数据链路层使用的信道主要有以下两种类型:
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。 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。
三个基本问题封装成帧封装成帧 (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。 透明传输如果数据中的某个字节的二进制代码恰好和 SOH 或 EOT 一样,数据链路层就会错误地“找到帧的边界”。 解决方法:字节填充 (byte stuffing) 或比特填充 (bit stuffing)。 字节填充: 比特填充: 差错检测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。 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)。 在数据链路层传送的帧中,广泛使用了循环冗余检验 CRC 的检错技术。 冗余码的计算 假设待传送的一组数据 M = 101001(现在 k = 6)。我们在 M 的后面再添加供差错检测用的 n 位冗余码一起发送。 用二进制的模 2 运算进行 2^n 乘 M 的运算,这相当于在 M 后面添加 n 个 0。 得到的 (k n) 位的数除以事先选定好的长度为 (n 1) 位的除数 P,得出商是 Q 而余数是 R,余数 R 比除数 P 少 1 位,即 R 是 n 位。 将余数 R 作为冗余码拼接在数据 M 后面发送出去。 在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列 FCS (Frame Check Sequence)。 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。 接收端对每一帧进行CRC检验 若得出的余数 R = 0,则判定这个帧没有差错,就接受 (accept)。 若余数 R != 0,则判定这个帧有差错,就丢弃。
点对点协议PPP对于点对点的链路,目前使用得最广泛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互联网时, 用户计算机和 ISP 进行通信时所使用的数据链路层协议就是 PPP 协议。 PPP帧格式 PPP 是面向字节的,所有的 PPP 帧的长度都是整数字节。 标志字段 F = 0x7E;地址字段 A 只置为 0xFF;控制字段 C 通常置为 0x03。 PPP 有一个 2 个字节的协议字段。其值
透明传输问题异步传输 - 字符填充 将信息字段中出现的每一个 0x7E 字节转变成为 2 字节序列 (0x7D, 0x5E)。 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)。 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。 同步传输 - 零比特填充 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。 使用广播信道的数据链路层以太网 DIX Ethernet V2 是世界上第一个局域网产品(以太网)的规约。 IEEE 802.3 是第一个 IEEE 的以太网标准。 DIX Ethernet V2 标准与 IEEE 的 802.3 标准只有很小的差别,因此 可以将 802.3 局域网简称为“以太网”(Ethernet)。 数据链路层的两个子层 IEEE 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。
CSMA/CD协议为了通信的简便,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 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。
(2) 以太网发送的数据都使用曼彻斯特 (Manchester)编码 CSMA/CD协议的含义 CSMA/CD即载波监听多点接入 / 碰撞检测 (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)。 “载波监听”: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。 “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。 “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”。 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。
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。 争用期 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。
二进制指数类型退避算法 k = min[重传次数, 10] r = random[0,1,...,(2^k-1)] 时延 = r*2τ(基本退避时间) 强化碰撞 当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时,便立即停止发送数据; 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。 CSMA/CD协议的要点 (1)检测信道:在发送前,必须先检测信道。 若检测到信道忙,则应不停地检测,一直等待信道转为空闲。若检测到信道空闲,并在 96 比特时间内信道保持空闲(保证了帧间最小间隔),就发送这个帧。 (2)检测碰撞: 在发送过程中仍不停地检测信道,即网络适配器要边发送边监听。 ①发送成功:在争用期内一直未检测到碰撞。这个帧肯定能够发送成功。 ②发送失败:在争用期内检测到碰撞。这时立即停止发送数据,并按规定发送人为干扰信号。适配器接着就执行指数退避算法,等待 r 倍 512 比特时间后,返回到步骤 (1),继续检测信道。但若重传达 16 次仍不能成功,则停止重传而向上报错。
以太网的物理层基础 -- 使用集线器的星形拓扑 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 (hub)。集线器很像一个多接口的转发器,工作在物理层。 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。 以太网的信道利用率 -- 以α参数表示 在以太网中定义了参数 α,它是以太网单程端到端时延τ与帧的发送时间 T0 之比: α = τ/T0 为提高利用率,以太网的参数a的值应当尽可能小些。
以太网的MAC层MAC地址 生产适配器时,6 字节的 MAC 地址已被固化在适配器的 ROM,因此,MAC 地址也叫做硬件地址 (hardware address)或物理地址。 “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。 MAC帧格式: 常用的以太网 MAC 帧格式有两种标准,最常用的 MAC 帧是以太网 V2(DIX Ethernet V2) 的格式。 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。 数据字段的正式名称是 MAC 客户数据字段。 数据字段的最小长度(46字节)= 最短有效帧长(64字节) - 首部和尾部(18字节)。
在帧的前面插入(硬件生成)的 8 字节中,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。 扩展的以太网在物理层扩展以太网 --- 使用集线器扩展 集线器工作在物理层,每个端口相当于一个中继器,用于扩展终端数量。 集线器共享带宽,带宽为多个端口所瓜分。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。 在数据链路层扩展以太网 --- 使用交换机扩展 交换机工作在数据链路层,每个端口相当于一个集线器,原理是根据数据帧头的MAC地址转发帧到合适的端口,每个端口是一个独立的冲突域。 能同时连通多对接口,使多对主机能同时通信。 交换机每个端口独享带宽,无碰撞地传输数据。
交换机通过自学习算法处理收到的帧和建立交换表
高速以太网100BASE-T以太网 可在全双工方式下工作而无冲突发生。在全双工方式下工作时,不使用 CSMA/CD 协议。 MAC 帧格式仍然是 802.3 标准规定的。 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。 帧间时间间隔从原来的 9.6 μs 改为现在的 0.96 μs。 吉比特以太网 在半双工方式下使用 CSMA/CD 协议,全双工方式不使用 CSMA/CD 协议。 |
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