• 物理層解決了相鄰節(jié)點(diǎn)透明傳輸比特的問題

3.1 數(shù)據(jù)鏈路層的幾個(gè)共同問題

3.1.1 數(shù)據(jù)鏈路和幀

• 鏈路：
  • 從一個(gè)節(jié)點(diǎn)到相鄰節(jié)點(diǎn)的一段物理線路，中間沒有任何其他的交換節(jié)點(diǎn)
• 數(shù)據(jù)鏈路：
  • 節(jié)點(diǎn)間的邏輯通道
  • 是把實(shí)現(xiàn)控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議的硬件和軟件加到鏈路上，即數(shù)據(jù)鏈路是鏈路加協(xié)議
• 數(shù)據(jù)鏈路層：
  • 負(fù)責(zé)通過一條鏈路從一個(gè)節(jié)點(diǎn)向物理鏈路直接相連的相鄰節(jié)點(diǎn)傳送幀
  • 數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元：
    • 幀
  • 數(shù)據(jù)鏈路層把網(wǎng)絡(luò)層交下來(lái)的數(shù)據(jù)構(gòu)成幀發(fā)送到鏈路上，以及把接收到的幀中的數(shù)據(jù)取出并上交給網(wǎng)絡(luò)層。
  • 網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議數(shù)據(jù)單元就是IP數(shù)據(jù)報(bào)（或簡(jiǎn)稱為數(shù)據(jù)報(bào)、分組或包)。
  • 
  • 數(shù)據(jù)鏈路層向上，向網(wǎng)絡(luò)層提供明確的服務(wù)接口；向下，利用物理層提供的服務(wù)
  • 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信道的數(shù)據(jù)鏈路層通信時(shí)的主要步驟如下:
    1. 節(jié)點(diǎn)A的數(shù)據(jù)鏈路層把網(wǎng)絡(luò)層交下來(lái)的IP數(shù)據(jù)報(bào)添加首部和尾部封裝成幀。
    2. 節(jié)點(diǎn)A把封裝好的幀發(fā)送給節(jié)點(diǎn)B的數(shù)據(jù)鏈路層。
    3. 若節(jié)點(diǎn)B的數(shù)據(jù)鏈路層收到的幀無(wú)差錯(cuò)，則從收到的幀中提取出IP數(shù)據(jù)報(bào)交給上面的網(wǎng)絡(luò)層;否則丟棄這個(gè)幀。

3.1.2 三個(gè)基本問題

• 數(shù)據(jù)鏈路層的信道類型：
  • 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信道
    • 一對(duì)一的通信方式，用于主干網(wǎng)
  • 廣播信道
    • 一對(duì)多的通信方式
  • 鏈路中通信雙方的信道使用不同的類型，會(huì)有不同的控制協(xié)議
• 數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的三個(gè)基本問題：
  • 封裝成幀
  • 透明傳輸
  • 差錯(cuò)檢測(cè)

1. 封裝成幀

• 封裝成幀
  • 就是在一段數(shù)據(jù)的前后分別添加首部和尾部。
  • 首部和尾部的一個(gè)重要作用就是進(jìn)行幀定界（即確定幀的界限)。
• 將比特流劃分成幀的主要目的是為了檢測(cè)和糾正物理層在比特傳輸中可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤
• 每一種鏈路層協(xié)議都規(guī)定了所能傳送的幀的數(shù)據(jù)部分長(zhǎng)度上限——最大傳送單元 MTU (Maximum Transfer Unit)。
  • 即一個(gè)幀中所能封裝的IP數(shù)據(jù)報(bào)的長(zhǎng)度
• 
• 定界符
  • 使用控制字符作為幀定界符
  • 控制字符SOH作為幀首部，控制字符EOT作為幀尾部
  • 
• 成幀的方法
  • 字節(jié)計(jì)數(shù)法
  • 帶字節(jié)填充的定界符法
  • 帶比特填充的定界符法
  • 物理層編碼違例

2. 透明傳輸

• 透明
  • 表示某一個(gè)實(shí)際存在的事物看起來(lái)卻好像不存在一樣
• 透明傳輸
  • 在數(shù)據(jù)鏈路層透明傳送數(shù)據(jù)表示無(wú)論什么樣的比特組合的數(shù)據(jù)，都能夠按照原樣沒有差錯(cuò)地通過這個(gè)數(shù)據(jù)鏈路層。
  • 即一個(gè)幀發(fā)送的時(shí)候什么樣，接收的時(shí)候就是什么樣
• 帶字節(jié)填充的定界符法實(shí)現(xiàn)透明傳輸
  • 字節(jié)填充或字符填充
    • 發(fā)送端的數(shù)據(jù)鏈路層在數(shù)據(jù)中出現(xiàn)控制字符“SOH"或“EOT”的前面插入一個(gè)轉(zhuǎn)義字符“ESC"，在接收端的數(shù)據(jù)鏈路層在把數(shù)據(jù)送往網(wǎng)絡(luò)層之前刪除這個(gè)插入的轉(zhuǎn)義字符。
    • 
• 帶比特填充的定界符法
  • 使用特殊比特序列作為幀的開始，遇到數(shù)據(jù)部分與比特填充定界符相同時(shí)，采用比特填充法實(shí)現(xiàn)透明傳輸。
  • 以01111110為幀的開始，當(dāng)數(shù)據(jù)部分出現(xiàn)5個(gè)1時(shí)就插入一個(gè)0，保證不會(huì)出現(xiàn)6個(gè)1的情況
• 物理層編碼違例
  • 使用特殊的定界符，保證在正常的編碼中不太容易產(chǎn)生或不會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的信號(hào)，例如以太網(wǎng)中的幀前導(dǎo)碼、差分曼徹其特編碼的不正常跳變信號(hào)等。
  • 如以10101010等有規(guī)律的信號(hào)定界，數(shù)據(jù)部分的信號(hào)一般不會(huì)有規(guī)律

3. 差錯(cuò)檢測(cè)

• 比特差錯(cuò)
  • 由于噪聲的影響，比特在傳輸過程中可能會(huì)產(chǎn)生差錯(cuò)，1可能會(huì)變成0，而0也可能變成1。
• 稱為誤碼率BER
  • 在一段時(shí)間內(nèi)，傳輸錯(cuò)誤的比特占所傳輸比特總數(shù)的比率(Bit Error Rate)。
  • 誤碼率與信噪比有很大的關(guān)系。提高信噪比，就可以使誤碼率減小。
• 差錯(cuò)檢測(cè)
  • 為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?#xff0c;幀不出錯(cuò)
  • 目前在數(shù)據(jù)鏈路層廣泛使用循環(huán)冗余檢驗(yàn)CRC的檢錯(cuò)技術(shù)。
  • 檢錯(cuò)碼：
    • 主要用在高可靠、誤碼率低的信道
    • 有錯(cuò)誤就丟棄，重新發(fā)送
  • 糾錯(cuò)碼：
    • 主要用于錯(cuò)誤發(fā)生頻繁的信道
    • 錯(cuò)誤率高的信道重發(fā)還是錯(cuò)誤
• 循環(huán)冗余檢驗(yàn)CRC
  • CRC就是在數(shù)據(jù)M的后面添加供差錯(cuò)檢測(cè)用的n位冗余碼，然后構(gòu)成一個(gè)幀發(fā)送出去，一共發(fā)送(k + n)位。
  • n位冗余碼可用二進(jìn)制的模2運(yùn)算（不進(jìn)位、不退位、不借位）得到
    1. 在M后面添加n個(gè)0，得到(k + n)位的數(shù)
    2. 得到的(k + n)位的數(shù)除以收發(fā)雙方事先商定的長(zhǎng)度為(n + 1)位的除數(shù)P
    3. 得出商是Q而余數(shù)是R (n位，比P少一位)。
    4. 這個(gè)余數(shù)R就作為冗余碼拼接在數(shù)據(jù)M的后面發(fā)送出去。
    • 
    • (0-1)可以當(dāng)成(2-1)結(jié)果為1，或者看成異或運(yùn)算
    • 如果第一位大于等于除數(shù)，就商1，否則商0
    5. 接收方檢驗(yàn)是否出錯(cuò)，就用添加冗余碼后的數(shù)再除一次除數(shù)看是否可以除盡，可以無(wú)出錯(cuò)，否則出錯(cuò)
  • 這種為了進(jìn)行檢錯(cuò)而添加的冗余碼常稱為幀檢驗(yàn)序列FCS
  • 循環(huán)冗余檢驗(yàn)CRC和幀檢驗(yàn)序列FCS并不是同一個(gè)概念。
    • CRC是一種檢錯(cuò)方法
    • FCS是添加在數(shù)據(jù)后面的冗余碼，在檢錯(cuò)方法上可以選用CRC，但也可不選用CRC。
• 數(shù)據(jù)鏈路層實(shí)現(xiàn)的只是接收的每個(gè)幀是無(wú)差錯(cuò)的，并不能保證可靠傳輸
• 可靠傳輸
  • 不出現(xiàn)幀丟失
  • 不出現(xiàn)幀重復(fù)
  • 不出現(xiàn)幀失序

3.2 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議PPP

• PPP是目前使用得最廣泛得數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議

3.2.1 PPP協(xié)議的特點(diǎn)

1. PPP協(xié)議應(yīng)滿足得要求

1. 簡(jiǎn)單
2. 封裝成幀
3. 透明性
4. 多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，PPP協(xié)議必須能夠再同一條物理鏈路上同時(shí)支持多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，能將網(wǎng)絡(luò)層得數(shù)據(jù)報(bào)封裝成幀傳輸
5. 多種類型鏈路，PPP必須能夠再多種類型得鏈路上運(yùn)行
6. 差錯(cuò)檢測(cè)
7. 檢測(cè)連接狀態(tài)
8. 最大傳送單元，MTU是數(shù)據(jù)鏈路層得幀可以載荷得數(shù)據(jù)部分得最大長(zhǎng)度，不是幀得總長(zhǎng)度
9. 網(wǎng)絡(luò)層地址協(xié)商，PPP必須提供一種機(jī)制使兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)層得實(shí)體能夠通過協(xié)商知道或能夠配置彼此得網(wǎng)絡(luò)層地址
10. 數(shù)據(jù)壓縮協(xié)商，PPP必須提供一中方法來(lái)協(xié)商使用數(shù)據(jù)壓縮算法

2. PPP協(xié)議的組成

• PPP協(xié)議的三個(gè)組成部分
  1. 一個(gè)將IP數(shù)據(jù)報(bào)封裝到串行鏈路的方法。PPP 既支持異步鏈路(無(wú)奇偶檢驗(yàn)的8比特?cái)?shù)據(jù))，也支持面向比特的同步鏈路。
  2. 一個(gè)用來(lái)建立、配置和測(cè)試數(shù)據(jù)鏈路連接的鏈路控制協(xié)議LCP
  3. 一套網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議NCP， 其中的每一個(gè)協(xié)議支持不同的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議

3.2.2 PPP協(xié)議的幀格式

1. 各字段的意義

• PPP幀的首部和尾部分別為四個(gè)字段和兩個(gè)字段。
• 首部的第一個(gè)字段和尾部的第二個(gè)字段都是標(biāo)志字段F (Flag)，規(guī)定為0x7E
  • 標(biāo)志字段表示一個(gè)幀的開始或結(jié)束。
  • 標(biāo)志字段就是PPP幀的定界符。
• 首部中的地址字段A規(guī)定為0xFF (即111111)
• 控制字段C規(guī)定為0x03 (即0000011)。
• 字段A與字段C的定義至今也沒有給出。
  • 這兩個(gè)字段實(shí)際上并沒有攜帶PPP幀的信息。
• PPP首部的第四個(gè)字段是2字節(jié)的協(xié)議字段。
  • 表示上層IP數(shù)據(jù)報(bào)部分的類型
  • 當(dāng)協(xié)議字段為0x0021時(shí)，PPP幀的信息字段就是IP數(shù)據(jù)報(bào)。
  • 若為0xC021， 則信息字段是PPP鏈路控制協(xié)議LCP的數(shù)據(jù)，
  • 0x8021表示這是網(wǎng)絡(luò)層的控制數(shù)據(jù)。
• 信息字段的長(zhǎng)度是可變的，不超過1500字節(jié)。
• 尾部中的第一個(gè)字段(2字節(jié))是使用CRC的幀檢驗(yàn)序列FCS。

透明傳輸問題

• 當(dāng)PPP用在異步傳輸時(shí)，使用字節(jié)填充法。
• 當(dāng)PPP用在同步傳輸鏈路時(shí)，采用零比特填充法。
• 同步傳輸(SONET/SDH鏈路)
  • 面向比特的傳輸，同步傳輸?shù)膯挝皇菐?/li>
  • 同步傳輸收發(fā)雙方時(shí)鐘統(tǒng)一、字符間傳輸同步無(wú)間隔。即發(fā)一個(gè)比特收一個(gè)比特
• 異步傳輸
  • 面向字節(jié)的傳輸，異步傳輸?shù)膯挝皇亲址?
  • 異步傳輸效率低，高速鏈路開銷大。
  • 收到的比特?cái)?shù)達(dá)到一個(gè)字節(jié)再進(jìn)行接收
  • 異步，發(fā)送的比特沒有馬上被接收

2. 字節(jié)填充

• 當(dāng)PPP使用異步傳輸時(shí)，把轉(zhuǎn)義符定義為0x7D (即1111101)， 并使用字節(jié)填充
  1. 把信息字段中出現(xiàn)的每一個(gè)0x7E字節(jié)轉(zhuǎn)變成為2字節(jié)序列(0x7D, 0x5E)。
  2. 若信息字段中出現(xiàn)一個(gè)0x7D的字節(jié)(即出現(xiàn)了和轉(zhuǎn)義字符一樣的比特組合)，則把0x7D轉(zhuǎn)變成為2字節(jié)序列(0x7D, 0x5D)。
  3. 若信息字段中出現(xiàn)ASCII碼的控制字符(即數(shù)值小于0x20的字符)，則在該字符前面要加入一個(gè)0x7D字節(jié)，同時(shí)將該字符的編碼加以改變。
• 

3. 零比特填充

• 在發(fā)送端，先掃描整個(gè)信息字段，只要發(fā)現(xiàn)有5個(gè)連續(xù)1，則立即填入一個(gè)0。
• 接收端在收到一個(gè)幀時(shí)，先找到標(biāo)志字段F以確定一個(gè)幀的邊界，接著再用硬件對(duì)其中的比特流進(jìn)行掃描。每當(dāng)發(fā)現(xiàn)5個(gè)連續(xù)1時(shí)，就把這5個(gè)連續(xù)1后的一個(gè)0刪除，以還原成原來(lái)的信息比特流
  • 這樣就保證了透明傳輸，不會(huì)引起對(duì)幀邊界的錯(cuò)誤判斷。
• 

3.2.3 PPP協(xié)議的工作狀態(tài)

3.3 使用廣播信道的數(shù)據(jù)鏈路層

3.3.1 局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層

• 局域網(wǎng)最主要的特點(diǎn)是
  • 網(wǎng)絡(luò)為一個(gè)單位所擁有，且地理范圍和站點(diǎn)數(shù)目均有限。
• 局域網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)
  1. 具有廣播功能，從一個(gè)站點(diǎn)可很方便地訪問全網(wǎng)。
  2. 便于系統(tǒng)的擴(kuò)展和逐漸地演變，各設(shè)備的位置可靈活調(diào)整和改變。
  3. 提高了系統(tǒng)的可靠性(reliability)、可用性(availability)和生存性(survivability)。
• 局域網(wǎng)可按網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行分類
  • 
  • 都共享一個(gè)信道
• 廣播信道的問題
  • 可能2個(gè)或多個(gè)站點(diǎn)同時(shí)請(qǐng)求占用信道
• 解決方法
  • 靜態(tài)劃分信道
    • 方式
      • 頻分復(fù)用
      • 時(shí)分復(fù)用
      • 波分復(fù)用
      • 碼分復(fù)用
    • 適用于通信量大且流量穩(wěn)定、用戶少且用戶數(shù)目固定的情況
    • 代價(jià)高，不適合突發(fā)性業(yè)務(wù)，不適合局域網(wǎng)
  • 動(dòng)態(tài)媒體接入控制
    • 又稱多點(diǎn)接入
    • 信道不是在用戶通信時(shí)固定分配給用戶的
    • 方式
      • 隨機(jī)接入
        • 所有的用戶可以隨機(jī)的發(fā)生信息
        • 如以太網(wǎng)
      • 受控接入
        • 用戶不能隨機(jī)的發(fā)送信息，必須服從一定的控制
        • 如輪詢

1. 以太網(wǎng)的兩個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn)

• IEEE 802 委員會(huì)就把局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層拆成兩個(gè)子層
  • 邏輯鏈路控制LLC (Logical Link Control)子層
  • 媒體接入控制MAC (Medium Access Control)子層
• 與接入到傳輸媒體有關(guān)的內(nèi)容都放在MAC子層，而LLC子層則與傳輸媒體無(wú)關(guān)，不管采用何種傳輸媒體和MAC子層的局域網(wǎng)對(duì)LLC子層來(lái)說(shuō)都是透明的
  • 
• 目前邏輯鏈路控制子層LLC的作用已經(jīng)消失，適配器上基本只裝有MAC協(xié)議沒有LLC協(xié)議

2. 適配器的作用

• 適配器(adapter)
  • 計(jì)算機(jī)與外界局域網(wǎng)的連接是通過適配器(adapter)。
  • 適配器本來(lái)是在主機(jī)箱內(nèi)插入的一塊網(wǎng)絡(luò)接口板(或者是在筆記本電腦中插入一塊PCMCIA卡——個(gè)人計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器卡接口適配器)。
  • 這種接口板又稱為網(wǎng)絡(luò)接口卡NIC或簡(jiǎn)稱為“網(wǎng)卡”。
• 適配器的一個(gè)重要功能就是要進(jìn)行數(shù)據(jù)串行傳輸和并行傳輸?shù)霓D(zhuǎn)換。
• 由于網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)率和計(jì)算機(jī)總線的數(shù)據(jù)率并不相同，因此在適配器中必須裝有對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存的存儲(chǔ)芯片。
• 在主板上插入適配器時(shí)，還必須把管理該適配器的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序安裝在計(jì)算機(jī)的操作系統(tǒng)中。
  • 驅(qū)動(dòng)程序會(huì)告訴適配器，應(yīng)當(dāng)從存儲(chǔ)器的什么位置上把多長(zhǎng)的數(shù)據(jù)塊發(fā)送到局域網(wǎng)，或者應(yīng)當(dāng)在存儲(chǔ)器的什么位置上把局域網(wǎng)傳送過來(lái)的數(shù)據(jù)塊存儲(chǔ)下來(lái)。
• 適配器還要能夠?qū)崿F(xiàn)以太網(wǎng)協(xié)議
• 適配器使用數(shù)據(jù)鏈路層中規(guī)定的MAC地址進(jìn)行局域網(wǎng)通信
• 

3.3.2 CSMA/CD協(xié)議

• 總線型以太網(wǎng)
  • 最早的以太網(wǎng)是將許多計(jì)算機(jī)連接到一根總線上
• 總線的特點(diǎn)是
  • 易于實(shí)現(xiàn)廣播、簡(jiǎn)單、可靠
  • 當(dāng)一臺(tái)計(jì)算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，總線上的所有計(jì)算機(jī)都能檢測(cè)到這個(gè)數(shù)據(jù)。
    • 這種就是廣播通信方式。
• 為了在總線上實(shí)現(xiàn)一對(duì)一的通信，可以使每一臺(tái)計(jì)算機(jī)的適配器都擁有一個(gè)與其他適配器都不同的地址。在發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)，在幀的首部寫明接收站的地址。僅當(dāng)數(shù)據(jù)幀中的目的地址與適配器ROM中存放的硬件地址一致時(shí)，該適配器才能接收這個(gè)數(shù)據(jù)幀。適配器對(duì)不是發(fā)送給自己的數(shù)據(jù)幀就丟棄。
• 把局域網(wǎng)上的計(jì)算機(jī)稱為“主機(jī)”“工作站”“站點(diǎn)”或“站”。
• 以太網(wǎng)采取的兩種重要措施
  • 采用無(wú)連接的工作方式
  • 發(fā)送的數(shù)據(jù)使用曼切斯特編碼，便于同步
• 總線型以太網(wǎng)多個(gè)站點(diǎn)同時(shí)發(fā)送信息
  • 會(huì)產(chǎn)生發(fā)送碰撞或沖突，導(dǎo)致發(fā)送失敗
    • 碰撞后信號(hào)疊加，雖然還能繼續(xù)傳輸，但是無(wú)法辨別出發(fā)送的信息
  • 
• CSMA/CD
  • 載波監(jiān)聽多點(diǎn)接入/碰撞檢測(cè)
• CSMA/CD協(xié)議的要點(diǎn)
  • “多點(diǎn)接入”就是說(shuō)明這是總線型網(wǎng)絡(luò)，許多計(jì)算機(jī)以多點(diǎn)接入的方式連接在一根總線上。
  • 協(xié)議的實(shí)質(zhì)是“載波監(jiān)聽”和“碰撞檢測(cè)”。
  • “載波監(jiān)聽”也就是“邊發(fā)送邊監(jiān)聽”。
    • 載波監(jiān)聽就是不管在想要發(fā)送數(shù)據(jù)之前，還是在發(fā)送數(shù)據(jù)之中，每個(gè)站都必須不停地檢測(cè)信道。
  • 碰撞檢測(cè)
    • 在發(fā)送前檢測(cè)信道，是為了避免沖突。如果檢測(cè)出已經(jīng)有其他站在發(fā)送，則本站就暫時(shí)不要發(fā)送數(shù)據(jù)。
    • 在發(fā)送中檢測(cè)信道，是為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)如果有其他站也在發(fā)送，就立即中斷本站的發(fā)送。
    • “碰撞檢測(cè)”是適配器邊發(fā)送數(shù)據(jù)邊檢測(cè)信道上的信號(hào)電壓的變化情況。
    • 當(dāng)適配器檢測(cè)到的信號(hào)電壓變化幅度超過一定的門]限值時(shí)，就認(rèn)為總線上至少有兩個(gè)站同時(shí)在發(fā)送數(shù)據(jù)，表明產(chǎn)生了碰撞。
    • 所謂“碰撞”就是發(fā)生了沖突。因此“碰撞檢測(cè)”也稱為“沖突檢測(cè)”。
    • 一旦發(fā)現(xiàn)總線上出現(xiàn)了碰撞，其適配器就要立即停止發(fā)送，然后等待一段隨機(jī)時(shí)間后再次發(fā)送。
• 既然每一個(gè)站在發(fā)送數(shù)據(jù)之前已經(jīng)監(jiān)聽到信道為“空閑”，那么為什么還會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)在總線上的碰撞呢?
  • 因?yàn)椴粫?huì)查看整個(gè)信道，而只是檢測(cè)自己到總線出去一部分的區(qū)域
• 為什么進(jìn)行碰撞檢測(cè)
  • 信號(hào)傳播有時(shí)延，監(jiān)聽信道空閑，但信道可能并非真正空閑
  • 每個(gè)站點(diǎn)在自己發(fā)送數(shù)據(jù)到達(dá)終點(diǎn)之前都存在碰撞的可能性

• 總線上的單程端到端傳播時(shí)延記為$\tau$
• 至少在$2\tau$時(shí)刻收到回來(lái)的信號(hào)才是沒有發(fā)送碰撞(B馬上回送信號(hào))
• A只有在發(fā)送之后收到信號(hào)才知道是否發(fā)生了沖突
• 在使用CSMA/CD協(xié)議時(shí)，一個(gè)站不能同時(shí)發(fā)送和接收，但是必須邊發(fā)送邊監(jiān)聽信道（半雙工通信）
• 每一個(gè)站在自己發(fā)送數(shù)據(jù)之后的一小段時(shí)間內(nèi)，存在著遭遇碰撞的可能性。以太網(wǎng)不能保證在檢測(cè)到信道空閑后的某一時(shí)間內(nèi)，一定能夠把自己的數(shù)據(jù)幀成功地發(fā)送出去。以太網(wǎng)的這一特點(diǎn)稱為發(fā)送的不確定性。
• 在發(fā)送數(shù)據(jù)幀后至多經(jīng)過時(shí)間$2\tau$就可知道所發(fā)送的數(shù)據(jù)幀是否遭受了碰撞。因此以太網(wǎng)的端到端往返時(shí)間$2\tau$稱為爭(zhēng)用期(contention period)
  • 爭(zhēng)用期又稱為碰撞窗口(collisionwindow)。
  • 經(jīng)過爭(zhēng)用期這段時(shí)間還沒有檢測(cè)到碰撞，才能肯定這次發(fā)送不會(huì)發(fā)生碰撞。
  • 基本退避時(shí)間為爭(zhēng)用期$2\tau$，具體的爭(zhēng)用期時(shí)間是51.2 us。
    • 對(duì)于10 Mbit/s 以太網(wǎng)在爭(zhēng)用期內(nèi)可發(fā)送512比特，即64字節(jié)。
    • 也可以說(shuō)爭(zhēng)用期是512比特時(shí)間。
      • 1比特時(shí)間就是發(fā)送1比特所需的時(shí)間。
      • 可以直接使用比特作為爭(zhēng)用期的單位。
    • 爭(zhēng)用期是512比特，即爭(zhēng)用期是發(fā)送512比特所需的時(shí)間。
    • 發(fā)送的數(shù)據(jù)量小于512比特，說(shuō)明一定發(fā)送碰撞（未過爭(zhēng)用期）
      • 因?yàn)橛姓军c(diǎn)在$\tau$時(shí)間內(nèi)就發(fā)送了信息
  • 以太網(wǎng)在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，若前64字節(jié)沒有發(fā)生沖突，則后續(xù)的數(shù)據(jù)就不會(huì)發(fā)生沖突。所有以太網(wǎng)規(guī)定了最短有效幀長(zhǎng)為64字節(jié)。凡長(zhǎng)度小于64字節(jié)的幀都是由于沖突而異常中止的無(wú)效幀，應(yīng)當(dāng)立即將其丟棄。
  • 理論上，以太網(wǎng)的最大端到端長(zhǎng)度約為5 km(電磁波信號(hào)1km大勺需要5us，一半爭(zhēng)用期 t =25.6 us) 。
    • 如果長(zhǎng)度大于5km，收到回來(lái)的信號(hào)剛好在發(fā)送完信息之后，則會(huì)認(rèn)為沒有發(fā)送碰撞
• 碰撞后什么時(shí)候重傳
  • 采用截?cái)喽M(jìn)制指數(shù)退避確定。
  • 發(fā)生碰撞的站停止發(fā)送數(shù)據(jù)后，要退避一個(gè)隨機(jī)時(shí)間后再發(fā)送數(shù)據(jù)。
    • 基本退避時(shí)間$2\tau$
    • 從整數(shù)集合[0,1,…,(2^k-1)]中隨機(jī)取出一個(gè)數(shù)，記為r，重傳所需的時(shí)延為T = r X 基本退避時(shí)間
    • 參數(shù)k = Min[重傳次數(shù),10]
    • 當(dāng)重傳達(dá)16次仍不能成功時(shí)即丟棄該幀，并向高層報(bào)告。
• 強(qiáng)化碰撞
  • 當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)的站一旦發(fā)現(xiàn)發(fā)生了碰撞時(shí)，除立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)外，還要再繼續(xù)發(fā)送32比特或48比特的人為干擾信號(hào)，以便讓所有用戶都知道現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)生了碰撞，阻止其他用戶發(fā)送信號(hào)。
    • 對(duì)于10 Mbit/s以太網(wǎng)，發(fā)送32 (或48）比特只需要3.2(或4.8) us。
    • 幀間最小間隔為9.6us，發(fā)送一個(gè)幀等9.6us看是否發(fā)生了碰撞（48比特的數(shù)據(jù)發(fā)送到達(dá)對(duì)方最晚自己收到會(huì)送的信號(hào)知道碰撞需要9.6us）
  • 
• CSMA/CD重要特性
  • 使用CSMA/CD協(xié)議的以太網(wǎng)不能進(jìn)行全雙工通信而只能進(jìn)行雙向交替通信半雙工通信)
    • 進(jìn)行全雙工通信，一個(gè)信道雙方同時(shí)發(fā)送信息一定碰撞
  • 每個(gè)站在發(fā)送數(shù)據(jù)之后的一小段時(shí)間內(nèi)，存在著遭遇碰撞的可能性
  • 這種發(fā)送的不確定性使整個(gè)以太網(wǎng)的平均通信量遠(yuǎn)小于以太網(wǎng)的最高數(shù)據(jù)率。
    • 先聽后發(fā)、邊聽邊發(fā)、沖突停止、延遲重發(fā)

3.3.3 使用集線器的星形拓?fù)?/h3>

• 傳統(tǒng)以太網(wǎng)傳輸媒體的變化過程
  • 粗同軸電纜 => 細(xì)同軸電纜 => 雙絞線
• 使用雙絞線作為傳輸媒體的以太網(wǎng)采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
  • 在星形的中心則增加了一種可靠性非常高的設(shè)備，叫作集線器(hub)
  • 
• 10BASE-T以太網(wǎng)
  • “10”代表10 Mbit/s的數(shù)據(jù)率
  • BASE表示連接線上的信號(hào)是基帶信號(hào)
  • T代表雙絞線
  • 每個(gè)站到集線器的距離不超過100 m（一般默認(rèn)雙絞線的最遠(yuǎn)傳輸距離為100m）
• 集線器的特點(diǎn)
  1. 由于集線器使用電子器件來(lái)模擬實(shí)際電纜線的工作，所以使用集線器的以太網(wǎng)在邏輯上仍是一個(gè)總線網(wǎng)，仍讓是總線型共享信道的方式
     • 各站共享邏輯上的總線
     • 使用的還是CSMA/CD協(xié)議（各站中的適配器執(zhí)行CSMA/CD 協(xié)議)。
     • 網(wǎng)絡(luò)中的各站必須競(jìng)爭(zhēng)對(duì)傳輸媒體的控制，并且在同一時(shí)刻至多只允許一個(gè)站發(fā)送數(shù)據(jù)。
  2. 一個(gè)集線器有許多端口，用兩對(duì)雙絞線與一臺(tái)計(jì)算機(jī)上的適配器相連，即發(fā)送和接收各使用一對(duì)雙絞線
  3. 集線器工作在物理層，它的每個(gè)端口僅僅簡(jiǎn)單地轉(zhuǎn)發(fā)比特——收到1就轉(zhuǎn)發(fā)1，收到0就轉(zhuǎn)發(fā)0，不進(jìn)行碰撞檢測(cè)。
     • 若兩個(gè)端口同時(shí)有信號(hào)輸入（即發(fā)生碰撞)，那么所有的端口都將收不到正確的幀。
  4. 集線器采用了專門的芯片，進(jìn)行自適應(yīng)串音回波抵消，可使端口轉(zhuǎn)發(fā)出去的較強(qiáng)信號(hào)不致對(duì)該端口接收到的較弱信號(hào)產(chǎn)生干擾(這種干擾即近端串音)。
  • 

3.3.4 以太網(wǎng)的信道利用率

• $T_0$為發(fā)送幀所需的時(shí)間
• $2\tau$為爭(zhēng)用期
• 成功發(fā)送一個(gè)幀需要占用信道的時(shí)間為$T_0+\tau$
  • 如果在本站點(diǎn)發(fā)送信息的過程中，如果有別的站點(diǎn)發(fā)送了信息，到達(dá)本站點(diǎn)所需的時(shí)間至多為$\tau$，所以只要$T_0+\tau$沒有收到碰撞信號(hào)就是發(fā)送成功
• 在以太網(wǎng)中定義了參數(shù)a
  • 參數(shù)a是以太網(wǎng)單程端到端時(shí)延$\tau$與幀的發(fā)送時(shí)間$T_0$之比
  • $a=\frac{\tau }{T_0}$
  • 當(dāng)a→0時(shí)，表示只要一發(fā)生碰撞，就立即可以檢測(cè)出來(lái)，并立即停止發(fā)送，因而信道資源被浪費(fèi)的時(shí)間非常非常少。
  • 反之，參數(shù)a越大，表明爭(zhēng)用期所占的比例越大，這就使得每發(fā)生一次碰撞就浪費(fèi)了不少的信道資源，使得信道利用率明顯降低。
  • 以太網(wǎng)的參數(shù)的值應(yīng)當(dāng)盡可能小些。
• 當(dāng)數(shù)據(jù)率一定時(shí)，以太網(wǎng)的連線的長(zhǎng)度受到限制(否則$\tau$的數(shù)值會(huì)太大)，同時(shí)以太網(wǎng)的幀長(zhǎng)不能太短(否則$T_0$的值會(huì)太小，使a值太大)。
• 極限信道利用率$S_{max}$
  • 假定以太網(wǎng)上的各站發(fā)送數(shù)據(jù)都不會(huì)產(chǎn)生碰撞，并且總線一旦空閑就有某一個(gè)站立即發(fā)送數(shù)據(jù)。
  • 發(fā)送一幀占用線路的時(shí)間是$T_0+\tau$，幀本身的發(fā)送時(shí)間是$T_0$
  • $S_{max}=\frac{T_0}{T_0+\tau }=\frac{1}{1+a}$
  • 只有當(dāng)參數(shù)a遠(yuǎn)小于1才能得到盡可能高的極限信道利用率

3.3.5 以太網(wǎng)的MAC層

1. MAC層的硬件地址

• 硬件地址又稱為物理地址或MAC地址
  • 該地址使用在MAC幀中
• 每個(gè)適配器都有一個(gè)MAC地址，相當(dāng)于該適配器的標(biāo)識(shí)符，與其所處的位置無(wú)關(guān)
  • MAC地址固化在適配器的ROM中
  • 一個(gè)網(wǎng)卡提供一個(gè)接口，一個(gè)網(wǎng)卡有一個(gè)對(duì)應(yīng)的MAC地址，所以每個(gè)接口都有一個(gè)與之對(duì)應(yīng)得MAC地址

• IEEE 802 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定MAC地址字段采用6字節(jié)(48位)