数据链路层（二）

一、使用广播信道的数据链路层

广播信道可以进行一对多的通信，因此使用广播信道的局域网被称为共享式局域网。现在具有更高性能的使用点对点链路和链路交换机的交换式局域网在有线领域已完全取代了共享式局域网。但无线局域网仍然使用的是共享媒体技术。

媒体接入控制

使用广播信道连接多个站点，必须解决如果同时有两个以上的站点在发送数据时共享信道上的信号冲突的问题。因此共享信道要着重考虑的一个问题就是如何协调多个发送和接收站点对一个共享传输媒体的占用，即媒体访问/接入控制(MAC) Medium Access Control 或 多点接入、多址访问 Multiple Access，媒体接入控制技术主要分为以下两大类：

• 静态划分信道
  频分多址、时分多址、码分多址 …
• 动态媒体接入控制（多点接入）
   随机接入，如以太网
  特点是所有站点通过竞争，随机地在共享信道上发送数据。
   受控接入 ，如令牌环或轮询
  在集中或分布式控制下轮流接入

局域网

局域网最主要的特点是：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。
局域网具有如下的一些主要优点：
1、具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网。局域网上的主机可共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源。
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、可用性和残存性。

局域网的拓扑结构

现在以太网已经在局域网市场上占据了绝对优势，双绞线是局域网中的主流传输媒体，数据率很高时则使用光纤。
为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，802 委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层：
1、逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control)子层
2、媒体接入控制 MAC (Medium Access Control)子层。

与接入到传输媒体有关的内容都放在 MAC子层，而 LLC 子层则与传输媒体无关，不管采用何种协议的局域网对 LLC 子层来说都是透明的

局域网对 LLC 子层是透明的

由于 TCP/IP 体系经常使用的局域网是 DIX Ethernet V2 而不是 802.3 标准中的几种局域网，因此现在 802 委员会制定的逻辑链路控制子层 LLC（即 802.2 标准）的作用已经不大了。
很多厂商生产的适配器上就仅装有 MAC 协议而没有 LLC 协议。

适配器的作用

网络接口板又称为通信适配器(adapter)或网络接口卡 NIC (Network Interface Card)，或“网卡”。
适配器的重要功能：
1、进行串行/并行转换。
2、对数据进行缓存。
3、在计算机的操作系统安装设备驱动程序。
4、实现以太网协议。

共享式以太网
1983年，IEEE 802委员会的802.3工作组制定了第一个IEEE的以太网标准IEEE 802.3，数据率为10 Mbit/s，因此很多人将802.3局域网简称为以太网。以太网目前已从传统的共享式以太网发展到交换式以太网。

二、CSMA/CD 协议

• 最初的以太网（早期的10 Mbit/s速率的共享式以太网）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
• 总线上的每一个工作的计算机都能检测到 B 发送的数据信号。
• 由于只有计算机 D 的地址与数据帧首部写入的地址一致，因此只有 D 才接收这个数据帧。
• 其他所有的计算机（A, C 和 E）都检测到不是发送给它们的数据帧，因此就丢弃这个数据帧而不能够收下来。
• 具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。
  
  
  
  为了通信的简便，以太网采取了两种重要的措施：
• 采用较为灵活的无连接的工作方式，即不必先建立连接就可以直接发送数据。
  以太网对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。这样做的理由是局域网信道的质量很好，因信道质量产生差错的概率是很小的。

以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。
当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，其他什么也不做。差错的纠正由高层来决定。
如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但以太网并不知道这是一个重传的帧，而是当作一个新的数据帧来发送。

• 以太网使用基带传输，发送的数据都使用曼彻斯特(Manchester)编码，接收端可以利用曼彻斯特编码比特信号中间的电平跳变来与发送端保持时钟同步。同时要求同一时间只能允许一个站点发送数据，否则站点之间会互相干扰。

以太网采用的协调方式即使用一种特殊协议CSMA/CD，即载波监听多点接入/碰撞检测，全称为Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection。

• “多点接入”表示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”是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。 其实，总线上并没有什么“载波”。因此， “载波监听”就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号。
• “碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。
  当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大（互相叠加）。
  当一个站检测到的信号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。所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。
  在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来。因此，每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送
  当某个站监听到总线是空闲时，也可能总线并非真正是空闲的。
  A 向 B 发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到 B。B 若在 A 发送的信息到达 B 之前发送自己的帧(因为这时 B 的载波监听检测不到 A 所发送的信息)，则必然要在某个时间和 A 发送的帧发生碰撞。碰撞的结果是两个帧都变得无用。
  
  

  传播时延对载波监听的影响

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。
最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间 2τ（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。

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（以太网取 51.2 μs 为争用期的长度，
对于 10 Mb/s 以太网，在争用期内可发送512 bit，即 64 字节）
定义重传次数 k ，k <=10，即 k = Min[重传次数, 10]
从整数集合[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。
注意：
1、发送一个新的帧时，并不执行退避算法。
2、如果重传又遭遇碰撞，说明有较多的站点卷入冲突，因此将随机选择退避时间的范围扩大一倍。
3、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。 因为帧的发送时延不小于2倍的网络最大传播时延即一个争用期
4、当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。

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
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。
因此，如果发送的帧太短，有可能检测不到发生的碰撞

强化碰撞：当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时，立即停止发送数据；
再继续发送若干比特的人为干扰信号(jamming signal)，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。

使用集线器的星形拓扑

传统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(hub) ，每个站需要用两对无屏蔽双绞线，分别用于发送和接收。

1990年，IEEE制定出星形以太网10BASE-T 的标准802.3i。10BASE-T 的通信距离稍短，每个站到集线器的距离不超过 100 m。
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。 它的一些特点如下：

• 使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各工作站使用的还是 CSMA/CD 协议，并共享逻辑上的总线。
• 集线器很像一个多接口的转发器，工作在物理层。 它的每个接口仅仅简单转发比特，不进行碰撞检测。

具有三个接口的集线器

以太网的信道利用率

• 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 = T0 (s)。
• 一个帧从开始发送，经可能发生的碰撞后，将再重传数次，到发送成功且信道转为空闲(即再经过时间τ 使得信道上无信号在传播)时为止，是发送一帧所需的平均时间。

• 要提高以太网的信道利用率，就必须减小 τ 与 T0 之比。在以太网中定义了参数 a，它是以太网单程端到端时延 τ 与帧的发送时间 T0 之比：

  
  
  
• a→0 表示一发生碰撞就立即可以检测出来，并立即停止发送，因而信道利用率很高。a 越大，表明争用期所占的比例增大，每发生一次碰撞就浪费许多信道资源，使得信道利用率明显降低。
• 当数据率一定时，以太网的连线的长度受到限制，否则 τ的数值会太大。以太网的帧长不能太短，否则 T0 的值会太小，使 a 值太大。

• 在理想化的情况下，以太网上的各站发送数据都不会产生碰撞（这显然已经不是 CSMA/CD，而是需要使用一种特殊的调度方法），即总线一旦空闲就有某一个站立即发送数据。
  发送一帧占用线路的时间是 T0 + τ，而帧本身的发送时间是 T0。于是我们可计算出理想情况下的极限信道利用率 Smax为：

  
  
  

以太网的 MAC 层

在使用点对点信道的数据链路中不需要使用地址，而当多个站点连接在同一个广播信道上想要实现两个站点的通信则每个站点就要有唯一的标识，即一个数据链路层地址，在每个发送的帧中必须携带标识接受站点和发送站点的地址，由于该地址用于媒体接入控制，因此称为MAC地址，在局域网中，称为硬件地址或物理地址。

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 24 位)。
地址字段中的后三个字节(即低位 24 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。“MAC地址”实际上就是适配器地址或适配器标识符EUI-48。

适配器从网络上每收到一个 MAC 帧就首先用硬件检查 MAC 帧中的 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。
“发往本站的帧”包括以下三种帧：
1、单播(unicast)帧（一对一）
2、广播(broadcast)帧（一对全体）
3、多播(multicast)帧（一对多）

常用的以太网MAC帧格式有两种标准 ：
1、DIX Ethernet V2 标准 （最常用，下文介绍这种帧）
2、IEEE 的 802.3 标准

以太网的 MAC 帧格式

• 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。
• 数据字段的正式名称是 MAC 客户数据字段。最小长度 64 字节 - 18 字节的首部和尾部 = 数据字段的最小长度
• 在传输媒体上实际传送的要比 MAC 帧还多 8 个字节。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

无效的 MAC 帧 ：
1、帧的长度不是整数个字节；
2、用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错；
3、数据字段的长度不在 46 ~ 1500 字节之间。
4、有效的 MAC 帧长度为 64 ~ 1518 字节之间。
5、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。

三、扩展的局域网

在物理层扩展局域网

• 用集线器扩展局域网优点：
  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。
• 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。
  
  

在数据链路层扩展局域网

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。
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

• 使用网桥带来的好处：
  1、过滤通信量。
  2、扩大了物理范围。
  3、提高了可靠性。
  4、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
• 使用网桥带来的缺点：
  1、存储转发增加了时延。
  2、在MAC 子层并没有流量控制功能。
  3、具有不同 MAC 子层的网段桥接在一起时时延更大。
  4、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。

透明网桥

目前使用得最多的网桥是透明网桥(transparent bridge)。
“透明”是指局域网上的站点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥，因为网桥对各站来说是看不见的。 透明网桥是一种即插即用设备，其标准是 IEEE 802.1D

网桥应当按照以下自学习算法处理收到的帧和建立转发表：
1、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。
2、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。
3、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。
4、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），以太网上的工作站也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。

透明网桥使用了生成树算法：这是为了避免产生转发的帧在网络中不断地兜圈子

源路由网桥

1、源路由(source route)网桥在发送帧时将详细的路由信息放在帧的首部中。
2、源站以广播方式向欲通信的目的站发送一个发现帧，每个发现帧都记录所经过的路由。
3、发现帧到达目的站时就沿各自的路由返回源站。源站在得知这些路由后，从所有可能的路由中选择出一个最佳路由。凡从该源站向该目的站发送的帧的首部，都必须携带源站所确定的这一路由信息。

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，可见交换机工作在数据链路层。

• 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。
  
  

  用以太网交换机扩展局域网
  
  独占传输媒体的带宽：对于普通 10 Mb/s 的共享式以太网，若共有 N 个用户，则每个用户占有的平均带宽只有总带宽(10 Mb/s)的 N 分之一。
  使用以太网交换机时，虽然在每个接口到主机的带宽还是 10 Mb/s，但由于一个用户在通信时是独占而不是和其他网络用户共享传输媒体的带宽，因此对于拥有 N 对接口的交换机的总容量为 N*10 Mb/s。这正是交换机的最大优点。

虚拟局域网

虚拟局域网 VLAN 是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组。这些网段具有某些共同的需求。
每一个 VLAN 的帧都有一个明确的标识符，指明发送这个帧的工作站是属于哪一个 VLAN。虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务，而并不是一种新型局域网。

1、当 B1 向 VLAN2 工作组内成员发送数据时，工作站 B2 和 B3 将会收到广播的信息。
2、B1 发送数据时，工作站 A1, A2 和 C1都不会收到 B1 发出的广播信息。
3、虚拟局域网限制了接收广播信息的工作站数，使得网络不会因传播过多的广播信息(即“广播风暴”)而引起性能恶化。

虚拟局域网使用的以太网帧格式

虚拟局域网协议允许在以太网的帧格式中插入一个 4 字节的标识符，称为 VLAN 标记(tag)，用来指明发送该帧的工作站属于哪一个虚拟局域网。

• 在数据链路层上进行局域网扩展
  设备：网桥、交换机
  特点：一个网段上的帧有条件地被转发到另一个网段；扩展后的网络被网桥/交换机隔离成多个冲突域；扩展后的网络仍是一个广播域。
  优缺点：冲突被限制在小范围内，甚至可被消除；地域范围不再受时间槽的限制；
  远程网桥可将局域网的范围扩展到几十公里以上；转发速度有所降低；不能隔离广播帧。
• 在网络层上进行局域网扩展
  设备：路由器
  特点：一个网络上的分组有条件地被转发到另一个网络；扩展后的网络被路由器分隔成多个子网。
  优缺点：隔离广播域，限制了广播帧的泛滥；地域范围可以任意扩展；能根据最佳路由转发分组；可以互联不同类型的网络；转发速度低，成本较高，维护复杂。

高速以太网

速率达到或超过 100 Mb/s 的以太网称为高速以太网。
在双绞线上传送 100 Mb/s 基带信号的星型拓扑以太网，仍使用 IEEE 802.3 的CSMA/CD 协议。100BASE-T 以太网又称为快速以太网(Fast Ethernet)。
1、可在全双工方式下工作而无冲突发生。因此，不使用 CSMA/CD 协议。
2、MAC 帧格式仍然是 802.3 标准规定的。
3、保持最短帧长不变，但将一个网段的最大电缆长度减小到 100 m。
4、帧间时间间隔从原来的 9.6 μs 改为现在的 0.96 μs。

三种不同的物理层标准
100BASE-TX：使用 2 对 UTP 5 类线或屏蔽双绞线 STP。
100BASE-FX ：使用 2 对光纤。
100BASE-T4：使用 4 对 UTP 3 类线或 5 类线。

吉比特以太网

允许在 1 Gb/s 下全双工和半双工两种方式工作。使用 802.3 协议规定的帧格式。
在半双工方式下使用 CSMA/CD 协议（全双工方式不需要使用 CSMA/CD 协议）。
与 10BASE-T 和 100BASE-T 技术向后兼容。

1000BASE-X 基于光纤通道的物理层：
1000BASE-SX SX表短波长、1000BASE-LX LX表长波长、1000BASE-CX CX表铜线
1000BASE-T ：使用 4对 5 类线 UTP

全双工方式：当吉比特以太网工作在全双工方式时（即通信双方可同时进行发送和接收数据），不使用载波延伸和分组突发。

10 吉比特以太网

10 吉比特以太网与 10 Mb/s，100 Mb/s 和 1 Gb/s 以太网的帧格式完全相同。
10 吉比特以太网还保留了 802.3 标准规定的以太网最小和最大帧长，便于升级。
10 吉比特以太网不再使用铜线而只使用光纤作为传输媒体。
10 吉比特以太网只工作在全双工方式，因此没有争用问题，也不使用 CSMA/CD 协议

吉比特以太网的物理层

局域网物理层 LAN PHY。局域网物理层的数据率是 10.000 Gb/s。
可选的广域网物理层 WAN PHY。广域网物理层具有另一种数据率，这是为了和所谓的“Gb/s”的 SONET/SDH（即OC-192/STM-64）相连接。
（为了使 10 吉比特以太网的帧能够插入到 OC-192/STM-64 帧的有效载荷中，就要使用可选的广域网物理层，其数据率为 9.95328 Gb/s。）

使用高速以太网进行宽带接入

以太网已成功地把速率提高到 1 ~ 10 Gb/s ，所覆盖的地理范围也扩展到了城域网和广域网，因此现在人们正在尝试使用以太网进行宽带接入。
以太网接入的重要特点是它可提供双向的宽带通信，并且可根据用户对带宽的需求灵活地进行带宽升级。
采用以太网接入可实现端到端的以太网传输，中间不需要再进行帧格式的转换。这就提高了数据的传输效率和降低了传输的成本。