华中科技大学计算机图片课件 第5章 链路层和局域网(8)_

链路层和局域网第五章 链路层和局域网 PPP：点对点协议第五章 链路层和局域网 5.1链路层 链路：沿着通信路径打通相邻结点的通信信道 负责将数据报通过链路从一个结点传输到相邻的结点 第五章链路层和局域网 5.1链路层 链路层的简单模型局域网 广域网 主机 电话网局域网 主机 发送数据链路层 应用层 运输层 网络层 物理层 链路层 应用层 运输层 网络层 物理层 链路层 网络层 物理层 链路层 网络层 物理层 链路层 网络层 物理层 从境界上来看数据的流动第五章 链路层和局域网 5.1链路层 链路层的简单模型局域网 广域网 主机 电话网局域网 主机 发送数据链路层 应用层 运输层 网络层 物理层 链路层 应用层 运输层 网络层 物理层 链路层 网络层 物理层 链路层 网络层 物理层 链路层 网络层 物理层 仅从数据链路层观察帧的流动第五章 链路层和局域网 5.1链路层 例如：第一段链路上由PPP处理，最后一段链路上由以太网处理，中间链路上由广域链路层协议处理 例如：可靠传递、不可信传递第五章 链路层和局域网 5.1链路层 在相邻的收发节点间受限流量第五章 链路层和局域网 5.1链路层 半双工时，链路两端的结点都能传输分组，但不能同时传输 第五章 链路层和局域网 2014-4-24 适配器通信发送方 接收方网络层数据报 适配器卡适配器卡 链路层协议 链路层协议在适配器中实现(aka NIC) 以太网卡,PCMCI卡, 802.11 增加差错检查位，可靠交付，流量测试等 查找错误,可靠交付,流量控 实现了链路层和化学层的系统 第五章 链路层和局域网 10 2014年4月24日 10 5.2 差错检查和纠错技术 差错检查模型EDC= Error Detection Correctionbits 差错检查和纠错比特 Data差错检查位保护的数据，可涵盖首部 数据报 d数据比特 数据报 检测到差错 易出现比特差错的链路 在D’中的一切比 特正确吗？ 第五章 链路层和局域网 11 2014年4月24日 11 5.2 差错检查和纠错技术 单比特奇偶校验: 检测单个比特错误 二维奇偶校验: d个比特数据被区分为i行j列，产生i+j+1个奇偶比特 可送检和纠正单个比特错误 d个数据比特 附加的一个比特使得 1个比特中1的数量是奇偶（偶校验） 附加的一个比特使得 1个比特中1的数量是奇偶（奇校验） 第五章 链路层和局域网 12 2014年4月24日 12 5.2 差错检查和纠错技术 特别提醒：仅用来TCP、UDP和IPv4协议中第五章 链路层和局域网 13 2014年4月24日 13 5.2 差错检查和纠错技术 接收方已知G，用G去除，若除数非0，则检测到 错误 在实践中被广泛应用（ATM，HDLC)等数据链路层协 议，并用算法实现 D:被发送的数据比特 R:CRC比特 第五章 链路层和局域网 14 2014年4月24日 14 5.2 差错检查和纠错技术 nGXOR 第五章链路层和局域网 15 2014年4月24日 15 5.3 多路访问协议 802.11无线局域网第五章 链路层和局域网 16 2014年4月24日 16 5.3 多路访问协议 分布式算法决定节点怎么共享信道，如结点何时可以传输数据 特别提醒：有关共享信道的通信（协商）需使用信道本身 没有额外的信道来进行协调第五章 链路层和局域网 17 2014年4月24日 17 5.3 多路访问协议 理想的多路访问协议需满足（假定：信道为速度为R b/s的广播信道）： 简单第五章 链路层和局域网 18 2014年4月24日 18 5.3 多路访问协议 节点轮流传送，但数据量大的结点轮流更长时间第五章 链路层和局域网 19 2014年4月24日 19 5.3 多路访问协议 TDMA(TimeDivision Multiple Access) 每个结点在每次循环中得到固定宽度的时隙（时隙长度＝传输单个帧时间） 例如：6-节点LAN, 有数据发送,2,5,6 时隙空闲第五章 链路层和局域网 20 2014年4月24日 20 5.3 多路访问协议 FDMA(FrequenceDivision Multiple Access) 第五章链路层和局域网 21 5.3 多路访问协议 CDMA(CodeDivision Mutiple Access):就是每个用户可以在同样 的时间内用相近的频带进行通信。

由于各用户使用经过独特挑选的 不同编码，因此不会造成破坏。这种通信信号具有超高的抗干扰能 每个用户被指派一个惟一的mbit码片序列。 所有用户共享相同的频道,但每位用户用自己的“码片”序列对数 据编码 当线路发送比特“1”时，就发送指定给该车站的mbit码片序列；发送比特“0”时，发送此mbit码片序列的二进制反码 允许多个用户共存和发送讯号,且相互的破坏极小2014年4月24日 21 第五章 链路层和局域网 22 5.3 多路访问协议 CDMA码片序列的优点：每一个站的码片序列各不相同，互相正交。即 2014年4月24日22 第五章 链路层和局域网 23 5.3 多路访问协议 数据码元比特 S站发送的讯号SxT站发送的讯号Tx 总的发送的讯号 Sx＋Tx 规格化内积S＊ Sx 规格化内积S＊ Tx S站的码片序列是（-1-1-1+1+1-1+1+1），发送的数据是110T站的码片序列是（-1-1+1-1+1+1+1-1），发送的数据是110 设有S站和T站均以相近频率发送数据，且接收站希望收到S站的 数据，如下图所示。 2014年4月24日 23 第五章 链路层和局域网 24 2014年4月24日 24 5.3 多路访问协议 CSMA,CSMA/CD, CSMA/CA 第五章 链路层和局域网 25 2014年4月24日 25 5.3 多路访问协议 ALOHA乃Additive Link On-Line HAwaii system简写，ALOHA恰好 还是土语的“你好”。

ALOHA网是计算机图片早期发展中一 个知名的图片，也是第一个无线计算机图片，现仍在运行之中。 由于采用信道，考虑到无法申请更多的频度点，因而一切站点都使用统一的频度通过主机交换资料。 第五章链路层和局域网 26 2014年4月24日 26 5.3 多路访问协议 一个节点收到网络层的数据马上发送。如果传输的帧发生了撞击，该结点在全部传输完碰撞帧后以几率p重传该帧， 否则等待一帧的传输时间。等待时间结束后再以几率p重传该帧， 或以几率1-p等待另一帧的传输时间。 第五章 链路层和局域网 27 2014年4月24日 27 5.3 多路访问协议 时刻发送，假设时间单位是一帧的发送时间。 P(给定结点成功几率) (1-p)N-1 (1-p)N-1 (1-p)2(N-1) 任意一个节点传输成功的几率：N (1-p)2(N-1) 无穷时，求Np*.(1-p*)2(N-1) 的极限= 1/(2e) 0.184第五章 链路层和局域网 28 2014年4月24日 28 5.3 多路访问协议 时隙ALOHA帧到达 帧到达 帧到达 帧到达 冲突重发 冲突重发 T0 1：所有帧正好由L比特组成 2：带宽为R，一帧传输时间 以L/R为单位区分时隙4：节点只在每位时隙的直到传输帧 节点指针同步，因此每位节点知道时隙什么时候开始6：如果一个节点发送的帧产生撞击，该结点以几率p在 后续的每位时隙重发该帧，直到该帧无撞击地传输成功。

第五章 链路层和局域网 29 2014年4月24日 29 5.3 多路访问协议 时隙ALOHA的工作效能P(给定结点成功几率) (1-p)N-1 任意一个节点传输成功的几率为Np.(1-p) N-1 选择最合适p*，使任意一个节点传输成功的几率最大。当N趋于 无穷时，求p*.(1-p*) N-1 的极限= 倍，因为同步机制，使得发生对撞的可能性比纯ALOHA小。第五章 链路层和局域网 30 2014年4月24日 30 5.3 多路访问协议 CSMA(CarrierSense Multiple Access) 为人处事的准则之一：不要打断他人的演讲 第五章 链路层和局域网 31 2014年4月24日 31 5.3 多路访问协议 非坚持(nonpersistent)CSMA一旦到信道忙（即发现有这些站在发送数据），就不 再坚持听下去，而是按照条款的硬件延迟一个随机的时间 后再次再。若进行载波时发现信道空闲，则将准 备好的帧发送回来。 时隙非坚持CSMA采用划分时隙的随机接入CSMA协议，协议规定只能在每 个时隙开始时才能发送帧。 第五章 链路层和局域网 32 2014年4月24日 32 5.3 多路访问协议 1坚持CSMA当一个站点要传送数据时，首先侦听信道，看是否有这些 站点正在传送。

如果信道正忙，它就持续等待直到它侦听 到信道空闲时，便将数据送出。若发生冲突，站点就等待 一个随机长的时间，然后重新开始。 P坚持CSMA当一个站点要传送数据时，首先侦听信道，看是否有这些 站点正在传送。如果信道正忙，它就持续等待直到它侦听 到信道空闲时，以几率P发送数据，而以几率（1－P）延 迟一段时间τ(网络中最远的端到端的传播时延)，重新 信道。若发生冲突，站点就等待一个随机长的时间，然后 重新开始。 第五章 链路层和局域网 33 2014年4月24日 33 5.3 多路访问协议 非坚持：不能充分利用信道刚刚转到空闲期的这段时间。 P坚持：可以在一定程度上克服它们缺点，但却很难选择一个能用来这些通信量强度的P值。所 以在实际图片中常选择1坚持。 第五章 链路层和局域网 34 CSMA为什么会造成撞击 冲突始终认为发生: 信道传播时延使得两个节点可能 没有侦听到对方的传输 碰撞: 整个包传输时间被浪费 注意: 距离和传播时延在检测碰撞时起决 定性效果 空间 时间 第五章 链路层和局域网 35 2014年4月24日 35 5.3 多路访问协议 在有线局域网中比较容易:测量信号强度，比较收、发的讯号 在无线局域网中比较困难:传输时是关掉的 人类社会谈话的礼貌第五章 链路层和局域网 36 CSMA/CD碰撞测试 空间 时间 检测到撞击 /放弃的时 在此处2路信号发生对撞而提高第五章 链路层和局域网 37 2014年4月24日 37 碰撞碰撞 单程端到端传播时延记为 第五章 链路层和局域网 38 2014年4月24日 38 碰撞碰撞 检测到信道空闲发送数据 检测到信道空闲 发送数据 检测到发生对撞停止发送 STOP 检测到发生对撞 STOP 单程端到端传播时延记为 第五章 链路层和局域网 39 2014年4月24日 39 5.3 多路访问协议 当发送数据的站一旦发现发生了撞击时，除了马上停止发送数据外，还要再继续发送若干比特的人为破坏 信号(jamming signal)，以便让所有用户都明白现在 已经发生了撞击。

第五章 链路层和局域网 40 2014年4月24日 40 检测到冲突 开始争执 也希望检测到冲突，并马上停止发送数据帧，接着就发送干扰信号。这里为了简单起见，只画出 第五章链路层和局域网 41 2014年4月24日 41 5.3 多路访问协议 （两倍的端到端往返时延）就可知道发送的数据帧是否承受了撞击。 经过争用期这段时间还没有检测到撞击，才能也是上次发送不会发生对撞。 第五章 链路层和局域网 42 2014年4月24日 42 5.3 多路访问协议 在轻负荷时效率低：信道访问延时，即使只有一个活动节点，也没法分配到1/N的宽带 在重负荷下:碰撞的支出 在两个方面谋求最佳的解决方案!第五章 链路层和局域网 43 2014年4月24日 43 5.3 多路访问协议 关注:轮询开销、等待时间、单点失效(主结点) 关注：令牌的支出、等待时间、单点失效(token)第五章 链路层和局域网 44 2014年4月24日 44 5.3 多路访问协议 随机区分(动态), ALOHA,S-ALOHA, CSMA, CSMA/CD CSMA/CD用于以太网 CSMA/CA用于 802.11 主结点轮询，令牌传递第五章 链路层和局域网 45 2014年4月24日 45 5.4 链路层编址 在数据链路层标识每块网络适配器，使得希望在电台信道上寻址目标结点（在数据链路层寻址） 后24bit由厂家自行分配相当留意：MAC地址写入网络适配器的ROM中，不可 更改 第五章 链路层和局域网 46 2014年4月24日 46 5.4 链路层编址 MAC地址是凹面地址，类似于号IP地址是境界地址，类似于邮政通信地址 MAC地址在不同的图片间迁入时，不会改变IP地址在不同的图片间迁入时反复出现您当前的网络存在链路层劫持，需要改变以适应新的 网络配置 第五章 链路层和局域网 47 2014年4月24日 47 5.4 链路层编址 IP;MAC;TTL> TTL(Time 般为20分钟)第五章 链路层和局域网 2014-4-24 48 局域网地址和ARP 局域网中每位适配器有惟一的局域网地址1A-2F-BB-76-09-AD 58-23-D7-FA-20-B0 0C--11-6F-E3-98 71-65-F7-2B-08-53 局域网 (有线或 无线) 广播地址 适配器第五章 链路层和局域网 2014-4-24 49 ARP:地址解析协议（为什么需要这个条款） 主机A的IP分组向下传递到数据链路层，被封装在帧 但是帧的首部需要填主机B的MAC地址 已知主机IP，求主机MAC问题: 已知B的IP地址，如何 知道它的MAC地址？ 1A-2F-BB-76-09-AD 58-23-D7-FA-20-B0 0C--11-6F-E3-98 LAN 237.196.7.23 237.196.7.78 237.196.7.14 237.196.7.88 第五章 链路层和局域网 50 2014年4月24日 50 5.4 链路层编址 ARP协议：工作在同一身高网ARP请求和应答被封装在帧里 广播 IP ARP请求：通过广播帧发送IP ARP应答：回复帧（单播）主机Y 主机Z 第五章 链路层和局域网 51 2014年4月24日 51 5.4 链路层编址 广播发送该ARP请求包MAC报头 IP报头 ARP请求报文 目标 你的MAC地FF-FF-FF-FF-FF-FF 02-60-8C-01-02-03 197.15.22.126 197.15.22.33 址是多少？ 第五章 链路层和局域网 52 2014年4月24日 52 5.4 链路层编址 目的197.15.22.126接收到该ARP请求包，建立涵盖自己MAC地址的ARP应答包（请注意，应答包和请 求包的源、目标是不一致的） 197.15.22.33更新ARP高速缓存MAC报头 IP报头 ARP应答报文 目标 我的MAC地02-60-8C-01-02-03 08-00-02-89-90-80 197.15.22.33 197.15.22.126 第五章链路层和局域网 53 2014年4月24日 53 ARP 响应 ARP 响应 发送ARP 响应分组 主机 广播发送ARP 请求分组 ARP 请求 ARP 请求 ARP 请求 ARP 请求 ARP 请求 ARP 请求 209.0.0.5 209.0.0.6 00-00-C0-15-AD-18 08-00-2B-00-EE-0A 209.0.0.5，硬件地址是00-00-C0-15-AD-18 我想知道主机 209.0.0.6 的算法地址 209.0.0.6硬件地址是 08-00-2B-00-EE-0A 209.0.0.5209.0.0.6 00-00-C0-15-AD-18 第五章 链路层和局域网 2014-4-24 54 路由到其余 LAN 穿越: 发送数据报到B，途经R假定 A知道 在路由器R中有两个ARP表,分别针对两个IP网络(LAN) 第五章链路层和局域网 2014-4-24 55 111.111.111.110对应的MAC地址(E6-E9-00-17- BB-4B) A创建链路层帧(封装A到B的IP数据报)，目的地址为R的MAC地址(E6-E9-00-17-BB-4B) 第五章链路层和局域网 56 2014年4月24日 56 5.4 链路层编址 互联网环境下的ARP网络1 网络3 R1 网络2 R2 主机Y 主机Z 帧首部 IP首部 目标MAC地址 目标IP地址 R1(接口1) 主机Z 源MAC地址 源IP地址 主机Y 主机Y 帧首部 IP首部 目标MAC地址 目标IP地址 R2(接口1) 主机Z 源MAC地址 源IP地址 R1(接口2) 主机Y 帧首部 IP首部 目标MAC地址 目标IP地址 主机Z 主机Z 源MAC地址 源IP地址 R2(接口2) 主机Y R1(接口1) R1(接口2) R2(接口1) R2(接口2) ARP解析 ARP解析 ARP解析 第五章 链路层和局域网 57 2014年4月24日 57 5.5 以太网 20世纪70年代由BobMatcalfe和David Boggs发明 10Gbps第五章 链路层和局域网 58 2014年4月24日 58 5.5 以太网 匹配引脚（用来吸收总线上散播的讯号）匹配引脚 不接受 不接受 不接受 接受 发送的数据第五章 链路层和局域网 59 2014年4月24日 59 5.5 以太网 星形拓扑集线器或 交换机 第五章 链路层和局域网 60 2014年4月24日 60 5.5 以太网 总共8字节反复出现您当前的网络存在链路层劫持，前7字节的文档为 10101010 ，最后一 个数组格式为10101011 结束：检查有无电流前同步码 目的地 类型数据 第五章 链路层和局域网 61 2014年4月24日 61 5.5 以太网 若适配器收到以太网帧，目的地址为自己的MAC地址或广播地址（如ARP包），就将帧中的数据传给 网络层。

类型:2字节。上层协议类型 (大多为IP协议，也支持其 它协议如Novell IPX 和AppleTalk) CRC:4字节由接收方检查,若检测到错误，就将该帧丢 前同步码目的地 类型数据 10M以太网最小帧长=64， 首部+尾部+类型=18字节 因此数据字段最少46字节 第五章 链路层和局域网 62 2014年4月24日 62 5.5 以太网 无连接服务:在送适配器和接收适配器之间不需 要握手 不可信服务:接收适配器不发送确定帧或否认帧 给发送方 否则，应用就能听见间隙第五章 链路层和局域网 63 2014年4月24日 63 5.5 以太网 当适配器侦听到其余适配器在传输，则它不传输帧,即载波侦听 正在传输的适配器若检测到其余适配器也在传输，则它中止自己的传输, 即撞击测试 在再次传输之前，适配器要等待一段随机时间，即随机访问 第五章 链路层和局域网 64 2014年4月24日 64 5.5 以太网 若适配器检测到信道空闲（在96bit时间内没有信号能量步入信道），则直到传输帧；若检测到信道忙，就 开始等待，直到信道空闲再开始传输该帧 若适配器传输了整个帧而没有检测到其余适配器的传输，则该适配器完成该帧的传输 若适配器在传输时检测到其余适配器也在传输，则停止传输，发送一个48bit的拥塞信号 中止传输后，适配器进入股指回退阶段，在经历第n次碰撞后，适配器随机从{0,1,2,…,2 -1}中选择K值，其中m=min{n,10}。

适配器在等待 K512比特时间后， 返回第2步 第五章 链路层和局域网 65 2014年4月24日 65 5.5 以太网 拥塞信号:用来保证一切传输者都能检测到撞击而传 输的讯号；48比特长 比特时间:传输1比特所需时间。在10Mbps的以太网 中，当K=1023时，等待时间大约为50ms 第五章 链路层和局域网 66 2014年4月24日 66 5.5 以太网 目的:适配器重传时企图估计正确的负载 重载:随机等待的时间可能会更长 {0,1}中选择K;延迟是 512比特传 输时间 {0,1,2,3}中选择K {0,1,2,3,4,…,1023}中选择K第五章 链路层和局域网 67 2014年4月24日 67 5.5 以太网 使用CSMA/CD 协议的以太网不能进行全双工通信 而没法进行双向交替通信（半双工通信）。 每个站在发送数据以后的一小段时间内，存在着遭遇撞击的可能性。 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。 第五章 链路层和局域网 68 2014年4月24日 68 5.5 以太网 以太网取51.2 对于10 Mb/s 以太网，在争用期内可发送512 bit， 64字节。 以太网在发送数据时，若前64 字节没有发生对撞， 则后续的数据就不会发生对撞。 如果发生对撞，就当然是在发送的前64 字节之内。

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