使用广播通信的数据链路层

Posted 2021-02-19 king0

一. 使用广播通行的数据链路层

(这是数据链路层的内容,怎奈知识点太多,写的太过零碎)
广播通信是一对多的通信.局域网是在20世纪70年代末发展起来的,使用的就是广播通信

1.1.1局域网的数据链路层

局域网的特点是:网络被一个单位所共有,且地理和站点数目均有效.
局域网的优点:

• 从一个站点可很方便的访问全网.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
• 便于系统的扩展和逐渐的演变,各个设备的位置也是比较的灵活
• 提高了网络的可靠性和可用性,生存性

1.1.2局域网可以按照网络拓扑结构分为:

1. 星形网
2. 环形网
3. 总线网
   

其中总线网在两端匹配电子吸收总线上传播的电磁波信号的能量,避免对总线产生有害的电磁波. 总线网以传统以太网最为著名,局域网从快速以太网100Mbit/s ,吉比特以太网(1Gbit/s),随着在10吉比特(10Gbit/s)进入市场.以太网在局域网中占据了绝对的优势,现在以太网成为了局域网的代名词.
一般在局域网中使用双绞线来作为传输媒介.从10Mbit/s的到10Gbit/s都可以使用双绞线连接.如果要求比较高的话,可以使用光纤作为传输媒介
在局域网中有关数据链路的内容比较的丰富.

1.1.3共享信道的解决办法

1. 静态划分: 利用前面的频分复用,时分复用等技术,使得用户分配到的信道不会和其他的用户发生冲突.
2. 动态媒体接入控制: (多点接入)其特点是信道并非在用户通信是固定分配.
   • 随机接入: 随机接入的特点是所有的用户可以随机的发送消息.但是如果恰巧是有两个用户或者多个用户在发消息,在共享媒体上就会发生数据碰撞.必须有解决碰撞的方法(主要被以太网使用)
   • 受控接入: 受控的特点是用户不能随机地发送信息,而必须服从一定的控制.典型的代表是分散控制的令牌环和集中控制的多点线路探询(轮询)

1.2 CSMA/CD协议 载波监听多路访问

• "多点接入" 表示 计算机以多点接入的方式连接在一根总线上.
• "载波监听" 每一站发送数据之前都要检测一下总线上是否有其他的计算机在发送数据.如果有,暂时不发生数据
• "碰撞检测" 也就是边发送边请求.即适配器边发送数据边检测信道上的信号电压的变化情况,以便判断自己在发送数据时其他的计算机是否也在发送数据.当适配器电压变化超过一定的门限是,可以认为是产生了碰撞.

1.2.1传播时延对载波监听的影响

电磁波在1km的电缆上传播时延约为5微秒.
假设在这5微秒内B没有收到A的信号,所以发送信号.那么就产生了碰撞.

• 假设从A到B需要的时间为T.
• 数据发生碰撞,电压会提高,在碰撞点产生的信号在返回A,需要一定的时间.很容易得到如果数据在2T内没有检测到碰撞,便就是接受成功了
  在上面的使用中,很明显一个端点不可能同时发送或者同时的接受.所以使用双向交替通信(半双全工).

1.2.2争用期

• 以太网的端到端往返时延2T(tao)称为争用期,或者碰撞窗口,取51.2微秒(理论计算的结果,考虑到了实际局域网线的最大长度等问题)
• 对于10Mb/s的以太网,在争用器内可以发送512bit即64字节.
• 发送冲突一定在64字节之内.,接受小于64字节的帧都是异常的帧.
• 以太网在发送数据时,若前64字节没发送冲突,则后续的数据就不会发送冲突
  同时64字节的大小,也限制了每个网线的长度一般不大于100米

1.2.3 以太网中使用一种截断二进制指数退避算法.

• 确定基本的退避时间,一般取为争用期的2T
• 确定参数K, K = Min(重传次数,10)
• 从[0,1...2的k次]中随机的选择一个数,记为r,重传所需的时延就是r倍的基本退避时间
• 当重传16次仍不能成功时,即丢弃该帧,并向高层报告

1.2.4 以太网还规定了帧间最短的时间间隔为9.6微秒

其目的使接受到的帧可以及时的处理

1.3 以太网

1.3.1 以太网的两个标准

1.3.2以太网与数据链路层的两个子层

• 逻辑链路控制层(LLC logicalLink Control)
• 媒体接入控制MAC(Medium Access Control)
  与接入到传输媒体有关的内容都放在Mac子层,而LLC与传输媒体层无关.不管采用任何协议的局域网对LLC子层都是透明的
• 很多的厂商的适配器上仅有MAC协议.

1.3.3以太网提供的服务

• 以太网提供的不可靠的服务. 即尽最大的努力交付,纠正高层来决定
  

这种以太网采用的是星型拓扑,在星形的中间则增加了一种可靠性非常高的设备集线器. 但是在逻辑上依旧是总线型结构.
集线器是一种用电子器件来模拟实际的电缆线的工作,因此系统仍然像一个传统的以太网运行.

1.3.4以太网的信道利用率

这里需要注意: 成功的发送一帧需要占用的信道的时间是T0 + (tao). 为哈这里多了一个(tao),因为还要在以太网上传播.极端的情况就是(tao).在这段时间内没有发送碰撞那么证明发送成功了.

• 信道利用率: 发送数据的时间占整个时间的比值
  所以定义一个参数

a(阿发)= (tao)/T0 

即使就是单程端到到端时延(tao),与帧发送时间的比值
a=0 ,表示的一发生碰撞就立即检测出来,并立即停止发送,因此信道的利用率就很高
a越大,表示争用期占用的比例就越大,每一次发生碰撞就浪费许多的信道资源,使得信道的利用率降低.

• 以太网的信道利用率的: 最大值
  当数据一定是,以太网的连线的长度收到限制,否则(tao)的数值会太大
  以太网的帧长不能太短,否则 a会太大
  理想情况下:
  以太网中的数据都不会发生碰,发送一帧需要的时间是T0+(tao),而帧本身发送数据的时间是T0,所及极限的利用率为:
  

1.3.5 MAC层

以太网中的两个子层
网卡的地址就是MAC地址.是一个48位的地址,全球唯一.前24位代表厂家,后24位厂家自定义.

1.3.6MAC帧的格式

以太网在信号的传输过程中,使用的是曼切特斯编码.所以不需要结束的界定.因为(当不传输数据时,电压波动为0).
为何在前面插入8个无效的字节,当一个端接受MAC帧时,由于适配器的时钟与 尚未到达bit流同步,所以MAC帧最开始的前几位失效.
定界符用来表示数据的开始
FCS检验字段不包括前同步码和帧开始界定符.
因为编码的性质,所以也不需要透明传输
数据字段为46-1500,所以整个字段的长度为1536,丢弃

1.4 扩展的以太网

• 使用光纤和光纤调制解调器,扩展长度
• 使用多层结构
  

多层次检测碰撞,数量增加,效率减低

1.4.1在数据链路层扩展以太网

扩建以太网最常用的办法时,使用网桥.网桥对接受到的帧根据其MAC地址进行过滤和转发. 后来使用以太网交换机多接口的网桥.
网桥工作在数据链路层,它根据 MAC帧的目的地址对接受到的帧进行转发
网桥具有过滤的作用,并不是像之前像所有的接口转发,而是线检查目的帧的MAC地址,然后在确定转发到那个接口
以太网交换机是一种即插即用设备,其内部使用帧交换表(又称为地址表)是通过自学习算法来自动建立起来的.
不是共享宽带
全双工方式

1.4.2从总线网到星型网

这种方式使用的是全双工方式工作,但是帧的结构没有改变,仍然采用的是以太网的帧结构

1.4.3高速以太网

100BASE-T以太网
100BASE-T是双绞线上传送100Mbit/s基带信号的星型拓扑以太网.使用的是 CSMA/CD协议.一般称为快速以太网可以由前面的10Mbit/s可以直接的升级为100Mbit/s的传输速度.

1.4.5吉比特以太网

特点:

1. 支持1Gbit/s一下使用双全工和半全工的方式工作
2. 使用规定使用IEEE802.3 格式
3. 半全工使用CSMA/CD协议,全双工使用其他的协议
4. 与之前的10BASE-T和100BSE-T 兼容
   吉比特以太网可用作现有网络的主干网,也可以在高宽带占用场合使用.