【计算机网络】——数据链路层（下）

1.媒体接入控制

1.1基本概念

共享通道要考虑的一个重要问题就是如何协调多个发送和接受站点对一个共享传输媒体的占用，即媒体接入控制MAC（Medium Access Control）

随着技术的发展，交换技术的成熟和成本的降低，具有更高性能的使用点对点链路和链路层交换机的交换时局域网在有线领域已完全取代了共享式局域网，但由于无线信道的广播天性，无线局域网仍然使用的式共享媒体技术。

1.2静态划分信道

信道复用

复用是通信技术中的一个重要概念。复用就是通过一条物理线路同时传输多路用户的信号。

当网络中传输媒体的传输容量大于多条单一信道传输的总通信量时，可利用复用技术在一条物理线路上建立多条通信信道来充分利用传输媒体的带宽。

1. 频分复用FDM

频分复用的所有用户同时占用不同的频带资源并行通信

2.时分复用TDM

时分复用的所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度

3.波分复用WDM

波分复用就是光的频分复用

4.码分复用CDM

4.1码分复用CDM是另一种共享信道的方法。由于该技术多用于多址接入，常常被称为码分多址CDMA

与FDM和TDM不同，CDM的每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。

由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此各用户之间不会造成干扰

CDM最初是用于军事通信的，因为这种系统所发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。

4.2 在CDMA中，每一个比特时间再划分为m个短的间隔，称为码片(Chip)。通常m的值是64或128

使用CDMA的每一个站被指派一个唯一的m bit码片序列

一个站如果要发送比特1，则发送它自己的m bit码片序列

一个站如果要发送比特0，则发送它自己的m bit码片序列的二进制反码

4.3码片序列的挑选原则如下:

1.分配给每个站的码片序列必须各不相同，实际常采用伪随机码序列。

2.分配给每个站的码片序列必须相互正交(规格化内积为0)。

令向量S表示站S的码片序列，令向量T表示其他任何站的码片序列。两个不同站S和T的码片序列

正交，就是向量S和T的规格化内积为0:

1.3动态接入控制——动态接入控制——随机接入

1.3.1载波监听多址接入/碰撞检测 (CSMA/CD)

总线局域网使用的协议：CSMA/CD

1.CSMA/CD协议——争用期（碰撞窗口）

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生碰撞。

每一个主机在自己发送帧之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。这一小段时间是不确定的。它取决于另一个发送帧敞主机到本主机的距离，但不会超过总线的端到端往返传播时延，即一个争用期时间。

显然，在以太网中发送帧的主机越多，端到端往返传播时延越大，发生碰撞的概率就越大。因此，共享式以太网不能连接太多的主机，使用的总线也不能太长。

10Mb/s以太网把争用期定为512比特发送时间，即51.2us，因此其总线长度不嫩超过5120m，但考虑到其他一些因素，如信号衰减等，以太网规定总线长度不能超过2500m

2.CSMA/CD协议——最小帧长

以太网规定最小帧长为64字节，即512比特(512比特时间即为争用期);

如果要发送的数据非常少，那么必须加入一些填充字节，使帧长不小于64字节。

以太网的最小帧长确保了主机可在帧发送完成之前就检测到该帧的发送过程中是否遭遇了碰撞;

如果在争用期(共发送64字节)没有检测到碰撞，那么后续发送的数据就一定不会发生碰撞;如果在争

用期内检测到碰撞，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，因此凡长度小于

64字节的帧都是由于碰撞而异常中止的无效帧。

最大帧长

3.CSMA/CD协议——截断二进制指数退避算法

若连续多次发生碰撞，就表明可能有较多的主机参与竞争信道。但使用上述退避算法可使重传需要

推迟的平均时间随重传次数而增大(这也称为动态退避)，因而减小发生碰撞的概率，有利于整个系

统的稳定。

当重传达16次仍不能成功时，表明同时打算发送帧的主机太多，以至于连续发生碰撞则丢弃该帧，

并向高层报告。

4.信道利用率

帧接受流程

1.3.2载波监听多址接入/碰撞避免 CSMA/CA

无线局域网媒体接入控制使用的协议：CSMA/CA

在无线局域网中，仍然可以使用载波监听多址接入CSMA,即在发送帧之前先对传输媒体进行载波

监听。若发现有其他站在发送帧，就推迟发送以免发生碰撞。

在无线局域网中，不能使用碰撞检测CD,原因如下:

1.由于无线信道的传输条件特殊，其信号强度的动态范围非常大，无线网卡上接收到的信号

强度往往会远远小于发送信号的强度(可能相差百万倍)。如果要在无线网卡.上实现碰撞检测CD，

对硬件的要求非常高。

2.即使能够在硬件.上实现无线局域网的碰撞检测功能，但由于无线电波传播的特殊性(存在隐蔽站问题)， 进行碰撞检测的意义也不大。

1.帧间间隔IFS

802.11标准规定，所有的站点必须在持续检测到信道空闲一段指定时间后才能发送帧，这段时间称为帧间间隔IFS

帧间间隔的长短取决于该站点要发送的帧的类型：

高优先级帧需要等待的时间较短，因此可优先获得发送权;

低优先级帧需要等待的时间较长。若某个站的低优先级帧还没来得及发送，而其他站的高优先级帧已发送到信道上，则信道变为忙态,因而低优先级帧就只能再推迟发送了。这样就减少了发生碰撞的机会。

2.MAC地址、IP地址和ARP协议

2.1MAC地址

MAC地址是以太网的MAC子层所使用的地址  (数据链路层)

1.当多个主机连接在同一个广播信道上,要想实现两个主机之间的通信，则每个主机都必须有一个唯

一的标识,即一个数据链路层地址

2.在每个主机发送的帧中必须携带标识发送主机和接收主机的地址。由于这类地址是用于媒体接入控制MAC(Media Access Control),因此这类地址被称为MAC地址

3.MAC地址一般被固化在忘卡(网络适配器)的电可擦可编程只读存储器EEPROM中，因此MAC地址也被称为硬件地址

MAC地址有时也被称为物理地址。MAC地址不属于网络体系结构中的物理层

一般情况下，用户主机会包含两个网络适配器:有线局域网适配器(有线网卡)和无线局域网适配器

(无线网卡)。每个网络适配器都有一个全球唯一的MAC地址。 而交换机和路由器往往拥有更多的

网络接口，所以会拥有更多的MAC地址。综上所述，严格来说，MAC地址是对网络上各接口的唯

一标识， 而不是对网络上各设备的唯一标识。

4.IEEE 802局域网的MAC地址格式

2.2IP地址

IP地址是TCP/IP体系结构网际层所使用的地址（网际层）

IP地址是因特网上的主机和路由器所使用的地址，用于标识两部分信息：

网络编号：标识因特网上数以百万计的网络

主机编号：标识同意网络上不同主机（或路由器各接口）

IP地址可以区分不同网络

2.3ARP协议

ARP协议属于TCP/IP体系结构的网际层，其作用是已知设备所分配到的IP地址，使用ARP协议可以通过该IP地址获取到设备的MAC地址

地址解析协议ARP，每一台主机都有一张ARP高速缓存表

3.以太网

3.1集线器与交换机

3.1.1集线器

工作在物理层的以太网扩展器

3.1.2交换机

工作在数据链路层的以太网扩展器

1.以太网交换机通常都有多个接口.每个接口都可以直接与一台主机或另一个以太网交换机相连。一

般都工作在全双工方式。

2.以太网交换机具有并行性，能同时连通多对接口，使多对主机能同时通信，无碰撞(不使用

CSMA/CD协议)

3.以太网交换机一般都具有多种速率的接口，例如： 10Mb/s、100Mb/s、 1Gb/s、 10Gb/s接口

的多种组合。10 MB/s、100 Mb/s、1GB/s、10 Gb/s接口的多种组合。

4.以太网交换机工作在数据链路层(也包括物理层)，它收到帧后，在帧交换表中查找帧的目的MAC

地址所对应的接口号，然后，在帧交换表中查找帧的目的MAC地址所对应的接口号，然后通过该

接转发帧。

5.以太网交换机是一种即插即用设备，其内部的帧交换表是通过自学习算法自动地逐渐建立起的。

帧的两种转发方式：

1.存储转发

2.直通交换:采用基于硬件的交叉矩阵(交换时延非常小，但不检查帧是否有差错)

3.1.3以太网交换机自学习和转发帧的流程

帧交换表中每条记录都有自己的有效时间，到期自动删除。由于MAC地址与交换机接口的对应关系并不是永久性的。

3.1.4以太网交换机的生成数协议STP

问题：

解决方案：

3.1.4虚拟局域网VLAN概述

分割广播域的方法

1.使用路由器可以隔离广播域 但是路由器的成本较高

2.虚拟局域网VLAN技术

虚拟局域网VLAN(Virtual Local Area Network)是一种将局域网内的设备划分成与物理位置无关的逻

辑组的技术，这些逻辑组具有某些共同的需求。

TCP/IP 网络

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