【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 該信息幀是不是發(fā)送給自己的，一旦確認(rèn)是發(fā)給自己的，就將它發(fā)送到高一層的協(xié)議層。 在采用 CSMA／ CD傳輸介質(zhì)訪問的以太網(wǎng)中，任何一個(gè)工作站在任何一時(shí)刻都可以訪問網(wǎng)絡(luò)。發(fā)送數(shù)據(jù)前，工作站要偵聽網(wǎng)絡(luò)是否堵塞，只有檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)空閑時(shí)，工作站才能發(fā)送數(shù)據(jù)。 在基于競(jìng)爭(zhēng)的以太網(wǎng)中，只要網(wǎng)絡(luò)空閑，任一工作站均可發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)兩個(gè)工作站發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)空閑而同時(shí)發(fā)出數(shù)據(jù)時(shí)，就發(fā)生沖突。這時(shí)，兩個(gè)傳送操作都遭到破壞，工作站必須在一定時(shí)間后重發(fā)，何時(shí)重發(fā)由延時(shí)算法決定。 49 第三章 數(shù)據(jù)鏈路層 以太網(wǎng)的工作過程如下： 當(dāng)以太網(wǎng)中的一臺(tái)主機(jī)要傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，它將按如下步驟進(jìn)行： 偵聽信道上收否有信號(hào)在傳輸。如果有的話，表明信道處于忙狀態(tài)，就繼續(xù)偵聽，直到信道空閑為止。 若沒有偵聽到任何信號(hào)，就傳輸數(shù)據(jù)。 傳輸?shù)臅r(shí)候繼續(xù)偵聽，如發(fā)現(xiàn)沖突則執(zhí)行退避算法，隨機(jī)等待一段時(shí)間后，重新執(zhí)行步驟 1。 若未發(fā)現(xiàn)沖突則發(fā)送成功，計(jì)算機(jī)所有計(jì)算機(jī)在試圖再一次發(fā)送數(shù)據(jù)之前，必須在最近一次發(fā)送后等待 （以 10Mbps運(yùn)行）。 50 第三章 數(shù)據(jù)鏈路層 避免沖突：先聽再發(fā) 解決沖突：邊聽邊發(fā)；沖突停止；延遲再試 在發(fā)送方： 發(fā)送數(shù)據(jù) 組織數(shù)據(jù) N 總線忙 ? 啟動(dòng)發(fā)送 有沖突 ? 發(fā)送完成 ? 發(fā)送成功 沖突加強(qiáng) 沖突加強(qiáng) N=N+1 沖突次數(shù) 16 退后延時(shí) 發(fā)送失敗 Y N Y Y N Y N 51 第三章 數(shù)據(jù)鏈路層 在接收方： 接收幀 啟動(dòng)接收 接收完成 ? 是發(fā)給自己的 ? 處理數(shù)據(jù) 接收成功 沖突發(fā)生 ? 丟棄數(shù)據(jù) N N Y Y N Y 52 第三章 數(shù)據(jù)鏈路層 常用的退避算法有非堅(jiān)持、 1－堅(jiān)持、 P－堅(jiān)持三種。 非堅(jiān)持算法 算法規(guī)則為： ⑴如果媒本是空閑的，則可以立即發(fā)送。 ⑵如果媒體是忙的，則等待一個(gè)由概率分布決定的隨機(jī)重發(fā)延遲后，再重復(fù)前一步驟。 特點(diǎn)：采用隨機(jī)的重發(fā)延遲時(shí)間可以減少?zèng)_突發(fā)生的可能性。 缺點(diǎn)：即使有幾個(gè)設(shè)備都有數(shù)據(jù)要發(fā)送，但由于大家都在延遲等待過程中，致使媒體仍可能處于空閑狀態(tài)，使用率降低。 53 第三章 數(shù)據(jù)鏈路層 1堅(jiān)持算法 算法規(guī)則： ⑴如果媒體空閑的，則可以立即發(fā)送。 ⑵如果媒體是忙的，則繼續(xù)監(jiān)聽，直至檢測(cè)到媒體是空閑，立即發(fā)送。 ⑶如果有沖突（在一段時(shí)間內(nèi)未收到肯定的回復(fù)），則等待一隨機(jī)量的時(shí)間，重復(fù)步驟⑴～⑵。 優(yōu)點(diǎn)：只要媒體空閑，站點(diǎn)就立即可發(fā)送，避免了媒體利用率的損失。 缺點(diǎn)：假若有兩個(gè)或兩個(gè)以上的站點(diǎn)有數(shù)據(jù)要發(fā)送，沖突就不可避免。 54 第三章 數(shù)據(jù)鏈路層 P堅(jiān)持算法 算法規(guī)則： ⑴監(jiān)聽總線，如果媒體是空閑的，則以 P的概率發(fā)送，而以 (1P)的概率延遲一個(gè)時(shí)間單位。一個(gè)時(shí)間單位通常等于最大傳播時(shí)延的 2倍。 ⑵延遲一個(gè)時(shí)間單位后，再重復(fù)步驟⑴。 ⑶如果媒體是忙的，繼續(xù)監(jiān)聽直至媒體空閑并重復(fù)步驟⑴。 P堅(jiān)持算法是一種既能像非堅(jiān)持算法那樣減少?zèng)_突，又能像 1堅(jiān)持算法那樣減少媒體空閑時(shí)間的折中方案。問題在于如何選擇 P的有值，這要考慮到避免重負(fù)載下系統(tǒng)處于的不穩(wěn)定狀態(tài)。假如媒體是忙時(shí)，有 N個(gè)站有數(shù)據(jù)等待發(fā)送，一旦當(dāng)前的發(fā)送完成時(shí)，將要試圖傳輸?shù)恼镜目偲谕麛?shù)為 NP。如果選擇 P過大，使 NP＞ 1，表明有多個(gè)站點(diǎn)試圖發(fā)送，沖突就不可避免。最壞的情況是，隨著沖突概率的不斷增大，而使吞吐量降低到零。所以必須選擇適當(dāng) P值使 NP＜ 1。當(dāng)然 P值選得過小，則媒體利用率又會(huì)大大降低。 55 第三章 數(shù)據(jù)鏈路層 CSMA/CD的代價(jià)是用于檢測(cè)沖突所花費(fèi)的時(shí)間。對(duì)于基帶總線而言，最壞情況下用于檢測(cè)一個(gè)沖突的時(shí)間等于任意兩個(gè)站之間傳播時(shí)延的兩倍。從一個(gè)站點(diǎn)開始發(fā)送數(shù)據(jù)到另一個(gè)站點(diǎn)開始接收數(shù)據(jù)，也即載波信號(hào)從一端傳播到另一端所需的時(shí)間，稱為信號(hào)傳播時(shí)延。信號(hào)傳播時(shí)延（ μs） =兩站點(diǎn)的距離（ m） /信號(hào)傳播速度。 數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延（ s） =數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度（ bit） /數(shù)據(jù)傳輸速率（ bps）。若不考慮中繼器引入的延遲，數(shù)據(jù)幀從一個(gè)站點(diǎn)開始發(fā)送，到該數(shù)據(jù)幀被另一個(gè)站點(diǎn)全部接收所需的總時(shí)間，等于數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延與信號(hào)傳播時(shí)延之和。 由上述分析可知，為了確保發(fā)送數(shù)據(jù)站點(diǎn)在傳輸時(shí)能檢測(cè)到可能存在的沖突，數(shù)據(jù)幀的傳輸時(shí)延至少要兩倍于傳播時(shí)延。要求分組的長(zhǎng)度不小于某個(gè)值，否則在檢測(cè)出沖突之前傳輸已經(jīng)結(jié)束，但實(shí)際上分組已被沖突所破壞。 由此引出了 CSMA/CD總線網(wǎng)絡(luò)中最短幀長(zhǎng)的計(jì)算關(guān)系式： 最短數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)（ bit） 任意兩站點(diǎn)間的最大距離（ m） 數(shù)據(jù)傳輸速率（ Mbps） 200m/us 56 第三章 數(shù)據(jù)鏈路層 為保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行，必須在最小合法幀傳輸完之前檢測(cè)到?jīng)_突。 要使 CSMA/CD以太網(wǎng)能操作，發(fā)送站必須在一個(gè)最小單位的幀傳輸完成之前就檢測(cè)到?jīng)_突的產(chǎn)生。 發(fā)送數(shù)據(jù) 到達(dá)遠(yuǎn)端 發(fā)送數(shù)據(jù) 碰撞 沖突幀 檢測(cè)到?jīng)_突 57 第三章 數(shù)據(jù)鏈路層 以太網(wǎng)規(guī)定最短有效幀長(zhǎng)為 64字節(jié)，凡長(zhǎng)度小于 64字節(jié)的幀都是由于沖突而異常中止的無效幀。 以太網(wǎng)并采用一種稱為強(qiáng)化碰撞的措施。就是一旦發(fā)送數(shù)據(jù)的站點(diǎn)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了沖突時(shí)，除了立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)外，還要再繼續(xù)發(fā)送若干比特的人為干擾信號(hào)（ Jamming Signal），以便讓所有的用戶都知道現(xiàn)在已經(jīng)產(chǎn)生了沖突。 58 第三章 數(shù)據(jù)鏈路層 后期沖突（遲沖突， Late Collision） 以太網(wǎng)的 543規(guī)則：在一個(gè) 10M網(wǎng)絡(luò)中，一共可以分為 5個(gè)網(wǎng)段，其中用 4個(gè)中繼器連接，允許其中的 3個(gè)網(wǎng)段有設(shè)備，其他 2個(gè)網(wǎng)段只是傳輸距離的延長(zhǎng)。在 10BSET網(wǎng)絡(luò)中，只允許級(jí)聯(lián) 4個(gè)HUB。 多個(gè)站點(diǎn)互連，可以使用多個(gè) HUB進(jìn)行級(jí)連。理論上說只要有足夠的 HUB，就可以無限的擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)范圍，因?yàn)閷?duì)于數(shù)字信號(hào)，HUB的中繼功能可以將衰減的信號(hào)重整放大為與原始信號(hào)相同的效果。但是碰撞的范圍是有限制的，這個(gè)限制規(guī)定了碰撞域中最遠(yuǎn)的兩個(gè)站點(diǎn)間的 HUB的最大個(gè)數(shù)，也就是 4個(gè)。 站點(diǎn)發(fā)送第一個(gè)比特開始就要進(jìn)行沖突檢測(cè)的工作，一但檢測(cè)到?jīng)_突就停止發(fā)送數(shù)據(jù)。那么站點(diǎn)的這個(gè)沖突檢測(cè)工作需要多長(zhǎng)時(shí)間呢？協(xié)議規(guī)定：設(shè)備進(jìn)行沖突檢測(cè)的時(shí)間固定為發(fā)送 64個(gè)字節(jié)（ 512Bit）所消耗的時(shí)間。根據(jù)這一規(guī)則，對(duì)于碰撞沖突的完整表述為：站點(diǎn)從開始發(fā)送數(shù)據(jù)的第 1個(gè)比特開始一直到第 512比特的這段時(shí)間，都不要不停的進(jìn)行沖突檢測(cè)的工作，如果這段時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到?jīng)_突則進(jìn)行重發(fā)工作，如果沒有檢測(cè)到?jīng)_突，則認(rèn)為這個(gè)站點(diǎn)獲得了信道，它可以繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)直到傳輸完畢。 59 第三章 數(shù)據(jù)鏈路層 在正常工作的以太網(wǎng)中，當(dāng)一個(gè)站點(diǎn)獲得了信道后就不應(yīng)該再發(fā)生沖突，這是因?yàn)椋喝舫隽饲?512比特這個(gè)時(shí)間范圍，即使發(fā)生了沖突站點(diǎn)也并不知道而是繼續(xù)發(fā)送，因?yàn)檫@時(shí)候已經(jīng)停止了沖突檢測(cè)的工作。我們就將發(fā)生在 512比特的這段時(shí)間之后的沖突成為遲沖突。 一旦發(fā)生遲沖突就會(huì)照成這樣的后果：由于產(chǎn)生了沖突，實(shí)際上發(fā)送的數(shù)據(jù)已被損壞，而發(fā)送站點(diǎn)卻認(rèn)為發(fā)送成功，因此它不會(huì)重發(fā)這個(gè)幀，而接收站點(diǎn)卻沒接收到這個(gè)數(shù)據(jù)，它也不會(huì)對(duì)發(fā)生站點(diǎn)做出響應(yīng)，這最終引起發(fā)送站點(diǎn)應(yīng)用程序計(jì)時(shí)器超時(shí)，這時(shí)發(fā)生站點(diǎn)才知道需要重傳這個(gè)幀。引發(fā)應(yīng)用程序計(jì)時(shí)器超時(shí)所消耗的時(shí)間與發(fā)送 512比特的時(shí)間相比是相當(dāng)長(zhǎng)的，即使是很少的遲沖突也會(huì)照成網(wǎng)絡(luò)性能的降低，遲沖突是一種嚴(yán)重的錯(cuò)誤。 對(duì)于發(fā)送數(shù)據(jù)的站點(diǎn)，在前 512比特 T這段時(shí)間內(nèi)沒有檢測(cè)到，它就認(rèn)為已經(jīng)獲得了信道，并把幀傳輸完畢。那如何保證其他設(shè)備也認(rèn)為該站點(diǎn)獲得了信道呢？需要滿足下列條件：使得發(fā)送站點(diǎn)在前 256比特所發(fā)的信號(hào)充滿整個(gè)沖突域，這樣該站點(diǎn)就獲得了真正的信道，因?yàn)檫@時(shí)如果其他站點(diǎn)也要發(fā)送數(shù)據(jù)，它們必須執(zhí)行“先聽后發(fā)”的操作，由于信號(hào)已經(jīng)充滿了整個(gè)沖突域，所以它們根據(jù)協(xié)議的規(guī)定而不能發(fā)送數(shù)據(jù)，這就保證了其他設(shè)備也一致認(rèn)為該發(fā)送站點(diǎn)獲得了信號(hào)。 60 第三章 數(shù)據(jù)鏈路層 逾限（超巨幀），如 ISL， 1518+30=1548 長(zhǎng)幀（小巨幀），如 Dot1q， 1518+4=1522 交換機(jī)處理巨幀的方式一般有兩種，一種是作為不識(shí)別的合法幀向所有的端口泛洪；一種是認(rèn)為是非法的幀，直接丟棄。 短幀 殘幀 交換機(jī)處理殘幀采用的是碎片隔離式（ Fragment Free），它在轉(zhuǎn)發(fā)前先檢查數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度是否夠 64個(gè)字節(jié)（ 512比特），如果小于 64字節(jié)，說明是假包（或稱殘幀），則丟棄該包；如果大于64字節(jié)，則發(fā)送該包。該方式由于能夠避免殘幀的轉(zhuǎn)發(fā)，所以被廣泛應(yīng)用于低檔交換機(jī)中。 使用這類交換技術(shù)的交換機(jī)使用了 FIFO（ First In First Out，先入先出）的緩存方式。當(dāng)幀被接收時(shí)，它被保存在 FIFO中。如果幀以小于 512比特的長(zhǎng)度結(jié)束，那么 FIFO中的內(nèi)容（殘幀）就會(huì)被丟棄。數(shù)據(jù)包在轉(zhuǎn)發(fā)之前將被緩存保存下來，從而確保碰撞碎片不通過網(wǎng)絡(luò)傳播，能夠在很大程度上提高網(wǎng)絡(luò)傳輸效率。 61 第三章 數(shù)據(jù)鏈路層 幀的類型： 單播（ Unicast），即收到的幀中目標(biāo) MAC與本站相同； 組播（ Multicast），即發(fā)送給某些站點(diǎn)的幀； 廣播（ Broadcast），即發(fā)送給所有站點(diǎn)的幀。 62 第三章 數(shù)據(jù)鏈路層 地址轉(zhuǎn)換協(xié)議（ ARP）是用來實(shí)現(xiàn) IP地址與本地網(wǎng)絡(luò)認(rèn)知的物理地址（以太網(wǎng) MAC 地址）之間的映射。例如，在第四版 IP中，IP地址長(zhǎng)為 32位。然而在以太局域網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)備地址長(zhǎng)為 48位。有一張表格，通常稱為 ARP緩沖（ ARP cache），來維持每個(gè)MAC地址與其相應(yīng)的 IP地址之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 ARP提供一種形成該對(duì)應(yīng)關(guān)系的規(guī)則以及提供雙向地址轉(zhuǎn)換。 arp a 查看本地 ARP緩存 arp d 刪除本地 ARP緩存 arp s 靜態(tài)設(shè)置 ARP映射 63 第三章 數(shù)據(jù)鏈路層 RARP被稱為反向 ARP，實(shí)現(xiàn)物理地址（ MAC）到邏輯地址（ IP）的映射，即通過物理地址來獲取邏輯地址。 在基于 TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)中，每臺(tái)主機(jī)都需要 IP地址進(jìn)行通信。對(duì)于無盤工作站，只能從 ROM引導(dǎo)， ROM中不包含 IP地址。 在網(wǎng)絡(luò)中需要一臺(tái) RARP服務(wù)器用于 IP地址的分發(fā)，需要獲得 IP地址的無盤工作上稱為客戶機(jī)。 客戶機(jī)向網(wǎng)絡(luò)中廣播請(qǐng)求 IP地址，服務(wù)器收到 RARP請(qǐng)求后，以單播的形式發(fā)送應(yīng)答，為客戶機(jī)分配一個(gè) IP地址。 RARP廣播 RARP單播 64 第三章 數(shù)據(jù)鏈路層 最早的以太網(wǎng)交換機(jī)出現(xiàn)在 1995年，可簡(jiǎn)單理解為多端口網(wǎng)橋，連接在端口上的主機(jī)或網(wǎng)段獨(dú)享帶寬。交換機(jī)的算法相對(duì)較簡(jiǎn)單，硬件廠商將算法進(jìn)行固化，生產(chǎn)出了交換機(jī)的核心 ASIC（ Application Specific Integrated Circuit，專用集成電路）芯片，實(shí)現(xiàn)了基于硬件的線速度交換機(jī)。 交換機(jī)是工作于 OSI的第 2層，能識(shí)別 MAC地址，通過解析數(shù)據(jù)幀中目的主機(jī)的 MAC地址，能將數(shù)據(jù)幀快速地從源端口轉(zhuǎn)發(fā)至目的端口，提高了網(wǎng)絡(luò)的交換和傳輸速度。 交換機(jī)的工作原理是存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，它將某個(gè)端口發(fā)送的數(shù)據(jù)幀先存儲(chǔ)下來，通過解析數(shù)據(jù)幀，獲得目的 MAC地址，然后在交換機(jī)的 MAC地址與端口對(duì)應(yīng)表中，檢索該目的主機(jī)所連接到的交換機(jī)端口，找到后就立即將數(shù)據(jù)幀從源端口直接轉(zhuǎn)發(fā)到目的端口。 交換機(jī)各端口是獨(dú)享帶寬，并可實(shí)現(xiàn)全雙工通訊。利用交換機(jī)提高了數(shù)據(jù)的交換處理速度和效率，但連接在交換機(jī)上的所有設(shè)備仍都處于同一個(gè)廣播域。 65 第三章 數(shù)據(jù)鏈路層 二層交換機(jī)的主要功能： 地址學(xué)習(xí)（ address learning）：通過查看幀的源 MAC地址來加進(jìn)轉(zhuǎn)發(fā) /過濾表的 MAC地址數(shù)據(jù)庫(kù)里。 轉(zhuǎn)發(fā) /過濾決定（ forward/filter decisions）：當(dāng)接口收到一個(gè)幀的時(shí)候，交換機(jī)查看目標(biāo) MAC地址，尋找 MAC地址數(shù)據(jù)庫(kù)和接口，然后向符合條件的那個(gè)目標(biāo)端口轉(zhuǎn)發(fā)。 循環(huán)避免（ loop avoidance）：假如有冗余的連接，可能會(huì)造成環(huán)路的產(chǎn)生， STP就用來阻止這些環(huán)路。 66 第三章 數(shù)據(jù)鏈路層 MAC地址表 交換機(jī)維護(hù) MAC地址表，通常也稱為交換表。 MAC地址表是交換機(jī)正常工作的基礎(chǔ)， 用于存放與該交換機(jī)端口所連設(shè)備的MAC地址的對(duì)應(yīng)信息。 當(dāng)某一設(shè)備接入交換機(jī)的某個(gè)端口之后，交換機(jī)會(huì)自動(dòng)學(xué)習(xí)并添加該 MAC地址與端口的對(duì)應(yīng)關(guān)系到 MAC地址表中，以后當(dāng)有數(shù)據(jù)幀需要發(fā)送給該 MAC地址時(shí)，交換機(jī)會(huì)首先在地址表中，找到對(duì)應(yīng)該 MAC地址的端口，然后直接將數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)到該端口，到達(dá)目標(biāo)。 67 第三章 數(shù)據(jù)鏈路層