计算机网络（谢希仁）— 第三章-数据链路层（二）_最大信道利用率

一、使用广播信道的数据链路层

1.1 局域网的数据链路层

• 局域网最主要的特点是：
  ①、网络为一个单位所拥有；
  ②、地理范围和站点数目均有限。
• 局域网具有如下主要优点：
  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、可用性和残存性。
  
  

1. 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）：①、随机接入，②、受控接入 ，如多点线路探询 (polling)，或轮询。

（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 802.3是第一个 IEEE 的以太网标准。
• 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 。

1. 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，IEEE 802 委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层：
  ①、逻辑链路控制LLC (Logical Link Control)子层；
  ②、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 子层则与传输媒体无关。
• 不管采用何种协议的局域网，对 LLC 子层来说都是透明的。
  
• 注意：IEEE 802.3 标准规定的以太网的物理地址长度是48bit
• 差错控制和流量控制的功能实现无差错的LLC协议数据单元的传输
• 实现局域网共享信道的访问控制，把LLC子层的数据封装成帧并进行发送，而且进行比特差错检测和寻址等
  
  逻辑链路控制子层是看不到MAC层和物理层的差异的，一般不考虑 LLC 子层，很多厂商生产的适配器上就仅装有 MAC 协议而没有 LLC 协议

（2）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：
  ①、进行串行/并行转换。
  ②、对数据进行缓存。
  ③、在计算机的操作系统安装设备驱动程序。
  ④、实现以太网协议。
  

2.2 CSMA/CD 协议

• 最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。易于实现广播通信。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。
  
• 为了实现一对一通信，将接收站的硬件地址写入帧首部中的目的地址字段中。仅当数据帧中的目的地址与适配器的硬件地址一致时，才能接收这个数据帧。
  
• 总线也有缺点。若多台计算机或多个站点同时发送时，会产生发送碰撞或冲突，导致发送失败。
  

1. 如何避免同时发送产生的碰撞？ 采用 CSMA/CD

2. 以太网提供的服务

• CSMA/CD 含义：载波监听多点接入 / 碰撞检测 (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) 。
• “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。
• 注意：以太网数据帧最大的长度是1518B，因为以太网数据的长度为1500B + 帧的头部14B + 帧结尾4B = 1518B

3. 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”。

4. 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。因为有传播时延，所以边发送边检测。

CSMA/CD协议：先听后发、边听边发、冲突退避、延迟重发

5. 争用期

6. 10Mbit/s 以太网争用期的长度

• 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。

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。

• 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。

8. 覆盖范围

• 在 10 Mbit/s 以太网 51.2 μs 的争用期内，信号能传输多远的距离？
  以太网上最大的端到端单程时延必须小于争用期的一半（即 25.6 μs），这相当于以太网的最大端到端长度约为 5 km。

9. 二进制指数类型退避算法 (truncated binary exponential type)

10. 人为干扰信号

11. CSMA/CD 协议的重要特性

• 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。

12. CSMA/CD 协议的要点

3.3 使用集线器的星形拓扑

1. 星形以太网 10BASE-T

• 使用无屏蔽双绞线，采用星形拓扑。
• 每个站需要用两对双绞线，分别用于发送和接收。
• 双绞线的两端使用 RJ-45 插头。
• 集线器使用了大规模集成电路芯片，因此集线器的可靠性提高。
• 10BASE-T 的通信距离稍短，每个站到集线器的距离不超过 100m。

2. 10BASE-T 以太网在局域网中的统治地位

• 这种 10 Mbit/s 速率的无屏蔽双绞线星形网的出现，既降低了成本，又提高了可靠性。 具有很高的性价比。
• 10BASE-T 双绞线以太网的出现，是局域网发展史上的一个非常重要的里程碑，它为以太网在局域网中的统治地位奠定了牢固的基础。
• 从此以太网的拓扑就从总线形变为更加方便的星形网络，而以太网也就在局域网中占据了统治地位。

3. 集线器的一些特点

• —种特殊的多端口中继器
• 采用广播方式转发数据包，所有连接端口共享网络带宽。
• 集线器的特点
  ①、数据通信不安全
  ②、共享带宽，可能造成网络阻塞，降低了网络执行率
  ③、同一时刻每个端口只能像一个方向进行数据 通信

3.4 以太网的信道利用率

• 多个站在以太网上同时工作就可能会发生碰撞。
• 当发生碰撞时，信道资源实际上是被浪费了。因此，当扣除碰撞所造成的信道损失后，以太网总的信道利用率并不能达到 100%。
  

1. 以太网信道被占用的情况

2. 参数 a 与利用率

• a → 0，表示一发生碰撞就立即可以检测出来， 并立即停止发送，因而信道利用率很高。
• a 越大，表明争用期所占的比例增大，每发生一次碰撞就浪费许多信道资源，使得信道利用率明显降低。
  

3. 信道利用率的最大值 Smax

• 只有当参数 a 远小于 1 才能得到尽可能高的极限信道利用率。
• 据统计，当以太网的利用率达到 30% 时就已经处于重载的情况。很多的网络容量被网上的碰撞消耗掉了。

2.5 以太网的 MAC 层

（1） MAC 层的硬件地址

• 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。

• 请注意，如果连接在局域网上的主机或路由器安装有多个适配器，那么这样的主机或路由器就有多个“地址”。更准确些说，这种 48 位“地址”应当是某个接口的标识符。

• 注意：在OSI的七层模型中，集线器是工作在==物理层==上的

1. 48 位的 MAC 地址

2. 单站地址，组地址，广播地址

• IEEE 规定地址字段的第一字节的最低位为 I/G 位。I/G 表示 Individual / Group。
• 当 I/G 位 = 0 时，地址字段表示一个单站地址【一对一】。
• 当 I/G 位 = 1 时，表示组地址，用来进行多播（以前曾译为组播）。此时，IEEE 只分配地址字段前三个字节中的 23 位。【一对多】
• 当 I/G 位分别为 0 和 1 时，一个地址块可分别生成 223 个单个站地址和 223 个组地址。
• 所有 48 位都为 1 时，为广播地址。只能作为目的地址使用。

3. 适配器检查 MAC 地址

• 所有的适配器都至少能够识别前两种帧，即能够识别单播地址和广播地址。
• 有的适配器可用编程方法识别多播地址。
• 只有目的地址才能使用广播地址和多播地址。
• 以混杂方式 (promiscuous mode)工作的以太网适配器只要“听到”有帧在以太网上传输就都接收下来。

（2）MAC 帧的格式

• 常用的以太网 MAC 帧格式有两种标准：
  ①、DIX Ethernet V2 标准
  ②、IEEE 的 802.3 标准
• 最常用的MAC 帧是以太网 V2 的格式。

1. 以太网 V2 的 MAC 帧格式

2. 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。

3. IEEE 802.3 MAC 帧格式

• 与以太网 V2 MAC 帧格式相似，区别在于：
  • IEEE 802.3 规定的 MAC 帧的第三个字段是“长度 / 类型”。
    ①、当这个字段值大于 0x0600 时（相当于十进制的 1536），就表示“类型”。这样的帧和以太网 V2 MAC 帧完全一样。
    ②、当这个字段值小于 0x0600 时才表示“长度”。
  • 当“长度/类型”字段值==小于 0x0600 ==时，数据字段必须装入上面的逻辑链路控制 LLC 子层的 LLC 帧。
• 现在市场上流行的都是以太网 V2 的 MAC 帧，但大家也常常把它称为 IEEE 802.3 标准的 MAC 帧。

4. 帧间最小间隔