数据链路层（三）局域网：使用广播信道的数据链路层

局域网

概念

网络为一个单位所有，且地理范围和站点数目均有限。局域网比广域网具有较高的数据率、较低的延迟和较小的误码率。

分类

星性以太网和多级星型结构的以太网应用得最为广泛。

以太网的两个标准

• DIX Ethernet V2:该标准定义了在局域网中采用的电缆类型和信号处理方法。Ethernet II由DEC，Intel和Xerox在1982年公布其标准，Etherent II主要更改了Ethernet I的电气特性和物理接口，在帧格式上并无变化。Etherent II采用CSMA/CD的媒体接入和广播机制

• IEEE 802.3: 通常指以太网。一种网络协议。描述物理层和数据链路层的MAC子层的实现方法，在多种物理媒体上以多种速率采用CSMA/CD访问方式，对于快速以太网该标准说明的实现方法有所扩展

适配器

网络适配器又称网卡或网络接口卡。它是使计算机联网的设备。平常所说的网卡就是将PC机和LAN连接的网络适配器。网卡（NIC） 插在计算机主板插槽中，负责将用户要传递的数据转换为网络上其它设备能够识别的格式，通过网络介质传输。它的主要技术参数为带宽、总线方式、电气接口方式等。它的基本功能为：从并行到串行的数据转换，包的装配和拆装，网络存取控制，数据缓存和网络信号。目前主要是8位和16位网卡

适配器接收和发送帧时，不使用计算机CPU，当接收到有差错的帧时会直接丢弃。当接收到正确的帧时，使用中断来通知计算机，并交付协议栈的网络处理。发送IP数据报时，由协议栈把IP数据报向下交给适配器，组装成帧发送到局域网。

以太网适配器具有过滤功能过滤的帧包括以下三种：

• 单播帧，收到的MAC地址必须与本站的MAC地址相同
• 广播帧，本站局域网网内所有站都可接受
• 多播帧，发给局域网内一部分站点

以太网适配器还可以设置一种特殊的模式，即混杂模式，该模式下只有探测有局域网内有帧传输就会接收。嗅探器就是设置为混杂模式的网络适配器

CSMA/CD协议

总线特点

• 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。这种就是广播通信方式。为了在总线上实现一对一的通信，可以使每一台计算机的适配器拥有一个与其他适配器都不同的地址。在发送数据桢时，在帧的首部写明接收站的地址。仅当数据帧中的目的地址与适配器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
• 总线上只要有一台计算机早发送数据，总线资源就被占用，因此，同一时间只能允许一台计算机发送数据，否则就会相互干扰

协议内容

• 多点接入 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 就是监听信道，不管在发送前，还是在发送中，每个站都必须不停地检测信道。 在发送前检测信道，是为了获得发送权。在发送中检测信道，是为了及时发现有没有其他站的发送和本站发送的碰撞。
• 碰撞检测 适配器边发边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。当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压变化幅度将会增大（相互叠加）

显然，在使用CSMA/CD协议时，一个站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半双工通信。
每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。因此以太网不能保证某一段时间之内一定把自己的数据帧成功地发送出去。

最先发送数据帧的A站，在发送数据帧后至多经过时间2t就可以知道所发送的数据帧是否遭受了碰撞。因此这个时间段称为争用期。争用期又称为碰撞窗口，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。

以太网使用截断二进制指数退避算法来确定碰撞后重传的时机。

以太网规定了最短帧长度为64字节，即512bit。如果要发送的数据非常少，那么必须加入一些填充字节，使帧长不小于64字节。对于10Mb/s，发送512bit的时间需要51.2us，也就是上面提到的争用期。

以太网在发送数据时，如果在争用期没有发生碰撞，那么后续发送的数据就一定不会发生冲突。如果发生碰撞，就一定是在发送前64字节之内。

传输过程

• 准备发送：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，放入适配器的环从中。但在发送之前，必须首先检测信道。
• 检测信道：若检测到信道忙，则不停地检测，一直等待信道转为空闲。若检测到信道空闲，并在96比特时间内信道保持空闲（保证帧间最小间隔），就发送这个帧。
• 在发送过程中仍不停地检测信道，即网络适配器要边发边监听。

集线器

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• 使用集线器的局域网物理上仍然是一个星型汪，逻辑上仍然是一个总线网，使用的仍是CSMA/CD协议
• 一个集线器有多个接口，很想一个多接口的转发器
• 主要功能是对接收到的信号进行再生整形放大，以扩大网络的传输距离，同时把所有节点集中在以它为中心的节点上。它工作于OSI（开放系统互联参考模型）参考模型第一层，即”物理层“

以太网的MAC层

MAC层的硬件地址：

局域网中的硬件地址被成为物理地址或MAC地址，在文献中[SHOC78]中给出了一下定义：名字指出了我们所要寻找的那个资源，地址指出了那个资源在何处，路由告诉我们如何到达该处。

名字和系统的所在位置无关，而我们一般讲的MAC地址指的是固化在适配器的ROM中的地址，所以局域网中的地址应当是每一个站的名字或者是标识符。

MAC地址一共由6个字节组成，其中前三个字节是生产局域网适配器的厂家向IEEE 的注册管理系统RA 购买的，地址段的后三个字节是厂家自行指派的。前三个字符的正式名称是组织唯一标识符，后三个字节称为扩展标识符。这六个字符一共组成了一个MAC地址。MAC地址被称为硬件地址或物理地址，实际上就是适配器地址或适配器标识符。

MAC地址的第一字节的最低位为I/G位，其中I/G位为1时指组地址，第二低位指G/L位，为0指是全球管理（保证在全球没有一个相同的地址），为1指本地管理。

MAC帧格式

MAC层

目的地址（6字节）
源地址（6字节）
类型（2字节）IP数据报（若干字节）
FCS（4字节）FCS用于CRC检验。

物理层（MAC层到物理层帧钱插入8个字节，由硬件生成）

前同步码（7字节，1 和0交替）
帧开始定界符（1字节，前6为与前同步码 类似， 1、0交替，后两位为连续1，告诉适配器MAC帧信息即将发送）

其中前同步码是使接收端的适配器在接收MAC帧时能够迅速调整其的时钟频率，使其和发送端同步。