ch3 数据链路层_2

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1、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 n局域网最主要的特点是：n网络为一个单位所拥有，便于管理。n地理范围和站点数目均有限，一般不涉及远 程通信。n网络速率高，传输可靠性好。n拓扑结构规整。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n局域网的主要优点n具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网 。局域网上的主机可共享连接在局域网上的各种 硬件和软件资源。 n便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可 灵活调整和改变。n提高了系统的可靠性、可用性和残存性。n局域网的技术跨越了物理层和数据链路层， 其数据链路层的内容比较丰富。n局域网关心的问题与广域

2、网有很大不同：n媒体共享技术（介质访问控制方式）媒体共享技术n静态划分信道n频分复用 时分复用 波分复用 码分复用 n动态媒体接入控制（多点接入）n随机接入n总线网n碰撞的解决方法n受控接入 ，如多点线路探询(polling)，或轮询n环网n令牌的分配以太网的两个标准 nDIX Ethernet V2 是世界上第一个局域网产品 （以太网）的规约。nIEEE 的 802.3 标准。nDIX Ethernet V2 标准与 IEEE 的 802.3 标准 只有很小的差别，因此可以将 802.3 局域网简 称为“以太网”。n严格说来，“以太网”应当是指符合 DIX Ethernet V2 标准的局域

3、网 数据链路层的两个子层 n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：n逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control)子层n媒体接入控制 MAC (Medium Access Control)子层。n与接入到传输媒体有关的内容都放在 MAC子层 ，而 LLC 子层则与传输媒体无关，不管采用何 种协议的局域网对 LLC 子层来说都是透明的 局域网对 LLC 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 LLC 子层看不见子层看不见 下面

4、的局域网下面的局域网以后一般不考虑 LLC 子层 n由于 TCP/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，因此现在 802 委员会制定的逻辑 链路控制子层 LLC（即 802.2 标准）的作 用已经不大了。n很多厂商生产的适配器上就仅装有 MAC 协 议而没有 LLC 协议。 2. 适配器的作用 n网络接口板又称为通信适配器(adapter) 或网络接口卡 NIC (Network Interface Card)，或“网卡”。 n适配器的重要功能：n进行串行/并行转换。n对数据进行缓存。n在计算机的操作系统安装设备驱动程序。n实现

5、以太网协议。 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 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n最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上 。当初认为这样的连接方法既简单又可靠，因为总 线上没有有源器件。 3.3.2 CSMA/CD 协议 B向 D 发送数据C D A E匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号）匹配电阻不接受不接受不接受接受B只有 D 接受 B 发送的数据以太网的广播方式发送 n总线上的每一个工作的计算机都能检测到 B 发送的 数据信号。 n由于只有计算机 D 的地址与数据帧首部

6、写入的地址 一致，因此只有 D 才接收这个数据帧。 n其他所有的计算机（A, C 和 E）都检测到不是发送 给它们的数据帧，因此就丢弃这个数据帧而不能够 收下来。n具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。 两个重要的措施 n 采用较为灵活的无连接的工作方式，即不必 先建立连接就可以直接发送数据。以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最 大努力的交付。这样做的理由: 局域网信道的质量很好， 因信道质量产生差错的概率是很小的。 为了通信的简便以太网采取了以下两种重 要的措施：n 以太网对发送的数据帧不进行编号，也不要 求对方发回确认。n当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧 ，其他什么也不做。差错的

7、纠正由高层来决 定。n如果高层发现丢失了一些数据而进行重传， 但以太网并不知道这是一个重传的帧，而是 当作一个新的数据帧来发送。以太网发送的数据都使用 曼彻斯特(Manchester)编码 基带数字信号曼彻斯特编码码元1111100000出现电平转换载波监听多点接入/碰撞检测 CSMA/CD n随机访问介质访问控制nALOHA协议nCSMA协议nCSMA/CD协议（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）载波监听多点接入/冲突检测 工作原理CSMA/CD工作原理： 站点在发送数据帧之前，先侦听总线是否忙，只 有总线空闲时方可

8、发送； 发送过程中边侦听边发送，若出现冲突，则停止 发送当前数据帧，向总线发送强化冲突的干扰串 ，待冲突退避时间之后再侦听总线，重新发送。 站点有待发送数据帧总线忙？发送数据帧监听当前总线有冲突？发送成功放弃发送强化冲突延迟一个 随机时间CDCSMACSMA/CD工作原理YNYNn“多点接入”表示许多计算机以多点接入的 方式连接在一根总线上。n“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，则暂时不要发送数据，以 免发生冲突。 n总线上并没有什么“载波”。因此，“载波 监听”就是用电子技术检测总线上有没有其 他计算机发送的数据信号。 1. 冲突检

9、测n“冲突检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的 信号电压大小。n当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号 电压摆动值将会增大（互相叠加）。n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 ，表明产生了冲突。n所谓“冲突”就是发生了碰撞。因此“冲突检测”也称 为“碰撞检测”。CSMA/CD CSMA/CD 要点要点检测到冲突后n在发生冲突时，总线上传输的信号产生了 严重的失真，无法从中恢复出有用的信息 来。冲突的结果是两个帧都变得无用。 n每一个正在发送数据的站，一旦发现总线 上出现了冲突，就要立即停止发送，免得 继续浪费网络资源，然后等待一段

10、随机时 间后再次发送。CSMA/CD CSMA/CD 要点要点何时检测到冲突？ n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。 nA 向 B 发出的信息，要经过一定的时间后才 能传送到 B。nB 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 的帧发生冲突。CSMA/CD CSMA/CD 要点要点1 kmABt冲突t = 2 A 检测到发生冲突t = B 发送数据B 检测到发生冲突t = t = 0单程端到端 传播时延记为 1 kmABt冲突t = B 检测到信道空闲 发送数据t = / 2

11、 发生冲突t = 2 A 检测到发生冲突t = B 发送数据B 检测到发生冲突t = ABABABt = 0A 检测到 信道空闲 发送数据ABt = 0t = B 检测到发生冲突 停止发送STOP t = 2 A 检测到 发生冲突STOPAB单程端到端 传播时延记为 3. 争用期n最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多 经过时间 2 （两倍的端到端往返时延）就 可知道发送的数据帧是否遭受了冲突。n以太网的端到端往返时延 2 称为争用期， 或冲突窗口。n经过争用期这段时间还没有检测到冲突，才 能肯定这次发送不会发生冲突。 CSMA/CD CSMA/CD 要点要点争用期的长度 n以太网取 51.2

12、 s 为争用期的长度。n对于 10 Mb/s 以太网，在争用期内可 发送512 bit，即 64 字节。n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。 CSMA/CD CSMA/CD 要点要点4. 最短有效帧长 n如果发生冲突，就一定是在发送的前 64 字节之内。 n由于一检测到冲突就立即中止发送，这时 已经发送出去的数据一定小于 64 字节。 n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。 CSMA/CD CSMA/CD 要点要点5. 强化冲突 n当发送数据的站一旦发现发生了冲突时， 除了立即停止

13、发送数据外，还要再继续发 送若干比特的人为干扰信号(jamming signal)，以便让所有用户都知道现在已 经发生了冲突。 CSMA/CD CSMA/CD 要点要点6. 二进制指数类型退避算法n发生冲突的站在停止发送数据后，要推迟（退 避）一个随机时间才能再发送数据。n确定基本退避时间，一般是取为争用期 2。n定义重传次数 k ，k = Min重传次数, 10n从整数集合0,1, (2k 1)中随机地取出一个数， 记为 rn重传所需的时延就是 r 2 n当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高 层报告。 CSMA/CD CSMA/CD 要点要点数据帧干扰信号TJ人为干扰信号 ABT

14、BtB 发送数据开始冲突信 道 占 用 时 间A 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。7. 重要特性n使用 CSMA/CD 协议的以太网不能进行全双 工通信而只能进行双向交替通信（半双工通信 ）。n每个站在发送数据之后争用期内，存在着遭遇 冲突的可能性。 n这种发送的不确定性使整个以太网的平均通信 量远小于以太网的最高数据率。 CSMA/CD CSMA/CD 要点要点3.4.2 以太网的信道利用率 我们假定：n总线上共有 N 个站，每个站发送帧的概率 都是 p。n争用期长度为 2，即端到端传播时延的两 倍

15、。检测到冲突后不发送干扰信号。n帧的发送时延为 T0 (s)。 以太网的信道利用率 n一个帧从开始发送，经冲突后再重传数次，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，共需平均时间为 Tav。 以太网的信道利用率（续） 令 A 为某个站发送成功的概率，则A = P某个站发送成功 = Np(1 p)N 1 (3-1)显然，某个站发送失败的概率为 1 A。因此，P争用期为 j 个 = P发送 j 次失败但下一次成功 = (1 A)jA (3 -2)争用期的平均个数等于帧重发的次数 NR：(3-3)以太网的信道利用率（续） 求出以太网的信道利用率（它又称为归一化吞吐量）为：这里参数 a 是总线的单程传播时延与帧的发送时延之比。 (3-4)(3-5)最大信道利用率若设法使 A 为最大，则可获得最大的信道利用率 。 将(3-4)式对 p 求极大值，得出当 p = 1/N 时可使 A 等于其极大值 Amax： 当 N 时，Amax = 1/e 0.368。 (3-6)将(3-6)式中的 Amax 值代入(3-4)式，即得出 信道利用率的最大值 Smax。取 A = Amax = e1 0.368 时，(3-4)式可简化为： 若 a0，则信道利用率的最大值可达到 100% 。 信道利用率的最大值 Smax N (