计算机网络考试复习——第三章 3.3

3.3 使用广播信道的数据链路层

3.3.1局域网的数据链路层

局域网最主要的特点：

1.网络为一个单位所拥有；

2.地理范围和站点数目均有限。

局域网具有如下主要优点：

1.具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网。

2.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。、

3.提高了系统的可靠性、可用性和生存性。

1)以太网的两个主要标准：

DIX Ethernet V2：世界上第一个局域网产品（以太网）的规约。 IEEE 802.3：第一个 IEEE 的以太网标准。这两种标准的硬件实现可以在同一个局域网上互操作。 这两个标准标准只有很小的差别，因此很多人也常把 802.3局域网简称为“以太网”。

局域网数据链路层分为 2 个子层:LLC层和MAC层   LLC层在MAC层上面

逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control) 子层：与传输媒体无关。 媒体接入控制 MAC (Medium Access Control) 子层：与传输媒体有关。

2)适配器：

适配器是在主机箱当中插入的一块接口板，这种接口板又被称为网络接口卡INC简称网卡。

重要功能： 进行串行/并行转换。 对数据进行缓存。 在计算机的操作系统安装设备驱动程序。 实现以太网协议。

3.3.2   CSMA/CD 协议

最早的以太网：将许多计算机都连接到一根总线上。 总线特点：易于实现广播通信，简单，可靠。为了实现一对一通信，将接收站的硬件地址写入帧首部中的目的地址字段中。仅当数据帧中的目的地址与适配器硬件地址一致时，才能接收这个数据帧。

 总线缺点：多个站点同时发送时，会产生发送碰撞或冲突，导致发送失败。

以太网采取的 2 种重要措施：

1)采用较为灵活的无连接的工作方式。 不必先建立连接就可以直接发送数据。 对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。提供不可靠的交付尽最大的努力进行交付。对有差错帧是否需要重传则由高层来决定。

2) 发送的数据都使用曼彻斯特 (Manchester) 编码。

CSMA/CD协议的三个要点：

CSMA/CD：载波监听多点接入 / 碰撞检测。

多点接入：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。

载波监听：这里其实是在发送前进行监听。不管在想要发送数据之前，还是在发送数据之中，每个站都必须不停地检测信道。

碰撞检测：适配器边发送数据，边检测信道上的信号电压的变化情况。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（或冲突）。

为什么要进行碰撞检测？ 因为信号传播时延对载波监听产生了影响

可见：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。

A 需要单程传播时延的 2 倍的时间，才能检测到与 B 的发送产生了冲突。 这个是最坏的情况！

以太网的端到端往返时延 2t 称为争用期，或碰撞窗口。 具体的争用期时间 = 51.2 μs。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。

在碰撞后要重传这时这个随机的实践是怎么来判断的呢?

采用截断二进制指数退避 (truncated binary exponential backoff) 确定。 发生碰撞的站停止发送数据后，要退避一个随机时间后再发送数据。

1.基本退避时间 = 2t  也就是51.2μs

2. 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 =  r ⅹ 基本退避时间。

3.参数 k = Min[重传次数, 10]

4.当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。

若连续多次发生冲突，表明可能有较多的站参与争用信道。 上述退避算法可使重传需要推迟的平均时间随重传次数而增大（称为动态退避），因而减小发生碰撞的概率，有利于整个系统的稳定。

10 Mbit/s 以太网争用期的长度

对于 10 Mbit/s 以太网，在争用期51.2μs内可发送 512 bit，即 64 字节。

这意味着： 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。 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，应当立即将其丢弃。

以太网最大端到端单程时延必须小于争用期的一半 (即 25.6 μs)，相当于以太网的最大端到端长度约为 5 km。

3.3.3  使用集线器的星形拓扑

传统以太网传输媒体：粗同轴电缆->细同轴电缆->双绞线。

传统以太网使用同轴电缆，采用总线形拓扑结构。采用双绞线的以太网采用星形拓扑。 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 。每个站到集线器的距离不超过100 m。1990 年，IEEE 制定出采用双绞线的星形以太网 10BASE-T 的标准 802.3i。10BASE-T是指的10代表10Mbit/s的速率，BASE表示连接在线上的信号是基带信号，T代表双绞线。

集线器的一些特点：使用电子器件来模拟实际电缆线的工作，因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行。 使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，但是在物理上是个星型结构。各工作站使用的还是 CSMA/CD 协议，并共享逻辑上的总线。 很像一个多接口的转发器，工作在物理层。 采用了专门芯片，进行自适应串音回波抵消，减少了近端串音。

3.3.5  以太网的 MAC 层

硬件地址又称为物理地址，或 MAC 地址。 IEEE 802 标准为局域网规定了一种 48 位的全球地址（简称为地址）是指局域网上的每一台计算机中固化在适配器的 ROM 中的地址。

IEEE 注册管理机构 RA 负责向厂家分配前 3 个字节 (即高 24 位)，称为组织唯一标识符 OUI 。厂家自行指派后 3 个字节 (即低 24 位)，称为扩展标识符 。 必须保证生产出的适配器没有重复地址。 地址被固化在适配器的 ROM 中。

MAC帧的格式：

一般是以太网V2的格式

由硬件在帧的前面插入 8 字节。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 1 个字节是帧开始定界符，表示后面的信息就是 MAC 帧。 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。

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。

 当“长度/类型”字段值大于 0x0600 时，表示“类型”；小于 0x0600 时，表示“长度”。 当“长度/类型”字段值小于 0x0600 时，数据字段必须装入逻辑链路控制 LLC 子层的 LLC 帧。 在 802.3 标准的文档中，MAC 帧格式包括了 8 字节的前同步码和帧开始定界符。