计算机-数据链路层深入

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1、计算机网络,第3章 数据链路层三,计算机学院,计算机网络,2,课程回顾,1、局域网的拓扑结构。 2、数据链路层的两个子层。 3、局域网中物理层的功能 信号的编码与译码 为进行同步用的前同步码的产生与去除 比特的传输与接收,计算机学院,计算机网络,3,课程回顾,4、MAC层的功能 将上一层交下来的数据封装成“帧”进行发送，接收时进行相反的过程 实现和维护MAC协议 比特差错检测 寻址,计算机学院,计算机网络,4,课程回顾,5、LLC层的功能 建立和释放数据链路层的逻辑连接 提供与高层的接口 差错控制 给帧加序号 与媒体接入无关的部分都集中在逻辑链路控制LLC子层。,计算机学院,计算机网络,5,课

2、程回顾,6、指示原语和请求原语 指示原语是服务提供者向服务用户表示某种状态服务。 请求原语是服务用户向服务提供者请求指定的服务。 7、适配器的重要功能： 进行串行/并行转换。 对数据进行缓存。 在计算机的操作系统安装设备驱动程序。 实现以太网协议。,计算机学院,计算机网络,6,课程回顾,8、CSMA/CD。 9、曼彻斯特编码。 10、电磁波在1km电缆的传播时延约为( )us。 11、以太网的争用期。争用期内可发送多少字节。 12、截断二进制指数退避算法。 13、帧间最小间隔。 14、以太网规定：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。 15、局域网技术的

3、三要素拓扑结构、传输介质、介质访问控制方法,计算机学院,计算机网络,7,课程回顾,16、介质访问控制方法要解决的三个问题 该哪个节点发送？ 发送时会不会出现冲突？ 出现冲突怎么办？,计算机学院,计算机网络,8,课程目标,掌握以下内容： 1、集线器的工作原理以及其工作在哪一层。 2、物理地址的名称、组成、作用。 3、发网本站的帧有三种，其作用分别是什么。 4、MAC帧格式及各字段的作用。 了解并熟悉以下内容： 1、物理地址的管理机构。 2、以太网的信道利用率。 3、科来网络分析系统。,计算机学院,计算机网络,9,3.4 使用广播信道的以太网 3.4.1 使用集线器的星形拓扑,传统以太网最初是使用

4、粗同轴电缆，后来演进到使用比较便宜的细同轴电缆，最后发展为使用更便宜和更灵活的双绞线。 这种以太网采用星形拓扑，在星形的中心则增加了一种可靠性非常高的设备，叫做集线器(hub),计算机学院,计算机网络,10,使用集线器的双绞线以太网,集线器,双绞线,站点,RJ-45 连接器,计算机学院,计算机网络,11,三种以太网布线方案,配线柜,计算机学院,计算机网络,12,星形网 10BASE-T,10BASE-T：10代表10Mbps的数据率；BASE表示连接线上的信号是 基带信号；T代表双绞线 不用电缆而使用无屏蔽双绞线。每个站需要用两对铜线，分别用于发送和接收。 集线器使用了大规模集成电路芯片，因此

5、这样的硬件设备的可靠性已大大提高了。,计算机学院,计算机网络,13,以太网在局域网中的统治地位,10BASE-T 的通信距离稍短，每个站到集线器的距离不超过 100 m。 这种 10 Mb/s 速率的无屏蔽双绞线星形网的出现，既降低了成本，又提高了可靠性。 10BASE-T 双绞线以太网的出现，是局域网发展史上的一个非常重要的里程碑，它为以太网在局域网中的统治地位奠定了牢固的基础。,计算机学院,计算机网络,14,集线器的一些特点,集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线的工作，因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行。 使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各工作站使用的还是 CSMA/CD

6、 协议，并共享逻辑上的总线。 集线器很像一个多接口的转发器，工作在物理层。 集线器采用专门芯片进行自适应串音回波抵消。对比特再生整形并重新定时。,计算机学院,计算机网络,15,集线器的工作方式,在计算机网络中，以太网是非常典型的广播式共享局域网，所以集线器的基本工作原理是广播（Broadcast）技术。在集线器传输过程中，无论从哪一个端口收到一个数据包时，都将此数据包广播到其他端口。集线器不具有寻址功能，所以它并不记忆每个端口所连接网卡的MAC地址。,计算机学院,计算机网络,16,集线器的工作方式,当集线器将数据包以广播方式发出时，连接在集线器端口上的网卡将判断这个包是否是发送给自己的【判断的

7、依据？】，如果是，则根据以太网数据包所要求的功能执行相应的动作，如果不是则丢掉。集线器对数据包中的内容不进行处理，它只负责将从一个端口上收到的数据广播到所有其他端口。例如，邮递人员将信件送到收信人的手中，自己并没有权力看信中的内容。,计算机学院,计算机网络,17,具有三个接口的集线器,集 线 器,网卡,工作站,网卡,工作站,网卡,工作站,双绞线,计算机学院,计算机网络,18,3.4.2 以太网的信道利用率,以太网的信道被占用的情况： 争用期长度为 2，即端到端传播时延的两倍。检测到碰撞后不发送干扰信号。 帧长为 L (bit)，数据发送速率为 C (b/s)，因而帧的发送时间为 L/C = T

8、0 (s)。,计算机学院,计算机网络,19,以太网的信道利用率,一个帧从开始发送，经可能发生的碰撞后，将再重传数次，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，是发送一帧所需的平均时间。,发 送 成 功,争用期,争用期,争用期,2,2,2,T0,t,占用期,发生碰撞,发送一帧所需的平均时间,计算机学院,计算机网络,20,参数 a,要提高以太网的信道利用率，就必须减小 与 T0 之比。在以太网中定义了参数 a，它是以太网单程端到端时延 与帧的发送时间 T0 之比：,(3-2),a0 表示一发生碰撞就立即可以检测出来，并立即停止发送，因而信道利用率很高。a 越大，表明争

9、用期所占的比例增大，每发生一次碰撞就浪费许多信道资源，使得信道利用率明显降低。,计算机学院,计算机网络,21,对以太网参数的要求,当数据率一定时，以太网的连线的长度受到限制，否则 的数值会太大。 以太网的帧长不能太短，否则 T0 的值会太小，使 a 值太大。,计算机学院,计算机网络,22,在理想化的情况下，以太网上的各站发送数据都不会产生碰撞（这显然已经不是 CSMA/CD，而是需要使用一种特殊的调度方法），即总线一旦空闲就有某一个站立即发送数据。 发送一帧占用线路的时间是 T0 + ，而帧本身的发送时间是 T0。于是我们可计算出理想情况下的极限信道利用率 Smax为：,信道利用率的最大值 S

10、max,在站点数较多的情况下，Smax为：,计算机学院,计算机网络,23,3.4.3 以太网的 MAC 层 1. MAC 层的硬件地址,在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或 MAC 地址。 802 标准所说的“地址”严格地讲应当是每一个站的“名字”或标识符。 但鉴于大家都早已习惯了将这种 48 位的“名字”称为“地址”，所以本书也采用这种习惯用法，尽管这种说法并不太严格。,计算机学院,计算机网络,24,48 位的 MAC 地址,IEEE 的注册管理机构 RA 负责向厂家分配地址字段的前三个字节(即高位 24 位)。 地址字段中的后三个字节(即低位 24 位)由厂家自行指派，称为扩展标识符，必

11、须保证生产出的适配器没有重复地址。 一个地址块可以生成224个不同的地址。这种 48 位地址称为 MAC-48，它的通用名称是EUI-48。 “MAC地址”实际上就是适配器地址或适配器标识符EUI-48。,计算机学院,计算机网络,25,关于 MAC 地址,IEEE规定地址字段的第一个字节的最低位为I/G位。表示Individual/Group。 当I/G位为0时，地址字段表示一个单个站地址。 当I/G位为1时，表示组地址，用来表示多播。 IEEE规定地址字段的第一个字节的最低第二位规定为G/L位，表示Global/Local。 当G/L位为1时是全球管理，厂商购买的属于全球管理。 当G/L位为

12、0时是本地管理，这时用户可任意分配网络上的地址。 采用2字节地址字段时全都是本地管理。以太网几乎不使用这个G/L位。,计算机学院,计算机网络,26,适配器检查 MAC 地址,适配器从网络上每收到一个 MAC 帧就首先用硬件检查 MAC 帧中的 MAC 地址。 如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他的处理。 否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。 “发往本站的帧”包括以下三种帧： 单播(unicast)帧（一对一） 广播(broadcast)帧（一对全体） 多播(multicast)帧（一对多）,计算机学院,计算机网络,27,2. MAC 帧的格式,常用的以太网MAC帧格式有两种标准 ： DI

13、X Ethernet V2 标准 IEEE 的 802.3 标准 最常用的 MAC 帧是以太网 V2 的格式。,计算机学院,计算机网络,28,以太网 MAC 帧,物理层,MAC层,10101010101010 10101010101010101011,前同步码,帧开始 定界符,7 字节,1 字节,8 字节,插入,IP层,目的地址,源地址,类型,数 据,FCS,6,6,2,4,字节,46 1500,MAC 帧,以太网的 MAC 帧格式,计算机学院,计算机网络,29,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,以太网 V2 的 MAC 帧格式,目的地址字段 6 字节,计算机学院,计算机网络,30,M

14、AC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,以太网 V2 的 MAC 帧格式,源地址字段 6 字节,计算机学院,计算机网络,31,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,以太网 V2 的 MAC 帧格式,类型字段 2 字节,类型字段用来标志上一层使用的是什么协议， 以便把收到的 MAC 帧的数据上交给上一层的这个协议。,计算机学院,计算机网络,32,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,以太网 V2 的 MAC 帧格式,数据字段 46 1500 字节,数据字段的正式名称是 MAC 客户数据字段 最小长度 64 字节 18 字节的首部和尾部 = 数据字段的最小长度,计算机学院,计算机网络,33

15、,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,以太网 V2 的 MAC 帧格式,FCS 字段 4 字节,当传输媒体的误码率为 1108 时， MAC 子层可使未检测到的差错小于 11014。,当数据字段的长度小于 46 字节时， 应在数据字段的后面加入整数字节的填充字段， 以保证以太网的 MAC 帧长不小于 64 字节。,计算机学院,计算机网络,34,MAC 帧,物理层,MAC 层,IP 层,以太网 V2 的 MAC 帧格式,在帧的前面插入的 8 字节中的第一个字段共 7 个字节， 是前同步码，用来迅速实现 MAC 帧的比特同步。 第二个字段是帧开始定界符，表示后面的信息就是MAC 帧。,为了达

16、到比特同步，在传输媒体上实际传送的要比 MAC 帧还多 8 个字节,计算机学院,计算机网络,35,数据字段的长度与长度字段的值不一致； 帧的长度不是整数个字节； 用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错； 数据字段的长度不在 461500 字节之间。对于检查出的无效 MAC 帧就简单地丢弃。以太网不负责重传丢弃的帧。有效的 MAC 帧长度为 641518 字节之间。,无效的 MAC 帧,计算机学院,计算机网络,36,IEEE802.3 规定的 MAC 帧的第三个字段是“长度/类型”。当该字段值大于0x0600时（相当于十进制的1536），就表示“类型”。这样的帧和以太网V2 MAC帧完全一样。 当该值小于0x0600时才表示“长度”，即MAC的数据部分的长度。 当“长度/类型”字段值小于0x0600时，数据字段必须装入上面的LLC子层的LLC帧。 由于现在广泛使用的局域网只有以太网，因此LLC帧已经失去了原来的意义。,