第5章鏈路層和局域網

網絡層：

提供兩臺主機之間的通信服務。

通信路徑由源主機和目的主機之間的一系列通信鏈路和路由器組成。鏈路1Chapter2鏈路層：分組如何通過各段鏈路網絡層的數(shù)據報如何被封裝成鏈路層的幀；

鏈路層協(xié)議是否能夠提供路由器之間的可靠數(shù)據傳輸；

通信路徑上不同的鏈路是否采用不同的鏈路層協(xié)議。yes鏈路2Chapter2學習目的了解數(shù)據鏈路層服務及協(xié)議原理:差錯檢測和糾錯共享廣播信道：多址訪問協(xié)議鏈路層尋址可靠傳輸各種鏈路層技術的實現(xiàn)3Chapter2鏈路層信道類型

廣播鏈路和點對點通信鏈路兩種。

廣播鏈路：

許多主機被連接到相同的通信信道。需要媒體訪問協(xié)議來協(xié)調傳輸和避免“碰撞”（沖突）。常用于局域網LAN、無線LAN、衛(wèi)星網和光纖電纜混合(HFC)接入網。

4Chapter2鏈路層的兩類信道

點對點通信鏈路：直接鏈接兩個節(jié)點的鏈路，每一端有一個節(jié)點。訪問控制簡單。主要解決問題：如成幀、可靠數(shù)據傳輸、差錯檢測和流量控制等。如兩臺路由器之間的通信鏈路，或住宅的撥號調制解調器與ISP路由器之間的通信鏈路。5Chapter2主要內容5.1概述與服務5.2差錯檢測和糾錯5.3多路訪問協(xié)議5.4鏈路層編址5.5以太網5.6集線器和交換機5.7PPP5.8鏈路虛擬化:ATM5.9小結6Chapter25.1概述和服務節(jié)點(node)：主機和路由器鏈路(link)：連接相鄰節(jié)點的通信信道。鏈路層傳輸數(shù)據報的過程：沿端到端路徑上的每段獨立的鏈路傳輸。發(fā)送節(jié)點先將數(shù)據報封裝成鏈路層幀，發(fā)送到鏈路上；接收節(jié)點接收該幀，并提取出數(shù)據報。節(jié)點鏈路5.1.1鏈路層提供的服務5.1.2適配器通信7Chapter25.1.1鏈路層提供的服務鏈路層功能：將分組通過一個鏈路，從一個節(jié)點傳輸?shù)洁徑牧硪粋€節(jié)點。鏈路層協(xié)議：用來在單段鏈路上傳輸分組。

定義了在鏈路兩端的節(jié)點之間交互的分組格式，以及當發(fā)送和接收分組時節(jié)點采取的動作。交換的數(shù)據單元稱為幀(frame)，封裝了一個網絡層的數(shù)據報。所采取的動作：包括差錯檢測、重傳、流量控制和隨機訪問。典型協(xié)議：以太網、802.11無線LAN、令牌環(huán)和PPP，以及ATM。8Chapter2網絡層與鏈路層關系網絡層：將傳輸層報文段從源主機傳送到目的主機。能夠在各段鏈路層提供異構服務的情況下，完成端到端的工作。鏈路層：將網絡層數(shù)據報從一個節(jié)點傳送到下一個節(jié)點（單段鏈路）。

不同的鏈路采用不同的鏈路層協(xié)議，提供的服務不同。9Chapter2類比例旅行社組織游客從A地到B地。經過3段旅程，如圖。游客：數(shù)據報；運輸區(qū)段：通信鏈路；運輸方式：鏈路層協(xié)議，如汽車、飛機和火車。旅行社：選路協(xié)議。汽車飛機火車AB10Chapter2鏈路層提供的服務將數(shù)據報通過一條通信鏈路從一個節(jié)點“移動”到相鄰的節(jié)點。

成幀：把網絡層數(shù)據報封裝成鏈路層幀，再傳送到鏈路上。首部包括若干字段：如編號、物理地址等。不同的鏈路層協(xié)議，幀格式可能不同。首部數(shù)據報11Chapter2鏈路訪問：由媒體訪問控制MAC協(xié)議定義幀在鏈路上傳輸?shù)囊?guī)則。點對點鏈路：一個發(fā)送方和一個接收方，MAC協(xié)議比較簡單(或不存在)，即任何時候只要鏈路空閑，發(fā)送方都能夠發(fā)送幀。廣播鏈路：多個節(jié)點共享一個鏈路（多路訪問），使用MAC協(xié)議協(xié)調多個節(jié)點的幀傳輸。鏈路層提供的服務12Chapter2鏈路層提供的服務可靠交付：保證網絡層的數(shù)據報無差錯地通過鏈路層。與運輸層類似，可通過確認和重傳獲得。高差錯率的鏈路：如無線鏈路，在本地(發(fā)生差錯的鏈路)糾正差錯，不通過運輸層或應用層協(xié)議進行端到端的數(shù)據重傳；低差錯率的鏈路：如光纖、同軸電纜、雙絞線鏈路，不需提供可靠的傳輸服務。13Chapter2流量控制：防止發(fā)送節(jié)點的發(fā)送速率過高，避免接收節(jié)點來不及處理。鏈路節(jié)點的幀緩存容量有限。

當幀到達接收節(jié)點的速率大于其處理速率，接收方緩沖區(qū)產生溢出，幀會丟失。

鏈路層提供的服務14Chapter2鏈路層提供的服務差錯檢測：幀在傳輸時有可能出現(xiàn)比特差錯（10、01）。差錯檢測用來檢測是否存在一個或多個差錯。

發(fā)送節(jié)點：在幀中設置差錯檢測比特；

接收節(jié)點：對收到的幀進行差錯檢測。通過硬件實現(xiàn)。差錯糾正：與差錯檢測類似。接收方不僅能檢測幀中是否出現(xiàn)差錯，還能判斷差錯的位置，并進行糾正。15Chapter2鏈路層提供的服務半雙工和全雙工：全雙工傳輸：鏈路兩端的節(jié)點可以同時傳輸分組。半雙工傳輸：鏈路兩端的節(jié)點不能同時傳輸和接收，只能交替。16Chapter2鏈路層服務和運輸層服務比較運輸層協(xié)議：在端到端的基礎上為兩個進程之間提供可靠傳輸；流量控制是在端到端的基礎上提供。鏈路層協(xié)議：在一條鏈路相連的兩個節(jié)點之間提供可靠傳輸。流量控制是在相鄰節(jié)點之間的基礎上提供。17Chapter25.1.2適配器通信適配器(adapter)：網絡接口卡（NIC，networkinterfacecard）。是一個電路板（或PCMCIA板），包括RAM、DSP芯片、主機總線接口和鏈路接口。實現(xiàn)物理層及鏈路層的主要功能。發(fā)送節(jié)點幀接收節(jié)點數(shù)據報幀適配器適配器鏈路層協(xié)議18Chapter2鏈路層功能實現(xiàn)相鄰節(jié)點間幀的傳輸：成幀，傳輸幀，接收幀，解封發(fā)送節(jié)點：網絡層將數(shù)據報傳遞到適配器，封裝成幀，將幀傳輸?shù)酵ㄐ沛溌贰＝邮展?jié)點：適配器接收幀，解封取出數(shù)據報，傳遞給網絡層。

差錯檢測：發(fā)送適配器設置差錯檢測比特，接收適配器完成差錯檢測。可靠交付：

具體實現(xiàn)可靠交付的機制(如序號、定時器和確認)。

隨機訪問：實現(xiàn)隨機訪問協(xié)議。19Chapter2特點是一個半自治的單元。適配器接收幀，并判斷是否有差錯出錯：直接丟棄該幀，不通知它的“父節(jié)點”（適配器所在的節(jié)點）。正確：向上傳遞網絡層數(shù)據報，中斷其“父節(jié)點”。適配器發(fā)送幀：節(jié)點把網絡層數(shù)據報向下傳給適配器，由適配器負責在鏈路上傳輸數(shù)據報。硬件上：適配器和節(jié)點的其他部分在同一個物理盒子中，共享電源和總線，在節(jié)點的控制之下。20Chapter2適配器組成總線接口：負責與父節(jié)點通信。在適配器和父節(jié)點之間傳輸數(shù)據和控制信息。鏈路接口：負責實現(xiàn)鏈路層協(xié)議。將數(shù)據報成幀（發(fā)送）、解幀獲得數(shù)據報（接收），并提供差錯檢測、隨機訪問和其他鏈路層功能。包含傳輸和接收電路。網卡速率：10Mbps、100Mbps、10/100M自適應。21Chapter25.2差錯檢測和糾錯技術

比特級差錯檢測和糾錯對一個節(jié)點發(fā)送到一個相鄰節(jié)點的幀，檢測是否出現(xiàn)比特差錯，并糾正。相關技術很多。差錯檢測和糾錯的過程網絡層數(shù)據鏈路層，幀22Chapter2

發(fā)送節(jié)點將數(shù)據D附加若干差錯檢測和糾錯位EDC，一起發(fā)送到鏈路。數(shù)據D包括網絡層傳來的數(shù)據報，以及鏈路級尋址信息、序列號和其他字段。保護范圍包括數(shù)據D的所有字段。網絡層數(shù)據鏈路層，幀23Chapter2接收節(jié)點

接收比特序列D'和EDC'。如果發(fā)生傳輸比特錯誤（01，10），D'和EDC'可能與發(fā)送的D和EDC不同。

接收方根據D'和EDC'，判斷D'是否和初始的D相同（D的傳輸是否正確）。

正確：解封取出數(shù)據報，交給網絡層；

出錯：差錯處理。網絡層數(shù)據鏈路層，幀24Chapter2說明：差錯檢測和糾正技術不能保證接收方檢測到所有的比特差錯，即可能出現(xiàn)未檢測到的比特差錯，而接收方并未發(fā)現(xiàn)。選擇一個合適的差錯檢測方案使未檢測到的情況發(fā)生的概率很小。差錯檢測和糾錯技術越好，越復雜，開銷更大。25Chapter2三種主要差錯檢測技術奇偶校驗：最基本的方法。檢查和方法：常用于運輸層。循環(huán)冗余檢測：常用于鏈路層。5.2.1奇偶校驗5.2.2檢查和方法5.2.3循環(huán)冗余檢測26Chapter2

1、一比特奇偶校驗

發(fā)送方：在要發(fā)送的信息D（d位）后面附加一個奇偶校驗位使“1”的個數(shù)是奇數(shù)（奇校驗）或偶數(shù)（偶校驗）

一起傳輸發(fā)送（d+1位）。01110001101010111d位數(shù)據校驗位偶校驗27Chapter2

接收方：檢測收到的信息（d+1位）中“1”的個數(shù)。

偶校驗：發(fā)現(xiàn)奇數(shù)個“1”，至少有一個比特發(fā)生差錯（奇數(shù)個比特差錯）。

奇校驗：發(fā)現(xiàn)偶數(shù)個“1”，至少有一個比特發(fā)生差錯。01110001101010111d位數(shù)據校驗位偶校驗28Chapter2特點可以查出任意奇數(shù)個錯誤，但不能發(fā)現(xiàn)偶數(shù)個錯誤。若比特差錯概率很小，差錯獨立發(fā)生，一比特奇偶校驗可滿足要求。若差錯集中一起“突發(fā)”（突發(fā)差錯），一幀中未檢測到的差錯的概率達到50%。29Chapter22、二維奇偶校驗基本思想：將要傳信息D（d比特）劃分為i行j列（i個組，每組j位）；對每行和每列分別計算奇偶值；結果的i+j+1個奇偶比特構成了幀的差錯檢測比特。

i行j列30Chapter2例特點：可以檢測并糾正單個比特差錯（數(shù)據或校驗位中）。能夠檢測(但不能糾正)分組中任意兩個比特的差錯。行、列確定要發(fā)送的數(shù)據比特101011111001110，劃分3組，每組5個比特。進行行、列偶校驗31Chapter2前向差錯糾正FEC接收方可以檢測并糾正差錯。可與ARQ技術一起應用，接收方立即糾正差錯，減少發(fā)送方重發(fā)的次數(shù)。降低分組傳輸?shù)耐祩鞑r延，適用于實時網絡應用。32Chapter25.2.2檢查和方法把要發(fā)送的d位數(shù)據看成是一個k位整數(shù)的序列，將這些k位整數(shù)加起來，得到的和作為差錯檢測比特。

TCP和UDP協(xié)議：對所有字段(包括首部和數(shù)據字段)都計算因特網檢查和。

有些協(xié)議：對首部計算一個檢查和，對整個分組計算另一個檢查和。33Chapter2檢查和發(fā)送方：將數(shù)據的每兩個字節(jié)當作一個16位的整數(shù)，可分成若干整數(shù)；將所有16位的整數(shù)求和；對得到的和逐位取反，作為檢查和，放在報文段首部，一起發(fā)送。

接收方：

對接收到的信息(包括檢查和)按與發(fā)送方相同的方法求和。全“1”：收到的數(shù)據無差錯；其中有“0”：收到的數(shù)據出現(xiàn)差錯。或者核對計算的檢查和是否等于檢查和字段的值。34Chapter2011001100110000001010101010101011000111100001100101001010110000010100101011000010

例子注意當數(shù)字作加法時，最高位的進位要回加到結果中。例，有三個16比特的字：回卷和檢查和（取反）無差錯，和為：

1011010100111101111111111111111135Chapter2檢查和特點：分組開銷小：檢查和位數(shù)比較少；差錯檢測能力弱：適用于運輸層（差錯檢測用軟件實現(xiàn)，檢查和方法簡單、快速）。鏈路層的差錯檢測由適配器中專用的硬件實現(xiàn)，采用更強的CRC方法。36Chapter25.2.3循環(huán)冗余檢測計算機網絡中廣泛采用。

循環(huán)冗余檢測CRC(cyclicredundancycheck)編碼：即多項式編碼，把要發(fā)送的比特串看作為系數(shù)是0或1的一個多項式，對比特串的操作看作為多項式運算。

基本思想：設發(fā)送節(jié)點要把數(shù)據D（d比特）發(fā)送給接收節(jié)點。發(fā)送方和接收方先共同選定一個生成多項式G（r+1比特），最高有效位(最左邊)是1。10111

x4+x2+x+137Chapter2

發(fā)送方：計算出一個r位附加比特R，添加到D的后面產生DR（d+r比特）

DR能被G模2運算整除，一起發(fā)送。

接收方：用G去除接收到的DR（d+r比特）

余數(shù)非0：傳輸發(fā)生差錯；

余數(shù)為0：傳輸正確，去掉尾部r位，得所需數(shù)據D。基本思想D:要發(fā)送的數(shù)據（d位）R:CRC校驗（r位）DR（d+r位）38Chapter2模2運算：加法不進位，減法不借位，即操作數(shù)的按位異或(XOR)例1011XOR0101=1110；1011-0101=11101001XOR1101=0100；1001-1101=0100乘法和除法與二進制運算類似，其中加法或減法沒有進位或借位。乘以2r，即比特模式左移r個位置。D×2r

XORR=D00…00XORR=DR(d+r

比特)39Chapter2計算R（CRC比特）：DR能被G模2運算整除：即D×2rXORR=nG等式兩邊都用R異或，得到

D×2r

=nGXORR

即用G來除D×2r，余數(shù)值剛好為R。R的計算：將數(shù)據D后面添加r個0，除以給定的生成多項式G，所得余數(shù)即為R（r位）。40Chapter2例設(數(shù)據)D=101110,d=6,G(生成多項式)

=1001,r=3實際傳輸?shù)臄?shù)據形式是：101110011r+1位D后添加3個03位41Chapter2

生成多項式G的選擇：有8、12、16和32比特生成多項式G。

8比特的CRC用于保護ATM信元首部；

32比特的標準CRC-32用于鏈路級協(xié)議：GCRC-32=100000100110000010001110110110111CRC特點：

能檢測小于r+1位的突發(fā)差錯、任何奇數(shù)個差錯。42Chapter25.3多（址）路訪問協(xié)議兩種網絡鏈路：點對點鏈路：鏈路兩端各一個節(jié)點。一個發(fā)送和一個接收。如，點對點協(xié)議PPP。廣播鏈路：

多個節(jié)點連接到一個共享的廣播信道。廣播：任何一個節(jié)點傳輸一幀時，信號在信道上廣播，其他節(jié)點都可以收到一個拷貝。常用于局域網LAN中，如以太網和無線局域網。本節(jié)主要學習廣播鏈路的信道共享技術。43Chapter2廣播信道要解決問題

傳統(tǒng)的廣播電視：是單向的廣播，一個固定的節(jié)點向許多接收節(jié)點發(fā)送。

計算機網絡：廣播信道上的節(jié)點都能夠發(fā)送和接收。好比許多人聚集在一起交談（空氣是廣播媒體）。解決“誰在什么時候獲得說話權力”(向信道發(fā)送)。

多路訪問問題：如何協(xié)調多個發(fā)送和接收節(jié)點對共享廣播信道的訪問。相關技術是多路訪問協(xié)議。44Chapter2多路訪問協(xié)議目的：協(xié)調多個節(jié)點在共享廣播信道上的傳輸。避免多個節(jié)點同時使用信道，發(fā)生沖突（碰撞），產生互相干擾。沖突（collide）：兩個以上的節(jié)點同時傳輸幀，使接收方收不到正確的幀（所有沖突的幀都受損丟失）。造成廣播信道時間的浪費。

多路訪問協(xié)議可用于許多不同的網絡環(huán)境，如有線和無線局域網、衛(wèi)星網等。如圖5-9。45Chapter246Chapter2多路訪問協(xié)議類型（三類）信道劃分協(xié)議把信道劃分為小“片”(時隙)給節(jié)點分配專用的小“片”隨機訪問協(xié)議不劃分信道，允許沖突能從沖突中“恢復”輪流協(xié)議通過輪流訪問信道避免沖突，要發(fā)送的節(jié)點越多輪流時間越長47Chapter2多路訪問協(xié)議的理想特性設廣播信道的速率為Rb/s只有一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據時：該節(jié)點的吞吐量為R

b/s有M個節(jié)點發(fā)送數(shù)據時：每個節(jié)點吞吐量為R/M

b/s；協(xié)議是分散的：不需要主節(jié)點協(xié)調傳輸協(xié)議是簡單的：實現(xiàn)方便、價格適中。5.3.1信道劃分協(xié)議5.3.2隨機訪問協(xié)議5.3.3輪流協(xié)議5.3.4局域網48Chapter25.3.1信道劃分協(xié)議主要有TDM、FDM、CDMA三種。設信道支持N個節(jié)點，傳輸速率是Rb/s。

時分多路復用(TDM)：將時間劃分為時間幀，每個時間幀再劃分為N個時隙（長度保證發(fā)送一個分組），分別分配給N個節(jié)點。每個節(jié)點只在固定分配的時隙中傳輸。例：6個站點的LAN,時隙1、3、4有分組,時隙2、5、6空閑49Chapter2TDM特點避免沖突、公平：每個節(jié)點專用速率R/N

b/s。節(jié)點速率有限：R/N

b/s；效率不高：節(jié)點必須等待它的傳輸時隙。50Chapter2

頻分多路復用(FDM)：將總信道帶寬Rb/s劃分為N個較小信道（頻段，帶寬為R/N），分別分配給N個節(jié)點。例：6個站點的LAN,頻帶1、3、4有分組,頻帶2、5、6空閑frequencybandstime

特點：與TDM類似。

避免沖突、公平：N個節(jié)點公平劃分帶寬；

節(jié)點帶寬有限、效率不高：節(jié)點帶寬為R/N。51Chapter2碼分多址CDMA(codedivisionmultipleaccess)基本思想：給每個節(jié)點分配一個不同的代碼（CDMA代碼，碼片序列）；每個節(jié)點用惟一的代碼對要發(fā)送的數(shù)據進行編碼；不同節(jié)點可以同時發(fā)送，并正確到達接收方（不會互相干擾）。最初：用于軍事通信，抗干擾能力強；目前：用于移動通信、無線多路訪問信道等。52Chapter25.3.2隨機訪問協(xié)議基本思想：發(fā)送節(jié)點以信道全部速率（R

b/s）發(fā)送；發(fā)生沖突時，沖突的每個節(jié)點分別等待一個隨機時間，再重發(fā)，直到幀(分組)發(fā)送成功。典型隨機訪問協(xié)議：ALOHA協(xié)議載波監(jiān)聽多路訪問CSMA協(xié)議帶沖突檢測載波監(jiān)聽多路訪問CSMA/CD53Chapter2ALOHAALOHA：夏威夷大學研制的一個無線電廣播通信網（20世紀70年代初）。采用星型拓撲結構，使地理上分散的用戶通過無線電來使用中心主機。中心主機通過下行信道向二級主機廣播分組；二級主機通過上行信道向中心主機發(fā)送分組（可能會沖突，無線電信道是一個公用信道）。有若干種形式：

時隙ALOHA

純ALOHA中心54Chapter21、時隙ALOHA假設：所有的幀長L

比特；時間被劃分為若干等長的時隙（長度為一幀的傳輸時間L/Rs）；節(jié)點只在時隙的開始點傳輸幀；所有節(jié)點同步傳輸，知道時隙什么時候開始；如果一個時隙有多個節(jié)點同時傳送，所有節(jié)點都能檢測到沖突55Chapter2時隙ALOHA操作過程：當節(jié)點有新的幀要發(fā)送，需等到下一個時隙開始，才傳輸整個幀。無沖突：節(jié)點成功傳輸幀。有沖突：節(jié)點檢測到沖突后，以概率p在后續(xù)的每一個時隙重傳該幀，直到成功。重傳56Chapter2特點：當只有一個活動節(jié)點（有幀要發(fā)送）時，以全速R連續(xù)傳輸。分散的：每個節(jié)點檢測沖突并獨立決定何時重傳；發(fā)送控制簡單；有多個活動節(jié)點時效率低。57Chapter2效率(efficiency)：當有許多活動節(jié)點時，在發(fā)送的許多幀中，成功時隙的份額。最低效率：沒有任何訪問控制，每個節(jié)點都在沖突之后立即重傳，效率為零。58Chapter2效率計算有三種可能時隙：沖突時隙C：出現(xiàn)幀沖突，被“浪費”。空閑時隙E：所有活動節(jié)點停止傳輸，被“浪費”。成功時隙S：只有一個節(jié)點在傳輸?shù)臅r隙。59Chapter2效率計算假設：有N個節(jié)點；每個節(jié)點都有一幀（新幀或重傳幀）要發(fā)送，試圖在每個時隙以概率p傳輸。成功時隙的概率：只有一個節(jié)點傳輸而其他N-1個節(jié)點不傳輸?shù)母怕省Ｈ粢粋€節(jié)點傳輸?shù)母怕适莗，剩余的節(jié)點不傳輸?shù)母怕适?1-p)N-1。一個給定的節(jié)點成功傳送的概率是p(1-p)N-160Chapter2時隙ALOHA的效率：N個節(jié)點中，任意節(jié)點成功傳送的概率：

N

p(1-p)N-1取極限后，最大效率為：1/e=0.37。即當許多節(jié)點都有很多幀要傳輸時，最多只有37%的時隙在成功傳輸，信道有效的傳輸速率是0.37Rb/s。類似分析得出：37%的時隙空，26%的時隙有沖突。61Chapter22、純ALOHAALOHA的最初形式。是一個非時隙、完全分散的協(xié)議。工作過程：節(jié)點有幀要發(fā)，就立即傳輸。如果與其他幀產生沖突，在該沖突幀傳完之后以概率p立即重傳該幀；

或等待一個幀的傳輸時間，再以概率p傳輸該幀，或者以概率1-p等待另一個幀的時間。62Chapter2純ALOHA最大效率：假設：幀傳輸時間為一個時間單元。任何給定時間，一個節(jié)點傳輸一幀的概率是p。節(jié)點i在時間t0開始傳輸幀，如圖5-12所示。結果：在t0發(fā)送的幀會和在

[t0-1,t0+1]的發(fā)送的其它幀沖突與i幀開始部分重疊與i幀結束部分重疊63Chapter2保證幀成功傳輸：在時間間隔[t0

-1，t0]中，不能有其他節(jié)點開始傳輸。

其他節(jié)點沒有開始傳輸?shù)母怕适?1-p)N-1當節(jié)點i傳輸時，在時間間隔[t0

，t0+1]中，其他節(jié)點不能開始傳輸。

其他節(jié)點沒有開始傳輸?shù)母怕适?1-p)N-1。64Chapter2純ALOHA效率P(給定節(jié)點成功傳送)=P(節(jié)點傳送)·P(沒有其他節(jié)點在[t0-1,t0]內傳送)

·P(沒有其他節(jié)點在[t0,t0+1]內傳送)=p

.(1-p)N-1.(1-p)N-1

=p

.(1-p)2(N-1)

取極限為1/(2e)=0.18。

只有時隙ALOHA協(xié)議的一半。65Chapter2ALOHA協(xié)議：每個節(jié)點的傳輸與廣播信道上其他節(jié)點的活動是相互獨立的。一個節(jié)點開始傳輸時并不知道是否有其他節(jié)點正在傳輸；發(fā)生沖突時不會停止傳輸。效率不高。66Chapter23、CSMA（載波偵聽多路訪問）增加兩個規(guī)則。載波偵聽CS：某個節(jié)點在發(fā)送之前，先監(jiān)聽信道。信道忙：有其他節(jié)點正往信道發(fā)送幀，該節(jié)點隨機等待（回退）一段時間，然后再偵聽信道。信道空：該節(jié)點開始傳輸幀。沖突檢測CD：邊發(fā)送邊監(jiān)聽，即節(jié)點在傳輸同時偵聽信道。如果檢測到有其他節(jié)點正在傳輸幀，發(fā)生沖突，立即停止傳輸，并用某種方法來決定何時再重新傳輸。人類類比:不要打斷他人說話!67Chapter2兩種相應的協(xié)議：載波偵聽多路訪問CSMA（carriersensemultipleaccess）帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問CSMA/CD(CSMAwithcollisiondetection)68Chapter2CSMA：只增加“載波偵聽”規(guī)則。也叫“先聽后講”LBT（listenbeforetalk）。基本原理：

傳送前偵聽信道閑：傳送整個幀信道忙：延遲傳送特點：發(fā)前監(jiān)聽，可減少沖突。由于傳播時延的存在，仍有可能出現(xiàn)沖突，并造成信道浪費。69Chapter2例一個廣播總線連接4個節(jié)點(A、B、C、D)傳輸?shù)臅r空圖。節(jié)點的空間分布

70Chapter2時間t0：節(jié)點B偵聽到信道空，開始傳輸幀，沿著媒體傳播比特。時間t1（t1t0）：節(jié)點D有幀要發(fā)送。B的傳輸信號未到D，D檢測到信道空，開始傳輸。很快，B的傳輸開始在D節(jié)點干擾D的傳輸（沖突）端到端信道傳播時延：信號從一個節(jié)點到另一個節(jié)點所花費的傳播時間。傳播時延越長，節(jié)點不能偵聽到另一個節(jié)點已經開始傳輸?shù)目赡苄栽酱蟆?1Chapter2帶來問題：信道浪費

節(jié)點沒有進行沖突檢測，既使發(fā)生了沖突，節(jié)點仍繼續(xù)傳輸它們的幀。但該幀已經被破壞、是無用的幀，信道傳輸時間被浪費。注意：距離與傳播時延對碰撞概率的影響。72Chapter2帶沖突檢測的CSMA(CSMA/CD)：增加“載波偵聽”和“沖突檢測”兩個規(guī)則。“邊說邊聽”LWT（listenwhiletalk）。基本原理：

傳送前偵聽信道忙：延遲傳送信道閑：傳送整個幀發(fā)送同時進行沖突檢測：一旦檢測到沖突就立即停止傳輸，盡快重發(fā)。目的：縮短無效傳送時間，提高信道的利用率。73Chapter2例兩個節(jié)點B、D在檢測到沖突之后很短的時間內都放棄傳輸。以太網即采用CSMA/CD協(xié)議。檢測到沖突放棄傳輸74Chapter25.3.3輪流協(xié)議多路訪問協(xié)議理想特性：只有一個節(jié)點活動時，吞吐量R

b/s；有M個節(jié)點活動時，吞吐量R/M

b/s。ALOHA和CSMA協(xié)議有第一個特性，但沒有第二個特性。1、輪詢協(xié)議2、令牌傳遞協(xié)議75Chapter21、輪詢協(xié)議(pollingprotocol)指定一個主節(jié)點，以循環(huán)的方式輪詢每個節(jié)點。并告訴節(jié)點能夠傳輸?shù)淖畲髱瑪?shù)。輪詢順序：

12……

n

主節(jié)點通過觀察信道上是否有信號來判斷節(jié)點何時完成了幀的發(fā)送，再詢問下一節(jié)點。數(shù)據幀主節(jié)點1……2n輪詢幀76Chapter2特點：消除沖突和空時隙，效率高。有輪詢時延：活動節(jié)點不能立即傳輸幀，等待被輪詢；如果主節(jié)點失效，整個信道都不能用。77Chapter22、令牌傳遞協(xié)議

(token-passingprotocol)沒有主節(jié)點。設置一個令牌(token，小的專用幀)；令牌以固定順序循環(huán)傳遞，給節(jié)點傳輸機會。如：12……

n節(jié)點收到令牌：有幀要發(fā)送，傳輸，傳完后將令牌轉發(fā)到下一節(jié)點；否則，直接將令牌轉發(fā)到下一節(jié)點。78Chapter2特點：令牌傳遞是分散的，效率高。一個節(jié)點的失效會使整個信道崩潰。一個節(jié)點忘記釋放令牌，必須恢復令牌到環(huán)中。相應協(xié)議標準：IEEE802.5令牌環(huán)。79Chapter25.3.4局域網(LAN)LAN：是一個地理范圍小的計算機網絡。計算機網絡的一個分支。特點：地理范圍小：幾公里。如一棟樓，一所大學。使用多路訪問協(xié)議：如CSMA/CD。數(shù)據傳輸速率R高：10Mb/s、100Mb/s、1Gb/s、10Gb/s單位擁有。80Chapter2局域網拓撲結構：81Chapter2應用：范圍廣。典型應用：單位用戶通過LAN接入因特網。用戶主機先組成LAN，LAN通過路由器接入因特網。82Chapter2局域網協(xié)議標準：IEEE802標準系列。IEEE802委員會：美國電氣和電子工程師協(xié)會在1980年2月成立的一個分委員會，專門制訂局域網的相關標準典型標準：IEEE802.3：CSMA/CD以太網。IEEE802.4：令牌總線網。IEEE802.5：令牌環(huán)形網。IEEE802.11：無線局域網。IEEE802.12：新型高速局域網(100Mb/s)。83Chapter2兩種典型LAN技術：隨機訪問技術：以太網LAN（802.3LAN）。令牌傳遞技術：令牌環(huán)（tokenring，IEEE802.5）FDDI（光纖式分布數(shù)據接口）。84Chapter2令牌環(huán)N個節(jié)點(主機和路由器)通過直接鏈路連接成一個環(huán)。工作過程：令牌沿環(huán)路順序傳遞。一個節(jié)點有幀要發(fā)，等待“令牌”到達；得到令牌，發(fā)送一個幀，沿著整個環(huán)傳播；到達目的節(jié)點，將其接收（復制），作標記，繼續(xù)傳幀沿環(huán)路循環(huán)一周返回源點，檢查標記傳輸是否成功

不成功：重發(fā)該幀；

成功：將其從環(huán)中移走（刪除），并傳遞“令牌”。發(fā)送接收85Chapter2FDDI：用于地理范圍更大的LAN，如城域網MAN。由目的節(jié)點將收到的幀從環(huán)中移走。FDDI不是純粹的廣播信道，每個節(jié)點并不接收每個傳輸?shù)膸?6Chapter25.4鏈路層編址

每個節(jié)點有網絡層地址和鏈路層地址。網絡層地址：節(jié)點在互連網絡中分配的一個唯一地址（IP地址）。用于把分組送到目的IP網絡。長度為32比特（IPv4）。包括兩部分：網絡號：指明主機所在物理網絡的編號。主機號：主機在物理網絡中的編號。鏈路層地址：MAC地址。用于把數(shù)據幀從一個節(jié)點傳送到另一個節(jié)點(同一網絡中)。87Chapter2A類：大型B類：中型C類：小型D類：88Chapter2IP地址“點分十進制”表示：將4個字節(jié)中的每一個字節(jié)分別用十進制數(shù)來表示，4個十進制數(shù)之間用“.”分隔。如IP地址：11000001001000001101100000001001193

.

32

.

216

.

9 89Chapter25.4.1MAC地址MAC地址（LAN地址、物理地址）：是節(jié)點“網卡”本身所帶的地址（惟一）。MAC地址長度通常為6字節(jié)，共248個(1612)。6字節(jié)地址用16進制表示，每個字節(jié)表示為一對16進制數(shù)“網卡”的MAC地址是永久的（生產時固化在其ROM里）。如圖5-16所示。90Chapter21A-2F-BB-76-09-AD58-23-D7-FA-20-B00C-C4-11-6F-E3-9871-65-F7-2B-08-53

LAN(有線的或無線的)適配器（網卡）91Chapter2MAC地址分配：

由專門機構IEEE管理物理地址空間。負責分配六個字節(jié)中的前三個字節(jié)（高24位，地址塊）。

MAC地址是平面結構：帶有同一網卡的節(jié)點，在任何網絡中都有同樣的MAC地址。

IP地址具有層次結構：當節(jié)點移動到不同網絡時，節(jié)點的IP地址發(fā)生改變。字節(jié)向IEEE購買廠家自行分配12345692Chapter2MAC地址識別：廣播信道LAN中，一個節(jié)點發(fā)送的幀，在信道上廣播傳輸，其他節(jié)點都可能收到該幀。大多數(shù)情況，一個節(jié)點只向某個特定的節(jié)點發(fā)送。由“網卡”負責MAC地址的封裝和識別。發(fā)送適配器：將目的MAC地址封裝到幀中，并發(fā)送。所有其他適配器都會收到這個幀。

接收適配器：檢查幀的目的MAC地址是否與自己MAC地址相匹配：

匹配：接收該幀，取出數(shù)據報，并傳遞給上層。需要中斷“父節(jié)點”。

不匹配：丟棄該幀。93Chapter2特殊幀廣播幀：發(fā)送給所有節(jié)點的幀。

MAC廣播地址：全1地址。如以太網和令牌傳遞LAN，其廣播地址是48個連續(xù)的1組成的字符串，即：

FF-FF-FF-FF-FF-FF94Chapter2節(jié)點的3種不同地址表示：應用層的主機名、網絡層的IP地址和鏈路層的MAC地址實際在鏈路上傳輸時，根據MAC地址，確定相應的節(jié)點1A-2F-BB-76-09-AD58-23-D7-FA-20-B00C-C4-11-6F-E3-98

LAN237.196.7.23237.196.7.78237.196.7.14237.196.7.8871-65-F7-2B-08-5395Chapter2地址之間的轉換通信時，需要進行地址轉換：

主機名

IP地址

MAC地址DNS域名系統(tǒng)：將主機名解析到IP地址。DNS為在因特網中任何地方的主機解析主機名。ARP地址解析協(xié)議：將IP地址解析到MAC地址。ARP只為在同一個LAN上的節(jié)點解析IP地址。96Chapter25.5以太網LAN技術：以太網、令牌環(huán)、FDDI和ATM等。到目前為止，以太網最流行。以太網成功的原因：是第一個廣泛使用的高速LAN；簡單、便宜；版本不斷更新，數(shù)據速率更高、成本更低。Ethernet97Chapter2常用傳輸介質表示：<傳輸速率><介質類型><網段最大長度（×100m）>10Base2：細同軸電纜，速率10Mb/s，最大網段185m10Base5：粗同軸電纜，速率10Mb/s，最大網段500m10BaseT：雙絞線電纜，速率10Mb/s，最大網段100m基帶信號98Chapter2常用拓撲結構總線Metcalfe的以太網草圖99Chapter2星型拓撲20世紀90年代后開始流行連接設備:集線器或交換機集線器或交換機100Chapter25.5.1以太網幀結構5.5.2CSMA/CD:以太網的多路訪問協(xié)議5.5.3以太網技術101Chapter21、以太網的幀結構CRC檢測范圍字節(jié)866246～15004前同步碼 目的地址 源地址類型數(shù)據CRC發(fā)送方：發(fā)送適配器將IP數(shù)據報封裝成以太網幀，并傳遞到物理層。接收方：接收適配器從物理層收到該幀，取出IP數(shù)據報，并傳遞給網絡層。有效的MAC幀長度為64~1518

字節(jié)之間。幀的長度不是整數(shù)個字節(jié)；102Chapter2各字段含義：例，同一以太網LAN中兩臺主機通信。主機A向主機B發(fā)送一個IP數(shù)據報。主機A適配器的MAC地址：

AA-AA-AA-AA-AA-AA主機B適配器的MAC地址：

BB-BB-BB-BB-BB-BB103Chapter2數(shù)據字段(46～1500字節(jié))：攜帶網絡層傳來的IP數(shù)據報。以太網的最大傳輸單元MTU是1500字節(jié)：若IP數(shù)據報超過1500字節(jié)，必須將該數(shù)據報分段。最小長度是46字節(jié)：如果IP數(shù)據報小于46字節(jié)，必須填充為46字節(jié)。接收方網絡層去除填充內容。104Chapter2目的地址(6字節(jié))：目的適配器的MAC地址。如主機B的地址：BB-BB-BB-BB-BB-BB。適配器B只接收目的地址與其MAC地址匹配或廣播地址的幀，并將數(shù)據字段的內容傳遞給網絡層。否則，丟棄該幀。105Chapter2源地址(6字節(jié))：發(fā)送適配器的MAC地址。如主機A的地址：AA-AA-AA-AA-AA-AA。106Chapter2類型字段(2字節(jié))：以太網可以“多路復用”（支持）多種網絡層協(xié)議。通過“類型”字段區(qū)分。發(fā)送方填入網絡層協(xié)議“類型”編號（復用）；接收適配器根據“類型”字段，將數(shù)據字段傳遞給相應的網絡層協(xié)議（分解）。107Chapter2循環(huán)冗余檢測CRC(4字節(jié))檢測幀中是否出現(xiàn)比特差錯（翻轉）。發(fā)送主機計算CRC：范圍包括目的地址、源地址、類型、數(shù)據字段的比特，結果放入幀CRC字段。接收主機進行CRC校驗：接收主機對收到的幀進行同樣計算，并校驗結果是否和CRC字段的內容相等。若計算結果不等于CRC字段的值(CRC校驗失敗)，該幀有差錯。108Chapter2前同步碼(8字節(jié))：前7字節(jié)是“10101010”，最后一個字節(jié)是“10101011”。使接收方和發(fā)送方的時鐘同步，接收方一旦收到連續(xù)的8字節(jié)前同步碼，可確定有幀傳過來。前同步碼是“無效信號”，接收方收到后刪除，不向上層傳。CRC的校驗范圍不包括前同步碼。以太網MAC幀物理層1010101010101010101010101010101011前同步碼幀開始定界符7字節(jié)1字節(jié)…8字節(jié)插入109Chapter22、基帶傳輸和曼徹斯特編碼基帶傳輸：適配器直接給廣播信道發(fā)送數(shù)字信號。寬帶傳輸：將信號調制到特定頻帶傳輸。數(shù)字信號編碼類型：不歸零編碼曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼110Chapter2不歸零編碼直接用原始基帶數(shù)字信號傳。采用兩種不同電平，如：“1”--高電平；“0”--低電平

問題：出現(xiàn)一連串“1”或“0”時，接收方無法確定一位的開始和結束。即收發(fā)不能同步。一般不直接用。111Chapter2曼徹斯特編碼每位信號的中間都有一個跳變，兩個作用：表示數(shù)據：根據跳變方向判斷數(shù)據“1”或“0”，如：“1”--高電平跳到低電平；“0”--低電平變到高電平做同步時鐘：接收方根據跳變來同步接收。112Chapter2差分曼徹斯特編碼每位信號的中間都有一個跳變，只做時鐘，不表示數(shù)據數(shù)據表示：根據每位開始處是否有跳變，來判斷數(shù)據“1”或“0”。如：

“1”--無跳變；“0”--有跳變較好的抗干擾性能，復雜。信號編碼屬于物理層113Chapter23、不可靠的無連接服務以太網向網絡層提供的服務。無連接服務：通信時，發(fā)送方適配器不需要先和接收方適配器“握手”。不可靠的服務：接收到的幀可能包含比特差錯。收到正確幀，不發(fā)確認幀；收到出錯幀，丟棄該幀，不發(fā)否定幀。發(fā)送適配器不會重發(fā)出錯幀，傳遞到接收方網絡層的數(shù)據報流可能有間隙。需要高層做相應處理。114Chapter2高層處理使用UDP（不可靠服務）：需要應用程序本身通過增加確認和重傳機制來保證可靠傳輸。使用TCP（可靠服務）：當接收適配器將出錯數(shù)據丟棄時，TCP不發(fā)確認，發(fā)送主機A的TCP進行重傳，并再次通過相同適配器傳輸。

以太網并不知道是傳輸新數(shù)據，還是重傳數(shù)據。115Chapter25.5.2CSMA/CD:以太網的多路訪問協(xié)議相應標準為IEEE802.3。機制：未使用時隙：適配器可以在任何時刻開始傳輸；使用載波偵聽：當適配器偵聽到有其他的適配器在傳輸，就不會傳輸幀；使用沖突檢測：當檢測到其他適配器也在傳輸幀，就中止傳輸；重傳：沖突后，等待一個隨機時間（小于傳輸一幀的時間），再重傳。116Chapter2說明偵聽和沖突檢測，由以太網適配器通過測量傳輸前和傳輸過程中的電壓等級來進行。各適配器獨立運行CSMA/CD協(xié)議，不需和其他適配器進行協(xié)調。117Chapter2CSMA/CD協(xié)議工作流程（1）封裝成幀：發(fā)送適配器從父節(jié)點獲得一個網絡層數(shù)據報，封裝成以太網幀，放到緩沖區(qū)中；（2）適配器偵聽信道：空閑：即在96比特時間內，沒有信號從信道進入，開始傳輸該幀；忙：等待，直至偵聽不到信號(加上96

比特時間)，開始傳輸該幀。（3）無沖突成功傳輸：整個幀傳輸期間未檢測到其他適配器的信號，該幀傳輸成功。118Chapter2CSMA/CD協(xié)議工作流程（4）有沖突停止傳輸：傳輸時檢測到其他適配器的信號，就停止傳輸幀，并傳輸一個48比特的擁塞信號。（5）等待隨機時間再偵聽：傳輸擁塞信號后，適配器進入指數(shù)回退階段，等待一段時間，并返回到第2步。

119Chapter2CSMA/CD流程圖：N延遲一個隨機時間NY沖突？傳輸幀Y信道忙？發(fā)“擁塞信號”重發(fā)次數(shù)太多放棄發(fā)送成功從網絡層取數(shù)，成幀，送入緩沖區(qū)120Chapter2擁塞信號作用：

強化沖突信號，使所有其他的傳輸適配器都知道發(fā)生沖突。如：A開始傳輸一幀，在信號到達B之前，B開始傳輸。B很快發(fā)現(xiàn)沖突，并中止傳輸（只傳輸少數(shù)比特）。幾個比特傳播到A，不足以使A檢測到沖突。為確保A檢測到沖突，B需要傳輸48比特擁塞信號。AB121Chapter2指數(shù)后退算法基本后退時間：以512比特時間為單位；第n次沖突后退讓時間：K×512比特時間K與沖突次數(shù)n有關，是{0～2m-1}之間的一個隨機整數(shù)。m=min(n，10)

第一次沖突：m=1，K從{0、1}中選擇；若K=0，傳完擁塞信號后，立刻跳到第2步。K=1，在返回到第2步之前要等待1×512比特時間。

第二次沖突：m=2，K從{0、1、2、3}中選擇；122Chapter2

第三次沖突：m=3，K從{0、1、2、3、4、5、6、7}中選擇；……

第十次沖突：m=10，K從{0、1、2、…、1023}中選擇選擇K的集合長度隨著沖突的數(shù)量呈指數(shù)增長(直到n=10)沖突次數(shù)小于10：隨機等待時間單位數(shù)隨沖突次數(shù)的增加而增加。沖突次數(shù)達10次后：隨機等待的最大時間單位數(shù)固定為1023。當重發(fā)若干次仍不能成功時，則丟棄該幀，并向高層報告123Chapter2例設有一個10Mb/s以太網。

一比特時間（傳輸單個比特所需的時間）是0.1s。512比特時間是51.2s。

第n次沖突后退讓時間：K×51.2s

。124Chapter2說明：限制任意兩個節(jié)點之間的距離：確保當一個適配器選擇了比其他沖突的適配器都要低的K值時，能夠成功傳輸，而不會遇到新的沖突。采用指數(shù)回退等待，減少沖突。適配器每傳輸一個幀，都要運行CSMA/CD算法。適配器發(fā)送新幀時，不考慮最近發(fā)生的任何沖突：當發(fā)生沖突的適配器處于指數(shù)回退狀態(tài)時，沖突外的適配器有可能成功的傳輸一個新幀。125Chapter2以太網效率(Ethernetefficiency)：當許多活動節(jié)點有大量的幀要發(fā)送時，幀在信道中無沖突傳輸?shù)臅r間所占份額。當只有一個節(jié)點有一個幀要發(fā)送時，該節(jié)點能夠以最大速率（全速）傳輸。如果很多節(jié)點都有幀要發(fā)送，信道的有效傳輸速率可能小的多。126Chapter2近似公式：

tprop：信號在任意兩個適配器之間傳播所需的最大時間ttrans：傳輸一個最大長度的以太網幀的時間。最大長度的幀是1518字節(jié)，最小長度的幀是64字節(jié)（不包括前同步碼）。對10Mb/s的以太網，約為1.2ms。

當tprop接近0時：效率接近1。即如果傳播時延是0，沖突節(jié)點將立即中止而不會浪費信道。

當ttrans變得很大時：效率也接近于1。即若一個幀奪取了信道，將占有信道很長時間，信道在大多數(shù)時間都會有效地工作。1518×8/10M127Chapter2常用以太網技術：10Base2：總線拓撲，使用細同軸電纜，傳輸速率10Mb/s10BaseT：

星形拓撲，使用雙絞銅線，傳輸速率10Mb/s100BaseT：星形拓撲，使用雙絞銅線，傳輸速率100Mb/s吉比特以太網：使用光纖和雙絞銅線，傳輸速率1Gb/s。

以太網技術由IEEE802.3工作組標準化，稱為802.3LAN。128Chapter21、10Base2結構如圖。

連網所需設備：以太網卡、T型連接器、細同軸電纜線段、兩個“端接器”（吸收信號）。組網費用低。185m129Chapter22、10BaseT和100BaseT兩種技術相似，只是速率不同。100BaseT也稱為“快速以太網”或“百兆以太網”。特點：使用星形拓撲；一個中心設備集線器

(hub)，有多個接口；

100m每個接口通過RJ-45連接器用兩對雙絞線與節(jié)點的適配器點對點連接（發(fā)送/接收）；適配器和集線器之間連接最長100m；任意兩個節(jié)點之間最長200m雙絞線集線器130Chapter2集線器物理層設備：有多個接口。對比特操作而不是幀。

從一個端口收到一個比特，向所有其他接口（節(jié)點）轉發(fā)出去。不實現(xiàn)CSMA/CD協(xié)議：由每個適配器完成（偵聽信道、檢測沖突）。提供網絡管理功能：可以檢測到適配器故障，并內部斷開與其連接。能夠收集信息并報告給所連的主機。監(jiān)控主機可以顯示。131Chapter2說明：采用10/100Mbps自適應適配器：可用于10BaseT和100BaseT以太網。使用5類雙絞線：性能更高。100BaseT使用4B5B編碼：

將4個比特一組轉換為5個比特發(fā)送，提供足夠的跳變來同步。采用光纖鏈路將集線器互聯(lián)：提高抗干擾性。132Chapter23、吉比特以太網和10Gb/s以太網吉比特以太網：1000Mb/s，標準IEEE802.3z；標準以太網幀格式，與10BaseT和100BaseT技術兼容；允許點對點鏈路和共享的廣播信道：點對點鏈路使用交換機，廣播信道使用集線器。廣播信道：使用CSMA/CD，節(jié)點之間最大距離有限點對點信道：兩個方向上都以l000Mb/s全雙工操作。采用星形拓撲，其中心是一個集線器或交換機。可作為主干互聯(lián)多個以太網LAN。使用光纖或5類UTP電纜。133Chapter210吉比特以太網：802.3ae標準，將以太網技術擴展到了點對點廣域網(WAN)鏈路。134Chapter25.6互聯(lián)：集線器和交換機互連局域網網段的網絡設備。集線器：中繼器（物理層）交換機：多端口網橋（鏈路層）5.6.1集線器5.6.2鏈路層交換機135Chapter25.6.1集線器多級集線器設計：集線器以層次方式排列，連成多級星型結構。主干集線器與下層集線器點對點連接，使不同LAN互聯(lián)。集線器集線器集線器主干集線器136Chapter2說明多級設計互聯(lián)的網絡仍為一個LAN，其中每個集線器和連接的主機為一個LAN網段。互聯(lián)網絡中所有的網段屬于同一個沖突域。如果兩個或多個節(jié)點同時傳輸，會沖突，并進入指數(shù)后退狀態(tài)。集線器集線器集線器主干集線器137Chapter2優(yōu)點：不同LAN網段的主機可以互相通信；擴展了節(jié)點之間的最大距離；主干集線器可以檢測故障集線器，并斷開。集線器集線器集線器主干集線器138Chapter2缺陷：沖突域加大：由原有的各自獨立的沖突域變成一個大的、公共的沖突域。每一個網段使用的以太網技術不同，不能用集線器互連：如不同速率的LAN不能互聯(lián)。集線器本質上是轉發(fā)器，并不緩沖幀。主機總數(shù)和地理范圍有限。受以太網技術約束。集線器集線器集線器主干集線器139Chapter25.6.2鏈路層交換機數(shù)據鏈路層的設備：對以太網幀進行操作。根據目的MAC地址轉發(fā)幀：從某個接口到達的幀，不向所有的其他接口轉發(fā)。根據目的MAC地址，只向通往目的地址的接口轉發(fā)。

互聯(lián)方式

特點1、交換機轉發(fā)和過濾2、交換機與集線器比較3、自學習4、專用接入和全雙工5、直通交換6、交換機和路由器的比較140Chapter2交換機互聯(lián)：整個互聯(lián)的網絡為一個LAN，其中各個被連接的部分為一個LAN網段。集線器集線器集線器交換機123141Chapter2特點：不同LAN網段的主機可以互相通信，每個LAN網段是一個獨立的沖突域。可以互聯(lián)不同的LAN技術。對LAN的大小沒有限制，理論上，可擴展到全球。交換機以全雙工方式工作。集線器集線器集線器交換機123142Chapter21、交換機轉發(fā)和過濾過濾(filtering)：交換機判斷一個幀是應該轉發(fā)到某個接口還是丟棄。轉發(fā)(forward)：交換機決定一個幀應該被指向哪個接口，并引導到該接口。過濾和轉發(fā)通過交換機表(switchtable)完成。交換機表：包含LAN上部分節(jié)點的表項。內容：節(jié)點的MAC地址、到達該節(jié)點的交換機接口、節(jié)點表項產生的時間。143Chapter2例集線器集線器集線器交換機62-FE-F7-11-89-A31237C-BA-B2-B4-91-10144Chapter2過濾和轉發(fā)的原理：交換機從接口x收到一個幀；根據目的MAC地址查表找到對應項：確定轉發(fā)接口y，判斷目的節(jié)點與源節(jié)點是否在同一個網段：同段（x=y）：丟棄此幀（過濾）；不同段（xy）：將該幀放到接口y的輸出緩沖區(qū)（轉發(fā)）

保證同一個網段中通信的幀，不被交換機轉發(fā)到另一個網段去。未找到：向所有(除接收接口外)其它接口轉發(fā)，進入自學習。

145Chapter2例子節(jié)點A向B發(fā)幀：1#收到查表1#轉發(fā)同一網段，丟棄此幀節(jié)點D向C發(fā)幀：2#收到查表1#轉發(fā)不同網段，從1#轉發(fā)集線器集線器集線器交換機ABCDEFGHI地址接口ABCD1112123146Chapter2優(yōu)點：交換機所連接的不同的LAN網段保持獨立的沖突域。使不同LAN網段的兩組節(jié)點同時通信而互不干擾。流量過濾集線器集線器集線器交換機沖突域沖突域沖突域147Chapter2典型應用：

集線器、交換機和路由器的混合使用。各個部門內部的流量被限制在本部門的以太網段內。148Chapter22、交換機與集線器比較轉發(fā)：集線器：轉發(fā)幀時，只是發(fā)送比特到鏈路上，并不偵聽該鏈路是否忙；交換機：將幀轉發(fā)到共享鏈路上時，運行CSMA/CD

如果偵聽到要轉發(fā)的LAN網段上忙，停止傳輸；

如果出現(xiàn)沖突，采用指數(shù)后退算法。互聯(lián)：交換機：互聯(lián)不同技術的以太網段、無地理范圍限制。集線器：不具備該特性。149Chapter23、自學習每個交換機具有一個交換機表交換機表中的項：MAC地址,接口,時間交換機表可以自動地、動態(tài)地和自主地建立（不需網絡管理員或配置協(xié)議的干預）。逆向擴散式路徑學習法：通過幀中的源地址來建立交換機表。150Chapter2（1）交換機表初始為“空”。（2）收到一個目的地址不在表中的幀：將該幀轉發(fā)到所有其他接口（除接收此幀的接口），并使用CSMA/CD傳輸出去。（3）對收到的每個幀，在表中存儲以下內容：

該幀的源MAC地址、該幀進入的接口、當前時間

記錄下發(fā)送節(jié)點所在LAN網段。如果每個節(jié)點都發(fā)送了一幀，那么每個節(jié)點都將被記錄在該表中。

交換機表生成。逆向擴散式路徑151Chapter2逆向擴散式路徑（4）收到一個目的地址在表中的幀：交換機將該幀轉發(fā)到合適的接口。（5）一段時間(老化時間agingtime)后，沒有收到以表中的某個地址作為源地址的幀，將表中的該地址刪除。152Chapter2例增加一個新的表項：設在時間9:39時，一幀從接口2到達，該地址不在交換機表中。集線器集線器集線器交換機12301-12-23-34-45-56153Chapter2例：刪除表項若老化時間是60分鐘，9:32到10:32之間沒有源地址是62-FE-F7-11-89-A3的幀到達，在時刻10:32，交換機將該地址從表中刪除。154Chapter2說明：交換機是即插即用設備

(plug-and-playdevice)。只需將LAN網段連接到交換機的接口，其他不需網絡管理員和用戶干預。155Chapter24、專用接入和全雙工交換機直接連接主機。專用接入：主機和交換機有一條直接連接。如圖。一臺交換機為6臺主機提供專用接入。全雙工模式：交換機在同一接口上可以同時發(fā)送和接收幀。交換機AA’BB’CC’156Chapter2全雙工模式實現(xiàn)每個連接使用兩對雙絞線：主機到交換機（上行線）；交換機到主機（下行線）每臺主機和交換機之間建立一條全雙工信道：

發(fā)送和接收不沖突。

每條鏈路都是點對點鏈路：不需要載波偵聽和沖突檢測。可以有多對主機同時通信：總吞吐量為各對之和。交換機AA’BB’CC’157Chapter2例3對同時傳輸文件，AA'、BB'、CC'。如果每臺主機都有一個10Mbps的適配器，則3個并行文件傳輸?shù)目偼掏铝渴?0Mbps。如果A和A'是100Mbps，其余是10Mbps，總吞吐量是120Mbps。交換機AA’BB’CC’158Chapter25、直通交換存儲轉發(fā)方式(store-and-forward)

先接收整個分組（幀），保存到緩沖區(qū)，再轉發(fā)。直通交換(cut-thoughswitching)

分組（幀）在轉發(fā)之前不需要完全“存儲”。邊接收邊轉發(fā)。如果在分組到達前，緩沖區(qū)為空，交換機只要從入鏈路一收到分組的目的地址，就立即決定其出鏈路，并在分組的后面部分繼續(xù)到達的同時，開始傳輸分組的前部分。（不存儲，直接轉發(fā)）159Chapter2存儲轉發(fā)和直通交換比較設有一個分組通過交換機轉發(fā)。從一個入鏈路到達交換機，并從一個出鏈路離開。當分組到達時出鏈路的輸出緩沖區(qū)有其他分組排隊：存儲轉發(fā)和直通交換之間沒有區(qū)別。

出鏈路的輸出緩沖區(qū)無其他分組排隊（空）：直通交換不存儲，直接轉發(fā)，時延很小。存儲轉發(fā)時延為L/R（L是分組的長度，R是入鏈路的傳輸速率）。160Chapter2如果輸出鏈路是和其他主機共享的多路訪問網絡

(如連接到集線器)，在“直通”分組之前，必須偵聽到這條鏈路空閑。直通交換機可以減少分組的端到端時延：若以太網速率為10Mb/s，則最大存儲轉發(fā)時延大約是1.2ms；若以太網速率為100Mb/s，則最大存儲轉發(fā)時延大約是0.12ms；直通交換機減少的時延在0.12到1.2ms之間（當出鏈路輕載）。而其價格貴。直通還是存儲轉發(fā)方式，要適當選擇。161Chapter26、交換機和路由器的比較路由器：用網絡層地址轉發(fā)，是第三層的分組交換機。路由器