第05章 數(shù)據(jù)鏈路層服務(wù)與局域網(wǎng)

《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與信息安全》第五章數(shù)據(jù)鏈路層服務(wù)與局域網(wǎng)第五章數(shù)據(jù)鏈路層服務(wù)與局域網(wǎng)本章學(xué)習(xí)目標(biāo)理解數(shù)據(jù)鏈路層主要服務(wù)理解鏈路層尋址及其特點(diǎn)掌握差錯(cuò)編碼原理及典型編碼掌握可靠數(shù)據(jù)傳輸基本原理及協(xié)議、信道利用率的計(jì)算掌握多路訪問(wèn)控制協(xié)議特點(diǎn)掌握以太網(wǎng)技術(shù)、交換機(jī)工作原理、VLAN技術(shù)等理解PPP協(xié)議了解鏈路虛擬化概念及原理主要內(nèi)容第一節(jié)

數(shù)據(jù)鏈路層服務(wù)第二節(jié)

差錯(cuò)檢測(cè)第三節(jié)

多路訪問(wèn)控制協(xié)議第四節(jié)局域網(wǎng)第五節(jié)

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路協(xié)議2本章重點(diǎn)與難點(diǎn)本章重點(diǎn)典型的差錯(cuò)編碼CDMA工作原理隨機(jī)訪問(wèn)MAC協(xié)議：ALOHACSMACSMA/CD受控接入MAC協(xié)議的工作原理MAC地址ARP協(xié)議以太網(wǎng)交換機(jī)的特點(diǎn)及其工作原理PPP協(xié)議工作原理本章難點(diǎn)CDMA工作原理CSMA/CD協(xié)議最小幀長(zhǎng)與最大沖突域跨距的約束關(guān)系以太網(wǎng)MAC協(xié)議二進(jìn)制指數(shù)退避算法交換機(jī)工作原理幀的轉(zhuǎn)發(fā)自學(xué)習(xí)沖突域、廣播域、子網(wǎng)的概念VLAN工作原理VLAN劃分方法及通信過(guò)程3李全龍第一節(jié)

數(shù)據(jù)鏈路層服務(wù)向下：利用物理層提供的位流服務(wù)向上：向網(wǎng)絡(luò)層提供明確的(well-defined)服務(wù)接口數(shù)據(jù)鏈路層5第一節(jié)

數(shù)據(jù)鏈路層服務(wù)應(yīng)用層（AL)傳輸層（TL)網(wǎng)絡(luò)層（NL）物理層（PHL）5層參考模型邏輯鏈路控制(LLC)介質(zhì)訪問(wèn)控制(MAC)數(shù)據(jù)鏈路層（DLL）局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)結(jié)點(diǎn)-結(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸組幀鏈路接入（訪問(wèn)控制）可靠交付物理尋址差錯(cuò)控制流量控制數(shù)據(jù)鏈路層功能6DHDTN-PDU數(shù)據(jù)鏈路層幀去往物理層來(lái)自網(wǎng)絡(luò)層DHDTN-PDU數(shù)據(jù)鏈路層幀來(lái)自物理層去往網(wǎng)絡(luò)層1010101011110110101010111101第一節(jié)

數(shù)據(jù)鏈路層服務(wù)術(shù)語(yǔ)結(jié)點(diǎn)(nodes)：主機(jī)、路由器、交換機(jī)鏈路(links)：連接相鄰結(jié)點(diǎn)的通信信道有線鏈路(wiredlinks)無(wú)線鏈路(wirelesslinks)局域網(wǎng)(LANs)幀(frame)：鏈路層(第2層)數(shù)據(jù)分組，封裝網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)報(bào)7數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)通過(guò)一條鏈路從一個(gè)結(jié)點(diǎn)向另一個(gè)物理鏈路直接相連的相鄰結(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)報(bào)。globalISP第一節(jié)

數(shù)據(jù)鏈路層服務(wù)鏈路層服務(wù)組幀(framing)封裝網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)報(bào)構(gòu)成數(shù)據(jù)幀幀同步：從物理層接收的比特流中準(zhǔn)確區(qū)分出一幀的開(kāi)始和結(jié)束字節(jié)計(jì)數(shù)法（Bytecount）8第1幀5字節(jié)第2幀5字節(jié)第3幀8字節(jié)第4幀6字節(jié)512345123481234567612345問(wèn)題：如果某個(gè)計(jì)數(shù)字節(jié)出錯(cuò)會(huì)發(fā)生什么情況？第一節(jié)

數(shù)據(jù)鏈路層服務(wù)鏈路層服務(wù)組幀(framing)封裝網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)報(bào)構(gòu)成數(shù)據(jù)幀幀同步：從物理層接收的比特流中準(zhǔn)確區(qū)分出一幀的開(kāi)始和結(jié)束字節(jié)計(jì)數(shù)法（Bytecount）帶字節(jié)填充的定界符法（Flagbyteswithbytestuffing）定界符（FLAG）：一個(gè)特殊的字節(jié)，比如01111110，即0x7E，用于區(qū)分前后兩個(gè)不同的幀9FLAG頭標(biāo)有效載荷尾標(biāo)FLAG一個(gè)幀定界符定界符問(wèn)題：如果有效載荷部分包含與“定界符”相同的字節(jié)會(huì)有什么問(wèn)題？第一節(jié)

數(shù)據(jù)鏈路層服務(wù)鏈路層服務(wù)組幀(framing)封裝網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)報(bào)構(gòu)成數(shù)據(jù)幀幀同步：從物理層接收的比特流中準(zhǔn)確區(qū)分出一幀的開(kāi)始和結(jié)束字節(jié)計(jì)數(shù)法（Bytecount）帶字節(jié)填充的定界符法（Flagbyteswithbytestuffing）10FLAG頭標(biāo)有效載荷尾標(biāo)FLAGFLAGBAESCBAESCBAFLAGESCBAFLAGESCBAESCESCBAESCESCBAESCESCFLAGESCBAESCESCESC轉(zhuǎn)義字節(jié)第一節(jié)

數(shù)據(jù)鏈路層服務(wù)鏈路層服務(wù)組幀(framing)封裝網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)報(bào)構(gòu)成數(shù)據(jù)幀幀同步：從物理層接收的比特流中準(zhǔn)確區(qū)分出一幀的開(kāi)始和結(jié)束字節(jié)計(jì)數(shù)法（Bytecount）帶字節(jié)填充的定界符法（Flagbyteswithbytestuffing）帶比特填充的定界符法（Flagbitswithbitstuffing）定界符：如兩個(gè)0比特之間，連續(xù)6個(gè)1比特，即01111110，0x7E11010110111111001110001011定界符上一幀下一幀問(wèn)題：如果有效載荷部分包含與“定界符”相同的位組合如何解決？第一節(jié)

數(shù)據(jù)鏈路層服務(wù)鏈路層服務(wù)組幀(framing)封裝網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)報(bào)構(gòu)成數(shù)據(jù)幀幀同步：從物理層接收的比特流中準(zhǔn)確區(qū)分出一幀的開(kāi)始和結(jié)束字節(jié)計(jì)數(shù)法（Bytecount）帶字節(jié)填充的定界符法（Flagbyteswithbytestuffing）帶比特填充的定界符法（Flagbitswithbitstuffing）定界符：如兩個(gè)0比特之間，連續(xù)6個(gè)1比特，即01111110，0x7E若在有效載荷中出現(xiàn)連續(xù)5個(gè)1比特，則直接插入1個(gè)0比特12011111011111100011100010原始載荷載荷填充01111100111110100011101000第一節(jié)

數(shù)據(jù)鏈路層服務(wù)鏈路層服務(wù)組幀(framing)封裝網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)報(bào)構(gòu)成數(shù)據(jù)幀幀同步：從物理層接收的比特流中準(zhǔn)確區(qū)分出一幀的開(kāi)始和結(jié)束字節(jié)計(jì)數(shù)法（Bytecount）帶字節(jié)填充的定界符法（Flagbyteswithbytestuffing）帶比特填充的定界符法（Flagbitswithbitstuffing）物理層編碼違例（Physicallayercodingviolations）核心思想：定界符為不會(huì)在數(shù)據(jù)部分出現(xiàn)碼字，例如：4B/5B編碼方案：未使用的碼字前導(dǎo)碼：存在很長(zhǎng)的前導(dǎo)碼（preamble）例如：傳統(tǒng)以太網(wǎng)、802.11曼切斯特編碼/差分曼切斯特編碼：比特周期中間信號(hào)無(wú)跳變例如：802.5令牌環(huán)網(wǎng)13第一節(jié)

數(shù)據(jù)鏈路層服務(wù)鏈路層服務(wù)差錯(cuò)檢測(cè)(errordetection)信號(hào)衰減和噪聲會(huì)引起差錯(cuò)

差錯(cuò)編碼差錯(cuò)糾正(errorcorrection)前向糾錯(cuò)：接收端直接糾正比特差錯(cuò)-糾錯(cuò)碼通知發(fā)送端重傳鏈路接入(linkaccess)

若物理信道是共享介質(zhì)，需要解決信道接入(channelaccess)幀首部中的“MAC”地址，用于標(biāo)識(shí)幀的源和目的相鄰結(jié)點(diǎn)間可靠交付在低誤碼率的有線鏈路上很少采用(如光纖，某些雙絞線等)無(wú)線鏈路：誤碼率高，需要可靠數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議停-等協(xié)議滑動(dòng)窗口協(xié)議14第一節(jié)

數(shù)據(jù)鏈路層服務(wù)鏈路層服務(wù)流量控制(flowcontrol)協(xié)調(diào)(pacing)相鄰的發(fā)送結(jié)點(diǎn)和接收結(jié)點(diǎn)避免接收端被數(shù)據(jù)“淹沒(méi)”解決方案：基于反饋

(feedback-based)的流量控制接收方反饋，發(fā)送方調(diào)整發(fā)送速率基于速率

(rate-based)的流量控制發(fā)送方根據(jù)內(nèi)建機(jī)制，自行限速全雙工和半雙工通信控制全雙工：鏈路兩端結(jié)點(diǎn)同時(shí)雙向傳輸半雙工：鏈路兩端結(jié)點(diǎn)交替雙向傳輸服務(wù)類(lèi)型無(wú)連接服務(wù)面向連接服務(wù)15第一節(jié)

數(shù)據(jù)鏈路層服務(wù)鏈路層的具體實(shí)現(xiàn)？每個(gè)主機(jī)或路由器接口鏈路層在“適配器”

(即網(wǎng)絡(luò)接口卡-NIC)中實(shí)現(xiàn)或者在一個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)網(wǎng)卡、802.11網(wǎng)卡；以太網(wǎng)芯片組實(shí)現(xiàn)鏈路層和物理層連接主機(jī)的系統(tǒng)總線由硬件、軟件與固件組成16控制器物理傳輸CPU內(nèi)存主機(jī)總線(e.g.,PCI)網(wǎng)絡(luò)適配卡applicationtransportnetworklinklinkphysical第一節(jié)

數(shù)據(jù)鏈路層服務(wù)網(wǎng)卡間通信發(fā)送端：將數(shù)據(jù)報(bào)封裝成幀增加差錯(cuò)檢測(cè)比特，實(shí)現(xiàn)可靠數(shù)據(jù)傳輸和流量控制等.17接收端：檢測(cè)差錯(cuò)，實(shí)現(xiàn)可靠數(shù)據(jù)傳輸和流量控制等提取數(shù)據(jù)報(bào)，交付上層協(xié)議實(shí)體控制器控制器發(fā)送端接收端數(shù)據(jù)報(bào)數(shù)據(jù)報(bào)數(shù)據(jù)報(bào)幀第一節(jié)

數(shù)據(jù)鏈路層服務(wù)李全龍第二節(jié)

差錯(cuò)檢測(cè)18差錯(cuò)編碼基本原理： D→DR，其中R為差錯(cuò)檢測(cè)與糾正比特（冗余比特）差錯(cuò)編碼不能保證100%可靠！差錯(cuò)檢測(cè)：差錯(cuò)編碼19第二節(jié)

差錯(cuò)檢測(cè)差錯(cuò)編碼的檢錯(cuò)能力20差錯(cuò)編碼可分為檢錯(cuò)碼與糾錯(cuò)碼漢明距離(Hammingdistance)：兩個(gè)碼字之間對(duì)應(yīng)位不同的數(shù)目對(duì)于檢錯(cuò)碼，如果編碼集的漢明距離ds=r+1，則該差錯(cuò)編碼可以檢測(cè)r位差錯(cuò)例如，編碼集{0000,0101,1010,1111}的漢明距離ds=2，可以100%檢測(cè)1比特差錯(cuò)對(duì)于糾錯(cuò)碼，如果編碼集的漢明距離ds=2r+1，則該差錯(cuò)編碼可以糾正r位差錯(cuò)例如，編碼集{000000,010101,101010,111111}的漢明距離ds=3，可以糾正1比特差錯(cuò)，如100010糾正為101010。第二節(jié)

差錯(cuò)檢測(cè)1比特校驗(yàn)位:檢測(cè)奇數(shù)位差錯(cuò)二維奇偶校驗(yàn):檢測(cè)奇數(shù)位差錯(cuò)、部分偶數(shù)位差錯(cuò)糾正同一行/列的奇數(shù)位錯(cuò)oo奇偶校驗(yàn)碼21第二節(jié)

差錯(cuò)檢測(cè)漢明碼漢明碼（HammingCode）是典型的線性分組碼可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)比特差錯(cuò)糾正信息位為k位，增加r位冗余位，構(gòu)成n=k+r位碼字若希望用r個(gè)監(jiān)督關(guān)系式產(chǎn)生的r個(gè)校正因子來(lái)區(qū)分無(wú)錯(cuò)和在碼字中n個(gè)不同位置的一位錯(cuò)，則要求：或以k=4為例，r≥3，取r=3，則n=k+r=7，即在4位信息位

后面，加上3位冗余位，構(gòu)成7位碼字。監(jiān)督關(guān)系式：

于是：22第二節(jié)

差錯(cuò)檢測(cè)漢明碼值與錯(cuò)碼位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系：由信息位算得的漢明碼冗余位：23第二節(jié)

差錯(cuò)檢測(cè)Internet校驗(yàn)和(Checksum)24發(fā)送端:將“數(shù)據(jù)”(校驗(yàn)內(nèi)容)劃分為16位的二進(jìn)制“整數(shù)”序列求和(sum)：補(bǔ)碼求和(最高位進(jìn)位的“1”，返回最低位繼續(xù)加）校驗(yàn)和(Checksum)：sum的反碼放入分組(UDP、TCP、IP)的校驗(yàn)和字段接收端:與發(fā)送端相同算法計(jì)算計(jì)算得到的"checksum"：為16位全0（或sum為16位全1）：無(wú)錯(cuò)否則：有錯(cuò)第二節(jié)

差錯(cuò)檢測(cè)循環(huán)冗余校驗(yàn)碼(CRC)25檢錯(cuò)能力更強(qiáng)大的差錯(cuò)編碼將數(shù)據(jù)比特，D，視為一個(gè)二進(jìn)制數(shù)選擇一個(gè)r+1位的比特模式(生成比特模式)，G

目標(biāo)：選擇r位的CRC比特，R，滿足<D,R>剛好可以被G整除(模2)接收端檢錯(cuò)：利用G除<D,R>，余式全0，無(wú)錯(cuò)；否則，有錯(cuò)！可以檢測(cè)所有突發(fā)長(zhǎng)度小于r+1位差錯(cuò)。廣泛應(yīng)用于實(shí)際網(wǎng)絡(luò)(以太網(wǎng)，802.11WiFi，ATM)第二節(jié)

差錯(cuò)檢測(cè)CRC舉例26期望:D.2rXORR=nG相當(dāng)于:D.2r=nGXORR相當(dāng)于:

如果利用G去除D.2r,則余式即為R:R=余式[]D.2rG第二節(jié)

差錯(cuò)檢測(cè)差錯(cuò)糾正前向糾錯(cuò)（ForwardErrorCorrection，F(xiàn)EC）糾錯(cuò)碼檢錯(cuò)重發(fā)停-等協(xié)議滑動(dòng)窗口協(xié)議反饋校驗(yàn)檢錯(cuò)丟棄……27第二節(jié)

差錯(cuò)檢測(cè)李全龍第三節(jié)

多路訪問(wèn)控制協(xié)議28多路訪問(wèn)控制(MAC)協(xié)議兩類(lèi)“鏈路”：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路撥號(hào)接入的PPP以太網(wǎng)交換機(jī)與主機(jī)間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路廣播鏈路(共享介質(zhì))早期的總線以太網(wǎng)HFC的上行鏈路802.11無(wú)線局域網(wǎng)29共享線路(e.g.,總線以太網(wǎng))共享RF(e.g.,802.11WiFi)共享RF(e.g.,衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò))共享空氣、聲頻

(e.g.,雞尾酒會(huì))第三節(jié)

多路訪問(wèn)控制協(xié)議多路訪問(wèn)控制(MAC)協(xié)議單一共享廣播信道兩個(gè)或者兩個(gè)以上結(jié)點(diǎn)同時(shí)傳輸：干擾(interference)沖突(collision)

結(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到兩個(gè)或者多個(gè)信號(hào)→接收失?。《嗦吩L問(wèn)控制協(xié)議(multipleaccesscontrolprotocol)采用分布式算法決定結(jié)點(diǎn)如何共享信道，即決策結(jié)點(diǎn)何時(shí)可以傳輸數(shù)據(jù)必須基于信道本身，通信信道共享協(xié)調(diào)信息！無(wú)帶外信道用于協(xié)調(diào)30第三節(jié)

多路訪問(wèn)控制協(xié)議理想MAC協(xié)議給定：速率為Rbps的廣播信道期望：1.當(dāng)只有一個(gè)結(jié)點(diǎn)希望傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，它可以以速率R發(fā)送數(shù)據(jù).2.當(dāng)有M個(gè)結(jié)點(diǎn)期望發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，每個(gè)結(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的平均速率是R/M5.完全分散控制:無(wú)需特定結(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)無(wú)需時(shí)鐘、時(shí)隙同步4.簡(jiǎn)單31第三節(jié)

多路訪問(wèn)控制協(xié)議MAC協(xié)議分類(lèi)三大類(lèi)：信道劃分(channelpartitioning)MAC協(xié)議多路復(fù)用技術(shù)TDMA、FDMA、CDMA、WDMA等隨機(jī)訪問(wèn)(randomaccess)MAC協(xié)議信道不劃分，允許沖突采用沖突“恢復(fù)”機(jī)制輪轉(zhuǎn)(“takingturns”)訪問(wèn)MAC協(xié)議結(jié)點(diǎn)輪流使用信道32第三節(jié)

多路訪問(wèn)控制協(xié)議多路復(fù)用？多路復(fù)用(Multiplexing):

鏈路/網(wǎng)絡(luò)資源（如帶寬）劃分為“資源片”將資源片分配給各路

“呼叫”（calls）每路呼叫獨(dú)占分配到的資源片進(jìn)行通信資源片可能“閑置”(idle)(無(wú)共享)典型多路復(fù)用方法:頻分多路復(fù)用(frequencydivisionmultiplexing-FDM)時(shí)分多路復(fù)用(timedivisionmultiplexing-TDM)波分多路復(fù)用(Wavelengthdivisionmultiplexing-WDM)碼分多路復(fù)用(Codedivisionmultiplexing-CDM)33第三節(jié)

多路訪問(wèn)控制協(xié)議多路復(fù)用？多路復(fù)用(multiplexing)，簡(jiǎn)稱(chēng)復(fù)用，是通信技術(shù)中的基本概念34A1A2B1B2C1C2+()+A1A2B1B2C1C2共享信道復(fù)用分用第三節(jié)

多路訪問(wèn)控制協(xié)議信道劃分MAC協(xié)議：FDMAFDMA:frequencydivisionmultipleaccess信道頻譜劃分為若干頻帶(frequencybands)每個(gè)站點(diǎn)分配一個(gè)固定的頻帶無(wú)傳輸頻帶空閑例如:6站點(diǎn)LAN,1,3,4頻帶傳輸數(shù)據(jù),2,5,6頻帶空閑。35頻帶時(shí)間FDM線纜第三節(jié)

多路訪問(wèn)控制協(xié)議頻分多路復(fù)用FMD頻分多路復(fù)用的各用戶占用不同的帶寬資源（請(qǐng)注意，這里的“帶寬”是頻率帶寬（單位：Hz）而不是數(shù)據(jù)的發(fā)送速率）用戶在分配到一定的頻帶后，在通信過(guò)程中自始至終都占用這個(gè)頻帶36FDM頻率時(shí)間4個(gè)用戶例如:第三節(jié)

多路訪問(wèn)控制協(xié)議頻分多路復(fù)用FDM37第三節(jié)

多路訪問(wèn)控制協(xié)議信道劃分MAC協(xié)議：TDMATDMA:timedivisionmultipleaccess

“周期性”接入信道每個(gè)站點(diǎn)在每個(gè)周期，占用固定長(zhǎng)度的時(shí)隙(e.g.長(zhǎng)度=分組傳輸時(shí)間)未用時(shí)隙空閑(idle)例如：6-站點(diǎn)LAN，1,3,4傳輸分組，2,5,6空閑381341346-slotframe6-slotframe第三節(jié)

多路訪問(wèn)控制協(xié)議時(shí)分多路復(fù)用TDM時(shí)分復(fù)用則是將時(shí)間劃分為一段段等長(zhǎng)的時(shí)分復(fù)用幀（TDM幀），每個(gè)用戶在每個(gè)TDM幀中占用固定序號(hào)的時(shí)隙每用戶所占用的時(shí)隙是周期性出現(xiàn)（其周期就是TDM幀的長(zhǎng)度）39時(shí)分復(fù)用的所有用戶是在不同的時(shí)間占用相同的頻帶寬度第三節(jié)

多路訪問(wèn)控制協(xié)議時(shí)分多路復(fù)用TDM40頻率時(shí)間BCDBCDBCDBCDAAAATDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀周期性出現(xiàn)第三節(jié)

多路訪問(wèn)控制協(xié)議波分多路復(fù)用WDM波分復(fù)用就是光的頻分復(fù)用41第三節(jié)

多路訪問(wèn)控制協(xié)議波分多路復(fù)用WDM421550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm8

6.5Gb/s20Gb/s復(fù)用器分用器EDFA120km光調(diào)制器光解調(diào)器第三節(jié)

多路訪問(wèn)控制協(xié)議碼分多路復(fù)用CDM廣泛應(yīng)用于無(wú)線鏈路共享(如蜂窩網(wǎng),衛(wèi)星通信等)每個(gè)用戶分配一個(gè)唯一的mbit碼片序列(chippingsequence)，其中“0”用“-1”表示、“1”用“+1”表示，例如：S站的碼片序列：(–1–1–1+1+1–1+1+1)各用戶使用相同頻率載波，利用各自碼片序列編碼數(shù)據(jù)編碼信號(hào)=(原始數(shù)據(jù))×(碼片序列)如發(fā)送比特1（+1），則發(fā)送自己的mbit碼片序列如發(fā)送比特0（-1），則發(fā)送該碼片序列的mbit碼片序列的反碼各用戶碼片序列相互正交(orthogonal)43第三節(jié)

多路訪問(wèn)控制協(xié)議碼分多路復(fù)用CDM令{di}為原始數(shù)據(jù)序列，各用戶的疊加向量為解碼:碼片序列與編碼信號(hào)的內(nèi)積44第三節(jié)

多路訪問(wèn)控制協(xié)議碼分多路復(fù)用編/解碼舉例45時(shí)隙1時(shí)隙0d1=-111111-1-1-1-d0=111111-1-1-1-11111-1-1-1-11111-1-1-1-時(shí)隙0信道輸出時(shí)隙1信道輸出信道輸出P發(fā)送端碼片序列數(shù)據(jù)序列時(shí)隙1時(shí)隙0d1=-1d0=111111-1-1-1-11111-1-1-1-11111-1-1-1-11111-1-1-1-時(shí)隙0接收數(shù)據(jù)時(shí)隙1接收數(shù)據(jù)接收端碼片序列接收信號(hào)第三節(jié)

多路訪問(wèn)控制協(xié)議碼分多路復(fù)用編/解碼舉例46時(shí)隙1時(shí)隙0時(shí)隙0信道輸出時(shí)隙1信道輸出信道輸出P發(fā)送端碼片序列數(shù)據(jù)序列時(shí)隙1時(shí)隙0d1=-1d0=1時(shí)隙0接收數(shù)據(jù)時(shí)隙1接收數(shù)據(jù)接收端碼片序列接收信號(hào)+時(shí)隙1時(shí)隙0碼片序列數(shù)據(jù)序列d0=111111-1-1-1-d0=111-1-11111d1=-111111-1-1-1-d1=111-1-111112-222222-211111-1-1-1-2-22211111-1-1-1-222-2用戶1用戶2接收用戶1的數(shù)據(jù)第三節(jié)

多路訪問(wèn)控制協(xié)議隨機(jī)訪問(wèn)MAC協(xié)議當(dāng)結(jié)點(diǎn)要發(fā)送分組時(shí)：利用信道全部數(shù)據(jù)速率R發(fā)送分組沒(méi)有事先的結(jié)點(diǎn)間協(xié)調(diào)兩個(gè)或多個(gè)結(jié)點(diǎn)同時(shí)傳輸：?

“沖突”隨機(jī)訪問(wèn)MAC協(xié)議需要定義:如何檢測(cè)沖突如何從沖突中恢復(fù)(e.g.,通過(guò)延遲重傳)典型的隨機(jī)訪問(wèn)MAC協(xié)議：時(shí)隙(sloted)ALOHAALOHACSMA、CSMA/CD、CSMA/CA47第三節(jié)

多路訪問(wèn)控制協(xié)議時(shí)隙ALOHA協(xié)議假定：所有幀大小相同時(shí)間被劃分為等長(zhǎng)的時(shí)隙(每個(gè)時(shí)隙可以傳輸1個(gè)幀)結(jié)點(diǎn)只能在時(shí)隙開(kāi)始時(shí)刻發(fā)送幀結(jié)點(diǎn)間時(shí)鐘同步如果2個(gè)或2個(gè)以上結(jié)點(diǎn)在同一時(shí)隙發(fā)送幀，結(jié)點(diǎn)即檢測(cè)到?jīng)_突運(yùn)行:當(dāng)結(jié)點(diǎn)有新的幀時(shí)，在下一個(gè)時(shí)隙(slot)發(fā)送如果無(wú)沖突：該結(jié)點(diǎn)可以在下一個(gè)時(shí)隙繼續(xù)發(fā)送新的幀如果沖突：該結(jié)點(diǎn)在下一個(gè)時(shí)隙以概率p重傳該幀，直至成功48第三節(jié)

多路訪問(wèn)控制協(xié)議時(shí)隙ALOHA協(xié)議優(yōu)點(diǎn):單個(gè)結(jié)點(diǎn)活動(dòng)時(shí)，可以連續(xù)以信道全部速率傳輸數(shù)據(jù)高度分散化：只需同步時(shí)隙簡(jiǎn)單缺點(diǎn):沖突，浪費(fèi)時(shí)隙空閑時(shí)隙結(jié)點(diǎn)也許能以遠(yuǎn)小于分組傳輸時(shí)間檢測(cè)到?jīng)_突時(shí)鐘同步1111232233結(jié)點(diǎn)1結(jié)點(diǎn)2結(jié)點(diǎn)3CCCSSSEEE49第三節(jié)

多路訪問(wèn)控制協(xié)議時(shí)隙ALOHA協(xié)議最大效率:求得使Np(1-p)N-1最大的p*對(duì)于很多結(jié)點(diǎn)，求Np*(1-p*)N-1當(dāng)N趨近無(wú)窮時(shí)的極限，可得:

最大效率=1/e=0.37假設(shè):N個(gè)結(jié)點(diǎn)有很多幀待傳輸，每個(gè)結(jié)點(diǎn)在每個(gè)時(shí)隙均以概率p發(fā)送數(shù)據(jù)對(duì)于給定的一個(gè)結(jié)點(diǎn)，在一個(gè)時(shí)隙將幀發(fā)送成功的概率=p(1-p)N-1對(duì)于任意結(jié)點(diǎn)成功發(fā)送幀的概率=Np(1-p)N-1效率(efficiency):長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，成功發(fā)送幀的時(shí)隙所占比例。(很多結(jié)點(diǎn)，有很多幀待發(fā)送)最好情況:

信道被成功利用的時(shí)間僅占37%！!50第三節(jié)

多路訪問(wèn)控制協(xié)議ALOHA協(xié)議非時(shí)隙(純)Aloha：更加簡(jiǎn)單，無(wú)需同步當(dāng)有新的幀生成時(shí)立即發(fā)送沖突可能性增大:在t0時(shí)刻發(fā)送幀，會(huì)與在[t0-1,t0+1]期間其他結(jié)點(diǎn)發(fā)送的幀沖突51第三節(jié)

多路訪問(wèn)控制協(xié)議ALOHA協(xié)議P(給定結(jié)點(diǎn)成功發(fā)送幀)=P(該結(jié)點(diǎn)發(fā)送).

P(無(wú)其他結(jié)點(diǎn)在[t0-1,t0]期間發(fā)送幀).P(無(wú)其他結(jié)點(diǎn)在[t0,t0+1]期間發(fā)送幀) =p.

(1-p)N-1

.(1-p)N-1 =

p.

(1-p)2(N-1)

…選取最優(yōu)的p，并令n =1/(2e)=0.18

比時(shí)隙ALOHA協(xié)議更差!52第三節(jié)

多路訪問(wèn)控制協(xié)議CSMA協(xié)議載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)協(xié)議CSMA(carriersensemultipleaccess)發(fā)送幀之前，監(jiān)聽(tīng)信道(載波)：信道空閑：發(fā)送完整幀信道忙：推遲發(fā)送1-堅(jiān)持CSMA非堅(jiān)持CSMAP-堅(jiān)持CSMA沖突可能仍然發(fā)生：

信號(hào)傳播延遲53第三節(jié)

多路訪問(wèn)控制協(xié)議CSMA協(xié)議載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)協(xié)議CSMA(carriersensemultipleaccess)發(fā)送幀之前，監(jiān)聽(tīng)信道(載波)：信道空閑：發(fā)送完整幀信道忙：推遲發(fā)送1-堅(jiān)持CSMA非堅(jiān)持CSMAP-堅(jiān)持CSMA沖突可能仍然發(fā)生：

信號(hào)傳播延遲繼續(xù)發(fā)送沖突幀：浪費(fèi)信道資源結(jié)點(diǎn)空間布局54ABCD第三節(jié)

多路訪問(wèn)控制協(xié)議CSMA/CD協(xié)議CSMA/CD:CSMAwithCollisionDetection短時(shí)間內(nèi)可以檢測(cè)到?jīng)_突沖突后傳輸中止，減少信道浪費(fèi)沖突檢測(cè):

有線局域網(wǎng)易于實(shí)現(xiàn)：測(cè)量信號(hào)強(qiáng)度，比較發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)無(wú)線局域網(wǎng)很難實(shí)現(xiàn)：接收信號(hào)強(qiáng)度淹沒(méi)在本地發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度下“邊發(fā)邊聽(tīng)，不發(fā)不聽(tīng)”55第三節(jié)

多路訪問(wèn)控制協(xié)議CSMA/CD協(xié)議56ABdmax網(wǎng)絡(luò)帶寬：Rbps數(shù)據(jù)幀最小長(zhǎng)度：Lmin(bits)信號(hào)傳播速度：V(m/s)L/R≥2dmax/VLmin/R=2dmax/VLmin/R=RTTmax第三節(jié)

多路訪問(wèn)控制協(xié)議例題【例】在一個(gè)采用CSMA/CD協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)中，傳輸介質(zhì)是一根完整的電纜，傳輸速率為1Gbps，電纜中的信號(hào)傳播速度是200000km/s。若最小數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度減少800比特，則最遠(yuǎn)的兩個(gè)站點(diǎn)之間的距離至少需要 A.增加160m B.增加80m C.減少160m D.減少80m解：根據(jù)CSMA/CD協(xié)議工作原理，有 Lmin/R=2*dmax/V,則dmax=(V/2R)*Lmin，于是 Δdmax=(V/2R)*ΔLmin

將V=200000km/s,R=1Gbps,ΔLmin=-800bit,代入得： Δdmax=(200000*103/(2*109))*(-800)=-80m答案：D57第三節(jié)

多路訪問(wèn)控制協(xié)議受控訪問(wèn)MAC協(xié)議信道劃分MAC協(xié)議：網(wǎng)絡(luò)負(fù)載重時(shí)，共享信道效率高，且公平網(wǎng)絡(luò)負(fù)載輕時(shí)，共享信道效率低！隨機(jī)訪問(wèn)MAC協(xié)議：網(wǎng)絡(luò)負(fù)載輕時(shí)，共享信道效率高，單個(gè)結(jié)點(diǎn)可以利用信道的全部帶寬網(wǎng)絡(luò)負(fù)載重時(shí)，產(chǎn)生沖突開(kāi)銷(xiāo)受控（輪轉(zhuǎn)）訪問(wèn)MAC協(xié)議：綜合兩者的優(yōu)點(diǎn)！58第三節(jié)

多路訪問(wèn)控制協(xié)議受控訪問(wèn)MAC協(xié)議輪詢(xún)(polling):

主結(jié)點(diǎn)輪流“邀請(qǐng)”從屬結(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)典型應(yīng)用：

“啞(dumb)”

從屬設(shè)備59第三節(jié)

多路訪問(wèn)控制協(xié)議輪轉(zhuǎn)訪問(wèn)MAC協(xié)議輪詢(xún)(polling):

主結(jié)點(diǎn)輪流“邀請(qǐng)”從屬結(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)典型應(yīng)用：

“啞(dumb)”

從屬設(shè)備問(wèn)題：輪詢(xún)開(kāi)銷(xiāo)等待延遲單點(diǎn)故障60masterslavespolldatadata第三節(jié)

多路訪問(wèn)控制協(xié)議令牌傳遞(tokenpassing):控制令牌依次從一個(gè)結(jié)點(diǎn)傳遞到下一個(gè)結(jié)點(diǎn).令牌：特殊幀輪轉(zhuǎn)訪問(wèn)MAC協(xié)議61第三節(jié)

多路訪問(wèn)控制協(xié)議令牌傳遞(tokenpassing):控制令牌依次從一個(gè)結(jié)點(diǎn)傳遞到下一個(gè)結(jié)點(diǎn).令牌：特殊幀問(wèn)題:令牌開(kāi)銷(xiāo)等待延遲單點(diǎn)故障Tdata(nothingtosend)T輪轉(zhuǎn)訪問(wèn)MAC協(xié)議62第三節(jié)

多路訪問(wèn)控制協(xié)議輪轉(zhuǎn)訪問(wèn)MAC協(xié)議63討論：總結(jié)兩個(gè)輪轉(zhuǎn)訪問(wèn)MAC協(xié)議：輪詢(xún)和令牌傳遞的共同點(diǎn)和不同點(diǎn)？共同點(diǎn)：開(kāi)銷(xiāo)等待延遲單點(diǎn)故障無(wú)沖突信道預(yù)約+數(shù)據(jù)傳輸不同點(diǎn)：輪詢(xún)：集中式預(yù)約（分配）信道令牌：分布式預(yù)約信道能否設(shè)計(jì)一個(gè)新的輪轉(zhuǎn)訪問(wèn)MAC協(xié)議？第三節(jié)

多路訪問(wèn)控制協(xié)議比特映像介質(zhì)訪問(wèn)控制協(xié)議:將時(shí)間劃分成一系列的預(yù)約周期和數(shù)據(jù)傳輸周期每個(gè)預(yù)約周期包括N個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙1比特，對(duì)應(yīng)一個(gè)站任何一個(gè)站想發(fā)送數(shù)據(jù)，必須在它的時(shí)隙到來(lái)時(shí)發(fā)一個(gè)“1”當(dāng)預(yù)約周期結(jié)束后，所有站都知道有哪些站希望發(fā)送數(shù)據(jù)，于是這些預(yù)約過(guò)的站按編號(hào)順序發(fā)送，永不沖突最后一個(gè)站發(fā)完數(shù)據(jù)后，開(kāi)始新一輪的預(yù)約周期輪轉(zhuǎn)訪問(wèn)MAC協(xié)議6400101預(yù)約期幀發(fā)送期111137111511234567234567---------第三節(jié)

多路訪問(wèn)控制協(xié)議MAC協(xié)議總結(jié)信道劃分MAC協(xié)議：時(shí)間、頻帶、碼片劃分TDMA、FDMA、CDMA隨機(jī)訪問(wèn)MAC協(xié)議：ALOHA,S-ALOHA,CSMA,CSMA/CDCSMA/CD應(yīng)用于以太網(wǎng)CSMA/CA應(yīng)用802.11無(wú)線局域網(wǎng)輪轉(zhuǎn)訪問(wèn)MAC協(xié)議：主結(jié)點(diǎn)輪詢(xún)；令牌傳遞；比特映像介質(zhì)訪問(wèn)控制藍(lán)牙、FDDI、令牌環(huán)網(wǎng)65第三節(jié)

多路訪問(wèn)控制協(xié)議李全龍第四節(jié)

局域網(wǎng)鏈路層尋址：MAC地址鏈路層尋址關(guān)鍵需求：唯一MAC地址(或稱(chēng)LAN地址,物理地址,以太網(wǎng)地址):

作用：用于局域網(wǎng)內(nèi)標(biāo)識(shí)一個(gè)幀從哪個(gè)接口發(fā)出，到達(dá)哪個(gè)物理相連的其他接口48位MAC地址(用于大部分LANs)，固化在網(wǎng)卡的ROM中，有時(shí)也可以軟件設(shè)置e.g.:1A-2F-BB-76-09-AD廣播地址：FF-FF-FF-FF-FF-FFIP地址:32位（IPv4）接口的網(wǎng)絡(luò)層地址用于標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)層(第3層)分組，支持分組轉(zhuǎn)發(fā)6716進(jìn)制表示第四節(jié)

局域網(wǎng)局域網(wǎng)中的每塊網(wǎng)卡都有一個(gè)唯一的MAC地址網(wǎng)絡(luò)適配器1A-2F-BB-76-09-AD58-23-D7-FA-20-B00C-C4-11-6F-E3-9871-65-F7-2B-08-53LAN(有線或無(wú)線)MAC地址68第四節(jié)

局域網(wǎng)MAC地址MAC地址由IEEE統(tǒng)一管理與分配網(wǎng)卡生產(chǎn)商購(gòu)買(mǎi)MAC地址空間(前24比特)類(lèi)比：MAC地址：身份證號(hào)IP地址：郵政地址MAC地址是“平面”地址：?可“攜帶”可以從一個(gè)LAN移到另一個(gè)LANIP地址是層次地址：?不可“攜帶”IP地址依賴(lài)于結(jié)點(diǎn)連接到哪個(gè)子網(wǎng)69第四節(jié)

局域網(wǎng)ARP:地址解析協(xié)議ARP表:LAN中的每個(gè)IP結(jié)點(diǎn)(主機(jī)、路由器)維護(hù)一個(gè)表存儲(chǔ)某些LAN結(jié)點(diǎn)的IP/MAC地址映射關(guān)系:

<IP地址;MAC地址;TTL>TTL(TimeToLive)：經(jīng)過(guò)這個(gè)時(shí)間以后該映射關(guān)系會(huì)被遺棄(典型值為20min)某主機(jī)某時(shí)刻ARP表：?jiǎn)栴}:

（在同一個(gè)LAN內(nèi)）如何在已知目的接口的IP地址前提下確定其MAC地址？1A-2F-BB-76-09-AD58-23-D7-FA-20-B00C-C4-11-6F-E3-9871-65-F7-2B-08-53LAN137.196.7.23137.196.7.78137.196.7.14137.196.7.8870ARP第四節(jié)

局域網(wǎng)IP地址MAC地址TTL178.169.1.9600-53-2B-49-1A-1F13:45:00178.169.1.9400-BD-2A-90-17-C213:52:00ARP協(xié)議:同一局域網(wǎng)內(nèi)A想要給同一局域網(wǎng)內(nèi)的B發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)B的MAC地址不在A的ARP表中.A廣播ARP查詢(xún)分組，其中包含B的IP地址目的MAC地址=FF-FF-FF-FF-FF-FFLAN中所有結(jié)點(diǎn)都會(huì)接收ARP查詢(xún)B接收ARP查詢(xún)分組，IP地址匹配成功，向A應(yīng)答B(yǎng)的MAC地址利用單播幀向A發(fā)送應(yīng)答A在其ARP表中，緩存B的IP-MAC地址對(duì)，直至超時(shí)超時(shí)后，再次刷新ARP是“即插即用”協(xié)議:結(jié)點(diǎn)自主創(chuàng)建ARP表，

無(wú)需干預(yù)71ARP第四節(jié)

局域網(wǎng)尋址:從一個(gè)LAN路由至另一個(gè)LAN通信過(guò)程:A通過(guò)路由器R向B發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)

關(guān)注尋址：IP地址(數(shù)據(jù)報(bào)中)和MAC地址(幀中)

假設(shè)A知道B的IP地址(怎么知道的?)

假設(shè)A知道第一跳路由器R(左)接口IP地址(怎么知道的?)

假設(shè)A知道第一跳路由器R

(左)接口MAC地址(怎么知道的?)72R1A-23-F9-CD-06-9B222.222.222.220111.111.111.110E6-E9-00-17-BB-4BCC-49-DE-D0-AB-7D111.111.111.112111.111.111.11174-29-9C-E8-FF-55A222.222.222.22249-BD-D2-C7-56-2A222.222.222.22188-B2-2F-54-1A-0FBARP第四節(jié)

局域網(wǎng)R1A-23-F9-CD-06-9B222.222.222.220111.111.111.110E6-E9-00-17-BB-4BCC-49-DE-D0-AB-7D111.111.111.112111.111.111.11174-29-9C-E8-FF-55A222.222.222.22249-BD-D2-C7-56-2A222.222.222.22188-B2-2F-54-1A-0FBIPEthPhyIPsrc:111.111.111.111IPdest:222.222.222.222A構(gòu)造IP數(shù)據(jù)報(bào)，其中源IP地址是A的IP地址，目的IP地址是B的IP地址A構(gòu)造鏈路層幀，其中源MAC地址是A的MAC地址，目的MAC地址是R(左)接口的MAC地址，封裝A到B的IP數(shù)據(jù)報(bào)。MACdest:E6-E9-00-17-BB-4BMACsrc:74-29-9C-E8-FF-55尋址:從一個(gè)LAN路由至另一個(gè)LAN73ARP第四節(jié)

局域網(wǎng)R1A-23-F9-CD-06-9B222.222.222.220111.111.111.110E6-E9-00-17-BB-4BCC-49-DE-D0-AB-7D111.111.111.112111.111.111.11174-29-9C-E8-FF-55A222.222.222.22249-BD-D2-C7-56-2A222.222.222.22188-B2-2F-54-1A-0FBIPEthPhyIPEthPhy幀從A發(fā)送至RR接收幀，提取IP數(shù)據(jù)報(bào)，傳遞給上層IP協(xié)議MACdest:E6-E9-00-17-BB-4BMACsrc:74-29-9C-E8-FF-55IPsrc:111.111.111.111IPdest:222.222.222.222IPsrc:111.111.111.111IPdest:222.222.222.222尋址:從一個(gè)LAN路由至另一個(gè)LAN74ARP第四節(jié)

局域網(wǎng)R1A-23-F9-CD-06-9B222.222.222.220111.111.111.110E6-E9-00-17-BB-4BCC-49-DE-D0-AB-7D111.111.111.112111.111.111.11174-29-9C-E8-FF-55A222.222.222.22249-BD-D2-C7-56-2A222.222.222.22188-B2-2F-54-1A-0FBIPsrc:111.111.111.111IPdest:222.222.222.222R轉(zhuǎn)發(fā)IP數(shù)據(jù)報(bào)（源和目的IP地址不變?。㏑創(chuàng)建鏈路層幀，其中源MAC地址是R(右)接口的MAC地址，目的MAC地址是B的MAC地址，封裝A到B的IP數(shù)據(jù)報(bào)。MACdest:49-BD-D2-C7-56-2A

MACsrc:1A-23-F9-CD-06-9BIPEthPhyIPEthPhy尋址:從一個(gè)LAN路由至另一個(gè)LAN75ARP第四節(jié)

局域網(wǎng)R1A-23-F9-CD-06-9B222.222.222.220111.111.111.110E6-E9-00-17-BB-4BCC-49-DE-D0-AB-7D111.111.111.112111.111.111.11174-29-9C-E8-FF-55A222.222.222.22249-BD-D2-C7-56-2A222.222.222.22188-B2-2F-54-1A-0FBIPsrc:111.111.111.111IPdest:222.222.222.222MACdest:49-BD-D2-C7-56-2AMACsrc:1A-23-F9-CD-06-9BIPEthPhyIPEthPhy尋址:從一個(gè)LAN路由至另一個(gè)LAN76R轉(zhuǎn)發(fā)IP數(shù)據(jù)報(bào)（源和目的IP地址不變！）R創(chuàng)建鏈路層幀，其中源MAC地址是R(右)接口的MAC地址，目的MAC地址是B的MAC地址，封裝A到B的IP數(shù)據(jù)報(bào)。ARP第四節(jié)

局域網(wǎng)R1A-23-F9-CD-06-9B222.222.222.220111.111.111.110E6-E9-00-17-BB-4BCC-49-DE-D0-AB-7D111.111.111.112111.111.111.11174-29-9C-E8-FF-55A222.222.222.22249-BD-D2-C7-56-2A222.222.222.22188-B2-2F-54-1A-0FBIPsrc:111.111.111.111IPdest:222.222.222.222MACdest:49-BD-D2-C7-56-2A

MACsrc:1A-23-F9-CD-06-9BIPEthPhy尋址:從一個(gè)LAN路由至另一個(gè)LAN77R轉(zhuǎn)發(fā)IP數(shù)據(jù)報(bào)（源和目的IP地址不變?。㏑創(chuàng)建鏈路層幀，其中源MAC地址是R(右)接口的MAC地址，目的MAC地址是B的MAC地址，封裝A到B的IP數(shù)據(jù)報(bào)。ARP第四節(jié)

局域網(wǎng)以太網(wǎng)(Ethernet)“統(tǒng)治地位”的有線LAN技術(shù):造價(jià)低廉(NIC不足￥100.00)應(yīng)用最廣泛的LAN技術(shù)比令牌局域網(wǎng)和ATM等，簡(jiǎn)單、便宜滿足網(wǎng)絡(luò)速率需求：10Mbps–400Gbps78Metcalfe的以太網(wǎng)草圖第四節(jié)

局域網(wǎng)以太網(wǎng)：物理拓?fù)淇偩€(bus):上世紀(jì)90年代中期前流行所有結(jié)點(diǎn)在同一沖突域(collisiondomain)(可能彼此沖突)星型(star):目前主流網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲行慕粨Q機(jī)(switch)交換式以太網(wǎng)每個(gè)結(jié)點(diǎn)一個(gè)單獨(dú)沖突域(結(jié)點(diǎn)間彼此不沖突)79總線(bus):同軸電纜交換機(jī)(switch)星型(star)第四節(jié)

局域網(wǎng)以太網(wǎng)：不可靠、無(wú)連接服務(wù)無(wú)連接(connectionless):發(fā)送幀的網(wǎng)卡與接收幀的網(wǎng)卡間沒(méi)有“握手”過(guò)程不可靠(unreliable):接收網(wǎng)卡不向發(fā)送網(wǎng)卡進(jìn)行確認(rèn)差錯(cuò)幀直接丟棄，丟棄幀中的數(shù)據(jù)恢復(fù)依靠高層協(xié)議(e.g.,TCP)，否則，發(fā)生數(shù)據(jù)丟失以太網(wǎng)的MAC協(xié)議:采用二進(jìn)制指數(shù)退避算法的CSMA/CD80第四節(jié)

局域網(wǎng)以太網(wǎng)CSMA/CD算法1.NIC從網(wǎng)絡(luò)層接收數(shù)據(jù)報(bào)，創(chuàng)建數(shù)據(jù)幀。2.監(jiān)聽(tīng)信道：

如果NIC監(jiān)聽(tīng)到信道空閑，則開(kāi)始發(fā)送幀；

如果NIC監(jiān)聽(tīng)到信道忙，則一直等待到信道空閑，然后發(fā)送幀。5.NIC發(fā)送完整個(gè)幀，而沒(méi)有檢測(cè)到其他結(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送，則NIC確認(rèn)幀發(fā)送成功！4.如果NIC檢測(cè)到其他結(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)，則中止發(fā)送，并發(fā)送堵塞信號(hào)(jamsignal)5.中止發(fā)送后，NIC進(jìn)入二進(jìn)制指數(shù)退避：第m次連續(xù)沖突后：取n=Min(m,10)NIC從{0,1,2,…,2n-1}中隨機(jī)選擇一個(gè)數(shù)KNIC等待K?512比特的傳輸延遲時(shí)間，再返回第2步連續(xù)沖突次數(shù)越多，平均等待時(shí)間越長(zhǎng)。81第四節(jié)

局域網(wǎng)以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)發(fā)送端網(wǎng)卡將IP數(shù)據(jù)報(bào)(或其他網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議分組)封裝到以太網(wǎng)幀中：前導(dǎo)碼(Preamble)(8B):7個(gè)字節(jié)的10101010，第8字節(jié)為10101011用于發(fā)送端與接收端的時(shí)鐘同步通常不計(jì)入幀長(zhǎng)82前導(dǎo)碼目的地址源地址類(lèi)型數(shù)據(jù)校驗(yàn)和6624字節(jié)46~15008前導(dǎo)碼目的地址源地址Length數(shù)據(jù)校驗(yàn)和(a)(b)MAC幀格式

(a)DIXEthernetV2(b)IEEE802.3第四節(jié)

局域網(wǎng)以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)目的MAC地址、源MAC地址(各6B):如果網(wǎng)卡的MAC地址與收到的幀的目的MAC地址匹配，或者幀的目的MAC地址為廣播地址(FF-FF-FF-FF-FF-FF)，則網(wǎng)卡接收該幀，并將其封裝的網(wǎng)絡(luò)層分組交給相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。否則，網(wǎng)卡丟棄(不接收)該幀。類(lèi)型(Type)(2B):指示幀中封裝的是哪種高層協(xié)議的分組

(如，IP數(shù)據(jù)報(bào)、NovellIPX數(shù)據(jù)報(bào)、AppleTalk數(shù)據(jù)報(bào)等)實(shí)現(xiàn)多路分解數(shù)據(jù)(Data)(46-1500B):指上層協(xié)議載荷。R=10Mbps，RTTmax=512μs，Lmin/R=RTTmaxLmin=512bits=64B，Datamin=Lmin-18=46BCRC(4B):循環(huán)冗余校驗(yàn)碼丟棄差錯(cuò)幀83目的地址源地址類(lèi)型數(shù)據(jù)校驗(yàn)和662446~1500第四節(jié)

局域網(wǎng)MACprotocolandframeformat100BASE-TX100BASE-T4100BASE-FX100BASE-T2100BASE-SX100BASE-BX以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn):鏈路與物理層許多不同的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)相同的MAC協(xié)議和幀格式不同速率：2Mbps,10Mbps,100Mbps,1Gbps,10Gbps，40Gbps不同物理介質(zhì)：光纖,線纜100Base-T：快速以太網(wǎng)84applicationtransportnetworklinkphysical光纖(fiber)銅纜(雙絞線)第四節(jié)

局域網(wǎng)千兆位以太網(wǎng)GigabitEthernet(IEEE802.3ab,1998)

100Mbps1000Mbps(1Gbps)

保留原來(lái)的工作方式（幀格式、接口、過(guò)程規(guī)則）全雙工和半雙工兩種方式工作。在半雙工方式下使用CSMA/CD（為了向后兼容），增加載波擴(kuò)充和幀突發(fā)全雙工方式不需要使用CSMA/CD（缺省方式）85名稱(chēng)線纜最大長(zhǎng)度編碼方式優(yōu)點(diǎn)1000Base-SX光纖550米8b/10b多模光纖（50、62.5微米）1000Base-LX光纖5000米8b/10b單模光纖（10微米）或多模光纖（50、62.5微米）1000Base-CX2對(duì)STP25米8b/10b屏蔽雙絞線1000Base-T2對(duì)UTP100米4D-PAM5標(biāo)準(zhǔn)5類(lèi)UTP第四節(jié)

局域網(wǎng)萬(wàn)兆位以太網(wǎng)10-GigabitEthernet(IEEE802.3ae,

2002)1Gbps

10Gbps常記為10GE,10GbE或10GigE只支持全雙工，不再使用CSMA/CD保持兼容性重點(diǎn)是超高速的物理層8610GBASE-SRSFP+收發(fā)器名稱(chēng)線纜最大長(zhǎng)度編碼方式優(yōu)點(diǎn)10GBase-SR光纖最多300米64b/66b多模光纖（0.85微米）10GBase-LR光纖10千米64b/66b單模光纖（1.3微米）10GBase-ER光纖40千米64b/66b單模光纖（1.5微米）10GBase-CX44對(duì)雙軸15米8b/10b雙軸銅纜10GBase-T4對(duì)UTP100米64b/65b6a類(lèi)UTP第四節(jié)

局域網(wǎng)40G-100G以太網(wǎng)40GigabitEthernet(40GbE)與100GigabitEthernet(100GbE),2010（IEEE802.3ba）10Gbps

40Gbps&100Gbps只支持全雙工保留以太網(wǎng)幀格式和MAC方法保留當(dāng)前802.3標(biāo)準(zhǔn)的最小幀和最大幀大小聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可以通過(guò)可插拔模塊支持不同的物理層類(lèi)型874x10G

lanes10x10G

lanes第四節(jié)

局域網(wǎng)40G-100G以太網(wǎng)40GigabitEthernet(40GbE)and100GigabitEthernet(100GbE),201040/100GbE提供多種物理層規(guī)范（PHY），定義了許多端口類(lèi)型，具有不同的光學(xué)和電氣接口，以便在單模光纖、多模光纖、雙芯銅纜、雙絞線和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備背板上運(yùn)行。88名稱(chēng)最大長(zhǎng)度40G以太網(wǎng)100G以太網(wǎng)改進(jìn)的背板1米40GBASE-KR4100GBASE-KR4

100GBASE-KR2雙芯銅纜7米40GBASE-CR4100GBASE-CR10

100GBASE-CR4

100GBASE-CR28類(lèi)雙絞線30米40GBASE-T-多模光纖100米/OM3，125米/OM440GBASE-SR4100GBASE-SR10

100GBASE-SR4

100GBASE-SR2單模光纖500米-100GBASE-DR單模光纖2千米40GBASE-FR100GBASE-FR1單模光纖10千米40GBASE-LR4100GBASE-LR4

100GBASE-LR1單模光纖40千米40GBASE-ER4100GBASE-ER4單模光纖80千米-100GBASE-ZR第四節(jié)

局域網(wǎng)以太網(wǎng)的未來(lái)25/50G和第二代100G以太網(wǎng)25G以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)（IEEE802.3by）是由IEEE和IEEE-SA于2014年發(fā)布，該標(biāo)準(zhǔn)彌補(bǔ)了10G以太網(wǎng)的低帶寬和40G以太網(wǎng)的高成本缺陷。25G以太網(wǎng)采用了25Gb/s單通道物理層技術(shù)，可基于4個(gè)25Gbps光纖通道實(shí)現(xiàn)100G傳輸。89第四節(jié)

局域網(wǎng)以太網(wǎng)的未來(lái)2017年，由IEEEP802.3bs工作組使用與100GbE大致相似的技術(shù)開(kāi)發(fā)的400GbE和200GbE標(biāo)準(zhǔn)獲得批準(zhǔn)。保留以太網(wǎng)幀格式

保留以太網(wǎng)最小幀長(zhǎng)和最大幀長(zhǎng)2020年，以太網(wǎng)技術(shù)聯(lián)盟（EthernetTechnologyConsortium）宣布開(kāi)發(fā)800G以太網(wǎng)規(guī)范，以滿足數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)不斷增長(zhǎng)的性能需求。以太網(wǎng)聯(lián)盟的2020技術(shù)路線圖預(yù)計(jì)2020年-2030年之間，800Gbps和1.6Tbps的速度將成為IEEE標(biāo)準(zhǔn)。90第四節(jié)

局域網(wǎng)以太網(wǎng)交換機(jī)(switch)鏈路層設(shè)備存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)以太網(wǎng)幀檢驗(yàn)到達(dá)幀的目的MAC地址，選擇性(selectively)向一個(gè)或多個(gè)輸出鏈路轉(zhuǎn)發(fā)幀利用CSMA/CD訪問(wèn)鏈路，發(fā)送幀透明(transparent)主機(jī)感知不到交換機(jī)的存在即插即用(plug-and-play)自學(xué)習(xí)(self-learning)交換機(jī)無(wú)需配置91第四節(jié)

局域網(wǎng)交換機(jī):多端口間同時(shí)傳輸主機(jī)利用獨(dú)享(dedicated)鏈路直接連接交換機(jī)交換機(jī)緩存幀交換機(jī)在每段鏈路上利用CSMA/CD收發(fā)幀，但無(wú)沖突，且可以全雙工每段鏈路一個(gè)獨(dú)立的沖突域交換(switching):A-A’與B-B’的傳輸可以同時(shí)進(jìn)行，沒(méi)有沖突926個(gè)接口交換機(jī)

(1,2,3,4,5,6)AA’BB’CC’123456第四節(jié)

局域網(wǎng)交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)表：交換表Q:

交換機(jī)怎么知道A’可以通過(guò)接口4到達(dá)，而B(niǎo)’可以通過(guò)接口5到達(dá)?93A:每個(gè)交換機(jī)有一個(gè)交換表(switchtable),每個(gè)入口(entry):(主機(jī)的MAC地址,到達(dá)主機(jī)的接口,時(shí)間戳)看起來(lái)很像路由表！Q:交換表入口信息如何創(chuàng)建和維護(hù)的那？類(lèi)似于路由協(xié)議？6個(gè)接口交換機(jī)

(1,2,3,4,5,6)AA’BB’CC’123456第四節(jié)

局域網(wǎng)交換機(jī):自學(xué)習(xí)交換機(jī)通過(guò)自學(xué)習(xí)，獲知到達(dá)主機(jī)的接口信息當(dāng)收到幀時(shí)，交換機(jī)“學(xué)習(xí)”到發(fā)送幀的主機(jī)（通過(guò)幀的源MAC地址），位于收到該幀的接口所連接的LAN網(wǎng)段將發(fā)送主機(jī)MAC地址/接口信息記錄到交換表中94AA’BB’CC’123456A’A源:A目的:A’MAC地址

接口TTL交換表(初始為空)A160第四節(jié)

局域網(wǎng)交換機(jī):幀過(guò)濾/轉(zhuǎn)發(fā)當(dāng)交換機(jī)收到幀:

1.記錄幀的源MAC地址與輸入鏈路接口 2.利用目的MAC地址檢索交換表

5.if在交換表中檢索到與目的MAC地址匹配的入口(entry)

then{

if

目的主機(jī)位于收到幀的網(wǎng)段

then

丟棄幀

else

將幀轉(zhuǎn)發(fā)到該入口指向的接口

}

else

泛洪(flood)/*向除收到該幀的接口之外的所有接口轉(zhuǎn)發(fā)*/

95第四節(jié)

局域網(wǎng)自學(xué)習(xí)與轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程舉例96AA’BB’CC’123456A’A源:A目的:A’MAC地址接口TTL交換表(初始為空)A160AA’A’AA’AA’AA’A目的MAC地址A’，位置未知：泛洪AA’目的MAC地址A，位置已知：選擇性轉(zhuǎn)發(fā)A’460第四節(jié)

局域網(wǎng)交換機(jī)互聯(lián)97交換機(jī)可以互聯(lián)Q:

當(dāng)A向G發(fā)送幀時(shí)，S1怎么知道通過(guò)S4轉(zhuǎn)發(fā)？S4又怎么知道通過(guò)S3轉(zhuǎn)發(fā)?A:

自學(xué)習(xí)！(工作過(guò)程與單一交換機(jī)情形相同！)ABS1CDEFS2S4S3HIG第四節(jié)

局域網(wǎng)多交換機(jī)自學(xué)習(xí)舉例98假設(shè)C向H發(fā)送幀，H向C發(fā)送應(yīng)答幀Q:請(qǐng)給出S1,S2,S3,S4的交換表，并說(shuō)明幀的轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程?ABS1CDEFS2S4S3HIG第四節(jié)

局域網(wǎng)交換機(jī)的交換模式存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)模式（StoreandForward）默認(rèn)模式直通模式（Cut-through）邊收邊發(fā)接收到幀的目的地址，即開(kāi)始轉(zhuǎn)發(fā)無(wú)碎片模式（Fragment-free）接收到幀的前64字節(jié)，即開(kāi)始轉(zhuǎn)發(fā)99第四節(jié)

局域網(wǎng)組織機(jī)構(gòu)(Institutional)網(wǎng)絡(luò)100toexternalnetworkroutermailserverwebserver第四節(jié)

局域網(wǎng)沖突域組織機(jī)構(gòu)(Institutional)網(wǎng)絡(luò)101toexternalnetworkroutermailserverwebserver第四節(jié)

局域網(wǎng)廣播域沖突域組織機(jī)構(gòu)(Institutional)網(wǎng)絡(luò)102toexternalnetworkroutermailserverwebserver第四節(jié)

局域網(wǎng)鏈路層設(shè)備VS物理層設(shè)備第四節(jié)

局域網(wǎng)VLANs:動(dòng)機(jī)104單一廣播域:所有第2層廣播流量(ARP,DHCP,未知目的MAC地址位置)必須穿越整個(gè)LAN安全/隱私、效率問(wèn)題

ComputerScienceEEQ:在較大規(guī)模的局域網(wǎng)中，用戶改變接入點(diǎn)時(shí)，會(huì)發(fā)生什么問(wèn)題？第四節(jié)

局域網(wǎng)VLANs:動(dòng)機(jī)105單一廣播域:所有第2層廣播流量(ARP,DHCP,未知目的MAC地址位置)必須穿越整個(gè)LAN安全/隱私、效率問(wèn)題管理問(wèn)題:計(jì)算機(jī)系（CS）用戶遷移到電子工程系（EE）辦公—物理連接到EE的交換機(jī)，邏輯上要連接到CS的交換機(jī)Q:在較大規(guī)模的局域網(wǎng)中，用戶改變接入點(diǎn)時(shí)，會(huì)發(fā)生什么問(wèn)題？

EE第四節(jié)

局域網(wǎng)ComputerScience(CS)VLANs106支持VLAN劃分的交換機(jī)，可以在一個(gè)物理LAN架構(gòu)上配置、定義多個(gè)VLAN虛擬局域網(wǎng)(Virtual

LocalAreaNetwork)基于端口的VLAN:分組交換機(jī)端口(通過(guò)交換機(jī)管理軟件)，于是，

單一的物理交換機(jī)…EE(VLANports1-8)CS(VLANports9-15)……就像多個(gè)虛擬交換機(jī)一樣運(yùn)行1827EE(VLANports1-8)…9161015…CS(VLANports9-15)第四節(jié)

局域網(wǎng)基于端口的VLAN107流量隔離(trafficisolation):去往/來(lái)自端口1-8的幀只到達(dá)端口1-8也可以基于MAC地址定義VLAN,而不是交換端口動(dòng)態(tài)成員:端口可以動(dòng)態(tài)分配給不同VLAN在VLAN間轉(zhuǎn)發(fā):通過(guò)路由(就像在獨(dú)立的交換機(jī)之間)實(shí)踐中，廠家會(huì)將交換機(jī)與路由器集成在一EE(VLANports1-8)CS(VLANports9-15)…

第四節(jié)

局域網(wǎng)跨越多交換機(jī)的VLAN108多線纜連接每個(gè)線纜連接一個(gè)VLAN中繼端口(trunkport):在跨越多個(gè)物理交換機(jī)定義的VLAN承載幀為多VLAN轉(zhuǎn)發(fā)802.1幀容易產(chǎn)生歧義(必須攜帶VLANID信息)802.1q協(xié)議為經(jīng)過(guò)中繼端口轉(zhuǎn)發(fā)的幀增加/去除額外的首部EE(VLANports1-8)CS(VLANports9-15)…5827…161634Ports2,3,5belongtoEEVLANPorts4,6,7,8belongtoCSVLAN第四節(jié)

局域網(wǎng)802.1QVLAN幀格式幀標(biāo)記標(biāo)準(zhǔn)：IEEE802.1Q帶VLAN標(biāo)記的幀稱(chēng)為標(biāo)記幀（TaggedFrame）普通以太網(wǎng)幀稱(chēng)為無(wú)標(biāo)記幀（UntaggedFrame）109字節(jié)66246~15004MAC幀目地地址源地址類(lèi)型數(shù)據(jù)FCS

標(biāo)記協(xié)議標(biāo)識(shí)符標(biāo)記控制信息

1000000100000000VLANID

2字節(jié)12bit插入4字節(jié)的VLAN標(biāo)記4優(yōu)先級(jí)CFI

（3bit)（1bit）IEEE802.1Q幀格式第四節(jié)

局域網(wǎng)其他VLAN劃分方法其他VLAN劃分方法？基于MAC地址的VLAN基于協(xié)議的VLAN基于子網(wǎng)的VLAN110如何劃分VLAN?第四節(jié)

局域網(wǎng)李全龍第五節(jié)

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路協(xié)議111點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)鏈路控制一個(gè)發(fā)送端，一個(gè)接收端，一條鏈路：比廣播鏈路容易無(wú)需介質(zhì)訪問(wèn)控制(MediaAccessControl)無(wú)需明確的MAC尋址e.g.,撥號(hào)鏈路,ISDN鏈路常見(jiàn)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議：HDLC:HighLevelDataLinkControl