【文章內(nèi)容簡介】 該信息幀是不是發(fā)送給自己的，一旦確認是發(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，任何一個工作站在任何一時刻都可以訪問網(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，只有檢測到網(wǎng)絡(luò)空閑時，工作站才能發(fā)送數(shù)據(jù)。 在基于競爭的以太網(wǎng)中，只要網(wǎng)絡(luò)空閑，任一工作站均可發(fā)送數(shù)據(jù)。當兩個工作站發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)空閑而同時發(fā)出數(shù)據(jù)時，就發(fā)生沖突。這時，兩個傳送操作都遭到破壞，工作站必須在一定時間后重發(fā)，何時重發(fā)由延時算法決定。 49 第三章 數(shù)據(jù)鏈路層 以太網(wǎng)的工作過程如下： 當以太網(wǎng)中的一臺主機要傳輸數(shù)據(jù)時，它將按如下步驟進行： 偵聽信道上收否有信號在傳輸。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，就傳輸數(shù)據(jù)。 傳輸?shù)臅r候繼續(xù)偵聽，如發(fā)現(xiàn)沖突則執(zhí)行退避算法，隨機等待一段時間后，重新執(zhí)行步驟 1。 若未發(fā)現(xiàn)沖突則發(fā)送成功，計算機所有計算機在試圖再一次發(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 ? 啟動發(fā)送 有沖突 ? 發(fā)送完成 ? 發(fā)送成功 沖突加強 沖突加強 N=N+1 沖突次數(shù) 16 退后延時 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持、 1－堅持、 P－堅持三種。 非堅持算法 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，則等待一個由概率分布決定的隨機重發(fā)延遲后，再重復前一步驟。 特點：采用隨機的重發(fā)延遲時間可以減少沖突發(fā)生的可能性。 缺點：即使有幾個設(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，直至檢測到媒體是空閑，立即發(fā)送。 ⑶如果有沖突（在一段時間內(nèi)未收到肯定的回復），則等待一隨機量的時間，重復步驟⑴～⑵。 優(yōu)點：只要媒體空閑，站點就立即可發(fā)送，避免了媒體利用率的損失。 缺點：假若有兩個或兩個以上的站點有數(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)的概率延遲一個時間單位。一個時間單位通常等于最大傳播時延的 2倍。 ⑵延遲一個時間單位后，再重復步驟⑴。 ⑶如果媒體是忙的，繼續(xù)監(jiān)聽直至媒體空閑并重復步驟⑴。 P堅持算法是一種既能像非堅持算法那樣減少沖突，又能像 1堅持算法那樣減少媒體空閑時間的折中方案。問題在于如何選擇 P的有值，這要考慮到避免重負載下系統(tǒng)處于的不穩(wěn)定狀態(tài)。假如媒體是忙時，有 N個站有數(shù)據(jù)等待發(fā)送，一旦當前的發(fā)送完成時，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，表明有多個站點試圖發(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 P值使 NP＜ 1。當然 P值選得過小，則媒體利用率又會大大降低。 55 第三章 數(shù)據(jù)鏈路層 CSMA/CD的代價是用于檢測沖突所花費的時間。對于基帶總線而言，最壞情況下用于檢測一個沖突的時間等于任意兩個站之間傳播時延的兩倍。從一個站點開始發(fā)送數(shù)據(jù)到另一個站點開始接收數(shù)據(jù)，也即載波信號從一端傳播到另一端所需的時間，稱為信號傳播時延。信號傳播時延（ μs） =兩站點的距離（ m） /信號傳播速度。 數(shù)據(jù)傳輸時延（ s） =數(shù)據(jù)幀長度（ 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)幀從一個站點開始發(fā)送，到該數(shù)據(jù)幀被另一個站點全部接收所需的總時間，等于數(shù)據(jù)傳輸時延與信號傳播時延之和。 由上述分析可知，為了確保發(fā)送數(shù)據(jù)站點在傳輸時能檢測到可能存在的沖突，數(shù)據(jù)幀的傳輸時延至少要兩倍于傳播時延。要求分組的長度不小于某個值，否則在檢測出沖突之前傳輸已經(jīng)結(jié)束，但實際上分組已被沖突所破壞。 由此引出了 CSMA/CD總線網(wǎng)絡(luò)中最短幀長的計算關(guān)系式： 最短數(shù)據(jù)幀長（ bit） 任意兩站點間的最大距離（ 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)的正常運行，必須在最小合法幀傳輸完之前檢測到?jīng)_突。 要使 CSMA/CD以太網(wǎng)能操作，發(fā)送站必須在一個最小單位的幀傳輸完成之前就檢測到?jīng)_突的產(chǎn)生。 發(fā)送數(shù)據(jù) 到達遠端 發(fā)送數(shù)據(jù) 碰撞 沖突幀 檢測到?jīng)_突 57 第三章 數(shù)據(jù)鏈路層 以太網(wǎng)規(guī)定最短有效幀長為 64字節(jié)，凡長度小于 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)并采用一種稱為強化碰撞的措施。就是一旦發(fā)送數(shù)據(jù)的站點發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了沖突時，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（ 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 10M網(wǎng)絡(luò)中，一共可以分為 5個網(wǎng)段，其中用 4個中繼器連接，允許其中的 3個網(wǎng)段有設(shè)備，其他 2個網(wǎng)段只是傳輸距離的延長。在 10BSET網(wǎng)絡(luò)中，只允許級聯(lián) 4個HUB。 多個站點互連，可以使用多個 HUB進行級連。理論上說只要有足夠的 HUB，就可以無限的擴展網(wǎng)絡(luò)范圍，因為對于數(shù)字信號，HUB的中繼功能可以將衰減的信號重整放大為與原始信號相同的效果。但是碰撞的范圍是有限制的，這個限制規(guī)定了碰撞域中最遠的兩個站點間的 HUB的最大個數(shù)，也就是 4個。 站點發(fā)送第一個比特開始就要進行沖突檢測的工作，一但檢測到?jīng)_突就停止發(fā)送數(shù)據(jù)。那么站點的這個沖突檢測工作需要多長時間呢？協(xié)議規(guī)定：設(shè)備進行沖突檢測的時間固定為發(fā)送 64個字節(jié)（ 512Bit）所消耗的時間。根據(jù)這一規(guī)則，對于碰撞沖突的完整表述為：站點從開始發(fā)送數(shù)據(jù)的第 1個比特開始一直到第 512比特的這段時間，都不要不停的進行沖突檢測的工作，如果這段時間內(nèi)檢測到?jīng)_突則進行重發(fā)工作，如果沒有檢測到?jīng)_突，則認為這個站點獲得了信道，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，當一個站點獲得了信道后就不應(yīng)該再發(fā)生沖突，這是因為：若超出了前 512比特這個時間范圍，即使發(fā)生了沖突站點也并不知道而是繼續(xù)發(fā)送，因為這時候已經(jīng)停止了沖突檢測的工作。我們就將發(fā)生在 512比特的這段時間之后的沖突成為遲沖突。 一旦發(fā)生遲沖突就會照成這樣的后果：由于產(chǎn)生了沖突，實際上發(fā)送的數(shù)據(jù)已被損壞，而發(fā)送站點卻認為發(fā)送成功，因此它不會重發(fā)這個幀，而接收站點卻沒接收到這個數(shù)據(jù)，它也不會對發(fā)生站點做出響應(yīng)，這最終引起發(fā)送站點應(yīng)用程序計時器超時，這時發(fā)生站點才知道需要重傳這個幀。引發(fā)應(yīng)用程序計時器超時所消耗的時間與發(fā)送 512比特的時間相比是相當長的，即使是很少的遲沖突也會照成網(wǎng)絡(luò)性能的降低，遲沖突是一種嚴重的錯誤。 對于發(fā)送數(shù)據(jù)的站點，在前 512比特 T這段時間內(nèi)沒有檢測到，它就認為已經(jīng)獲得了信道，并把幀傳輸完畢。那如何保證其他設(shè)備也認為該站點獲得了信道呢？需要滿足下列條件：使得發(fā)送站點在前 256比特所發(fā)的信號充滿整個沖突域，這樣該站點就獲得了真正的信道，因為這時如果其他站點也要發(fā)送數(shù)據(jù)，它們必須執(zhí)行“先聽后發(fā)”的操作，由于信號已經(jīng)充滿了整個沖突域，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)備也一致認為該發(fā)送站點獲得了信號。 60 第三章 數(shù)據(jù)鏈路層 逾限（超巨幀），如 ISL， 1518+30=1548 長幀（小巨幀），如 Dot1q， 1518+4=1522 交換機處理巨幀的方式一般有兩種，一種是作為不識別的合法幀向所有的端口泛洪；一種是認為是非法的幀，直接丟棄。 短幀 殘幀 交換機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)包的長度是否夠 64個字節(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)用于低檔交換機中。 使用這類交換技術(shù)的交換機使用了 FIFO（ First In First Out，先入先出）的緩存方式。當幀被接收時，它被保存在 FIFO中。如果幀以小于 512比特的長度結(jié)束，那么 FIFO中的內(nèi)容（殘幀）就會被丟棄。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 MAC與本站相同； 組播（ Multicast），即發(fā)送給某些站點的幀； 廣播（ Broadcast），即發(fā)送給所有站點的幀。 62 第三章 數(shù)據(jù)鏈路層 地址轉(zhuǎn)換協(xié)議（ ARP）是用來實現(xiàn) IP地址與本地網(wǎng)絡(luò)認知的物理地址（以太網(wǎng) MAC 地址）之間的映射。例如，在第四版 IP中，IP地址長為 32位。然而在以太局域網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)備地址長為 48位。有一張表格，通常稱為 ARP緩沖（ ARP cache），來維持每個MAC地址與其相應(yīng)的 IP地址之間的對應(yīng)關(guān)系。 ARP提供一種形成該對應(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，每臺主機都需要 IP地址進行通信。對于無盤工作站，只能從 ROM引導， ROM中不包含 IP地址。 在網(wǎng)絡(luò)中需要一臺 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。 客戶機向網(wǎng)絡(luò)中廣播請求 IP地址，服務(wù)器收到 RARP請求后，以單播的形式發(fā)送應(yīng)答，為客戶機分配一個 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)交換機出現(xiàn)在 1995年，可簡單理解為多端口網(wǎng)橋，連接在端口上的主機或網(wǎng)段獨享帶寬。交換機的算法相對較簡單，硬件廠商將算法進行固化，生產(chǎn)出了交換機的核心 ASIC（ Application Specific Integrated Circuit，專用集成電路）芯片，實現(xiàn)了基于硬件的線速度交換機。 交換機是工作于 OSI的第 2層，能識別 MAC地址，通過解析數(shù)據(jù)幀中目的主機的 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。 交換機的工作原理是存儲轉(zhuǎn)發(fā)，它將某個端口發(fā)送的數(shù)據(jù)幀先存儲下來，通過解析數(shù)據(jù)幀，獲得目的 MAC地址，然后在交換機的 MAC地址與端口對應(yīng)表中，檢索該目的主機所連接到的交換機端口，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。 交換機各端口是獨享帶寬，并可實現(xiàn)全雙工通訊。利用交換機提高了數(shù)據(jù)的交換處理速度和效率，但連接在交換機上的所有設(shè)備仍都處于同一個廣播域。 65 第三章 數(shù)據(jù)鏈路層 二層交換機的主要功能： 地址學習（ address learning）：通過查看幀的源 MAC地址來加進轉(zhuǎn)發(fā) /過濾表的 MAC地址數(shù)據(jù)庫里。 轉(zhuǎn)發(fā) /過濾決定（ forward/filter decisions）：當接口收到一個幀的時候，交換機查看目標 MAC地址，尋找 MAC地址數(shù)據(jù)庫和接口，然后向符合條件的那個目標端口轉(zhuǎn)發(fā)。 循環(huán)避免（ loop avoidance）：假如有冗余的連接，可能會造成環(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 交換機維護 MAC地址表，通常也稱為交換表。 MAC地址表是交換機正常工作的基礎(chǔ)， 用于存放與該交換機端口所連設(shè)備的MAC地址的對應(yīng)信息。 當某一設(shè)備接入交換機的某個端口之后，交換機會自動學習并添加該 MAC地址與端口的對應(yīng)關(guān)系到 MAC地址表中，以后當有數(shù)據(jù)幀需要發(fā)送給該 MAC地址時，交換機會首先在地址表中，找到對應(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，到達目標。 67 第三章 數(shù)據(jù)鏈路層