计算机网络（三）—— 数据链路层
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计算机网络（三）—— 数据链路层
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文章目錄
- 第三章 數據鏈路層
- 3.0 數據鏈路層
- 1. 數據鏈路層的信道類型
- 3.1 使用點對點信道的數據鏈路層
- 3.1.1 數據鏈路和幀
- 1. 鏈路（link）
- 2. 數據鏈路（data link）
- 3. 幀
- 3.1.2 基本問題（功能）
- 1. 封裝成幀
- 1. 封裝成幀：
- 2. 數據鏈路幀的特點：
- 2. 透明傳輸
- 缺陷：
- 3. 差錯檢測
- 1. 誤碼率BER（Bit Error Rate）：
- 2. 循環冗余檢驗CRC（Cycle Redundancy Check）：
- 1. CRC：
- 缺陷：
- 幀效驗序列FCS（Frame Check Sequence）
- 4.流量控制
- 1. 流量控制:
- 2. 在發送結點：
- 3. 在接收結點：
- 5. 重傳機制
- (1) 超時計時器
- (2) 解決重復幀的問題
- (3) 幀的編號問題
- (4) 幀的發送序號
- 3.2 點對點協議 PPP
- 3.2.1 （1）PPP協議的特點
- 3.2.1 （2）P2P協議的組成
- 3.2.2 P2P協議的幀格式
- 1. 各字段的意義
- 2. 字符填充問題
- 3. 零比特填充
- 零比特填充的具體做法：
- 3.2.3 PPP協議的工作狀態
- 物理鏈路的協商過程：
- 鏈路的另一端發送以下幾種響應中的一種：
- 3.3 使用廣播信道的數據鏈路協議
- 3.3.1 局域網的數據鏈路層
- 0. 局網絡
- 1. 局網絡的特點：
- 2. 局網絡的優點：
- 3. 局域網拓撲：
- 4. 媒體共享技術
- 1. 以太網的兩個標準
- 1. 以太網的兩個標準：
- 2. 數據鏈路層的兩個子層
- 2. 適配器的作用
- 1. 網絡接口板：
- 2. 網卡的重要功能：
- 3. 適配器的作用：
- 3.3.2 CSMA/CD協議
- 1. 廣播發送方式：
- 2. 以太網的措施：
- 3. 以太網的服務：
- 4. 載波監聽多點接入/碰撞檢測CSMA/CD
- 1. CSMA/CD：
- 2. CSMA/CD協議的要點：
- 3.4 使用廣播信道的以太網
- 3.4.1 傳統以太網
- (1) MAC層連接方式
- 傳統以太網可使用的傳輸媒體有四種
- (2) 以太網的連接距離
- (3) 集線器
- 3.4.2 以太網的信道利用率
- 信道利用率的影響因素：
- 公式推導：
- 3.4.3 以太網的MAC層
- 1. 以太網的MAC地址
- 1. MAC 地址：
- 2. 如何根據報文地址進行MAC轉發：
- 2. MAC幀格式
- 1. 常用的以太網 MAC 幀格式有兩種標準：
- 2. 以太網 V2 的MAC幀地址：
- 3. 無效的MAC幀
- 4. 幀間最小間隔
- 3.5 拓展的以太網
- 3.5.1 在物理層拓展以太網
- 1. 用集線器擴展以太網：
- 1. 優點：
- 2. 缺點：
- 3.5.2 在數據鏈路層擴展以太網
- 1. 在數據鏈路層擴展以太網
- 2. 網橋的內部特點：
- 3. 使用網橋帶來的好處：
- 4. 使用網橋帶來的缺點：
- 5. 網橋的存儲轉發過程
- 6. 網橋應當按照以下算法處理收到的幀和建立轉發表：
- 7. 網橋在轉發表中登記以下三個信息
- 1. 三個信息
- 2. 以太交換機的自學習功能
- 8. 支撐樹算法
- 9. 多端口網橋——以太網交換機
- 1. 以太網交換機：
- 2. 以太網交換機的特點：
- 3. 獨占傳輸媒體的帶寬：
- 4. 用以太網交換機擴展局域網：
- 5. 虛擬局域網
- 3.6 高速以太網
- 3.6.1 100BASE-T 以太網
- 1. 100BASE-T 以太網
- 2. 以太網的特點：
- 3. 100 Mbit/s以太網的物理層標準
- 3.6.2 吉比特以太網
- 1. 吉比特以太網
- 2. 吉比特以太網的物理層
- 3. 載波延伸（carrier extension）
- 1. 載波延伸：
- 2. 在短MAC幀后面加上載波延伸
- 3. 分組突發
- 4. 全雙工方式
- 3.6.3 10吉比特和100吉比特以太網
- 1. 對比：10吉比特和100吉比特以太網
- 2. 以太網從 10 Mb/s 到 10 Gb/s 的演進證明了以太網是：
第三章 數據鏈路層
3.0 數據鏈路層
1. 數據鏈路層的信道類型
- (1) 點對點信道。
- (2) 廣播信道
3.1 使用點對點信道的數據鏈路層
3.1.1 數據鏈路和幀
1. 鏈路（link）
- 一條無源的點到點的物理線路端，中間沒有任何其他的交換節點。
2. 數據鏈路（data link）
- 除了物理線路外，還必須有通信協議來控制這些數據的傳輸。
- 把實現這些協議的硬件和軟件加到鏈路上，就構成了數據鏈路。
3. 幀
- 幀：點對點信道的數據鏈路層的協議數據單元
- 常常在兩個對等的數據鏈路層之間畫出一個數字管道，而在這條數字管道上傳輸的數據單位是幀。
3.1.2 基本問題（功能）
1. 封裝成幀
1. 封裝成幀：
-
封裝成幀（framing）就是在一段數據的前后分別添加首部和尾部，這樣就構成了一個幀。
-
接收端在收到物理層上交的比特流后，就能根據首部和尾部的標記，從收到的比特流中識別幀的開始和結束。
2. 數據鏈路幀的特點：
- 數據部分的前面和后面分別添加上首部和尾部，構成了一個完整的幀。
- 幀是數據鏈路層的數據傳送單元。
- 首部和尾部還包括許多必要的控制信息。
- 最大傳送單元MTU（Maximum Transfer Unit）：
- 每一種鏈路層協議都規定了所能傳送的幀的數據部分長度上限。
- 一個控制字符**SOH（Start Of Header）放在一個幀的最前面，表示幀的首部開始。另一個控制字符EOT（End Of Transmission）**表示幀的結束。
2. 透明傳輸
- “在數據鏈路層透明傳送數據”表示無論什么樣的比特組合的數據都能夠通過這個數據鏈路層。
缺陷：
- 傳輸幀遇到“SOH”或“EOF”會提前結束或開始幀
- 彌補方法：
- 轉義字符“EOF”（字符填充法）
- 報文出現“EOT”或“SOH”時，在其前面加“ESC”。
- 報文出現“ESC”時，同樣在其前面加“ESC”。
3. 差錯檢測
1. 誤碼率BER（Bit Error Rate）：
- 傳輸錯誤的比特占所傳輸比特總數的比率稱為誤碼率BER
2. 循環冗余檢驗CRC（Cycle Redundancy Check）：
- 在計算機網絡傳輸數據時，必須采用各種差錯檢測措施。目前在數據鏈路層廣泛使用循環冗余檢測的技術
1. CRC：
- (1) 在發送端，先把數據劃分為組，假定每組k個比特。現假定待傳送的數據 M = 1010001101（k=10）.CRC運算就是在數據M的后面添加供差錯檢測用的n位冗余碼，然后構成一個幀發送出去，一共發送（k+n）位。
- (2) 在接收端把接收到的數據以幀為單位進行CRC檢驗：把收到的每一個幀都除以同樣的除數P（模2運算），然后檢查得到的余數R。
- (3) 在接收端對收到的每一幀經過CRC檢驗后，有以下兩種情況：
- (a) 若得出的余數R=0，則判定這個幀沒有差錯，就接受（accept）。
- (b) 若余數R≠0，則判定這個幀有差錯（但無法確定究竟是哪一位或哪幾位出現了差錯），就丟棄。
缺陷：
- 僅用循環冗余檢驗CRC差錯檢驗技術只能做到無差別接受（accept）
-“無差別接受”：
- 是指：“凡是接受的幀（即不包括丟棄的幀），我們都能以非常接近與 1 的概率認為這些幀在傳輸過程中沒有產生差錯”。
- 也就是說：“凡是接受的幀都沒有傳輸差錯”（有差錯的幀就丟棄而不接受）。
- 要做到“可靠傳輸”（即發送什么就收到什么）就必須在加上確認和重傳機制。
幀效驗序列FCS（Frame Check Sequence）
- 在數據后面添加上的冗余碼稱為幀效驗序列FCS
- 循環冗余檢驗CRC和幀檢驗序列FCS并不等同。
- CRC 是一種常用的檢錯方法， 而FCS 是添加在數據后面的冗余碼。
- FCS 可以用 CSC 這種方法得出，但CRC并非用來獲得FCS的唯一方法
4.流量控制
1. 流量控制:
- 主機A向主機B傳輸數據的信道仍是無差錯的理想信道。然而現在不能保證接收端向主機交付數據的速率永遠不低于發送端發送數據的速率。
- 由收方控制發方的數據流，是計算機網絡中流量控制的一個基本方法。
2. 在發送結點：
- (1) 從主機取一個數據幀。
- (2) 將數據幀送到數據鏈路層的發送緩存。
- (3) 將發送緩存中的數據幀發送出去。
- (4) 等待。
- (5) 若收到由接收點發送過來的信息（此信息的格式與內容可由雙方事先商定好），則主機取一個新的數據幀，然后轉到 (2)。
3. 在接收結點：
- (1) 等待。
- (2) 若收到由發送結點發過來的數據幀，則將其放入數據鏈路層的接受緩存。
- (3) 將接受緩存中的數據幀上交主機。
- (4) 向發送結點發一信息，表示數據幀已經上交給主機。
- (5) 轉到 (1)。
5. 重傳機制
(1) 超時計時器
- 結點A發送完一個數據幀時，就啟動一個超時計時器（timeout timer）
- 計時器又稱為定時器。
- 若到了超時計時器所設置的重傳時間 tout，而仍收不到結點B的任何確認幀，則結點A就重傳前面所發送的這一數據幀。
- 一般可將重傳時間選為略大于“從發完數據幀到收到確認幀所需的平均時間”。
(2) 解決重復幀的問題
- 使每一個數據幀帶上不同的發送序號。每發送一個新的數據幀就把它的發送序號加 1 。
- 若結點 B 收到發送序號相同的數據幀，就表明出現了重復幀。這時應丟棄重復幀，因為已經收到過同樣的數據幀并且也交給了主機B。
- 但此時結點 B 還必須向 A 發送確認幀 ACK,因為B已經知道A還沒有收到上一次發過的確認幀 ACK
(3) 幀的編號問題
- 任何一個編號系統的序號所占用的比特數一定是有限的。因此，經過一段時間后，發送序號就會重復。
- 序號占用的比特數越少，數據傳輸的額外開銷就越少。
- 對于停止等待協議，由于每發送一個數據幀就停止等待，因此用一個比特來編號就夠了。
- 一個比特可表示 0 和 1 兩種不同的序號。
(4) 幀的發送序號
- 數據幀中的發送序號 N（S） 以 0 和 1 交替的方式出現在數據幀中。
- 每一個新發送的數據幀，發送序號就和上次發送的不一樣。用這種方法就可以使收方能夠區分開新的數據幀和重傳的數據幀。
3.2 點對點協議 PPP
- 對于點對點的鏈路，簡單得多的點對點協議PPP（Point-to-Point Protocol）是目前使用得最廣泛的數據鏈路層協議。
- PP協議就是用戶計算機和ISP進行通信時所使用的數據鏈路層協議。
3.2.1 （1）PPP協議的特點
- (1) 簡單
- (2) 封裝成幀
- PPP協議必須規定特殊的字符作為幀定界符（即標志一個幀的開始和結束的字符），以便使接受端從收到的比特流中能準確地找出幀的開始和結束位置。
- (3) 透明性
- PPP協議必須保證數據傳輸的透明性。
- (4) 多種網絡層協議
- PPP協議必須能夠在同一條物理鏈路上同時支持多種網絡層協議（如IP和IPX等）的運行。
- (5) 多種類型鏈路
- PPP還必須能夠在多種類型的鏈路上運行。
- (6) 差錯檢測
- PPP協議必須能夠對接收到啊的幀進行檢測，并立即丟棄有差錯的幀。
- (7) 檢測連接狀態
- PPP協議必須具有一種機制能夠及時（不超過幾分鐘）自動檢測出鏈路是否處于正常工作狀態。
- (8) 最大傳輸單元
- PPP協議必須對每一種類型的點對點鏈路設置最大傳輸單元 MTU 的標準默認值。
- (9) 網絡層地址協商
- PPP協議必須提供一種機制使通信的兩個網絡層（例如，兩個IP層）的實體能夠通過協商知道或能夠配置彼此的網絡層地址。
- (10) 數據壓縮協商
- PPP協議必須提供一種方法來協商使用數據壓縮算法。但PPP協議并不要求將壓縮數據算法進行標準化。
3.2.1 （2）P2P協議的組成
3.2.2 P2P協議的幀格式
1. 各字段的意義
- PPP的幀格式 和 HDLC 的相似。
- PPP 是面向字節的，所有的 PPP 幀的長度都是整數字節。
- 首部：
- 標志字段 F（Flag） 仍為 0x7E（符號 “0x” 表示后面的字符是用十六進制表示。十六進制的 7E 的二進制表示的是 01111110）
- 地址字段 A 只置為 0xFF。地址字段實際上并未起作用。
- 控制字段 C 通常置為 0x03 。
- PPP 有一個 2 個字段的協議字段
- 當協議字段為 0x0021 時， PPP幀的信息字段就是 IP數據報。
- 若為 0xC021，則信息字段是 PPP 鏈路控制數據
- 若為 0x8021，則表示這是網絡控制數據
- 信息字段：
- 信息字段的長度是可變的，不超過1500字節。
- 尾部：
- 第一個字段（2字節）是使用 CRC 的幀檢驗序列 FCS。
- 標志字符F
2. 字符填充問題
- 當 PPP 用在同步傳輸鏈路時，協議規定采用硬件來完成比特填充（和 HDLC 的做法一樣）。
- 當 PPP 用在異步傳輸時，使用一種特殊的字符填充法。
- 將信息字段中出現的每一個 0x7E 字節轉變成為 2 字節序列（0x7D，0x5E）。
- 若信息字段中出現一個 0x7D的字節，則將其轉變成為 2字節序列（0x7D，0x5D）。
- 若信息字段中出現ASCII 碼的控制字符（即數值小于 0x20 的字符），則在該字符前面要加入一個 0x7D 字節，同時將該字符的編碼加以改變。
3. 零比特填充
- PPP協議用在SONET/SDH鏈路時，是使用同步傳輸（一連串的比特連續傳送）而不是異步傳輸（逐個字符地傳送）。在這種情況下，PPP協議采用 零比特填充方法來實現透明傳輸。
零比特填充的具體做法：
- 在發送端，先掃描整個信息字段（通常是用硬件實現，但也可用軟件實現，只是會慢些）。只要發現有5個連續 1，則立即填入一個 0。
- 接收端在收到一個幀時，先找到標志字段F以確定一個幀的邊界，接著再用硬件對其中的比特流進行掃描。每當發現5個連續1時，就把這5個連續1 后的一個0刪除，以還原成原來的信息比特流。
3.2.3 PPP協議的工作狀態
- 當用戶撥號接入 ISP 時，路由器的調制解調器對撥號做出確認，并建立一條物理連接。PC機向路由器發送一系列的 LCP分組（封裝成多個 PPP 幀）。
物理鏈路的協商過程：
- 雙方建立物理層連接后，PPP就進入“鏈路建立”（Link Establish）狀態，其目的是建立鏈路層的 LCP連接。
- LCP開始協商一些配置選項，即發送LCP的配置請求幀（Configure-Request）。
- 這是一個PPP幀，其協議字段置為LCP對應的代碼，而信息字段包含特定的配置請求。
鏈路的另一端發送以下幾種響應中的一種：
- (1) 配置確認幀（Configure-Ack）
- 所有選項都接受
- (2) 配置否認幀（Configure-Nak）
- 所有選項都理解但不能接受
- (3) 配置拒絕幀（Configure-Reject）
- 選項有的無法識別或不能接受，需要協商
- 這些分組及其響應選擇一些 PPP參數，和進行網絡層配置，NCP給新接入的 PC機 分配一個臨時的 IP地址，使 PC機成為因特網上的一個主機。
- 用戶通信完畢時，NCP釋放網絡層連接，收回原來分配出去的IP地址。接著，LCP釋放數據鏈路層連接。最后釋放物理層的連接。
3.3 使用廣播信道的數據鏈路協議
3.3.1 局域網的數據鏈路層
0. 局網絡
1. 局網絡的特點：
- 局網絡為一個單位所擁有，且地理范圍和站點數目均有限。
2. 局網絡的優點：
- (1) 具有廣播功能，從一個站點可很方便地訪問全網。局域網上的主機可共享連接在局域網上的各種硬件和軟件資源。
- (2) 便于系統的擴展和逐漸地演變，各設備的位置可靈活調整和改變。
- (3) 提高了系統的可靠性（reliability）、可用性（availability）和生存性（survivability）
3. 局域網拓撲：
4. 媒體共享技術
- (1) 靜態劃分信道（物理層）
- 頻分復用
- 時分復用
- 波分復用
- 碼分復用
- (2) 動態媒體接入控制（多點接入（multiple access））（數據鏈路層）
- 隨機接入
- 受控接入，如多點線路探尋（polling）或輪詢。
1. 以太網的兩個標準
1. 以太網的兩個標準：
- DIX Ethernet V2 是世界上第一個局域網產品（以太網）的規約。
- IEEE 的 802.3 標準。
- DIX Ethernet V2 標準與 IEEE 的 802.3 標準只有很小的差別，因此可以將 802.3 局域網簡稱為 “以太網”。
- 嚴格來說，“以太網”應當是符合 DIX Ethernet V2標準的局域網。
2. 數據鏈路層的兩個子層
為了使數據鏈路層能更好地適應多種局域網標準，802委員會就將局域網的數據鏈路層拆成兩個子層
- 兩個子層：
- 邏輯鏈路控制LLC（Logical Link Control）子層
- 媒體接入控制MAC（Medium Access Control）子層
- 與接入到傳輸媒體有關的內容都放在MAC子層，而LLC子層則與傳輸媒體層無關，不管采取何種傳輸媒體和 MAC子層的局域網對 LLC 子層來說都是透明的。
很多廠商生產的網卡上就僅裝有MAC協議，而沒有LLC協議
2. 適配器的作用
1. 網絡接口板：
- 網絡接口板又稱為通信適配器（adapter）或網絡接口卡 NIC（Network Interface Card），或“網卡”。
2. 網卡的重要功能：
- 進行串行/并行轉換。
- 對數據進行緩存。
- 在計算機的操作系統安裝設備驅動程序。
- 實現以太網協議。
3. 適配器的作用：
3.3.2 CSMA/CD協議
1. 廣播發送方式：
廣播內物理媒體的連接方式是隨機接入的。
- 總線上的每一個工作的計算機都能檢測到B發送的數據信號。
- 由于只有計算機D的地址與數據幀首部寫入的地址一致，因此只有D才接受這個數據幀。
- 其他所有的計算機（A，C和E）都檢測到不是發送給它們的數據幀，因此就丟棄這個數據幀而不能夠收下來。
- 具有廣播特性的總線上實現了一對一的通信。
2. 以太網的措施：
- 采用較為靈活的無連接的工作方式，即不必先建立連接就可以直接發送數據。
- 以太網對發送的數據幀不進行編號，也不要求對方發回確認。
- 這樣做的理由是局域網信道的質量好，因信道質量產生差錯的概率是很小的。
3. 以太網的服務：
- 以太網提供的服務是不可靠的交付，即盡最大努力的交付。
- 當目的站收到有差錯的數據幀時就丟棄此幀，其他什么也不做。差錯的糾正由高層來決定。
- 如果高層發現丟失了一些數據而進行重傳，但以太網并不知道這是一個重傳的幀，而是當作一個新的數據幀來發送。
4. 載波監聽多點接入/碰撞檢測CSMA/CD
1. CSMA/CD：
- CSMA/CD 表示 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection
2. CSMA/CD協議的要點：
- (1) 多點接入：
- “多點接入”表示許多計算機以多點接入的方式連接在一根總線上。
- (2) 載波監聽：
- “載波監聽”是指每一個站在發送數據之前先要檢測一下總線上是否有其他計算機在發送數據，如果有，則暫時不要發送數據，避免發生碰撞。
- 總線上并沒有什么“載波”。因此，“載波監聽”就是用電子技術檢測總線上有沒有其他計算機發送的數據信號。
- (3) 碰撞檢測：
-
碰撞檢測：
- “碰撞檢測”就是計算機邊發送數據邊檢測信道上的信號電壓大小。
- 當幾個站同時在總線上發送數據時，總線上的信號電壓擺動值將會增大（互相疊加）。
- 當一個站檢測到的信號電壓擺動值超過一定的門限值時，就認為總線上至少有兩個站同時在發送數據，表明產生了碰撞。
- 所謂“碰撞”就是發生了沖突。因此，“碰撞檢測”也稱為“沖突檢測”。
-
檢測到碰撞后：
- 在發生碰撞時，總線上傳輸的信號產生了嚴重的失真，無法從中恢復出有用的信息來。
- 每一個正在發送數據的站，一旦發現總線上出現了碰撞，就要立即停止發送，免得繼續浪費網絡資源，然后等待一段隨機時間后再次發送。
-
發送數據前已監聽到信道為“空閑”，還會出現數據在總線上的碰撞的情況：
- 電磁波在 1km 電纜的傳播時延約為 5 μs（記住）
-
- (4) 特性：
- 使用 CSMA/CD協議的以太網不能進行全雙工通信而只能進行雙向交替通信（半雙工通信）。
- 每個站在發送數據之后的一小段時間內，存在著遭遇碰撞的可能性。
- 這種發送的不確定性使整個以太網的平均通信量遠小于以太網的最高數據率。
- (5)爭用期
- 最先發送數據幀的站，在發送數據幀后至多經過時間 2τ（兩倍的端到端往返時延）就可知道發送的數據幀是否遭受到了碰撞。
- 以太網的端到端往返時延 2τ 稱為 爭用期，或碰撞窗口。
- 經過爭用期這段時間還沒有檢測到碰撞，才能肯定這次發送不會發送碰撞。
- (5) 二進制指數類型退避算法
- 發生碰撞的站在停止發送數據后，要推遲（退避）一個隨機時間才能在發送數據。
- 確定基本退避時間，一般是取為爭用期 2τ 。定義重傳次數 ，k≤ 10，即 k = Min[重傳次數，10]
- 從整數集合[0,1,…,(2k-1)]中隨機地取出一個數，記為 r。重傳所需的時延就是 r倍的基本退避時間。
- 當重傳達16次仍不能成功時即丟棄該幀，并向高層警告。
- (6) 爭用期的長度
- 以太網取 51.2 μs 為爭用期的長度。對于 10Mb/s 以太網，在爭用期可發送 512bit，即 64字節。
- 以太網在發送數據時，若前 64字節沒有發生沖突，則后續的數據就不會發生沖突。
- (7) 最短有效幀長
- 如果發生沖突，就一定是在發送的前 64 字節之內。
- (8) 強化碰撞
- 當發送數據的站一旦發現發生了碰撞時，除了立即停止發送數據外，還要再繼續發送若干比特的人為干擾信號（jamming signal），以便讓所有用戶都知道現在已經發生了碰撞。
3.4 使用廣播信道的以太網
3.4.1 傳統以太網
(1) MAC層連接方式
傳統以太網可使用的傳輸媒體有四種
- 四種傳輸媒體：
- 銅纜（粗纜）
- 銅纜（細纜）
- 銅線（雙絞線）
- 光纜
- 這樣，以太網就有四種不同的物理層
(2) 以太網的連接距離
(3) 集線器
- 集線器是使用電子器件來模擬實際電纜線的工作，因此整個系統仍然像一個傳統的以太網那樣運行。
- 使用集線器的以太網在邏輯上仍是一個總線網，各工作站使用的還是 CSMA/CD 協議，并共享邏輯上的總線。
- 集線器很像一個多端口的轉發器，工作在物理層。
3.4.2 以太網的信道利用率
- 我們假定：
- 線上共有 N 個站，每個站發送幀的概率都為 p。
- 爭用期長度為 2τ ， 即端到端傳播時延的兩倍。檢測到碰撞后不發送干擾信號。
- 幀長為 L(bit)，數據發送速率為 C (b/s)，而幀的發送時間為 L/C = T0(s) 。
- 一個幀從開始發送，經碰撞后再重傳數次，到發送成功且信道轉為空閑（即再經過時間τ使得信道上無信號在傳播）時為止，共需平均時間為 Tav
信道利用率的影響因素：
公式推導：
-
(1) 令 A 為某個站發送成功的概率，則 A = P[某個站發送成功] = Np(1-p)^(N-1)
-
(2) 顯然，某個站發送失敗的概率為 1-A。因此，P[爭用期為j個] = P[發送j次失敗但下一次成功] = A(1-A)^j
-
(3) 爭用期的平均個數等于幀重發的次數 NR ：
-
(4) 求出以太網的信道利用率（它又稱為歸一化吞吐量）為：
-
(5) 這里,參數 a 是總線的單程傳播時延與幀的發送時延之比
-
(6) 若設法使A為最大，則可獲得最大的信道利用率。將(1)中對 p 求極大值，得出當 p = 1/N時，使 A等于其極大值 Amax：
-
(7) 當 N → ∞ 時，Amax = 1/e ≈ 0.368 。（最高概率）
-
(8) 將(6)式中的 Amax 值代入(4)式，即得出信道利用率的最大值 Smax。
-
取 A = Amax = e^(-1) ≈ 0.368 時，(4) 式可化簡為
-
若 a → 0 ，則信道利用率的最大值可達到 100%
-
a的取值對信道利用率的影響：
-
a > 1（a = 4）時的信道利用率
- 參數 a = 4 使得信道利用率很低。
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(9) 考慮到 T0 是 幀長 L 與數據的發送速率 C 之比，于是參數 a 可寫為 ：
- (9) 式的分子正是時延帶寬積，或以比為單位的信道長度，而分母是以比特為單位的幀長。
- a = 0.01 時 的信道利用情況。
- 參數 a = 0.01 使得信道利用率很高。
3.4.3 以太網的MAC層
1. 以太網的MAC地址
1. MAC 地址：
- 在局域網中，硬件地址又稱為物理地址，或 MAC 地址。
- 802 標準所說的 “地址” 嚴格地講應當是每一個站的 “名字” 或標識符。
- 但鑒于大家都早已習慣了將這種 48 bit 的 “名字”稱為 “地址”，所以本書也采用這種習慣用法，盡管這種說法并不太嚴格。
路由器由于同時連接到兩個網路上，因此它有兩塊網卡和兩個硬件地址。其它設備均只有一個MAC地址。（一個網卡對應一個 IP 地址，對應一個MAC 地址）
2. 如何根據報文地址進行MAC轉發：
- 網卡從網絡上每收到一個 MAC幀 就首先用硬件檢查 MAC幀 中的 MAC地址。
- 如果是發往本站的幀則收下，然后再進行其他的處理。
- 否則就將此幀丟失，不再進行其他的處理。
- 單播（unicast）幀（一對一）
- 廣播（broadcast）幀（一對全體）
- 多播（multicast）幀（一對多）
2. MAC幀格式
1. 常用的以太網 MAC 幀格式有兩種標準：
- DIX Ethernet V2標準
- IEEE 的 802.3 標準
最常用的MAC幀格式是以太網的 V2 的格式。
2. 以太網 V2 的MAC幀地址：
幀格式：
數據字段的正式名稱是 MAC 客戶端字段
- 最小長度 64 字節 - 18字節的首部和尾部 = 數據字段的最小長度
MAC幀的前8個字節：
- 在幀的前面插入的8個字節中的第一個字段共7個字節，是前同步碼，用來迅速實現MAC幀的比特同步。
- 第二個字段是幀開始定界符，表示后面的信息就是 MAC幀。
3. 無效的MAC幀
- 數據字段的長度與長度字段的值不一致；
- 幀的長度不是整數個字節；
- 用收到的幀檢驗序列FCS查出有差錯；
- 數據字段的長度不在 46 ~ 1500 字節之間 。
- 有效的 MAC 幀長度為 64 ~ 1518 字節之間。
- 對于檢查出的無效 MAC幀就簡單地丟棄，以太網不負責重傳丟棄的幀。
4. 幀間最小間隔
- 幀間最小間隔為 9.6 μs，相當于 96 bit 的發送時間。
- 一個站在檢測到總線開始空閑后，還要等待 9.6 μs 才能再次發送數據。
- 這樣做是為了使剛剛收到的數據幀的站的接受緩存來得及清理，做好接受下一幀的準備。
3.5 拓展的以太網
3.5.1 在物理層拓展以太網
- 用多個集線器可連成更大的局域網。
1. 用集線器擴展以太網：
1. 優點：
- 使原來屬于不同碰撞域的局域網上的計算機能夠進行跨碰撞域的通信。
- 擴大了局域網覆蓋的地理范圍
2. 缺點：
- 碰撞域增大了，但總的吞吐量卻未提高。
- 如果不同的碰撞域使用不同的數據域，那就不能用集線器將它們互聯起來。(集線器只能連接相同速率的網段)
3.5.2 在數據鏈路層擴展以太網
1. 在數據鏈路層擴展以太網
- 在數據鏈路層拓展局域網是使用網橋。
- 網橋工作在數據鏈路層，它根據 MAC 幀的目的地址對收到的幀進行轉發。（幀格式沒有發生改變）
- 網橋具有過濾幀的功能。當網橋收到一個幀時，并不是向所有的端口轉發此幀，而是先檢查此幀的目的 MAC地址，然后再確定將該幀轉發到哪一個端口。
2. 網橋的內部特點：
3. 使用網橋帶來的好處：
- 過濾 通信量。
- 擴大了物理范圍。
- 提高了可靠性。（兩根總線）
- 可互聯不同物理層、不同MAC子層和不同速率（如 10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太網）的局域網。
4. 使用網橋帶來的缺點：
- 存儲轉發增加了時延。
- 在MAC子層并沒有流量控制功能。
- 具有不同MAC子層的網段橋接在一起時的時延更大。
- 網橋只適合于用戶數不太多（不超過幾百個）和通信量不太大的局域網，否則有時還會因傳播過多的廣播信息而產生網絡擁塞。這就是所謂的廣播風暴。
5. 網橋的存儲轉發過程
6. 網橋應當按照以下算法處理收到的幀和建立轉發表：
- (1) 從端口x收到無差錯的幀（如有差錯即丟棄），在轉發表中查找目的站 MAC地址。
- (2) 如有，則查找出到此 MAC 地址應當走的端口d，然后進行(3),否則轉到(5)。
- (3) 如到這個MAC地址去的端口 d = x，則丟棄此幀（因為這表示不需要經過網橋進行轉發），否則從端口d轉發此幀。
- (4) 轉到(6)。
- (5) 向網橋除x以外的所有端口轉發此幀（這樣做可保證找到目的站）。
- (6) 如源站不在轉發表中，則將源站 MAC地址加入到轉發表，登記該幀進入網橋的端口號，設置計時器。然后轉到(8)。如源站在轉發表中，則執行(7)。
- (7)更新計時器。
- (8)等待新的數據幀。轉到(1)。
7. 網橋在轉發表中登記以下三個信息
1. 三個信息
- 站地址：登記收到的幀的源MAC地址。
- 端口：登記收到的幀進入該網橋的端口。
- 時間：登記收到的幀進入該網橋的時間。
轉發表中的MAC地址是根據源MAC地址寫入的，但在進行轉發時是將此MAC地址當作目的地址。
如果網橋現在能夠從端口x收到從源地址A發來的幀，那么以后就可以從端口x將幀轉發到目的地址A。
2. 以太交換機的自學習功能
8. 支撐樹算法
透明網橋使用了支撐樹算法，這是為了避免產生轉發的幀在網絡中不斷地兜圈子。
- 每隔幾秒鐘每一個網橋要廣播其標識號（由生產網橋的廠家設定的一個唯一的序號）和它所知道的其他所有在網上的網橋。
- 支撐樹算法選擇一個網橋作為支撐樹的根（例如，選擇一個最小序號的網橋），然后以最短路徑為依據，找到樹上的每一個結點。
- 當互連局域網的數目非常大時，支撐樹的算法很話費時間。這時可將大的互聯網劃分成多個較小的互聯網，然后得出多個支撐樹。
9. 多端口網橋——以太網交換機
1. 以太網交換機：
- 1990年問世的交換式集線器（switching hub）可明顯地提高局域網的性能。
- 交換式集線器常稱為以太網交換機（switch）或第二層交換機（表明此交換機工作在數據鏈路層）。
- 以太網交換機通常都有十幾個端口。因此，以太網交換機實質上就是一個多端口的網橋，可見交換機工作在數據鏈路層。
2. 以太網交換機的特點：
- 以太網交換機的每個端口都直接與主機相連并且一般都工作在全雙工方式。
- 交換機能同時連通許多對的端口，使每一對相互通信的主機都能像獨占通信媒體那樣，進行無碰撞地傳輸數據。
- 以太網交換機由于使用了專用的交換結構芯片，其交換速率就較高。
3. 獨占傳輸媒體的帶寬：
- 對于普通 10 Mb/s 的共享式以太網，若共有 N 個用戶，則每個用戶占有的平均帶寬只有總帶寬（10 Mb/s）的 N 分之一。
- 使用以太網交換機時，雖然在每個端口到主機的帶寬還是 10 Mb/s，但由于一個用戶在通信時是獨占而不是和其他網絡用戶共享傳輸媒體的帶寬，因此對于擁有 N 對端口的交換機的總容量為 N x 10 Mb/s。這正是交換機的最大優點。
4. 用以太網交換機擴展局域網：
5. 虛擬局域網
虛擬局域網協議允許在以太網的幀格式中插入一個4字節的標識符，稱為 VLAN標記（tag），用來指明發送該幀的工作站屬于哪一個虛擬局域網。
3.6 高速以太網
3.6.1 100BASE-T 以太網
1. 100BASE-T 以太網
- 速率達到或超過 100 Mb/s 的以太網稱為 高速以太網。
- 在雙絞線上傳送 100 Mb/s 基帶信號的星型拓撲以太網，仍使用 IEEE 802.3 的 CSMA/CD 協議 100BASE-T 以太網又稱為 快速以太網（Fast Ethernet）。
2. 以太網的特點：
- 可在全雙工方式下工作而無沖突發送。因此不使用 CSMA/CD協議。
- MAC 幀格式仍然是 802.3 標準規定。保持最短幀長不變，但將一個網段的最大電纜長度減少到 100m。
- 幀間時間間隔從原點的 9.6 μs 改為現在的 0.96 μs。
3. 100 Mbit/s以太網的物理層標準
3.6.2 吉比特以太網
1. 吉比特以太網
- 允許在 1 Gb/s下全雙工和半雙工兩種方式工作。
- 使用 802.3 協議規定的幀格式。
- 在半雙工方式下使用 CSMA/CD 協議（全雙工方式不需要使用 CSMA/CD 協議）。
- 與 10BASE-T 和 100BASE-T 技術向后兼容。
2. 吉比特以太網的物理層
3. 載波延伸（carrier extension）
1. 載波延伸：
- 吉比特以太網在工作在半雙工方式時，就必須進行碰撞檢測。
- 由于數據率提高了，因此只有減少最大電纜長度或增大幀的最小長度，才能使參數 α 保持為較小的數值。
- 吉比特以太網仍然保持一個網段的最大長度為 100m，但采用了“載波延伸”的方法，使最短幀長仍為64字節（這樣可以保持兼容性），同時將爭用時間增大為 512 字節。
2. 在短MAC幀后面加上載波延伸
- 凡發送的MAC幀長不足 512 字節時，就用一些特殊字符填充在幀的后面，使MAC幀的發送長度增加到512字節，但這對有效載荷并無影響。
- 接收端在收到以太網的MAC幀后，要將所填充的特殊字符刪除后才向高層交付。
3. 分組突發
- 當很多短幀要發送時，第一個短幀要采用上面所說的載波延伸的方法進行填充。
- 隨后的一些短幀則可一個接一個地發送，只需留有必要的幀間最小間隔即可。這樣就形成可一串分組的突發，直到達到 1500 字節或稍多一些為止。
4. 全雙工方式
- 當吉比特以太網在全雙工方式時（即通信雙方可同時進行發送和接收數據），不使用載波延伸和分組突發。
3.6.3 10吉比特和100吉比特以太網
1. 對比：10吉比特和100吉比特以太網
- 10 吉比特以太網與 10 MB/s，100 Mb/s和 1Gb/s 以太網的幀格式完全相同。
- 10 吉比特以太網還保留了 802.3 標準規定的以太網最小和最大幀長，便于升級。
- 10 吉比特以太網不再使用銅線而只使用光纖作為傳輸媒體。
- 10 吉比特以太網只工作在全雙工方式，因此沒有爭用問題，也不使用 CSMA/CD協議。
2. 以太網從 10 Mb/s 到 10 Gb/s 的演進證明了以太網是：
- 可拓展的（從 10 Mb/s 到 10 Gb/s）。
- 靈活的（多種傳輸媒體、全/半雙工、共享/交換）。
- 易于安裝。
- 穩定性好。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的计算机网络（三）—— 数据链路层的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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