第三章第三章 数据链路层数据链路层计算机系网络工程研究所数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络主要内容主要内容n使用点对点信道的数据链路层使用点对点信道的数据链路层q数据链路和帧q三个基本问题n点对点协议点对点协议 PPPqPPP协议的特点qPPP协议的帧格式qPPP协议的工作状态n使用广播信道的数据链路层使用广播信道的数据链路层q局域网的数据链路层qCSMA/CD协议n使用广播信道的以太网使用广播信道的以太网q使用集线器的星形拓扑q以太网的信道利用率q以太网的MAC层n扩展的以太网扩展的以太网q在物理层扩展以太网q在数据链路层扩展以太网n高速以太网高速以太网q100BASE-T以太网q吉比特以太网q10吉比特以太网n其他类型的高速局域网接口其他类型的高速局域网接口数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络数据链路层数据链路层数据链路层使用的信道主要有以下两种类型：数据链路层使用的信道主要有以下两种类型：n点对点信道点对点信道。这种信道使用一对一的点对点通信方式。q点对点协议PPPn广播信道广播信道。这种信道使用一对多的广播通信方式，因此过程比较复杂。广播信道上连接的主机很多，因此必须使用专用的共享信道协议共享信道协议来协调这些主机的数据发送。q共享信道的局域网数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络数据链路层的简单模型数据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从层次上来看数据的流动数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络数据链路层的简单模型数据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仅从数据链路层观察帧的流动数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络使用点对点信道的数据链路层使用点对点信道的数据链路层 n数据链路与帧数据链路与帧q链路链路(link)是一对相邻结点间的物理线路，中间没有任何其他的交换结点。n一条链路只是一条通路的一个组成部分。n两个计算机之间的通信路径往往需要经过多个这种链路。（也称为物理链路物理链路）q数据链路数据链路(data link) 除了物理线路外，还必须有通信协议来控制这些数据的传输。n若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。n现在最常用的方法是使用网络适配器网络适配器（如以太网适配器，拨号适配器）来实现这些协议的硬件和软件。n一般的适配器都包括了数据链路层和物理层这两层的功能。（也称为逻辑链路逻辑链路）。 数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络数据链路与帧数据链路与帧n帧：帧：数据链路层的协议数据单元（PDU）n采用与数据链路层相关的三层模型，来说明相采用与数据链路层相关的三层模型，来说明相邻结点间的通信。邻结点间的通信。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络数据链路与帧数据链路与帧IP数据报10100110帧取出数据链路层网络层链路结点A结点B物理层数据链路层结点A结点B帧(a)(b)发送帧接收链路IP数据报10100110帧装入数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络数据链路与帧数据链路与帧n点对点信道的数据链路层在进行通信的主要步骤：点对点信道的数据链路层在进行通信的主要步骤：q结点A的数据链路层把网络层交下来的IP数据报添加首部和尾部封装成帧。q结点A把封装好的帧发给结点B的数据链路层q若结点B的数据链路层收到的帧无差错，则从收到的帧中提取出IP数据报上交给网络层；否则丢弃这个帧（重发工作由上层完成，此处只确保无错传输）。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络数据链路层协议的三个基本问题数据链路层协议的三个基本问题n封装成帧封装成帧 n透明传输透明传输n差错检测差错检测数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络封装成帧封装成帧n封装成帧封装成帧(framing)：在一段数据的前后分别添加首部首部和尾部尾部，然后就构成了一个帧。确定帧的界限。n首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界帧定界。q因特网上传输的分组（IP数据报），在网络层的IP数据报传送到数据链路层就成为帧的数据部分。在帧的数据部分前面和后面分别添加上首部和尾部，构成完整的帧。发送帧时，从帧的首部开始发送。n首部和尾部还包括必要的控制信息控制信息。每种数据链路层协议都要对帧首部和尾部的格式帧首部和尾部的格式有明确的规定。并规定了帧的数据部分数据部分的长度上限的长度上限最大传送单元MTU。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络封装成帧封装成帧帧结束帧首部IP数据报帧的数据部分帧尾部MTU数据链路层的帧长开始发送帧开始数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络封装成帧封装成帧n帧定界的方法帧定界的方法：q在数据完全是ASCII码组成的文本的时候，使用特殊的帧定界符对帧定界。qASCII码由7位编码（128种编码），95种可打印的，33种不可打印的控制字符。q控制字符控制字符SOH（StartOfHeader，值为0X01）放在帧的最前面，表示帧的开始。q控制字符控制字符EOT（EndOfTransmission，值为0X04）表示帧的结束。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络封装成帧封装成帧n只有具有完整帧定界符的帧，才是正确有效的只有具有完整帧定界符的帧，才是正确有效的帧，否则丢弃。帧，否则丢弃。SOH装在帧中的数据部分帧帧开始符帧结束符发送在前EOT数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络透明传输透明传输n如果在传输的数据中有存在和表示帧定界符的控制字符具有相同的比特编码时，则会出现帧定界错误帧定界错误。n当传送的帧都是由ASCII码码表示的文本文件组成的帧，则其数据部分肯定不会出现SOH或者EOT这种帧定界控制字符。无论何种键盘输入的字符，都可以使用这种帧进行传输，这种传输这种传输就是透明传输就是透明传输。n若数据部分是非非ASCII码码的文本文件时（二进制代码或者图片等），这些数据中可能会包含和帧定界控制字符具有相同编码的数据，数据链路层在解封装解封装的时候会错误地找到帧的边界，导致数据传输错误。这种显然不是透明传输了。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络透明传输透明传输n解决这个问题：解决这个问题：q必须设法，使得在数据中出现的“00000100”（EOT）和“00000001”（SOH）在接收端不被解释为不被解释为控制字符。SOHEOT出现了“EOT”被接收端当作无效帧而丢弃被接收端误认为是一个帧数据部分EOT完整的帧发送在前数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络透明传输透明传输n具体方法：具体方法：q定义一个转义字符“ESC”（0x1B），在数据中遇到“EOT”或者“SOH”控制字符时，在控制字符前面插入“ESC”转义字符。q而在接收端的数据链路层在将数据送往网络层之前删除这个插入的转义字符。字节填充字节填充（bytestuffing）或字符填充字符填充（characterstuffing）。q若在数据中存在转义字符，则仍然在转义字符前插入一个转义字符。q接收端收到2个转义字符时，删除一个转义字符。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络透明传输透明传输SOHSOHEOTSOHESCESCEOTESCSOHESCESCESCSOH原始数据EOTEOT经过字节填充后发送的数据字节填充字节填充字节填充字节填充发送在前帧开始符帧结束符SOH数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络差错检测差错检测n在传输过程中可能会产生比特差错比特差错：1可能会变成0而0也可能变成1，是传输差错的一种（帧丢失、帧重复、帧失序等）。n在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比率称为误码率误码率 BER(BitErrorRate)，如：10-10。n误码率与信噪比有很大的关系，信噪比提高可以减小误码率，但误码率不可能下降到但误码率不可能下降到0。n为了保证数据传输的可靠性，在计算机网络传输数据时，必须采用各种差错检测措施。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络差错检测差错检测n循环冗余检验（循环冗余检验（Cyclic Redundancy Check）原理）原理q在数据链路层传送的帧中，广泛使用了循环冗余检验CRC的检错技术。q在发送端，先把数据划分为组。假定每组k 个比特。q假设待传送的一组数据M=101001（现在k=6）。qM 的后面再添加供差错检测用的n 位冗余码位冗余码一起发送（共发送k+n）。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络差错检测差错检测n用二进制的模模 2 运算运算进行2n 乘M 的运算，这相当于在M 后面添加n 个0。qM=101001；M*23101001000n得到的(k+n)位的数除以事先选定好的长度为(n+1)位的除数P，得出商是Q 而余数是R，余数R 比除数P 少1位，即R 是n位。R就是n位冗余码。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络差错检测差错检测n现在 k=6,M=101001。n设 n=3,除数除数P=1101，被除数是2nM=101001000。n模2运算的结果是：商商 Q=110101，余数余数 R=001。n把余数R 作为冗余码冗余码添加在数据M 的后面发送出去。发送的数据是：2nM+Rn即：101001001，共(k+n)位。 数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络差错检测差错检测 110101Q (商) P (除数) 11011010010002nM (被除数) 11011110110101110000111011010110000011001101001R(余数)，作为FCS 数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络差错检测差错检测n在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列帧检验序列 FCS (Frame Check Sequence)。 n循环冗余检验CRC和帧检验序列FCS并不等同。qCRC是一种常用的检错方法检错方法，而FCS是添加在数据后面的冗余码冗余码。qFCS可以用CRC这种方法得出，但CRC并非用来获得FCS的唯一方法。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络差错检测差错检测n接收端对收到的每一帧进行接收端对收到的每一帧进行 CRC 检验：检验：q(1)若得出的余数R=0，则判定这个帧没有差错，就接受接受(accept)。q(2)若余数R0，则判定这个帧有差错，就丢弃丢弃。n使用生成多项式表示生成多项式表示P(X)表示除数P，q如P=1101，P(X)X3X21。q广泛使用的生成多项式有：nP(X)X16X15X21nP(X)X16X12X51nP(X)X32X26X23X22X16X12X11X10X8X7X5X4X2X1 数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络差错检测差错检测n在数据链路层，发送端帧检验序列帧检验序列FCS的生成和接收端的CRC检验检验都是采用硬件完成硬件完成，处理很迅速，不会延误数据的传输。n必须以帧为单位以帧为单位来传输数据，才能加入冗余码进行差错检验。在每个帧中加入冗余码，传输，在接收端逐个进行检验。n这种检测方法并不能确定并不能确定究竟是哪一个或哪几个比特出现了差错。n只要经过严格的挑选，并使用位数足够多的除数P，那么出现检测不到的差错检测不到的差错的概率就很小很小。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络差错检测差错检测n仅用循环冗余检验CRC差错检测技术只能做到无差无差错接受错接受(accept)。n“无差错接受”是指：“凡是接受的帧（即不包括丢弃的帧），我们都能以非常接近于接近于 1 的概率的概率认为这些帧在传输过程中没有产生差错”。n也就是说：“凡是接收端数据链路层接受的帧都没有传输差错”（有差错的帧就丢弃而不接受有差错的帧就丢弃而不接受）。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络差错检测差错检测n可靠传输：可靠传输：q数据链路层的发生端发生什么，接收端就收到什么。q传输差错分为：比特差错；帧丢失，帧重复或帧失序。n如：发送端发送了3个帧：#1-#2-#3，接收到如下可能q帧丢失：收到#1-#3q帧重复：收到#1-#2-#2-#3q帧失序：收到#1-#3-#2n这三种情况都属于传输差错传输差错，但都不是比特差错。n在OSI体系中要求了数据链路层为可靠传输，需要：帧编号、确认和重传机制。在线路质量不好的时候，非常有用。n因特网上基本不使用确认和重传机制了，不要求它们为上层提供可靠传输，它们的代价太高，这些问题交给了传输层解决。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络点对点协议点对点协议PPP n早期通信线路较差的年代，数据链路层使用可靠传输协议如高级数据链路控制协议高级数据链路控制协议HDLC（High-level Data Link Control）q一种面向bit数据链路控制协议，提供了数据帧可靠的传输，确保数据帧的正确、有序、不重复，以及流量控制n现在通信线路已经改善了，使用简单的点对点协议PPP（Point-to-Point）代替HDLC协议数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络点对点协议点对点协议PPPn现在全世界使用得最多的数据链路层协议是点对点协议PPP(Point-to-PointProtocol)。n用户使用拨号电话线接入因特网时，一般都是使用PPP协议。PPP协议由IETF制定，RFC1661用户至因特网已向因特网管理机构申请到一批 IP 地址ISP接入网PPP协议数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络PPP 协议应满足的需求协议应满足的需求 （1）简单）简单这是首要的要求这是首要的要求q数据链路层的帧，不需要提供纠错，不需要序号，不需要流量控制。q误码率高的无线链路上会有更复杂的链路层协议。qPPP数据链路层：n接收方收到一个帧，就进行CRC检验，如CRC检验正确，就收下这个帧；n反之，丢弃帧，其它什么也不做。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络PPP 协议应满足的需求协议应满足的需求（2）封装成帧）封装成帧 qPPP协议必须使用特殊的字符作为帧定界符帧定界符（标志一个帧的开始和结束的字符），以便使接收端从收到的比特流中能准确地找出帧的开始和结束位置。（3）透明性）透明性qPPP协议必须保证数据传输的透明性。采取有效的措施解决，与帧定界符相同的比特组合（同步链路：零比特填充零比特填充；异步链路：字节填充字节填充）。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络PPP 协议应满足的需求协议应满足的需求（4）多种网络层协议）多种网络层协议 qPPP协议能够在同一条物理链路上同时支持多种网络层协议（如IP和IPX等）的运行。q点对点链路连接的是局域网或路由器，PPP协议必须同时支持在链路所连接的局域网或路由器上运行的各种网络协议。（5）多种类型链路）多种类型链路 q要支持在多种类型的链路上运行。如：串行的链路、并行的链路、同步的或异步链路，低速或高速的，电信号或光信号的链路，动态交换的或静态非交换的链路。q如PPPoE，就是支持以太网上运行的PPP协议。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络PPP 协议应满足的需求协议应满足的需求（6）差错检测）差错检测qPPP协议必须能够对接收端收到的帧进行检测，并立即丢弃有差错的帧丢弃有差错的帧。如果不这么做，差错的无用帧就还要在网络中继续转发，浪费资源。（7）检测连接状态）检测连接状态 q必须具有一种机制能够及时的自动检测出链路是否处于正常工作状态。q如：线路出现故障，又恢复正常时。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络PPP 协议应满足的需求协议应满足的需求（8）最大传送单元）最大传送单元qPPP协议必须对每种类型的点对点链路设置最大传送单元MTU的标准默认值（多数网络实现都规定了这种上限）。qMTU是数据链路层的帧可以载荷的数据部分数据部分的最大最大长度长度，而不是帧的总长度。q如果高层协议发送的分组（IP分组）过长超过MTU值，PPP协议就要丢弃这样的帧，并返回差错。q（通常高层协议会根据链路层的MTU，进行分片）数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络PPP 协议应满足的需求协议应满足的需求（9）网络层地址协商）网络层地址协商qPPP必须提供一种机制使通信的两个网络层两个网络层的实体能够通过协商知道或能够配置彼此的网络层地址。q如在拨号连接的链路中，仅仅在链路层建立了连接而不知道对方网络层地址，则还不能够保证网络层能够传送分组。（10）数据压缩协商）数据压缩协商q提供一种方法来协商使用数据压缩算法数据压缩算法。q如压缩TCP和IP数据报头的，减少链路上发送的比特数。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络（2）PPP 协议不需要的功能协议不需要的功能（1）纠错）纠错qTCP/IP协议族中，可靠传输由TCP协议负责，数据链路层的PPP协议只进行检错。PPP协议是不可靠传输协议。（2）流量控制）流量控制q在TCP/IP协议中，端到端的流量控制由TCP负责，PPP协议不需要重复进行流量控制。（3）序号）序号qPPP为不可靠协议，不使用帧的序号。不可靠网络中可能使用有序号的工作方式。（4）多点线路）多点线路qPPP协议不支持多点线路，而只支持点对点的链路通信。（5）半双工或单工链路）半双工或单工链路 qPPP协议只支持全双工链路数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络（3）PPP 协议的组成协议的组成 nPPP 协议有三个组成部分协议有三个组成部分 （1）一个将）一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法。数据报封装到串行链路的方法。nPPP既支持异步链路异步链路（无奇偶检验的8比特数据），也支持面向比特的同步链路同步链路。IP数据报在PPP帧中就是其信息部分，其长度受到MTU的限制。（2）链路控制协议）链路控制协议 LCP (Link Control Protocol)。n用来建立、配置和测试数据链路的链路控制协议。通信双方可协商一些选项。（3）网络控制协议）网络控制协议 NCP (Network Control Protocol)。n其中每个协议支持一种不同的网络层协议，如IP、OSI的网络层、AppleTalk等数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络PPP 协议的帧格式协议的帧格式IP数据报1211字节12不超过1500字节PPP帧先发送7EFF03FACFCSF7E协议信息部分首部尾部首部四个字段首部四个字段尾部两个字段尾部两个字段尾部两个字段尾部两个字段标志字段标志字段F(Flag)01111110 PPP帧的定界符帧的定界符地址字段地址字段A控制字段控制字段C没有携带没有携带PPP帧的信息帧的信息CRC的帧检验帧检验序列序列PPP 有一个有一个 2 个字节的协议字段。个字节的协议字段。当协议字段为当协议字段为 0x0021 时，时，PPP 帧的信息字段就是帧的信息字段就是IP 数据报。数据报。若为若为 0xC021, 则信息字段是则信息字段是 PPP 链路控制数据。链路控制数据。若为若为 0x8021，则表示这是网络控制数据。，则表示这是网络控制数据。 数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络PPP 协议的帧格式协议的帧格式n字节填充字节填充q避免在信息字段中出现和标志字段一样的比特组合（0X7E）。q当PPP使用异步传输异步传输时，定义转义字符转义字符0X7D，并使用字节填充，RFC1662规定：（1）将信息字段中出现的每一个0x7E 字节字节转变成为2字节序列(0x7D,0x5E)。（2）若信息字段中出现一个0x7D 的字节的字节,则将其转变成为2字节序列(0x7D,0x5D)。（3）若信息字段中出现ASCII 码的控制字符码的控制字符（即数值小于0x20的字符），则在该字符前面要加入一个0x7D字节，同时将该字符的编码加以改变。（第六个bit取反）q在发送端进行了字节填充，链路上传递的信息字节数超过超过原来的信息字节数。接收端在进行字节填充相反的工作，恢复为原来的信息。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络零比特填充零比特填充 nPPP协议用在SONET/SDH链路时，使用同步同步传输传输（一连串的比特连续传送），不是异步传输（逐个字符地传送）。q采用比特填充方法来实现透明传输。q信息字段中出现了和标志字段F完全一样的8比特组合（0x7E）；q发送端在5个连1之后填入0比特再发送出去；在接收端把5个连1之后的0比特删除数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络信息字段中出现了和标志字段F完全一样的8比特组合发送端在5个连1之后填入0比特再发送出去在接收端把5个连1之后的0比特删除零比特填充01001111101000101001001111110001010010011111010001010会被误认为是标志字段F发送端填入0比特接收端删除填入的0比特数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络PPP协议的工作状态协议的工作状态 n当用户拨号接入当用户拨号接入 ISP 时，路由器的调制解调器对拨号做出确认，并时，路由器的调制解调器对拨号做出确认，并建立一条物理连接。建立一条物理连接。nPC 机向路由器发送一系列的机向路由器发送一系列的 LCP 分组（封装成多个分组（封装成多个 PPP 帧），以帧），以便建立便建立LCP连接，这些分组及其响应选择和协商一些连接，这些分组及其响应选择和协商一些 PPP 参数。参数。n然后进行网络层配置，然后进行网络层配置，NCP 给新接入的给新接入的 PC机分配一个临时的机分配一个临时的 IP 地地址，使址，使 PC 机成为因特网上的一个主机。机成为因特网上的一个主机。n通信完毕时，通信完毕时，NCP 释放网络层连接，收回原来分配出去的释放网络层连接，收回原来分配出去的IP地址。地址。nLCP释放数据链路层连接。释放数据链路层连接。n最后释放的是物理层的连接。最后释放的是物理层的连接。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络设备之间无链路设备之间无链路链路静止链路静止链路建立鉴别网络层协议链路打开链路终止物理链路LCP链路已鉴别的LCP链路已鉴别的LCP链路和NCP链路物理层连接建立LCP配置协商鉴别成功或无需鉴别NCP配置协商链路故障或关闭请求LCP链路终止鉴别失败LCP配置协商失败PPP链接的链接的起始和终止状态起始和终止状态数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络设备之间无链路链路静止链路建立鉴别网络层协议链路打开链路终止物理链路物理链路LCP链路已鉴别的LCP链路已鉴别的LCP链路和NCP链路物理层连接建立物理层连接建立LCP配置协商鉴别成功或无需鉴别NCP配置协商链路故障或关闭请求LCP链路终止鉴别失败LCP配置协商失败PC机通过调制解调器呼叫路由机通过调制解调器呼叫路由器时，路由器能检测到调制解调器时，路由器能检测到调制解调器发出的载波信号，并作出应答。器发出的载波信号，并作出应答。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络设备之间无链路链路静止链路建立链路建立鉴别网络层协议链路打开链路终止物理链路LCP 链路链路已鉴别的LCP链路已鉴别的LCP链路和NCP链路物理层连接建立LCP 配置协商配置协商鉴别成功或无需鉴别NCP配置协商链路故障或关闭请求LCP链路终止鉴别失败LCP配置协商失败发送发送LCP的的配置请求帧配置请求帧，信息字，信息字段包含特定的配置请求段包含特定的配置请求另一端可以发送几种响应的一种。另一端可以发送几种响应的一种。配置确认帧配置确认帧（Configure-Ack）：所有选项都接受所有选项都接受配置否认帧配置否认帧（Configure-Nak）：所有选项都理解但是不能接受所有选项都理解但是不能接受配置拒绝帧配置拒绝帧（Configure-Reject）：选项有的无法识别或不能接受，需要协商选项有的无法识别或不能接受，需要协商LCP配置选项包括：配置选项包括：链路上的最大帧长链路上的最大帧长所使用的鉴别协议（所使用的鉴别协议（authentication protocol）的规约（如果有）的规约（如果有）不使用不使用PPP帧中的地址和控制字段。帧中的地址和控制字段。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络PPP协议的工作状态协议的工作状态nLCP帧共有11种（以上为4种配置型帧）。q关闭线路：关闭线路：Terminate-request请求关闭线路帧，Terminate-ack接受关闭线路；q应答方无法理解：应答方无法理解：Code-reject收到了未知的请求未知的请求，Protocol-reject被请求的协议未知协议未知；可能是传输错误或者LCP协议版本不同q用于测试线路质量：用于测试线路质量：Echo-request回送请求帧回送请求帧，Echo-reply回送应答帧回送应答帧；q用于测试：用于测试：Discard-request只需丢弃该帧数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络设备之间无链路链路静止链路建立鉴别鉴别网络层协议链路打开链路终止物理链路LCP链路已鉴别的已鉴别的 LCP 链路链路已鉴别的LCP链路和NCP链路物理层连接建立LCP配置协商鉴别成功或无需鉴别鉴别成功或无需鉴别NCP配置协商链路故障或关闭请求LCP链路终止鉴别失败鉴别失败LCP配置协商失败此状态下只允许传送：此状态下只允许传送：LCP协议的分组协议的分组、鉴鉴别协议分组别协议分组、监测链路质量的分组监测链路质量的分组。如果使用如果使用口令鉴别协议口令鉴别协议PAP（Password Authentication Protocol），需要需要发起通信的一方发送身份标识符和口令。发起通信的一方发送身份标识符和口令。或者复杂的或者复杂的口令握手鉴别协议口令握手鉴别协议（Challenge-HandshakeAuthenticationProtocol）。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络设备之间无链路链路静止链路建立鉴别网络层协议网络层协议链路打开链路终止物理链路LCP链路已鉴别的LCP链路已鉴别的已鉴别的 LCP 链路链路和和 NCP 链路链路物理层连接建立LCP配置协商鉴别成功或无需鉴别NCP 配置协商配置协商链路故障或关闭请求LCP链路终止鉴别失败LCP配置协商失败PPP链路的两端的链路的两端的网络控制协议网络控制协议NCP根据网根据网络层的不同协议互相交换网络层络层的不同协议互相交换网络层特定的网络特定的网络控制分组控制分组，进行，进行配置网络层配置网络层。若在若在PPP链路上运行的是链路上运行的是IP协议，则对协议，则对PPP链路的每一端配置链路的每一端配置IP协议模块时协议模块时要使用要使用NCP中支持中支持IP的协议的协议IP控制协议控制协议IPCP（IP Control Protocol）。IPCP分组封装成分组封装成PPP帧，在链路上传送，帧，在链路上传送，协议字段为协议字段为0x8201。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络设备之间无链路链路静止链路建立鉴别网络层协议链路打开链路打开链路终止物理链路LCP链路已鉴别的LCP链路已鉴别的LCP链路和NCP链路物理层连接建立LCP配置协商鉴别成功或无需鉴别NCP配置协商链路故障或关闭请求LCP链路终止鉴别失败LCP配置协商失败链路的两个链路的两个PPP端点可以彼此端点可以彼此向对方向对方发送分组发送分组，或者发送检，或者发送检查链路状态的查链路状态的Echo-*帧帧数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络设备之间无链路链路静止链路建立鉴别网络层协议链路打开链路终止链路终止物理链路LCP链路已鉴别的LCP链路已鉴别的LCP链路和NCP链路物理层连接建立LCP配置协商鉴别成功或无需鉴别NCP配置协商链路故障或链路故障或关闭请求关闭请求LCP链路终止鉴别失败LCP配置协商失败使用使用Terminate-request帧终帧终止链路止链路收到对方的收到对方的Terminate-Ack帧帧数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络设备之间无链路链路静止链路静止链路建立鉴别网络层协议链路打开链路终止物理链路LCP链路已鉴别的LCP链路已鉴别的LCP链路和NCP链路物理层连接建立LCP配置协商鉴别成功或无需鉴别NCP配置协商链路故障或关闭请求LCP 链路链路终止终止鉴别失败LCP配置协商失败调制解调器的载波停止调制解调器的载波停止数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络设备之间无链路链路静止链路建立鉴别网络层协议链路打开链路终止物理链路LCP链路已鉴别的LCP链路已鉴别的LCP链路和NCP链路物理层连接建立LCP配置协商鉴别成功或无需鉴别NCP配置协商链路故障或关闭请求LCP链路终止鉴别失败LCP配置协商失败数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.3使用广播信道的数据链路层使用广播信道的数据链路层 n3.3.1局域网的数据链路层局域网的数据链路层 q局域网特点：局域网特点：n网络为一个单位所有n地理范围小、站点数目有限n具有较高的数据率n较低的时延n较小的误码率数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.3使用广播信道的数据链路层使用广播信道的数据链路层q局域网优点：局域网优点：n具有广播功能，从一个站点可以方便的访问全网。局域网上的主机可共享连接在局域网上的各种资源。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、可用性和生存性。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.3使用广播信道的数据链路层使用广播信道的数据链路层n局域网的拓扑局域网的拓扑q环形网：环形网：典型的就是令牌环形网。q总线网：总线网：n各站直接连接在总线上，总线两端的匹配电阻吸收在总线上传播的电磁波信号的能量，避免在总线上产生有害的电磁波反射。n总线网采用两种协议总线网采用两种协议。q（1）传统的以太网以太网使用的CSMA/CD（带冲突检测的载波侦听多路访问）；已经演变成星形网q（2）令牌总线网，物理上是总线网而逻辑上是令牌环形网,已经退出市场。q星形网：星形网：n集线器（hub）的出现和双绞线大量用于局域网中，星形以太网以及多级星形结构的以太网获得了非常广泛的应用。q树形网：树形网：n是总线网的变型，属于广播信道的网络，主要用于频分复用的宽带局域网。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.3使用广播信道的数据链路层使用广播信道的数据链路层n由于以太网的迅速发展，目前的以太网几乎成了局域网的代名词。由于以太网的迅速发展，目前的以太网几乎成了局域网的代名词。 数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络hubhubhubhubhubhubSwitchSwitchServerServerfarmfarmstationstationstationsstationsstationsstations数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络局域网的传输媒体局域网的传输媒体 n双绞线最便宜双绞线最便宜：q原来用于低速（1-2Mb/s）基带局域网。现在10Mb/s，100Mb/s,1Gb/s局域网也可使用双绞线。双绞线已经成为局域网中主流传输媒体。n50欧姆同轴电缆：q可用到10Mb/s，基带传输；q75欧姆同轴电缆可用到几百Mb/s，宽带传输。n光纤可以用于环形网环形网中和点对点线路点对点线路，100Mb/s10Gb/s数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络媒体共享技术媒体共享技术 n共享信道着重考虑如何使众多用户可以合理方便地共享通信媒体资源共享通信媒体资源。 q静态划分信道静态划分信道 n频分复用；时分复用；波分复用；码分复用等，用户分配到信道后就不会和其它用户发生冲突。n这种划分信道的方法代价比较高，不适合局域网使用。nn个站点就需要Cn2个通道，信道多数空闲数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络媒体共享技术媒体共享技术q动态媒体接入控制动态媒体接入控制又称多点接入多点接入，特点是信道并非在用户通信时固定分配给用户。n随机接入：随机接入： 每个用户可随机地发送信息，若刚好多个用户同时发送时，共享媒体上产生冲突，这些用户发发送都失败。需要解决这种冲突问题。n受控接入：受控接入： 用户要服从一定的控制。如分散控制的令牌局域网和集中控制的多点线路轮询。n重点讨论随机接入的以太网以太网。 数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络以太网的两个标准以太网的两个标准 nDIXEthernetV2是世界上第一个局域网产品（以太网）的规约。RFC894nIEEE的802.3标准。RFC1042nDIXEthernetV2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“以太网以太网”。n严格说来，“以太网”应当是指符合DIXEthernetV2标准的局域网数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络数据链路层的两个子层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（802.4令牌环网、802.5令牌总线网、802.3以太网），802委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层：n逻辑链路控制逻辑链路控制 LLC(LogicalLinkControl)子层n媒体接入控制媒体接入控制 MAC(MediumAccessControl)子层数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络数据链路层的两个子层数据链路层的两个子层n与接入到传输媒体有关的内容都放在MAC子层nLLC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2LLCLLC子层看不见子层看不见下面的局域网下面的局域网数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络数据链路层的两个子层数据链路层的两个子层n数据链路层在不同的子标准中定义数据链路层在不同的子标准中定义q分别对应于分别对应于LLC子层和子层和MAC子层子层 802.3CSMA/CD802.4Token Bus802.5Token Ring802.6DQDB802.8FDDI802.2 LLC数据链路层数据链路层 物理层物理层LLCMAC802.1D Bridge8 0 2 体体系系结结构构PHY网际互联网际互联数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络适配器的作用适配器的作用n计算机是如何连接到局域网上的通过适配器适配器（网卡）。n适配器上装有处理器处理器和存储器存储器。n适配器和局域网之间的通信是通过电缆或双绞线以串串行传输方式进行行传输方式进行的n而适配器和计算机之间的通信则是通过计算机主板上I/O总线以并行传输方式进行并行传输方式进行的。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络适配器的作用适配器的作用n当适配器收到有差错的帧时，把帧丢弃而不必通知计算机。n收到正确帧时，使用中断中断通知该计算机并交付给协议栈中的网络层。n当计算机要发送IP数据报时，就由协议栈把IP数据报向下交给适配器，组装成帧后发送到局域网。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.3.2 CSMA/CD 协议协议n早期的以太网早期的以太网q以太网最初的思路：以太网最初的思路：n寻找很简单的方法把一些相距不太远的计算机互相连接起来，使它们可以很方便和很可靠地进行较高速率的数据通信。q早期的以太网早期的以太网：n将许多计算机都连接到一根总线上。简单可靠的连接方法，是无源器件。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.3.2 CSMA/CD 协议协议n总线特点：总线特点： q广播通信方式：广播通信方式：n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。q我们并不总是在局域网上进行一对多的广播通信我们并不总是在局域网上进行一对多的广播通信q在总线上实现一对一的通信：在总线上实现一对一的通信：n使得每台计算机的适配器拥有一个与其它适配器都不同的地址。n在发送数据帧时，在帧的首部写明接收站点的地址。n只有当数据帧中的目的地址和适配器ROM中存放的硬件地址一致时，该适配器才能接收这个数据帧。n适配器对不是发送给自己的数据帧就丢弃。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.3.2 CSMA/CD 协议协议B向D发送数据CDAE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发送的数据局域网中：主机主机、工作站工作站、站点站点、站站都是指计算机数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.3.2 CSMA/CD 协议协议n以太网的两种措施以太网的两种措施 q无连接的工作方式无连接的工作方式n不必先建立连接、对数据帧不进行编号、不要求对方确认、进行比特差错检测、不纠错 、不进行流量控制n局域网信道的质量很好信道的质量很好，因通信质量不好产生差错的概率是很小的 n以太网提供的服务是不可靠的交付不可靠的交付，即尽最大努力的交付尽最大努力的交付n丢弃错误帧、有差错帧的重传则由高层来决定。以太网并不区分重传帧，而是当作新的数据帧来发送。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.3.2 CSMA/CD 协议协议n曼彻斯特（曼彻斯特（Manchester）编码）编码q二进制基带数字信号基带数字信号通常就是高、低电压交替出现的信号。无法从比特流中提取同步（即比特同步）信号。q曼彻斯特编码，在每个bit再分成两个相等的间隔。1在bit中间位置，电平低-高；0则相反，高-低；q每个bit的正中间出现一次电压的转换，接收端可以根据这种电压的转换很方便地把位同步信号提位同步信号提取取出来。q缺点是：所占的频带宽度频带宽度比原始的基带信号增加增加一倍一倍。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.3.2 CSMA/CD 协议协议 基带数字信号基带数字信号曼彻斯特编码曼彻斯特编码 码元码元1111100000出现电平转换出现电平转换数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.3.2 CSMA/CD 协议协议n协调总线上各计算机的工作协调总线上各计算机的工作 q总线上只要有一台计算机在发送数据，总线的传输资源就被占用。q在同一时间只能允许一台计算机发送信息q否则各计算机之间会相互干扰，结果大家都无法正常发送数据。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.3.2 CSMA/CD 协议协议n有关信道动态分配的五个假设：有关信道动态分配的五个假设：q站模型站模型q单信道假设单信道假设q冲突假设冲突假设q时间假设时间假设q侦听假设侦听假设数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.3.2 CSMA/CD 协议协议n站模型：站模型：station model1.由N个独立的站组成（pc、电话、个人通信设备）2.每个站点可以产生待发送的帧3.在时间t内，一个帧生成的概率是*t，常量表示新帧到达率4.一旦一个帧已经生成，则该站点等待发送，直到帧成功发送各个站点相互独立，以固定速率产生数据帧某站点一旦产生新帧，即使被阻塞，也不会有新的帧产生，直到发送完毕，再以概率产生帧数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.3.2 CSMA/CD 协议协议n单信道假设单信道假设1.所有通信，包括发送和接收，都是通过单通道进行2.所有站点都在该通道上发送或接收信息3.所有站点都是平等的，各站点没有主从之分任何时刻只允许一个站点可以发送，均通过争用才能取得发送权任何时刻只允许一个站点可以发送，均通过争用才能取得发送权数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.3.2 CSMA/CD 协议协议n冲突假设冲突假设1.如两帧同时发送，则发送冲突2.所有站点都能够检测出冲突3.冲突的帧必须重发，假设只有冲突引起的差错，没有其他差错每个站点都是通过争用取得发送权，冲突不可避免每个站点都是通过争用取得发送权，冲突不可避免数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.3.2 CSMA/CD 协议协议n时间假设时间假设1.时间连续帧的发送可在任意时刻2.分槽时间时间被分为多个时隙（时间槽），帧在时隙的开始处才能发送，一个时隙可以发送多个帧。同一个时隙中有2个以上站点发送则产生冲突n时间假设二选一数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.3.2 CSMA/CD 协议协议n侦听假设侦听假设1.载波侦听（局域网）载波侦听（局域网）所有站点在使用信道前，都可检测到当前信道是否正被使用（忙状态），如忙则等待2.非载波侦听（无线网）非载波侦听（无线网）所有站在使用信道前，不检测当前信道是否正在使用，盲目发送策略数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.3.2 CSMA/CD 协议协议n几种的多路访问协议几种的多路访问协议q纯纯ALOHA协议协议n有数据就发送，然后监听信道看是否有冲突q分槽分槽ALOHA协议协议n有数据就在分槽中发送n载波侦听多路访问协议载波侦听多路访问协议CSMAq1持续持续CSMAn有数据且信道闲，就发送；忙则一直等到信道闲q非持续非持续CSMAn有数据且信道闲，就发送；忙则等待一段随机时间重新检测信道qP-持续持续CSMAn用于分槽信道，信道闲则以p概率发送数据，以1p概率推迟到下一时槽，再用算法；直到数据发送或者和另一站点冲突n信道忙则等到下一时槽。无载波检测数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.3.2 CSMA/CD 协议协议n纯纯ALOHA协议协议q基本思想：当用户有数据要发送时，则发送数据；然后监听信道的信号反馈，检测信道确定是否发送成功；如发生冲突则经过随机延时再发送qALOHA协议发送帧的效率分析n设帧长相同，发送一个帧时间为t帧时n每个“帧时”全网平均产生N（均值）个新帧符合泊松分布N1时：大于信道处理能力，百分百冲突所以N取值区间（0,1）数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.3.2 CSMA/CD 协议协议n纯纯ALOHA协议协议qAloha协议发送帧的效率分析n除了新产生帧，还有重新发送的旧帧的产生每个“帧时”，实际有k次（新老帧）传输的概率泊松分布其均值G=N低负载N0时，冲突产生少，重传少，所以GN高负载时，冲突多，GNn吞吐量S：负载G*每次传输成功的概率P0(没有冲突的概率)S=G*P0n每个帧时生成k个帧的概率泊松分布n生成0个帧的概率：数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.3.2 CSMA/CD 协议协议n纯纯ALOHA协议协议qAloha协议发送帧的效率分析n冲突期为2个帧时，则生成帧数的均值为2G生成k帧的概率n吞吐量：qG取值0.5时，S取最大值0.18数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.3.2 CSMA/CD 协议协议n分槽分槽ALOHA协议协议q将将ALOHA系统容量增加一倍系统容量增加一倍q原理：原理：将时间分成离散的间隔，每个间隔对已一个帧。要求用户遵守统一的时槽边界。用户需要发送的帧必须在每个时槽的开始时发送。q冲突危险期减少了一半，为一个“帧时”qG=1时，时，S=0.368数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.3.2 CSMA/CD 协议协议n载波侦听多路访问协议载波侦听多路访问协议CSMAq原理：原理：每个站点在发送数据之前都监听信道，以确定是否发送帧q1-持续持续CSMAn一个站点有数据要发送时，首先监听信道，是否其他的站点正在传输数据信道忙：一直等待，直至信道空闲空闲：则发送一个帧n其性能高于其性能高于ALOHA与分槽与分槽ALOHA数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.3.2 CSMA/CD 协议协议n载波侦听多路访问协议载波侦听多路访问协议CSMAq非持续非持续CSMAn一个站点在发送数据之前，先检测信道信道忙：等待一段随机的时间，再检测信道（降低第二种冲突的概率）空闲：则发送一个帧n利用率更高，延迟更大利用率更高，延迟更大数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.3.2 CSMA/CD 协议协议n载波侦听多路访问协议载波侦听多路访问协议CSMAqP-持续持续 CSMAn应用于分槽的信道，一个站点准备好发送数据时，先应用于分槽的信道，一个站点准备好发送数据时，先检测信道检测信道空闲：按概率p的可能性发送数据；1-p=q的情况下，推迟到下一个时槽下一个时槽同理p概率发送q概率推迟。直到帧被发送，或者另一个站点也发送帧（即发送冲突，等待随机时间后再重新开始）信道忙：等到下一时槽，再应用算法q带冲突检测的载波侦听多路访问带冲突检测的载波侦听多路访问 CSMA/CD数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.3.2 CSMA/CD 协议协议n无冲突协议无冲突协议q位图协议：位图协议：n在实际传送数据之前先广播自己有数据发送n每个竞争周期开始时，每个站点填写位图中相应的位，并顺序发送每个站点的帧。n特点：永远不产生冲突；低负载时，信道上传递的都是位图信息；高负载时，每个站点的每个帧也只使用一位的位图信息。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.3.2 CSMA/CD 协议协议n无冲突协议无冲突协议q二进制倒计数协议二进制倒计数协议n每个需要发送帧的站点，从高位开始广播其地址的二进制形式。每个地址中的位被布尔或运算。当一个站点发现其地址值为0的高序位被改成1，则放弃，退出竞争。n特点：高序站点优先n若每个帧的帧头为发送地址，即竞争的同时也在发送，效率100%是一种优秀的简单、精致、高效的算法数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.3.2 CSMA/CD 协议协议n有限竞争协议有限竞争协议q信道获取的两种基本策略：竞争方式、无竞争方式q用于衡量的重要性能指标：n低负载情况下的延迟（竞争的方法延迟短）；n高负载情况下的信道利用率（无竞争的方法，信道利用率高）q二者结合称为有限竞争协议n自适应树搜索协议数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.3.2 CSMA/CD 协议协议n以太网采用的协调方法：以太网采用的协调方法：q使用特殊的协议CSMA/CD载波监听多点接入/碰撞检测（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection）。q“多点接入多点接入”说明这是总线型网络，许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。q“载波监听载波监听”就是“发送前先监听”,每个站在发送数据之前先要检测一下总线是否有其它站在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，要等待信道变为空闲时再发送。（9.6us信道空闲）q“载波监听”是指用电子技术检测总线上有没有其它计算机发送的数据信号。 数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.3.2 CSMA/CD 协议协议n“碰撞检测碰撞检测”就是“边发送边监听”q即适配器边发送数据边检测信道上的信号电压检测信道上的信号电压的变化情况，以便判断自己在发送数据时其他站是否也在发送数据。q当多个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压变化电压变化幅度幅度会因叠加而增大增大。q当适配器检测到的信号电压变化幅度超过一定的门限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，表明产生碰撞。所谓的“碰撞”就是发生了冲突。q“碰撞检测”又称为“冲突检测冲突检测”。每个正在发生数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，适配器就立即停止发送，免得免得继续浪费网络资源继续浪费网络资源，然后等待一段随机时间等待一段随机时间后再发送。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.3.2 CSMA/CD 协议协议n碰撞的产生碰撞的产生q每个站在发送数据之前已经进行监听到信道为“空闲”，为何还会出现数据在总线上发生碰撞呢？q电磁波在总线上的传播速率是有限的传播速率是有限的。即当某站监听到总线是空闲时，总线并非一定是空闲并非一定是空闲的。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.3.2 CSMA/CD 协议协议n碰撞的产生碰撞的产生qA 向向 B 发出的信息，要发出的信息，要经过一定的时间经过一定的时间后才能传送后才能传送到到 B。qB 若在若在 A 发送的信息到达发送的信息到达 B 之前发送自己的帧之前发送自己的帧(因因为这时为这时 B 的载波监听检测不到的载波监听检测不到 A 所发送的信息所发送的信息)，则必然要在某个时间和则必然要在某个时间和 A 发送的帧发生碰撞。发送的帧发生碰撞。q碰撞的结果是两个帧都变得无用。碰撞的结果是两个帧都变得无用。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.3.2 CSMA/CD 协议协议n碰撞的产生碰撞的产生1kmABt碰撞t=2A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数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.3.2 CSMA/CD 协议协议n碰撞的发现时间碰撞的发现时间q把总线上的单程端到端传播时延单程端到端传播时延记为。A发生数据后，最迟要经过多长时间才能知道自己发送的数据和其它站发送的数据有没有发生碰撞？最多是两倍的总线端到端的传播时最多是两倍的总线端到端的传播时延延，或总线的端到端往返传播时延总线的端到端往返传播时延。q由于局域网上任意两个站之间的传播时延有长有短，局域网必须按最坏情况设计最坏情况设计，即取总线两端的两个站点之间的传播时延（这两个站之间的距离最大）为端到端传播时延。n结论：结论：q在使用CSMA/CD协议时，一个站不可能不可能同时进行发送和接收。因此使用CSMA/CD协议的以太网不可能进行全双工通信而只能进行双向交替通信双向交替通信（半双工通信）。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络1kmABt碰撞t=B检测到信道空闲发送数据t= /2发生碰撞t=2A检测到发生碰撞 t=B发送数据B检测到发生碰撞 t=ABABAB t=0A检测到信道空闲发送数据ABt=0t=B检测到发生碰撞停止发送STOPt=2A检测到发生碰撞STOPAB单程端到端传播时延记为数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.3.2 CSMA/CD 协议协议n结论：结论：q每个站在自己发送数据之后的一小段时间内一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。这段时间是不确定，取决于取决于另一个发送数据的站到本站的距离距离。q以太网不能保证不能保证某一时间内一定能够把自己的数据帧成功地发送出去以太网的特点：发送的不确发送的不确定性定性。q只有整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率，发生碰撞的机会才会很小。轻负载轻负载数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.3.2 CSMA/CD 协议协议n解决碰撞问题解决碰撞问题争用期争用期q最先发送数据帧的A站，在发送数据帧后至多经过时间2就可知道所发送的数据帧是否遭受了碰撞（当趋于0时）。q将以太网的端到端往返时间2 称为争用期争用期（contention period）。又称为碰撞窗口碰撞窗口（collision windows）。q结论：结论：当某站点发送完数据后，只有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肯定这次发送不会发送碰撞发送碰撞。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.3.2 CSMA/CD 协议协议n解决碰撞问题解决碰撞问题截断二进制指数退避截断二进制指数退避q发生碰撞的站在停止发送数据后，不是等待信道变为空闲后就立即再发送数据，而是推迟推迟（也叫退避退避）一个随机的时间随机的时间。目的是使重传时再次发生冲突的概率减小。q随机时间的计算方法：截断二进制指数退避截断二进制指数退避数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.3.2 CSMA/CD 协议协议n截断二进制指数退避算法：截断二进制指数退避算法：q定义基本退避时间2 q从离散的整数集合整数集合 0，1，（，（2k-1） 中随机随机取出一个数，记为记为r。重传应推后的时间是r倍的争倍的争用期用期。参数k按照公式k=Min重传次数，10计算q当重传达16次次仍不能成功时，则丢弃该帧丢弃该帧，并向高层报告 数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.3.2 CSMA/CD 协议协议n例：例： q第1次重传时，k=1，随机数r从整数0,1中选一个数；重传站可选择的推迟时间是0或者2。q若再次碰撞，k=2，随机数r从整数0,1,2,3中选一个数；重传站可随机选择0、2、4、6中的一个时间为推迟时间。q若再次碰撞，k=3，随机数r从整数0,1,2,，7中选一个数；重传站可随机选择0、2、4、14中的一个时间为推迟时间。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.3.2 CSMA/CD 协议协议n结论：结论：q可见，连续多次发生冲突，就表明可能有较多的站较多的站参与争用信道。但使用退避算法使得重传需要的平均时间平均时间随重传次数重传次数的增加而增大增大，减小减小发生碰撞的概率，有利于整个系统的稳定。q适配器每发送一个新的帧新的帧，就执行一次CSMA/CD算法。即适配器对过去的碰撞无记忆供能。因此多个适配器执行指数退避算法时，很可能某个适配器发送新的帧能够碰巧成功地插入到信道中，得到发送权。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.3.2 CSMA/CD 协议协议n争用期长度争用期长度q以太网取51.2 s为争用期的长度。q对于10 Mb/s 以太网以太网，在争用期内可发送512 bit，即64字节。q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。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.3.2 CSMA/CD 协议协议n解决碰撞问题解决碰撞问题最短有效帧长最短有效帧长 q如果发生冲突，一定是在发送的前64字节之内。由于一检测到冲突就立即中止发送，则这时已经发送出去的数据一定小于小于64字节字节q以太网规定了最短有效帧长为最短有效帧长为64字节字节q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无效帧。收到无效帧就立即丢弃。q注意：注意：以太网端到端的时延实际小于争用期的一半25.6us，还考虑了其他因素如：转发器增加的时延。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.3.2 CSMA/CD 协议协议n解决碰撞问题解决碰撞问题强化碰撞强化碰撞 q发送数据的站一旦发现发生了碰撞q立即停止发送数据立即停止发送数据q再继续发送32比特或48比特的人为干扰信号人为干扰信号（jammingsignal）q让所有用户都知道现在已经已经发生了碰撞碰撞。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.3.2 CSMA/CD 协议协议数据帧干扰信号 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A发送干扰信号的情况。A站从发生数据开始到发现碰撞并停止发送的时间间隔：TB=2-；A站得知碰撞已发生时所发送的强化碰撞的干扰信号的持续时间为TJ发生碰撞使A浪费的时间TB+TJ整个信道被占用的时间是TB+TJ。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.3.2 CSMA/CD 协议协议数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.4使用广播信道的以太网使用广播信道的以太网n3.4.1使用集线器的星形拓扑使用集线器的星形拓扑 q粗同轴电缆粗同轴电缆 q细同轴电缆细同轴电缆 q双绞线双绞线 数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.4使用广播信道的以太网使用广播信道的以太网粗缆以太网（粗缆以太网（10BASE5）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 : 发送发送/接收接收, 冲突检测冲突检测, 电气隔离电气隔离插入式分接头插入式分接头总线型拓扑总线型拓扑 粗缆粗缆收发器收发器AUI 电缆电缆NICVampire tap最大段长度最大段长度 500m每段最多站点数每段最多站点数 1002.5m网络最大跨度网络最大跨度 2.5km网络最多网络最多5个段个段 终端匹配器终端匹配器数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.4使用广播信道的以太网使用广播信道的以太网细缆细缆BNC接头接头NIC细缆以太网（细缆以太网（ 10Base2 ）细同轴电缆，可靠性稍差细同轴电缆，可靠性稍差 无外置收发器无外置收发器 轻便、灵活、成本较低轻便、灵活、成本较低总线型拓扑总线型拓扑每段最大长度每段最大长度 185m每段最多站点数每段最多站点数 300.5 m网络最大跨度网络最大跨度 925 m 网络最多网络最多5个段个段 终端匹配器终端匹配器 数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.4使用广播信道的以太网使用广播信道的以太网双绞线以太网（双绞线以太网（10Base-T）双绞线（双绞线（UTP），），两头压接两头压接RJ45连接器；连接器； 所有站点都与所有站点都与HUB （集线器）相连接；集线器）相连接； HUB的作用：信号放大与整形的作用：信号放大与整形星形拓扑，但逻辑拓扑结构仍然是总线。星形拓扑，但逻辑拓扑结构仍然是总线。轻便、安装密度高、便于维护轻便、安装密度高、便于维护NICHUB每段最大长度每段最大长度 100m多台多台HUB级连级连可以支持更多站点可以支持更多站点数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络n双绞线的连接标准q在以太网的标准中，在以太网的标准中，10Mb/s与与100Mb/s双绞线系统双绞线系统采用相同的线序：采用相同的线序：1、2两根线为一对，两根线为一对，3、6两根线两根线为另一对。为另一对。色标Pin#Signal白橙 1 TD+橙 2 TD-白绿 3 RD+蓝蓝 4 不用不用白蓝白蓝 5 不用不用绿 6 RD-白棕白棕 7 不用不用棕棕 8 不用不用1 2 3 4 5 6 7 81 2 3 4 5 6 7 83.4使用广播信道的以太网使用广播信道的以太网数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.4使用广播信道的以太网使用广播信道的以太网n当两个当两个HUB连接时，要使用连接时，要使用交叉连接方法。方法。q两台微机直接连接时，也可参考此接法。两台微机直接连接时，也可参考此接法。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.4.1使用集线器的星形拓扑使用集线器的星形拓扑集线器两对双绞线分别用于发送与接收站点RJ-45插头集线器的集线器的大规模集成电路大规模集成电路芯片使用，使其可靠性大大提高；芯片使用，使其可靠性大大提高；双绞线电缆的以太网双绞线电缆的以太网价格便宜价格便宜；双绞线的绞合度非常精确，使得特性阻抗均匀以减少失真，而且大大减少了电磁波双绞线的绞合度非常精确，使得特性阻抗均匀以减少失真，而且大大减少了电磁波辐射和无线电频率的干扰。辐射和无线电频率的干扰。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.4.1使用集线器的星形拓扑使用集线器的星形拓扑n集线器的特点：集线器的特点：q逻辑总线逻辑总线星型总线星型总线或盒中总线盒中总线n集线器使用电子器件模拟电子器件模拟实际电缆线的工作n使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网逻辑上仍是一个总线网n使用的还是CSMA/CD协议q多接口转发器多接口转发器n通常有8个、16个接口n每个接口通过RJ45插头用两对双绞线与一个工作站上的适配器相连q转发比特，不进行碰撞检测转发比特，不进行碰撞检测n集线器工作在物理层，每个接口仅仅转发比特转发比特，不进行碰撞检碰撞检测测。n若两个接口同时有信号输入，就会发生碰撞，则所有的接口都收不到正确的帧。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.4.1使用集线器的星形拓扑使用集线器的星形拓扑集线器网卡工作站网卡工作站网卡工作站双绞线堆叠式集线器：堆叠式集线器：由48个集线器堆叠起来使用。一般具都有少量的容错能力容错能力和网络管理功能网络管理功能。模块化的机箱式智能集线器：模块化的机箱式智能集线器：全部的网络功能都以模块方式实现，支持热拔插。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.4.1使用集线器的星形拓扑使用集线器的星形拓扑n10BASE-T q对应与IEEE802.3i标准标准，10表示10Mbps的数据率，BASE表示连接线上的信号是基带信号基带信号，T表示采用双绞线，10BASE-T采用的是无屏蔽双绞线。 q10BASET的主要技术特性：的主要技术特性：n(1)数据传输速率10Mbps基带传输n(2)每段双绞线最大长度100m(HUB与工作站间及两个HUB之间)n(3)一条通路允许连接HUB数4个，最多5段传输介质n(4)拓扑结构星形n(5)访问控制方式CSMA/CDn(6)帧长度可变，最大1518个字节n(7)最大传输距离500mn(8)每个HUB可连接的工作站96个n10BASE-F系列标准，以光纤为传输媒体，用作集线系列标准，以光纤为传输媒体，用作集线器之间的远程连接。器之间的远程连接。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.4使用广播信道的以太网使用广播信道的以太网n3.4.2以太网的信道利用率以太网的信道利用率q10Mbps以太网如果同时有10个站在工作q每个站所能发送数据的平均速率理论上为总数据率的1/10q由于总线以太网上会发生碰撞，以太网的信道利用率达不到100数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.4.2以太网的信道利用率以太网的信道利用率n以太网信道被占用情况：以太网信道被占用情况：q争用期长度为争用期长度为2 ，是端到端传播时延的两倍。，是端到端传播时延的两倍。q帧长为帧长为L（bit）q数据发送率为数据发送率为C（bps）q帧的发送时间为帧的发送时间为L/C = T0 (s)。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.4.2以太网的信道利用率以太网的信道利用率q一个站开始发送一个帧，经可能发生的多次碰撞多次碰撞后，再重传数次重传数次，到发送成功且信道转为空闲时为止，是发送一帧发送一帧所需的平均时间平均时间：T0 n是一个极端情况，指的是发送与接收双方在传输媒体的两端。发 送 成 功 争用期 争用期 争用期 2 2 2T0t占用期 发生碰撞 发送一帧所需的平均时间数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.4.2以太网的信道利用率以太网的信道利用率n要提高以太网的信道利用率信道利用率，要减小和T0之比。定义参数参数a/T0qa 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。qa越大越大，表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。n结论：结论：a值应当尽可能小些：q要求分子比较小比较小，分母T0比较大比较大；q=电缆长度/电磁波传播速率qT0=L/C。在一定的数据率时，要求以太网的帧长不能太短，以太网的连线的长度不能太长。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.4.2以太网的信道利用率以太网的信道利用率n理想状态下：理想状态下：q以太网上的各站发送数据都不会产生碰撞（不再是CSMA/CD，而是其他调度方法）；q总线一旦空闲就有某个站立即发送数据。q此时发送一帧占用线路的时间是T0，而帧本身的发送时间是T0n极限信道利用率：极限信道利用率：n结论：结论：q只有当参数a远小于1才能得到尽可能高的极限信道利用率。若参数远大于1，则极限信道利用率就远小于1，而实际的信道利用率就更小。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.4.3以太网的以太网的MAC层层 nMAC层的硬件地址层的硬件地址q硬件地址硬件地址又称物理地址物理地址或MAC地址地址，因为该地址用于MAC帧中。q名字名字是指出我们所要寻找的那个资源，地址地址指出那个资源在何处，路由告诉我们如何到达该处。qIEEE802标准为局域网规定的48位的全球地址位的全球地址（简称地址），指的是局域网上每台计算机中固化在适固化在适配器的配器的ROM中的地址中的地址n更换适配器，则计算机的局域网地址变化了，而其地理位置去没有变化。n便携电脑，地理位置移动了，由于适配器未变，所以其局域网中的“地址”也未变。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.4.3以太网的以太网的MAC层层n结论：结论：q局域网的MAC地址地址应当是每个站的“名字名字”或标识标识符符。n注意：注意：q如果连接在局域网上的主机或路由器安装有多个适多个适配器配器，则这个主机或路由器就拥有多个多个“地址地址”，所以这种48位“地址”应当是某个接口的标识符某个接口的标识符。 数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.4.3以太网的以太网的MAC层层nMAC地址的分配：地址的分配： qIEEE的注册管理机构注册管理机构RA(RegistrationAuthority)负责向厂家分配地址字段的前三个字节(即高位24位)，称为组织唯一标组织唯一标识符识符OUI（OrganizationallyUniqueIdentifier），也称为公公司标识符司标识符（表示一个（表示一个地址块地址块）。n例如：3Com公司适配器的MAC地址前三个字节02-60-8C。q地址字段中的后三个字节(即低位24位)由厂家自行指派，称为扩展标识符扩展标识符，必须保证生产出的适配器没有重复地址。 每个地址块可生成个不同地址。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.4.3以太网的以太网的MAC层层n这种48位地址称为MAC-48，它的通用名称是EUI-48（扩展的唯一标识符扩展的唯一标识符ExtendedUniqueIdentifier）。n注意：q一个OUI可能是多个小公司合起来购买的，也可能一个大公司拥有多个OUI，所以OUI不能单独来标志一个公司。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.4.3以太网的以太网的MAC层层nIEEE规定地址字段的第一个字节的最低位第一个字节的最低位为I/G（Individual/Group）位）位。q该位为0时，地址字段表示单个站地址单个站地址；q该位为1时，表示组地址组地址，用来进行多播。qIEEE只分配前三个字节中的23位位。I/G分别为0，1时，一个地址块可分别生成224个单个站地址个单个站地址和224个组地址个组地址。n单播地址：单播地址：第一字节最低位为0，如： 02-1D-7D-C9-84-A5 n多播地址：多播地址：第一字节最低位为1，如： 01-1D-7D-C9-84-A5 数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.4.3以太网的以太网的MAC层层nIEEE考虑到有人不愿意向RA购买OUI。qIEEE将地址字段第一字节第一字节的最低第二位最低第二位规定为G/L位位，表示Global/Local。q当G/L位为为1时时是全球管理全球管理，需要向IEEE购买。q当G/L位为为0时时，表示本地管理本地管理。以太网几乎不使用G/L位。n结论：结论：q全球管理时，对每个站的地址可用46位的二进制数字来表示（最低位为0，最低第2位为1），构成的地址空间可以有246个地址（70万亿）。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.4.3以太网的以太网的MAC层层n适配器的过滤功能：适配器的过滤功能：q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。q如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他的处理。q否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。n“发往本站的帧发往本站的帧”包括以下三种帧：包括以下三种帧：q单播单播(unicast)帧（一对一）帧（一对一）q广播广播(broadcast)帧（一对全体）帧（一对全体）n如：ff-ff-ff-ff-ff-ffq多播多播(multicast)帧（一对多）帧（一对多）数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.4.3以太网的以太网的MAC层层n注意：注意：q所有的适配器都至少可以识别单播和广播地址；q有的适配器可用编程方法可用编程方法识别多播地址；q只有目的地址目的地址才能使用广播地址和多播地址（源地址不能）。n以太网适配器的特殊工作方式：以太网适配器的特殊工作方式：q混杂模式混杂模式，接收以太网上传输的所有帧，不管其目的地址是哪里。q用于黑客窃取信息；用于网络维护与管理，监视和分析以太网的流量；用于学习与理解网络协议。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.4.3以太网的以太网的MAC层层nMAC帧的格式帧的格式 q两种两种MAC帧格式：帧格式：nDIXEthernetV2标准，即以太网V2标准nIEEE的802.3标准数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络以太网MAC帧物理层MAC层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FCS6624字节461500IP数据报MACMAC帧帧以太网的以太网的 MAC帧格式帧格式数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报目的地址字段6字节以太网以太网 V2 的的 MAC 帧格式帧格式数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报源地址字段6字节以太网以太网 V2 的的 MAC 帧格式帧格式数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报类型字段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。以太网以太网 V2 的的 MAC 帧格式帧格式0x0800:IP数据报0x8137：NovellIPX数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报数据字段461500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 以太网以太网 V2 的的 MAC 帧格式帧格式数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报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。以太网以太网 V2 的的 MAC 帧格式帧格式数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报10101010101010 10101010101010101011前同步码帧开始定界符7 字节1 字节8 字节插入在帧的前面插入的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个字节以太网以太网 V2 的的 MAC 帧格式帧格式数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络注意：没有长度字段的帧注意：没有长度字段的帧n以太网V2的MAC帧格式中，首部没有帧长度字段没有帧长度字段q曼切斯特编码在每个bit中间都有一次跳变q当MAC帧发生完毕，就不发送码元（0或1），就不会用这种跳变电压了。q接收方就很容易找到这个以太网帧的结束位置结束位置。q结束位置往前4个字节（帧检验序列），就是数据字段的结束位置。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络注意：帧的填充位注意：帧的填充位n当数据字段小于小于46字节字节时，MAC子层会在数据字段的后面加入一个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。n而MAC首部没有数据长度字段，MAC层无法区分数据字段数据字段和填充字段填充字段，将它们一同交给上层协议。n上层协议具有识别有效的数据字段的能力。q如IP协议首部有“总长度总长度”字段字段，这是MAC层的真实数据字段，加上填充字段，就是MAC帧的数据字段。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络注意：不需要帧结束定界符的帧注意：不需要帧结束定界符的帧n以太网传送数据以帧为单位传送，各帧之间必须有一定的间隙间隙。n接收端只要找到帧开始定界符，其后面连续到后面连续到达的比特流达的比特流就属于同一个MAC帧。n以太网不需要使用帧结束定界符不需要使用帧结束定界符，也不需要使不需要使用字节插入用字节插入来保证透明传输。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络无效的无效的 MAC 帧帧n帧的长度不是整数个字节；n用收到的帧检验序列FCS查出有差错；n数据字段数据字段的长度不在461500字节之间。n有效的有效的 MAC 帧帧长度为641518字节之间。n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。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络IEEE802.3标准规定的标准规定的MAC帧格式帧格式n第三个字段是第三个字段是“长度长度/类型类型”q该值大于大于0x0600时，表示“类型类型”，此时与以太网V2的MAC帧一样；q当该值小于小于0x0600时，才表示“长度长度”，即MAC帧的数据部分长度数据部分长度。q若数据字段的长度与长度字段的值不一致，则无无效效MAC帧帧。q曼切斯特编码中长度字段无意义无意义。n当当“长度长度/类型类型”字段值小于字段值小于0x0600时，数据时，数据字段必须装入上面的字段必须装入上面的LLC子层的子层的LLC帧帧数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.5 扩展的以太网扩展的以太网n扩展方式：扩展方式：q在物理层把以太网扩展在物理层把以太网扩展q在数据链路层把以太网扩展在数据链路层把以太网扩展q在网络层看来仍然是一个网络在网络层看来仍然是一个网络数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.5.1 在物理层扩展局域网在物理层扩展局域网n以太网上的主机之间的距离不能太远距离不能太远q（例如，10BASE-T以太网的两个主机之间的距离不超过200米，集线器到主机不超过100米，粗缆或细缆以太网为500米）n主机发送的信号经过铜线的传输就会衰减到使CSMA/CD协议无法正常工作。n可以用转发器转发器来扩展扩展以太网的地理覆盖范围地理覆盖范围n使用双绞线后，不再使用转发器了数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.5.1 在物理层扩展局域网在物理层扩展局域网n主机使用光纤和一对光纤调制解调器连接到集主机使用光纤和一对光纤调制解调器连接到集线器线器以太网集线器光纤光纤调制解调器光纤调制解调器数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.5.1 在物理层扩展局域网在物理层扩展局域网n多个集线器级联多个集线器级联q使用多个集线器可以连接成覆盖范围更大的多级星型结构的以太网 q某大学有三个系，各自有一个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数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.5.1 在物理层扩展局域网在物理层扩展局域网n通过一个主干集线器把各个系的以太网连接起来，成为一个更大的以太网。 一系三系二系主干集线器一个更大的碰撞域碰撞域数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.5.1 在物理层扩展局域网在物理层扩展局域网n优点：优点：q使得该学院不同系的以太网上的计算机能够跨系通使得该学院不同系的以太网上的计算机能够跨系通信；信；q扩大了以太网覆盖的地理范围。扩大了以太网覆盖的地理范围。n（10BASE-T中，主机与集线器的最大距离100m，两个主机间的最大距离200m；扩展后，不同系的主机间距离就扩展了，集线器间距离100m或者使用光纤则更远）数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.5.1 在物理层扩展局域网在物理层扩展局域网n缺点：缺点：q以太网扩展了，碰撞域也扩展了，任意时刻只能有一台计算机发送数据（原来可以有三台）；q但总的吞吐量并未提高10Mbps。q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n(或者不能完全发挥自身的吞吐量)。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.5.2在数据链路层扩展以太网在数据链路层扩展以太网 n使用网桥网桥在数据链路层数据链路层扩展以太网。n它根据MAC帧的目的地址对收到的帧进行转发转发和过滤过滤。q当网桥收到一个帧时，不再向所有的接口转发此帧，而是先检查此帧的目的MAC地址，然后再确定将该帧转发到哪个接口，或者丢弃（过滤）。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络网桥的内部结构网桥的内部结构站表接口管理软件网桥协议实体缓存接口1接口2网段B网段A111222站地址 接口网桥网桥接口1接口212数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络网桥的优点：网桥的优点：n过滤通信量，增大吞吐量，划分冲突域。过滤通信量，增大吞吐量，划分冲突域。 q网桥工作在链路层的MAC子层，可以使以太网各网段成为隔离开隔离开的碰撞域的碰撞域过滤通信量过滤通信量。q不同的网段上的通信互相不会干扰，如AB、CD、EF可以同时通信，最大吞吐量可达30Mbps；qAC（占用两个碰撞域）、EF可以同时通信。换成转发器或者hub则最大吞吐量仍然是10Mbps。B2B1碰撞域碰撞域碰撞域ABCDEF数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络网桥的优点：网桥的优点：n扩大了物理范围扩大了物理范围q地理范围和网络中主机数的扩大。n提高了可靠性提高了可靠性q网段间故障是隔离的。n可互连不同物理层、不同可互连不同物理层、不同 MAC 子层和不同子层和不同速率（如速率（如10 Mb/s 和和 100 Mb/s 以太网）的以太网）的局域网。局域网。q网桥是运行在数据链路层的设备。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络网桥的缺点：网桥的缺点： n存储转发增加了时延存储转发增加了时延q网桥对接收的帧要先存储和查找转发表q再转发，转发前执行CSMA/CD算法（发生碰撞时要截断二进制指数退避）。q这是与转发器和集线器的区别之一。n在在MAC 子层并没有子层并没有流量控制功能流量控制功能 q当网络上的负荷很重时，网桥中的缓存的存储空间可能不够而发生溢出溢出，以致产生帧丢失的现象。q具有不同MAC子层的网段桥接在一起时时延更大时延更大（要对链路层帧进行解封装和封装）。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络网桥的缺点：网桥的缺点：n网桥只适合于网桥只适合于用户数不太多用户数不太多(不超过几百个不超过几百个)和和通信量不太大通信量不太大的局域网，否则有时还会因传播的局域网，否则有时还会因传播过多的广播信息而产生网络拥塞。过多的广播信息而产生网络拥塞。q这就是所谓的广播风暴广播风暴。 数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络用户层IPMAC站1用户层IPMAC站2物理层网桥1网桥2AB用户数据IP-HMAC-HMAC-TDL-HDL-T物理层DLRMAC物理层物理层DLRMAC物理层物理层LAN1LAN2两个网桥之间还可使用一段点到点链路 网桥不改变它转发的帧的源地址数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络2. 透明网桥透明网桥n概念与定义：概念与定义： q目前使用得最多的网桥是透明网桥(transparentbridge)。q“透明透明”是指局域网上的站点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥，因为网桥对各站来说是看不见的。q透明网桥是一种即插即用设备即插即用设备，只要把网桥接入局域网，不用人工配置转发表转发表网桥就可以工作。其标准是IEEE802.1D。 数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络网桥自学习算法：网桥自学习算法： n建立建立转发表转发表，并按照转发表发送帧，并按照转发表发送帧q网桥刚刚连接到以太网时，转发表为空转发表为空。q若从A发出的帧从接口x进入了某网桥，那么从这个接口出发沿相反方向相反方向一定可把一个帧传送到A。q网桥每收到一个帧，就记下其源地址源地址和进入网桥的接口进入网桥的接口，作为转发表中的一个项目。n在建立转发表时是把帧首部中的源地址源地址写在“地址地址”这一栏的下面。q在转发帧时，则是根据收到的帧首部中的目的地址目的地址来转发的。这时就把在“地址”栏下面已经记下的源地址当作目的地址，而把记下的进入接口当作转发接口转发接口。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络地址接口转发表的建立过程举例转发表的建立过程举例B2B1ABCDEF1212地址接口ABA1ABA1网桥首先要丢弃网桥首先要丢弃CRC检验有差错的检验有差错的帧以及帧长过长或过短的无效帧。帧以及帧长过长或过短的无效帧。转发表为空转发表为空A向向B发送帧发送帧B1收到该帧收到该帧主机主机B也收到也收到A插入转发插入转发表表转发表无转发表无B地址地址B1转发帧转发帧B2收到该帧收到该帧A插入转发插入转发表表转发表无转发表无B地址地址B2转发帧转发帧数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络地址接口转发表的建立过程举例转发表的建立过程举例B2ABCDEF1212地址接口ABA1FCF2ABA1FCF2F向向C发送帧发送帧B2收到该帧收到该帧转发表无转发表无C地址地址F插入转发表插入转发表B2转发帧转发帧B1收到该帧收到该帧主机主机C也收到该帧也收到该帧F插入转发表插入转发表转发表无转发表无C地址地址B1转发帧转发帧数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络地址接口转发表的建立过程举例转发表的建立过程举例B2ABCDEF1212地址接口ABA1FCF2ABA1FCF2B向向A发送帧发送帧B1BAB1收到该帧收到该帧主机主机A也收到该帧也收到该帧B插入转发表插入转发表转发表有转发表有A地址地址不需要转发帧不需要转发帧转发表不变转发表不变1 11 1数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络网桥在转发表中网桥在转发表中n在网桥的转发表中写入的信息除了地址地址和接口接口外，还有帧进入该网桥的时间时间。n原因：原因：q以太网的拓扑可能经常会发生变化拓扑可能经常会发生变化，站点也可能会更换适配更换适配器器。q以太网上的工作站并非总是接通电源并非总是接通电源的。q把每个帧到达网桥的时间登记下来，就可以在转发表中只保留网络拓扑的最新状态信息最新状态信息（将一定时间以前登记的都要删除）。q转发表并非总是包括所有站点并非总是包括所有站点的信息，某站点从来不发送从来不发送数据或者长时间不发送数据，那么该地址项目就被删除了。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络透明桥的自学习和转发帧的一般步骤透明桥的自学习和转发帧的一般步骤 n网桥收到一帧后先进行网桥收到一帧后先进行自学习自学习q查找转发表中与收到帧的源地址有无相匹配的项目。n如没有，就在转发表中增加增加一个项目（源地址、进入的接口和时间）。n如有，则把原有的项目进行更新更新。n转发帧：转发帧：q查找转发表中与收到帧的目的地址有无相匹配的项目。n如没有，则通过所有其他接口其他接口（但进入网桥的接口除外）进行转发。n如有，则按转发表中给出的接口进行转发。n若转发表中给出的接口就是该帧进入网桥的接口，则应丢弃丢弃这个帧（因为这时不需要经过网桥进行转发）。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络透明网桥中的生成树算法透明网桥中的生成树算法 ：n若A发出的帧F的目的地址目的地址都不在网桥1和网桥2转发表上，或者发送的是广播帧广播帧。就会发生不停兜圈子。局域网2局域网1网桥2网桥1AF不停地兜圈子A发出的帧F1网桥1转发的帧F2网桥2转发的帧网络资源白白消耗了数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络透明网桥中的生成树算法透明网桥中的生成树算法 ：n避免产生转发的帧在网络中不断地兜圈子。避免产生转发的帧在网络中不断地兜圈子。q互连在一起的网桥在进行彼此通信后，就能找出原来的网络拓扑的一个子集子集。q在这个子集里，整个连通的网络中不存在回路，即在任何两个站之任何两个站之间只有一条路径间只有一条路径。q通过生成树算法生成树算法来决定哪个网桥可以转发帧可以转发帧。q为了得出能够反映网络拓扑发生变化时的生成树，在生成树上的根根网桥网桥每隔一段时间还要对生成树的拓扑进行更新更新。q以最小序号网桥最小序号网桥作为生成树的根生成树的根，建立从根到每个网桥和LAN的生成树，网桥为边网桥为边，网段为结网段为结点点数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络透明网桥中的生成树算法透明网桥中的生成树算法 ：互相连接的互相连接的LAN覆盖所有覆盖所有LAN的生成树的生成树数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络源路由网桥源路由网桥透明网桥的最大优点优点是容易安装容易安装，不需要特殊配置。缺点缺点是不能充分利用网络资源。n源路由网桥（源路由网桥（source route）：在发送帧时，将详细）：在发送帧时，将详细路由信息放在帧的首部。路由信息放在帧的首部。q源站以广播方式广播方式向欲通信的目的站发送一个发现帧发现帧，每个发现帧都记录所经过的路由。q发现帧到达目的站时就沿各自的路由返回源站沿各自的路由返回源站。q源站在得知这些路由后，从所有可能的路由中选择出一个最选择出一个最佳路由佳路由。q凡从该源站向该目的站发送的帧的首部，都必须携带源站所携带源站所确定的这一路由信息确定的这一路由信息。n发现帧还能够帮助源站点确定整个网络可以通过的帧的最大长度。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络源路由网桥与透明网桥：源路由网桥与透明网桥：n源路由网桥源路由网桥对主机不是透明的，主机必须知道网桥的网桥的标识标识以及连接到哪个网段上连接到哪个网段上；n可以使用最佳路由最佳路由；n若两个以太网之间使用并联的源路由网桥，可使通信量较平均地分配给每个网桥，实现负载均衡实现负载均衡。n透明桥透明桥只能使用生成树，不能保证每条路由最佳，也不能在不同的链路中进行负载均衡。n目前所有的标准网桥都必须支持透明网桥必须支持透明网桥，源路由源路由则为可选配置可选配置。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络多接口网桥多接口网桥以太网交换机以太网交换机 n概念与背景：概念与背景： q1990年问世的交换式集线器交换式集线器(switchinghub)，可明显地提高局域网的性能。q交换式集线器常称为以太网交换机以太网交换机(switch)或第二层交换机第二层交换机（表明此交换机工作在数据链路层）。q以太网交换机通常都有十几个接口十几个接口(网桥通常为2到4个)。q以太网交换机实质上就是一个多接口的网桥多接口的网桥，工作在数据链路层。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络多接口网桥多接口网桥以太网交换机以太网交换机n以太网交换机特点以太网交换机特点 q以太网交换机的每个接口都直接与主机或另一个集线器相连(网桥通常连接到以太网的一个网段如：共享总线以太网，hub以太网)，并且一般都工作在全双工方式全双工方式（交换机级联也是全双工方式）。q交换机能同时连通同时连通许多对的接口，使每一对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样，进行无碰撞地传输数据无碰撞地传输数据。q两站通信完后即断开连接。q以太网交换机由于使用了专用的交换结构芯片专用的交换结构芯片，其交换速率较高。q与透明网桥一样，即插即用即插即用，自学习法自学习法逐步建立转发表。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络独占传输媒体的带宽：n对于普通10Mb/s的共享式以太网共享式以太网q若共有N 个用户q则每个用户占有的平均带宽只有总带宽(10Mb/s)的N 分之一分之一。n使用以太网交换机（交换式以太网）q在每个接口到主机的带宽还是10Mb/sq由于一个用户在通信时是独占而不是和其他网络用户共享传输媒体的带宽，因此对于拥有N对对接口接口的交换机的总容量为N 10Mb/s。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络以太网交换机扩展以太网：以太网交换机扩展以太网：n共享总线以太网共享总线以太网和10BASE-T以太网以太网与交换式以太网交换式以太网完全兼容。n所有接入设备的软硬件以及适配器不需改变（接入设备继续使用CSMA/CD）。n且只要增加集线器的容量，整个系统的容量就能扩充。n以太网交换机可具有多种速率的接口组合，方便各种用户。一系三系二系10BASE-T至因特网100Mb/s100Mb/s100Mb/s万维网服务器电子邮件服务器以太网交换机路由器数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络另一种直通式（另一种直通式（cut-through）交换方式）交换方式 n直通交换不需要先缓存不需要先缓存后再处理n在接收数据帧的同时就立即按照数据帧的目的目的MAC地地址址决定转发接口转发接口n提高了帧的转发速度n通常采用基于硬件的交叉矩阵交叉矩阵，交换时延就很小n缺点：缺点：不检查差错就直接转发，可能将无效的错误帧转发给其他站，浪费网络资源浪费网络资源。n目前，根据需要可以生产出两种交换方式的交换机。交换机使用非常广泛。 数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络虚拟局域网：虚拟局域网：n交换机可以很方便的实现虚拟局域网虚拟局域网VLAN（VirtualLAN）nIEEE802.1Q标准对VLAN的定义：q虚拟局域网虚拟局域网VLAN是由一些一些局域网网段局域网网段构成的与物理位置无物理位置无关关的逻辑组，这些网段具有某些共同的需求。q每一个VLAN的帧都有一个明确的标识符标识符，指明发送这个帧的工作站是属于哪一个VLAN。q虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务一种服务，而并不是一种新型局域网。 数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络以太网交换机A4B1以太网交换机VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太网交换机以太网交换机三个虚拟局域网:VLAN1,VLAN2和VLAN3数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络以太网交换机A4B1以太网交换机VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太网交换机以太网交换机三个虚拟局域网VLAN1,VLAN2和VLAN3的构成当B1向VLAN2工作组内成员发送数据时，工作站B2和B3将会收到广播的信息。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络以太网交换机A4B1以太网交换机VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太网交换机以太网交换机三个虚拟局域网VLAN1,VLAN2和VLAN3的构成B1发送数据时，工作站A1,A2和C1都不会收到B1发出的广播信息。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络以太网交换机A4B1以太网交换机VLAN3C3B3VLAN1VLAN2C1A2A1A3C2B2以太网交换机以太网交换机三个虚拟局域网VLAN1,VLAN2和VLAN3的构成虚拟局域网限制了接收广播信息的工作站数，使得网络不会因传播过多的广播信息(即“广播风暴”)而引起性能恶化。 数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络虚拟局域网：虚拟局域网：n特点：特点：q在VLAN中的每个网站都可以听到同一个同一个VLAN上其他站点发出的广播广播。q而VLAN以外以外的工作站收不到该广播信息。qVLAN限制限制了接收广播信息的工作站数，使得网络不会产生广播风暴不会产生广播风暴。qVLAN之间通信需要路由的支持，要通过路由器或者第三层交换机n结论：结论：qVLAN的工作站可以处在不同的局域网（网段）中，也可以不在同一楼中（物理位置）。 数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络虚拟局域网：虚拟局域网：nVLAN的划分的划分q根据端口来划分根据端口来划分VLAN n把一个或多个交换机上的几个端口划分一个逻辑组n只需网络管理员对网络设备的交换端口进行重新分配即可，不用考虑该端口所连接的设备q根据根据MAC地址划分地址划分VLAN n可按MAC地址把一些站点划分为一个逻辑子网q根据网络层划分根据网络层划分VLAN n根据网络层的IP地址来划分VLAN数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络VLAN标准的以太网格式扩展标准的以太网格式扩展 nIEEE802.3ac标准定义以太网的标准定义以太网的帧格式的扩展帧格式的扩展，支持，支持VLAN。n在以太网帧中插入一个在以太网帧中插入一个4字节的标识符字节的标识符，称为，称为VLAN标记标记(tag)，用来指明发送该帧的工作站属于哪个用来指明发送该帧的工作站属于哪个VLAN。 802.3MAC 帧字节66246 15004MAC 帧目地地址源地址长度/类型数 据FCS长度/类型 = 802.1Q 标记类型 标记控制信息 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 VID 2 字节2 字节插入 4 字节的 VLAN 标记4用户优先级（3bit）规范格式指示符CFI(1bit)由于VLAN的以太网帧的首部增加了4个字节，以太网的最大长度从原来1518字节变为1522字节。VLAN标识符(12bit)数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络虚拟局域网虚拟局域网VLANnVLAN的理由的理由q安全性安全性n部门内部的信息不会流传到部门之外去q降低负载的相互影响降低负载的相互影响n避免负载重的部门影响其他部门q防止广播风暴防止广播风暴n过滤广播信息数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.6高速以太网高速以太网速率达到或超过100Mbps的以太网称为高速以太网。n3.6.1100BASE-T以太网以太网q在双绞线上传送100Mb/s基带信号的星型拓扑以太网，仍使用IEEE802.3的CSMA/CD协议。q100BASE-T以太网又称为快速以太网快速以太网(FastEthernet)。q升级升级10BASE-T只需要更换适配器更换适配器；q100BASE-T的适配器能够自适应自适应10Mbps和100Mbpsq再配上100Mbps的集线器即可构建快速以太网。q拓扑结构拓扑结构不必改变，软件硬件软件硬件都保持不变。qIEEE802.3u标准定义了快速以太网。qIEEE802.3u不再支持同轴电缆。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.6.1100BASE-T以太网以太网n特点：特点：q可在全双工方式全双工方式下工作而无冲突发生。因此，不使用CSMA/CD协议。q在半双工方式半双工方式时一定要使用CSMA/CD协议qMAC 帧格式帧格式仍然是802.3标准规定的q信道利用率信道利用率的变化 数据率提高了数据率提高了10倍，要保持参数倍，要保持参数 不不变。可将。可将帧长L也增加也增加10倍，也可以将网倍，也可以将网络电缆长度减小到原来的度减小到原来的1/10。100Mbps以太网中保持最短帧长以太网中保持最短帧长L 64字节不变，但将一个网段的最大电字节不变，但将一个网段的最大电缆长度缆长度缩短缩短10倍倍（210m，最多2个中继器）。帧间时间间隔从原来的。帧间时间间隔从原来的 9.6 s 改为现在的改为现在的 0.96 s；争用期；争用期5.12 s；都缩短；都缩短10倍。倍。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.6.1100BASE-T以太网以太网n三种不同的物理层标准三种不同的物理层标准 q100BASE-TX：使用使用 2 对对 UTP 5 类线或屏蔽双绞类线或屏蔽双绞线线 STP。一对发送，一对接收。一对发送，一对接收q100BASE-FX：使用使用 2 根光纤，一根用于发送，一根光纤，一根用于发送，一根用于接收。根用于接收。q100BASE-T4：使用使用 4 对对 UTP 3 类线或类线或 5 类线。类线。使用三对传输数据，一对作为碰撞检测。使用三对传输数据，一对作为碰撞检测。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.6.2 吉比特以太网吉比特以太网n吉比特以太网在标准吉比特以太网在标准IEEE802.3z中定义中定义 q允许在1Gb/s下全双工全双工和半双工半双工两种方式工作。q使用802.3协议规定的帧格式帧格式。q在半双工方式下使用CSMA/CD协议（全双工方式不需要使用CSMA/CD协议）。q与10BASE-T和100BASE-T技术向后兼容。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.6.2 吉比特以太网吉比特以太网n吉比特以太网的物理层吉比特以太网的物理层 q1000BASE-X 基于光纤通道光纤通道（FC）的物理层，使用三种媒体：n1000BASE-SXSX表示短波长，多模光纤（光纤直径：62.5m，50m），传输距离275米和550米n1000BASE-LXLX表示长波长，多模光纤（光纤直径：62.5m，50m）550米，10m单模光纤5km。n1000BASE-CXCX表示铜线，两对短距离的屏蔽双绞线电缆，传输距离25米q1000BASE-T（802.3ab标准）：n使用4对5类线UTP，传输距离100米。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.6.2 吉比特以太网吉比特以太网n吉比特以太网的半双工方式吉比特以太网的半双工方式 q必须向后兼容才提供的半双工方式q由于数据率提高数据率提高，必须进一步减小最大电缆长度减小最大电缆长度或增大帧的最小长增大帧的最小长度度，才能使得a保持较小的值。q如果以太网最大电缆长度再减少只有25米，实际价值就大大减小。q若增加帧的长度提高到640字节，则发送短数据时开销太大。q吉比特网采用了两个办法：“载波延伸载波延伸”（carrierextension）和“分组突发分组突发”(packetbursting)。吉比特网仍然保持最大电缆最长距离最长距离为为100米米，使用最短帧长仍然为64字节字节（保持了兼容性）。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络吉比特以太网的半双工方式吉比特以太网的半双工方式n“载波延伸载波延伸”：q将争用期增大为争用期增大为512字节字节（648），凡是发送的MAC帧长不足512字节时，使用特殊字符填充在帧后面，对有效荷载无影响。q接收端在收到以太网的MAC帧后，把所填充的特殊字符删除后才向高层提交。填充字符导致花费大量开销填充字符导致花费大量开销。n“分组突发分组突发”：q当很多短帧很多短帧要发送时，第一个短帧第一个短帧采用载波延伸载波延伸进行填充。q随后的短帧，一个接一个地发送，它们之间只需留有必要的帧间最小间隔。q形成一串分组的突发，直到达到达到1500字节字节左右为止。n注意：注意：q当吉比特以太网工作在全双工方式全双工方式时（即通信双方可同时进行发送和接收数据），不使用载波延伸和分组突发。 数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.6.2 吉比特以太网吉比特以太网1Gb/s链路吉比特交换集线器百兆比特或吉比特集线器100Mb/s链路中央服务器吉比特交换器可以直接与图像工作站直接相连数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.6.3 10吉比特以太网吉比特以太网 n万兆以太网特点（万兆以太网特点（IEEE802.3ae标准）标准）q10吉比特以太网与10Mb/s，100Mb/s和1Gb/s以太网的帧格式完全相同帧格式完全相同。q10吉比特以太网还保留了802.3标准规定的以太网最小最小和最大帧长最大帧长，便于升级。q10吉比特以太网不再使用铜线而只使用光纤只使用光纤作为传输媒体。传输距离为，65300m（多模光纤）；40km（单模光纤）q10吉比特以太网只工作在全双工方式全双工方式，因此没有争用问题，也不使用不使用 CSMA/CD 协议协议。传输距离不再受到进行碰撞检测。传输距离不再受到进行碰撞检测的限制了。的限制了。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.6.3 10吉比特以太网吉比特以太网n吉比特以太网的物理层吉比特以太网的物理层 （1）局域网物理层局域网物理层 LAN PHY。n局域网物理层的数据率是10.000Gb/s。10GE交换机可以支持10个吉比特以太网口。（2）可选的广域网物理层广域网物理层 WAN PHY。n广域网物理层具有另一种数据率，这是为了和所谓的“Gb/s”的SONET/SDH（即OC-192/STM-64）相连接。q为了使10吉比特以太网的帧能够插入到OC-192/STM-64帧的有效载荷中，就要使用可选的广域网物理层，其数据率为9.95328 Gb/s。 数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.6.3 10吉比特以太网吉比特以太网n端到端的以太网传输端到端的以太网传输 q10吉比特以太网的出现，以太网的工作范围已经从局域网局域网（校园网、企业网）扩大到城域网城域网和广域广域网网，从而实现了端到端的以太网传输端到端的以太网传输。q这种工作方式的好处是：这种工作方式的好处是： n成熟的技术成熟的技术。ISP和用户都喜欢使用以太网。n互操作性互操作性很好，各个厂商生产的以太网设备都能可靠地互操作。n在广域网中使用以太网时价格便宜价格便宜。1/5的同步光纤网、1/10ATM网络。n端到端的以太网连接使帧的格式完全都是以太网的格式，不需要进行帧的转换，简化了操作和管理。数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络以太网从以太网从 10 Mb/s 到到10 Gb/s 的演进的演进n10Mbps以太网淘汰了以太网淘汰了16Mbps的令牌环网；的令牌环网；n100Mbps以太网淘汰了以太网淘汰了FDDI；n吉比特和万兆以太网使得吉比特和万兆以太网使得ATM网络地位受到挑网络地位受到挑战。战。n以太网从以太网从 10 Mb/s 到到 10 Gb/s 的演进证明了的演进证明了以太网是：以太网是：q可扩展的（从10Mb/s到10Gb/s）。q灵活的（多种传输媒体、全/半双工、共享/交换）。q易于安装。q稳健性好。 数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络3.6.3 使用高速以太网进行宽带接入使用高速以太网进行宽带接入n以太网已成功地把速率提高到1 10 Gb/s n覆盖的地理范围也扩展到了城域网城域网和广域网广域网，n现在人们正在尝试使用以太网进行宽带接入以太网进行宽带接入。q提供双向的宽带通信，q可根据用户对带宽的需求灵活地进行带宽升级q可实现端到端的以太网传输q中间不需要再进行帧格式的转换。这就提高了数据的传输效率和降低了传输的成本 数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络以太网接入举例：光纤到大楼以太网接入举例：光纤到大楼 FTTB 100M10M10M100M吉比特以太网光结点汇接点1Gb/s1Gb/s高速汇接点GigaPoP大楼口安装大楼口安装100M交换机交换机每层安装每层安装10M交换机交换机光纤汇接光纤汇接数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络本章小结本章小结n使用点对点信道的数据链路层使用点对点信道的数据链路层q数据链路和帧q三个基本问题n点对点协议点对点协议 PPPqPPP协议的特点qPPP协议的帧格式qPPP协议的工作状态n使用广播信道的数据链路层使用广播信道的数据链路层q局域网的数据链路层qCSMA/CD协议n使用广播信道的以太网使用广播信道的以太网q使用集线器的星形拓扑q以太网的信道利用率q以太网的MAC层n扩展的以太网扩展的以太网q在物理层扩展以太网q在数据链路层扩展以太网n高速以太网高速以太网q100BASE-T以太网q吉比特以太网q10吉比特以太网n其他类型的高速局域网接口其他类型的高速局域网接口数据通信与计算机网络数据通信与计算机网络作业作业n7，8，9，10，20，22，28，32