第五章 数据链路层1

一、网桥

网桥又称桥接器，英文名Network Bridge，数据链路层设备。它也是转发数据包的设备，但和集线器（HUB）不一样的是，它工作在数据链路层。

在以太网构造的局域网上，最终的寻址是以数据链路层的MAC地址作为标识的(就是用MAC地址可以在局域网上找到一台唯一的机器)，网桥能从发来的数据包中提取MAC信息，并且根据MAC信息对数据包进行有目的的转发，而不采用广播的方式，这样就能减少广播风暴的出现，提升整个网络的效率。

（一）什么是冲突域和广播域？

冲突域是一种物理分段，指连接到同一导线上所有工作站的集合、同一物理网段上所有节点的集合或是以太网上竞争同一带宽节点的集合。

广播域是指可以接收到同样广播消息的节点的集合。

由于网桥可以识别网段内部的通信数据流，因此在网段1中，主机A发给主机B的数据包将不会被网桥转发到网段2。同样，网段2中主机X发给主机Y的数据包也不会被网桥转发到网段1。可见，网桥可以将一个冲突域分割为两个，而每个冲突域共享自己的总线信道带宽。

但是，如果主机C发送了一个目标是所有主机的广播类型数据包时，网桥就需要对这个数据包进行转发，这样网桥两侧的两个网段总线上的所有主机都会接收到该广播数据包，因此网段1和网段2仍同属一个广播域。

（二）掌握网桥是如何工作的

网桥工作在数据链路层，起到的作用是把多个 “局域网” 连接起来，组成更大的局域网。

  • 缓存：网桥首先会对收到的数据帧进行缓存并处理
  • 过滤： 判断入帧的目标节点是否位于发送这个帧的网段中(同一端口中) ，如果是，网桥就不把帧转发到网桥的其他端口
  • 转发：如果帧的目标节点位于另一个网络，网桥就将帧发往正确的网段 (向另一端口转发) 
  • 学习：当帧经过网桥， 网桥首先在网桥表中查找帧的源MAC地址。如果该地址不在网桥表中，则将有该MAC地址及其所对应的网桥端口信息加入（逆向学习法）
  • 扩散：如果在表中找不到目标地址，则按扩散的办法将该数据发送给与该网桥连接的除发送该数据的网段外的所有网段。
  • 老化：过滤数据库表项的TTL每秒都增加，超过某个值则从数据库中清除，一般缺省的TTL设置为300秒。

以混杂方式工作（接收连接到该网桥的局域网上传送的所有帧）。

每个桥维护了一个基于MAC地址的过滤数据库，网桥根据这个数据库，把收到的帧往相应的局域网（端口）进行转发。

在过滤数据库中， 列出了每个可能的目的地（目的MAC地址），以及它属于哪一条输出线路（一个端口号，即表示转发给哪个LAN），每个表项还有一个超时设置

假设桥在端口x上接收到一个MAC帧，有如下规则

  1. 查询过滤数据库，决定该目的MAC地址是否列在除端口x外的其它端口中。
  2. 如果目的MAC地址没有找到，把该帧往除了它所到来的端口外的所有端口发送，即进行扩散。
  3. 如果目的地址列在过滤数据库中的某个端口y中，其中，决定是否端口y处在阻塞或转发状态。在以后的生成树算法中我们可以看到，一个端口可能有时候是阻塞的，以防止它接收或发送帧。
  4. 如果端口y是非阻塞的，把该帧通过端口y转发到它所连接的LAN中。

（三）掌握生成树算法：如何选取根桥，如何确定根端口，如何确定选取端口

生成树协议（Spanning Tree Protocol，STP），是一种工作在OSI网络模型中的第二层(数据链路层)的通信协议，基本应用是防止交换机冗余链路产生的环路。用于确保以太网中无环路的逻辑拓扑结构。从而避免了广播风暴，大量占用交换机的资源。

生成树协议的原理：使冗余端口置于“阻塞状态” ；网络中的计算机在通信时，只有一条链路生效；当原本的链路出现故障时，将处于“阻塞状态”的端口重新打开，从而确保网络连接稳定可靠。

生成树协议的主要功能有两个：一是利用生成树算法，在以太网络中，创建一个以某台交换机的某个端口为根的生成树，避免环路。二是在以太网络拓扑发生变化时，通过生成树协议达到收敛保护的目的。

生成树算法STA（Spanning Tree Algorithm）是生成树协议STP（Spanning Tree Protocol）的核心。它的目标是 ，在包含有物理环路的网络中，构建出一个能够连通全网各节点的树型无环逻辑拓扑。

生成树算法工作：任意一交换机中如果到达根网桥有两条或者两条以上的链路。生成树算法仅仅保留一条，把其他切断，从而保证任意两个交换机之间只有一条单一的活动链路。

生成树协议特点

  • 生成树协议提供一种控制环路的方法。采用这种方法，在连接发生问题的时候，以太网能够绕过出故障的节点。
  • 生成树中的根桥是一个逻辑的中心，并且监视整个网络的通信。最好不依靠设备的自动选择去挑选哪一个网桥会成为根桥。
  • 生成树协议重新计算是繁冗的。恰当地设置主机连接端口(这样就不会引起重新计算)，推荐使用快速生成树协议。
  • 生成树协议可以有效的抑制广播风暴。开启生成树协议后抑制广播风暴，网络将会更加稳定，可靠性、安全性会大大增强。

生成树协议运行生成树算法很复杂，但是其过程可以归纳为以下三个步骤：

  • 按照生出树协议的定义，当比较某个STP参数的两个取值时，值小的优先级高。
  • 注意：
  • 这里所谓的“选举”，是通过网络中的各交换机相互发送生成树协议专用的数据帧BPDU来实现的。
  • 交换机何时发送BPDU，BPDU中又包含着什么信息，我们暂时不管，这有助于我们更轻松地理解生成树算法的三个步骤。

1.选择根网桥

在网络中的所有交换机的中，选取出根交换机，剩余的交换机为非根交换机。选择根交换机的依据是网桥ID，网桥ID是由网桥优先级和网桥MAC地址组成的。

1）首先比较网桥的优先级。优先级小的被选为根网桥；

2）当网桥优先级相同的时候，比较MAC地址。MAC地址小的为根网桥。

2.选择根端口（看交换机）

在每个非根交换机上选出一个根端口。

1）首先比较交换机端口到根路径的成本。根路径成本低的为根端口。

2）当根路径成本相同的时候，比较对端的网桥ID。对端的网桥ID小的为根端口。

3）当网桥ID相同的时候，比较对端的端口ID。对端的端口ID较小的为根端口。

3.选择指定端口并阻塞备用端口。(看LAN）

在每个网段选出一个指定端口DP，并且只有一个。

1）根交换机的所有端口都是指定端口DP；

2）根端口的对端端口一定是指定端口DP；

3）同一网段上的端口，到根路径成本最低的；

4）当根路径成本相同的时候，比较这个端口所在的网桥ID，选择一个网桥ID值小的作为指定的端口；

5）当网桥ID相同的时候，比较端口ID值，选择较小的作为指定端口。

（四）了解VLAN支持哪3种划分VLAN的方法

VLAN（Virtual LAN），翻译成中文是“虚拟局域网”。VLAN所指的LAN特指使用路由器分割的网络——也就是广播域。广播域，指的是广播帧（目标MAC地址全部为1）所能传递到的范围，亦即能够直接通信的范围。

1.基于端口的VLAN

就是静态的把指定的接口划分到对应的VLAN内，那么它就固定在这个VLAN下了。

2.基于MAC地址的VLAN

它只看用户的MAC地址，不把接口固定在某个VLAN下，当该接口收到一个源MAC为匹配的，就动态划分到对应的VLAN内。

3.基于协议的VLAN

这种比较特殊，它能基于IPV4、IPV6、二层以太网的形式来划分，用的比较少

根据第三层（网络层）的协议和第三层地址来判断属于哪一个VLAN

（五）了解VLAN帧相比传统的以太网帧有什么不同：优先级+VLAN ID

VLAN帧相比传统以太网帧多了4个字节

（六）了解局域网交换机支持哪三种帧转发技术？

目前交换机在传送源和目的端口的数据包时通常采用直通式交换、存储转发式和碎片隔离方式三种数据包交换方式。目前的存储转发式是交换机的主流交换方式。

1.直通交换方式（Cut-through）

  • 在收到帧中的目的地址字段后就查找转发表，找到后直接将帧发送到目的端口
  • 转发延迟相比存储转发要小一些
  • 没有差错检测机制，从而可能把坏帧也转发出去，会浪费一部分的带宽

2.存储转发方式（Store-and-Forward）

  • 在输入端口处完全接收到帧后再决定目的端口，然后通过交换逻辑发送到目的端口
  • 在转发帧之前可以首先进行差错检测，把那些出错的帧丢弃掉
  • 但由于要等到接收完一个完整的帧后再输出到交换逻辑来进行转发，转发延迟比较长

3.碎片隔离式（Fragment Free）

  • 无残帧技术和直通类似，在收到帧的前面64个字节后才开始转发
  • 考虑到大多数错误和冲突（所有正常的冲突）出现在帧的前面64个字节

二、ALOHA协议

（一）标准和分槽Aloha协议的吞吐率（信道的最大利用率）的推导方法

1.纯ALOHA协议工作原理

  • 任何一个站都可以在帧生成后立即发送（可能冲突），并通过信号的反馈检测信道以确定发送是否成功
  • 如发送失败，则经随机延时后再发送

  • 每个站点可在任意时间发送数据（不关心信道是否已被占用）
  • 两个以上站点都在发送数据时就会发生冲突

关于P0的计算

冲突危险期：时间长度为2T（过了这个时间就会再发生冲突了）

生成帧均值：2G（一个帧时一个G）

一个帧时内生成k个帧的概率服从泊松分布

在2T的时间内发送成功的概率 = 2T的时间内都没有其它帧生成的概率

纯ALOHA协议的性能：

2.分隙ALOHA工作原理

  • 分隙ALOHA是把时间分成时隙（时间片），时隙的长度对应一帧的传输时间
  • 新帧的产生是随机的，但分隙ALOHA不允许随机发送，凡帧的发送必须在时隙的起点
  • 冲突只发生在时隙的起点，冲突发生时只浪费一个时隙，一旦某个站占用时隙并发送成功，则在该时隙内不会出现冲突

在T的时间内发送成功的概率 = T的时间内都没有其它帧生成的概率

分隙ALOHA协议的性能：

（二）G和S的概念（每帧时多少个帧，负载和吞吐率）

帧时T：发送一个标准长的帧所需的时间
吞吐率S：在一个帧时T内发送成功的平均帧数（0<S<1，S=1时信道利用率100%）
运载负载G：一个帧时T内所有通信站总共发送的帧平均值（包括原发和重发帧）（G≥S，G=S表示无冲突）
P0：一帧发送成功（未发生冲突）的概率，发送成功的分组在已发送分组的总数中所占的比例；公式：S = G*P0

（三）固定用户吞吐率公式的推导方法

前面是无限用户。有限用户的纯ALOHA协议的ALOHA性能：

  • 假设：
  • N个相同的用户
  • 总的吞吐率为S: 每个用户在一个帧时内成功传输一帧的概率为S/N
  • 总负载为G：每个时槽一个用户产生的负载（包括新帧和重传帧）为G/N 即节点以概率p=G/N传输

用户在给定时槽内成功发送一帧，相当于用户在冲突危险区内发送一帧并且其他用户都没有发送帧，因此

N趋于无穷大时，即无限用户环境下与前面的分析有同样的结论：

三、CSMA协议：了解0坚持、1坚持和p坚持的区别

1.CSMA协议

载波监听多路访问协议CSMA（carrier sense multiple access）

  • 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

2.0坚持

坚持指的是对于监听信道忙之后的坚持。

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。

3.1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。

4.p坚持

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。
忙则等待一个随机的时间之后再进行监听。

四、以太网

以太网是应用最广泛的局域网技术。根据传输速率的不同，以太网分为标准以太网(10Mbit/s)、快速以太网(100Mbis)千兆以太网(1000Mbs)和万兆以太网(10Gbit/s)，这些以太网都符合IEEE 802.3是兼容的。

（一）了解以太网的体系结构：LLC、MAC、物理层

数据链路层分为上层LLC（逻辑链路控制），和下层的MAC（媒体访问控制），MAC主要负责控制与连接物理层的物理介质。在发送数据的时候，MAC协议可以事先判断是否可以发送数据，如果可以发送将给数据加上一些控制信息，最终将数据以及控制信息以规定的格式发送到物理层；在接收数据的时候，MAC协议首先判断输入的信息并是否发生传输错误，如果没有错误，则去掉控制信息发送至LLC（逻辑链路控制）层。 

1.LLC

LLC-Logical Link Control 逻辑链路控制

LLC子层负责向其上层提供服务；
LLC子层的主要功能包括： 

  • 传输可靠性保障和控制； 
  • 数据包的分段与重组； 
  • 数据包的顺序传输。

2.MAC

MAC子层的主要功能包括数据帧的封装/卸装，帧的寻址和识别，帧的接收与发送，链路的管理，帧的差错控制等。MAC子层的存在屏蔽了不同物理链路种类的差异性;

在MAC子层的诸多功能中，非常重要的一项功能是仲裁介质的使用权，即规定站点何时可以使用通信介质。实际上，局域网技术中是采用具有冲突检测的载波侦听多路访问（Carrier Sense Multiple Access /Collision Detection，CSMA/CD）这种介质访问方法的。

3.物理层

这里所谓的物理介质，我们最常见的就是我们的网线，这就是一种以太网传输的物理介质。常见的物理介质还有同轴电缆、光纤等

（二）LAN地址：48比特的平坦地址空间， OUI+OUA

网络设备的MAC地址是全球唯一的。MAC地址长度为48比特，通常用十六进制表示。MAC地址包含两部分：前24比特是组织唯一标识符（OUI，OrganizationallyUniqueIdentifier），由IEEE统一分配给设备制造商。

MAC地址的长度为48位（6个字节），通常表示为12个16进制数，每2个16进制数之间用冒号隔开， 如：08:00:20:0A:8C:6D就是一个MAC地址，其中前6位16进制数08:00:20代表网络硬件制造商的编号，它由IEEE（电气与电子 工程师协会）分配，而后3位16进制数0A:8C:6D代表该制造商所制造的某个网络产品（如网卡）的系列号。只要你不去更改自己的MAC地址，那么你的 MAC地址在世界是惟一的。

1.了解以太网单播、组播和广播地址的区分方法

（1）单播

第一种是单播，指从单一的源端发送到单一的目的端。每个主机接口由一个MAC地址唯一标识，MAC地址的OUI中，第一字节第8个比特表示地址类型。对于主机MAC地址，这个比特固定为0，表示目的MAC地址为此MAC地址的帧都是发送到某个唯一的目的端。在冲突域中，所有主机都能收到源主机发送的单播帧，但是其他主机发现目的地址与本地MAC地址不一致后会丢弃收到的帧，只有真正的目的主机才会接收并处理收到的帧。

（2）组播

组播比广播更加高效。组播转发可以理解为选择性的广播，主机侦听特定组播地址，接收并处理目的MAC地址为该组播MAC地址的帧。

组播MAC地址和单播MAC地址是通过第一字节中的第8个比特区分的。组播MAC地址的第8个比特为1，而单播MAC地址的第8个比特为0。

当需要网络上的一组主机（而不是全部主机）接收相同信息，并且其他主机不受影响的情况下通常会使用组播方式。

（3）广播地址

表示帧从单一的源发送到共享以太网上的所有主机。广播帧的目的MAC地址为十六进制的FFFFFFFFFFFF，所有收到该广播帧的主机都要接收并处理这个帧。

广播方式会产生大量流量，导致带宽利用率降低，进而影响整个网络的性能。

当需要网络中的所有主机都能接收到相同的信息并进行处理的情况下，通常会使用广播方式。

2.IEEE地址格式：最低位（单播或组播）在前

  • LLC（Logic Link Control Sub Layer）：逻辑链路层 主要负责站点间的帧交换，差错控制，流量控制，应答功能。

（三）了解以太网帧主要包含的字段的含义，为什么以太网有两种帧格式？是否能同时使用这两种帧格式

1.以太网帧主要包含的字段

如上图为以太网的帧格式，以下是对每字段的字段、字段长度及作用的

  1. 前导码（Preamble）     7B  不算在以太帧里面，只是用定制帧开始，起同步作用。
  2. 帧开始符（SFD）        1B  标识一个帧的开始，代码为：10101011.
  3. 目的MAC地址            6B  指明帧的接受者
  4. 源MAC地址              6B  指明帧的发送者
  5. 长度（Length）         2B  帧的数据字段的长度（长度或类型）
  6. 类型（Type）           2B  帧中数据的协议类型（长度或类型）
  7. 数据和填充（Data and Pad）注 46~1500 高层的数据，通常为3层协议数据单元。
  8. 对于TCP/IP是IP数据包
    • 帧校验序列（FCS）  4B   对接收网卡提供判断是否传输错误的一种方法，如果发现错误，丢弃此帧

如果帧长小于64字节，则要求“填充”，以使这个帧的长度达到64字节。

2.以太网有两种帧格式

Ethernet II和IEEE802.3的帧格式比较类似，主要的不同点在于前者定义的2字节的类型，而后者定义的是2字节的长度；后者定义的有效长度值与前者定义的有效类型值无一相同，这样就容易区分两种帧格式了。

3.是否能同时使用这两种帧格式

如何区分不同的帧格式 
Ethernet中存在这四种Frame那些网络设备又是如何识别的呢? 如何区分EthernetII与其他三种格式的Frame 如果帧头跟随source mac地址的2 bytes的值大于1500 则此Frame为EthernetII格式的。 
接着比较紧接着的两bytes如果为0xFFFF则为Novell Ether 类型的Frame 
如果为0xAAAA则为Ethernet SNAP格式的Frame ，如果都不是则为Ethernet 802.3/802.2格式的帧

五、CSMA/CD机制

CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection）

  • CS：载波侦听
  • 在发送数据之前进行侦听，以确保线路空闲，减少冲突的机会。
  • MA：多址访问
  • 每个站点发送的数据，可以同时被多个站点接收。
  • CD：冲突检测
  • 由于两个站点同时发送信号，信号叠加后，会使线路上电压的摆动值超过正常值一倍。据此可判断冲突的产生。
  • 边发送边检测，发现冲突就停止发送，然后延迟一个随机时间之后继续发送。

CSMA/CD的工作过程如下：

  1. 终端设备不停的检测共享线路的状态。
    • 如果线路空闲则发送数据。
    • 如果线路不空闲则一直等待。
  2. 如果有另外一个设备同时发送数据，两个设备发送的数据必然产生冲突，导致线路上的信号不稳定。
  3. 终端设备检测到这种不稳定之后，马上停止发送自己的数据。
  4. 终端设备发送一连串干扰脉冲，然后等待一段时间之后再进行发送数据。
    • 发送干扰脉冲的目的是为了通知其他设备，特别是跟自己在同一个时刻发送数据的设备，线路上已经产生了冲突。
    • 检测到冲突后等待的时间是随机的。

（一）帧间间隔IFG的作用

 IFG(Interframe Gap),帧间距，以太网相邻两帧之间的时间断；以太网发送方式是一个帧一个帧发送的，帧与帧之间需要间隙，即帧间距IFG也可称其为IPG (Interpacket Gap)。IFG指的是一段时间，不是距离，单位通常用微秒（μs）或纳秒（ns）。

网络设备和组件在接收一个帧之后，需要一段短暂的时间来恢复并为接收下一帧做准备。

IFG的最小值是 96 bit time，即在媒介中发送96位原始数据所需要的时间，在不同媒介中IFG的最小值是不一样的：

  • IFG增大，设备的有效速度减小，可以解决因速度过快丢包的问题；
  • IFG减小（但必须大于 96 bit time），设备的有效速度增大，可以解决因速度过慢导致测试超时的问题。

（二）掌握冲突检测：最小帧长

1.冲突检测

冲突检测（Collision Detect）: 发送的同时监听媒体是否遇到冲突

带冲突检测的CSMA(CSMA/CD:CSMA with Collision Detection）：它一旦检测到冲突，立即终止当前传输中的帧，节省时间和带宽，并等待一段时间，重新尝试.它广泛用于LAN中MAC子层,是当前以太网LAN的基础.

冲突检测要求：帧的最小传输时间>=冲突检测时间=2*传播延迟

2.最小帧长

考虑如下的情况，主机发送的帧很小，而两台冲突主机相距很远，在主机A发送的帧传输到B的前一刻，B开始发送帧。这样，当A的帧到达B时，B检测到冲突，于是发送冲突信号。假如在B的冲突信号传输到A之前，A的帧已经发送完毕，那么A将检测不到冲突而误以为已发送成功。由于信号传播是有时延的，因此检测冲突也需要一定的时间。这也是为什么必须有个最小帧长的限制。

按照标准，10Mbps以太网采用中继器时，连接的最大长度是2500米，最多经过4个中继器，因此规定对10Mbps以太网一帧的最小发送时间为51.2微秒。这段时间所能传输的数据为512位，因此也称该时间为512位时。这个时间定义为以太网时隙，或冲突时槽。512位=64字节，这就是以太网帧最小64字节的原因。

（三）掌握二进制指数退避算法

  1. 确定基本退避时间（基数），一般定为2τ，也就是一个争用期时间，对于以太网就是51.2μs
  2. 定义一个参数K，为重传次数，K＝min[重传次数，10]，可见K≤10
  3. 从离散型整数集合[0，1，2，……，(2^k－1)]中，随机取出一个数记做R
    • 随机挑选一个数作为等待的时槽数
    • 第𝑖次冲突等待时槽random[0, 2min(i,10)− 1]
      • i<=10次冲突时，等待的时槽数从0～2i-1中随机选出
      • 如果冲突的次数达到10次后，随机等待的最大时槽数固定为1023([0,210-1])
  4. 同时，重传也不是无休止的进行，当重传16次不成功，就丢弃该帧，传输失败，报告给高层协议

（四）了解千兆以太网的CSMA/CD扩展：载波扩展、帧突发

1.载波扩展

冲突检测要求：帧的最小传输时间>=冲突检测时间=2*传播延迟

载波扩展：增加帧的最小传输时间，从512比特时间到4096比特时间

  • MAC帧尾部附加特殊的编码（不会在正常数据部分出现）
  • 时槽时间从64字节（512比特）扩展为512字节（4096比特）
  • 超过512字节的帧不需要进行载波扩展

帧格式仍然是相同的以太网帧格式和相同的最小帧长

最小帧长仍然是512比特（64字节）,但1Gbps 以太网时槽长度为512字节（4096比特）

2.帧突发（Frame Bursting）

站点有连续多个短帧发送时，大量的媒体时间被浪费

帧突发：第一帧仍采用载波扩展，在传输完成后并不释放对媒体的访问权

如果连续发送帧的总长度不超过8192B（64kb），那么发送下一个短帧

短帧之间仍然需要等待（96比特的）帧间间隔IFG，以便接收者准备好接收

  • 在此期间通过发送一些特殊的编码（不在数据和载波扩展里出现）保证别的节点不会获得媒体的访问权

六、掌握CSMA/CD协议的性能分析方法

 媒体上的时间可以分为竞争（contention）间隔、传输(busy)间隔和空闲(idle)间隔

要成功传输，首先需要竞争媒体的访问权

  • 时槽：冲突检测的最坏时间为2Tprop
  • 二进制指数退避算法：等待0到多个时槽后重新监听媒体
  • 竞争间隔由多个长度为2Tprop 的时槽组成

传输间隔：需要Ttrans=L/R时间传输长度为L的帧

简化后的CSMA/CD：假设节点数为N个，在一个竞争时槽内每个节点以概率p传输

  • 不同节点传输的事件是独立的
  • 不同时槽节点传输的事件也是独立的
  • 而实际上CSMA/CD节点传输的概率p由以前/当前的状态决定

在一个时槽正好有一个站点竞争成功的概率A:

注意到p=1/N时A有最大值

竞争间隔正好为i个竞争时槽的概率Pi为

竞争间隔平均时槽数:

竞争间隔平均时槽数=e-1=1.718个

最大有效吞吐率（效率）S：

七、什么是全双工以太网？与CSMA/CD的区别，了解PAUSE帧所实现的流量控制机制

1.全双工以太网

全双工的工作模式：

  • 同一时刻可以接收和发送数据。

  • 最大吞吐量达双倍速率。

  • 消除了半双工的物理距离限制。

链路的距离也不再受最短帧长（512比特）的限制，而纯粹考虑的是链路的物理特性

2.全双工以太网与CSMA/CD的区别

全双工工作模式下可以完成同时接收和发送数据。

我们想想，网卡可能会在同一时刻发送两个数据包吗？这是不可能的。绝对不可能会出现在同一时刻网卡接收到两个或两个以上同时需要发送数据的请求，就连CPU也不可能同时做到在同一时刻处理两个或两个以上指令呀。这个时候，如果我们假设网卡启用CSMA/CD机制来检测冲突，请问他检测哪一条冲突通道呢？我们可要知道，网卡在接收到需要发送的数据包后，就像排队一样一个一个往外发送，怎么可能会冲突呢？
这个时候有人可能要问了，那接收呢？它可能会和接收的冲突呀？其实这么想就错了。全双工工作模式下，我们将使用双绞线中的2对线进行工作。一对用于发送，一对用于接收。那么既然发送和接收是分开的2条链路，就不存在冲突的问题了。就像在高速公路上，有一个车道是由东往西行驶车道，一个车道是由西往东行驶车道。那么，你说两车对开，各行驶于各自的车道，有可能会冲撞吗？所以，全双工工作模式下是不需要使用CSMA/CD冲突检测机制的。

3.PAUSE帧

pause帧是一种控制帧，用于控制数据流停止发送，在MAC 发送侧产生，在MAC接收侧解析并执行。当此端设备输入数据量过大，无法及时处理时会在此端发送侧MAC产生pause帧，会向数据上游MAC发送Puase报文，告诉上游MAC在一段时间内停止发送数据，停止时间记录在报文的PAUSE_TIMING字段。

当上游MAC接受到对端的有效Puase报文时，会开始计时，并会停止发送数据，防止对端无法及时处理数据，导致对端FIFO溢出或者数据丢失。若计时结束，并且没有收到新的pause报文，将重新发送数据。若计时没有结束，且新收到的pause报文PAUSE_TIMING字段为全0，则表示可以重新发送数据，此时停止计时，重新开始发送数据。

八、以太网媒体选项：了解命名方式，了解冲突域的概念，了解物理层的设备：转发器和集线器

1.以太网媒体

IEEE 802.3标准支持多种物理媒体选项：物理层各不相同，但都采用相同的数据链路层协议

2.命名方式

媒体选项的命名策略：<数据速率><信号方式><网段最大长度/媒体描述>

  • 10表示数据速率为10Mbps
  • 信号方式Base表示采用基带传输（传输的是数字信号）
  • 信号方式Broad表示采用宽带传输（信道分割成多个子信道，传输的是模 拟信号）
  • T表示双绞线
  • F表示光纤
  • C表示Copper(屏蔽双绞线）
  • X表示物理上的两条线路（用于发送和接收）
  • S表示短波波长（850nm）光纤
  • L表示长波波长（1310nm）光纤
  • E表示超长波波长（1550nm）光纤
  • B表示双向长波光纤
  • P表示PON被动光网络

3.冲突域

在传统的以粗同轴电缆为传输介质的以太网中，同一介质上的多个节点共享链路的带宽，争用链路的使用权，这样就会发生信号冲突现象，导致数据无法被转发。这样的一个区域被称为冲突域。

产生条件：

  1. 物理介质（同轴电缆，HUB）
  2. 共享式网络（同一网段同一局域网）
  3. 半双工

冲突域带来的问题是：

  • 信号冲突，数据无法被正确转发，工作效率低。解决方法：
  • CSMA/CD 载波监听多路访问
  • 先听后发，边发边听，冲突停发，随机延迟后重发

4.转发器

转发器（Repeater）又被称为中继器或放大器，执行物理层协议，负责第一层（物理层）的数据中继，实现电气信号的“再生”。用于 互连两个相同类型的网段，主要功能是延伸网段和改变传输媒体，从而实现信息位的转发。它本身不执行信号的过滤功能。 

5.集线器

集线器（HUB）是一种典型或称为特殊的转发器。

它不具有智能处理能力，处理的数据只是电流而已，它采用 共享带宽的工作方式，附接端口的所有计算机采用CSMA/CD方式竞争带宽的使用， 任一时刻只能由两台计算机之间进行通信。 

它也不具备交换机所具有的MAC地址表，所以它发送数据时都是没有针对性的，而是采用广播方式发送。也就是说当它要向某节点发送数据时，不是直接把数据发送到目的节点，而是把数据包发送到与集线器相连的所有节点。

posted @ 2022-12-26 11:35  ImreW  阅读(278)  评论(0)  编辑  收藏  举报