Chapter 3- 数据链路层 (3)-2017

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悟皓郝
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1 计算机网络第三章数据链路层 (3) 陈旺虎

2 第 3 章数据链路层 3.1 使用点对点信道的数据链路层 3.2 点对点协议 PPP 3.3 使用广播信道的数据链路层 3.4 使用广播信道的以太网 3.5 扩展的以太网 3.6 高速以太网 3.7 其他类型的高速局域网接口

3 Review PPP 协议播信道局域拓扑结构媒体共享法静态划分信道动态媒体介入控制 (Mutiple Access) n 随机接入 n 受控接入

4 3.3.2 CSMA/CD 协议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匹配电阻 ( 用来吸收总线上传播的信号 ) 匹配电阻只有 D 接受 B 发送的数据 A B C D E 不接受 B 向 D 发送数据不接受接受不接受

5 以太网的广播方式发送总线上的每个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 的地址与数据帧部写的地址致, 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不能够收下来因此, 在具有播特性的总线上实现了对的通信

6 为方便以太网采取了两种重要的措施 (1) 采较为灵活的连接的作式, 即不必先建连接就可以直接发送数据 (2) 不对以太发送的数据帧进编号, 也不要求对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

7 以太提供的服务以太提供的服务是不可靠的交付, 即尽最努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

8 以太发送的数据都使曼彻斯特 (Manchester) 编码码元基带数字信号曼彻斯特编码出现电平转换

9 问题如何协调总线上各计算机的作? 总线上, 在同一时间只能允许一台计算机发送信息, 否则相互干扰, 结果都无法正常发送数据传统以太网采用的协调方法是 CSMA/CD( 载波监听多点接入 / 碰撞检测 ) 协议, 采用半双工通信方式

10 载波监听多点接入 / 碰撞检测 CSMA/CD CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) 多点接表许多计算机以多点接的式连接在根总线上载波监听是指每个站在发送数据之前先要检测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, 以免发碰撞载波监听就是电技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号

11 CSMA: 载波监听多点接入作原理发送前监听 : 每个站点在发送数据之前要监听信道上是否有数据在传送若有, 则此站暂停发送, 等待一段时间后重试附加硬件装置载波监听策略非坚持 CSMA: 一旦监听到信道忙, 就不再监听 ; 延迟一个随机时间后再次监听坚持 CSMA: 监听到信道忙时, 仍继续监听, 直到信道空闲 n 1- 坚持 CSMA: 一监听到信道空闲就立即发送数据 ( 以概率 1 发送 ) n p- 坚持 CSMA: 监听到信道空闲时, 以概率 p 发送数据, 即以概率 1-p 延迟一段时间后再发送

12 性能轻载时,1 坚持 CSMA 吞吐量最大 ; 重载时, 非坚持 CSMA 吞吐量最大冲突是否可以避免? 由于传播时延的存在, 冲突不可避免

13 碰撞检测如何检测有没有发碰撞? 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了冲突因此碰撞检测也称为冲突检测

14 检测到碰撞后在发碰撞时, 总线上传输的信号产了严重的失真, 法从中恢复出有的信息来每个正在发送数据的站, 旦发现总线上出现了碰撞, 就要即停发送, 免得继续浪费络资源, 然后等待段随机时间后再次发送

15 CSMA/CD: 带冲突检测的载波监听多点接入作原理边发送边监听若监听到冲突, 则冲突双方都立即停止发送冲突检测法比较接收到的信号电压的大小站点检测到冲突后, 往往发送人为干扰信号, 强化冲突, 以通知其他站点退避

16 CSMA/CD 流程图准备发送站按退避策略等待 1 监听信道 2 信道空闲 4 传输数据并监听信道 3 信道忙检测到冲突 5 发送 J 干扰信号传输完成无冲突要发送数据的站点, 先监听电缆, 如果线路忙, 就等待, 直到线路空为止 ; 否则, 立即发送数据在发送数据时, 边监听边发送, 若检测到冲突信号, 所有冲突站点都停止数据发送, 等待一个随机时间后, 再重新尝试发送

17 电磁波在总线上的有限传播速率带来的影响当某个站监听到总线是空闲时, 也可能总线并真正是空闲的 (Why?) 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

18 传播时延对载波监听的影响 t = 0 A t 1 km A 检测到发生碰撞碰撞 B B 发送数据 t = t - d t = t t = 2t - d B 检测到发生碰撞单程端到端传播时延记为 t

19 t = 0 A t 1 km A 检测到发生碰撞碰撞 B B 发送数据 t = t - d t = t t = 2t - d t = 0 A 检测到信道空闲发送数据 A A B 检测到发生碰撞 B B 单程端到端传播时延记为 t t = t - d B 检测到信道空闲发送数据 A B t = t - d / 2 发生碰撞 t = 2t - d A 检测到发生碰撞 A A STOP STOP B B t = t B 检测到发生碰撞停止发送

20 重要特性使 CSMA/CD 协议的以太不能进全双通信只能进双向交替通信 ( 半双通信 ) 每个站在发送数据之后的段时间内, 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的平均通信量远于以太的最数据率

21 争用期最先发送数据帧的站, 在发送数据帧后多经过时间 2t ( 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的端到端往返时延 2t 称为争期, 或碰撞窗经过争期这段时间还没有检测到碰撞, 才能肯定这次发送不会发碰撞

22 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 n 一般是取为争用期 2t 定义 k,k 10, 即 k = Min[ 重传次数, 10] 从整数集合 [0,1,, (2 k -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

23 争用期的长度以太取 51.2 µs 为争期的度对于 10 Mb/s 以太, 在争期内可发送 512 bit, 即 64 字节可得到什么结论? 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

24 最短有效帧长如果发冲突, 就定是在发送的前 64 字节之内由于检测到冲突就即中发送, 这时已经发送出去的数据定于 64 字节以太规定了最短有效帧为 64 字节, 凡度于 64 字节的帧都是由于冲突异常中的效帧

25 强化碰撞当发送数据的站旦发现发了碰撞时 : 立即停止发送数据 ; 再继续发送若干比特的人为干扰信号 (jamming signal), 以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞

26 人为干扰信号 A A 发送数据开始冲突 B 发送数据 B t T B T J t A 检测到冲突 t 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

27 传统以太网的帧间间隔 9.6us, 若检测到信道空闲, 等待的时间保障接收清除缓存 96bit

28 习题 : 37.(2009 考研题 ) 在一个采用 CSMA/CD 协议的网络中, 传输介质是一根完整的电缆, 传输速率为 1Gbps, 电缆中的信号传播速度是 km/s 若最小数据帧长度减少 800 比特, 则最远的两个站点之间的距离至少需要 A. 增加 160m B. 增加 80m C. 减少 160m D. 减少 80m

29 解答在一个采用 CSMA/CD 协议的网络中, 传输介质是一根完整的电缆, 传输速率为 1Gbps, 电缆中的信号传播速度是 km/s 若最小数据帧长度减少 800 比特, 则最远的两个站点之间的距离至少需要减少 80 碰撞窗口 :2tau; tau 端对端传输时间 tau= L/ (m/s) 最短帧长 =10^9(b/s) *2*tau (s) =10*L (b).

30 47 综合题 (2010 考研题 )(9 分 ) 某局域网采用 CSMA/CD 协议实现介质访问控制, 数据传输速率为 10Mbps, 主机甲和主机乙之间的距离为 2km, 信号传播速度是 Kms. 请回答下列问题, 并给出计算过程 (1) 若主机甲和主机乙发送数据时发生冲突, 则从开始发送数据时刻起, 到两台主机均检测到冲突时刻止, 最短需经多长时间? 最长需经过多长时间? n ( 假设主机甲和主机乙发送数据过程中, 其他主机不发送数据 )

31 (2) 若网络不存在任何冲突与差错, 主机甲总是以标准的最长以太网数据锁 (1518 字节 ) 向主机乙发送数据, 主机乙每成功收到一个数据锁后, 立即发送下一个数据锁, 此时主机甲的有效数据传输速率是多少? n ( 不考虑以大网锁的前导码 )

32 信道利用率的最大值 S max 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 T 0 + t, 而帧本身的发送时间是 T 0 于是我们可计算出理想情况下的极限信道利用率 S max 为 : S max = T T0 = + t a

33 解答 (1) 当甲乙同时向对方发送数据时, 两台主机均检测到冲突所需时间最短 ; n 1KM/200000KM/S*2=1*10-5 S 当一方发送的数据马上要到达另一方时, 另一方开始发送数据, 两台主机均检测到冲突所需时间最长 ; n 2KM/ KM/S*2=2*10-5 S

34 (2) 发送一锁所需时间 : A=1518B/10Mbps=1.2144ms 数据传播时间 : n B=2km/ km/s=1*10-5 s=0.01ms 有效的数据传输速率 : n 10Mbps * [A/(A+B)]=9.92Mbps

35 3.4 使用广播信道的以太网使用集线器的星形拓扑以太的发展传统的以太网最初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双绞线以太采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)

36 使用集线器的双绞线以太网站点集线器 RJ-45 插头两对双绞线

37 星形网 10BASE-T 不同轴电缆使屏蔽双绞线每个站需要两对双绞线, 分别于发送和接收集线器使了规模集成电路芯, 因此这样的硬件设备的可靠性提

38 以太网在局域网中的统治地位 10BASE-T 的通信距离稍短, 每个站到集线器的距离不超过 100 m 10 Mb/s 速率的屏蔽双绞线星形的出现, 既降低了成本, 提了可靠性 10BASE-T 双绞线以太的出现, 是局域发展史上的个常重要的程碑, 它为以太在局域中的统治地位奠定了牢固的基础

39 集线器的特点集线器是使电器件来模拟实际电缆线的作因此, 整个系统仍然像一个传统的以太网使集线器的以太在逻辑上仍是个总线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个多接转发器, 作在物理层

40 具有三个接口的集线器集线器双绞线网卡工作站网卡工作站网卡工作站

41 3.4.2 以太网的信道利用率以太的信道被占的情况假设争用期长度为 2t, 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) n 因而, 帧的发送时间为 L/C = T 0 (s)

42 以太网的信道利用率发送帧所需的平均时间 : 一个帧从开始发送, 经可能发生的碰撞后, 将再重传数次, 到发送成功且信道转为空闲 ( 即再经过时间 t 使得信道上无信号在传播 ) 时为止发生碰撞占用期争用期争用期争用期发送成功 t 2τ 2τ 2τ T 0 τ 发送一帧所需的平均时间

43 提高以太网的信道利用率要提高以太网的信道利用率, 就必须减小 t 与 T 0 之比在以太网中定义了参数 a, 它是以太网单程端到端时延 t 与帧的发送时间 T 0 之比 : t a 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 a 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 a = T 0

44 对以太网参数的要求当数据率一定时, 以太网的连线的长度受到限制, 否则 t 的数值会太大以太网的帧长不能太短, 否则 T 0 的值会太小, 使 a 值太大

45 信道利用率的最大值 S max 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, 即 : 总线一旦空闲就有某一个站立即发送数据这显然已经不是 CSMA/CD, 而是需要使用一种特殊的调度方法发送一帧占用线路的时间是 T 0 + t, 而帧本身的发送时间是 T 0 于是我们可计算出理想情况下的极限信道利用率 S max 为 : S max = T T0 = + t a

46 ANY QUESTION?

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PowerPoint Presentation 第 13 章有线局域网 : 以太网 13.1 Copyright The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display. 13-1 IEEE 标准 1985 年, 计算机团体 IEEE( 电器与电子工程师学会 ) 开始了一个项目, 称为项目 802, 以设定标准使得不同制造商生产的设备之间能相互通信