• 物理層解決了相鄰節(jié)點透明傳輸比特的問題

3.1 數(shù)據(jù)鏈路層的幾個共同問題

3.1.1 數(shù)據(jù)鏈路和幀

• 鏈路：
  • 從一個節(jié)點到相鄰節(jié)點的一段物理線路，中間沒有任何其他的交換節(jié)點
• 數(shù)據(jù)鏈路：
  • 節(jié)點間的邏輯通道
  • 是把實現(xiàn)控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議的硬件和軟件加到鏈路上，即數(shù)據(jù)鏈路是鏈路加協(xié)議
• 數(shù)據(jù)鏈路層：
  • 負責(zé)通過一條鏈路從一個節(jié)點向物理鏈路直接相連的相鄰節(jié)點傳送幀
  • 數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元：
    • 幀
  • 數(shù)據(jù)鏈路層把網(wǎng)絡(luò)層交下來的數(shù)據(jù)構(gòu)成幀發(fā)送到鏈路上，以及把接收到的幀中的數(shù)據(jù)取出并上交給網(wǎng)絡(luò)層。
  • 網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議數(shù)據(jù)單元就是IP數(shù)據(jù)報（或簡稱為數(shù)據(jù)報、分組或包)。
  • 
  • 數(shù)據(jù)鏈路層向上，向網(wǎng)絡(luò)層提供明確的服務(wù)接口；向下，利用物理層提供的服務(wù)
  • 點對點信道的數(shù)據(jù)鏈路層通信時的主要步驟如下:
    1. 節(jié)點A的數(shù)據(jù)鏈路層把網(wǎng)絡(luò)層交下來的IP數(shù)據(jù)報添加首部和尾部封裝成幀。
    2. 節(jié)點A把封裝好的幀發(fā)送給節(jié)點B的數(shù)據(jù)鏈路層。
    3. 若節(jié)點B的數(shù)據(jù)鏈路層收到的幀無差錯，則從收到的幀中提取出IP數(shù)據(jù)報交給上面的網(wǎng)絡(luò)層;否則丟棄這個幀。

3.1.2 三個基本問題

• 數(shù)據(jù)鏈路層的信道類型：
  • 點對點信道
    • 一對一的通信方式，用于主干網(wǎng)
  • 廣播信道
    • 一對多的通信方式
  • 鏈路中通信雙方的信道使用不同的類型，會有不同的控制協(xié)議
• 數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的三個基本問題：
  • 封裝成幀
  • 透明傳輸
  • 差錯檢測

1. 封裝成幀

• 封裝成幀
  • 就是在一段數(shù)據(jù)的前后分別添加首部和尾部。
  • 首部和尾部的一個重要作用就是進行幀定界（即確定幀的界限)。
• 將比特流劃分成幀的主要目的是為了檢測和糾正物理層在比特傳輸中可能出現(xiàn)的錯誤
• 每一種鏈路層協(xié)議都規(guī)定了所能傳送的幀的數(shù)據(jù)部分長度上限——最大傳送單元 MTU (Maximum Transfer Unit)。
  • 即一個幀中所能封裝的IP數(shù)據(jù)報的長度
• 
• 定界符
  • 使用控制字符作為幀定界符
  • 控制字符SOH作為幀首部，控制字符EOT作為幀尾部
  • 
• 成幀的方法
  • 字節(jié)計數(shù)法
  • 帶字節(jié)填充的定界符法
  • 帶比特填充的定界符法
  • 物理層編碼違例

2. 透明傳輸

• 透明
  • 表示某一個實際存在的事物看起來卻好像不存在一樣
• 透明傳輸
  • 在數(shù)據(jù)鏈路層透明傳送數(shù)據(jù)表示無論什么樣的比特組合的數(shù)據(jù)，都能夠按照原樣沒有差錯地通過這個數(shù)據(jù)鏈路層。
  • 即一個幀發(fā)送的時候什么樣，接收的時候就是什么樣
• 帶字節(jié)填充的定界符法實現(xiàn)透明傳輸
  • 字節(jié)填充或字符填充
    • 發(fā)送端的數(shù)據(jù)鏈路層在數(shù)據(jù)中出現(xiàn)控制字符“SOH"或“EOT”的前面插入一個轉(zhuǎn)義字符“ESC"，在接收端的數(shù)據(jù)鏈路層在把數(shù)據(jù)送往網(wǎng)絡(luò)層之前刪除這個插入的轉(zhuǎn)義字符。
    • 
• 帶比特填充的定界符法
  • 使用特殊比特序列作為幀的開始，遇到數(shù)據(jù)部分與比特填充定界符相同時，采用比特填充法實現(xiàn)透明傳輸。
  • 以01111110為幀的開始，當(dāng)數(shù)據(jù)部分出現(xiàn)5個1時就插入一個0，保證不會出現(xiàn)6個1的情況
• 物理層編碼違例
  • 使用特殊的定界符，保證在正常的編碼中不太容易產(chǎn)生或不會產(chǎn)生相應(yīng)的信號，例如以太網(wǎng)中的幀前導(dǎo)碼、差分曼徹其特編碼的不正常跳變信號等。
  • 如以10101010等有規(guī)律的信號定界，數(shù)據(jù)部分的信號一般不會有規(guī)律

3. 差錯檢測

• 比特差錯
  • 由于噪聲的影響，比特在傳輸過程中可能會產(chǎn)生差錯，1可能會變成0，而0也可能變成1。
• 稱為誤碼率BER
  • 在一段時間內(nèi)，傳輸錯誤的比特占所傳輸比特總數(shù)的比率(Bit Error Rate)。
  • 誤碼率與信噪比有很大的關(guān)系。提高信噪比，就可以使誤碼率減小。
• 差錯檢測
  • 為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?#xff0c;幀不出錯
  • 目前在數(shù)據(jù)鏈路層廣泛使用循環(huán)冗余檢驗CRC的檢錯技術(shù)。
  • 檢錯碼：
    • 主要用在高可靠、誤碼率低的信道
    • 有錯誤就丟棄，重新發(fā)送
  • 糾錯碼：
    • 主要用于錯誤發(fā)生頻繁的信道
    • 錯誤率高的信道重發(fā)還是錯誤
• 循環(huán)冗余檢驗CRC
  • CRC就是在數(shù)據(jù)M的后面添加供差錯檢測用的n位冗余碼，然后構(gòu)成一個幀發(fā)送出去，一共發(fā)送(k + n)位。
  • n位冗余碼可用二進制的模2運算（不進位、不退位、不借位）得到
    1. 在M后面添加n個0，得到(k + n)位的數(shù)
    2. 得到的(k + n)位的數(shù)除以收發(fā)雙方事先商定的長度為(n + 1)位的除數(shù)P
    3. 得出商是Q而余數(shù)是R (n位，比P少一位)。
    4. 這個余數(shù)R就作為冗余碼拼接在數(shù)據(jù)M的后面發(fā)送出去。
    • 
    • (0-1)可以當(dāng)成(2-1)結(jié)果為1，或者看成異或運算
    • 如果第一位大于等于除數(shù)，就商1，否則商0
    5. 接收方檢驗是否出錯，就用添加冗余碼后的數(shù)再除一次除數(shù)看是否可以除盡，可以無出錯，否則出錯
  • 這種為了進行檢錯而添加的冗余碼常稱為幀檢驗序列FCS
  • 循環(huán)冗余檢驗CRC和幀檢驗序列FCS并不是同一個概念。
    • CRC是一種檢錯方法
    • FCS是添加在數(shù)據(jù)后面的冗余碼，在檢錯方法上可以選用CRC，但也可不選用CRC。
• 數(shù)據(jù)鏈路層實現(xiàn)的只是接收的每個幀是無差錯的，并不能保證可靠傳輸
• 可靠傳輸
  • 不出現(xiàn)幀丟失
  • 不出現(xiàn)幀重復(fù)
  • 不出現(xiàn)幀失序

3.2 點對點協(xié)議PPP

• PPP是目前使用得最廣泛得數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議

3.2.1 PPP協(xié)議的特點

1. PPP協(xié)議應(yīng)滿足得要求

1. 簡單
2. 封裝成幀
3. 透明性
4. 多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，PPP協(xié)議必須能夠再同一條物理鏈路上同時支持多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，能將網(wǎng)絡(luò)層得數(shù)據(jù)報封裝成幀傳輸
5. 多種類型鏈路，PPP必須能夠再多種類型得鏈路上運行
6. 差錯檢測
7. 檢測連接狀態(tài)
8. 最大傳送單元，MTU是數(shù)據(jù)鏈路層得幀可以載荷得數(shù)據(jù)部分得最大長度，不是幀得總長度
9. 網(wǎng)絡(luò)層地址協(xié)商，PPP必須提供一種機制使兩個網(wǎng)絡(luò)層得實體能夠通過協(xié)商知道或能夠配置彼此得網(wǎng)絡(luò)層地址
10. 數(shù)據(jù)壓縮協(xié)商，PPP必須提供一中方法來協(xié)商使用數(shù)據(jù)壓縮算法

2. PPP協(xié)議的組成

• PPP協(xié)議的三個組成部分
  1. 一個將IP數(shù)據(jù)報封裝到串行鏈路的方法。PPP 既支持異步鏈路(無奇偶檢驗的8比特數(shù)據(jù))，也支持面向比特的同步鏈路。
  2. 一個用來建立、配置和測試數(shù)據(jù)鏈路連接的鏈路控制協(xié)議LCP
  3. 一套網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議NCP， 其中的每一個協(xié)議支持不同的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議

3.2.2 PPP協(xié)議的幀格式

1. 各字段的意義

• PPP幀的首部和尾部分別為四個字段和兩個字段。
• 首部的第一個字段和尾部的第二個字段都是標(biāo)志字段F (Flag)，規(guī)定為0x7E
  • 標(biāo)志字段表示一個幀的開始或結(jié)束。
  • 標(biāo)志字段就是PPP幀的定界符。
• 首部中的地址字段A規(guī)定為0xFF (即111111)
• 控制字段C規(guī)定為0x03 (即0000011)。
• 字段A與字段C的定義至今也沒有給出。
  • 這兩個字段實際上并沒有攜帶PPP幀的信息。
• PPP首部的第四個字段是2字節(jié)的協(xié)議字段。
  • 表示上層IP數(shù)據(jù)報部分的類型
  • 當(dāng)協(xié)議字段為0x0021時，PPP幀的信息字段就是IP數(shù)據(jù)報。
  • 若為0xC021， 則信息字段是PPP鏈路控制協(xié)議LCP的數(shù)據(jù)，
  • 0x8021表示這是網(wǎng)絡(luò)層的控制數(shù)據(jù)。
• 信息字段的長度是可變的，不超過1500字節(jié)。
• 尾部中的第一個字段(2字節(jié))是使用CRC的幀檢驗序列FCS。

透明傳輸問題

• 當(dāng)PPP用在異步傳輸時，使用字節(jié)填充法。
• 當(dāng)PPP用在同步傳輸鏈路時，采用零比特填充法。
• 同步傳輸(SONET/SDH鏈路)
  • 面向比特的傳輸，同步傳輸?shù)膯挝皇菐?/li>
  • 同步傳輸收發(fā)雙方時鐘統(tǒng)一、字符間傳輸同步無間隔。即發(fā)一個比特收一個比特
• 異步傳輸
  • 面向字節(jié)的傳輸，異步傳輸?shù)膯挝皇亲址?
  • 異步傳輸效率低，高速鏈路開銷大。
  • 收到的比特數(shù)達到一個字節(jié)再進行接收
  • 異步，發(fā)送的比特沒有馬上被接收

2. 字節(jié)填充

• 當(dāng)PPP使用異步傳輸時，把轉(zhuǎn)義符定義為0x7D (即1111101)， 并使用字節(jié)填充
  1. 把信息字段中出現(xiàn)的每一個0x7E字節(jié)轉(zhuǎn)變成為2字節(jié)序列(0x7D, 0x5E)。
  2. 若信息字段中出現(xiàn)一個0x7D的字節(jié)(即出現(xiàn)了和轉(zhuǎn)義字符一樣的比特組合)，則把0x7D轉(zhuǎn)變成為2字節(jié)序列(0x7D, 0x5D)。
  3. 若信息字段中出現(xiàn)ASCII碼的控制字符(即數(shù)值小于0x20的字符)，則在該字符前面要加入一個0x7D字節(jié)，同時將該字符的編碼加以改變。
• 

3. 零比特填充

• 在發(fā)送端，先掃描整個信息字段，只要發(fā)現(xiàn)有5個連續(xù)1，則立即填入一個0。
• 接收端在收到一個幀時，先找到標(biāo)志字段F以確定一個幀的邊界，接著再用硬件對其中的比特流進行掃描。每當(dāng)發(fā)現(xiàn)5個連續(xù)1時，就把這5個連續(xù)1后的一個0刪除，以還原成原來的信息比特流
  • 這樣就保證了透明傳輸，不會引起對幀邊界的錯誤判斷。
• 

3.2.3 PPP協(xié)議的工作狀態(tài)

3.3 使用廣播信道的數(shù)據(jù)鏈路層

3.3.1 局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層

• 局域網(wǎng)最主要的特點是
  • 網(wǎng)絡(luò)為一個單位所擁有，且地理范圍和站點數(shù)目均有限。
• 局域網(wǎng)的優(yōu)點
  1. 具有廣播功能，從一個站點可很方便地訪問全網(wǎng)。
  2. 便于系統(tǒng)的擴展和逐漸地演變，各設(shè)備的位置可靈活調(diào)整和改變。
  3. 提高了系統(tǒng)的可靠性(reliability)、可用性(availability)和生存性(survivability)。
• 局域網(wǎng)可按網(wǎng)絡(luò)拓撲進行分類
  • 
  • 都共享一個信道
• 廣播信道的問題
  • 可能2個或多個站點同時請求占用信道
• 解決方法
  • 靜態(tài)劃分信道
    • 方式
      • 頻分復(fù)用
      • 時分復(fù)用
      • 波分復(fù)用
      • 碼分復(fù)用
    • 適用于通信量大且流量穩(wěn)定、用戶少且用戶數(shù)目固定的情況
    • 代價高，不適合突發(fā)性業(yè)務(wù)，不適合局域網(wǎng)
  • 動態(tài)媒體接入控制
    • 又稱多點接入
    • 信道不是在用戶通信時固定分配給用戶的
    • 方式
      • 隨機接入
        • 所有的用戶可以隨機的發(fā)生信息
        • 如以太網(wǎng)
      • 受控接入
        • 用戶不能隨機的發(fā)送信息，必須服從一定的控制
        • 如輪詢

1. 以太網(wǎng)的兩個主要標(biāo)準(zhǔn)

• IEEE 802 委員會就把局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層拆成兩個子層
  • 邏輯鏈路控制LLC (Logical Link Control)子層
  • 媒體接入控制MAC (Medium Access Control)子層
• 與接入到傳輸媒體有關(guān)的內(nèi)容都放在MAC子層，而LLC子層則與傳輸媒體無關(guān)，不管采用何種傳輸媒體和MAC子層的局域網(wǎng)對LLC子層來說都是透明的
  • 
• 目前邏輯鏈路控制子層LLC的作用已經(jīng)消失，適配器上基本只裝有MAC協(xié)議沒有LLC協(xié)議

2. 適配器的作用

• 適配器(adapter)
  • 計算機與外界局域網(wǎng)的連接是通過適配器(adapter)。
  • 適配器本來是在主機箱內(nèi)插入的一塊網(wǎng)絡(luò)接口板(或者是在筆記本電腦中插入一塊PCMCIA卡——個人計算機存儲器卡接口適配器)。
  • 這種接口板又稱為網(wǎng)絡(luò)接口卡NIC或簡稱為“網(wǎng)卡”。
• 適配器的一個重要功能就是要進行數(shù)據(jù)串行傳輸和并行傳輸?shù)霓D(zhuǎn)換。
• 由于網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)率和計算機總線的數(shù)據(jù)率并不相同，因此在適配器中必須裝有對數(shù)據(jù)進行緩存的存儲芯片。
• 在主板上插入適配器時，還必須把管理該適配器的設(shè)備驅(qū)動程序安裝在計算機的操作系統(tǒng)中。
  • 驅(qū)動程序會告訴適配器，應(yīng)當(dāng)從存儲器的什么位置上把多長的數(shù)據(jù)塊發(fā)送到局域網(wǎng)，或者應(yīng)當(dāng)在存儲器的什么位置上把局域網(wǎng)傳送過來的數(shù)據(jù)塊存儲下來。
• 適配器還要能夠?qū)崿F(xiàn)以太網(wǎng)協(xié)議
• 適配器使用數(shù)據(jù)鏈路層中規(guī)定的MAC地址進行局域網(wǎng)通信
• 

3.3.2 CSMA/CD協(xié)議

• 總線型以太網(wǎng)
  • 最早的以太網(wǎng)是將許多計算機連接到一根總線上
• 總線的特點是
  • 易于實現(xiàn)廣播、簡單、可靠
  • 當(dāng)一臺計算機發(fā)送數(shù)據(jù)時，總線上的所有計算機都能檢測到這個數(shù)據(jù)。
    • 這種就是廣播通信方式。
• 為了在總線上實現(xiàn)一對一的通信，可以使每一臺計算機的適配器都擁有一個與其他適配器都不同的地址。在發(fā)送數(shù)據(jù)幀時，在幀的首部寫明接收站的地址。僅當(dāng)數(shù)據(jù)幀中的目的地址與適配器ROM中存放的硬件地址一致時，該適配器才能接收這個數(shù)據(jù)幀。適配器對不是發(fā)送給自己的數(shù)據(jù)幀就丟棄。
• 把局域網(wǎng)上的計算機稱為“主機”“工作站”“站點”或“站”。
• 以太網(wǎng)采取的兩種重要措施
  • 采用無連接的工作方式
  • 發(fā)送的數(shù)據(jù)使用曼切斯特編碼，便于同步
• 總線型以太網(wǎng)多個站點同時發(fā)送信息
  • 會產(chǎn)生發(fā)送碰撞或沖突，導(dǎo)致發(fā)送失敗
    • 碰撞后信號疊加，雖然還能繼續(xù)傳輸，但是無法辨別出發(fā)送的信息
  • 
• CSMA/CD
  • 載波監(jiān)聽多點接入/碰撞檢測
• CSMA/CD協(xié)議的要點
  • “多點接入”就是說明這是總線型網(wǎng)絡(luò)，許多計算機以多點接入的方式連接在一根總線上。
  • 協(xié)議的實質(zhì)是“載波監(jiān)聽”和“碰撞檢測”。
  • “載波監(jiān)聽”也就是“邊發(fā)送邊監(jiān)聽”。
    • 載波監(jiān)聽就是不管在想要發(fā)送數(shù)據(jù)之前，還是在發(fā)送數(shù)據(jù)之中，每個站都必須不停地檢測信道。
  • 碰撞檢測
    • 在發(fā)送前檢測信道，是為了避免沖突。如果檢測出已經(jīng)有其他站在發(fā)送，則本站就暫時不要發(fā)送數(shù)據(jù)。
    • 在發(fā)送中檢測信道，是為了及時發(fā)現(xiàn)如果有其他站也在發(fā)送，就立即中斷本站的發(fā)送。
    • “碰撞檢測”是適配器邊發(fā)送數(shù)據(jù)邊檢測信道上的信號電壓的變化情況。
    • 當(dāng)適配器檢測到的信號電壓變化幅度超過一定的門]限值時，就認為總線上至少有兩個站同時在發(fā)送數(shù)據(jù)，表明產(chǎn)生了碰撞。
    • 所謂“碰撞”就是發(fā)生了沖突。因此“碰撞檢測”也稱為“沖突檢測”。
    • 一旦發(fā)現(xiàn)總線上出現(xiàn)了碰撞，其適配器就要立即停止發(fā)送，然后等待一段隨機時間后再次發(fā)送。
• 既然每一個站在發(fā)送數(shù)據(jù)之前已經(jīng)監(jiān)聽到信道為“空閑”，那么為什么還會出現(xiàn)數(shù)據(jù)在總線上的碰撞呢?
  • 因為不會查看整個信道，而只是檢測自己到總線出去一部分的區(qū)域
• 為什么進行碰撞檢測
  • 信號傳播有時延，監(jiān)聽信道空閑，但信道可能并非真正空閑
  • 每個站點在自己發(fā)送數(shù)據(jù)到達終點之前都存在碰撞的可能性

• 總線上的單程端到端傳播時延記為$\tau$
• 至少在$2\tau$時刻收到回來的信號才是沒有發(fā)送碰撞(B馬上回送信號)
• A只有在發(fā)送之后收到信號才知道是否發(fā)生了沖突
• 在使用CSMA/CD協(xié)議時，一個站不能同時發(fā)送和接收，但是必須邊發(fā)送邊監(jiān)聽信道（半雙工通信）
• 每一個站在自己發(fā)送數(shù)據(jù)之后的一小段時間內(nèi)，存在著遭遇碰撞的可能性。以太網(wǎng)不能保證在檢測到信道空閑后的某一時間內(nèi)，一定能夠把自己的數(shù)據(jù)幀成功地發(fā)送出去。以太網(wǎng)的這一特點稱為發(fā)送的不確定性。
• 在發(fā)送數(shù)據(jù)幀后至多經(jīng)過時間$2\tau$就可知道所發(fā)送的數(shù)據(jù)幀是否遭受了碰撞。因此以太網(wǎng)的端到端往返時間$2\tau$稱為爭用期(contention period)
  • 爭用期又稱為碰撞窗口(collisionwindow)。
  • 經(jīng)過爭用期這段時間還沒有檢測到碰撞，才能肯定這次發(fā)送不會發(fā)生碰撞。
  • 基本退避時間為爭用期$2\tau$，具體的爭用期時間是51.2 us。
    • 對于10 Mbit/s 以太網(wǎng)在爭用期內(nèi)可發(fā)送512比特，即64字節(jié)。
    • 也可以說爭用期是512比特時間。
      • 1比特時間就是發(fā)送1比特所需的時間。
      • 可以直接使用比特作為爭用期的單位。
    • 爭用期是512比特，即爭用期是發(fā)送512比特所需的時間。
    • 發(fā)送的數(shù)據(jù)量小于512比特，說明一定發(fā)送碰撞（未過爭用期）
      • 因為有站點在$\tau$時間內(nèi)就發(fā)送了信息
  • 以太網(wǎng)在發(fā)送數(shù)據(jù)時，若前64字節(jié)沒有發(fā)生沖突，則后續(xù)的數(shù)據(jù)就不會發(fā)生沖突。所有以太網(wǎng)規(guī)定了最短有效幀長為64字節(jié)。凡長度小于64字節(jié)的幀都是由于沖突而異常中止的無效幀，應(yīng)當(dāng)立即將其丟棄。
  • 理論上，以太網(wǎng)的最大端到端長度約為5 km(電磁波信號1km大勺需要5us，一半爭用期 t =25.6 us) 。
    • 如果長度大于5km，收到回來的信號剛好在發(fā)送完信息之后，則會認為沒有發(fā)送碰撞
• 碰撞后什么時候重傳
  • 采用截斷二進制指數(shù)退避確定。
  • 發(fā)生碰撞的站停止發(fā)送數(shù)據(jù)后，要退避一個隨機時間后再發(fā)送數(shù)據(jù)。
    • 基本退避時間$2\tau$
    • 從整數(shù)集合[0,1,…,(2^k-1)]中隨機取出一個數(shù)，記為r，重傳所需的時延為T = r X 基本退避時間
    • 參數(shù)k = Min[重傳次數(shù),10]
    • 當(dāng)重傳達16次仍不能成功時即丟棄該幀，并向高層報告。
• 強化碰撞
  • 當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)的站一旦發(fā)現(xiàn)發(fā)生了碰撞時，除立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)外，還要再繼續(xù)發(fā)送32比特或48比特的人為干擾信號，以便讓所有用戶都知道現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)生了碰撞，阻止其他用戶發(fā)送信號。
    • 對于10 Mbit/s以太網(wǎng)，發(fā)送32 (或48）比特只需要3.2(或4.8) us。
    • 幀間最小間隔為9.6us，發(fā)送一個幀等9.6us看是否發(fā)生了碰撞（48比特的數(shù)據(jù)發(fā)送到達對方最晚自己收到會送的信號知道碰撞需要9.6us）
  • 
• CSMA/CD重要特性
  • 使用CSMA/CD協(xié)議的以太網(wǎng)不能進行全雙工通信而只能進行雙向交替通信半雙工通信)
    • 進行全雙工通信，一個信道雙方同時發(fā)送信息一定碰撞
  • 每個站在發(fā)送數(shù)據(jù)之后的一小段時間內(nèi)，存在著遭遇碰撞的可能性
  • 這種發(fā)送的不確定性使整個以太網(wǎng)的平均通信量遠小于以太網(wǎng)的最高數(shù)據(jù)率。
    • 先聽后發(fā)、邊聽邊發(fā)、沖突停止、延遲重發(fā)

3.3.3 使用集線器的星形拓撲

• 傳統(tǒng)以太網(wǎng)傳輸媒體的變化過程
  • 粗同軸電纜 => 細同軸電纜 => 雙絞線
• 使用雙絞線作為傳輸媒體的以太網(wǎng)采用星形拓撲結(jié)構(gòu)
  • 在星形的中心則增加了一種可靠性非常高的設(shè)備，叫作集線器(hub)
  • 
• 10BASE-T以太網(wǎng)
  • “10”代表10 Mbit/s的數(shù)據(jù)率
  • BASE表示連接線上的信號是基帶信號
  • T代表雙絞線
  • 每個站到集線器的距離不超過100 m（一般默認雙絞線的最遠傳輸距離為100m）
• 集線器的特點
  1. 由于集線器使用電子器件來模擬實際電纜線的工作，所以使用集線器的以太網(wǎng)在邏輯上仍是一個總線網(wǎng)，仍讓是總線型共享信道的方式
     • 各站共享邏輯上的總線
     • 使用的還是CSMA/CD協(xié)議（各站中的適配器執(zhí)行CSMA/CD 協(xié)議)。
     • 網(wǎng)絡(luò)中的各站必須競爭對傳輸媒體的控制，并且在同一時刻至多只允許一個站發(fā)送數(shù)據(jù)。
  2. 一個集線器有許多端口，用兩對雙絞線與一臺計算機上的適配器相連，即發(fā)送和接收各使用一對雙絞線
  3. 集線器工作在物理層，它的每個端口僅僅簡單地轉(zhuǎn)發(fā)比特——收到1就轉(zhuǎn)發(fā)1，收到0就轉(zhuǎn)發(fā)0，不進行碰撞檢測。
     • 若兩個端口同時有信號輸入（即發(fā)生碰撞)，那么所有的端口都將收不到正確的幀。
  4. 集線器采用了專門的芯片，進行自適應(yīng)串音回波抵消，可使端口轉(zhuǎn)發(fā)出去的較強信號不致對該端口接收到的較弱信號產(chǎn)生干擾(這種干擾即近端串音)。
  • 

3.3.4 以太網(wǎng)的信道利用率

• $T_0$為發(fā)送幀所需的時間
• $2\tau$為爭用期
• 成功發(fā)送一個幀需要占用信道的時間為$T_0+\tau$
  • 如果在本站點發(fā)送信息的過程中，如果有別的站點發(fā)送了信息，到達本站點所需的時間至多為$\tau$，所以只要$T_0+\tau$沒有收到碰撞信號就是發(fā)送成功
• 在以太網(wǎng)中定義了參數(shù)a
  • 參數(shù)a是以太網(wǎng)單程端到端時延$\tau$與幀的發(fā)送時間$T_0$之比
  • $a=\frac{\tau }{T_0}$
  • 當(dāng)a→0時，表示只要一發(fā)生碰撞，就立即可以檢測出來，并立即停止發(fā)送，因而信道資源被浪費的時間非常非常少。
  • 反之，參數(shù)a越大，表明爭用期所占的比例越大，這就使得每發(fā)生一次碰撞就浪費了不少的信道資源，使得信道利用率明顯降低。
  • 以太網(wǎng)的參數(shù)的值應(yīng)當(dāng)盡可能小些。
• 當(dāng)數(shù)據(jù)率一定時，以太網(wǎng)的連線的長度受到限制(否則$\tau$的數(shù)值會太大)，同時以太網(wǎng)的幀長不能太短(否則$T_0$的值會太小，使a值太大)。
• 極限信道利用率$S_{max}$
  • 假定以太網(wǎng)上的各站發(fā)送數(shù)據(jù)都不會產(chǎn)生碰撞，并且總線一旦空閑就有某一個站立即發(fā)送數(shù)據(jù)。
  • 發(fā)送一幀占用線路的時間是$T_0+\tau$，幀本身的發(fā)送時間是$T_0$
  • $S_{max}=\frac{T_0}{T_0+\tau }=\frac{1}{1+a}$
  • 只有當(dāng)參數(shù)a遠小于1才能得到盡可能高的極限信道利用率

3.3.5 以太網(wǎng)的MAC層

1. MAC層的硬件地址

• 硬件地址又稱為物理地址或MAC地址
  • 該地址使用在MAC幀中
• 每個適配器都有一個MAC地址，相當(dāng)于該適配器的標(biāo)識符，與其所處的位置無關(guān)
  • MAC地址固化在適配器的ROM中
  • 一個網(wǎng)卡提供一個接口，一個網(wǎng)卡有一個對應(yīng)的MAC地址，所以每個接口都有一個與之對應(yīng)得MAC地址

• IEEE 802 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定MAC地址字段采用6字節(jié)(48位)