计算机网络基础数据链路层.ppt
计算机网络,第3章 数据链路层二,计算机学院,计算机网络,2,课程回顾,1、链路(link)是一条无源的点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换结点。2、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。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。3、数据链路层传输的数据单位是()。4、误码率 在二进制电平传输时，误码率等于二进制码元在传输中被误传的比率，即用接收错误的码元数除以被传输的码元总数所得的值就是误码率。,计算机学院,计算机网络,3,课程回顾,5、冗余码的计算。6、PPP 协议有三个组成部分 一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法。异步和同步链路控制协议LCP(Link Control Protocol)。一个用来建立、配置和测试数据链路连接的链路控制协议。网络控制协议 NCP(Network Control Protocol)。一套网络控制协议，其中的每一个协议支持不同的网络层协议。7、零比特填充,计算机学院,计算机网络,4,课程回顾,8、数据链路层有几大功能。9、数据链路层有几种类型的信道。10、数据链路层要解决的基本问题是什么？,计算机学院,计算机网络,5,课程目标,掌握以下内容：1、局域网的定义、拓扑结构。2、适配器的作用。3、CSMA/CD协议。4、以太网发送数据使用的编码。了解并熟悉以下内容：1、以太网的两个标准。2、局域网中数据链路层的两个子层。,计算机学院,计算机网络,6,3.3 使用广播信道的数据链路层,1、局域网的定义 局域网是一个通信系统，它允许很多彼此独立的计算机在适当的区域内，以适当的传输速率直接进行沟通的数据通信系统。2、局域网的特点(1)覆盖的地理范围和站点数有限。(2)具有较小的时延和较低的误码率。(3)各站点之间形成平等的关系而不是主从关系。(4)能进行广播或多播。,计算机学院,计算机网络,7,3.3 使用广播信道的数据链路层,3、局域网的发展(1)1974年IBM公布SNA（系统网络结构）。(2)1975年Xerox公司首先开发总线型局域网。(3)1980年9月，DEC、Intel、Xerox联合提出了10Mbps以太网规约，1982年修改为第二版，即DIX Ethernet V2。(4)90年代，网络发展的方向是：结构上开放、标准化，功能上多样化，互联环境复杂化，产品多厂商兼容。,计算机学院,计算机网络,8,3.3 使用广播信道的数据链路层,4、局域网技术的三个要素：(1)拓扑结构：总线型、星型、环型、树型(2)传输介质：双绞线、同轴电缆、光纤(3)介质访问控制协议拟解决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？目标按协议实现信道共享,计算机学院,计算机网络,9,3.3.1 局域网的数据链路层,局域网最主要的特点是：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。局域网具有如下的一些主要优点：具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网。局域网上的主机可共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源。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。提高了系统的可靠性、可用性和生存性。,局域网的拓扑,匹配电阻,集线器,干线耦合器,总线网,星形网,树形网,环形网,计算机学院,计算机网络,11,媒体共享技术,静态划分信道频分复用时分复用统计时分复用波分复用码分复用 由于静态划分信道的方法代价高，所以在局域网中很少采用。,计算机学院,计算机网络,12,动态媒体接入控制（多点接入）随机接入 所有的用户可随机地发送信息。容易发生冲突。受控接入，如多点线路探询(polling)，或轮询。用户不能随机地发送信息，必须服从一定的控制。以令牌环局域网为代表。,计算机学院,计算机网络,13,1、以太网的两个标准,DIX Ethernet V2 是世界上第一个局域网产品（以太网）的规约。IEEE 的 802.3 标准。DIX Ethernet V2 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”。严格说来，“以太网”应当是指符合 DIX Ethernet V2 标准的局域网,计算机学院,计算机网络,14,数据链路层的两个子层,为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，802 委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层：逻辑链路控制 LLC(Logical Link Control)子层媒体接入控制 MAC(Medium Access Control)子层。,计算机学院,计算机网络,15,数据链路层的两个子层,与接入到传输媒体有关的内容都放在 MAC子层。LLC 子层则与传输媒体无关。不管采用何种传输媒体，局域网对 LLC 子层来说都是透明的,计算机学院,计算机网络,16,局域网对 LLC 子层是透明的,局 域 网,网络层,物理层,站点 1,网络层,物理层,数据链路层,站点 2,LLC 子层看不见下面的局域网,计算机学院,计算机网络,17,各层的功能,物理层的主要功能：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,18,各层的功能,MAC 子层的主要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,19,各层的功能,LLC子层的主要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,20,LLC 子层界面服务原语,服务原语的定义：在定义一层向其高层提供服务时，所使用的形式化服务规范语言称为服务原语。用途：服务规范用服务原语的形式给出说明，服务原语可看成带参数的命令或过程。,计算机学院,计算机网络,21,LLC 子层界面服务原语,调用方法：用抽象的方法表示LLC子层和网际层。MAC与LLC、MAC与PHY之间通过服务访问点接口传输信息。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。,计算机学院,计算机网络,22,LLC与MAC的区别,计算机学院,计算机网络,23,以后一般不考虑 LLC 子层,由于 TCP/IP 体系经常使用的局域网是 DIX Ethernet V2 而不是 802.3 标准中的几种局域网，因此现在 802 委员会制定的逻辑链路控制子层 LLC（即 802.2 标准）的作用已经不大了。很多厂商生产的适配器上就仅装有 MAC 协议而没有 LLC 协议。,计算机学院,计算机网络,24,2.适配器的作用,网络接口板又称为通信适配器(adapter)或网络接口卡 NIC(Network Interface Card)，或“网卡”。适配器的重要功能：串行/并行转换；提供数据缓存能力；控制数据传送的能力；实现以太网协议。,计算机学院,计算机网络,25,计算机通过适配器和局域网进行通信,硬件地址,至局域网,适配器（网卡）,串行通信,CPU 和存储器,生成发送的数据处理收到的数据,把帧发送到局域网从局域网接收帧,计算机,IP 地址,并行通信,计算机学院,计算机网络,26,在了解了局域网中的层次及其关系后，我们来讨论一个问题：在局域网中【以总线型为例】，站点发送数据是否会出现冲突？如果出现了冲突怎么办？,A,B,C,D,计算机学院,计算机网络,27,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。,3.3.2 CSMA/CD 协议,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,计算机学院,计算机网络,28,以太网的广播方式发送,总线上的每一个工作的计算机都能检测到 B 发送的数据信号。由于只有计算机 D 的地址与数据帧首部写入的地址一致，因此只有 D 才接收这个数据帧。其他所有的计算机（A,C 和 E）都检测到不是发送给它们的数据帧，因此就丢弃这个数据帧而不能够收下来。具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。我们从网络上接收数据时为什么只有你接收到了？,计算机学院,计算机网络,29,为了通信的简便以太网采取了两种重要的措施,采用较为灵活的无连接的工作方式，即不必先建立连接就可以直接发送数据。以太网对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。这样做的理由是局域网信道的质量很好，因信道质量产生差错的概率是很小的。,计算机学院,计算机网络,30,以太网提供的服务,以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，其他什么也不做。差错的纠正由高层来决定。如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但以太网并不知道这是一个重传的帧，而是当作一个新的数据帧来发送。,计算机学院,计算机网络,31,以太网发送的数据都使用曼彻斯特(Manchester)编码,基带数字信号,曼彻斯特编码,码元,1,1,1,1,1,0,0,0,0,0,出现电平转换,计算机学院,计算机网络,32,以太网发送的数据都使用曼彻斯特(Manchester)编码,计算机学院,计算机网络,33,以太网发送的数据都使用曼彻斯特(Manchester)编码,曼彻斯特编码（Manchester Encoding），也叫做相位编码(PE)；常用于局域网传输。在曼彻斯特编码中，每一位的中间有一跳变，位中间的跳变既作时钟信号，又作数据信号。但在不同的书籍中，曼彻斯特编码中，电平跳动表示的值不同，这里产生很多歧义：1、在网络工程师考试以及与其相关的资料中：位中间电平从高到低跳变表示0；位中间电平从低到高跳变表示1。,计算机学院,计算机网络,34,以太网发送的数据都使用曼彻斯特(Manchester)编码,2、在一些计算机网络书籍中：位中间电平从高到低跳变表示“1”；位中间电平从低到高跳变表示“0”。在清华大学出版的计算机通信与网络教程计算机网络（第4版）也是这么说的，就以此为标准，我们就叫这为标准曼彻斯编码。至于第一种，我们在这里就叫它曼彻斯特编码。,计算机学院,计算机网络,35,以太网发送的数据都使用曼彻斯特(Manchester)编码,差分曼彻斯特编码：在信号位开始时不改变信号极性，表示逻辑1 在信号位开始时改变信号极性，表示逻辑0；,计算机学院,计算机网络,36,介质访问控制协议是什么？如何工作的？,计算机学院,计算机网络,37,载波监听多点接入/碰撞检测 CSMA/CD,CSMA/CD 表示 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection。“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。总线上并没有什么“载波”。因此，“载波监听”就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号。,计算机学院,计算机网络,38,碰撞检测,“碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。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”。,计算机学院,计算机网络,39,检测到碰撞后,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。,计算机学院,计算机网络,40,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 发送的帧发生碰撞。碰撞的结果是两个帧都变得无用。,计算机学院,计算机网络,41,CSMA/CD的流程图,1 km,A,B,t,t=0,传播时延对载波监听的影响,【tao】-单程端到端的时延【delta】-在0和之间,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=0 A 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,计算机学院,计算机网络,44,重要特性,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。,计算机学院,计算机网络,45,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 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 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。发生碰撞之后，应该如何处理呢？,计算机学院,计算机网络,46,二进制指数类型退避算法(truncated binary exponential type),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。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。,计算机学院,计算机网络,47,争用期的长度,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。,计算机学院,计算机网络,48,最短有效帧长,如果发生冲突，就一定是在发送的前 64 字节之内。由于一检测到冲突就立即中止发送，这时已经发送出去的数据一定小于 64 字节。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。如果某用户要发送的数据构成帧后，其长度小于64字节，是否该用户就不能发送数据了呢？,计算机学院,计算机网络,49,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32比特或48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。,人为干扰信号,A,B,t,A 检测到冲突,信道占用时间,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。,计算机学院,计算机网络,51,信道占用时间,从上图可知A站从发送数据开始到发现碰撞并停止发送的时间间隔是TB。A站得知碰撞已经发生时所发送的强化碰撞的干扰信号的持续时间是TJ。发生碰撞使A浪费时间TB+TJ。整个信道被占用的时间是TB+TJ+。以太网规定帧间最小间隔为9.6us，相当于96比特时间。,计算机学院,计算机网络,52,CSMA/CD协议的要点,1、适配器从网络层获得一个分组，加上以太网的首部和尾部，组成以太网帧，放入适配器的缓存中，准备发送。2、若适配器检测到信道空闲，就发送该帧。若检测到信道忙，则继续检测并等待信道转为空闲（加上96比特时间），然后发送这个帧。,计算机学院,计算机网络,53,CSMA/CD协议的要点,3、在发送过程中继续检测信道，若一直未检测到碰撞，就顺利地把这个帧成功发送完毕。若检测到碰撞，则中止数据的发送，并发送人为干扰信号。4、在中止发送后，适配器就执行指数退避算法，等待r倍512比特的时间后，返回到步骤2。,计算机学院,计算机网络,54,补充CSMA/CD协议的要点,1、作用 载波监听多点接入/碰撞检测CSMA/CD是为防止连接在总线上的各站点之间发生冲突，协调总线上各计算机工作而设计的协议。2、要点多点接入：就是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。协议的实质是“载波监听”和“碰撞检测”。载波监听：是指每一个站在发送数据之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，则暂时不发送数据，以免发生碰撞。,计算机学院,计算机网络,55,补充CSMA/CD协议的要点,碰撞检测：就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。当信号电压摆动值超过一定的门限值时，就表明产生了“碰撞”，即发生了“冲突”。一旦发现总线上出现了碰撞，就立即停止发送，然后等待一段随机时间后再次发送。3、CSMA/CD的重要特性(1)在使用CSMA/CD协议时，只能进行半双工通信。(2)每一个站在自己发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。,计算机学院,计算机网络,56,补充CSMA/CD协议的要点,(3)因为只要发生碰撞就要推迟重传，因此，以太网不能保证一定在某一时间之内能够将自己的数据帧成功地发送出去，即以太网存在发送的不确定性。如果要减小碰撞的概率，必须使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率。,计算机学院,计算机网络,57,1、局域网的定义、拓扑结构。2、以太网的两个标准。3、局域网中数据链路层的两个子层。4、适配器的作用。5、CSMA/CD协议。6、以太网发送数据使用的编码。,课程总结,计算机学院,计算机网络,58,1、集线器的工作原理。2、以太网的信道利用率。3、以太网的MAC层。4、以太网的MAC帧格式。5、数据帧的类型。,第8集预告,计算机学院,计算机网络,59,只要开始，永远不晚；只要进步，总有空间。,寄 语,
