【计算机网络】数据链路层：使用广播信道的数据链路层（1）

局域网的数据链路层

局域网特点：网络为一个单位所拥有，地理范围和站点数目均有限。

地理范围和站点数目均有限。

局域网优点：

具有广播功能（范围小，使用广播方便），从一个站点可以很方便地访问全网。

思考题：为什么广域网不采用广播通信？

广域网地理范围大，采用广播通信造成对通信资源的极大浪费。

共享信道带来的问题：

多个设备在共享的广播信道上同时发送数据，则会造成彼此干扰，导致发送失败。

媒体共享技术：

静态划分信道：频分复用、时分复用(TDM)、波分复用、码分复用

动态媒体接入控制：

随机接入：所有的用户可随机发送信息

受控接入：用户必须服从一定的控制。

传统以太网：

10Mbit/s的以太网。

两个标准：

DIX Ethernet V2：世界上第一个局域网产品的规约。

IEEE 802.3:第一个IEEE的以太网标准。

两个标准差别很小，允许基于两种标准的硬件实现在同一个局域网上互操作。

IEEE802把局域网数据链路层划分为两个子层：

逻辑链路控制LLC：与传输媒体无关

媒体接入控制MAC子层：与传输媒体有关

适配器的作用：

（1）进行数据串行传输和并行传输的转换

（2）由于网络上的数据率和计算机总线上的数据率并不相同，因此在适配器中必须装有对数据进行缓冲的存储芯片。

（3）在主板上插入适配器时，还必须把管理该适配器的设备驱动程序安装在计算机的操作中

（4）实现以太网协议

计算机硬件地址在适配器的ROM中，而计算机的IP地址在计算机的存储器中。

为了通信的简便，以太网采取了以下两种措施：

(1)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

适配器对发送的数据不进行编号，也不要求对方发回确认。所以以太网提供的服务是尽最大努力的交付，即不可靠的交付。

(2)以太网发送的数据都使用曼彻斯特编码的信号。

CSMA/CD协议：载波监听多点接入/碰撞检测

（1）多点接入：说明是总线型网络，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：边发送边监听。不管在想要发送数据之前，还是在发送数据之中，每个站都必须不停地检测信道。

在发送前检测信道，是为了避免冲突。如果检测出已经有其他站在发送，则本站就暂时不要发送数据。

在发送中检测信道，是为了及时发现如果有其他站也在发送，就立即中断本站的发送。

（3）碰撞检测：

适配器边发送数据边检测信道上的信号电压的变化情况。

当两个或几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压变化幅度将会增大，当适配器检测到的信号电压变化幅度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，表明了产生了碰撞。

所谓碰撞就是发生了冲突。

检测到碰撞后，适配器立即停止发送，等待一段随机时间后再次发送。

发生碰撞的原因：

信号的传播时延对载波监听产生了影响

每一个站在自己发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。 

A需要单程传播时延的2倍的时间，才能检测到与B的发送产生了冲突。

争用期(碰撞窗口)：以太网端到端往返时延

经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，说明发送不会发生碰撞。

碰撞后重传的时机：截断二进制指数退避算法

发生碰撞的站停止发送数据后，要退避一个一个随机时间后再发送数据

(1)基本退避时间为争用期，具体的争用期时间是51.2us。

对于10Mbit/s以太网在争用期内可发送512比特，即64字节。

（1us=10-6s, 1M =10 6）

也可以说争用期是512比特时间。1比特时间是发送1比特所需的时间。

这意味着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。

以太网规定了最短有效帧长64字节。

如果要发送的数据非常少，那么必须加入一些填充字节，使帧长不小于64字节。

凡是长度小于64字节的帧都是由冲突而异常中止的无效帧，应当立即将其丢弃。

以太网的最大端到端长度：

争用期为51.2us，信号在以太网上传播1km大约需要5us。以太网上最大的端到端时延必须小于争用期的一半，相当于以太网的最大端到端长度为5km。

（2）从离散的整数集合[0,1,..,(2k-1)]中随机地取出一个数，记为r。

重传所需的时延=r*基本退避时间。

（3）参数k=min[ 重传次数，10 ]

（4)  当重传达16次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。

 上述退避算法可使重传需要推迟的平均时间随重传次数而增大。

强化碰撞：

当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时，除立即停止发送数据外，还要再继续发送32比特或48比特的认为干扰信号，以便让所有用户都知道了现在已经发生了碰撞。

最短有效帧长

 

注意：K=10^3,M=10^6,G=10^9

注意：1us = 10^(-6)s