华中科技大学计算机网络ppt课件第5章链路层和局域网

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1、计算机网络第5章 链路层和局域网第五章 链路层和局域网2024年7月30日2目 录n链路层：概述和服务n差错检测和纠错技术n多路访问协议n链路层编址n以太网n链路层和交换机nPPP：点对点协议第五章 链路层和局域网2024年7月30日35.1 链路层 : 概述和服务n术语术语q节点：主机和路由器q链路：沿着通信路径连接相邻节点的通信信道n有线链路n无线链路q帧：数据链路层的分组单元n链路层的主要功能链路层的主要功能q负责将数据报通过链路从一个节点传输到相邻的节点“链路”第五章 链路层和局域网2024年7月30日45.1 链路层 : 概述和服务n链路层的简单模型链路层的简单模型局域网广域网主机

2、H1主机 H2路由器 R1路由器 R2路由器 R3电话网局域网主机 H1 向 H2 发送数据链路层应用层运输层网络层物理层链路层应用层运输层网络层物理层链路层网络层物理层链路层网络层物理层链路层网络层物理层R1R2R3H1H2从层次上来看数据的流动第五章 链路层和局域网2024年7月30日55.1 链路层 : 概述和服务n链路层的简单模型链路层的简单模型局域网广域网主机 H1主机 H2路由器 R1路由器 R2路由器 R3电话网局域网主机 H1 向 H2 发送数据链路层应用层运输层网络层物理层链路层应用层运输层网络层物理层链路层网络层物理层链路层网络层物理层链路层网络层物理层R1R2R3H1H2

3、仅从数据链路层观察帧的流动第五章 链路层和局域网2024年7月30日65.1 链路层 : 概述和服务q几点特别说明n数据报在不同链路上可能由不同的链路层协议进行处理q例如：第一段链路上由PPP处理，最后一段链路上由以太网处理，中间链路上由广域链路层协议处理n不同的链路层协议可能提供不同的服务q例如：可靠传递、不可靠传递第五章 链路层和局域网2024年7月30日75.1 链路层 : 概述和服务n链路层提供的服务链路层提供的服务q成帧 、链路介质访问n将数据加上头部和尾部，封装成数据帧n共享介质的信道访问n帧头部用MAC地址标识源和目的（不同于IP地址）q可靠交付n很少用于误码率低的链路（光纤、双

4、绞线链路）n用于误码率高的链路（无线链路）q流量控制n在相邻的收发节点间限制流量第五章 链路层和局域网2024年7月30日85.1 链路层 : 概述和服务n链路层提供的服务（续）链路层提供的服务（续）q差错检测n信号衰减和电磁干扰噪声导致出错n接收方若检测到错误存在：q给发送方发送信号要求重传或丢弃该数据帧q差错纠正n接收方检测和纠正帧中错误，不用重传q半双工和全双工n半双工时，链路两端的节点都能传输分组，但不能同时传输第五章 链路层和局域网适配器通信发送方帧接收方网络层数据报帧适配器卡适配器卡链路层协议n链路层协议在适配器中实现(aka NIC)q以太网卡, PCMCI卡, 802.11 卡

5、n发送方NIC:q在一个帧内封装数据报q增加差错检测位，可靠交付，流量检测等n接收方NICq查找错误,可靠交付, 流量控制等q取出数据报，交给网络层n适配器是半自治单元n实现了链路层和物理层的功能2024/7/309第五章 链路层和局域网2024年7月30日105.2 差错检测和纠错技术n差错检测模型差错检测模型 EDC= Error Detection and Correction bits 差错检测和纠错比特 D = Data 差错检测位保护的数据，可包括首部 数据报d数据比特数据报检测到差错易出现比特差错的链路 在D中的所有比特正确吗？第五章 链路层和局域网2024年7月30日115.2

6、 差错检测和纠错技术单比特奇偶校验:检测单个比特错误检测单个比特错误二维奇偶校验:d个比特数据被划分为个比特数据被划分为i行行j列，产生列，产生i+j+1个奇偶比特个奇偶比特可检测和纠正单个比特错误可检测和纠正单个比特错误d个数据比特附加的一个比特使得d + 1个比特中1的总数是偶数（偶校验）附加的一个比特使得d + 1个比特中1的总数是奇数（奇校验）第五章 链路层和局域网2024年7月30日125.2 差错检测和纠错技术n因特网检验和因特网检验和q发送方n将数据段的内容作为16比特的整数序列n检验和：累加求和，计算和的反码n发送方将得到的校验和值放入PDU校验和字段q接收方n计算收到的数据（

7、包括检验和）的检验和n检查计算出的结果是否为全1：qNO 检测到错误qYES 没有错误q特别注意：仅用于TCP、UDP和IPv4协议中第五章 链路层和局域网2024年7月30日135.2 差错检测和纠错技术n循环冗余校验码循环冗余校验码qd比特的数据，Dq选择r1比特模式(生成多项式)，表示为Gq目标：选择r个CRC比特-R，以便n恰好能被G整除（模2计算）n接收方已知G，用G去除 ，若余数非0，则检测到错误n能检测到所有少于r+1比特的错误q在实践中被广泛应用 （ATM，HDLC)等数据链路层协议，并用硬件实现D:被发送的数据比特R:CRC比特第五章 链路层和局域网2024年7月30日145

8、.2 差错检测和纠错技术n如果要:qD*2r XOR R = nGn两边都异或R，得到:qD*2r = nG XOR R n即: D*2r 除以G,得到余数 R第五章 链路层和局域网2024年7月30日155.3 多路访问协议n两种链路两种链路q点到点链路nPPPq广播链路(共享线路或介质)n传统以太网n802.11无线局域网第五章 链路层和局域网2024年7月30日165.3 多路访问协议n广播链路的特点广播链路的特点q单个共享广播信道q两个或多个节点同时传输：相互干扰n 碰撞：一个节点同时收到两个或多个信号n多路访问协议：解决共享信道的访问控制多路访问协议：解决共享信道的访问控制q分布式算

9、法决定节点如何共享信道，如节点何时可以传输数据q特别注意：有关共享信道的通信（协商）需使用信道本身n没有额外的信道来进行协调第五章 链路层和局域网2024年7月30日175.3 多路访问协议n理想的多路访问协议需满足理想的多路访问协议需满足（假定：信道为速率为R b/s的广播信道）：q当只有一个节点有数据发送时，该节点的吞吐量为Rq当M个节点有数据发送时，每个节点吞吐量为R/Mq分散n没有特定节点用于调整传输n没有时钟同步q简单第五章 链路层和局域网2024年7月30日185.3 多路访问协议n多路访问协议分类多路访问协议分类q信道划分协议n将信道划分成小的“片”（时隙、频率、CDMA编码）n

10、将“片”分配给节点使用q随机访问协议n信道没有被分割，允许碰撞n碰撞恢复q轮流协议n节点轮流传送，但数据量大的节点轮流更长时间第五章 链路层和局域网2024年7月30日195.3 多路访问协议n信道划分协议信道划分协议qTDMA(Time Division Multiple Access)n循环访问信道n每个节点在每次循环中得到固定长度的时隙（时隙长度传输单个帧时间）n没有数据发送的时隙空闲n例如：6-节点 LAN, 时隙1,3,4 有数据发送, 2,5,6 的时隙空闲第五章 链路层和局域网2024年7月30日205.3 多路访问协议n信道划分协议信道划分协议qFDMA(Frequence D

11、ivision Multiple Access)n信道按频谱分成若干频段n每个节点分配固定频段n在频段不用时该部分信道被闲置和浪费frequency bands第五章 链路层和局域网5.3 多路访问协议n码分多址访问（码分多址访问（CDMA）qCDMA(Code Division Mutiple Access):就是每个用户可以在同样的时间内用相同的频带进行通信。由于各用户使用经过特殊挑选的不同编码，因此不会造成干扰。这种通信信号具有很高的抗干扰能力。q发送方发送的每个比特都通过乘以信号（编码片序列）比特进行编码q每个用户被指派一个惟一的m bit码片序列。q所有用户共享相同的频道, 但每个用

12、户用自己的“码片”序列对数据编码n当站点发送比特“1”时，就发送指定给该站点的mbit码片序列；发送比特“0”时，发送此mbit码片序列的二进制反码n习惯上，将码片序列中的“0”写成“-1”，“1”写成“+1”q允许多个用户共存和发送信号,且相互的干扰极小2024年7月30日21第五章 链路层和局域网5.3 多路访问协议qCDMA码片序列的特点：每一个站的码片序列各不相同，互相正交。即n任何两个站点（如S和T站点）的码片向量的规格化内积为0。n任何码片向量和自己的规格化内积为1。n任何码片向量和其反码的规格化内积为1。2024年7月30日22第五章 链路层和局域网5.3 多路访问协议数据码元比

13、特数据码元比特tttttttS站的码片序列站的码片序列SS站发送的信号站发送的信号SxT站发送的信号站发送的信号Tx总的发送的信号总的发送的信号SxTx规格化内积规格化内积S Sx规格化内积规格化内积S Tx发发送送端端接接收收端端110S S站的码片序列是（站的码片序列是（-1-1-1+1+1-1+1+1-1-1-1+1+1-1+1+1），发送的数据是），发送的数据是110110T T站的码片序列是（站的码片序列是（-1-1+1-1+1+1+1-1-1-1+1-1+1+1+1-1），发送的数据是），发送的数据是110110设有S站和T站均以相同频率发送数据，且接收站希望收到S站的数据，如下图

14、所示。2024年7月30日23第五章 链路层和局域网2024年7月30日245.3 多路访问协议n随机访问协议随机访问协议q当节点有数据发送时n以信道全部速率R传输n没有主节点起协调作用q两个或多个节点传送时碰撞q随机访问协议解决n如何检测碰撞n如何从碰撞中恢复（如：延时后重传）q随机访问协议举例：nALOHA、时隙ALOHAnCSMA, CSMA/CD, CSMA/CA第五章 链路层和局域网2024年7月30日255.3 多路访问协议nALOHAqALOHA的由来nALOHA 乃Additive Link On-Line HAwaii system简写，ALOHA恰好还是夏威夷方言的“你好”

15、。ALOHA网是计算机网络早期发展中一个著名的网络，也是第一个无线计算机网络，现仍在运行之中。qALOHA网的特征n因群岛位置的散布，网络拓扑采用了星型结构；n为节省费用和易于组网，网络中各站点的通信采用了无线传输介质。n由于采用无线电信道，考虑到无法申请更多的频率点，因而所有站点都使用统一的频率通过主机交换信息。第五章 链路层和局域网2024年7月30日265.3 多路访问协议n纯纯ALOHA一个节点收到网络层的数据立即发送。如果传输的帧发生一个节点收到网络层的数据立即发送。如果传输的帧发生了碰撞，该节点在全部传输完碰撞帧后以概率了碰撞，该节点在全部传输完碰撞帧后以概率p重传该帧，重传该帧，

16、否则等待一帧的传输时间。等待时间结束后再以概率否则等待一帧的传输时间。等待时间结束后再以概率p重传该帧，重传该帧，或以概率或以概率1-p等待另一帧的传输时间。等待另一帧的传输时间。第五章 链路层和局域网2024年7月30日275.3 多路访问协议n纯纯ALOHA的工作效率的工作效率n在任何给定的时间，一个节点传输一帧的概率是p，假设该帧在t0时刻发送，假设时间单位是一帧的发送时间。 P(给定节点成功概率) = P(给定节点传送) * P(在 t0-1,t0没有其它节点传送 ) * P(在 t0,t0+1没有其它节点传送) = p . (1-p)N-1 . (1-p)N-1 = p . (1-p

17、)2(N-1) 任意一个节点传输成功的概率：N p . (1-p)2(N-1) 选择最合适p*，使任意一个节点传输成功的概率最大。当N趋于无穷时，求Np*.(1-p*)2(N-1) 的极限= 1/(2e) = 0.184 第五章 链路层和局域网2024年7月30日285.3 多路访问协议n时隙时隙ALOHA1：所有帧正好由L比特组成2：带宽为R，一帧传输时间 = L/R3: 以L/R为单位划分时隙4：节点只在每个时隙的开始传输帧5: 节点时钟同步，因此每个节点知道时隙什么时候开始6：如果一个节点发送的帧产生碰撞，该节点以概率p在后续的每个时隙重发该帧，直到该帧无碰撞地传输成功。第五章 链路层和

18、局域网2024年7月30日295.3 多路访问协议n时隙时隙ALOHA的工作效率的工作效率 P(给定节点成功概率) = P(给定节点传送) . P(没有其它节点传送 ) = p . (1-p)N-1 任意一个节点传输成功的概率为任意一个节点传输成功的概率为Np.(1-p)N-1 选择最合适p*，使任意一个节点传输成功的概率最大。当N趋于 无穷时，求p*.(1-p*)N-1 的极限= 1/(e) = 0.386。是纯ALOHA的2 倍，因为同步机制，使得发生碰撞的可能性比纯ALOHA小。第五章 链路层和局域网2024年7月30日305.3 多路访问协议nCSMA(Carrier Sense Mu

19、ltiple Access)q传输前监听n如果信道空闲，传送整个帧n如果信道忙，推迟传送q为人处事的原则之一： 不要打断别人的发言第五章 链路层和局域网2024年7月30日315.3 多路访问协议nCSMA分类分类q非坚持(nonpersistent)CSMA 一旦监听到信道忙（即发现有其他站在发送数据），就不再坚持听下去，而是根据协议的算法延迟一个随机的时间后重新再监听。若进行载波监听时发现信道空闲，则将准备好的帧发送出去。q时隙非坚持CSMA 采用划分时隙的随机接入CSMA协议，协议规定只能在每个时隙开始时才能发送帧。 第五章 链路层和局域网2024年7月30日325.3 多路访问协议nC

20、SMA分类（续）分类（续）q1坚持CSMA 当一个站点要传送数据时，首先侦听信道，看是否有其他站点正在传送。如果信道正忙，它就持续等待直到它侦听到信道空闲时，便将数据送出。若发生冲突，站点就等待一个随机长的时间，然后重新开始。qP坚持CSMA 当一个站点要传送数据时，首先侦听信道，看是否有其他站点正在传送。如果信道正忙，它就持续等待直到它侦听到信道空闲时，以概率P发送数据，而以概率（1P）延迟一段时间(网络中最远的端到端的传播时延)，重新监听信道。若发生冲突，站点就等待一个随机长的时间，然后重新开始。第五章 链路层和局域网2024年7月30日335.3 多路访问协议nCSMA比较比较q非坚持：

21、不能充分利用信道刚刚转入空闲期的这段时间。q1坚持：容易在上述这段时间产生冲突。qP坚持：可以在一定程度上克服这些缺点，但却很难选择一个能用于各种通信量强度的P值。所以在实际网络中常选择1坚持。第五章 链路层和局域网CSMA为什么会产生碰撞冲突仍然可能发生:信道传播时延使得两个节点可能没有侦听到对方的传输碰撞:整个包传输时间被浪费注意:距离和传播时延在检测碰撞时起决定性作用空间时间第五章 链路层和局域网2024年7月30日355.3 多路访问协议nCSMA/CD：载波侦听/碰撞检测q边传输边检测碰撞q发现碰撞后停止传输，减少信道浪费q碰撞检测n在有线局域网中比较容易:测量信号强度，比较收、发的

22、信号n在无线局域网中比较困难: 传输时接收器是关闭的q人类社会谈话的礼貌第五章 链路层和局域网CSMA/CD碰撞检测空间时间检测到碰撞/放弃的时间在此处2路信号发生碰撞而加强第五章 链路层和局域网2024年7月30日371 kmABt碰撞t = 2 A 检测到发生碰撞 t = B 发送数据B 检测到发生碰撞 t = t = 0单程端到端传播时延记为 第五章 链路层和局域网2024年7月30日381 kmABt碰撞t = B 检测到信道空闲发送数据t = / 2发生碰撞t = 2 A 检测到发生碰撞 t = B 发送数据B 检测到发生碰撞 t = ABABAB t = 0 A 检测到信道空闲发送

23、数据ABt = 0t = B 检测到发生碰撞停止发送STOPt = 2 A 检测到发生碰撞STOPAB单程端到端传播时延记为 第五章 链路层和局域网2024年7月30日395.3 多路访问协议q强化碰撞n当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时，除了立即停止发送数据外，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碰撞。第五章 链路层和局域网2024年7月30日40数据帧干扰信号 TJABTBt B 发送数据A 检测到冲突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

24、A 发送干扰信号的情况。第五章 链路层和局域网2024年7月30日415.3 多路访问协议q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碰撞。n以太网的端到端往返时延 2 称为争用期，或碰撞窗口。n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。第五章 链路层和局域网2024年7月30日425.3 多路访问协议n轮流协议轮流协议q问题的背景n信道划分协议q在重负荷时，共享信道有效、公平q在轻负荷时效率低：信道访问延时，即使只有一个活动节点，也只能分配到1/N的带宽n随机访问协议q轻负荷时效率高：只有一个节点

25、时，能充分利用信道q在重负荷下: 碰撞的开销n轮流协议q在两个方面寻求最佳的解决方案!第五章 链路层和局域网2024年7月30日435.3 多路访问协议q轮询协议n主节点邀请从节点轮流传输n关注: 轮询开销、等待时间、单点失效(主节点)q令牌传递协议n控制令牌依次通过各个结点n令牌报文n关注：令牌的开销、等待时间、单点失效(token)第五章 链路层和局域网2024年7月30日445.3 多路访问协议n对于共享介质能做什么对于共享介质能做什么?q信道划分，基于时间、频率、编码n时分，频分，CDMAq随机划分 (动态), nALOHA, S-ALOHA, CSMA, CSMA/CDn载波侦听:有

26、线“易行”、无线“困难”nCSMA/CD 用于以太网nCSMA/CA 用于 802.11q轮流n主节点轮询，令牌传递第五章 链路层和局域网2024年7月30日455.4 链路层编址nMAC地址地址q作用n在数据链路层标识每块网络适配器，使得能够在广播信道上寻址目标节点（在数据链路层寻址）q组成n48bitn前24bit由IEEE分配管理OUI（组织唯一标识符）号n后24bit由厂商自行分配特别注意：MAC地址写入网络适配器的ROM中，不可 更改第五章 链路层和局域网2024年7月30日465.4 链路层编址q与IP地址的比较nMAC地址是平面地址，类似于身份证号 IP地址是层次地址，类似于邮政

27、通信地址nMAC地址在不同的网络间迁移时，不会改变 IP地址在不同的网络间迁移时，需要改变以适应新的网络配置第五章 链路层和局域网2024年7月30日475.4 链路层编址n地址解析协议（地址解析协议（ARP）q目标n根据目标的IP地址获取其MAC地址qARP高速缓存n局域网节点的IP/MAC地址映射 qTTL (Time To Live):超过TTL的地址映射会被删除 (一般为20分钟)第五章 链路层和局域网局域网地址和ARPn局域网中每个适配器有唯一的局域网地址1A-2F-BB-76-09-AD58-23-D7-FA-20-B00C-C4-11-6F-E3-9871-65-F7-2B-08

28、-53 局域网(有线或无线)广播地址 =FF-FF-FF-FF-FF-FF= 适配器2024/7/3048第五章 链路层和局域网ARP:地址解析协议（为什么需要这个协议）n假设主机A要发送数据给主机Bn主机A知道主机B的IP地址n主机A的IP分组向下传递到数据链路层，被封装在帧里n但是帧的首部需要填主机B的MAC地址n怎么得到主机B的MAC地址？qARP解析q已知主机IP，求主机MAC问题: 已知B的IP地址，如何知道它的MAC地址？1A-2F-BB-76-09-AD58-23-D7-FA-20-B00C-C4-11-6F-E3-98 LAN237.196.7.23237.196.7.7823

29、7.196.7.14237.196.7.882024/7/3049第五章 链路层和局域网2024年7月30日505.4 链路层编址qARP协议：工作在同一个子网 ARP请求和应答被封装在帧里广播IP Z IP YMAC Z? MAC YARP请求：通过广播帧发送 IP Y MAC Y IP Z MAC ZARP应答：回复帧（单播）主机Y主机Z第五章 链路层和局域网2024年7月30日515.4 链路层编址qARP协议：同一子网内工作流程n建立ARP请求包n广播发送该ARP请求包 MAC报头 IP报头 ARP请求报文 目标 源 目标 源 你的MAC地FF-FF-FF-FF-FF-FF 02-60

30、-8C-01-02-03 197.15.22.126 197.15.22.33 址是什么？第五章 链路层和局域网2024年7月30日525.4 链路层编址n目的197.15.22.126接收到该ARP请求包，建立包含自己MAC地址的ARP应答包（请注意，应答包和请求包的源、目标是不一致的）n直接向源197.15.22.33发送该ARP应答包（不是广播）n197.15.22.33更新ARP高速缓存 MAC报头 IP报头 ARP应答报文 目标 源 目标 源 我的MAC地02-60-8C-01-02-03 08-00-02-89-90-80 197.15.22.33 197.15.22.126 址是

31、第五章 链路层和局域网2024年7月30日53ARP 响应AYXBZ主机 B 向 A 发送ARP 响应分组 主机 A 广播发送ARP 请求分组 ARP 请求ARP 请求ARP 请求ARP 请求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我想知道主机 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-0AAYXBZ209.0.0.5209.0.0.600-00-C0-15-AD-18第五章 链路层和局域网路由到其它 LA

32、N穿越: 从 A 发送数据报到B，途经R 假定 A知道 B的 IP地址n在路由器R中有两个ARP表, 分别针对两个IP网络(LAN)n从源到目的，穿越几个子网，就发生几次ARP解析nIn routing table at source Host, find router 111.111.111.110nIn ARP table at source, find MAC address E6-E9-00-17-BB-4B, etcARB2024/7/3054第五章 链路层和局域网qA创建创建IP数据报，源地址为数据报，源地址为A,目的地址为目的地址为 B qA 用用ARP获得获得 R中中 111.

33、111.111.110 对应的对应的MAC地址地址(E6-E9-00-17-BB-4B)qA创建链路层帧创建链路层帧(封装封装A到到B的的IP数据报数据报)，目的地址为，目的地址为R的的MAC地址地址(E6-E9-00-17-BB-4B)qA的适配器发送以太网帧的适配器发送以太网帧qR的适配器接收该以太网帧的适配器接收该以太网帧qR从以太帧获取从以太帧获取IP数据报，得知它的目的是到数据报，得知它的目的是到B(需要穿过子网需要穿过子网2)qR用用ARP获得获得B的的MAC地址地址qR创建帧创建帧(封装封装A到到B的的IP数据报数据报)，发送给，发送给BARB2024/7/3055第五章 链路层

34、和局域网2024年7月30日565.4 链路层编址q互联网环境下的ARP网络1网络3R1网络2R2主机Y主机Z 帧首部 IP首部目标MAC地址 目标IP地址 R1(接口1) 主机Z 源MAC地址 源IP地址 主机Y 主机Y 帧首部 IP首部目标MAC地址 目标IP地址 R2(接口1) 主机Z 源MAC地址 源IP地址 R1(接口2) 主机Y 帧首部 IP首部目标MAC地址 目标IP地址 主机Z 主机Z 源MAC地址 源IP地址 R2(接口2) 主机YR1(接口1)R1(接口2)R2(接口1)R2(接口2)ARP解析ARP解析ARP解析第五章 链路层和局域网2024年7月30日575.5 以太网

35、n以太网概述以太网概述q20世纪70年代由Bob Matcalfe和David Boggs发明q最先被广泛应用的局域网技术q便宜q速度：10Mbps100Mbps 1Gbps 10Gbps第五章 链路层和局域网2024年7月30日585.5 以太网n以太网类型以太网类型q总线式拓扑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 发送的数据第五章 链路层和局域网2024年7月30日595.5 以太网q星形拓扑集线器或交换机第五章 链路层和局域网2024年7月30日605.5 以太网n以太网的帧结构以太网的帧结构q数据字段:（4

36、6字节-1500字节）n最短帧长：为了检测最晚到达的冲突q最短帧长=争用期*带宽（51.2 s *10Mbps=512bit=64字节）q前同步码: n总共8字节，前7 字节的格式为 10101010 ，最后一个字节格式为10101011n 用于同步发送方与接收方时钟n结束：检查有无电流前同步码目的地址源地址类型数据第五章 链路层和局域网2024年7月30日615.5 以太网q地址: 6 字节n若适配器收到以太网帧，目的地址为自己的MAC地址或广播地址（如ARP包），就将帧中的数据传给网络层。n否则，适配器丢弃该帧q类型: 2字节。上层协议类型 (大多为IP协议，也支持其它协议如Novell

37、IPX 和AppleTalk)qCRC: 4字节由接收方检查,若检测到错误，就将该帧丢弃前同步码目的地址源地址类型数据10M以太网最小帧长以太网最小帧长=64，首部首部+尾部尾部+类型类型=18字节字节因此数据字段最少因此数据字段最少46字节字节第五章 链路层和局域网2024年7月30日625.5 以太网n以太网提供的服务以太网提供的服务q无连接服务: 在送适配器和接收适配器之间不需要握手q不可靠服务: 接收适配器不发送确认帧或否认帧给发送方n交给网络层的数据报可能存在间隙（存在丢失情况）n若应用使用TCP，间隙会被填充n否则，应用就会看见间隙第五章 链路层和局域网2024年7月30日635.

38、5 以太网n以太网使用的以太网使用的CSMA/CDq特点n没有时隙n当适配器侦听到其它适配器在传输，则它不传输帧, 即载波侦听n正在传输的适配器若检测到其它适配器也在传输，则它中止自己的传输, 即碰撞检测n在重新传输之前，适配器要等待一段随机时间，即随机访问第五章 链路层和局域网2024年7月30日645.5 以太网q算法n适配器收到来自网络层的数据报，创建帧n若适配器检测到信道空闲（在96bit时间内没有信号能量进入信道），则开始传输帧；若检测到信道忙，就开始等待，直到信道空闲再开始传输该帧n若适配器传输了整个帧而没有检测到其它适配器的传输，则该适配器完成该帧的传输n若适配器在传输时检测到其

39、它适配器也在传输，则停止传输，发送一个48bit的拥塞信号n中止传输后，适配器进入指数回退阶段，在经历第n次碰撞后，适配器随机从0,1,2,2m-1中选择K值，其中m=minn,10。适配器在等待 K512比特时间后，返回第2步第五章 链路层和局域网2024年7月30日655.5 以太网q几个定义n拥塞信号: 用来确保所有传输者都能检测到碰撞而传输的信号；48比特长n比特时间: 传输1比特所需时间。在10Mbps的以太网中，当K=1023时，等待时间大约为50ms第五章 链路层和局域网2024年7月30日665.5 以太网q指数回退算法 n目的: 适配器重传时试图估计正确的负载q重载: 随机等

40、待的时间可能会更长n第一次碰撞: 从 0,1中选择K; 延迟是 K 512 比特传输时间n第二次碰撞后: 从 0,1,2, 3中选择Kn第十次碰撞后: 从 0,1,2,3,4,1023中选择K第五章 链路层和局域网2024年7月30日675.5 以太网q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的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。 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。第五章 链路层和局域网2024年7月30日685.5 以太网q争用期长度n以太网取 51.2 s 为争用期的长度

41、。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 字节没有发生碰撞，则后续的数据就不会发生碰撞。q最短有效帧长n如果发生碰撞，就一定是在发送的前 64 字节之内。 n由于一检测到碰撞就立即中止发送，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。 第五章 链路层和局域网以太网效率ntprop = 局域网中两个节点之间的最大传播时延nttrans = 传输最大长度帧所需时间n效率接近1 q如果 tprop 接近于0q如果 ttrans

42、 无穷大n比ALOHA的性能好，且简单、便宜、分散5.5 以太网2024年7月30日69第五章 链路层和局域网2024年7月30日705.5 以太网n传统以太网的物理层传统以太网的物理层10BASE5粗缆10BASE2细缆10BASE-T双绞线10BASE-F光缆以太网媒体接入控制 MAC第五章 链路层和局域网2024年7月30日715.5 以太网q10BaseT and 100BaseTn10、100代表速率nT 代表双绞线（Twisted Pair）n节点连接到集线器: “星形拓扑”; 在节点和集线器之间的最大距离为100 米twisted pairhub第五章 链路层和局域网2024年7

43、月30日725.5 以太网q10Base5 粗同轴电缆，可靠性好，抗干扰能力强粗同轴电缆，可靠性好，抗干扰能力强粗同轴电缆，可靠性好，抗干扰能力强粗同轴电缆，可靠性好，抗干扰能力强 收发器收发器收发器收发器 : : 发送发送发送发送/ /接收接收接收接收, , 冲突检测冲突检测冲突检测冲突检测, , 电气隔离电气隔离电气隔离电气隔离 AUI : AUI : 连接件单元接口连接件单元接口连接件单元接口连接件单元接口 总线型拓扑总线型拓扑总线型拓扑总线型拓扑 用于网络骨干连接用于网络骨干连接用于网络骨干连接用于网络骨干连接最大段长度最大段长度最大段长度最大段长度 500500米米米米每段最多站点数

44、每段最多站点数每段最多站点数每段最多站点数 100100两站点间最小距离两站点间最小距离两站点间最小距离两站点间最小距离 2.52.5米米米米 粗缆粗缆粗缆粗缆Vampire tapVampire tapBNCBNC端子端子端子端子收发器收发器收发器收发器AUI AUI 电缆电缆电缆电缆NICNIC网络最大跨度网络最大跨度网络最大跨度网络最大跨度 2.82.8公里公里公里公里 (500*3+1000+6*50)(500*3+1000+6*50)第五章 链路层和局域网2024年7月30日735.5 以太网q10Base2 细同轴电缆，可靠性稍差细同轴电缆，可靠性稍差细同轴电缆，可靠性稍差细同轴电

45、缆，可靠性稍差 BNC TBNC T型接头连接型接头连接型接头连接型接头连接 总线型拓扑总线型拓扑总线型拓扑总线型拓扑 用于办公室局域网用于办公室局域网用于办公室局域网用于办公室局域网细缆细缆细缆细缆BNC BNC 接头接头接头接头NICNIC每段最大长度每段最大长度每段最大长度每段最大长度 185m185m每段最多站点数每段最多站点数每段最多站点数每段最多站点数 3030两站点间最短距离两站点间最短距离两站点间最短距离两站点间最短距离 0.5 m0.5 m网络最多网络最多网络最多网络最多5 5个段个段个段个段 第五章 链路层和局域网2024年7月30日745.5 以太网n信号编码:q曼彻斯特

46、编码与差分曼彻斯特编码q以太网使用基带传输，在10BaseT中可使用曼彻斯特编码q每个比特会有一次跳变q可用于收发双方节点的时钟同步n不需要在节点间设置一个集中、全局的时钟q这是一个物理层的操作第五章 链路层和局域网2024年7月30日755.5 以太网q曼彻斯特编码010011010NRZ（不归零码）曼彻斯特0：1：第五章 链路层和局域网2024年7月30日765.5 以太网n快速以太网快速以太网q速率达到100Mbpsn吉比特以太网吉比特以太网q使用标准以太网帧格式q允许点对点链路和共享的广播信道q共享信道时, 使用CSMA/CD; 为了得到可接受的效率，节点之间的距离要短q对于点到点链路

47、(不会碰撞，不需要CSMA/CD)，可以以1Gbps的速率全双工工作q现在速率已经达到10 Gbps !第五章 链路层和局域网n很多的 不同以太网标准q不同的MAC协议和相同的帧格式q不同速度： 2 Mbps, 10 Mbps, 100 Mbps, 1Gbps, 10G bpsq不同的物理层媒体：光纤、铜缆应用层运输层网络层链路层物理层MAC协议和帧格式100BASE-TX100BASE-T4100BASE-FX100BASE-T2100BASE-SX100BASE-BX光纤物理层铜线 (双绞线)物理层5.5 以太网2024年7月30日77第五章 链路层和局域网2024年7月30日785.6

48、链路层交换机n集线器集线器q集线器本质上是物理层的中继器:q从一个接口收到的比特流会传给其它所有接口q同样速率q没有帧缓存q集线器没有 CSMA/CD : 由适配器检测碰撞q提供网络管理功能第五章 链路层和局域网2024年7月30日795.6 链路层交换机n集线器（或转发器）互联集线器（或转发器）互联q主干集线器将LAN网段互联起来q扩展了节点间的最大距离q原先独立的网段碰撞域变成了一个大的碰撞域q不能将10BaseT 和 100BaseT以太网互联10BaseT集线器10BaseT集线器10BaseT集线器主干集线器第五章 链路层和局域网交换机n链路层设备q存储和转发以太网帧q检查帧头部，根

49、据目的MAC地址转发帧q当帧转发到LAN网段, 用CSMA/CD 访问 LAN网段n透明q主机不知道交换机的存在n即插即用, 自学习q交换机不需配置2024/7/3080第五章 链路层和局域网交换机转发 转发帧时，如何决定转发到那个LAN网段? 看起来象一个路由问题.集线器集线器集线器交换机1232024/7/3081第五章 链路层和局域网自学习n交换机有一个交换表交换表 n交换表项: q(MAC地址,接口, 时间戳)q老的表项被删除 (TTL 可能为 60分钟) n交换机能学习到哪个主机从哪个接口到达q当收到帧的时候，交换机学习发送者的位置：进入的端口号q在交换表中记录发送者/位置对2024

50、/7/3082第五章 链路层和局域网交换机举例假定C发送帧到Dn交换机收到来自C的帧q在表中增加一项纪录：C 1q因为D不在表中，交换机将帧转发到接口2和3n帧被 D收到 集线器集线器集线器交换机ABCDEFGHI地址接口ABEGC112311232024/7/3083第五章 链路层和局域网交换机举例假定D返回数据给C. n交换机收到来自D的帧q在表中增加一项纪录：D 2q因为C在表中，交换机只将帧转发给接口1nC收到该帧 集线器集线器集线器交换机ABCDEFGHI地址接口ABEGCD1123122024/7/3084第五章 链路层和局域网交换机: 流量隔离n交换机将子网分成了LAN网段n交换

51、机包过滤: q同一LAN网段的帧通常不会转发到其它LAN网段q网段保持独立的碰撞域集线器集线器集线器交换机碰撞域碰撞域碰撞域2024/7/3085第五章 链路层和局域网交换机: 专用接入（点对点）n交换机有很多接口n主机直接连到交换机n没有碰撞; 全双工交换: A-to-A 和 B-to-B 同时传输，没有碰撞交换机AABBCC2024/7/3086第五章 链路层和局域网交换机: 专用接入（点对点）n由于每条链路变成了点对点链路，因此载波监听和碰撞检测不再需要n同时每个主机和交换机端口间的连接使用两对双绞线，因此每个主机可以工作在全双工模式下。n但帧的格式不变，因此仍然叫以太网交换机AABBC

52、C2024/7/3087第五章 链路层和局域网学院网络的组建案例集线器集线器集线器交换机到外部网络路由器IP 网络邮件服务器web 服务器2024/7/3088第五章 链路层和局域网2024年7月30日895.6 链路层交换机n以太网交换机以太网交换机 vs 路由器路由器q两者都是存储转发设备n路由器：网络层设备 (检查网络层头部，根据IP转发)n交换机是链路层设备（检查帧首部，根据MAC地址转发）q路由器维护路由表，实现路由算法q交换机维护交换表，实现MAC地址过滤、学习算法第五章 链路层和局域网2024年7月30日905.6 链路层交换机n集线器 vs 以太网交换机 vs 路由器 集线器路

53、由器 交换机流量隔离 无有有即插即用 有无有优化选路 无有无直通交换 有无有 第五章 链路层和局域网2024年7月30日915.7 PPP : 点对点协议n点到点数据链路控制点到点数据链路控制q一个发送方，一个接收方，一条链路，比广播链路更容易实现n没有媒体访问控制n不需要 MAC地址n如：拨号链路，ISDN电路q流行的点到点协议nPPP (point-to-point protocol)nHDLC: High level data link control (数据链路被认为是协议栈中的高层）第五章 链路层和局域网2024年7月30日925.7 PPP : 点对点协议nPPP设计要求设计要求R

54、FC 1547q分组成帧: 网络层的数据报封装成帧的数据q多种网络层协议:可携带任意网络层协议（不仅仅IP）的网络层数据，有向上分用的能力q比特透明: 携带的数据可以是任何比特模式的q多种类型链路:串行/并行；同步/异步；高速/低速q差错检测: (不纠错)q连接的活性: 检测链路层故障，并向网络层通知该差错q网络层地址协商: 提供机制使得网络层能获知/配置相互通信的网络层地址q简单性第五章 链路层和局域网2024年7月30日935.7 PPP : 点对点协议nPPP不要求实现不要求实现q差错纠正q流量控制q有序 q多点链路 (如：轮询)错误恢复，流量控制，数据排序交给上层处理错误恢复，流量控制

55、，数据排序交给上层处理第五章 链路层和局域网PPP协议栈网络层协议（如IP，IPX，Apple Talk等）网络控制协议NCP（具体到每个网络协议，如IPCP）链路控制协议（LCP）PPP数据帧物理层（如EIA/TIA-232，V.24，V.35等）其中：网络层数据包、其中：网络层数据包、NCP协议帧、协议帧、LCP协议帧都封装在协议帧都封装在PPP数据帧中数据帧中2024/7/3094第五章 链路层和局域网2024年7月30日955.7 PPP : 点对点协议nPPP数据帧格式数据帧格式q标志: 分隔符 (标志帧的开始和结束)q地址: 没有用 (只是一个选项)q控制: 没有用; 今后可能使用

56、控制域q协议: 帧中封装的数据所属的上层协议 (如PPP-LCP, IP:21, IPCP等) q信息: 携带的上层数据q校验和: 用于差错检测的循环冗余校验和标志地址 控制协议信息 校验和标志长度可变第五章 链路层和局域网字节填充n “数据透明” 要求: 数据域可以使用标志字段的值qQ: 收到的是数据还是标志?n发送方: 数据中的每个前增加填充字节（称为转义字节）n接收方: q看到 之前有字节: 丢弃第一个字节,继续后续的数据接收q单:帧的起始标志2024/7/3096第五章 链路层和局域网字节填充flag bytepatternin datato send传输数据中的标志序列进行字节填充2

57、024/7/3097第五章 链路层和局域网PPP 链路控制协议（LCP）在交换网络层数据之前, 数据链对等双方必须n配置 PPP 链路 (最大帧长度，认证)：通过LCP协议n学习/配置网络层信息 q对 IP: 携带IP控制协议 (IPCP)消息 (协议域: 8021) 配置/学习IP地址打开终止死亡鉴别网络层配置链路创建2024/7/3098第五章 链路层和局域网PPP 链路协议状态（1）nPPP总是以死亡状态开始n当发生了载波检测，PPP进入链路创建状态，在该状态下，双方通过LCP配置请求帧、 LCP配置确认帧（或LCP配置否认帧、 LCP配置拒绝帧）来协商最大帧长度，认证规范等选项。nLC

58、P帧为协议字段设为LCP，PPP信息字段包含具体配置请求的PPP帧。打开终止死亡鉴别网络层配置链路创建2024/7/3099第五章 链路层和局域网PPP 链路协议状态（2）n一旦链路建立起来，就执行认证（如果有）n接着进行网络层配置。如果IP运行在PPP上，IPCP协议配置PPP链路两端的IP协议模块。IPCP帧在PPP帧（协议字段8021）携带。IPCP允许PPP两端的IP模块交换或配置IP地址。n一旦网络层配置完成，PPP就可以发送网络层数据。链路处在打开状态。n一旦一方发送一个LCP帧来请求终止，则链路进入终止状态。n如果对方用LCP帧来确认终止，则链路进入死亡状态。打开终止死亡鉴别网络层配置链路创建2024/7/30100第五章 链路层和局域网作业题习 题:5、11、16、19