石家庄建设网站,网站的尺寸,wordpress 前台 用户,wordpress+空行文章目录 **1 数据链路层的功能****1.1 为网络层提供服务****1.2 链路管理****1.3 帧定界#xff0c;帧同步与透明传输****1.4 流量控制****1.5 差错控制** **2 组帧****2.1 字符计数法****2.2 字符填充的首尾定界符法****2.3 零比特填充的首尾标志法****2.4 违规编码法** **3… 文章目录 **1 数据链路层的功能****1.1 为网络层提供服务****1.2 链路管理****1.3 帧定界帧同步与透明传输****1.4 流量控制****1.5 差错控制** **2 组帧****2.1 字符计数法****2.2 字符填充的首尾定界符法****2.3 零比特填充的首尾标志法****2.4 违规编码法** **3 差错控制****3.1 检错编码****3.2 纠错编码** **4 流量控制与可靠传输机制****4.1 流量控制可靠传输与滑动窗口机制****4.2 单帧滑动窗口与停止-等待协议****4.3 多帧滑动窗口与后退N帧协议GBN****4.4 多帧滑动窗口与选择重传协议SR** **5 介质访问控制****5.1 信道划分介质访问控制****5.1.1 频分多路复用FDM****5.1.2 时分多路复用TDM****5.1.3 波分多路复用WDM****5.1.4 码分多路复用** **5.2 随机访问介质访问控制****5.2.1 ALOHA协议****5.2.2 CSMA载波监听多路访问协议****5.2.3 CSMA/CD 载波监听多路访问/碰撞检测协议****5.2.4 CSMA/CA协议载波监听多路访问/碰撞避免协议** **5.3 轮询访问令牌传递协议** **6 局域网****6.1 基本概念和体系结构****6.2 以太网和IEEE 802.3****6.2.1 以太网的传输介质与网卡****6.2.2 以太网的MAC帧****6.2.3 高速以太网** **6.3 IEEE 802.11无线局域网****6.3.1 无线局域网的组成****6.3.2 802.11局域网的MAC帧** **6.4 VLAN虚拟局域网基本概念和原理** **7 广域网****7.1 广域网基本概念****7.2 PPP点对点协议****7.3 HDLC高级数据链路控制协议** **8 数据链路层设备****8.1 网桥的基本概念****8.2 局域网交换机** 1 数据链路层的功能
1.1 为网络层提供服务
1无确认的无连接服务
2有确认的无连接服务
3有确认的有连接服务
1.2 链路管理
连接的建立维持和释放过程称为链路管理主要用于面向连接的服务
1.3 帧定界帧同步与透明传输
必须将网络层的分组封装成帧以帧的格式进行传送将一段数据分别添加首部和尾部就构成了帧
帧定界首部尾部的控制信息确定帧的界限
帧同步接收方应能从接收到的二进制比特流中区分出帧的起始与终止
如HDLC协议中标识符F(01111110)来标识帧的开始和结束如果数据中恰好出现与帧定界符相同的比特组合误认为传输结束丢弃后面的数据就会采取透明传输来解决这个问题
为了提高传输效率帧的数据部分尽可能大但每种协议都规定了最大传送单元MTU 1.4 流量控制
限制发送方的数据流量使其发送速率不超过接收方的接受能力因此需要某种反馈机制
数据链路层的流量控制控制的是相邻结点之间数据链路上的流量而对于传输层控制的是从源端到目的端之间的流量 1.5 差错控制
帧在传输过程中因信道噪声等原因出现错误通常可分为位错和帧错
位错帧的某些位出现了差错通常采用循环冗余校验CRC来发现位错通过自动重传请求方式来重传出错的帧
帧错帧的丢失重复或失序等错误因此引入定时器和编号机制
2 组帧
组帧主要解决帧定界帧同步透明传输等问题组帧既要加首部又要加尾部但是网络层的分组不用加尾部因为分组包含在帧中
组帧的四种常见方法
2.1 字符计数法
在帧头部使用一个计数字段来标明帧内字符数
但是如果计数字段出错失去了帧边界划分的依据接收方无法判断传输帧的结束位和下一帧的开始位双方失去同步并引发灾难性的后果 2.2 字符填充的首尾定界符法
使用特定字符来定界一帧的开始与结束
如控制字符SOH放在帧的最前面表示帧的首部开始控制字符EOT表示帧的结束为了使特殊字符不出现误判可在特殊字符前面填充一个转义字符ESC来加以区分
如下图 2.3 零比特填充的首尾标志法
用01111110来标志一帧的开始和结束为了不出现误判发送方的数据链路层在信息位中遇到5个连续的“1”时会自动在后面插入一个”0“而接收方做过程的逆操作每收到5个连续的”1“自动删除后面紧跟的”0“恢复原信息
容易用硬件实现性能优于字符填充法 2.4 违规编码法
物理层进行比特编码时通常使用如“1”是“高-低”电平对“0”是“低-高”电平对那么“高-高”“低-低”就是在比特中就是违规的可以借用这些违规编码来定界帧的起始和终止
局域网IEEE 802就采用了这种方法
不需要任何填充技术就能实现数据传输的透明性但只适合冗余编码的特殊编码环境
零比特和违规编码是最常用的组帧方法
3 差错控制
差错控制分类
自动重传请求ARQ接收端检测到差错时设法通知发送端重发知道接收到正确的码
前向纠错FEC接收端不但发现差错还能确定比特串错位位置加以纠正
因此差错控制又分为检错编码和纠错编码
3.1 检错编码
都采用冗余编码技术核心思想是在有效数据信息位被发送前先按某种关系附加一定的冗余位构成一个符合某一规则的码字后再发送当要发送的有效数据变化时相应的冗余位也随之变化使得码字遵从不变的规则接收端根据码字是否符合原来的规则来判断是否出错
奇偶校验码
由n-1位信息元和1位校验元组成如果是奇校验码附加一个校验元后码长n的码字中1的个数为奇数偶校验码1的个数是偶数
能检测奇数位的出错情况但不知道哪些位错了也不能发生偶数位的出错情况
循环冗余码
又称多项式码
一个k位帧可以视为从Xk-1到X0的k次多项式的系数序列这个多项式的阶数为k-1高位是Xk-1的系数以此类推例如1110011有七位表示成多项式是X6X5X4X1而多项式X5X4X2X对应的位串是110110运算过程如图 给定一个m比特的帧或者报文发送器生成一个r比特的序列称为帧检验序列FCS形成的帧是mr比特组成收发双方事先商定一个多项式G(x)(最高位和最低位必须为1)使这个带校验码的帧刚好能被预先确定的多项式G(x)整除接收方如果无余数则认为无错
假设帧为m位对应的多项式为M(x)冗余码的计算过程
1加0G(x)的阶为r在帧的低位端加上r个0
2模2除利用模2除法用G(x)对应的数据串去除1中计算出的数据串得到的余数就是冗余码然后帧加上冗余码再发送出去
如上图的数据101001加上冗余码001最后变成101001001发送出去
模2运算规则加法不进位减法不借位刚好是异或操作
3.2 纠错编码
实现原理在有效信息位中加入几个校验位形成海明码并把海明码的每个二进制位分配到几个奇偶校验组中某一位出错后就会引起有关的几个校验位的值发生变化可以指出错位的位置为自动纠错提供依据
以数据码1010展示海明码的编码原理和过程
1确定海明码的位数
n位信息k位校验码则nk$\leqslant$2k-1若要检验两位错则需再增加一位校验码即k1位
nk7$\leqslant$23-1
四位信息三位校验码则海明码为H7H6H5H4H3H2H1
2确定校验码的分布
规定校验位Pi在海明位号为2i-1的位置上其余为信息位
P1的海明位号201H1就是P1以此类推
则海明码H7H6H5H4H3H2H1对应的就是D4D3D2P3D1P2P1D是信息位
3分组形成校验关系
每个数据位由多个校验位校验但满足被校验数据位的海明位号等于校验该数据位的各校验位海明位号之和校验位不需要被校验 4校验位取值
校验位Pi的值为第i组由该检验位检验的数据位所有位求异或 所以1010对应的海明码是1010010加粗为校验位
5海明码的校验原理
每个校验组分别利用校验位和参与形成该校验位的信息位进行奇偶校验检查构成k个校验方程 若S3S2S1的值为“000”则说明无错否则说明出错且这个数就是错误位的位号
如S3S2S1001说明第一位出错即H1直接取反就可以纠错
4 流量控制与可靠传输机制
4.1 流量控制可靠传输与滑动窗口机制
接收方控制发送方发送数据的速率常见方式停止等待协议和滑动窗口协议
停止-等待流量控制基本原理
发送方发一帧都要等待接收方的应答信号之后才能发送下一帧接收方每接收一帧都要反馈一个应答信号便是可接收下一帧如果不反馈那么发送方必须一直等待每次只允许发送一帧然后陷入等待应答传输效率低
滑动窗口流量控制基本原理
任意时刻发送方都维持一组连续的允许发送的帧的序号称为发送窗口接收方也维持一组连续的允许接收帧的序号称为接收窗口
发送窗口的大小代表在未收到对方确认信息的情况下发送放最多还可以发送多少个数据帧接收窗口也控制可以接收哪些数据帧和不可以接收哪些帧 特性
1接收窗口向前滑动发送窗口才有可能向前滑动
2停止等待协议后退n帧协议和选择重传协议只在发送窗口大小与接收窗口大小上有所差别
停止等待协议发送窗口大小1接收窗口1
后退n帧协议发送窗口1接收窗口1
选择重传协议发送窗口1接收窗口1
3接收窗口为1保证帧的有序接收
4数据链路层的滑动窗口协议中窗口的大小在传输过程中是固定的与传输层的滑动窗口协议的区别
可靠传输机制
数据链路层通常使用确认和超时重传两种机制
确认无数据的控制帧控制帧使得接收方可以让发送方知道哪些内容被正确接收有时将确认捎带在一个回复帧中称为捎带确认
超时重传发送数据后启动一个计时器一定时间内如果没有收到确认帧就重发数据帧直到发送成功为止
自动重传请求ARQ通过接收方请求发送方重传出错的数据帧来恢复出错的帧是通信中用于处理信道所带来的差错的方法之一
传统自动重传请求分为停止等待ARQ后退n帧ARQ和选择性重传ARQ
后两种是滑动窗口技术和请求重发技术的结合窗口够大帧在线路上可以连续的流动又称为连续ARQ协议
数据链路层的流量控制和可靠传输机制是交织在一起的
4.2 单帧滑动窗口与停止-等待协议
除了数据帧丢失还可能出现以下两种差错
到达的帧已经被破坏接收方检测后丢弃帧发送方设置一个计时器时间到了则会重发相同的帧直到成功
另一种可能是数据帧正确接收了但是确认帧被破坏因此方法方会重传数据帧接收方收到同样的数据帧时会丢弃该帧并重传一个该帧对应的确认帧发送的帧交替用0和1标识确认帧分别用ACK0和ACK1来表示收到的确认帧有误时重传已发送的帧若出现相同发送序号的帧说明发送端出现超时重传连续相同的确认帧说明接收端收到了重复帧
为了超时重发和判定重复帧的需要收发双方都须设置一个帧缓冲区发送完数据帧在缓存中保留其副本这样才能在出差错时进行重传只有在收到对方发来的确认帧ACK时方可清楚副本
效率低 4.3 多帧滑动窗口与后退N帧协议GBN
发送方可以连续发送帧接收方检测失序要求发送方重发最后一个正确接收的信息帧之后的所有未被确认的帧或者当发送方发送了N个帧后若发现该N个帧的前一个帧在计时器超时后仍未返回其确认信息则该帧被判为出错或丢失此时发送方不得不重传出错帧及随后的N个帧即接收方只允许按顺序接收帧
为了减少开销GBN协议还规定接收端不一定每收到一个正确的数据帧就必须立即发回一个确认帧可以在连续收到几个正确的数据帧后才对最后一个数据帧法确认信息或者发捎带确认即对某一数据帧的确认就表明该数据帧和此前所有的数据帧均已正确无误的收到称为累积确认
若采用n比特对帧编号则其发送窗口的尺寸Wt应满足1Wt$\leqslant$2n-1若发送窗口的尺寸大于2n-1则会造成接收方无法分辨新帧和旧帧
连续发送提高了信道利用率但重传时又必须把原来已传送正确的数据帧进行重传降低了传送效率信道的传输质量很差导致误码率较大时GBN协议不一定优于停止等待协议 4.4 多帧滑动窗口与选择重传协议SR
进一步提高信道的利用率只重传出错的数据帧此时必须加大接收窗口即收下序号不连续但处在接收窗口的数据帧等到数据帧收齐再传给主机
每个发送缓冲区对应一个计时器
还是用了更有效的差错处理策略即一旦接收方怀疑帧出错发一个否定帧NAK要求发送方对NAK中指定的帧进行重传
接收发送窗口通常相同发送大于接收会导致溢出发送小于接收没有意义且最大值都为序号范围的一半若采用n比特对帧编号WtWR2(n-1)如果窗口大小大于序号范围的一半当帧丢失发送方超时重传之前的数据帧接收方就无法分辨是新的数据帧还是重传的数据帧 可以避免重复传送那些本已正确到达接收端的数据帧但在接收端要设置具有相当容量的缓冲区来暂存未按序的帧缓冲区数目等于窗口大小
信道利用率信道的效率发送方一个发送周期内有效发送数据所需要的时间占整个发送周期的比率
发送周期发送L比特的数据发送方数据传输速率C发送周期T
信道利用率(L/C)/T
信道吞吐率信道利用率*发送方的发送速率
5 介质访问控制
主要任务为使用介质的每个结点隔离来自同一信道上其他结点所传送的信号以协调活动结点的传输
决定广播信道中信道分配的协议属于数据链路层的一个子层称为介质访问控制子层
常见的介质访问控制方法信道划分介质访问控制静态随机访问介质访问控制和轮询访问介质访问控制动态
5.1 信道划分介质访问控制
将使用介质的每个设备与来自同一通信信道上的其他设备的通信隔离开把时域和频域资源合理的分配给网络上的设备
传输介质的带宽超过传输单个信号所需的带宽时通过一条介质上同时携带多个传输信号的方法来提高传输系统的利用率多路复用技术就是实现信道划分介质访问控制的途径把多个信号组合在一条物理信道上进行传输使多个计算机或终端设备共享信道资源提高信道利用率 信道划分的实质是通过分时分频分码等方法来把原来一条广播信道逻辑上分为几条用于两个结点之间通信的互不干扰的子信道实际上是把广播信道转变为点对点信道可分为四种
5.1.1 频分多路复用FDM
将多路基带信号调制到不同频率载波上再叠加形成一个复合信号的多路复用技术
把物理信道的总带宽分割成若干个与传输单个信号带宽相同或略宽的子信道每个子信道一种信号就是FDM
子信道的带宽可以不同但总合不超过总带宽相邻信道还需加入“保护频带”
优点充分利用传输介质的带宽系统效率较高实现容易 5.1.2 时分多路复用TDM
一条物理信道按时间分成若干时间片轮流的分配给多个信号使用利用每个信号在时间上的交叉可以在一条物理信道上传输多个信号
统计时分多路复用STDM异步时分多路复用是TDM的一种改进采用STDM帧STDM帧并不固定分配时隙而按需动态的分配时隙当终端有数据要传送时才会分配到时间片因此可以提高线路的利用率如传输速率800b/s4个用户TDM方式每个用户最高速率200b/sSTDM方式每个用户最高速率800b/s 5.1.3 波分多路复用WDM
即光的频分多路复用在一根光纤中传输多种不同波长的光信号由于波长频率不同光信号互不干扰 5.1.4 码分多路复用
采用不同的编码来区分各路原始信号的一种复用方式与FDM和TDM不同既共享信道的频率又共享时间
码分多址CDMA每个比特时间再划分成m个短的时间槽称为码片m的值是64或128
每个站点被指派一个唯一的m位码片序列发送1时站点发送它的码片序列发送0站点发送码片序列的反码当两个或多个站点同时发送时各路数据在信道中线性相加为了分离要求码片序列相互正交
举例
加入站点A的码片序列被指派为00011011则A发送00011011就表示发送比特1发送反码11100100就表示发送比特0为方便一般把0写成-11写成1则A的码片序列就是-1-1-111-111
向量S表示A的码片向量T表示B的码片向量则规格化内积S*T 1 m \dfrac{1}{m} m1 ∑ i 1 m \sum\limits_{i1}^m i1∑mSiTi0
码片向量自身规格化内积是1码片向量和其反码的规格化内积是-1
设T为-1 -1 1 -1 1 1 1 -1
A向C站发送数据1就发送向量-1 -1 -1 1 1 -1 1 1
B站向C站发送数据0就发送向量1 1 -1 1 -1 -1 -1 1
两个向量在公共信道上线性相加就是ST(0 0 -2 2 0 -2 0 2)
到达C站后数据分离如果要得到A的数据C就必须知道S让S与ST进行规格化内积即S*(ST)1表示A发送的数据1
T*(ST)-1表示B发送的数据0
优点频谱利用率高抗干扰能力强保密性强语音质量好等优点还可以减少投资和降低运行成本主要用于无线通信系统如移动通信
5.2 随机访问介质访问控制
所有用户根据自己的意愿随机发送信息占用全部速率但是多个用户同时发送信息会产生帧的冲突碰撞导致所有用户传输失败因此需要按照一定的规则协议来解决这个问题
核心思想胜利者通过争用获得信道从而获得信息的发送权因此随机访问介质访问控制协议又称争用型协议
实质是将广播信道转为点到点信道的行为
5.2.1 ALOHA协议
1纯ALOHA协议
基本思想发数据不检测直接发如果一段时间没收到确认就认为发送冲突等一段时间再发直到成功 不考虑信道不良而产生的的误码并假设所有站发送的帧都是定长的 假设网络负载为G纯ALOHA网络的吞吐量SGe-2G当G0.5S0.184这是吞吐量S可能达到的极大值可见这种协议的吞吐量很低
2时隙ALOHA协议
把所有各站在时间上同步起来把时间划分为一段段等长的时隙规定只能在每个时隙开始时才能发送一个帧从而避免了用户发送数据的随意性减少了数据产生冲突的可能提高了信道的利用率
时隙长度T0使得每个帧正好在一个时隙内发送完毕每个帧到达后一般都要在缓存中等待一段小于T0的时间然后才能发送出去
一个时隙内有两个或两个以上的帧到达还是冲突再重传 网络吞吐量SGe-G当G1S0.368吞吐量大了一倍
5.2.2 CSMA载波监听多路访问协议
在ALOHA协议上加了一个载波监听装置发送信道空闲再发送大大降低冲突
根据监听方式和监听到信道忙后的处理方式不同分为三种
11-坚持CSMA
基本思想发送时监听信道如果空闲就发即立刻发送数据忙就等待并继续监听直到空闲发送冲突随机等待一段时间重新开始监听
传播延迟的影响很大比如A发送了数据但是信号没有传到BB以为空闲就发送导致冲突并且空闲时间也会同时发送还是会冲突
2非坚持CSMA
基本思想一个结点发送数据首先监听如果空闲立刻发送数据忙就放弃监听等一段随机时间再重复
降低了冲突概率但会增加数据在网络中的平均延迟即信道利用率的提高是以增加数据在网络中的延迟时间为代价的
3p-坚持CSMA
用于时分信道基本思想发送数据时监听忙就持续监听推迟到下一个时隙再监听直到空闲空闲的话以概率p发送数据以概率1-p推迟到下一个时隙如果下一个时隙信道仍然空闲那么仍以概率p发送数据以概率1-p推迟到下一个时隙这个过程一直持续到数据发送成功或因其他结点发送数据而检测到信道忙为止若是后者则等待下一个时隙再重新开始监听
以概率发送的目的是降低多个结点检测到空闲后同时发送数据的冲突概率采用坚持监听的目的是试图克服因随机等待造成的延迟时间较长的缺点
5.2.3 CSMA/CD 载波监听多路访问/碰撞检测协议
适用于总线型网络或半双工网络环境全双工不需要这个协议
碰撞检测边发送边监听如果监听到了碰撞则立即停止数据发送等待一段随机时间后重新开始尝试发送
工作流程先听后发边听边发冲突停发随机重发
但是传播速率有限某个时刻检测到空闲信道不一定空闲设 τ \tau τ为单程传播时延 CSMA/CD中站不可能同时收发因此采用CSMA/CD协议的以太网只能进行半双工通信
站A在发送帧后至多经过时间2 τ \tau τ就能知道有没有发送冲突以太网把2 τ \tau τ称为争用期冲突窗口或碰撞窗口
但是发送一个很短的帧发送完毕之前没有检测出碰撞但是帧在达到目的站之前就发送了碰撞所以目的站收到有差错的帧就丢弃可是发送站却不知道发生了碰撞因此不会重传。为了避免这个问题以太网规定了一个最短帧长争用期内可发送的数据长度争用期发送碰撞停止发送的数据一定小于最短帧长因此凡是长度小于这个最短帧长的帧都是异常中止的无用帧
最小帧长计算公式最小帧长总线传播时延*数据传输速率*2
但是如果发送小于最短帧长的帧需要再MAC子层冲于数据字段的后面加入一个整数字节的填充字段以保证以太网的MAC帧的长度不小于最短帧长
冲突了CSMA/CD采用截断二进制指数退避算法来解决碰撞问题算法内容
1基本退避时间一般是两倍总线传播时延即2 τ \tau τ
2定义参数k等于重传次数不超过10kmin{重传次数10}
3从离散整数集合{0,1,2……2k-1}中随机取数r重传退避时间就是r倍数的基本退避时间即2 τ \tau τr
4重传16次还不成功说明网络太拥挤此帧永远无法正确发出抛弃并向高层报告出错
该算法使得重传需要推迟的平均时间随重传次数的增大而增大动态规避降低了冲突概率有利于系统稳定
5.2.4 CSMA/CA协议载波监听多路访问/碰撞避免协议
CSMA/CD在无线局域网环境下不能简单的直接使用特别是碰撞检测部分原因
1接收信号的强度远小于发送信号的强度无线介质上信号的强度动态变化范围很大实现碰撞检测的硬件成本大
2无线通信并非所有站点都能听见对方存在隐蔽站问题
802.11标准因此把碰撞检测改为碰撞避免CA且不是完全避免碰撞而是尽量降低碰撞概率
802.11使用链路层的确认重传ARQ方案收到对方的确认帧才发下一帧
802.11规定所有站完成发送必须等待一段很短的时间继续监听才能发送下一帧这段时间称为帧间间隔IFS802.11使用了三种IFS
1SIFS最短的IFS用来分割属于一次对话的各帧有ACK帧CTS帧分片后的数据帧以及所有回答AP探询的帧等
2PIFS点协调IFS中等长度在PCF操作中使用
3DIFS分布式协调IFS最长用于异步帧竞争访问的时延
信道从忙转为空闲任何一个站要发送数据帧不仅都要等待一个时间间隔而且要进入争用窗口计算随机退避时间以便再次试图接入信道因此降低了碰撞发生的概率。
当且仅当信道空闲且这个数据帧是要发送的第一个数据帧时才不使用退避算法其他所有情况都要用
退避算法
1执行时站点为退避计时器设置一个随机的退避时间
当计时器时间减小到0发数据
时间没到0信道转为忙冻结时间
重新等待信道空闲再等待DIFS后继续启动
2进行第i次退避时退避时间在时隙编号{1,2……22i-1}中随机选择一个然后乘以基本退避时间当时隙编号达到255次第6次退避不再增加
CSMA/CA算法过程
1最初有数据发送不是发送不成功进行重传且信道空闲等待DIFS后就发送整个数据帧
2否则执行退避算法选取一个随机回退值信道忙退避计时器不变信道空闲计时器进行倒计时
3当计时器为0站点发送帧并等待确认
4发送站收到确认如果要发送第二帧从第二步开始执行退避算法随机选定一段退避时间
若每收到确认帧ACK必须重传帧再次使用协议争用信道直到收到确认或若干次失败后放弃发送 处理隐蔽站问题RTS和CTS AB彼此听不见对方同时向AP发送信息发送碰撞这就是隐蔽站问题
解决办法802.11允许发送站对信道进行预约源站发送数据帧之前先广播一个很短的请求发送RTS控制帧包括源地址目的地址和这次通信所持续的时间该帧能被范围内包括AP在内的所有站点听到若信道空闲AP广播发送一个允许发送CTS控制帧包括这次通信所需的持续时间B和其他站听到后在CTS帧指明的时间内将抑制发送
CTS帧的目的给源站发送许可不允许其他站发送 CSMA/CD和CSMA/CA的区别
1CD可以检测冲突但无法避免CA不能检测冲突只能尽量避免
2传输介质不同。CD用于总线形以太网CA用于无线局域网802.11等
3检测方式不同。CD通过电缆中的电压变化来检测CA采用能量检测载波检测和能力载波混合检测三种检测信道空闲
5.3 轮询访问令牌传递协议
轮询访问不能随机发数据通过一个集中控制的监控站以循环方式轮询每个结点再决定信道的分配某结点使用信道其他结点都不能使用
典型的轮序访问介质访问控制协议是令牌传递协议主要用在令牌环局域网中
令牌传递协议中一个令牌沿着环形总线在各结点计算机间依次传递令牌是一个特殊的MAC控制帧仅控制信道的使用确保同一可是只有一个站占用信道
令牌环网中令牌和数据的传递过程
1网络空闲环路中只有令牌帧在循环传递
2令牌传递到有数据要发的站点时该站点就修改令牌中的一个标志位并在令牌中附加自己需要传输的数据把令牌变成一个数据帧然后发送出去
3数据帧沿着环路传输接收到的站点一边转发数据一边查看目的地址如果目的地址和自己的地址想用那么接收站就复制该数据帧以便进一步处理
4数据帧沿着环路传输直到达到该帧的源站点源站点收到自己发出去的帧之后不再转发同时检验返回的帧来查看数据传输过程中是否出错若有错则重传
传输介质的物理拓扑不必是一个环但是逻辑上必须是一个环既不共享空间也不共享时间
轮询介质访问控制非常适合负载很高的广播信道即多个结点在同一时刻发送数据的概率很大的信道
6 局域网
6.1 基本概念和体系结构
局域网LAN指在一个较小的地理范围内将各种计算机外部设备和数据库系统等通过双绞线同轴电缆等连接介质互相连接起来组成资源和信息共享的计算机互连网络
特点1一个单位拥有地理范围和站点数目有限
2所有站点共享较高的总宽带即较高的数据传输速率
3较低的时延和较低的误码率
4各站为平等关系
5能进行广播和组播
局域网拓扑结构星型结构环形结构总线形结构星性和总线形结合的复合型结构
局域网传输介质双绞线铜缆光纤等
局域网的介质访问控制方法CSMA/CD令牌总线和令牌环前两种主要用于总线形局域网后一种是环形局域网
三种特殊的局域网拓扑实现
以太网使用范围最广的局域网逻辑结构是总线物理是星性或拓展星型结构令牌环IEEE 802.5:逻辑是环形物理是星性FDDI光纤分布数字接口IEEE 802.5逻辑是环形物理是双环
IEEE 802标准定义的局域网参考模型只对应OSI参看模型的数据链路层和物理层并将数据链路层拆为两个子层
逻辑链路控制LLC子层向网络层提供无确认无连接面向连接带确认无连接高速传送4中不同的连接服务类型
媒体接入控制MAC子层与接入传输媒体有关向上层屏蔽对物理层访问的各种差异提供对物理层的统一访问接口主要功能包括组帧和拆卸帧比特传输差错检测透明传输 6.2 以太网和IEEE 802.3
IEEE 802.3标准是一种基带总线形的局域网标准描述物理层和数据链路层的MAC子层的实现方法
以太网逻辑上采用总线形拓扑结构所有计算机共享同一条总线信息以广播方式发送
以太网指符合DIX Ethernet V2标准的局域网但是该标准与IEEE 802.3标准只有很小的差别因此通常将802.3 局域网简称为以太网
以太网简化通信的措施1采用无连接的工作方式不发数据编号不要求确认2数据都适用曼彻斯特编码的信号每个码元中间出现一次电压转换
6.2.1 以太网的传输介质与网卡
常用的传输介质粗缆细缆双绞线和光纤 10BASE-T的星形网中心为集线器适用集线器的以太网在逻辑上仍然是一个总线形属于一个冲突域
计算机和局域网的连接通过机箱的网络接口板网络适配器或网络接口卡NIC
网卡装有处理器和存储器工作在数据链路层重要功能就是进行数据的串并转换实现与局域网传输介质之间的物理连接和电信号匹配帧的发送和接收帧的封装与拆封介质访问控制数据的编码与解码及数据缓存功能等
网卡和局域网通信电缆或双绞线以串行方式进行
网卡和计算机的通信通过主板上的I/O总线以并行方式进行
每块网卡出厂有唯一的代码称为介质访问控制地址MAC用于控制主机在网络上的数据通信数据链路层设备网桥交换机等都使用各个网卡的MAC地址网卡也控制着主机对介质的访问因此网卡也工作在物理层它只关注比特
6.2.2 以太网的MAC帧
MAC地址也称物理地址长6字节高24位为厂商代码低24位为厂商自行分配的网卡序列号局域网的“地址”是每个站的名字或标识符
以太网MAC帧有两种标准DIX Ethernet V2标准IEEE 802.3标准
前导码使接收端和发送端时钟同步前同步码快速实现MAC帧的比特同步
MAC帧不需要帧结束符因为各帧的传送必须有一定的间隙但是MAC帧是既要加首部也要加尾部 类型指出数据应交给哪些协议实体处理
CSMA/CD规定以太网帧的最短帧长是64B而MAC帧的首部和尾部的长度是18B所有数据段最短是46B最长1500是规定的
填充帧太短时使之达到64B
校验码FCS校验范围从目的地址段到数据段的末尾采用32位循环冗余码CRC不但需要检验MAC帧的数据部分还要检验目的地址源地址和类型字段但不校验前导码
802.3中长度域代替了DIX的类型域指出数据域的长度但是实际中长度和类型两种机制可以并存因为长度最多1500左右从1501到65535的值可用于类型段标识符
6.2.3 高速以太网
速率大于等于100Mb/s的以太网
1100BASE-T以太网
双绞线基带信号星形拓扑结构CSMA/CD协议全双工不需CSMA/CD和半双工都可
MAC帧仍是802.3标准一个网段的最大电缆长度减小到100m帧间间隔从原来的9.6 μ \mu μs改为0.96 μ \mu μs
2吉比特以太网
千兆以太网1Gb/s全双工和半双工802.3MAC帧向后兼容
310吉比特以太网
帧格式不变使用光纤只工作在全双工
6.3 IEEE 802.11无线局域网
6.3.1 无线局域网的组成
1有固定的基础设施无线局域网
星形拓扑中心为接入点AP基本服务集中的基站MAC层使用CSMA/CA协议802.11系列协议的局域网又称wifi
基本服务集BSS无线局域网的最小构件包括一个接入点和若干移动站
服务集标识符SSID该AP的无线的名字
基本服务区BSA一个基本服务集覆盖的地理范围
扩展的服务集ESS通过AP连接到一个分配系统DS然后再连接到另一个基本服务集还可以童工一种称为Portal门户的设备无用户提供到有线连接的以太网的接入门户的作用相当于一个网桥 2无固定基础设施移动自组织网络
没有AP是由一些平等状态的移动站相互通信组成的临时网络各结点之间低位平等中间结点都为转发结点因此都具有路由器功能
每个移动站都要参与网络中其他移动站的路由的发现和维护同时由移动站构成的网络拓扑可能随时间变化得很快因此固定网络中的路由选择协议对自组网络不适用
自组网络和移动IP不相同移动IP使漫游的主机可以用多种方法连接到因特网其核心网络功能仍然是基于固定网络中一直使用的各种路由选择协议自组网络把移动性扩展到无线领域中的自治系统具有自己特定的路由选择协议并且可以不和因特网相连 6.3.2 802.11局域网的MAC帧
三种类型数据帧控制帧管理帧
数据帧的组成
1MAC首部30B
2帧主体帧的数据部分不超过2313B
3帧检验序列FCS是尾部4B 帧中4个地址字段都是MAC地址第4个用于自组网络3个地址的内容取决于帧控制字段中去往AP和来自AP的数值
去往AP来自AP地址1地址2地址301目的地址发送AP地址AP转发时填自己的地址源地址10接收AP地址发给的AP的地址源地址目的地址00目的地址源地址BSSID11接收AP地址发送AP地址目的地址
1在哪儿哪儿就有AP的地址
路由器是网络层设备看不见链路层的接入点AP只认识A的IP地址而AP是链路层设备只认识MAC地址不认识IP地址 从路由器到A要经过AP把802.3帧转换为802.11帧
地址3在BSS和有线局域网互连中起着关键作用允许AP在构建以太网帧时能够确定目的MAC地址
6.4 VLAN虚拟局域网基本概念和原理
一个以太网是一个广播域一个以太网包含的计算机太多会导致
出现大量广播帧特别是经常使用ARP和DHCP协议的一个单位的不同部门共享一个局域网对信息保密和安全不利
通过VLAN把一个较大局域网分割成较小的与地理位置无关的逻辑上的VLAN每个VLAN是一个较小的广播域
VLAN标签在以太网帧中插入一个4B的小师傅源地址和类型之间
802.1Q帧插入VLAN标签的帧 VLAN标签的前两个字节设置为0x8100表示这是802.1Q帧
后两个字节前4位没用后12位是标识符VID唯一标识了该802.1Q帧属于哪个VLAN
插入VID帧的FCS必须重新计算 同一交换机同一VLAN就不用插入VLAN标签交换机转发帧之前要拿走插入的VLAN标签
如果是不同VLAN的通信就需要上层的路由器的转发也可以在交换机中嵌入专用芯片进行转发
7 广域网
7.1 广域网基本概念
广域网是因特网的核心部分任务是长距离运送主机所发生的数据连接广域网各结点交换机的链路都是高速链路
广域网不等于互联网广域网有一些结点交换机及连接这些交换机的链路组成
局域网使用的协议主要在数据链路层而广域网使用的协议主要在网络层 广域网的重要问题是路由选择和分组转发
常见的广域网数据链路层协议是PPP协议和HDLC协议很少使用
7.2 PPP点对点协议
是使用串行线路通信的面向字节帧的长度都是整数个字节的协议通过拨号或专线方式建立点对点连接发送数据使其称为各种主机网桥和路由器之间简单连接的一种共同的解决方案
组成部分
1链路控制协议LCP扩展链路控制协议用于建立配置测试和管理数据链路
2网络控制协议NCP允许同时采用多种网络层协议每个不同的网络层协议要用一个相应的NCP来配置为网络层协议建立和配置逻辑连接
3一个将IP数据报封装到串行链路的方法IP数据报在帧中就是数据部分长度受最大传送单元MTU的限制 标志字段F为7E(01111110)前后各占一字节若出现在信息字段中必须做字节填充使用的控制转义字节是7D01111101
地址字段A规定为0xFF
控制字段C规定为0x03
协议段说明信息段中运载的是什么种类的分组
信息段大于等于0且小于等于1500B
PPP是点对点的不是总线形就不用CSMA/CD协议就没有最短帧
帧检验序列FCS即循环冗余码检验中的冗余码检验包括地址控制协议和信息字段 PPP协议的特点
1能差错检测但不纠错值保证无差错接收通过硬件CRC校验是不可靠传输也不使用序号和确认机制
2只支持点对点不支持多点线路
3只支持全双工
4两端可以运行不同的网络层协议但仍然使用同一个PPP进行通信
5信息字段出现和标志字段一致的比特组合时PPP两种不同处理方法
在异步线路默认则采用字符填充法
在SONET/SDH等同步线路则采用硬件来完成比特填充
7.3 HDLC高级数据链路控制协议
面向比特不依赖任何一种字符编码集报文可透明传输用于实现透明传输的0比特插入法易于硬件实现全双工通信
帧采用CRC检验对信息帧进行顺序编号有确认机制可防止漏收过重发传输可靠性高
传输控制功能与处理功能分离具有较大的灵活性 标志字段F01111110
地址字段A根据不同的传送方式表示从站或应答站的地址
PPP和HDLC的区别
1PPP面向字节HDLC面向比特
2PPP帧比HDLC帧多一个字节的协议字段当协议字段值为0x0021表示信息字段是IP数据报
3PPP协议不适用序号和确认机制只保证无差错接收CRC检验而端到端差错检测由高层协议负责HDLC协议的信息帧使用了编号和确认机制能够提供可靠传输
8 数据链路层设备
8.1 网桥的基本概念
多个以太网通过网桥连接后 就成为一个覆盖范围更大的以太网原来的每个以太网称为一个网段
网桥工作在链路层的MAC子层可以使以太网各网段成为隔离开的碰撞域又称冲突域
各网段相对独立因此一个网段的故障不会影响到两一个网段的运行
网桥必须具有路径选择的功能接收到帧后要决定正确路径将该帧转发到相应的目的局域网站点
8.2 局域网交换机
交换机的原理和特点
又称以太网交换机实质上就是一个多端口的网桥工作在数据链路层
交换机的每个端口直接与单台主机或另一个交换机相连通常都工作在全双工方式
交换机的最大优点传统的以太网假设速率为10Mb/sN个用户时平均带宽只有总带宽的1/N使用了以太网交换机连接后每个端口的主机的带宽还是10Mb/s但由于一个用户在通信时是独占而不是和其他用户共享传输媒体的带宽因此交换机的总容量N*10Mb/s
交换机的特点1每个端口都直接与单台主机相连网桥的端口往往连接到一个网段一般是全双工方式
2同时连通多对端口每对相互通信的主机都能独占通信媒体那样无碰撞的传输数据
3即插即用内部转发表通过自学习算法自动建立
4使用专用的交换结构芯片交换速率较高
5交换机独占传输媒体的带宽
交换机主要的两种交换模式1直通式交换机只检查帧的目的地址使得帧在接收后能马上传出去速度快但缺乏智能性和安全性也无法支持具有不同速率的端口的交换
2存储转发式交换机缓存到高速缓存器中并检查数据是否正确确认无误后通过查找表转换成输出端口将该帧发送出去发送帧有错那就丢弃优点是可靠性高能支持不断速率端口的转换缺点是延迟较大
交换机一般具有多种速率的端口
交换机的自学习功能
过滤 决定一个帧应该转发都某个端口还是应该丢弃
转发决定一个帧应该被移动到哪个接口
交换机的过滤和转发借助于交换表完成
交换表的一个表项包含1一个MAC地址
2连通该MAC地址的交换机端口 交换表的每个表项都设有一定的有效时间过期自动删除保证了交换表的数据符合当前网络的实际状况从而使得交换机即插即用不必人工配置
