使用广播信道的数据链路层

使用广播信道的数据链路层

局域网的数据链路层

• 局域网最主要的特点是：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。
• 局域网具有如下的一些主要优点：
  • 具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网。局域网上的主机可共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源。
  • 便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活调整和改变。
  • 提高了系统的可靠性、可用性和残存性。

局域网的拓扑

媒体共享技术

静态划分信道

• 频分复用
• 时分复用
• 波分复用
• 码分复用

动态媒体接入控制（多点接入），现在主要采用的方式

• 随机接入（主要被以太网采用）。
• 受控接入 ，如多点线路探询(polling)，或轮询。（目前已不被采用）。

适配器的作用

• 网络接口板又称为通信适配器(adapter)或网络接口卡 NIC (Network Interface Card)，或“网卡”。
• 适配器的重要功能：
  • 进行串行/并行转换。
  • 对数据进行缓存。
  • 在计算机的操作系统安装设备驱动程序。
  • 实现以太网协议。

认识以太网

• 最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。当初认为这样的连接方法既简单又可靠，因为总线上没有有源器件。

以太网的广播方式发送

• 总线上的每一个工作的计算机都能检测到 B 发送的数据信号。
• 由于只有计算机 D 的地址与数据帧首部写入的地址一致，因此只有 D 才接收这个数据帧。
• 其他所有的计算机（A, C 和 E）都检测到不是发送给它们的数据帧，因此就丢弃这个数据帧而不能够收下来。
• 具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。

以太网采用的协议是：载波监听多点接入/碰撞检测 CSMA/CD

这是使用广播信道的数据链路层使用的协议；使用点对点信道的数据链路层使用的是PPP协议；注意区分。

• “多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。
• “载波监听”是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。
• 总线上并没有什么“载波”。因此， “载波监听”就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号。

碰撞检测

• “碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。
• 当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大（互相叠加）。
• 当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞。
• 所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。

• 图中可见，在A发出的信号到达B之前，B向A发出了信号；两个信号发生碰撞，碰撞后B向A发出的信号（棕色箭头）变为了叠加信号，到达A处后，被检验出是叠加信号，A由此判断信号发生了碰撞。
• 可知A端检测到发生碰撞的最大事件为2τ。
• 可知线路越长，检测到发生碰撞的时间越长，所以以太网网线不超过100m是有道理的。

重要特性

• 使用 CSMA/CD 协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信（半双工通信）。
• 每个站在发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。
• 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。

争用期

• 最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间 2τ （两倍的端到端往返时延）就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。
• 以太网的端到端往返时延 2τ 称为争用期，或碰撞窗口。
• 经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。

争用期的长度

• 以太网取 51.2 μs 为争用期的长度。
• 对于 10 Mb/s 以太网，在争用期内可发送512 bit，即 64 字节。
• 以太网在发送数据时，若前 64 字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。

最短有效帧

• 如果发生冲突，就一定是在发送的前 64 字节之内。
• 由于一检测到冲突就立即中止发送，这时已经发送出去的数据一定小于 64 字节。
• 以太网规定了最短有效帧长为 64 字节，凡长度小于 64 字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。

二进制指数类型退避算法

• 发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟（退避）一个随机时间才能再发送数据。

  • 确定基本退避时间，一般是取为争用期 2τ。

  • 定义重传次数 k ，k ≤ 10，即

    k = Min[重传次数, 10]

  • 从整数集合[0,1,…, (2k - 1)]中随机地取出一个数，记为 r。重传所需的时延就是 r 倍的基本退避时间。

  • 当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。

以太网的两个标准

• DIX Ethernet V2 是世界上第一个局域网产品（以太网）的规约。
• IEEE 的 802.3 标准。
• DIX Ethernet V2 标准与 IEEE 的 802.3 标准只有很小的差别，因此可以将 802.3 局域网简称为“以太网”。
• 严格说来，“以太网”应当是指符合 DIX Ethernet V2 标准的局域网

以太网与数据链路层的两个子层

为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，802 委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层：

• 逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control)子层。（现在一般不考虑该层）
• 媒体接入控制 MAC (Medium Access Control)子层。

以太网提供的服务

• 以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。
• 当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，其他什么也不做。差错的纠正由高层来决定。
• 如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但以太网并不知道这是一个重传的帧，而是当作一个新的数据帧来发送。