定的接收窗口來限制發(fā)送端發(fā)出的數(shù)據(jù)流量，從而實現(xiàn)收發(fā)雙方的流量控制。流量控制機制與差錯控制機制通常結(jié)合在一起。第五十六頁，共214頁?；瑒哟翱跈C制發(fā)送窗口中的序列號代表已發(fā)送了的但尚未確認的幀接收窗口中的序列號對應著允許接收的幀第五十七頁，共214頁。根據(jù)（發(fā)送端緩沖區(qū)；接收端處理能力；幀序號所需比特數(shù)）各種參數(shù)決定接收窗口和發(fā)送窗口的大小。拉回方式對應接收窗口大小為1；選擇重傳方式對應接收窗口的值大于1；最大值都應是序列號范圍的一半。第五十八頁，共214頁。選擇重傳:困難的問題例子:序號:0,1,2,3窗口長度=3接收方：在(a)和(b)兩種情況下接收方?jīng)]有發(fā)現(xiàn)差別!在(a)中不正確地將新的冗余的當為新的，而在(b)中不正確地將新的當作冗余的問題:

序號長度與窗口長度有什么關系?回答：窗口長度小于等于序號空間的一半第五十九頁，共214頁?？煽繑?shù)據(jù)傳輸機制及用途總結(jié)機制用途和說明檢驗和用于檢測在一個傳輸分組中的比特錯誤。定時器用于檢測超時/重傳一個分組，可能因為該分組（或其ACK）在信道中丟失了。由于當一個分組被時延但未丟失（過早超時），或當一個分組已被接收方收到但從接收方到發(fā)送方的ACK丟失時，可能產(chǎn)生超時事件，所以接收方可能會收到一個分組的多個冗余拷貝。序號用于為從發(fā)送方流向接收方的數(shù)據(jù)分組按順序編號。所接收分組的序號間的空隙可使該接收方檢測出丟失的分組。具有相同序號的分組可使接收方檢測出一個分組的冗余拷貝。確認接收方用于告訴發(fā)送方一個分組或一組分組已被正確地接收到了。確認報文通常攜帶著被確認的分組或多個分組的序號。確認可以是逐個的或累積的，這取決于協(xié)議。否定確認接收方用于告訴發(fā)送方某個分組未被正確地接收。否定確認報文通常攜帶著未被正確接收的分組的序號。窗口、流水線發(fā)送方也許被限制僅發(fā)送那些序號落在一個指定范圍內(nèi)的分組。通過允許一次發(fā)送多個分組但未被確認，發(fā)送方的利用率可在停等操作模式的基礎上得到增加。我們很快將會看到，窗口長度可根據(jù)接收方接收和緩存報文的能力或網(wǎng)絡中的擁塞程度，或兩者情況來進行設置。第六十頁，共214頁。練習信道速率為4kbps，采用停止等待協(xié)議。傳播延遲tp＝20ms，確認幀長度和處理時間均可忽略。問幀長為多少才能使信道利用率至少達到50％？一條100公里長的電纜運行在T1數(shù)據(jù)速率上。電纜的傳輸速度是真空中光速的2/3。請問電纜中可以容納多少位？第六十一頁，共214頁。3.2點對點協(xié)議PPP

3.2.1PPP協(xié)議的特點現(xiàn)在全世界使用得最多的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議是點對點協(xié)議

PPP(Point-to-PointProtocol)。用戶使用撥號電話線接入因特網(wǎng)時，一般都是使用PPP協(xié)議。第六十二頁，共214頁。用戶到ISP的鏈路使用PPP協(xié)議用戶至因特網(wǎng)已向因特網(wǎng)管理機構(gòu)申請到一批

IP地址ISP接入網(wǎng)PPP

協(xié)議第六十三頁，共214頁。1.PPP協(xié)議應滿足的需求簡單——這是首要的要求封裝成幀透明性多種網(wǎng)絡層協(xié)議多種類型鏈路差錯檢測檢測連接狀態(tài)最大傳送單元網(wǎng)絡層地址協(xié)商數(shù)據(jù)壓縮協(xié)商第六十四頁，共214頁。2.PPP協(xié)議不需要的功能糾錯流量控制序號多點線路半雙工或單工鏈路第六十五頁，共214頁。3.PPP協(xié)議的組成1992年制訂了PPP協(xié)議。經(jīng)過1993年和1994年的修訂，現(xiàn)在的PPP協(xié)議已成為因特網(wǎng)的正式標準[RFC1661]。PPP協(xié)議有三個組成部分一個將IP數(shù)據(jù)報封裝到串行鏈路的方法。鏈路控制協(xié)議

LCP(LinkControlProtocol)。網(wǎng)絡控制協(xié)議

NCP(NetworkControlProtocol)。

第六十六頁，共214頁。3.2.2PPP協(xié)議的幀格式標志字段

F

=0x7E（符號“0x”表示后面的字符是用十六進制表示。十六進制的

7E

的二進制表示是）。地址字段

A

只置為0xFF。地址字段實際上并不起作用。控制字段

C

通常置為0x03。PPP是面向字節(jié)的，所有的PPP

幀的長度都是整數(shù)字節(jié)。第六十七頁，共214頁。PPP協(xié)議的幀格式PPP有一個2個字節(jié)的協(xié)議字段。當協(xié)議字段為0x0021時，PPP幀的信息字段就是IP數(shù)據(jù)報。若為0xC021,則信息字段是PPP鏈路控制數(shù)據(jù)。若為0x8021，則表示這是網(wǎng)絡控制數(shù)據(jù)。

IP數(shù)據(jù)報1211字節(jié)12不超過1500字節(jié)PPP幀先發(fā)送7EFF03FACFCSF7E協(xié)議信息部分首部尾部第六十八頁，共214頁。PPP信息幀格式標志（flag）：地址（address）：值為“FF”（），表示網(wǎng)中所有的站都接收該幀控制（control）：值為“03”（）協(xié)議（protocol）：長度為2字節(jié)，它標識出網(wǎng)絡層協(xié)議數(shù)據(jù)域的類型。常用的網(wǎng)絡層協(xié)議的類型主要有：

0021H—TCP/IP0023H—OSI0027H—DEC數(shù)據(jù)字段：長度可變第六十九頁，共214頁。鏈路控制幀（LCP）與網(wǎng)絡控制幀（NCP）

鏈路控制幀（LCP）網(wǎng)絡控制幀（NCP）第七十頁，共214頁。透明傳輸問題當PPP用在同步傳輸鏈路時，協(xié)議規(guī)定采用硬件來完成比特填充（和HDLC的做法一樣）。當PPP用在異步傳輸時，就使用一種特殊的字符填充法。第七十一頁，共214頁。字符填充將信息字段中出現(xiàn)的每一個0x7E字節(jié)轉(zhuǎn)變成為2字節(jié)序列(0x7D,0x5E)。若信息字段中出現(xiàn)一個0x7D的字節(jié),則將其轉(zhuǎn)變成為2字節(jié)序列(0x7D,0x5D)。若信息字段中出現(xiàn)ASCII碼的控制字符（即數(shù)值小于0x20的字符），則在該字符前面要加入一個0x7D字節(jié)，同時將該字符的編碼加以改變。第七十二頁，共214頁。零比特填充PPP協(xié)議用在SONET/SDH鏈路時，是使用同步傳輸（一連串的比特連續(xù)傳送）。這時PPP協(xié)議采用零比特填充方法來實現(xiàn)透明傳輸。在發(fā)送端，只要發(fā)現(xiàn)有5個連續(xù)1，則立即填入一個0。接收端對幀中的比特流進行掃描。每當發(fā)現(xiàn)5個連續(xù)1時，就把這5個連續(xù)1后的一個0刪除，第七十三頁，共214頁。01001111101000101001001111110001010010011111010001010信息字段中出現(xiàn)了和標志字段F完全一樣的8比特組合發(fā)送端在5個連1之后填入0比特再發(fā)送出去在接收端把5個連1之后的0比特刪除會被誤認為是標志字段F發(fā)送端填入0比特接收端刪除填入的0比特零比特填充第七十四頁，共214頁。

不提供使用序號和確認

的可靠傳輸PPP協(xié)議之所以不使用序號和確認機制是出于以下的考慮：在數(shù)據(jù)鏈路層出現(xiàn)差錯的概率不大時，使用比較簡單的PPP協(xié)議較為合理。在因特網(wǎng)環(huán)境下，PPP的信息字段放入的數(shù)據(jù)是IP數(shù)據(jù)報。數(shù)據(jù)鏈路層的可靠傳輸并不能夠保證網(wǎng)絡層的傳輸也是可靠的。幀檢驗序列FCS字段可保證無差錯接受。

第七十五頁，共214頁。3.2.3PPP協(xié)議的工作狀態(tài)當用戶撥號接入ISP時，路由器的調(diào)制解調(diào)器對撥號做出確認，并建立一條物理連接。PC機向路由器發(fā)送一系列的LCP分組（封裝成多個PPP幀）。這些分組及其響應選擇一些PPP參數(shù)，和進行網(wǎng)絡層配置，NCP給新接入的PC機分配一個臨時的IP地址，使PC機成為因特網(wǎng)上的一個主機。通信完畢時，NCP釋放網(wǎng)絡層連接，收回原來分配出去的IP地址。接著，LCP釋放數(shù)據(jù)鏈路層連接。最后釋放的是物理層的連接。第七十六頁，共214頁。設備之間無鏈路鏈路靜止鏈路建立鑒別網(wǎng)絡層協(xié)議鏈路打開鏈路終止物理鏈路LCP鏈路已鑒別的LCP鏈路已鑒別的LCP鏈路和NCP鏈路物理層連接建立LCP配置協(xié)商鑒別成功或無需鑒別NCP配置協(xié)商鏈路故障或關閉請求LCP鏈路終止鑒別失敗LCP配置協(xié)商失敗第七十七頁，共214頁。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(diào)整和改變。提高了系統(tǒng)的可靠性、可用性和生存性。第七十八頁，共214頁。局域網(wǎng)的拓撲匹配電阻集線器干線耦合器總線網(wǎng)星形網(wǎng)樹形網(wǎng)環(huán)形網(wǎng)第七十九頁，共214頁。局域網(wǎng)的傳輸媒體雙絞線：便宜，主流傳輸媒體。帶寬從10Mb/s~1Gb/s同軸電纜：10Mb/s~幾百Mb/s光纖：抗電磁干擾，頻帶寬，從100Mb/s~10Gb/s。技術發(fā)展快。第八十頁，共214頁。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，如多點線路探詢(polling)，或輪詢。

第八十一頁，共214頁。

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)第八十二頁，共214頁。IEEE802委員會為局域網(wǎng)制定了一系列標準，它們統(tǒng)稱為IEEE802標準；IEEE802標準之間的關系：

第八十三頁，共214頁。IEEE802Standards第八十四頁，共214頁。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)子層媒體接入控制MAC(MediumAccessControl)子層。與接入到傳輸媒體有關的內(nèi)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第八十五頁，共214頁。局域網(wǎng)對LLC子層是透明的局域網(wǎng)網(wǎng)絡層物理層站點1網(wǎng)絡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2LLC子層看不見下面的局域網(wǎng)第八十六頁，共214頁。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。第八十七頁，共214頁。2.適配器的作用網(wǎng)絡接口板又稱為通信適配器(adapter)或網(wǎng)絡接口卡

NIC(NetworkInterfaceCard)，或“網(wǎng)卡”。適配器的重要功能：進行串行/并行轉(zhuǎn)換。對數(shù)據(jù)進行緩存。在計算機的操作系統(tǒng)中安裝設備驅(qū)動程序。實現(xiàn)以太網(wǎng)協(xié)議。

第八十八頁，共214頁。計算機通過適配器和局域網(wǎng)進行通信硬件地址至局域網(wǎng)適配器（網(wǎng)卡）串行通信CPU和存儲器生成發(fā)送的數(shù)據(jù)處理收到的數(shù)據(jù)把幀發(fā)送到局域網(wǎng)從局域網(wǎng)接收幀計算機IP地址并行通信第八十九頁，共214頁。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。3.3.2CSMA/CD協(xié)議B向

D發(fā)送數(shù)據(jù)CDAE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)第九十頁，共214頁。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（A,C和E）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。第九十一頁，共214頁。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(zhì)量很好，因信道質(zhì)量產(chǎn)生差錯的概率是很小的。

第九十二頁，共214頁。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。差錯的糾正由高層來決定。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。第九十三頁，共214頁。以太網(wǎng)發(fā)送的數(shù)據(jù)都使用

曼徹斯特(Manchester)編碼

基帶數(shù)字信號曼徹斯特編碼

碼元1111100000出現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換第九十四頁，共214頁。CSMA/CD的演化過程純ALOHA時間片ALOHACSMACSMA/CD第九十五頁，共214頁。純ALOHA幾點假設所有的站點發(fā)送的數(shù)據(jù)幀長度是固定的，發(fā)送數(shù)據(jù)幀所用的時間為常數(shù)T0系統(tǒng)中除了因數(shù)據(jù)幀碰撞引起的錯誤之外，沒有其它的差錯來源每個發(fā)送站點均以相同的泊松分布產(chǎn)生數(shù)據(jù)幀，平均產(chǎn)生速率用G表示，它是在單位時間T0內(nèi)所有發(fā)送站點產(chǎn)生的數(shù)據(jù)幀的總數(shù)的平均值在發(fā)生碰撞之后要經(jīng)過一段時間再進行重發(fā)，這段時間是隨機的、均勻分布的，且遠小于時間T0數(shù)據(jù)幀信號在傳輸介質(zhì)中傳播的時間遠小于T0，如果數(shù)據(jù)幀發(fā)生碰撞時，網(wǎng)中所有的站點均能立即發(fā)現(xiàn)沖突出錯，發(fā)送站點立即停止發(fā)送。第九十六頁，共214頁。1.工作原理ALOHA的一般模型站1站2站N-1站N總線信道接口第九十七頁，共214頁。Vulnerableperiodfortheshadedframe.第九十八頁，共214頁。1234567T0T0T0T0t347

發(fā)送成功

發(fā)送成功沖突沖突重發(fā)重發(fā)1站1發(fā)送成功6tttT025沖突沖突再重發(fā)t站2站n-1站n第九十九頁，共214頁。發(fā)送成功條件：

就是該幀與該幀前后的二個幀的到達時間間隔均大于T0。重發(fā)策略：

讓各站等待一隨機的時間，然后再進行重發(fā)。再沖突，再等待重發(fā)，直到重發(fā)成功為止。12345T0T0T0t第一百頁，共214頁。2.性能分析

（1）吞吐量S(又稱吞吐率）

等于在幀的發(fā)送時間T0內(nèi)成功發(fā)送的平均幀數(shù)。顯然,0S1而S＝1是極限情況，表明幀一個接一個地發(fā)送出去，幀與幀之間沒有空隙。由于用戶隨機發(fā)送，所以不可能實現(xiàn)。第一百零一頁，共214頁。顯然GS而只有在不發(fā)生沖突時，G=S。2、G可以遠大于1。例如，G＝10，表示在T0時間內(nèi)網(wǎng)絡共發(fā)送了10幀，這當然會導致很多的沖突。（2）網(wǎng)絡負載G

從網(wǎng)絡地角度看，G等于在T0內(nèi)總共發(fā)送的平均幀數(shù)。注意:1、這里包括發(fā)送成功的幀和因沖突未發(fā)送成功而重發(fā)的幀。G＝發(fā)送成功＋未成功第一百零二頁，共214頁。在穩(wěn)定狀態(tài)下：S=G·P[發(fā)送成功]

因為假定幀的到達服從泊松分布，所以發(fā)送成功的概率為:（3）S與G的關系第一百零三頁，共214頁。再求得吞吐量公式：這就是Abramson在1970年首次導出得著名公式。(4-23)00.51.01.52.0G0.10.1840.2(G’,S’)不穩(wěn)定區(qū)域第一百零四頁，共214頁。

當G＝0.5時，S＝0.184,這時吞吐量S可能達到得極大值。不穩(wěn)定區(qū)：（1）當G增大，S減小。（2)這就引起更多得重發(fā)，使得G進一步增大。（3）這樣得惡性循環(huán)，使得S降為0。結(jié)論：（1）在純ALOHA系統(tǒng)中，網(wǎng)絡負載G一定不能超過0.5。（2）在純ALOHA系統(tǒng)中，吞吐量的極大值為18.4％，實際上，一般S不超過10％。（為了安全起見）第一百零五頁，共214頁。時間片ALOHA純ALOHA不對站點發(fā)送數(shù)據(jù)的時間做任何約束。時間片ALOHA的思想是：將時間劃分成為一個個等長的時間片(SLOT)，記為T0，同時規(guī)定，不論幀在何時產(chǎn)生，它只能在每個時隙的開始時才能發(fā)送出去。T0幀到達發(fā)送成功發(fā)送成功沖突重發(fā)沖突重發(fā)tt第一百零六頁，共214頁。0.4000.51.01.52.02.53.0G0.100.200.30時隙ALOHA純ALOHA0.1840.368性能：S=Ge-G，當G=1時,S最大為1/e,約為0.368。結(jié)論:(1)S-ALOHA的不穩(wěn)定區(qū)位于G=1的右部

(2)S-ALOHA的最大吞吐量為0.368第一百零七頁，共214頁。CSMA載波偵聽多路訪問(CarrierSenseMultipleAccess)CSMA工作原理：是對ALOHA的一種改進，增加了硬件裝置，使得每個站在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，偵聽信道上其它各站是否在發(fā)送數(shù)據(jù)，如果無，則發(fā)送，如果有，則暫不發(fā)送，等待一段時間后重試，從而減少沖突的可能性。第一百零八頁，共214頁。CSMA的類型CSMA按檢測到信道忙之后的策略可分為：非堅持CSMA：一旦檢測到信道忙，就不再檢測；延遲一個隨機時間后再次檢測。 堅持CSMA：檢測到信道忙時，仍繼續(xù)檢測，直到信道空閑1-堅持CSMA：一旦檢測到信道空閑就立即發(fā)送數(shù)據(jù)（以概率1發(fā)送）p-堅持CSMA：兩個以上站點同時檢測到信道空閑時，以概率p發(fā)送數(shù)據(jù)，即以概率1-p延遲一段時間后再發(fā)送都可以有時間片的和非時間片的第一百零九頁，共214頁。純ALOHA、時間片ALOHA與CSMA中S與G關系的比較第一百一十頁，共214頁。CSMA/CD

CSMA/CD是對CSMA的改進：如果兩個站點都偵聽到共享傳輸介質(zhì)空閑，同時發(fā)送了數(shù)據(jù)幀，并且?guī)缀跬瑫r都檢測到?jīng)_突發(fā)生。站點一旦檢測到?jīng)_突，不是繼續(xù)發(fā)送完數(shù)據(jù)幀，而是盡快停止，迅速結(jié)束沖突幀的傳送，這種方法就是帶有沖突檢測的載波偵聽多路訪問CSMA/CD方法。Ethernet的核心技術。第一百一十一頁，共214頁。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)第一百一十二頁，共214頁。Ethernet結(jié)點

數(shù)據(jù)發(fā)送流程第一百一十三頁，共214頁。載波監(jiān)聽多點接入/碰撞檢測CSMA/CDCSMA/CD表示CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection?！岸帱c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?！拜d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?？偩€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。第一百一十四頁，共214頁。載波監(jiān)聽過程目的：檢查是否已經(jīng)有結(jié)點利用總線在發(fā)送數(shù)據(jù)。方法：總線的電平按曼徹斯特編碼規(guī)律跳變---"總線忙”,總線電平不發(fā)生跳變----”總線空閑”。第一百一十五頁，共214頁。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”。第一百一十六頁，共214頁。碰撞檢測方法比較法：將發(fā)送信號波形與接收信號波形進行比較，如果不一致，表示出現(xiàn)沖突。編碼違例判決法：判斷接收信號波形是否符合曼徹斯特編碼規(guī)律。第一百一十七頁，共214頁。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。第一百一十八頁，共214頁。電磁波在總線上的

有限傳播速率的影響當某個站監(jiān)聽到總線是空閑時，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)過一定的時間后才能傳送到B。B若在A發(fā)送的信息到達B之前發(fā)送自己的幀(因為這時B的載波監(jiān)聽檢測不到A所發(fā)送的信息)，則必然要在某個時間和A發(fā)送的幀發(fā)生碰撞。碰撞的結(jié)果是兩個幀都變得無用。第一百一十九頁，共214頁。1kmABt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單程端到端傳播時延記為

傳播時延對載波監(jiān)聽的影響第一百二十頁，共214頁。1kmABt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=ABABABt=0A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

第一百二十一頁，共214頁。重要特性使用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）。每個站在發(fā)送數(shù)據(jù)之后的一小段時間內(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。第一百二十二頁，共214頁。爭用期最先發(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。以太網(wǎng)的端到端往返時延2稱為爭用期，或碰撞窗口。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。第一百二十三頁，共214頁。二進制指數(shù)類型退避算法(truncatedbinaryexponentialtype)發(fā)生碰撞的站在停止發(fā)送數(shù)據(jù)后，要推遲（退避）一個隨機時間才能再發(fā)送數(shù)據(jù)。確定基本退避時間，一般是取為爭用期2。定義重傳次數(shù)k

，k10，即

k=Min[重傳次數(shù),10]從整數(shù)集合[0,1,…,(2k

1)]中隨機地取出一個數(shù)，記為r。重傳所需的時延就是r倍的基本退避時間。當重傳達16次仍不能成功時即丟棄該幀，并向高層報告。

第一百二十四頁，共214頁。爭用期的長度以太網(wǎng)取51.2s為爭用期的長度。對于10Mb/s以太網(wǎng)，在爭用期內(nèi)可發(fā)送512bit，即64字節(jié)。以太網(wǎng)在發(fā)送數(shù)據(jù)時，若前64字節(jié)沒有發(fā)生沖突，則后續(xù)的數(shù)據(jù)就不會發(fā)生沖突。第一百二十五頁，共214頁。最短有效幀長如果發(fā)生沖突，就一定是在發(fā)送的前64字節(jié)之內(nèi)。由于一檢測到?jīng)_突就立即中止發(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)。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。第一百二十六頁，共214頁。強化碰撞當發(fā)送數(shù)據(jù)的站一旦發(fā)現(xiàn)發(fā)生了碰撞時：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(jammingsignal)，以便讓所有用戶都知道現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)生了碰撞。

第一百二十七頁，共214頁。數(shù)據(jù)幀干擾信號TJ人為干擾信號ABTBtB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。第一百二十八頁，共214頁。幀間最小間隔為9.6s，相當于96bit的發(fā)送時間。一個站在檢測到總線開始空閑后，還要等待9.6s才能再次發(fā)送數(shù)據(jù)。這樣做是為了使剛剛收到數(shù)據(jù)幀的站的接收緩存來得及清理，做好接收下一幀的準備。幀間最小間隔第一百二十九頁，共214頁。CSMA/CD的結(jié)點工作狀態(tài)圖第一百三十頁，共214頁。3.4使用廣播信道的以太網(wǎng)

3.4.1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)第一百三十一頁，共214頁。使用集線器的雙絞線以太網(wǎng)集線器兩對雙絞線站點RJ-45插頭第一百三十二頁，共214頁。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。第一百三十三頁，共214頁。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，它為以太網(wǎng)在局域網(wǎng)中的統(tǒng)治地位奠定了牢固的基礎。第一百三十四頁，共214頁。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(zhuǎn)發(fā)器，工作在物理層。第一百三十五頁，共214頁。具有三個接口的集線器集線器網(wǎng)卡工作站網(wǎng)卡工作站網(wǎng)卡工作站雙絞線第一百三十六頁，共214頁。(5)幾種以太網(wǎng)的比較（見下表）

類型特性10BASE-510BASE-210BASE-T10BASE-FL10BASE-FB10BASE-FPIEEE規(guī)范802.3802.3a802.3i802.3i批準時間1983198819901992傳輸媒體50Ω粗同軸電纜50Ω細同軸電纜3類/5類UTP85nm光纖信號傳輸技術基帶拓撲結(jié)構(gòu)總線形星形最大網(wǎng)段長度/m50018510020002000500每段最多結(jié)點數(shù)10030-1024102433線纜直徑/mm1050.4~0.662.5/125μm第一百三十七頁，共214頁。

幾種802.3標準以太網(wǎng)IEEE802.3支持多種傳輸介質(zhì)，并為每種傳輸介質(zhì)確定了相應的物理層標準。這些物理層標準形成了IEEE802.3標準系列，如圖所示。802.3MACMAC層物理層10BASE-5粗同軸電纜10BASE-2細同軸電纜10BASE-TUTP雙絞線10BASE-F光纜10BROADS-36寬帶同軸電纜IEEE802.3標準系列第一百三十八頁，共214頁。(1)10BASE-510BASE-5所采用的傳輸介質(zhì)是50Ω基帶粗同軸電纜，所以10BASE-5又稱為粗纜以太網(wǎng)。“5”表示每一段電纜的最大長度為500M。在局域網(wǎng)布線中，粗纜一般作為干線。每個站點使用收發(fā)器電纜、收發(fā)器和粗纜連接。如下圖所示井座

接收器最大50m粗纜金屬釘收發(fā)器和電纜的連接第一百三十九頁，共214頁。(2)10BASE-210BASE-2又稱為細纜以太網(wǎng)，是作為10BASE-5的一種替代方案而制定的。每個網(wǎng)段長度較段，最長只有185M。10BASE-2的物理連接如下圖所示。站點的網(wǎng)卡具有一個BNC型接頭，連接T型連接器。BNC-T連接器

電纜端接器

該同軸電纜最大185m10BASE-2的物理連接第一百四十頁，共214頁。(3)10BASE-T“T”代表雙絞線星型網(wǎng)。10BASE-T與其他以太網(wǎng)標準有很大的不同。它采用以集線器為中心的星型拓撲結(jié)構(gòu)，使用標準的RJ-45插頭與三類或五類非屏蔽雙絞線UTP連接網(wǎng)卡和集線器。如下圖所示。為了滿足網(wǎng)絡擴展需要，可以用網(wǎng)橋或路由器將網(wǎng)絡分段。因此，10BASE-T可以適用于不斷增長的網(wǎng)絡。RJ-45接頭10Base-THub4對UTP無屏雙絞線電纜10BASE-T的物理連接第一百四十一頁，共214頁。

(4)10BASE-FP、10BASE-FL與10BASE-FB10BASE-FP、10BASE-FL與10BASE-FB是IEEE802.3物理標準中新補充的三種光纖介質(zhì)標準，傳輸速率也為10Mb/s。10BASE-FP標準定義了無源集線器（PassiveHub）連接光纖的以太網(wǎng)，其基本結(jié)構(gòu)與10BASE-T相類似，采用星型拓撲結(jié)構(gòu)，網(wǎng)卡與無線集線器之間用光纖連接起來，最大距離為500m。10BASE-FB標準將網(wǎng)卡與有源集線器（ActiveHub）之間用光纖連接起來，最大距離可達2000m。10BASE-FL標準將以太網(wǎng)中繼器的數(shù)目有最多4個擴大到6個，以便增加以太網(wǎng)的主干網(wǎng)長度。第一百四十二頁，共214頁。以太網(wǎng)的信道利用率一個幀從開始發(fā)送，經(jīng)可能發(fā)生的碰撞后，將再重傳數(shù)次，到發(fā)送成功且信道轉(zhuǎn)為空閑(即再經(jīng)過時間使得信道上無信號在傳播)時為止，是發(fā)送一幀所需的平均時間。發(fā)送成功爭用期爭用期爭用期τ2τ2τ2T0τt占用期發(fā)生碰撞發(fā)送一幀所需的平均時間…第一百四十三頁，共214頁。3.4.2以太網(wǎng)的信道利用率以太網(wǎng)的信道被占用的情況：爭用期長度為2，即端到端傳播時延的兩倍。檢測到碰撞后不發(fā)送干擾信號。幀長為L

(bit)，數(shù)據(jù)發(fā)送速率為C(b/s)，因而幀的發(fā)送時間為L/C=T0(s)。

第一百四十四頁，共214頁。參數(shù)a

要提高以太網(wǎng)的信道利用率，就必須減小與T0之比。在以太網(wǎng)中定義了參數(shù)a，它是以太網(wǎng)單程端到端時延與幀的發(fā)送時間T0之比：(3-2)a→0表示一發(fā)生碰撞就立即可以檢測出來，并立即停止發(fā)送，因而信道利用率很高。

a越大，表明爭用期所占的比例增大，每發(fā)生一次碰撞就浪費許多信道資源，使得信道利用率明顯降低。第一百四十五頁，共214頁。對以太網(wǎng)參數(shù)的要求當數(shù)據(jù)率一定時，以太網(wǎng)的連線的長度受到限制，否則的數(shù)值會太大。以太網(wǎng)的幀長不能太短，否則T0的值會太小，使a值太大。第一百四十六頁，共214頁。在理想化的情況下，以太網(wǎng)上的各站發(fā)送數(shù)據(jù)都不會產(chǎn)生碰撞（這顯然已經(jīng)不是CSMA/CD，而是需要使用一種特殊的調(diào)度方法），即總線一旦空閑就有某一個站立即發(fā)送數(shù)據(jù)。發(fā)送一幀占用線路的時間是T0+，而幀本身的發(fā)送時間是T0。于是我們可計算出理想情況下的極限信道利用率Smax為：信道利用率的最大值Smax

(3-3)第一百四十七頁，共214頁。3.4.3以太網(wǎng)的

MAC

層

1.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。第一百四十八頁，共214頁。Ethernet物理地址的十六進制與二進制的表示方法

第一百四十九頁，共214頁。48位的MAC地址IEEE的注冊管理機構(gòu)

RA負責向廠家分配地址字段的前三個字節(jié)(即高位24位)，稱為組織唯一標識符OUI，或公司標識符。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EUI-48?！癕AC地址”實際上就是適配器地址或適配器標識符EUI-48。第一百五十頁，共214頁。Ethernet物理地址

Ethernet地址→網(wǎng)絡物理地址→物理網(wǎng)絡地址;Ethernet地址=ManufactureID+NICID24bit+24bit

公司：Cisco00-00-0cNovell00-00-1B00-00-D83Com00-20-AF

02-60-8CIBM08-00-5A典型的Ethernet地址：02-60-8C-01-28-120010Ethernet地址具有惟一性，取決于你所使用的網(wǎng)卡。第一百五十一頁，共214頁。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）第一百五十二頁，共214頁。2.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。第一百五十三頁，共214頁。以太網(wǎng)MAC幀物理層MAC層110110101011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MAC幀以太網(wǎng)的MAC

幀格式第一百五十四頁，共214頁。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)報以太網(wǎng)V2的MAC幀格式目的地址字段6字節(jié)第一百五十五頁，共214頁。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)報以太網(wǎng)V2的MAC幀格式源地址字段6字節(jié)第一百五十六頁，共214頁。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)報以太網(wǎng)V2的MAC幀格式類型字段2字節(jié)類型字段用來標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協(xié)議。第一百五十七頁，共214頁。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)報以太網(wǎng)V2的MAC幀格式數(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

第一百五十八頁，共214頁。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)報以太網(wǎng)V2的MAC幀格式FCS字段4

字節(jié)當傳輸媒體的誤碼率為1108

時，MAC子層可使未檢測到的差錯小于11014。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)。第一百五十九頁，共214頁。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)報以太網(wǎng)V2的MAC幀格式110110101011前同步碼幀開始定界符7字節(jié)1字節(jié)…8字節(jié)插入在幀的前面插入的8字節(jié)中的第一個字段共7個字節(jié)，是前同步碼，用來迅速實現(xiàn)MAC幀的比特同步。第二個字段是幀開始定界符，表示后面的信息就是MAC幀。為了達到比特同步，在傳輸媒體上實際傳送的要比MAC幀還多8個字節(jié)第一百六十頁，共214頁。數(shù)據(jù)字段的長度與長度字段的值不一致；幀的長度不是整數(shù)個字節(jié)；用收到的幀檢驗序列FCS查出有差錯；數(shù)據(jù)字段的長度不在46~1500字節(jié)之間。有效的MAC幀長度為64~1518字節(jié)之間。對于檢查出的無效MAC幀就簡單地丟棄。以太網(wǎng)不負責重傳丟棄的幀。無效的MAC幀第一百六十一頁，共214頁。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(diào)制解調(diào)器連接到集線器以太網(wǎng)集線器光纖光纖調(diào)制解調(diào)器光纖調(diào)制解調(diào)器第一百六十二頁，共214頁。某大學有三個系，各自有一個局域網(wǎng)用多個集線器可連成更大的局域網(wǎng)三個獨立的碰撞域一系二系三系碰撞域碰撞域碰撞域第一百六十三頁，共214頁。用集線器組成更大的局域網(wǎng)

都在一個碰撞域中一系三系二系主干集線器一個更大的碰撞域碰撞域第一百六十四頁，共214頁。優(yōu)點使原來屬于不同碰撞域的局域網(wǎng)上的計算