计算机网络803-（3）数据链路层

一.数据链路两种类型

二.使用点对点信道的数据链路层

1. 数据链路和帧

2.数据链路层传送的是帧

三.三个基本问题

1.封装成帧

2.透明传输

①字节填充法

②其他方法：字符计数法，比特填充法，违规编码

3. 差错检测

（1）偶校验

（2）帧检验序列 FCS（冗余码元）

（3）循环冗余检验 CRC（Cyclic redundancy check）

①求冗余码

②接收端对收到的每一帧进行 CRC 检验

四.点对点协议 PPP

1.PPP 协议的特点

2.PPP 协议应满足的需求

3. PPP 协议的组成

4.PPP 协议的帧格式

（1）PPP 有一个 2 个字节的“协议”字段。

（2）F、A、C就固定放这些序列。

（3）帧检验序列FCS

五.ppp协议透明传输问题

1.字符填充

2.零比特填充

3.不提供使用序号和确认的可靠传输

（1）协议的方面

（2）PPP 协议之所以不使用序号和确认机制是出于以下的考虑：

4.PPP 协议的工作状态

六.使用广播信道的数据链路层

1.局域网的数据链路层

2.数据链路层的两个子层

3. 适配器的作用

4.以太网发送的数据都使用曼彻斯特编码(Manchester)

（1）曼彻斯特编码

（2）差分曼彻斯特编码

5.CSMA/CD 协议

（1）存在的问题

（2）为了通信的简便，以太网采取了两种重要的措施

（3）载波监听多点接入/碰撞检测 CSMA/CD

（4）电磁波在总线上的有限传播速率的影响

（5）CSMA/CD重要特性

（6）争用期与最短有效帧长

①争用期

②最短有效帧长

（7）二进制指数类型退避算法 (truncated binary exponential type)

（8）强化碰撞

（9）帧间间隔

总结全过程：

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

2.以太网的信道利用率

（1）参数 a

（2）信道利用率的最大值 Smax

3.以太网的 MAC 层

（1）MAC层的硬件地址

（2）48 位的 MAC 地址

（3）适配器检查 MAC 地址

（4）MAC 帧的格式

<1>以太网 V2 的 MAC 帧格式：

<2>无效的 MAC 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

（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

②缺点

2.在数据链路层扩展局域网——用网桥

（1）网桥的内部结构

（2）网桥优缺点

①优点：

②缺点：

（3）网桥转发表的建立过程——自学习算法

①例子讲解

②网桥在转发表中登记以下三个信息：

（4）透明网桥使用了生成树算法

生成树协议

3.多接口网桥——以太网交换机

（1）以太网交换机的特点

（2）独占传输媒体的带宽

（3）利用以太网交换机可实现虚拟局域网

（4）虚拟局域网使用的以太网帧格式

九.高速以太网

1.100BASE-T 以太网

2.吉比特以太网

3.10吉比特以太网

一.数据链路两种类型

数据链路层使用的信道主要有以下两种类型：

①点对点信道。这种信道使用一对一的点对点通信方式。（ppp协议）

②广播信道。这种信道使用一对多的广播通信方式，因此过程比较复杂。广播信道上连接的主机很多，因此必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机的数据发送。（CSMA/CD 协议）

数据链路层的简单模型

二.使用点对点信道的数据链路层

1. 数据链路和帧

链路(link)是一条无源的点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换结点。

一条链路只是一条通路的一个组成部分。

数据链路(data link) 除了物理线路外，还必须有通信协议来控制这些数据的传输。若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。

现在最常用的方法是使用适配器（即网卡）来实现这些协议的硬件和软件。

一般的适配器都包括了数据链路层和物理层这两层的功能

2.数据链路层传送的是帧

数据链路层像个数字管道

常常在两个对等的数据链路层之间画出一个数字管道，而在这条数字管道上传输的数据单位是帧。

早期的数据通信协议曾叫作通信规程(procedure)。因此在数据链路层，规程和协议是同义语。

三.三个基本问题

数据链路层中的链路控制主要功能： 封装成帧、透明传输、差错控制。

(1) 封装成帧

(2) 透明传输

(3) 差错控制

1.封装成帧

封装成帧(framing)就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部，然后就构成了一个帧。确定帧的界限。

最大传送单元MTU(Maximum Transfer Unit)：每一种链路层协议都规定了所能传送的帧的数据部分长度上限——最大传送单元MTU

首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界。

用控制字符进行帧定界的方法举例

2.透明传输

透明传输：A发什么，B就收什么。输入什么字符都可放到帧中传输。（“在数据链路层透明传送数据”表示无论什么样的比特组合的数据，都能够按照原样没有差错地通过这个数据链路层。因此，对所传送的数据来说，这些数据就“看不见”数据链路层有什么妨碍数据传输的东西。或者说，数据链路层对这些数据来说是透明的。 “透明的”表示实际上存在的东西对我们却好像看不见一样或好像不存在一样）

开始控制符 SOH(Start Of Header)，结束控制符EOT (End Of Transmission)

问题：假设 SOH帧开始符：101，EOT帧结束符：010 ，当数据部分出现010时，会被接收端误认为是EOT帧结束符而导致后面数据被当作无效帧丢弃，我们要通过协议解决这个问题。

解决透明传输问题：

①字节填充法

用字节填充法解决透明传输的问题

假设 SOH帧开始符：101

EOT帧结束符：010

转义字符ESC：111

发送端的数据链路层在数据中出现控制字符 “SOH”或“EOT”的前面插入一个转义字符“ESC”(其十六进制编码是 1B)。
字节填充(byte stuffing)或字符填充(character stuffing)——接收端的数据链路层在将数据送往网络层之前删除插入的转义字符。
如果转义字符也出现数据当中，那么应在转义字符前面插入一个转义字符。当接收端收到连续的两个转义字符时，就删除其中前面的一个。

当遇到111时，说明后面的“101”或“010”是数据内容而不是真正的帧开始/结束符，当遇到前面没有111的“101”或“010”就是真正的帧开始/结束符。

②其他方法：字符计数法，比特填充法，违规编码

字符计数法：开否SOH加个100表示数据长度100，让接收端正确识别数据部分多长。

零比特填充法：假设开头/结束符111111，当数据中出现了“111111”，则发送端给连续的五个1的第5个位置后面必须填个“111111”→1111101，当接收端收到“111111”时表明是开头/结束符；当接收到1111101时，接收端自动除掉第五位的0，就表明收到了数据内的“111111”的数据；

若要发送原本就是“111110”的数据，则也需要在第五位加上一个0，接收端收到后自动除掉第五位的0，就表明收到了数据内的“111110”的数据。若不加，那么当收到“1111101”时，不知道是“111111”加了0的变种““1111101””，还是原本就是“1111101”。

违规编码：高频电压5v表示比特1，低频电影0v表示比特0,再用一个更高频10v表示开头/结束符。

3. 差错检测

比特差错是传输差错的一种，例如其他类型的传输差错：帧丢失、帧重复或帧失序。这里只看比特差错这一种。

①在传输过程中可能会产生比特差错：1 可能会变成 0 而 0 也可能变成 1。

②在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比率称为 误码率 BER (Bit Error Rate)。

③误码率与信噪比有很大的关系。

④为了保证数据传输的可靠性，在计算机网络传输数据时，必须采用各种差错检测措施（目前

主要是纠错和检错两种方法）。

通常采用在信息码元的基础上增加一些冗余码元，冗余码元与信息码元之间存在一定的关系，传输时将信息码元与冗余码元组成码组(码字)一起传输。

接收方查看信息码元与冗余码元，并核对他们的关系，以确定传输过程中是否有差错发生

（1）偶校验

偶校验：例如数据110001_，第7位添加冗余码元：当前面的1是偶数个时，冗余码元为0；当前面的1是奇数个时，冗余码元为1。这样保证1的总个数是偶数。

则：110001_ → 1100011

正确接收时：110001 1 检测最后的冗余码元发现应该前面1应该是奇数，现在1是奇数，则正确。 √

一位码元错误时：110001 1变成11 1001 1，检测最后的冗余码元发现应该前面1应该是奇数，现在1是偶数，则检测出了错误。

二位码元错误时：110001 1变成11 1101 1，检测最后的冗余码元发现应该前面1应该是奇数，现在1确实是奇数，则没检测出错误。

三位码元错误时：假设冗余码元也错误了，110001 1变成11 1101 0，检测最后的冗余码元发现应该前面1应该是偶数，现在1是奇数，则检测出了错误。

四位码元错误时：110001 1变成11 1111 1，检测最后的冗余码元发现应该前面1应该是奇数，现在1是偶数，则检测出了错误。

1是奇数时能检查出错误，1是偶数时不能检查出错误，检错率50％。

奇校验：例如数据110001_，第7位添加冗余码元：当前面的1是偶数个时，冗余码元为1；当前面的1是奇数个时，冗余码元为0。这样保证1的总个数是奇数。

根据对码组处理方式的不同，差错控制的方式基本上有两类：

——一类是在码组中带有足够的冗余信息，以便在接收后能够发现并自动纠正传输差错，简称为纠错；

——另一类是在码组仅包含足以使接收端发现差错的冗余信息，靠重发机制保证正确传输，简称为检错重发方式，这种方式实现比较简单。

（2）帧检验序列 FCS（冗余码元）

在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列 FCS (Frame Check Sequence)。

（3）循环冗余检验 CRC（Cyclic redundancy check）

CRC（Cyclic redundancy check ）是一种常用的检错方法，而 FCS 是添加在数据后面的冗余码。

FCS 可以用 CRC 这种方法得出，但 CRC并非用来获得 FCS 的唯一方法。

仅用循环冗余检验 CRC 差错检测技术只能做到无差错接受(accept)。

——无差错接受”是指： “凡是接受的帧（即不包括丢弃的帧），我们都能以非常接近于 1 的概率认为这些帧在传输过程中没有产生差错” 。

——也就是说： “凡是接收端数据链路层接受的帧都没有传输差错”（有差错的帧就丢弃而不接受）。

——要做到“可靠传输”（即发送什么就收到什么）就必须再加上确认和重传机制。

总结：“无比特差错”与“无传输差错”并不是同样的概念。在数据链路层使用CRC检验，能够实现无比特差错的传输，但这还不是可靠传输。

（书本内容，略读一下即可）对于通信质量良好的有线传输链路，数据链路层协议不使用确认和重传机制，即不要求数据链路层向上提供可靠传输的服务。如果在数据链路层传输数据时出现了差错并且需要进行改正，那么改正差错的任务就由上层协议(例如，运输层的TCP协议)来完成。
对于通信质量较差的无线传输链路，数据链路层协议使用确认和重传机制，数据链路层向上提供可靠传输的服务。
实践证明，这样做可以提高通信效率。

①求冗余码

101001 000 划线处为数据部分，后三位是冗余位（除数是n+1位，余数为n位，则冗余位也为n位），因不知道填什么所以先填为000。假设CRC的生成多项式是P(X)= X^3 + X^2 + 1，即除数为1101（异或的数学符号为“⊕”,相同为0，相异为1。1⊕1=0 0⊕0=0；1⊕0=1 0⊕1=1）

辗转相除法：

首先拿前四位下来，因为是4比特，所以将除数1101的 1倍拿下去异或，并把 1写到商的地方：

1010⊕1101=0111，去掉最前面的0，将下一位0补到结果的末尾，成为1110。

1110是4比特，所以继续将除数1101的1倍拿下去异或：

1110⊕1101=0011，去掉最前面的0，将下一位1补到结果的末尾，成为0111。

0111是3比特，则将除数1101的0倍拿下去异或：

0111⊕0000=0111，去掉最前面的0，将下一位0补到结果的末尾，成为1110。

1110是4比特，则与除数1101的 1倍异或：

1110⊕1101=0011，去掉最前面的0，将下一位0补到结果的末尾，成为0110。

0110是3比特，则将除数1101的0倍拿下去异或：

0110⊕0000=0110，去掉最前面的0，将最后一位0补到结果的末尾，成为1100。

1100是4比特，则将除数1101的1倍拿下去异或：

1100⊕1101=0001，去掉最前面的0，成为001。001就是余数。

这个商110101并没有什么用处，而余数R = 001就作为冗余码拼接在数据M的后面发送出去。这种为了进行检错而添加的冗余码常称为帧检验序。

可作简化

②接收端对收到的每一帧进行 CRC 检验

(1) 若得出的余数 R = 0，则判定这个帧没有差错，就接受(accept)。

(2) 若余数 R ≠ 0，则判定这个帧有差错，就丢弃。

但这种检测方法并不能确定究竟是哪一个或哪几个比特出现了差错。

只要经过严格的挑选，并使用位数足够多的除数P，那么出现检测不到的差错的概率就很小很小。

我们把 101001 000接后面冗余位更换为余数001，即为： 101001 001，接收端收到数据 101001 001进行校验，将此数与除数进行辗转相除法，若余数为0，则数据正确无误。

四.点对点协议 PPP

1.PPP 协议的特点

在通信线路质量较差的年代，在数据链路层使用可靠传输协议曾经是一种好办法。因此，能实现可靠传输的高级数据链路控制HDLC (High-level Data Link Control)就成为当时比较流行的数据链路层协议。但现在HDLC已很少使用了。

现在全世界使用得最多的数据链路层协议是点对点协议 PPP (Point-to-Point Protocol)。

用户使用拨号电话线接入因特网时，一般都是使用 PPP 协议。

用户到 ISP 的链路使用 PPP 协议

2.PPP 协议应满足的需求

简单——这是首要的要求：这种数据链路层的协议非常简单:接收方每收到一个帧，就进行CRC检验。如CRC检验正确，就收下这个帧;反之，就丢弃这个帧，其他什么也不做。

封装成帧

透明性（数据中碰巧出现帧定界符时要处理，就是上面的透明传输）

多种网络层协议：多种网络层协议PPP协议必须能够在同一条物理链路上同时支持多种网络层协
议(如IP和IPX等)的运行。当点对点链路所连接的是局域网或路由器时，PPP协议必须同时支持在链路所连接的局域网或路由器上运行的各种网络层协议。

多种类型链路 ：多种类型链路除了要支持多种网络层的协议外，PPP还必须能够在多种类型的链路上运行。例如，串行的(一次只发送一个比特)或并行的(一次并行地发送多个比特)，同步的或异步的，低速的或高速的，电的或光的，交换的(动态的)或非交换的(静态的)点对点链路。

差错检测 ：PPP 协议必须能够对接收端收到的帧进行检测，并立即丢弃有差错的帧。

检测连接状态
PPP协议必须具有一种机制能够及时(不超过几分钟)自动检测出链路是否处于正常工作状态。当出现故障的链路隔了一段时间后又重新恢复正常工作时，就特别需要有这种及时检测功能。
最大传送单元
PPP协议必须对每一种类型的点对点链路设置最大传送单元MTU的标准默认值”。这样做是为了促进各种实现之间的互操作性。如果高层协议发送的分组过长并超过MTU的数值，PPP就要丢弃这样的帧，并返回差错。需要强调的是， MTU是数据链路层的帧可以载荷的数据部分的最大长度，而不是帧的总长度。
网络层地址协商
PPP协议必须提供一种机制使通信的两个网络层(例如，两个IP层)的实体能够通过协商知道或能够配置彼此的网络层地址。协商的算法应尽可能简单，并且能够在所有的情况下得出协商结果。这对拨号连接的链路特别重要，因为如果仅仅在链路层建立了连接而不知道对方网络层地址，则还不能够保证网络层可以传送分组。
数据压缩协商
PPP协议必须提供一种方法来协商使用数据压缩算法。但PPP协议并不要求将数据压缩算法进行标准化。在TCP/IP协议族中，可靠传输由运输层的TCP协议负责，因此数据链路层的PPP协议不需要进行纠错，不需要设置序号，也不需要进行流量控制。PPP协议不支持多点线路(即一个主站轮流和链路上的多个从站进行通信)，而只支持点对点的链路通信。此外， PPP协议只支持全双工链路。

PPP 协议不需要的功能：

纠错

流量控制

序号

多点线路

半双工或单工链路

3. PPP 协议的组成

1992 年制订了 PPP 协议。经过 1993年和 1994 年的修订，现在的 PPP 协议已成为因特网的正式标准[RFC 1661]。

PPP 协议有三个组成部分：

①一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法。

②链路控制协议 LCP (Link Control Protocol)：工人

③网络控制协议 NCP (Network Control Protocol)：管理人员（需要配置的参数：ip地址，子网掩码，默认网关，DNS服务器）

4.PPP 协议的帧格式

（1）PPP 有一个 2 个字节的“协议”字段。

①当“协议”字段为 0x0021 时，PPP 帧的信息字段就是 IP 数据报。

② 若“协议”字段为 0xC021, 则信息字段是 PPP 链路控制数据LCP。

③ 若“协议”字段为 0x8021，则表示这是网络控制数据NCP。

（2）F、A、C就固定放这些序列。

①F：标志字段 F = 0x7E （符号“0x”表示后面的字符是用十六进制表示。十六进制的7E 的二进制表示是 01111110）。

②A：地址字段 A 只置为 0xFF。地址字段实际上不起作用。

③C：控制字段 C 通常置为 0x03。（实际上也不起作用）

④PPP 是面向字节的，所有的 PPP 帧的长度比特数都是整数字节，8的倍数的比特。

（3）帧检验序列FCS

尾部中的第一个字段(2字节)是使用CRC的帧检验序列FCS。

五.ppp协议透明传输问题

当 PPP 用在同步传输链路时，协议规定采用硬件来完成比特填充（和可靠传输的高级数据链路控制 HDLC 的做法一样）。

当 PPP 用在异步传输时，就使用一种特殊的字符填充法。

1.字符填充

①将信息字段（数据部分）中出现的每一个 0x7E 字节转变成为 2 字节序列：0x7D, 0x5E（一个16进制位=4bit位=0.5byte，则2byte=4个16进制位）。因为首尾符都是以7E开始的，所以数据部分不允许出现7E。

②若信息字段中出现一个 0x7D 的字节, 则将其转变成为 2 字节序列：0x7D, 0x5D。因为7D本身作为转义符，我们正常是通过找7D开头的找到首尾符，若数据部分出现7D，需要改变一下让我们识别出是数据字段的7D而不是首尾符。

③若信息字段中出现 ASCII 码的控制字符（即数值小于 0x20 的字符），则在该字符前面要加入一个 0x7D 字节，同时将该字符的编码加以改变。例如，出现0x03 ( 在控制字符中是“传输结束”ETX)就要把它转变为2字节序列(0x7D, 0x23)。数据部分不允许出现ASCII 码的控制字符。

例如：发送方：7E 3A 5B 7D→7D 5E 3A 5B 7D 5D

接收方：7D 5E 7D 5D 3A 5B 4B 7D 5E变回原数据：7E 7D 3A 5B 4B 7E

2.零比特填充

PPP 协议用在 SONET/SDH 链路时，是使用同步传输（一连串的比特连续传送）。这时 PPP 协议采用零比特填充方法来实现透明传输。

假设开头/结束符111111，当数据中出现了“111111”，则发送端给连续的五个1的第5个位置后面必须填个“111111”→1111101，当接收端收到6个1“111111”时表明是开头/结束符；当接收到1111101时，接收端自动除掉第五位的0，就表明收到了数据内的“111111”的数据；

在发送端，只要发现有 5 个连续 1，则立即填入一个 0。接收端对帧中的比特流进行扫描。每当发现 5 个连续1时，就把这 5 个连续 1 后的一个 0 删除，

3.不提供使用序号和确认的可靠传输

（1）协议的方面

①面向连接 / 无连接

②可靠传输 / 尽最大努力交付（不可靠传输）

面向连接一定是可靠传输 ，无连接可以是可靠传输 或 不可靠传输。

可靠传输使用了：①编号②确认③重传

（2）PPP 协议之所以不使用序号和确认机制是出于以下的考虑：

①在数据链路层出现差错的概率不大时，使用比较简单的 PPP 协议较为合理。

②在因特网环境下，PPP 的信息字段放入的数据是 IP 数据报。数据链路层的可靠传输并不能够保证网络层的传输也是可靠的。

③帧检验序列 FCS 字段可保证无差错接受。

4.PPP 协议的工作状态

流程图：

①链路静止，此时无链路。②物理层连接建立，链路建立。③链路控制协议LCP配置协商，LCP链路建立。④鉴别LCP，成为已鉴别的LCP链路。⑤网络层进行NCP配置协商，成为已鉴别的LCP链路和NCP链路。NCP 给新接入的 PC机分配一个临时的 IP 地址，使 PC 机成为因特网上的一个主机。⑥通信完毕。NCP 释放网络层连接，收回已分配的 IP 地址。LCP 释放数据链路层连接。物理层释放连接。

详细：

①链路静止，此时无链路。

②当用户拨号接入 ISP 时，路由器的调制解调器对拨号做出确认，并建立一条物理连接。

③PC 机向路由器发送一系列的 LCP 分组（封装成多个 PPP 帧）。这些分组及其响应选择一些 PPP 参数，

（④鉴别LCP）

⑤和进行网络层配置，NCP 给新接入的 PC机分配一个临时的 IP 地址，使 PC 机成为因特网上的一个主机。

⑥通信完毕时，NCP 释放网络层连接，收回原来分配出去的 IP 地址。接着，LCP 释放数据链路层连接。最后释放的是物理层的连接。

六.使用广播信道的数据链路层

1.局域网的数据链路层

（1）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。

（2）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。

（3）局域网的拓扑

2.数据链路层的两个子层

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：

逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control)子层

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，而与传输媒体无关的放在 LLC 子层，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

3. 适配器的作用

（1）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” 。

（2）适配器的重要功能：

进行串行/并行转换。（适配器和局域网之间的通信是通过电缆或双绞线以串行传输方式进行的，而适配器和计算机之间的通信则是通过计算机主板上的I/O总线以并行传输方式进行的。）

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。

4.以太网发送的数据都使用曼彻斯特编码(Manchester)

基带数字信号无法得知时间间隙，即：发10个1的话就是很长的一段高频，这样无法分清有几个1。而曼彻斯特编码由于中间跳频，所以可得知时间间隙。

（1）曼彻斯特编码

1：低频到高频。0：高频到低频。

（2）差分曼彻斯特编码

中间全部跳频，当遇到0时在一个时间间隙开始就跳频，遇到1不跳频。

5.CSMA/CD 协议

（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。

“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。

总结：B主机向D发送数据，会蔓延发送到连在总线上的所有主机，各个主机都会接收到，识别是发给自己的则接收，不是则不接收。则只有D接收到了B发送的数据。

详细：

以太网的广播方式发送

①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。

②由于只有计算机 D 的地址与数据帧首部写入的MAC地址一致，因此只有 D 才接收这个数据帧。

③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。

④具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。

（2）为了通信的简便，以太网采取了两种重要的措施

①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。

②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。

（3）载波监听多点接入/碰撞检测 CSMA/CD

CSMA/CD 表示 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”（边听边发）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。（主机检测连入主线“门口”的，不是检测整个总线。）
总线上并没有什么“载波” 。因为 “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。

①先听后发：主机检测连入主线“门口”的，不是检测整个总线。

②边听边发：“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，理解为两种液体相遇互相污染）。

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。

③冲突停发：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，

④随机重发：然后等待一段随机时间后再次发送。

（4）电磁波在总线上的有限传播速率的影响

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。

（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。

①最极端的情况，争用期前一刻发送最长的无用数据511bit

②设τ=256比特时间， δ=1，则当发送到255.5比特时间时，相遇，数据开始互相重叠污染；

③256比特时间时，B发送的数据已经达到了1bit，此时B检测到“门口的污染”，停止发送，则仍会继续发已经发出的1bit作废数据，此时这1bit还要走255比特时间才到A；

④到达A时，A已经发送了256+255=511bit的作废数据，此时A检测到重叠，则停止发送，则B会总共收到511bit的作废数据。

若当δ=0时，A会发送512bit数据给B，此时则B收到的全是有用数据。

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。

例如：主机A和B，碰撞了1次，
重传次数=1：则k = Min(重传次数=1, 10)=1，2^k -1=2-1=1，则A和B都各自从[0,1]中选一个数，假设A选了0，B选了1，则A立马重传，B则需要等待1×2τ 的时间后重传，两人成功错开发送，发送成功；假如A选了1，B也选了1，则他俩都等待1×2τ 的时间后重传，又碰撞了，则重传次数+1，即重传次数为2。
重传次数=2：则k = Min(重传次数=2, 10)=2，2^k -1=4-1=3，则A和B都各自从[0,1,2,3]中选一个数，假设A选了3，B选了1，则B等待1×2τ 的时间后重传，A等待3×2τ 的时间后重传，两人成功错开发送，发送成功；假如A选了2，B也选了2，则他俩都等待2×2τ 的时间后重传，又碰撞了，则重传次数+1，即重传次数=3……
以此类推，若重传次数到达10次以上，比如重传次数为12次，则参数k=Min(重传次数=12, 10)=10，继续选数重传，知道错开发送时间。

（8）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（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。

总结全过程：

①先听后发（帧间间隔）→ ②边听边发（争用期，最短有效帧长）→ ③冲突停发（碰撞干扰，即强化碰撞）→ ④随机重发（二进制指数类型退避算法）

边听边发渡过争用期则没碰撞②→①发送下一次信息；发生碰撞则经历③④，结束后→①

七. 使用广播信道的以太网

1. （1）使用集线器的星形拓扑

传统以太网最初是使用粗同轴电缆，后来演进到使用比较便宜的细同轴电缆，最后发展为使用更便宜和更灵活的双绞线。

这种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)

（2）使用集线器的双绞线以太网：

物理上看是星形的，逻辑上是总线形的。

（3）星形网 10BASE-T

不用电缆而使用无屏蔽双绞线。每个站需要用两对双绞线，分别用于发送和接收。

集线器使用了大规模集成电路芯片，因此这样的硬件设备的可靠性已大大提高了。

以太网在局域网中的统治地位

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对应传输的信号是基带信号 baseband signal，T对应无屏蔽双绞线 Twisted pair）
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。）

如下图：5个网线，4个集线器，3个设备用于连接不同集线器。

（4）集线器的一些特点

集线器是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，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。

2.以太网的信道利用率

以太网的信道被占用的情况：

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)。

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。

（1）参数 a

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传播时延 τ 与帧的发送时间(时延)T0 之比：

• a→0 ，即τ越小，T0越大（如下图），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

以太网的参数a的值应当尽可能小些。分子τ的数值要小些，而分母T0的数值要大些。当数据率一定时，以太网的连线的长度受到限制(否则r的数值会太大)，同时以太网的帧长不能太短(否则T0的值会太小，使a值太大)。只有当参数a远小于1才能得到尽可能高的极限信道利用率。

（2）信道利用率的最大值 Smax

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：

a→0，Smax→1.

3.以太网的 MAC 层

（1）MAC层的硬件地址

在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或 MAC 地址。

802 标准所说的“地址”严格地讲应当是每一个站的“名字”或标识符。但鉴于大家都早已习惯了将这种 48 位的“名字”称为“地址” ，所以本书也采用这种习惯用法，尽管这种说法并不太严格。

生产适配器时，这种6字节的MAC地址已被固化在适配器的ROM中。可见“MAC地址”实际上就是适配器地址或适配器标识符EUI-48。与主机所在的地点无关。源地址和目的地址都是48位长。

（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

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：

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

常用的以太网MAC帧格式有两种标准：

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）

最常用的 MAC 帧是以太网 V2 的格式。

<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

最小长度 64 字节（最短有效帧） - 18 字节的首部和尾部（6+6+2+4=18） = 数据字段的最小长度46byte，当数据字段的长度小于46字节时，MAC子层就会在数据字段的后面加入一个整数字
节的填充字段，以保证以太网的MAC帧长不小于64字节。

IP 协议的首部有一个“总长度”字段。如果IP数据报的“总长度”超过或等于46字节，那么肯定就没有填充字段。反之，如果“总长度”小于46字节，那么就很容易把填充字段计算出。例如，若IP 数据报的总长度为42字节，填充字段就应当是4字节。当MAC帧把46字节的数据上交给IP层后，IP层就把其中最后4字节的填充字段丢弃。

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

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。

<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

帧间最小间隔为 9.6 μs，相当于 96 bit 的发送时间。例如：96bit长度，带宽10Mb/s，96÷10=9.6μs。（让单位对应就是数值直接相除，bit—Mb/s—μs）

一个站在检测到总线开始空闲后，还要等待9.6 μs 才能再次发送数据。

这样做是为了使刚刚收到数据帧的站的接收缓存来得及清理，做好接收下一帧的准备

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)。

主机使用光纤和一对光纤调制解调器连接到集线器

模拟光纤技术

（1）用多个集线器可连成更大的局域网

例如某大学有三个系，各自有一个局域网：

每个集线器收到消息都会转发给每个连着的主机，这些主机构成了一个碰撞域。

用集线器组成更大的局域网都在一个碰撞域中，即：集线器连接更多主机后，碰撞域更大；每个集线器收到消息都会转发给每个连着的主机，更多的主机构成了更大的碰撞域。