使用广播信道的以太网

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1、课件制作人：谢希仁,计算机网络（第 5 版）,第 3 章 数据链路层,课件制作人：常革新,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3.3.2 CSMA/CD 协议 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3.4.2 以太网的信道利用率3.4.3 以太网的 MAC 层,第 3 章 数据链路层,课件制作人：常革新,课前提问 局域网有那些特点？哪些种拓扑结构？ 共享信道有哪两种介质访问控制技术？ 试解释CSMA/CD协议？ 以太网的争用期是多少？ 扩展局域网需要哪些设备？,第 3 章 数据链路层,课件制作人：常革新,3.3 使用广播信道的数据链路层 3.3.

2、1 局域网的数据链路层,局域网最主要的特点：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。 局域网具有的主要优点： （1）能方便地共享信道、共享外部设备、主机以及软件、数据。从一个站点可访问全网。 （2）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。 （3）提高了系统的可靠性、可用性和残存性。,课件制作人：常革新,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,局域网最主要的特点：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。 局域网的技术要素： （1）网络拓扑结构 （2）介质访问控制方法,课件制作人：常革新,局域网的拓扑结构,星形网,树形网,共享媒体,课

3、件制作人：常革新,静态划分信道 频分复用、时分复用、波分复用和码分复用 动态媒体接入控制（多点接入） 随机接入 随机接入的特点是所有的用户可随机地发送信息。如以太网的CSMA/CD。 受控接入 受控接入的特点是用户不能随机地发送信息而必须服从一定的控制。如令牌环网的Token Ring。,共享媒体技术,课件制作人：常革新,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,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。,总线拓扑的以太网,

4、课件制作人：常革新,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。 总线的特点 当一台计算机发送数据时，总线上的所有计算机都能检测到这个数据。这种通信方式是广播通信。 仅当数据帧中的目的地址与计算机的地址一致时，该计算机才能接收这个数据帧。计算机对不是发送给自己的数据帧，则一律不接收。 具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。,总线拓扑的以太网,课件制作人：常革新,CSMA/CD 协议,CSMA/CD 表示 载波监听多点接入/碰撞检测。 “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。 “载波监听”是指每一个站在发送数据之

5、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，以免发生碰撞。 “碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上是否有“碰撞”发生。,课件制作人：常革新,CSMA/CD 协议,实际上“碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上信号的电压值的变化。 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）。 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，表明产生了碰撞。 所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。,课件制作人：常革新,CSMA/CD 协议,“碰撞检测”就是计算机边发送数据边

6、检测信道上是否有“碰撞”发生。 在发生碰撞时，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。 每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送。,课件制作人：常革新,CSMA/CD 协议,在有了“载波监听”的信道上为什么还会发生“碰撞”呢？这是由于电磁波在总线上的有限传播速率的影响。 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。 A向B发出的信息要经过一定的时间后才能传送到B。 B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

7、发生碰撞。 碰撞的结果是两个帧都变得无用。,课件制作人：常革新,CSMA/CD 协议,在有了“载波监听”的信道上为什么还会发生“碰撞”呢？这是由于电磁波在总线上的有限传播速率的影响。,1 km,A,B,t,t = 0,单程端到端 传播时延记为,传播时延对载波监听的影响,1 km,A,B,t,t = B 检测到信道空闲 发送数据,t = / 2 发生碰撞,A,B,A,B,t = 0A 检测到 信道空闲 发送数据,A,B,t = 0,A,B,单程端到端 传播时延记为,课件制作人：常革新,CSMA/CD 协议,强化碰撞 当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时：立即停止发送数据；再继续发送若干比特的人为干

8、扰信号，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。,课件制作人：常革新,CSMA/CD 协议,强化碰撞,A,B,t,信 道 占 用 时 间,课件制作人：常革新,使用CSMA/CD的以太网,重要特征 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）。 每个站在发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。 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。,课件制作人：常革新,以太网的争用期,争用期 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碰撞。 以太网的端到端往返时延

9、 2 称为争用期，或碰撞窗口。 经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。,课件制作人：常革新,以太网的争用期,以太网的争用期 以太网取 51.2 s 为争用期的长度。 对于 10 Mb/s 以太网，在争用期内可发送512 bit，即 64 字节。 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。 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。,课件制作人：常革新,二进制指数类型退避算法,发生碰撞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。以太网采用一种“二进制指数类型

10、退避算法” 确定基本退避时间，一般是取为争用期 2。 定义重传次数 k ，k 10，即k = Min重传次数, 10 从整数集合0,1, (2k 1)中随机地取出一个数，记为 r。重传所需的时延就是 r 倍的基本退避时间。 当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。,课件制作人：常革新,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 = T0 (s)。,发 送 成 功,争用期,争用期,争用期,2,2,2,T0,t,占用期,发生

11、碰撞,发送一帧所需的平均时间,课件制作人：常革新,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 Smax,课件制作人：常革新,以太网的信道利用率,参数：= / T0以太网的发送时延与单程端到端时延 和帧的发送时间 T0有关： 在T0 确定时，0，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；反之，越大， 值越大，表

12、明争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。,课件制作人：常革新,以太网的信道利用率,参数：= / T0以太网的发送时延与单程端到端时延 和帧的发送时间 T0有关。 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 值太大。,课件制作人：常革新,星形拓扑的以太网,传统以太网最初是使用粗同轴电缆，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),集线器,站点,课件制作人：常革新,

13、星形拓扑的以太网,集线器的特点：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 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。,课件制作人：常革新,星形拓扑的以太网,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。,课件制

14、作人：常革新,令牌环网的拓扑结构,令牌环(Token Ring)网的拓扑结构是环形网，各站点通过多站访问单元(MAU)与环连接，MAU的两个末端端口分别称为入环和出环端口。在使用屏蔽双绞线条件下的一个网络上最多可连接260个工作站。,课件制作人：常革新,令牌环的工作原理,只有持有令牌的结点才能发送数据。令牌是一种特殊的MAC控制帧，有忙/闲两种标志。当环正常工作时，令牌总是沿着物理环单向逐站传送，某一结点要发送数据时，必须等待空闲的令牌环的到来。这时，将令牌置为忙，然后传送数据，网中个站都会依次收到数据帧。当目标站正确收到数据后，给出确认标志。当发送站收到自己发出的数据帧时，将令牌置回闲，转向

15、下一结点。,持有令牌方发送帧码位,非目标结点让码位通过,目标结点复制码位并让其通过,非目标结点数据帧通过,接收帧码位令牌发往下一结点,课件制作人：常革新,令牌环的特点,网中结点两次获得令牌之间的最大间隔时间是确定的，因此适用于对数据传输实时性要求较高的应用环境，如过程控制领域。 在网络通信负荷较重时表现出很好的吞吐率与较低的传输延迟，因此适用于通信负荷较重的应用环境。 令牌环的维护工作非常复杂，有环的初始化、结点的加入和撤出、环的恢复和优先级等。所以实现起来较困难。,课件制作人：常革新,令牌总线(Token Bus)技术,拓扑结构 总线型拓扑物理拓扑为总线型拓扑，而逻辑拓扑为令牌环拓扑。 工作

16、原理 仍由令牌控制发送数据。令牌的传递是由高地址向底地址传递，从而在总线上形成一个逻辑环。,总线,课件制作人：常革新,3.5 扩展的局域网,3.5.1 在物理层扩展局域网 3.5.2 在数据链路层扩展局域网,课件制作人：常革新,3.5.1 在物理层扩展局域网,主机使用光纤和一对光纤调制解调器连接到集线器，实现远距离连接。,课件制作人：常革新,某大学有三个系，各自有一个局域网,3.5.1 在物理层扩展局域网,三个独立的碰撞域,一系,二系,三系,碰撞域,碰撞域,碰撞域,用主干集线器可连成更大的局域网,主干集线器,更大的碰撞域,课件制作人：常革新,用集线器扩展局域网的优点 使原来属于不同碰撞域的局域网上的计算机能够进行跨碰撞域的通信。 扩大了局域网覆盖的地理范围。 用集线器扩展局域网的缺点 碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。 如果不同的碰撞域使用不同的数据率，那么就不能用集线器将它们互连起来。,