数据链路层:广播通信

局域网具有广播功能,一个站点可以很方便地访问全网,而且速率、时延和误码率要优于广域网。局域网可以按照拓扑来分类:星形网、环形网和总线网。


局域网上的用户如何共享信道呢?

  • 静态划分信道:频分复用,时分复用,波分复用,码分复用。代价较高,不适合局域网
  • 多点接入(动态媒体接入控制):信道并非固定地分给用户
  1. 随机接入:用户随机发送消息,但是有可能碰撞,会导致发送失败。因此,必须要有解决配装的网络协议。
  2. 受控接入:用户不能随机发送信息,而必须服从一定控制。比如分散控制的令牌环局域网,集中控制的多点线路轮询(polling)。

以太网是一种总线结构的局域网,在局域网市场中处于垄断地位。

以太网的特点:

  1. 无连接的工作方式,不必建立连接就可以发送数据。适配器发送的帧不编号,也不需要对方回复确认。这样设计的前提是局域网的通信条件良好。
  2. 发送的数据都使用曼彻斯特编码的信号。

关于总线通信的特点:只要有一台计算机发送数据,那么总线就被占用。因此,在同一时间,只能有一台计算机发送数据,否则就会互相干扰

在以太网上进行广播通信是,当一台计算机发送数据时,总线上的所有计算机都会受到消息。如果是进行一对一通信的呢?这就要借助MAC地址了。在帧的首部写入目的地址,这样接收方的适配器就会检查这个帧的目的地址是否是自己的MAC地址,如果不是就丢弃。这样广播总线上也能实现一对一的通信。

以太网采用的是随机接入,解决冲突的协议是CSMA/CD,意思是载波监听多点接入/碰撞检测Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)。

多点接入:说明这是总线型网络,很多计算机连接到一根总线上。

载波监听:用电子技术检测总线上有没有其他计算机在发送。不管在发送前,还是在发送中,每个站点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;发送中检测信道,是为了及时发现碰撞。

碰撞检测:边发送边监听,就是检查有没有冲突、适配器一边发送一边检测信道上信号电压的变化情况,以判断其他站是否发送数据。一个站不可能同时发送或者接受(但必须边发送边监听信道),所以使用CSMA/CD的以太网只能进行半双工通信

每个站发送之后的一小段时间内,都存在着遭遇碰撞的可能性。所以说以太网的发送具有不确定性。怎样衡量这种不确定性呢?这就要使用下面的知识了。

争用期(Contention Period)就是以太网端到端往返时间2τ,又称为碰撞窗口(Collision Window)。如果经过争用期还没有检测到碰撞,则说明这是发送是成功的。通常取51.2微秒为争用期。对于10Mbits/s的以太网,在争用期内能发送512比特(64字节),所以也可以说争用期是512比特时间。1比特就是发出1比特所需要的时间。

CSMA/CD的要点:

  1. 准备发送:适配器从网络层获取一个分组,加上首部和尾部,放入适配器的缓存。
  2. 检查信道:检查到信道空闲,且空闲时间持续96比特时间,则发送此帧。
  3. 发送检测:适配器在发送过程中不停地检测信道,这里有两种情况:
  • 发送成功:争用期未检测到碰撞,肯定发送成功,然后回到1
  • 发送失败:争用期检测到碰撞,立即停止发送数据,并按规定发送人为干扰信号。适配器执行指数退避算法,等待r倍争用期,返回步骤2,继续检测信道,重传到16次仍然失败,则停止重传向上报错。(算法需要边界(有限性)

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