重邮计算机网络803-（3）数据链路层

1.封装成帧

1.局域网的数据链路层

（1）存在的问题

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。

（5）CSMA/CD重要特性

• 使用 CSMA/CD 协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信（半双工通信）。
• 每个站在发送数据之后的一小段时间内，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网的平均通信量远小于以太网的最高数据率。

（6）争用期与最短有效帧长

①争用期

争用期2τ，为512比特时间，对于10Mbit/s以太网，为51.2μs

比特时间：1比特时间就是发送1比特所需要的时间。设τ=256比特时间，即信道长度是256比特。

• 最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间 2τ (tao) （两倍的端到端往返时延）就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。
• 以太网的端到端往返时延 2τ称为争用期，或碰撞窗口。
• 经过争用期 2τ 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。

②最短有效帧长

• 如果发生冲突，就一定是在发送的前 64字节之内。（512bit÷8=64byte）
• 由于一检测到冲突就立即中止发送，这时已经发送出去的数据一定小于 64 字节。
• 以太网标准 IEEE 802.3 规定了最短有效帧长为 64 字节，则我们只要填充大于64字节的数据，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。

（7）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，一般是取为争用期 2τ （tao）。
• 定义参数k ，k ≤ 10，即k = Min(重传次数, 10)，即：重传次数超过10以后，参数k就固定是10了。
• 从整数集合的数组[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。

（8）强化碰撞

• 立即停止发送数据；
• 再继续发送若干比特（32bit/48bit）的人为干扰信号(jamming signal)，干扰信号让作废数据变长，更能让别人看出来是碰撞了，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。

（9）帧间间隔

• 主机A先听后发，检测到信道空闲后要发送数据，需要经过一个时间段才能发送下一个数据包（96比特时间）；
• 有这个时间，网络结点才有足够的时间来接收、缓存报文；即检测信道空闲时，需要至少有96比特的空闲时间，才能够启动发送数据。
• A在96比特时间内边听编发，即边准备边检测是否空闲，若96比特时间内检测到信道突然不空闲了，则取消准备，等待下一次空闲再重新准备。

七. 使用广播信道的以太网

1. （1）使用集线器的星形拓扑

（2）使用集线器的双绞线以太网：

（3）星形网 10BASE-T

• 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对应10 Mb/s，BASE对应星形网，T对应无屏蔽双绞线）
• 这种 10 Mb/s 速率的无屏蔽双绞线星形网的出现，既降低了成本，又提高了可靠性。
• 10BASE-T 双绞线以太网的出现，是局域网发展史上的一个非常重要的里程碑，它为以太网在局域网中的统治地位奠定了牢固的基础。
• 不重要，了解：整个网络设计遵循5-4-3原则，网络的最大跨度不超过500m（最多只能有5个网段，4个转发器，而其中只允许3个网段有设备，其他两个只是传输距离的延长。）

• 争用期长度为 2τ（tao），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(时延)为 L/C = T0 (s)。

（1）参数 a

（2）信道利用率的最大值 Smax

a→0，Smax→1.

3.以太网的 MAC 层

（1）MAC层的硬件地址

（2）48 位的 MAC 地址

如果连接在局域网上的主机或路由器安装有多个适配器，那么这样的主机或路由器就有多个“地址”。实际上，这种48位“地址”应当是某个接口的标识符。

6字节地址字段对局部范围内使用的局域网的确是太长了，但是由于6字节的地址字段可使全世界所有的局域网适配器都具有不相同的地址，因此现在的局域网适配器实际上使用的都是6字节MAC地址。

• IEEE 的注册管理机构 RA 负责向厂家分配地址字段的前三个字节(即高位左边的 24 bit位)。正式名称是组织唯一标识符OUI (Organizationally Unique Identifier),通常也叫作公司标识符(company_ jid) [RFC 7042]。
• 地址字段中的后三个字节(即低位右边的 24 bit位)由厂家自行指派，称为扩展标识符，必须保证生产出的适配器没有重复地址。
• 一个地址块可以生成2^24个不同的地址。这种 48 位地址称为 MAC-48，它的通用名称是EUI-48（Extended Unique Identifier）‌）。“MAC地址”实际上就是适配器地址或适配器标识符EUI-48。EUI-48就是MAC地址

（3）适配器检查 MAC 地址

• 如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他的处理。
• 否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。

• 单播(unicast)帧（一对一，A发给B）即收到的帧的MAC地址与本站的MAC地址相同。
• 广播(broadcast)帧（一对全体，A发给B,C,D）即发送给本局域网上所有站点的帧(全1地址)。
• 多播(multicast)帧（一对多，A发给B,C而没有D）即发送给本局域网上一部分站点的帧。

（4）MAC 帧的格式

• DIX Ethernet V2 标准（他的类型部分表示的是后面数据部分的类型）
• IEEE 的 802.3 标准（他的类型部分表示的是后面数据部分长度）

<1>以太网 V2 的 MAC 帧格式：

• ①先目的地址，后源地址（他们都是mac层硬件地址的类型，一个地址是目的主机，另一个是源主机）；
• ②类型：指明后面数据的协议类型，是IP协议还是别的，即：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。（因为数据是从上一层来的，数据部分就是IP数据报）

• ③数据字段 46 ~ 1500 字节：数据字段的正式名称是 MAC 客户数据字段

MTU（最大传输单元 Maximum Transmission Unit）：一般设置为 1500byte

• ④最后一个字段是4字节的帧检验序列FCS (使用CRC检验)

FCS检验的范围就是整个的MAC帧，从目的地址开始到FCS为止的这五个字段，但不包括物理层插入的8字节的前同步码和帧开始定界符。

• ⑤前同步码与帧开始定界符：书p99

<2>无效的 MAC 帧

• IEEE 的 802.3 标准中数据字段的长度（对应802.3 标准的“类型”部分）与长度字段的值不一致；
• 帧的长度不是整数个字节（帧面向字节，一字节即8bit的倍数）；
• 用收到的帧检验序列 FCS （冗余码）查出有差错；
• 数据字段的长度（数据部分长度）不在 46 ~ 1500 字节之间。
• 有效的 MAC 帧长度为 64 ~ 1518 字节之间。（总体长度，即数据部分长度加上首位的18byte）
• 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。

（5）帧间最小间隔

八.扩展的局域网

1.在物理层扩展局域网——用集线器

集线器工作在物理层，它的每个端口仅仅简单地转发比特，不进行碰撞检测。使用集线器可以在物理层扩展以太网(扩展后的以太网仍然是一个网络)。

（1）用多个集线器可连成更大的局域网

（2）集线器扩展局域网 优缺点

①优点

• 使原来属于不同碰撞域的局域网上的计算机能够进行跨碰撞域的通信。
• 扩大了局域网覆盖的地理范围。

②缺点

• 碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。
• 如果不同的碰撞域使用不同的数据率，那么就不能用集线器将它们互连起来，即：这个大碰撞域的每个支线的速率必须相同，例如最上面集线器是10MB/s，则整体碰撞域的传播速率都是10MB/s。

2.在数据链路层扩展局域网——用网桥

• 在数据链路层扩展局域网是使用网桥。
• 网桥工作在数据链路层，它根据 MAC 帧的目的地址对收到的帧进行转发。
• 不用全体转发：网桥具有过滤帧的功能。当网桥收到一个帧时，并不是向所有的接口转发此帧，而是先检查此帧的目的 MAC 地址，然后再确定将该帧转发到哪一个接口。

（1）网桥的内部结构

（2）网桥 优缺点

①优点：

• 过滤通信量，增大吞吐量。
• 扩大了物理范围。
• 提高了可靠性。
• 可互连不同物理层、不同 MAC 子层和不同速率（如10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太网）的局域网。即：网桥不会把多个碰撞域合成一个大的碰撞域，所以每个碰撞域的速率可以不同。

②缺点：

• 网桥需要存储转发增加了网桥的转发时延。
• 在MAC 子层并没有流量控制功能。
• 具有不同 MAC 子层的网段桥接在一起时 时延更大。
• 网桥只适合于用户数不太多(不超过几百个)和通信量不太大的局域网，否则有时还会因传播过多的广播信息而产生网络拥塞。这就是所谓的广播风暴。（用户太多形成环，信息一直循环）

（3）网桥转发表的建立过程——自学习算法

①例子讲解

• A→B：A发数据给B，发数据后会在本碰撞域广播（蔓延）给所有主机，传到B后B收下，同时也传到了B1，假设B1这个网桥的转发表没有记下B的目的地址，则B1的工作：①先记下A的地址。②找表找不到B，朝除了发送端以外的端口（这里就是端口2）转发数据。（C,D收到帧后，因目的地址不匹配则丢弃帧，称为过滤）
• 数据出端口2后继续广播至B2：则B2的工作：①先记下A的地址。②找表找不到B，朝除了发送端以外的端口（B2右边的端口2）转发数据。
• F→C：和上面是一样的过程。
• B→A：B发数据给A，开始广播，传到A后A收下，同时也传到了B1，B1网桥的转发表能查到记下A的目的地址是在接口1，则不会再转发了。这样中间碰撞域不会收到B→A的数据，B2更不会收到。

• 若从 A 发出的帧从接口 x 进入了某网桥，那么从这个接口出发沿相反方向一定可把一个帧传送到 A。
• 网桥每收到一个帧，就记下其源地址和进入网桥的接口，作为转发表中的一个项目。
• 在建立转发表时是把帧首部中的源地址写在“地址”这一栏的下面。
• 在转发帧时，则是根据收到的帧首部中的目的地址来转发的。这时就把在“地址”栏下面已经记下的源地址当作目的地址，而把记下的进入接口当作转发接口。

②网桥在转发表中登记以下三个信息：

• 在网桥的转发表中写入的信息除了地址和接口外，还有帧进入该网桥的时间。
• 这是因为以太网的拓扑可能经常会发生变化，站点也可能会更换适配器（这就改变了站点的地址，例如把A拔下来插到中间碰撞域中的主线上）。另外，以太网上的工作站并非总是接通电源的。
• 把每个帧到达网桥的时间登记下来，就可以在转发表中只保留网络拓扑的最新状态信息。这样就使得网桥中的转发表能反映当前网络的最新拓扑状态。例如：例如把A拔下来插到中间碰撞域中的主线上，假设B1已经记录A的原始接口为1，当A再发消息时，B1收到数据，则会把已经记录的A的接口信息1刷新成2。

（4）透明网桥使用了生成树算法

生成树协议

为了解决这种兜圈子问题，IEEE 的802.1D标准制定了一个生成树协议STP (Spanning Tree Protocol)。 其要点就是不改变网络的实际拓扑，但在逻辑上则切断某些链路，使得从一台主机到所有其他主机的路径是无环路的树状结构，从而消除了兜圈子现象。

• 互连在一起的网桥在进行彼此通信后，就能找出原来的网络拓扑的一个子集。在这个子集里，整个连通的网络中不存在回路，即在任何两个站之间只有一条路径。
• 为了避免产生转发的帧在网络中不断地兜圈子。
• 为了得出能够反映网络拓扑发生变化时的生成树，在生成树上的根网桥每隔一段时间还要对生成树的拓扑进行更新。

例如：当B→C发消息，原始：B→A→C，B→C，现在就断开BC连接，只剩B→A→C。

3.多接口网桥——以太网交换机

• 1990 年问世的交换式集线器(switching hub)，可明显地提高局域网的性能。
• 交换式集线器常称为以太网交换机(switch)或第二层交换机（表明此交换机工作在数据链路层）。
• 以太网交换机通常都有十几个接口。因此，以太网交换机实质上就是一个多接口的网桥，交换机分割了碰撞域（但遇到广播信息还是会使其蔓延），不同碰撞域内部的主机可同时发信息，可见交换机工作在数据链路层。
• 交换机隔离碰撞域但不能隔离广播域，路由器隔离碰撞域也能隔离广播域

（1）以太网交换机的特点

• 以太网交换机的每个接口都直接与主机相连，并且一般都工作在全双工方式。
• 交换机能同时连通许多对的接口，使每一对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样，进行无碰撞地传输数据。
• 以太网交换机由于使用了专用的交换结构芯片，其交换速率就较高。

（2）独占传输媒体的带宽

• 争用期：512byte