使用廣播信道的數據鏈路層

使用廣播信道的數據鏈路層

局域網的數據鏈路層

• 局域網最主要的特點是：網絡為一個單位所擁有，且地理范圍和站點數目均有限。
• 局域網具有如下的一些主要優點：
  • 具有廣播功能，從一個站點可很方便地訪問全網。局域網上的主機可共享連接在局域網上的各種硬件和軟件資源。
  • 便於系統的擴展和逐漸地演變，各設備的位置可靈活調整和改變。
  • 提高了系統的可靠性、可用性和殘存性。

局域網的拓撲

媒體共享技術

靜態划分信道

• 頻分復用
• 時分復用
• 波分復用
• 碼分復用

動態媒體接入控制（多點接入），現在主要采用的方式

• 隨機接入（主要被以太網采用）。
• 受控接入 ，如多點線路探詢(polling)，或輪詢。（目前已不被采用）。

適配器的作用

• 網絡接口板又稱為通信適配器(adapter)或網絡接口卡 NIC (Network Interface Card)，或“網卡”。
• 適配器的重要功能：
  • 進行串行/並行轉換。
  • 對數據進行緩存。
  • 在計算機的操作系統安裝設備驅動程序。
  • 實現以太網協議。

認識以太網

• 最初的以太網是將許多計算機都連接到一根總線上。當初認為這樣的連接方法既簡單又可靠，因為總線上沒有有源器件。

以太網的廣播方式發送

• 總線上的每一個工作的計算機都能檢測到 B 發送的數據信號。
• 由於只有計算機 D 的地址與數據幀首部寫入的地址一致，因此只有 D 才接收這個數據幀。
• 其他所有的計算機（A, C 和 E）都檢測到不是發送給它們的數據幀，因此就丟棄這個數據幀而不能夠收下來。
• 具有廣播特性的總線上實現了一對一的通信。

以太網采用的協議是：載波監聽多點接入/碰撞檢測 CSMA/CD

這是使用廣播信道的數據鏈路層使用的協議；使用點對點信道的數據鏈路層使用的是PPP協議；注意區分。

• “多點接入”表示許多計算機以多點接入的方式連接在一根總線上。
• “載波監聽”是指每一個站在發送數據之前先要檢測一下總線上是否有其他計算機在發送數據，如果有，則暫時不要發送數據，以免發生碰撞。
• 總線上並沒有什么“載波”。因此， “載波監聽”就是用電子技術檢測總線上有沒有其他計算機發送的數據信號。

碰撞檢測

• “碰撞檢測”就是計算機邊發送數據邊檢測信道上的信號電壓大小。
• 當幾個站同時在總線上發送數據時，總線上的信號電壓擺動值將會增大（互相疊加）。
• 當一個站檢測到的信號電壓擺動值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送數據，表明產生了碰撞。
• 所謂“碰撞”就是發生了沖突。因此“碰撞檢測”也稱為“沖突檢測”。

• 圖中可見，在A發出的信號到達B之前，B向A發出了信號；兩個信號發生碰撞，碰撞后B向A發出的信號（棕色箭頭）變為了疊加信號，到達A處后，被檢驗出是疊加信號，A由此判斷信號發生了碰撞。
• 可知A端檢測到發生碰撞的最大事件為2τ。
• 可知線路越長，檢測到發生碰撞的時間越長，所以以太網網線不超過100m是有道理的。

重要特性

• 使用 CSMA/CD 協議的以太網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）。
• 每個站在發送數據之后的一小段時間內，存在着遭遇碰撞的可能性。
• 這種發送的不確定性使整個以太網的平均通信量遠小於以太網的最高數據率。

爭用期

• 最先發送數據幀的站，在發送數據幀后至多經過時間 2τ （兩倍的端到端往返時延）就可知道發送的數據幀是否遭受了碰撞。
• 以太網的端到端往返時延 2τ 稱為爭用期，或碰撞窗口。
• 經過爭用期這段時間還沒有檢測到碰撞，才能肯定這次發送不會發生碰撞。

爭用期的長度

• 以太網取 51.2 μs 為爭用期的長度。
• 對於 10 Mb/s 以太網，在爭用期內可發送512 bit，即 64 字節。
• 以太網在發送數據時，若前 64 字節沒有發生沖突，則后續的數據就不會發生沖突。

最短有效幀

• 如果發生沖突，就一定是在發送的前 64 字節之內。
• 由於一檢測到沖突就立即中止發送，這時已經發送出去的數據一定小於 64 字節。
• 以太網規定了最短有效幀長為 64 字節，凡長度小於 64 字節的幀都是由於沖突而異常中止的無效幀。

二進制指數類型退避算法

• 發生碰撞的站在停止發送數據后，要推遲（退避）一個隨機時間才能再發送數據。

  • 確定基本退避時間，一般是取為爭用期 2τ。

  • 定義重傳次數 k ，k ≤ 10，即

    k = Min[重傳次數, 10]

  • 從整數集合[0,1,…, (2k - 1)]中隨機地取出一個數，記為 r。重傳所需的時延就是 r 倍的基本退避時間。

  • 當重傳達 16 次仍不能成功時即丟棄該幀，並向高層報告。

以太網的兩個標准

• DIX Ethernet V2 是世界上第一個局域網產品（以太網）的規約。
• IEEE 的 802.3 標准。
• DIX Ethernet V2 標准與 IEEE 的 802.3 標准只有很小的差別，因此可以將 802.3 局域網簡稱為“以太網”。
• 嚴格說來，“以太網”應當是指符合 DIX Ethernet V2 標准的局域網

以太網與數據鏈路層的兩個子層

為了使數據鏈路層能更好地適應多種局域網標准，802 委員會就將局域網的數據鏈路層拆成兩個子層：

• 邏輯鏈路控制 LLC (Logical Link Control)子層。（現在一般不考慮該層）
• 媒體接入控制 MAC (Medium Access Control)子層。

以太網提供的服務

• 以太網提供的服務是不可靠的交付，即盡最大努力的交付。
• 當目的站收到有差錯的數據幀時就丟棄此幀，其他什么也不做。差錯的糾正由高層來決定。
• 如果高層發現丟失了一些數據而進行重傳，但以太網並不知道這是一個重傳的幀，而是當作一個新的數據幀來發送。