数据链路层(二)

这是我参与11月更文挑战的第20天,活动详情查看:2021最后一次更文挑战

11. 共享通信媒体

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)

  随机接入(主要被以太网采用)
  受控接入,如多点线路探寻(polling),或者轮询。(目前已不采用)

12. 以太网

最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。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。

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他们的数据帧,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。

1) 、载波监听多点接入/碰撞检测 以太网使用CSMA/CD协议

CSMA/CD表示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,以免发送碰撞。

“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。

2)、 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。

  当有几个站童年故事在总线上发送数据时,总线上的信号电压摆动值会增大(相互叠加)。

  当一个站监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”也成为“冲突检测”。

检测到碰撞后

  在发送碰撞时,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,就要立刻停止发送,免得继续浪费网络资源,然后等待一段随机时间后再发送。

3)、 传播时延对载波监听的影响

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4)、 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)。

每一个站的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,在发送数据帧后之多经过时间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了碰撞。

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。

以太网的争用期

  以太网的端到端往返时延2τ成为争用期,或碰撞窗口。通常去51.2μs为争用期的长度
  对于100Mb/s的以太网,在征用期内可发送512bit,即64字节。

  以太网在发送数据时,若前64字节未发送冲突,则后续的数据也不会发生冲突。

最短有效帧长

  如果发送冲突,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终止发送,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,凡是长度小于64字节的帧都是由于冲突而异常终止的无效帧。

6)、 二进制指数类型退避算法

发送碰撞的站在停止发送数据后,要推迟(退避)一个随机事件才能在发送数据。
确定基本退避时间,一般是争取为争用期2τ。

  定义参数k,

         k=Min[重传次数,10]

  从整数集合[0,1,2......,(2k-1)] (2的k次方减一)中随机地取出一个值,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次扔不能成功时即丢弃该帧,并向高层报告。

7)、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”应当是指符合DIX Ethernet V2标准的局域网。

8)、 以太网与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:

  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。

由于TCP/IP体系经常使用的局域网是DIX Ethernet V2而不是802.3标准中的几种局域网,因此现在802委员会制定的逻辑链路层控制子层LLC(既802.2标准)的作用已经不打了。

很多厂商生产的适配器上就仅装有MAC协议而没有LLC协议。

9)、 以太网提供的服务

以太网提供的服务是不可靠的交付,即尽最大努力的交付。

当接入站收到有差错的数据帧时就丢掉此帧,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,而是当做一个新的数据帧来发送。

10)、 星型拓扑

传统的以太网最初是使用粗同轴电缆,后来演进到使用比较便宜的细同轴电缆,最后发展为使用更便宜和更灵活的双绞线。不用电缆而使用无屏蔽双绞线。每个站点需要用两对双绞线,分别用于发送和接收。

这种以太网采用星型拓扑,在星型的中心则增加了一种可靠性非常高的设备,叫做集线器(hub)。

11)、 集线器的一些特点

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。集线器使用了大规模集成电路芯片,因此这样的硬件设备的可靠性已大大提高了。

使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总网线,各工作站使用的还是CSMA/CD协议,并共享逻辑上的总线。

集线器很像一个多接口的转发器,工作在物理层。

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12)、 10Base-T

10Base-T的通信距离稍短。每个站点到集线器的距离不超过100m。

这种10Mb/s速率的无屏蔽双绞线星型网的出现,即降低了成本,又提高了可靠性。

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。

其他:100Base-FX、100Base-T和100Base-T4...

13)、 以太网的信道利用率

以太网的信道被占用的情况:

  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),因而帧的发送时间为L/C=T(s)。

  一个帧从开始发送,经可能发生的碰撞后,将在重传数次,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,是发送一帧所需的平均时间。

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14)、 以太网的信道利用率:参数a

要提高以太网的信道利用率,就必须减小τ与T之比。在以太网中定义了参数a,他是以太网单程端到端时延τ与真的发送时间T之比:

                            a=τ/T

    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,没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。

15)、 以太网的信道利用率:最大值

对以太网参数的要求

    当数据率一定时,以太网的连线的长度受到限制,否则τ的数值会太大

    以太网的帧长不能太短,否则T的值会很小,使a值太大。

信道利用率的最大值

    在理想化的情况下,以太网上的各站发送数据都不会产生碰撞(这显然已经不是CSMA/CD,而是需要使用一种特殊的调度方法),即总线一旦空闲就有某一个站立即发送数据。

    发送一帧占用线路的时间是T+τ,而帧本身的发送时间是T1。于是我们可以计算出理想情况下的极限信道利用率为:

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