第三章:数据链路层(下)计算机网络 信道划分介质访问控制

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简介: 第三章:数据链路层(下)计算机网络 信道划分介质访问控制

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信道划分介质访问控制

传输数据使用的两种链路

  1. 点对点链路
    两个相邻节点通过一个链路相连,没有第三者。所有主机共享通信介质。
    应用:PPP协议,常用于广域网。
  2. 广播式链路
    所有主机共享通信介质。
    应用:早期的总线以太网、无线局域网,常用于局域网。
    典型拓扑结构:总线型、星型(逻辑总线型)

介质访问控制

介质访问控制的内容就是,采取一定的措施,使得两对节点之间的通信不会发生互相干扰的情况。
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信道划分介质访问控制

信道划分介质访问控制:将使用介质的每个设备与来自同一信道上的其他设备的通信隔离开 ,把时域和频域资源合理地分配给网络上的设备
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频分多路复用 FDM

并行
用户在分配到一定的频带后,在通信过程中自始至终都占用这个频带。 频 分 复 用的所有用 户在同样的 时 间 占 用不同的 带宽 ( 频率带宽 ) 资源 。
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时分多路复用 TDM

并发
将时间划分为一段段等长的时分复用帧(TDM帧)。每一个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用 固 定 序 号的 时 隙 ,所有用户轮流占用信道。
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统计时分复用 STDM

每一个STDM帧中的时隙数 小于 连接在集中器上的用户数。各用户有了数据就随时发往集中器的输入缓存,然后集中器按顺序依次扫描输入缓存,把缓存中的输入数据放入STDM帧中,一个STDM帧满了就发出。STDM 帧不是 固 定分 配时 隙 , 而是按需动态分配时隙。
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解决的问题:就比如说ABC都不发数据,只有D发送数据,就会造成ABC数据通道资源浪费。如果换成可以随机发送的形式,D就可以直接使用ABCD的信道。
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波分多路复用 WDM

波分多路复用就是 光的 频 分多路 复 用 ,在一根光纤中传输多种不同波长(频率)的光信号,由于波长(频率)不同,所以各路光信号互不干扰,最后再用波长分解复用器将各路波长分解出来。
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码分多路复用CDM

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ALOHA协议

纯ALOHA协议思想:不监听信道,不按时间槽发送,随机重发。想发就发
冲突如何检测?
如果发生冲突,接收方在就会检测出差错,然后不予确认,发送方在一定时间内收不到就判断发生冲突。
冲突如何解决?
超时后等一随机时间再重传。
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时隙 ALOHA 协议

时隙ALOHA协议的思想:把时间分成若干个相同的时间片,所有用户在时间片开始时刻同步接入网络信道,若发生冲突,则必须等到下一个时间片开始时刻再发送。
控制想发就发的随意性。
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纯ALOHA比时隙ALOHA吞吐量更低,效率更低。
纯ALOHA想发就发,时隙ALOHA只有在时间片段开始时才能发。

CSMA协议

CS:载波侦听/监听,每一个站在发送数据之前要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据。
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,即发生了冲突。
MA: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。
协议思想:发送帧之前,监听信道
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1- 坚持 CSMA

坚持指的是对于监听信道忙之后的坚持。
1-坚持CSMA思想:如果一个主机要发送消息,那么它先监听信道。
空闲则直接传输,不必等待。
忙则一直监听,直到空闲马上传输。
如果有冲突(一段时间内未收到肯定回复),则等待一个随机长的时间再监听,重复上述过程。
优点:只要媒体空闲,站点就马上发送,避免了媒体利用率的损失。
缺点:假如有两个或两个以上的站点有数据要发送,冲突就不可避免。

非坚持 CSMA

非坚持指的是对于监听信道忙之后就不继续监听。
非坚持CSMA思想:如果一个主机要发送消息,那么它先监听信道。
空闲则直接传输,不必等待。
忙则等待一个随机的时间之后再进行监听。
优点:采用随机的重发延迟时间可以减少冲突发生的可能性。
缺点:可能存在大家都在延迟等待过程中,使得媒体仍可能处于空闲状态,媒体使用率降低。

p- 坚持 CSMA

p-坚持指的是对于监听信道 空闲 的处理。
p-坚持CSMA思想:如果一个主机要发送消息,那么它先监听信道。
空闲则以p概率直接传输,不必等待 ;概率 1-p 等待到下一个时间槽再传输。
忙则持续监听直到信道空闲再以p概率发送。
若冲突则等到下一个时间槽开始再监听并重复上述过程。
优点:既能像非坚持算法那样减少冲突,又能像1-坚持算法那样减少媒体空闲时间的这种方案。

三种 CSMA 对比总结

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CSMA/CD协议

CD:碰撞检测(冲突检测),“ 边发送边监听 ”,适配器边发送数据边检测信道上信号电压的变化情况,以便判断自己在发送数据时其他站是否也在发送数据。
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截断二进制指数规避算法

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最小帧长问题

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脑图时刻

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CSMA/CA协议

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发送数据前,先检测信道是否空闲。
空闲则发出RTS ( request to send ) ,RTS包括发射端的地址、接收端的地址、下一份数据将持续发送的时间等信息;信道忙则等待。
接收端收到RTS后,将响应CTS ( clear to send ) 。
发送端收到CTS后,开始发送数据帧(同时预约信道 :发送方告知其他站点自己要传多久数据)。
接收端收到数据帧后,将用CRC来检验数据是否正确,正确则响应ACK 帧 。
发送方收到ACK就可以进行下一个数据帧的发送,若没有则一直重传至规定重发次数为止(采用二进制指数退避算法来确定随机的推迟时间)。

CSMA/CD 与 CSMA/CA

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轮询访问介质访问控制

介质访问控制

  1. 信道划分介质访问控制(MAC Multiple Access Control )协议

基于多路复用技术划分资源。
网络负载重:共享信道效率高,且公平
网络负载轻:共享信道效率低

  1. 随机访问MAC协议

用户根据意愿 随机 发送信息,发送信息时可独占信道带宽。
网络负载重:产生冲突开销
网络负载轻:共享信道效率高,单个结点可利用信道全部带宽

  1. 轮询访问MAC协议/轮流协议/轮转访问MAC协议

既要 不产生冲突 ,又要发送时 占全部带宽 。

轮询协议

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令牌传递协议

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令牌:一个特殊格式的MAC控制帧,不含任何信息。
控制信道的使用,确保同一时刻只有一个结点独占信道。
每个结点都可以在一定的时间内(令牌持有时间)获得发送数据的权利,并不是无限制地持有令牌。
问题:
1.令牌开销 2.等待延迟 3.单点故障
应用于令牌环网(物理星型拓扑,逻辑环形拓扑)。
采用令牌传送方式的网络常用于负载较重 、 通信量较大的网络中。

局域网基本概念和体系结构

局域网

局域网(Local Area Network):简称LAN,是指在 某 一 区域 内 由多台计算机互联成的计算机组,使用广播信道。
特点1:覆盖的地理范围较小,只在一个相对独立的局部范围内联,如一座或集中的建筑群内。
特点2:使用专门铺设的传输介质(双绞线、同轴电缆)进行联网,数据传输速率高(10Mb/s~10Gb/s)。
特点3:通信延迟时间短,误码率低,可靠性较高。
特点4:各站为平等关系,共享传输信道。
特点5:多采用分布式控制和广播式通信,能进行广播和组播。
决定局域网的主要要素为:网络拓扑,传输介质与介质访问控制方法。

局域网拓扑结构

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局域网传输介质

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局域网介质访问控制方法

1.CSMA/CD
常用于 总线 型局域 网 , 也用于树型网络
2.令牌总线
常用于 总线 型局域 网 , 也用于树型网络
它是把总线型或树型网络中的各个工作站按一定顺序如按接口地址大小排列形成一个逻辑环。只有令牌持有者才能控制总线,才有发送信息的权力。
3.令牌环
用于环形局域网 ,如令牌环网

MAC 子层和 LLC 子层

IEEE 802标准所描述的局域网参考模型只对应OSI参考模型的数据链路层与物理层,它将数据链路层划分为逻辑链路层LLC子层和介质访问控制MAC子层。
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脑图时刻

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以太网

以太网概述

以太网(Ethernet)指的是由Xerox公司创建并由Xerox、Intel和DEC公司联合开发的基带总线局域网规范 ,是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。以太网络使用CSMA/CD(载波监听多路访问及冲突检测)技术。
以太网只实现无差错接收,不实现可靠传输。
无连接:发送方和接收方之间无“握手过程”。
不可靠:不对发送方的数据帧 编 号 ,接收方不向发送方进行 确认 ,差错帧直接丢弃,差错纠正由高层负责。

以太网传输介质与拓扑结构的发展

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10BASE-T 以太网

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适配器与 MAC 地址

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以太网 MAC 帧

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高速以太网

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脑图时刻

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IEEE 802.11无线局域网

IEEE 802.11

IEEE 802.11是 无 线 局域 网 通用的标准,它是由IEEE所定义的无线网络通信的标准。
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802.11 的MAC帧头格式

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无线局域网的分类

  1. 有固定基础设施无线局域网

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  1. 无固定基础设施无线局域网的自组织网络

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广域网

广域网(WAN,Wide Area Network),通常跨接很大的物理范围,所覆盖的范围从几十公里到几千公里,它能连接多个城市或国家,或横跨几个洲并能提供远距离通信,形成国际性的远程网络。
广域网的通信子网主要使用分组交换技术。广域网的通信子网可以利用公用分组交换网、卫星通信网和无线分组交换网,它将分布在不同地区的局域网或计算机系统互连起来,达到资源共享的目的。如因特网(Internet)是世界范围内最大的广域网。
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PPP 协议的特点

点对点协议PPP(Point-to-Point Protocol)是目前使用最广泛的数据链路层协议,用户使用拨号电话接入因特网时一般都使用PPP协议。
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PPP 协议无需满足的要求

纠错
流量控制
序号
不支持多点路线

PPP 协议的三个组成部分

  1. 一个将IP数据报封装到串行链路(同步串行/异步串行)的方法。
  2. 链路控制协议LCP:建立并维护数据链路连接。 身份验证
  3. 网络控制协议NCP:PPP可支持多种网络层协议,每个不同的网络层协议都要一个相应的NCP来配

置,为网络层协议建立和配置逻辑连接。

PPP 协议的状态图

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PPP 协议的帧格式

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HDLC 协议

高级数据链路控制(High-Level Data Link Control或简称HDLC),是一个在同步网上传输数据、 面向 比特 的数据链路层协议,它是由国际标准化组织(ISO)根据IBM公司的SDLC(SynchronousData Link Control)协议扩展开发而成的.
数据报文可透明传输,用于实现透明传输的“0比特插入法”易于硬件实现
采用全双工通信
所有帧采用CRC检验 ,对信息帧进行顺序编号 ,可防止漏收或重份,传输可靠性高。

HDLC 的站

主站、从站、复合站

  1. 主站的主要功能是发送命令(包括数据信息)帧、接收响应帧,并负责对整个链路的控制系统的初启、流程的控制、差错检测或恢复等。
  2. 从站的主要功能是接收由主站发来的命令帧,向主站发送响应帧,并且配合主站参与差错恢复等链路控制。
  3. 复合站的主要功能是既能发送,又能接收命令帧和响应帧,并且负责整个链路的控制。

HDLC帧格式

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1)信息帧(I)第1位为0,⽤来传输数据信息,或使⽤捎带技术对数据进⾏确认;
2)监督帧(S)10,⽤于流量控制和差错控制,执⾏对信息帧的确认、请求重发和请求暂停发送等功能
3)⽆编号帧(U)11,⽤于提供对链路的建⽴、拆除等多种控制功能。

PPP 协议& HDLC 协议

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脑图时刻

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链路层设备

物理层扩展以太网

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链路层扩展以太网

网桥&交换机

网桥根据MAC帧的目的地址对帧进行转发和过滤。当网桥收到一个帧时,并不向所有接口转发此帧,而是先检查此帧的目的MAC地址,然后再确定将该帧转发到哪一个接口,或者是把它丢弃(即过滤)。
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网桥分类——透明网桥

透明网桥:“透明”指以太网上的站点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥,是一种即插即用设备——自学习
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网桥分类——源路由网桥

源路由网桥:在发送帧时,把详细的最佳路由信息(路由最少/时间最短)放在帧的首部中。
方法:源站以广播方式向欲通信的目的站发送一个发现帧。
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多接口网桥——以太网交换机

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以太网交换机的两种交换方式

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冲突域和广播域

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脑图时刻

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