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织马
7 years ago
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1 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.

2 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项目 802 并不旨在代替 OSI 或者英特网模式相反, 它说明了大多数局域网协议的物理层和数据链路层的功能本节重点讨论的话题 : 数据链路层物理层 13.2

3 13.3 图 13.1 局域网的 IEEE 标准

4 13.4 图 13.2 HDLC 帧与 LLC 和 MAC 帧的比较

5 13-2 标准以太网最初的以太网是由施乐公司的 Palo Alto 研究中心 (PARC) 创建的自此之后, 它经历了四代的发展我们将简单介绍标准 ( 或传统 ) 以太网本节重点讨论的话题 : MAC 子层物理层 13.5

6 13.6 图 13.3 以太网的四代发展

7 13.7 图的 MAC 帧

8 13.8 Figure 13.5 最小长度和最大长度

9 注意帧的长度 : 最小值 : 64 bytes (512 bits) 最大值 : 1518 bytes (12,144 bits) 13.9

10 13.10 图 13.6 用十六进制表示法表示的以太网地址的一个示例

11 图 13.7 单播地址和多播地址单播地址, 组播地址 : 13.11

12 注意第一个字节的最低位决定了地址的类型如果该位是 0, 地址是单播地址, 否则便是多播地址 13.12

13 注意广播目的地址是多播地址的一个特例, 它的所有位都是

14 第 1 字节第 6 字节十六进制表示的 EUI-48 地址 : AC-DE 二进制表示的 EUI-48 地址 : 机构唯一标志符 OUI 扩展标志符字节顺序第 1 第 2 第 3 第 4 第 5 第 6 高位在前最高位最先发送最低位 I/G 比特最高位最低位最后发送 I/G 比特字节顺序第 1 第 2 第 3 第 4 第 5 第 6 低位在前最低位最先发送最高位最低位最高位最后发送

15 例 13.1 确定下列目的 MAC 地址的类型 : a. 4A:30:10:21:10:1A b. 47:20:1B:2E:08:EE c. FF:FF:FF:FF:FF:FF 解为了知道地址的类型, 我们必须看左边第二个十六进制数字如果是偶数, 那么地址是单播地址如果是奇数, 那么地址是多播地址如果所有的数字都是 F, 那么地址是广播地址因此, 我们得到以下答案 : a. 单播地址,(A) 16 =( 1010 ) 2 b. 组播地址,(7) 16 =( 0111 ) 2 c. 广播地址 13.15

16 例 13.2 写出 MAC 地址 47:20:1B:2E:08:EE 在线路上的发送次序解地址被一个字节一个字节地从左向右发送, 每个字节是一位一位地从右向左发送的, 如下所示 13.16

17 13.17 时隙和冲突时隙 = 往返时间 + 发送干扰序列所需要的时间对于 10Mbps 的网络是 51.2μs, 原因与最短帧长有关时隙与最大网络长度有关最大网络长度 = 传播速度 ( 时隙 /2), 最大网络长度 = ( /2) = 5120 m 考虑到中继器和接口的延迟, 以及发送干扰序列所需的时间, 减少到 2500m

18 以太网的最大作用距离 500 m 50 m 转发器转发器网段 1 转发器 750 m 转发器 50 m 500 m 网段 m 50 m 250 m 网段 2

19 帧间最小间隔帧间最小间隔为 9.6 s, 相当于 96 bit 的发送时间一个站在检测到总线开始空闲后, 还要等待 9.6 s 才能再次发送数据这样做是为了使刚刚收到数据帧的站的接收缓存来得及清理, 做好接收下一帧的准备

20 两种不同的 MAC 帧格式常用的以太网 MAC 帧格式有两种标准 : DIX Ethernet V2 标准 IEEE 的标准最常用的 MAC 帧是以太网 V2 的格式

这种 802.3 + 802.2 帧已经较少使用 IP 数据报 IP 层当长度 / 类型字段表示长度时字节 1 1 1 802.2 LLC 帧 DSAP SSAP 控制数据 LLC 子层 802.

21 这种帧已经较少使用 IP 数据报 IP 层当长度 / 类型字段表示长度时字节 LLC 帧 DSAP SSAP 控制数据 LLC 子层 MAC 帧字节 ~ 目的地址源地址长度 / 类型 DSAP SSAP 控制数据 FCS MAC 子层以太网 V2 MAC 帧 IP 数据报字节 ~ 目的地址源地址类型数据 FCS IP 层 MAC 层插入 8 字节 MAC 帧物理层 7 字节 1 字节前同步码帧开始定界符

22 以太网 V2 的 MAC 帧格式目的地址字段 6 字节 IP 数据报字节 ~ 以太网 V2 MAC 帧目的地址源地址类型数据 FCS IP 层 MAC 层 MAC 帧物理层

23 以太网 V2 的 MAC 帧格式源地址字段 6 字节 IP 数据报字节 ~ 以太网 V2 MAC 帧目的地址源地址类型数据 FCS IP 层 MAC 层 MAC 帧物理层

24 以太网 V2 的 MAC 帧格式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类型字段 2 字节 IP 数据报字节 ~ 以太网 V2 MAC 帧目的地址源地址类型数据 FCS IP 层 MAC 层 MAC 帧物理层

25 以太网 V2 的 MAC 帧格式数据字段的正式名称是 MAC 客户数据字段 64 字节 18 字节的首部和尾部 = 数据字段的最小数据字段 46 ~ 1500 字节 IP 数据报 IP 层字节 ~ 以太网 V2 MAC 帧目的地址源地址类型数据 FCS MAC 层 MAC 帧物理层

26 以太网 V2 的 MAC 帧格式当传输媒体的误码率为时, MAC 子层可使未检测到的差错小于 FCS 字段 4 字节 IP 数据报字节 ~ 以太网 V2 MAC 帧目的地址源地址类型数据 FCS IP 层 MAC 层 MAC 帧物理层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

27 以太网 V2 的 MAC 帧格式在帧的前面插入的 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 IP 数据报字节 ~ 以太网 V2 MAC 帧目的地址源地址类型数据 FCS IP 层 MAC 层插入 8 字节 MAC 帧物理层 7 字节 1 字节前同步码帧开始定界符为了达到比特同步, 在传输媒体上实际传送的要比 MAC 帧还多 8 个字节

28 无效的 MAC 帧数据字段的长度与长度字段的值不一致 ; 帧的长度不是整数个字节 ; 用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错 ; 数据字段的长度不在 46 ~ 1500 字节之间有效的 MAC 帧长度为 64 ~ 1518 字节之间对于检查出的无效 MAC 帧就简单地丢弃以太网不负责重传丢弃的帧

29 13.29 图 13.8 标准以太网的分类

30 13.30 图 13.9 标准以太网实现中的编码

31 13.31 图 Base5: 粗缆以太网

32 13.32 图 Base2: 细缆以太网

33 图 Base-T: 双绞线以太网最大长度为 100m 13.33

34 13.34 图 Base-F: 光纤以太网

35 13.35 表 13.1 标准以太网实现的总结

36 以太网的信道利用率 ( 补充 ) 我们假定 : 总线上共有 N 个站, 每个站发送帧的概率都是 p 争用期长度为 2, 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), 因而帧的发送时间为 L/C = T 0 (s)

37 以太网的信道利用率 ( 补充 ) 一个帧从开始发送, 经碰撞后再重传数次, 到发送成功且信道转为空闲 ( 即再经过时间使得信道上无信号在传播 ) 时为止, 共需平均时间为 T av 争用期的平均个数 N R 占用期争用期争用期争用期发送成功 2 τ 2 τ 2 τ T 0 τ t 发送一帧所需的平均时间 T av

38 以太网的信道利用率 ( 续 ) 令 A 为某个站发送成功的概率, 则 A = P[ 某个站发送成功 ] = Np(1 p) N 1 (4-1) 显然, 某个站发送失败的概率为 1 A 因此, P[ 争用期为 j 个 ] = P[ 发送 j 次失败但下一次成功 ] = (1 A) j A (4-2) 争用期的平均个数等于帧重发的次数 N R : j N R j( 1 A) A ( 1 A) / A j 0 (4-3)

39 以太网的信道利用率 ( 续 ) 求出以太网的信道利用率 ( 它又称为归一化吞吐量 ) 为 : S T T 0 av 2 N R T 0 T a(2a 1 1) (4-4) 这里 a T 0 (4-5) 参数 a 是总线的单程传播时延与帧的发送时延之比

40 最大信道利用率若设法使 A 为最大, 则可获得最大的信道利用率将 (4-4) 式对 p 求极大值, 得出当 p = 1/N 时可使 A 等于其极大值 A max : N 1 1 Amax 1 (4-6) N 当 N 时,A max = 1/e 0.368

41 信道利用率的最大值 S max 将 (4-6) 式中的 A max 值代入 (4-4) 式, 即得出信道利用率的最大值 S max 取 A = A max = e 时,(4-4) 式可简化为 : 1 Smax a N (4-7) 若 a 0, 则信道利用率的最大值可达到 100%

42 a > 1 时的信道利用情况 (a = 4) t = T 0 A t = 2T 0 A t = 3T 0 A t = 4T 0 A t = 5T 0 A B B B B B 参数 a = 4 使得信道利用率很低

43 参数 a 可以很容易地和时延带宽积联系起来考虑到 T 0 是帧长 L 与数据的发送速率 C 之比, 于是参数 a 可写为 : a T 0 L / C C L (4-9) 式的分子正是时延带宽积, 或以比特为单位的信道长度, 而分母是以比特为单位的帧长 (4-9)

44 a = 0.01 时的信道利用情况 t = 0.5 t = A A B B t = 100 t = A A B B 参数 a = 0.01 使得信道利用率很高

45 13-3 标准的变化 10 Mbps 标准以太网在运行更高的传输速率之前已经经历了一些变化这些变化事实上为以太网的发展开辟了一条新路, 使得与其它高传输速率的局域网相比, 以太网变得更有竞争力本节重点讨论的话题 : 桥接以太网交换式以太网全双工以太网 13.45

46 13.46 图带宽共享

47 13.47 图一个带有网桥的网络和不带网桥的网络

48 13.48 图一个带有网桥和不带有网桥网络的冲突域

49 13.49 图交换式以太网

图 13.18 全双工交换式以太网 13.50 1. 10base5 和 10base2 是半双工的,10baseT 始终是全双工的 2. 全双工模式是将每一个域的能力从 10M 提高到 20M 3.

50 图全双工交换式以太网 base5 和 10base2 是半双工的,10baseT 始终是全双工的 2. 全双工模式是将每一个域的能力从 10M 提高到 20M 3. 不需要 CSMA/CD, 站点和交换机之间是专用链路, 不再需要载波检测, 不需要冲突检测 4. MAC 子层的载波检测和冲突检测就不需要了 5. 标准以太网的 MAC 子层是无连接的, 因此也没有显式的流控和差错控制 ; 接收方收到帧之后, 也不必发送肯定或者否定的确认 6. 为了在全双工以太网中提供流量控制和差错控制, 增加了 LLC 子层

51 13-4 快速以太网设计快速以太网是为了与诸如 FDDI 或光纤通道等的局域网协议相竞争 IEEE 在名为 802.3u 下创造了快速以太网快速以太网是标准以太网的后向兼容, 但是他的传输速度是 100Mbps, 快了 10 倍本节重点讨论的话题 : MAC 子层物理层 13.51

52 13.52 图快速以太网拓扑

53 13.53 图快速以太网的实现

54 13.54 图快速以太网实现的编码

55 13.55 表 13.2 快速以太网实现的总结

56 13-5 千兆以太网对传输速度更高的需求使得千兆以太网 ( 1000 Mbps) 应运而生 IEEE 委员会称之为标准 802.3z. 本节重点讨论的话题 : MAC 子层物理层 10 千兆以太网 13.56

57 注意在千兆以太网的全双工模式中, 不存在冲突 ; 电缆长度的最大值取决于电缆中信号的衰减程度 13.57

58 13.58 图千兆以太网的拓扑结构

59 13.59 图千兆以太网的实现

60 13.60 图千兆以太网实现中的编码

61 13.61 表 13.3 千兆以太网实现的总结

62 13.62 表千兆以太网实现的总结

63 作业 : P280 页 13,15,17,

Chapter 3- 数据链路层 (3)-2017

Chapter 3- 数据链路层 (3)-2017 计算机网络第三章数据链路层 (3) 陈旺虎 chenwh@nwnu.edu.cn 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 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