計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（第09講）第3章 物理層

1、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講義1上次課主要內(nèi)容傳輸媒體導(dǎo)向傳輸媒體非導(dǎo)向傳輸媒體物理層功能機(jī)械特性電氣特性功能特性過(guò)程特性物理層規(guī)程計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講義23.3 物理層設(shè)備物理層設(shè)備的功能是將主機(jī)與傳輸媒體相連，實(shí)現(xiàn)信號(hào)在媒體上傳輸，并向主機(jī)提供比特流傳輸服務(wù)。1、中繼器2、集線器計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講義3中繼器中繼器是把一根線纜中的電或光信號(hào)傳遞給另一根線纜，不進(jìn)行路由選擇，也不進(jìn)行分組過(guò)濾的物理層設(shè)備。1、按照OSI的術(shù)語(yǔ)，中繼器是物理層中間系統(tǒng)；2、其作用是延長(zhǎng)通信介質(zhì)長(zhǎng)度，擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍；3、可通過(guò)串聯(lián)中繼器擴(kuò)大信號(hào)傳輸范圍，但由于信號(hào)特性和噪聲的影響，相互串聯(lián)的中繼器的數(shù)量有一定的限制。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講義4集線器簡(jiǎn)介

2、通常指共享式以太網(wǎng)集線器（hub）1、工作在物理層，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口的機(jī)械、電氣、功能和規(guī)程特性，本質(zhì)上是多端口中繼器；2、不解釋傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是透明的；3、從一個(gè)端口接收信號(hào)，將其再生后中繼到其他端口，可以將信號(hào)放大（識(shí)別、重新形成）后，再傳出去； （1）廣播方式傳播信號(hào)； （2）在t0時(shí)刻，連接到集線器上的所有站點(diǎn)中，只有一個(gè)站點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)，半雙工； （3）可以理解為集線器分時(shí)為各個(gè)站點(diǎn)提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)； （4）從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度來(lái)看，如果集線器的帶寬為F，連接N個(gè)站點(diǎn)，則每個(gè)站點(diǎn)獲得的帶寬為F/N；4、集線器可級(jí)聯(lián)和堆疊。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講義5集線器原理示意圖計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講義6集線器之間的連接方

3、式集線器與集線器之間的連接可以采用堆疊或級(jí)聯(lián)的方式 1、一個(gè)集線器提供的網(wǎng)絡(luò)接口數(shù)量是有限的，一般情況下，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模要求的網(wǎng)絡(luò)接口數(shù)量會(huì)大大超過(guò)一個(gè)集線器所提供的網(wǎng)絡(luò)接口數(shù)量，如何解決這個(gè)問(wèn)題呢？ 2、可以通過(guò)將不同集線器連接在一起，提供更多的網(wǎng)絡(luò)接口來(lái)滿足這個(gè)需求，于是，產(chǎn)生可集線器的連接方式問(wèn)題； 3、這就是集線器的堆疊和級(jí)聯(lián) （1）堆疊和級(jí)聯(lián)是兩種不同的集線器連接方式； （2）利用堆疊和級(jí)聯(lián)不僅可以提供更多的網(wǎng)絡(luò)接口，而且還可以擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，既擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模。 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講義7級(jí)聯(lián)級(jí)聯(lián)是將集線器的網(wǎng)絡(luò)端口直接連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)集線器的互聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的目的。 1、集線器級(jí)聯(lián)要遵

4、循3-4-5原則； 2、集線器的級(jí)聯(lián)可以擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍，提供更多的網(wǎng)絡(luò)端口，但卻極大的影響了網(wǎng)絡(luò)的性能。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講義8集線器級(jí)聯(lián)的性能分析服務(wù)器工作站A工作站B工作站C10Mbit/s10/6Mbit/s10/36Mbit/s10/6Mbit/s10/36Mbit/s計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講義9堆疊堆疊是將集線器的背板連接在一起，實(shí)現(xiàn)集線器的互聯(lián) 1.集線器的堆疊需要使用特殊的堆疊電纜進(jìn)行，堆疊的數(shù)量隨不同廠家的產(chǎn)品不同 2.集線器的堆疊可以擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)端口的數(shù)量，但不能擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍集線器集線器工作站工作站計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講義10集線器堆疊的性能分析服務(wù)器工作站A工作站B10Mbit/s10/18Mbi

5、t/s10/18Mbit/s計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講義11集線器連接方式總結(jié)堆疊和級(jí)聯(lián)都可擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模。級(jí)聯(lián)在擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的同時(shí)也擴(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)端口數(shù)量，但網(wǎng)絡(luò)性能受到極大的影響。堆疊只能擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的端口數(shù)量，但不能擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍，網(wǎng)絡(luò)性能受影響，但比級(jí)聯(lián)要好。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講義123.4 總結(jié)物理層功能物理層規(guī)程物理層設(shè)備第四章 數(shù)據(jù)鏈路層4.1 數(shù)據(jù)鏈路層概述4.2 幀同步4.3 差錯(cuò)控制4.4 可靠性傳輸4.5 高級(jí)控制鏈路協(xié)議HDLC4.6 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議PPP4.7 使用廣播信道的數(shù)據(jù)鏈路層4.8 以太網(wǎng)4.9 擴(kuò)展以太網(wǎng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講義144.1 數(shù)據(jù)鏈路層概述數(shù)據(jù)鏈路層的目的是為了提供功能上和規(guī)程

6、上的方法，以便建立、維護(hù)和釋放網(wǎng)絡(luò)實(shí)體間的數(shù)據(jù)鏈路。數(shù)據(jù)鏈路層的設(shè)計(jì)要點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)層提供一個(gè)定義良好的服務(wù)接口處理傳輸錯(cuò)誤調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)流，確保慢速的接收方不會(huì)被快速的發(fā)送方淹沒(méi)。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講義154.4.1 基本概念1、鏈路和數(shù)據(jù)鏈路2、數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議3、點(diǎn)到點(diǎn)和端到端4、數(shù)據(jù)鏈路層使用的信道類型5、網(wǎng)絡(luò)層分組與幀之間的關(guān)系計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講義161、鏈路與數(shù)據(jù)鏈路鏈路(link)就是一條無(wú)源的點(diǎn)到點(diǎn)的物理線路段，中間沒(méi)有任何其他的交換結(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)鏈路(data link)則是另一個(gè)概念。這是因?yàn)楫?dāng)需要在一條線路上傳送數(shù)據(jù)時(shí)，除了必須有一條物理線路外，還必須有一些必要通信協(xié)議來(lái)控制這些數(shù)據(jù)的傳輸。也有人采用另

7、外的術(shù)語(yǔ)。這就是將鏈路分為物理鏈路和邏輯鏈路。物理鏈路就是上面所說(shuō)的鏈路，而邏輯鏈路就是上面的數(shù)據(jù)鏈路，是物理鏈路加上必要的通信協(xié)議。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講義172、數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議定義了一條鏈路的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)間交換的數(shù)據(jù)單元格式，以及結(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)單元的動(dòng)作。數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議應(yīng)提供的最基本功能：（1）鏈路管理（數(shù)據(jù)鏈路的建立、維持和釋放）（2）幀同步（定界）與透明傳輸（3）流量控制（4）差錯(cuò)控制（5）將數(shù)據(jù)和控制信息區(qū)分開(kāi)（6）尋址計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講義183、點(diǎn)到點(diǎn)和端到端從源結(jié)點(diǎn)（source node）到目的結(jié)點(diǎn)（destination node）的通信稱為端到端（end-to-end）通信，

8、通信路徑（path）可能由多個(gè)鏈路組成。在相鄰結(jié)點(diǎn)間的一條鏈路（link）上的通信稱為點(diǎn)到點(diǎn)（point-to-point）通信。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講義194、數(shù)據(jù)鏈路層使用的信道類型點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信道：使用一對(duì)一的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式。廣播信道：使用一對(duì)多的廣播通信方式。過(guò)程較復(fù)雜。必須使用專用的共享信道協(xié)議來(lái)協(xié)調(diào)。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講義205、網(wǎng)絡(luò)層分組與幀之間的關(guān)系IP 數(shù)據(jù)報(bào)1010 0110幀取出數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)層鏈路結(jié)點(diǎn) A結(jié)點(diǎn) B物理層數(shù)據(jù)鏈路層結(jié)點(diǎn) A結(jié)點(diǎn) B幀發(fā)送幀接收數(shù)據(jù)鏈路IP 數(shù)據(jù)報(bào)1010 0110幀裝入計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講義21虛擬通信過(guò)程局域網(wǎng)廣域網(wǎng)主機(jī) H1主機(jī) H2路由器 R1路由器 R2路由器 R

9、3電話網(wǎng)局域網(wǎng)主機(jī) H1 向 H2 發(fā)送數(shù)據(jù)鏈路層應(yīng)用層運(yùn)輸層網(wǎng)絡(luò)層物理層鏈路層應(yīng)用層運(yùn)輸層網(wǎng)絡(luò)層物理層鏈路層網(wǎng)絡(luò)層物理層鏈路層網(wǎng)絡(luò)層物理層鏈路層網(wǎng)絡(luò)層物理層R1R2R3H1H2僅從數(shù)據(jù)鏈路層觀察幀的流動(dòng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講義22實(shí)際通信過(guò)程局域網(wǎng)廣域網(wǎng)主機(jī) H1主機(jī) H2路由器 R1路由器 R2路由器 R3電話網(wǎng)局域網(wǎng)主機(jī) H1 向 H2 發(fā)送數(shù)據(jù)鏈路層應(yīng)用層運(yùn)輸層網(wǎng)絡(luò)層物理層鏈路層應(yīng)用層運(yùn)輸層網(wǎng)絡(luò)層物理層鏈路層網(wǎng)絡(luò)層物理層鏈路層網(wǎng)絡(luò)層物理層鏈路層網(wǎng)絡(luò)層物理層R1R2R3H1H2從層次上來(lái)看數(shù)據(jù)的流動(dòng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講義234.1.2 為網(wǎng)絡(luò)層提供的服務(wù)目標(biāo)：將數(shù)據(jù)從源機(jī)器的網(wǎng)絡(luò)層傳輸?shù)侥繕?biāo)機(jī)器的網(wǎng)絡(luò)層。

10、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講義241、無(wú)確認(rèn)的無(wú)連接服務(wù)不建立點(diǎn)到點(diǎn)間的邏輯連接。不保證幀能夠被接收方正確接收。適用于服務(wù)質(zhì)量較好的信道和實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)。e.g. 大多數(shù)的LAN。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講義252、有確認(rèn)的無(wú)連接服務(wù)不建立點(diǎn)到點(diǎn)之間的邏輯連接。接收方對(duì)收到的每一幀進(jìn)行確認(rèn)，提供可靠性。適用于不可靠的信道。e.g. 無(wú)線系統(tǒng)。在數(shù)據(jù)鏈路層上提供確認(rèn)只是一種優(yōu)化而不是要求。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講義263、有確認(rèn)的有連接服務(wù)需要建立源機(jī)器和目標(biāo)機(jī)器之間的邏輯連接。保證該連接上的每一幀都被正確接收，并且只接收一次。保證接收幀的順序和發(fā)送幀的順序一致。相當(dāng)于為網(wǎng)絡(luò)層提供一個(gè)可靠的位流。數(shù)據(jù)傳輸經(jīng)歷三個(gè)階段：建立連接：初始化各種變

11、量。數(shù)據(jù)傳輸：多個(gè)數(shù)據(jù)幀被傳輸。連接釋放：維護(hù)該連接的資源被釋放。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講義27數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的位置計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講義284.2 幀同步幀是數(shù)據(jù)鏈路層的傳送單位，按OSI的術(shù)語(yǔ)就是數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議數(shù)據(jù)單元DL-PDU 。如何將來(lái)自物理層的比特流組裝成幀？也就是如何確定幀的邊界問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題稱為幀同步，也可以稱為封裝成幀。封裝成幀(framing)就是在一段數(shù)據(jù)的前后分別添加首部和尾部，然后就構(gòu)成了一個(gè)幀的基本結(jié)構(gòu)。另外還需要在幀的開(kāi)始位置和結(jié)束位置添加幀定界符來(lái)確定幀的界限。幀定界符的重要作用就是進(jìn)行幀定界。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講義294.2.1 幀的基本結(jié)構(gòu)幀結(jié)束幀首部IP 數(shù)據(jù)報(bào)幀的數(shù)據(jù)部分幀尾部 M

12、TU數(shù)據(jù)鏈路層的幀長(zhǎng)開(kāi)始發(fā)送幀開(kāi)始計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講義304.2.2 成幀的方法字符計(jì)數(shù)法含字節(jié)填充的分界符法含位填充的分界標(biāo)志法物理層編碼違例法計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講義311、字符計(jì)數(shù)法在幀頭中用一個(gè)域來(lái)表示整個(gè)幀的字符個(gè)數(shù)特點(diǎn)：不需對(duì)幀內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行任何處理。若計(jì)數(shù)出錯(cuò)，對(duì)本幀和后面的幀有影響。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講義322、含字節(jié)填充的分界符法使用特定的字符來(lái)標(biāo)示一幀的開(kāi)始與結(jié)束 幀內(nèi)數(shù)據(jù)是由若干個(gè)字符組成的數(shù)據(jù)塊 SOH裝在幀中的結(jié)構(gòu)部分幀幀開(kāi)始符幀結(jié)束符發(fā)送在前EOT計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講義333、含位填充的分界標(biāo)志法數(shù)據(jù)幀可以包含任意長(zhǎng)度的位（bit），每個(gè)字符也可以有任意的長(zhǎng)度的位。每一幀開(kāi)始和結(jié)束都有一個(gè)特殊的位模式

13、01111110。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講義344、物理層編碼違例法只適用于物理層編碼有冗余的網(wǎng)絡(luò)。例如：802 LAN：Manchester encoding or Differential Manchester encoding 用high-low pair/low-high pair 表示1/0。high-high/low-low不表示數(shù)據(jù)，可以用來(lái)做定界符。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講義354.2.3 透明傳輸當(dāng)標(biāo)志字節(jié)的位模式出現(xiàn)在數(shù)據(jù)中時(shí)，會(huì)干擾幀的分界。FlagFlag出現(xiàn)了“Flag”被接收端當(dāng)作無(wú)效幀而丟棄被接收端誤認(rèn)為是一個(gè)幀數(shù)據(jù)部分Flag完整的幀發(fā)送在前計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講義361、解決透明傳輸?shù)姆椒ㄗ止?jié)填充法/字符填充法位填充法/比特填充法計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講義372、字節(jié)填充法發(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”(其十六進(jìn)制編碼是 1B)。字節(jié)填充(byte stuffing)或字符填充(character stuffing)接收端的數(shù)據(jù)鏈路層在將數(shù)據(jù)送往網(wǎng)絡(luò)層之前刪除插入的轉(zhuǎn)義字符。如果轉(zhuǎn)義字符也出現(xiàn)數(shù)據(jù)當(dāng)中，那么應(yīng)在轉(zhuǎn)義字符前面插入一個(gè)轉(zhuǎn)義字符。當(dāng)接收端收到連續(xù)的兩個(gè)轉(zhuǎn)義字符時(shí)，就刪除其中前面的一個(gè)。 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)講義38SOHSO