文章目录
- 第三章 数据链路层
- 3.0 数据链路层
- 1. 数据链路层的信道类型
- 3.1 使用点对点信道的数据链路层
- 3.1.1 数据链路和帧
- 1. 链路（link）
- 2. 数据链路（data link）
- 3. 帧
- 3.1.2 基本问题（功能）
- 1. 封装成帧
- 1. 封装成帧：
- 2. 数据链路帧的特点：
- 2. 透明传输
- 缺陷：
- 3. 差错检测
- 1. 误码率BER（Bit Error Rate）：
- 2. 循环冗余检验CRC（Cycle Redundancy Check）：
- 1. CRC：
- 缺陷：
- 帧效验序列FCS（Frame Check Sequence）
- 4.流量控制
- 1. 流量控制:
- 2. 在发送结点：
- 3. 在接收结点：
- 5. 重传机制
- (1) 超时计时器
- (2) 解决重复帧的问题
- (3) 帧的编号问题
- (4) 帧的发送序号
- 3.2 点对点协议 PPP
- 3.2.1 （1）PPP协议的特点
- 3.2.1 （2）P2P协议的组成
- 3.2.2 P2P协议的帧格式
- 1. 各字段的意义
- 2. 字符填充问题
- 3. 零比特填充
- 零比特填充的具体做法：
- 3.2.3 PPP协议的工作状态
- 物理链路的协商过程：
- 链路的另一端发送以下几种响应中的一种：
- 3.3 使用广播信道的数据链路协议
- 3.3.1 局域网的数据链路层
- 0. 局网络
- 1. 局网络的特点：
- 2. 局网络的优点：
- 3. 局域网拓扑：
- 4. 媒体共享技术
- 1. 以太网的两个标准
- 1. 以太网的两个标准：
- 2. 数据链路层的两个子层
- 2. 适配器的作用
- 1. 网络接口板：
- 2. 网卡的重要功能：
- 3. 适配器的作用：
- 3.3.2 CSMA/CD协议
- 1. 广播发送方式：
- 2. 以太网的措施：
- 3. 以太网的服务：
- 4. 载波监听多点接入/碰撞检测CSMA/CD
- 1. CSMA/CD：
- 2. CSMA/CD协议的要点：
- 3.4 使用广播信道的以太网
- 3.4.1 传统以太网
- (1) MAC层连接方式
- 传统以太网可使用的传输媒体有四种
- (2) 以太网的连接距离
- (3) 集线器
- 3.4.2 以太网的信道利用率
- 信道利用率的影响因素：
- 公式推导：
- 3.4.3 以太网的MAC层
- 1. 以太网的MAC地址
- 1. MAC 地址：
- 2. 如何根据报文地址进行MAC转发：
- 2. MAC帧格式
- 1. 常用的以太网 MAC 帧格式有两种标准：
- 2. 以太网 V2 的MAC帧地址：
- 3. 无效的MAC帧
- 4. 帧间最小间隔
- 3.5 拓展的以太网
- 3.5.1 在物理层拓展以太网
- 1. 用集线器扩展以太网：
- 1. 优点：
- 2. 缺点：
- 3.5.2 在数据链路层扩展以太网
- 1. 在数据链路层扩展以太网
- 2. 网桥的内部特点：
- 3. 使用网桥带来的好处：
- 4. 使用网桥带来的缺点：
- 5. 网桥的存储转发过程
- 6. 网桥应当按照以下算法处理收到的帧和建立转发表：
- 7. 网桥在转发表中登记以下三个信息
- 1. 三个信息
- 2. 以太交换机的自学习功能
- 8. 支撑树算法
- 9. 多端口网桥——以太网交换机
- 1. 以太网交换机：
- 2. 以太网交换机的特点：
- 3. 独占传输媒体的带宽：
- 4. 用以太网交换机扩展局域网：
- 5. 虚拟局域网
- 3.6 高速以太网
- 3.6.1 100BASE-T 以太网
- 1. 100BASE-T 以太网
- 2. 以太网的特点：
- 3. 100 Mbit/s以太网的物理层标准
- 3.6.2 吉比特以太网
- 1. 吉比特以太网
- 2. 吉比特以太网的物理层
- 3. 载波延伸（carrier extension）
- 1. 载波延伸：
- 2. 在短MAC帧后面加上载波延伸
- 3. 分组突发
- 4. 全双工方式
- 3.6.3 10吉比特和100吉比特以太网
- 1. 对比：10吉比特和100吉比特以太网
- 2. 以太网从 10 Mb/s 到 10 Gb/s 的演进证明了以太网是：
第三章 数据链路层
3.0 数据链路层
1. 数据链路层的信道类型
- (1) 点对点信道。
- (2) 广播信道
3.1 使用点对点信道的数据链路层
3.1.1 数据链路和帧
1. 链路（link）
- 一条无源的点到点的物理线路端，中间没有任何其他的交换节点。
2. 数据链路（data link）
- 除了物理线路外，还必须有通信协议来控制这些数据的传输。
- 把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。
3. 帧
- 帧：点对点信道的数据链路层的协议数据单元
- 常常在两个对等的数据链路层之间画出一个数字管道，而在这条数字管道上传输的数据单位是帧。
3.1.2 基本问题（功能）
1. 封装成帧
1. 封装成帧：
- 封装成帧（framing）就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部，这样就构成了一个帧。
- 接收端在收到物理层上交的比特流后，就能根据首部和尾部的标记，从收到的比特流中识别帧的开始和结束。
2. 数据链路帧的特点：
- 数据部分的前面和后面分别添加上首部和尾部，构成了一个完整的帧。
- 帧是数据链路层的数据传送单元。
- 首部和尾部还包括许多必要的控制信息。
- 最大传送单元MTU（Maximum Transfer Unit）：
- 每一种链路层协议都规定了所能传送的帧的数据部分长度上限。
- 一个控制字符**SOH（Start Of Header）放在一个帧的最前面，表示帧的首部开始。另一个控制字符EOT（End Of Transmission）**表示帧的结束。
2. 透明传输
- “在数据链路层透明传送数据”表示无论什么样的比特组合的数据都能够通过这个数据链路层。
缺陷：
- 传输帧遇到“SOH”或“EOF”会提前结束或开始帧
- 弥补方法：
- 转义字符“EOF”（字符填充法）
- 报文出现“EOT”或“SOH”时，在其前面加“ESC”。
- 报文出现“ESC”时，同样在其前面加“ESC”。
3. 差错检测
1. 误码率BER（Bit Error Rate）：
- 传输错误的比特占所传输比特总数的比率称为误码率BER
2. 循环冗余检验CRC（Cycle Redundancy Check）：
- 在计算机网络传输数据时，必须采用各种差错检测措施。目前在数据链路层广泛使用循环冗余检测的技术
1. CRC：
- (1) 在发送端，先把数据划分为组，假定每组k个比特。现假定待传送的数据 M = 1010001101（k=10）.CRC运算就是在数据M的后面添加供差错检测用的n位冗余码，然后构成一个帧发送出去，一共发送（k+n）位。
- (2) 在接收端把接收到的数据以帧为单位进行CRC检验：把收到的每一个帧都除以同样的除数P（模2运算），然后检查得到的余数R。
- (3) 在接收端对收到的每一帧经过CRC检验后，有以下两种情况：
- (a) 若得出的余数R=0，则判定这个帧没有差错，就接受（accept）。
- (b) 若余数R≠0，则判定这个帧有差错（但无法确定究竟是哪一位或哪几位出现了差错），就丢弃。
缺陷：
- 仅用循环冗余检验CRC差错检验技术只能做到无差别接受（accept）
-“无差别接受”：
- 是指：“凡是接受的帧（即不包括丢弃的帧），我们都能以非常接近与 1 的概率认为这些帧在传输过程中没有产生差错”。
- 也就是说：“凡是接受的帧都没有传输差错”（有差错的帧就丢弃而不接受）。
- 要做到“可靠传输”（即发送什么就收到什么）就必须在加上确认和重传机制。
帧效验序列FCS（Frame Check Sequence）
- 在数据后面添加上的冗余码称为帧效验序列FCS
- 循环冗余检验CRC和帧检验序列FCS并不等同。
- CRC 是一种常用的检错方法， 而FCS 是添加在数据后面的冗余码。
- FCS 可以用 CSC 这种方法得出，但CRC并非用来获得FCS的唯一方法
4.流量控制
1. 流量控制:
- 主机A向主机B传输数据的信道仍是无差错的理想信道。然而现在不能保证接收端向主机交付数据的速率永远不低于发送端发送数据的速率。
- 由收方控制发方的数据流，是计算机网络中流量控制的一个基本方法。
2. 在发送结点：
- (1) 从主机取一个数据帧。
- (2) 将数据帧送到数据链路层的发送缓存。
- (3) 将发送缓存中的数据帧发送出去。
- (4) 等待。
- (5) 若收到由接收点发送过来的信息（此信息的格式与内容可由双方事先商定好），则主机取一个新的数据帧，然后转到 (2)。
3. 在接收结点：
- (1) 等待。
- (2) 若收到由发送结点发过来的数据帧，则将其放入数据链路层的接受缓存。
- (3) 将接受缓存中的数据帧上交主机。
- (4) 向发送结点发一信息，表示数据帧已经上交给主机。
- (5) 转到 (1)。
5. 重传机制
(1) 超时计时器
- 结点A发送完一个数据帧时，就启动一个超时计时器（timeout timer）
- 计时器又称为定时器。
- 若到了超时计时器所设置的重传时间 tout，而仍收不到结点B的任何确认帧，则结点A就重传前面所发送的这一数据帧。
- 一般可将重传时间选为略大于“从发完数据帧到收到确认帧所需的平均时间”。
(2) 解决重复帧的问题
- 使每一个数据帧带上不同的发送序号。每发送一个新的数据帧就把它的发送序号加 1 。
- 若结点 B 收到发送序号相同的数据帧，就表明出现了重复帧。这时应丢弃重复帧，因为已经收到过同样的数据帧并且也交给了主机B。
- 但此时结点 B 还必须向 A 发送确认帧 ACK,因为B已经知道A还没有收到上一次发过的确认帧 ACK
(3) 帧的编号问题
- 任何一个编号系统的序号所占用的比特数一定是有限的。因此，经过一段时间后，发送序号就会重复。
- 序号占用的比特数越少，数据传输的额外开销就越少。
- 对于停止等待协议，由于每发送一个数据帧就停止等待，因此用一个比特来编号就够了。
- 一个比特可表示 0 和 1 两种不同的序号。
(4) 帧的发送序号
- 数据帧中的发送序号 N（S） 以 0 和 1 交替的方式出现在数据帧中。
- 每一个新发送的数据帧，发送序号就和上次发送的不一样。用这种方法就可以使收方能够区分开新的数据帧和重传的数据帧。
3.2 点对点协议 PPP
- 对于点对点的链路，简单得多的点对点协议PPP（Point-to-Point Protocol）是目前使用得最广泛的数据链路层协议。
- PP协议就是用户计算机和ISP进行通信时所使用的数据链路层协议。
3.2.1 （1）PPP协议的特点
- (1) 简单
- (2) 封装成帧
- PPP协议必须规定特殊的字符作为帧定界符（即标志一个帧的开始和结束的字符），以便使接受端从收到的比特流中能准确地找出帧的开始和结束位置。
- (3) 透明性
- PPP协议必须保证数据传输的透明性。
- (4) 多种网络层协议
- PPP协议必须能够在同一条物理链路上同时支持多种网络层协议（如IP和IPX等）的运行。
- (5) 多种类型链路
- PPP还必须能够在多种类型的链路上运行。
- (6) 差错检测
- PPP协议必须能够对接收到啊的帧进行检测，并立即丢弃有差错的帧。
- (7) 检测连接状态
- PPP协议必须具有一种机制能够及时（不超过几分钟）自动检测出链路是否处于正常工作状态。
- (8) 最大传输单元
- PPP协议必须对每一种类型的点对点链路设置最大传输单元 MTU 的标准默认值。
- (9) 网络层地址协商
- PPP协议必须提供一种机制使通信的两个网络层（例如，两个IP层）的实体能够通过协商知道或能够配置彼此的网络层地址。
- (10) 数据压缩协商
- PPP协议必须提供一种方法来协商使用数据压缩算法。但PPP协议并不要求将压缩数据算法进行标准化。
3.2.1 （2）P2P协议的组成
- 一个将IP数据报封装到串行链路的方法。
- 一个用来建立、配置和测试数据链路连接的链路控制协议 LCP（Link Control Protocol）。
- 一套网络控制协议 NCP（Network Control Protocol）
3.2.2 P2P协议的帧格式
1. 各字段的意义
- PPP的帧格式 和 HDLC 的相似。
- PPP 是面向字节的，所有的 PPP 帧的长度都是整数字节。
- 首部：
- 标志字段 F（Flag） 仍为 0x7E（符号 “0x” 表示后面的字符是用十六进制表示。十六进制的 7E 的二进制表示的是 01111110）
- 地址字段 A 只置为 0xFF。地址字段实际上并未起作用。
- 控制字段 C 通常置为 0x03 。
- PPP 有一个 2 个字段的协议字段
- 当协议字段为 0x0021 时， PPP帧的信息字段就是 IP数据报。
- 若为 0xC021，则信息字段是 PPP 链路控制数据
- 若为 0x8021，则表示这是网络控制数据
- 信息字段：
- 信息字段的长度是可变的，不超过1500字节。
- 尾部：
- 第一个字段（2字节）是使用 CRC 的帧检验序列 FCS。
- 标志字符F
2. 字符填充问题
- 当 PPP 用在同步传输链路时，协议规定采用硬件来完成比特填充（和 HDLC 的做法一样）。
- 当 PPP 用在异步传输时，使用一种特殊的字符填充法。
- 将信息字段中出现的每一个 0x7E 字节转变成为 2 字节序列（0x7D，0x5E）。
- 若信息字段中出现一个 0x7D的字节，则将其转变成为 2字节序列（0x7D，0x5D）。
- 若信息字段中出现ASCII 码的控制字符（即数值小于 0x20 的字符），则在该字符前面要加入一个 0x7D 字节，同时将该字符的编码加以改变。
3. 零比特填充
- PPP协议用在SONET/SDH链路时，是使用同步传输（一连串的比特连续传送）而不是异步传输（逐个字符地传送）。在这种情况下，PPP协议采用 零比特填充方法来实现透明传输。
零比特填充的具体做法：
- 在发送端，先扫描整个信息字段（通常是用硬件实现，但也可用软件实现，只是会慢些）。只要发现有5个连续 1，则立即填入一个 0。
- 接收端在收到一个帧时，先找到标志字段F以确定一个帧的边界，接着再用硬件对其中的比特流进行扫描。每当发现5个连续1时，就把这5个连续1 后的一个0删除，以还原成原来的信息比特流。
3.2.3 PPP协议的工作状态
- 当用户拨号接入 ISP 时，路由器的调制解调器对拨号做出确认，并建立一条物理连接。PC机向路由器发送一系列的 LCP分组（封装成多个 PPP 帧）。
物理链路的协商过程：
- 双方建立物理层连接后，PPP就进入“链路建立”（Link Establish）状态，其目的是建立链路层的 LCP连接。
- LCP开始协商一些配置选项，即发送LCP的配置请求帧（Configure-Request）。
- 这是一个PPP帧，其协议字段置为LCP对应的代码，而信息字段包含特定的配置请求。
链路的另一端发送以下几种响应中的一种：
- (1) 配置确认帧（Configure-Ack）
- 所有选项都接受
- (2) 配置否认帧（Configure-Nak）
- 所有选项都理解但不能接受
- (3) 配置拒绝帧（Configure-Reject）
- 选项有的无法识别或不能接受，需要协商
- 这些分组及其响应选择一些 PPP参数，和进行网络层配置，NCP给新接入的 PC机 分配一个临时的 IP地址，使 PC机成为因特网上的一个主机。
- 用户通信完毕时，NCP释放网络层连接，收回原来分配出去的IP地址。接着，LCP释放数据链路层连接。最后释放物理层的连接。
3.3 使用广播信道的数据链路协议
3.3.1 局域网的数据链路层
0. 局网络
1. 局网络的特点：
- 局网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。
2. 局网络的优点：
- (1) 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。
- (2) 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。
- (3) 提高了系统的可靠性（reliability）、可用性（availability）和生存性（survivability）
3. 局域网拓扑：
4. 媒体共享技术
- (1) 静态划分信道（物理层）
- 频分复用
- 时分复用
- 波分复用
- 码分复用
- (2) 动态媒体接入控制（多点接入（multiple access））（数据链路层）
- 随机接入
- 受控接入，如多点线路探寻（polling）或轮询。
1. 以太网的两个标准
1. 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”。
- 严格来说，“以太网”应当是符合 DIX Ethernet V2标准的局域网。
2. 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
- 两个子层：
- 逻辑链路控制LLC（Logical Link Control）子层
- 媒体接入控制MAC（Medium Access Control）子层
- 与接入到传输媒体有关的内容都放在MAC子层，而LLC子层则与传输媒体层无关，不管采取何种传输媒体和 MAC子层的局域网对 LLC 子层来说都是透明的。
很多厂商生产的网卡上就仅装有MAC协议，而没有LLC协议
2. 适配器的作用
1. 网络接口板：
- 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”。
2. 网卡的重要功能：
- 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。
3. 适配器的作用：
3.3.2 CSMA/CD协议
1. 广播发送方式：
广播内物理媒体的连接方式是随机接入的。
- 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才接受这个数据帧。
- 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。
2. 以太网的措施：
- 采用较为灵活的无连接的工作方式，即不必先建立连接就可以直接发送数据。
- 以太网对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。
- 这样做的理由是局域网信道的质量好，因信道质量产生差错的概率是很小的。
3. 以太网的服务：
- 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。
4. 载波监听多点接入/碰撞检测CSMA/CD
1. CSMA/CD：
- CSMA/CD 表示 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection
2. CSMA/CD协议的要点：
- (1) 多点接入：
- “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。
- (2) 载波监听：
- “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，避免发生碰撞。
- 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。
- (3) 碰撞检测：
- 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”。
- 检测到碰撞后：
- 在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来。
- 每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送。
- 发送数据前已监听到信道为“空闲”，还会出现数据在总线上的碰撞的情况：
- 电磁波在 1km 电缆的传播时延约为 5 μs（记住）
- (4) 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。
- (5)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到了碰撞。
- 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送碰撞。
- (5) 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）一个随机时间才能在发送数据。
- 确定基本退避时间，一般是取为争用期 2τ 。定义重传次数 ，k≤ 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，并向高层警告。
- (6) 争用期的长度
- 以太网取 51.2 μs 为争用期的长度。对于 10Mb/s 以太网，在争用期可发送 512bit，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。
- (7) 最短有效帧长
- 如果发生冲突，就一定是在发送的前 64 字节之内。
- (8) 强化碰撞
- 当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时，除了立即停止发送数据外，还要再继续发送若干比特的人为干扰信号（jamming signal），以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。
3.4 使用广播信道的以太网
3.4.1 传统以太网
(1) MAC层连接方式
传统以太网可使用的传输媒体有四种
- 四种传输媒体：
- 铜缆（粗缆）
- 铜缆（细缆）
- 铜线（双绞线）
- 光缆
- 这样，以太网就有四种不同的物理层
(2) 以太网的连接距离
(3) 集线器
- 集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线的工作，因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行。
- 使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各工作站使用的还是 CSMA/CD 协议，并共享逻辑上的总线。
- 集线器很像一个多端口的转发器，工作在物理层。
3.4.2 以太网的信道利用率
- 我们假定：
- 线上共有 N 个站，每个站发送帧的概率都为 p。
- 争用期长度为 2τ ， 即端到端传播时延的两倍。检测到碰撞后不发送干扰信号。
- 帧长为 L(bit)，数据发送速率为 C (b/s)，而帧的发送时间为 L/C = T0(s) 。
- 一个帧从开始发送，经碰撞后再重传数次，到发送成功且信道转为空闲（即再经过时间τ使得信道上无信号在传播）时为止，共需平均时间为 Tav
信道利用率的影响因素：
公式推导：
- (1) 令 A 为某个站发送成功的概率，则
A = P[某个站发送成功] = Np(1-p)^(N-1) - (2) 显然，某个站发送失败的概率为
1-A。因此，P[争用期为j个] = P[发送j次失败但下一次成功] = A(1-A)^j - (3) 争用期的平均个数等于帧重发的次数 NR ：
- (4) 求出以太网的信道利用率（它又称为归一化吞吐量）为：
- (5) 这里,参数 a 是总线的单程传播时延与帧的发送时延之比
- (6) 若设法使A为最大，则可获得最大的信道利用率。将(1)中对 p 求极大值，得出当
p = 1/N时，使 A等于其极大值 Amax： - (7) 当 N → ∞ 时，
Amax = 1/e ≈ 0.368 。（最高概率） - (8) 将(6)式中的 Amax 值代入(4)式，即得出信道利用率的最大值 Smax。
- 取
A = Amax = e^(-1) ≈ 0.368 时，(4) 式可化简为 - 若 a → 0 ，则信道利用率的最大值可达到 100%
- a的取值对信道利用率的影响：
- a > 1（a = 4）时的信道利用率
- 参数 a = 4 使得信道利用率很低。
- (9) 考虑到 T0 是 帧长 L 与数据的发送速率 C 之比，于是参数 a 可写为 ：
- (9) 式的分子正是时延带宽积，或以比为单位的信道长度，而分母是以比特为单位的帧长。
- a = 0.01 时 的信道利用情况。
- 参数 a = 0.01 使得信道利用率很高。
3.4.3 以太网的MAC层
1. 以太网的MAC地址
1. MAC 地址：
- 在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或 MAC 地址。
- 802 标准所说的 “地址” 严格地讲应当是每一个站的 “名字” 或标识符。
- 但鉴于大家都早已习惯了将这种 48 bit 的 “名字”称为 “地址”，所以本书也采用这种习惯用法，尽管这种说法并不太严格。
路由器由于同时连接到两个网路上，因此它有两块网卡和两个硬件地址。其它设备均只有一个MAC地址。（一个网卡对应一个 IP 地址，对应一个MAC 地址）
2. 如何根据报文地址进行MAC转发：
- 转发过程：
- 网卡从网络上每收到一个 MAC帧 就首先用硬件检查 MAC帧 中的 MAC地址。
- 如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他的处理。
- 否则就将此帧丢失，不再进行其他的处理。
- “发往本站的帧”包括以下三种帧：
- 单播（unicast）帧（一对一）
- 广播（broadcast）帧（一对全体）
- 多播（multicast）帧（一对多）
2. MAC帧格式
1. 常用的以太网 MAC 帧格式有两种标准：
- DIX Ethernet V2标准
- IEEE 的 802.3 标准
最常用的MAC帧格式是以太网的 V2 的格式。
2. 以太网 V2 的MAC帧地址：
- 帧格式：
- 数据字段的正式名称是 MAC 客户端字段
- 最小长度 64 字节 - 18字节的首部和尾部 = 数据字段的最小长度
- MAC帧的前8个字节：
- 在帧的前面插入的8个字节中的第一个字段共7个字节，是前同步码，用来迅速实现MAC帧的比特同步。
- 第二个字段是帧开始定界符，表示后面的信息就是 MAC帧。
3. 无效的MAC帧
- 数据字段的长度与长度字段的值不一致；
- 帧的长度不是整数个字节；
- 用收到的帧检验序列FCS查出有差错；
- 数据字段的长度不在 46 ~ 1500 字节之间 。
- 有效的 MAC 帧长度为 64 ~ 1518 字节之间。
- 对于检查出的无效 MAC帧就简单地丢弃，以太网不负责重传丢弃的帧。
4. 帧间最小间隔
- 帧间最小间隔为 9.6 μs，相当于 96 bit 的发送时间。
- 一个站在检测到总线开始空闲后，还要等待 9.6 μs 才能再次发送数据。
- 这样做是为了使刚刚收到的数据帧的站的接受缓存来得及清理，做好接受下一帧的准备。
3.5 拓展的以太网
3.5.1 在物理层拓展以太网
- 用多个集线器可连成更大的局域网。
1. 用集线器扩展以太网：
1. 优点：
- 使原来属于不同碰撞域的局域网上的计算机能够进行跨碰撞域的通信。
- 扩大了局域网覆盖的地理范围
2. 缺点：
- 碰撞域增大了，但总的吞吐量却未提高。
- 如果不同的碰撞域使用不同的数据域，那就不能用集线器将它们互联起来。(集线器只能连接相同速率的网段)
3.5.2 在数据链路层扩展以太网
1. 在数据链路层扩展以太网
- 在数据链路层拓展局域网是使用网桥。
- 网桥工作在数据链路层，它根据 MAC 帧的目的地址对收到的帧进行转发。（帧格式没有发生改变）
- 网桥具有过滤帧的功能。当网桥收到一个帧时，并不是向所有的端口转发此帧，而是先检查此帧的目的 MAC地址，然后再确定将该帧转发到哪一个端口。
2. 网桥的内部特点：
3. 使用网桥带来的好处：
- 过滤 通信量。
- 扩大了物理范围。
- 提高了可靠性。（两根总线）
- 可互联不同物理层、不同MAC子层和不同速率（如 10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太网）的局域网。
4. 使用网桥带来的缺点：
- 存储转发增加了时延。
- 在MAC子层并没有流量控制功能。
- 具有不同MAC子层的网段桥接在一起时的时延更大。
- 网桥只适合于用户数不太多（不超过几百个）和通信量不太大的局域网，否则有时还会因传播过多的广播信息而产生网络拥塞。这就是所谓的广播风暴。
5. 网桥的存储转发过程
6. 网桥应当按照以下算法处理收到的帧和建立转发表：
- (1) 从端口x收到无差错的帧（如有差错即丢弃），在转发表中查找目的站 MAC地址。
- (2) 如有，则查找出到此 MAC 地址应当走的端口d，然后进行(3),否则转到(5)。
- (3) 如到这个MAC地址去的端口 d = x，则丢弃此帧（因为这表示不需要经过网桥进行转发），否则从端口d转发此帧。
- (4) 转到(6)。
- (5) 向网桥除x以外的所有端口转发此帧（这样做可保证找到目的站）。
- (6) 如源站不在转发表中，则将源站 MAC地址加入到转发表，登记该帧进入网桥的端口号，设置计时器。然后转到(8)。如源站在转发表中，则执行(7)。
- (7)更新计时器。
- (8)等待新的数据帧。转到(1)。
7. 网桥在转发表中登记以下三个信息
1. 三个信息
- 站地址：登记收到的帧的源MAC地址。
- 端口：登记收到的帧进入该网桥的端口。
- 时间：登记收到的帧进入该网桥的时间。
转发表中的MAC地址是根据源MAC地址写入的，但在进行转发时是将此MAC地址当作目的地址。
如果网桥现在能够从端口x收到从源地址A发来的帧，那么以后就可以从端口x将帧转发到目的地址A。
2. 以太交换机的自学习功能
8. 支撑树算法
透明网桥使用了支撑树算法，这是为了避免产生转发的帧在网络中不断地兜圈子。
- 每隔几秒钟每一个网桥要广播其标识号（由生产网桥的厂家设定的一个唯一的序号）和它所知道的其他所有在网上的网桥。
- 支撑树算法选择一个网桥作为支撑树的根（例如，选择一个最小序号的网桥），然后以最短路径为依据，找到树上的每一个结点。
- 当互连局域网的数目非常大时，支撑树的算法很话费时间。这时可将大的互联网划分成多个较小的互联网，然后得出多个支撑树。
9. 多端口网桥——以太网交换机
1. 以太网交换机：
- 1990年问世的交换式集线器（switching hub）可明显地提高局域网的性能。
- 交换式集线器常称为以太网交换机（switch）或第二层交换机（表明此交换机工作在数据链路层）。
- 以太网交换机通常都有十几个端口。因此，以太网交换机实质上就是一个多端口的网桥，可见交换机工作在数据链路层。
2. 以太网交换机的特点：
- 以太网交换机的每个端口都直接与主机相连并且一般都工作在全双工方式。
- 交换机能同时连通许多对的端口，使每一对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样，进行无碰撞地传输数据。
- 以太网交换机由于使用了专用的交换结构芯片，其交换速率就较高。
3. 独占传输媒体的带宽：
- 对于普通 10 Mb/s 的共享式以太网，若共有 N 个用户，则每个用户占有的平均带宽只有总带宽（10 Mb/s）的 N 分之一。
- 使用以太网交换机时，虽然在每个端口到主机的带宽还是 10 Mb/s，但由于一个用户在通信时是独占而不是和其他网络用户共享传输媒体的带宽，因此对于拥有 N 对端口的交换机的总容量为 N x 10 Mb/s。这正是交换机的最大优点。
4. 用以太网交换机扩展局域网：
5. 虚拟局域网
- 虚拟局域网使用的以太网帧格式
虚拟局域网协议允许在以太网的帧格式中插入一个4字节的标识符，称为 VLAN标记（tag），用来指明发送该帧的工作站属于哪一个虚拟局域网。
3.6 高速以太网
3.6.1 100BASE-T 以太网
1. 100BASE-T 以太网
- 速率达到或超过 100 Mb/s 的以太网称为 高速以太网。
- 在双绞线上传送 100 Mb/s 基带信号的星型拓扑以太网，仍使用 IEEE 802.3 的 CSMA/CD 协议 100BASE-T 以太网又称为 快速以太网（Fast Ethernet）。
2. 以太网的特点：
- 可在全双工方式下工作而无冲突发送。因此不使用 CSMA/CD协议。
- MAC 帧格式仍然是 802.3 标准规定。保持最短帧长不变，但将一个网段的最大电缆长度减少到 100m。
- 帧间时间间隔从原点的 9.6 μs 改为现在的 0.96 μs。
3. 100 Mbit/s以太网的物理层标准
3.6.2 吉比特以太网
1. 吉比特以太网
- 允许在 1 Gb/s下全双工和半双工两种方式工作。
- 使用 802.3 协议规定的帧格式。
- 在半双工方式下使用 CSMA/CD 协议（全双工方式不需要使用 CSMA/CD 协议）。
- 与 10BASE-T 和 100BASE-T 技术向后兼容。
2. 吉比特以太网的物理层
3. 载波延伸（carrier extension）
1. 载波延伸：
- 吉比特以太网在工作在半双工方式时，就必须进行碰撞检测。
- 由于数据率提高了，因此只有减少最大电缆长度或增大帧的最小长度，才能使参数 α 保持为较小的数值。
- 吉比特以太网仍然保持一个网段的最大长度为 100m，但采用了“载波延伸”的方法，使最短帧长仍为64字节（这样可以保持兼容性），同时将争用时间增大为 512 字节。
2. 在短MAC帧后面加上载波延伸
- 凡发送的MAC帧长不足 512 字节时，就用一些特殊字符填充在帧的后面，使MAC帧的发送长度增加到512字节，但这对有效载荷并无影响。
- 接收端在收到以太网的MAC帧后，要将所填充的特殊字符删除后才向高层交付。
3. 分组突发
- 当很多短帧要发送时，第一个短帧要采用上面所说的载波延伸的方法进行填充。
- 随后的一些短帧则可一个接一个地发送，只需留有必要的帧间最小间隔即可。这样就形成可一串分组的突发，直到达到 1500 字节或稍多一些为止。
4. 全双工方式
- 当吉比特以太网在全双工方式时（即通信双方可同时进行发送和接收数据），不使用载波延伸和分组突发。
3.6.3 10吉比特和100吉比特以太网
1. 对比：10吉比特和100吉比特以太网
- 10 吉比特以太网与 10 MB/s，100 Mb/s和 1Gb/s 以太网的帧格式完全相同。
- 10 吉比特以太网还保留了 802.3 标准规定的以太网最小和最大帧长，便于升级。
- 10 吉比特以太网不再使用铜线而只使用光纤作为传输媒体。
- 10 吉比特以太网只工作在全双工方式，因此没有争用问题，也不使用 CSMA/CD协议。
2. 以太网从 10 Mb/s 到 10 Gb/s 的演进证明了以太网是：
- 可拓展的（从 10 Mb/s 到 10 Gb/s）。
- 灵活的（多种传输媒体、全/半双工、共享/交换）。
- 易于安装。
- 稳定性好。
