數(shù)據(jù)鏈路層使用的信道有以下兩種類型：
①點對點信道，一對一的點對點通信方式
②廣播信道，一對多的廣播通信方式，復(fù)雜。廣播信道上連接的主機(jī)多，因此必須使用共享協(xié)議來協(xié)調(diào)這些主機(jī)的數(shù)據(jù)發(fā)送。
本文先介紹點對點信道和在這種信道上常用的點對點協(xié)議PPP。然后討論共享信道的局域網(wǎng)和有關(guān)協(xié)議。
我們可以想象數(shù)據(jù)是在數(shù)據(jù)鏈路層從左向右沿水平方向傳送：
每段鏈路層可能采用不同的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。
一、使用點對點信道的數(shù)據(jù)鏈路層
1.數(shù)據(jù)鏈路和幀
鏈路和數(shù)據(jù)鏈路不是一回事。
鏈路（link）：是從一個結(jié)點到相鄰結(jié)點的一段物理線路，而中間沒有任何其他的交換結(jié)點。通信時，要有很多這樣的鏈路，所以鏈路只是一條路徑的組成部分。（物理鏈路）
數(shù)據(jù)鏈路（data link）：指在物理線路上添加上控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議的硬件和軟件。（邏輯鏈路）
早期的數(shù)據(jù)通信協(xié)議也叫做規(guī)程（procedure），因此在數(shù)據(jù)鏈路層，規(guī)程和協(xié)議是同義語。
幀：點對點信道的數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議單元。數(shù)據(jù)鏈路層把網(wǎng)絡(luò)層交下來的數(shù)據(jù)構(gòu)成幀發(fā)送到鏈路上，以及把接受到的幀中的數(shù)據(jù)取出來并交給網(wǎng)絡(luò)層。在因特網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議數(shù)據(jù)單元就是IP數(shù)據(jù)報（或簡稱為數(shù)據(jù)報、分組、包）。
點對點通信步驟：①結(jié)點A的數(shù)據(jù)鏈路層把網(wǎng)絡(luò)層交下來的IP數(shù)據(jù)報添加首部和尾部封裝成幀。②結(jié)點A把封裝好的幀發(fā)送給結(jié)點B的數(shù)據(jù)鏈路層。③結(jié)點B的數(shù)據(jù)鏈路層收到的幀無差錯，則從收到的幀中取出IP數(shù)據(jù)報上交給上面的網(wǎng)絡(luò)層，否則丟棄這個幀。
數(shù)據(jù)鏈路層不必考慮物理層如何實現(xiàn)比特傳輸?shù)募?xì)節(jié)，甚至可以更簡單地設(shè)想好像是沿著兩個數(shù)據(jù)鏈路層的水平方向把幀直接發(fā)送到對方。
2.三個基本問題
①封裝成幀（framing）
在一段數(shù)據(jù)的前后分別添加首部和尾部，然后就構(gòu)成了一個幀，進(jìn)行幀定界
發(fā)送幀時，是從幀首部開始發(fā)送。各種數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議都要對幀首部和幀尾部的格式有明確規(guī)定。為提高幀的傳輸效率，幀的數(shù)據(jù)部分長度應(yīng)該盡可能大于首部和尾部的長度。但每一種數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議規(guī)定了幀的數(shù)據(jù)部分的長度上限——最大傳送單元MTU（maximum transfer unit）。
另外：當(dāng)數(shù)據(jù)是由可打印的ASC2碼組成的文本文件時，幀定界可以使用特殊的幀定界符。ASC2碼是7位編碼，一共可組成128個不同的ASC2碼，可打印的有95個，不可打印的有33個。
SOH：start of header，十六進(jìn)制編碼是01。
EOT：end of transmission，十六進(jìn)制編碼是04。
幀界定符的作用：差錯控制。假定發(fā)送端在尚未發(fā)送完一個幀時突然出故障，中斷了發(fā)送。但隨后很快又恢復(fù)正常，于是重新從頭開始發(fā)送剛才未發(fā)送完的幀。由于使用了幀定界符，在接收端就知道前面收到的數(shù)據(jù)是個不完整的幀（只有首部開始符SOH而沒有傳輸結(jié)束符EOT），必須丟棄。而后面收到的數(shù)據(jù)有明確的幀定界符（SOH和EOT），因此這是一個完整的幀，應(yīng)當(dāng)收下。
②透明傳輸
如果所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中的任何8比特的組合和用作幀定界的控制字符的比特編碼一樣，就會出現(xiàn)幀定界的錯誤。
當(dāng)傳送的幀是用文本文件組成時，其數(shù)據(jù)部分不會出現(xiàn)像SOH或EOT這樣的幀定界控制字符。不管什么字符都可以放在這樣的幀中傳輸過去，因此這樣的傳輸是透明傳輸。
當(dāng)傳送的幀是由非ASC2碼的文本文件時，情況不同。數(shù)據(jù)鏈路層會錯誤地找到幀的邊界，把部分幀收下（誤認(rèn)為是完整的幀），剩下地部分找不到SOH而被丟棄。
解決透明傳輸問題:
發(fā)送端的數(shù)據(jù)鏈路層在數(shù)據(jù)中出現(xiàn)控制字符"SOH"或"EOT"的前面插入一個轉(zhuǎn)義字符"ESC"(其十六進(jìn)制編碼是 1B)。
字節(jié)填充(byte stuffing)或字符填充(character stuffing):接收端的數(shù)據(jù)鏈路層在將數(shù)據(jù)送往網(wǎng)絡(luò)層之前刪除插入的轉(zhuǎn)義字符。
如果轉(zhuǎn)義字符也出現(xiàn)數(shù)據(jù)當(dāng)中，那么應(yīng)在轉(zhuǎn)義字符前面插入一個轉(zhuǎn)義字符。當(dāng)接收端收到連續(xù)的兩個轉(zhuǎn)義字符時，就刪除其中前面的一個。
③錯檢測
比特差錯：比特在傳輸過程中，1變成0，0變成1。
誤碼率BER（bit error rate）：在一段時間內(nèi)，傳輸錯誤的比特占所傳輸比特總數(shù)的比率。和信噪比有關(guān)，提高信噪比可使誤碼率減小。
通信鏈路并非理想，所以有了差錯檢測措施。
循環(huán)冗余檢驗CRC（cyclic redundancy check）
在發(fā)送端，先把數(shù)據(jù)劃分為祖，假定每組K個比特?，F(xiàn)假定待傳送的數(shù)據(jù)M = 101001（k=6）。然后CRC運算需要把待傳的數(shù)據(jù)的末尾加上用于檢測的n位冗余碼，可以簡單的理解為在數(shù)據(jù)后面加上n個0，一共發(fā)送（k+n）位。
假設(shè)n=3，這樣循環(huán)冗余檢驗的被除數(shù)101001000就得到了。除數(shù)是通信雙方商定好的，現(xiàn)在一般使用的方式是用多項式來表示除數(shù)，比如P(x)=x^3+x^2+1（生成多項式），就得到除數(shù)P=1101?，F(xiàn)在就可以開始進(jìn)行檢驗了，注意除數(shù)P的位數(shù)等于n+1。運算的方法和除法類似，只是相減變成了異或而已。經(jīng)過運算，得到了余數(shù)為001，它被稱為幀檢驗序列FCS。
截至現(xiàn)在做的一切的運算，都只是在發(fā)送端進(jìn)行的。為了檢驗幀是否無比特差錯接收了，是在接收端檢驗的。計算出的幀檢驗序列FCS會附加在幀的尾部一起發(fā)送。
檢測：
在接收端把收到的數(shù)據(jù)以幀為單位進(jìn)行CRC檢測：接收端接收到后，會把FCS取出，添加到數(shù)據(jù)部分的末尾，得到除數(shù)101001001，再次和除數(shù)P=1101相除，如果得到的余數(shù)等于0，那么就證明此次傳輸時無比特傳輸?shù)?。如果余?shù)不等于0，那就證明這個幀有差錯。
此段參考Ukey_的博文《數(shù)據(jù)鏈路層-循環(huán)冗余檢驗》
注意：
1、循環(huán)冗余檢驗CRC和幀檢驗序列FCS不是同一個概念。CRC是一種檢測方法，而FCS是添加在數(shù)據(jù)后面的冗余碼，在檢錯方法上可以選用也可以不選用CRC。
2、發(fā)送端幀檢測序列FCS的生成和接收端的CRC檢驗是用硬件完成的，處理迅速，因此不會延誤數(shù)據(jù)的傳輸。
3、如果在傳送數(shù)據(jù)時不以幀為單位來傳送，那么接無法加入冗余碼以進(jìn)行差錯檢驗。因此，必須把數(shù)據(jù)劃分為幀，每一幀都加上冗余碼，一幀接一幀地傳送，然后在接收方逐幀進(jìn)行差錯檢驗。
4、在數(shù)據(jù)鏈路層如果只是使用循環(huán)冗余檢驗CRC差錯檢測技術(shù)，則只能做到對幀的無差錯接受。即：凡是接收端數(shù)據(jù)鏈路層接受的幀，我們都近乎人為這些幀在傳輸過程中沒有產(chǎn)生差錯。接收端丟棄的幀雖然曾收到了，但最終還是因為有差錯被丟棄，即沒有被接受。近似表述為：凡是接收端數(shù)據(jù)鏈路層接受的幀均無差錯。能實現(xiàn)無比特差錯的傳輸，但還不是可靠傳輸。
5、可靠傳輸指：數(shù)據(jù)鏈路層的發(fā)送端發(fā)送什么，在接收端就收到什么。傳輸差錯分為：比特差錯、幀丟失、幀重復(fù)、幀失序。
6、OSI觀點是必須把數(shù)據(jù)鏈路層做成可靠傳輸。于是有了幀編號、確認(rèn)和重傳機(jī)制，但是因特網(wǎng)廣泛使用的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議都不使用確認(rèn)和重傳機(jī)制，即不要求數(shù)據(jù)鏈路層向上提供可靠傳輸?shù)姆?wù)（代價高，不合算）。如果數(shù)據(jù)鏈路層出現(xiàn)了差錯則必須改正，這任務(wù)由上層協(xié)議（如運輸層的TCP協(xié)議來完成）。這樣提高了通信效率。
二、點對點協(xié)議PPP
通信線路質(zhì)量較差時，在數(shù)據(jù)鏈路層使用可靠傳輸協(xié)議很好，因此能實現(xiàn)可靠傳輸?shù)母呒墧?shù)據(jù)鏈路控制HDLC（high-level data link control）就成為當(dāng)時比較流行的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議?，F(xiàn)在卻很少用了，用的多的是PPP（point to point protocol）數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。
1.PPP協(xié)議的特點
是用戶計算機(jī)和ISP進(jìn)行通信時所使用的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。
Ⅰ.需滿足
（1）簡單
更復(fù)雜的是TCP協(xié)議，IP協(xié)議相對簡單（提供不可靠的數(shù)據(jù)包服務(wù)），這樣數(shù)據(jù)鏈路層沒有必要提供比IP協(xié)議更多的功能，它不需要糾錯、序號、流量控制。當(dāng)然誤碼率較高的無線線路上需要更復(fù)雜的鏈路層協(xié)議。而且簡單的協(xié)議使得不同廠商對協(xié)議的不同實現(xiàn)的互操性提高了。
接收方每收到一個幀，就進(jìn)行CRC檢驗。檢驗正確，就收下這個幀。不正確，就丟棄，其他什么也不做。
（2）封裝成幀
PPP協(xié)議必須規(guī)定特殊的字符作為幀定界符（即標(biāo)志一個幀的開始和結(jié)束的字符），以便接收端能夠準(zhǔn)確地找出幀的開始和結(jié)束位置。
（3）透明性
數(shù)據(jù)中碰巧出現(xiàn)了和幀定界符一樣的比特組合時，要采取有效的措施來解決這個問題。
（4）多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議
PPP協(xié)議必須能夠在同一條物理連路上同時支持多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議（如IP和IPX等）的路由器運行。當(dāng)點對點鏈路所連接的是局域網(wǎng)或時，PPP協(xié)議必須同時支持在鏈路所連接的局域網(wǎng)或路由器上運行的各種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。
（5）多種類型鏈路
PPP協(xié)議不僅要支持多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，還要在多種類型的鏈路上運行。例如，串行的或并行的、同步的或異步的、低速的或高速的等。
（6）差錯檢測（error detection）
PPP協(xié)議必須能夠?qū)邮斩耸盏降膸M(jìn)行檢測，并立即丟掉有差錯的幀。若沒有及時丟掉，則會浪費很多網(wǎng)路資源。
（7）檢測連接狀態(tài)
PPP協(xié)議必須具有一種機(jī)制能夠及時（不超過幾分鐘）自動檢測出鏈路是否處于正常工作狀態(tài)。當(dāng)出現(xiàn)故障的鏈路隔了一段時間后又重新恢復(fù)正常工作時，就特別需要有這種及時檢測功能。
（8）最大傳送單元
每一種類型的點對點鏈路需要。這樣可促進(jìn)各種實現(xiàn)之間的互操作性。如果高層協(xié)議發(fā)送的分組過長并超過MTU的數(shù)值，PPP就丟棄這種幀，并返回差錯。強(qiáng)調(diào)：MTU是數(shù)據(jù)鏈路層的幀可以載荷的數(shù)據(jù)部分的最大長度，而不是幀的總長度。
（9）網(wǎng)絡(luò)層地址協(xié)商
PPP協(xié)議必須提供一種機(jī)制使通信的兩個網(wǎng)絡(luò)層（例如兩個IP層）的實體能夠通過協(xié)商知道或能夠配置彼此的網(wǎng)絡(luò)層地址。這樣能保證網(wǎng)絡(luò)層能夠傳送分組。
（10）數(shù)據(jù)壓縮協(xié)商
PPP協(xié)議必須提供一種方法來協(xié)商使用數(shù)據(jù)壓縮算法。但PPP協(xié)議并不要求將數(shù)據(jù)壓縮算法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。
Ⅱ.PPP協(xié)議不需要的功能
（1）糾錯：在TCP/IP協(xié)議族中，可靠傳輸由運輸層TCP協(xié)議負(fù)責(zé)，而數(shù)據(jù)鏈路層的PPP協(xié)議只進(jìn)行檢錯。這就是說，PPP協(xié)議是不可靠傳輸協(xié)議。
（2）流量控制：在TCP/IP協(xié)議族中，端到端的流量控制由TCP負(fù)責(zé)，因而鏈路級的PPP協(xié)議就不需要再重復(fù)進(jìn)行流量控制。
（3）序號： PPP不是可靠傳輸協(xié)議，因此不需要使用幀的序號（許多過去曾經(jīng)很流行的停止等待協(xié)議或連續(xù)ARQ協(xié)議都是用序號），端到端的流量控制由TCP負(fù)責(zé)，因而鏈路級的PPP協(xié)議就不需要在重復(fù)進(jìn)行流量控制。
（4）多點線路：PPP協(xié)議不支持多線線路（即一個主站輪流和鏈路上的多個站進(jìn)行通信），而只支持點對點的鏈路通信。
（5）半雙工或單工鏈路 ：PPP協(xié)議只支持全雙工鏈路。
Ⅲ.PPP協(xié)議的組成
（1）一個將IP數(shù)據(jù)報封裝到串行鏈路的方法。PPP既支持異步鏈路（無奇偶檢驗的8比特數(shù)據(jù)），也支持面向比特的同步鏈路。IP數(shù)據(jù)報在PPP幀中就是其信息部分。這個信息部分的長度受最大傳送單元MTU的限制。
（2）一個用來建立、配置和測試數(shù)據(jù)鏈路連接的鏈路控制協(xié)議LCP（link control protocol）。通信的雙方可協(xié)商一些選項。
（3）一套網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議NCP（network control protocol），其中的每一個協(xié)議支持不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層，如IP、OSI的網(wǎng)絡(luò)層等。
2.PPP協(xié)議的幀格式
Ⅰ.字段的意義
F—flag，標(biāo)志字段，表示一個幀的開始和結(jié)束，是幀的定界符。連續(xù)兩個幀之間只需用一個標(biāo)志字段，如果連續(xù)有兩個標(biāo)志字段則表示這是一個空幀，要丟棄。規(guī)定為0x7E。
A—address，地址字段，規(guī)定為0xFF
C—control，控制字段，規(guī)定為0x03
A和C兩個字段實際上沒有攜帶PPP幀的控制信息。
協(xié)議字段—為0x0021時，PPP的信息字段就是IP數(shù)據(jù)報；為0xC021時，則是PPP鏈路控制協(xié)議LCP的數(shù)據(jù)；為0x8021時，則是網(wǎng)絡(luò)層的控制數(shù)據(jù)。
FCS—使用CRC的幀檢測序列
Ⅱ.字節(jié)填充（異步傳輸）
信息字段中有和標(biāo)志字段一樣的比特組合時，就必須采取一些措施使這種形式上和標(biāo)志字段一樣的比特組合不出現(xiàn)在信息字段中。
當(dāng)PPP使用異步傳輸時，它把轉(zhuǎn)義符定義為0x7D，并使用字節(jié)填充，方法為：
（1）把信息字段中出現(xiàn)的每一個0x7E字節(jié)轉(zhuǎn)變?yōu)?字節(jié)序列（0x7D，0x5E）
（2）若信息字段中出現(xiàn)一個0x7D的字節(jié)（即出現(xiàn)了和轉(zhuǎn)義字符一樣的比特組合），則把0x7D轉(zhuǎn)變成為2字節(jié)序列（0x7D，0x5D）
（3）若信息字段中出現(xiàn)ASCII碼的控制字符（即數(shù)值小于0x20的字符），則在該字符前面要加入一個0x7D字節(jié)，同時將該字符的編碼加以改變。例如，出現(xiàn)0x03（在控制字符是傳輸結(jié)束ETX）就要把它轉(zhuǎn)變?yōu)?字節(jié)序列（0x07D，0x31）
發(fā)送端進(jìn)行了字節(jié)填充，因此鏈路上傳送的信息字節(jié)數(shù)超過了原來的信息字節(jié)數(shù)，但接收端在收到數(shù)據(jù)后再進(jìn)行與發(fā)送端字節(jié)填充相反的變換，就能正確恢復(fù)出原來的信息。
Ⅲ.零比特填充（同步傳輸）
PPP協(xié)議用在SONET/SDH鏈路時，是使用同步傳輸（一連串的比特連續(xù)傳送）而不是異步傳輸（逐個字符的傳送）。在這種情況下，PPP協(xié)議采用零比特填充方法來實現(xiàn)透明傳輸。
具體做法：
在發(fā)送端，掃描整個信息字段（硬件實現(xiàn)快，軟件慢），只要發(fā)現(xiàn)有5個連續(xù)1，立即填入0。這樣保證信息字段中不會出現(xiàn)6個連續(xù)1。
在接收端，先找到標(biāo)志字段F確定一個幀的邊界，再用硬件對比特掃描，發(fā)現(xiàn)5個連續(xù)1時，就把后面的一個0刪除，還原出原來的信息比特流。
保證了透明傳輸：在所傳送的數(shù)據(jù)比特流中可以傳送任意組合的比特流，而不會引起幀邊界的判斷錯誤。
3.PPP協(xié)議的工作狀態(tài)
上面我們通過PPP幀的格式討論了PPP幀是怎樣組成的。但PPP鏈路又是怎樣初始化的呢？當(dāng)用戶撥號接入ISP后，就建立了一條從用戶PC到ISP的物理鏈接。這時，用戶PC機(jī)向ISP發(fā)送一系列的LCP分組（封裝成多個PPP幀），以便建立LCP連接。這些分組及其響應(yīng)選擇了將要使用的一些PPP參數(shù)。接著還要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)層配置，NCP給新接入的用戶PC機(jī)分配一個臨時的IP地址。這樣，用戶PC機(jī)就成為因特網(wǎng)上的一個有IP地址的主機(jī)了。
用戶通信完畢時，NCP釋放網(wǎng)路層連接，收回原來分配出去的IP地址。接著，LCP釋放數(shù)據(jù)鏈路層連接。最后釋放的是物理層的連接。
PPP鏈路的初始和終止?fàn)顟B(tài)永遠(yuǎn)是圖中的鏈路靜止(link dead)狀態(tài)，這時在用戶PC機(jī)和ISP的路由器之間并不存在物理層的連接。
當(dāng)用戶PC機(jī)通過調(diào)制解調(diào)器呼叫路由器時，路由器就能夠檢測到調(diào)制解掉器發(fā)出的載波信號。在雙方建立了物理層連接后，PPP就進(jìn)入鏈路建立（link establish）狀態(tài)，其目的是建立鏈路層的LCP連接。
這時LCP開始協(xié)商一些配置選項，即發(fā)送LCP的配置請求幀。這是個PPP幀，其協(xié)議字段置為LCP對應(yīng)的代碼，而信息字段包含特定的配置請求。鏈路的另一端可以發(fā)送以下幾種相應(yīng)的一種：
（1）配置確認(rèn)幀：所有選項都接受
（2）配置否認(rèn)幀：所有選項都理解但不能接受
（3）配置拒絕幀：選項有的無法識別或不能接受，需要協(xié)商
LCP配置選項包括鏈路上的最大幀長，所使用的鑒別協(xié)議的規(guī)約（如果有的話），以及不使用PPP幀中的地址和控制字段（因為這兩個字段的值是固定的，沒有任何信息量，可以在PPP幀的首部中省略這兩個字節(jié)）
協(xié)商結(jié)束后雙方就建立了LCP鏈路，接著就進(jìn)入鑒別狀態(tài)，在這以狀態(tài)，只允許傳送LCP協(xié)議的分組、鑒別協(xié)議的分組以及檢測鏈路質(zhì)量的分組。若使用口令鑒別協(xié)議PAP（password authentication protocol），則需要發(fā)起通信的一方發(fā)送身份標(biāo)識符和口令。系統(tǒng)可允許用戶重試若干次。如果需要有更好的安全性，則可使用更加復(fù)雜的口令握手鑒別協(xié)議CHAP（challenge-handshake protocol）。若鑒別身份失敗，則轉(zhuǎn)到鏈路終止狀態(tài)。若鑒別成功，則進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議狀態(tài)。
在網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議狀態(tài)，PPP鏈路的兩端的網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議NCP根據(jù)網(wǎng)絡(luò)層的不同協(xié)議互相交換網(wǎng)絡(luò)層特定的網(wǎng)絡(luò)控制分組。這個步驟很重要的，因為現(xiàn)在的路由器都能夠同時支持多種的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議?？傊?，PPP協(xié)議連奪冠的網(wǎng)絡(luò)層可以運行不同的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，但仍然可使用同一個PPP協(xié)議進(jìn)行通信。
如果在PPP鏈路上運行的是IP協(xié)議，則對PPP鏈路的每一端配置IP協(xié)議模塊（如分配IP地址）時就要使用NCP中支持IP的協(xié)議——IP控制協(xié)議IPCP。IPCP分組也封裝成PPP幀（其中的協(xié)議字段為0x8201）在PPP鏈路上傳送。在低速鏈路上運行時，雙方還可以協(xié)商使用壓縮的TCP和IP首部，以減少在鏈路上發(fā)送的比特數(shù)。
當(dāng)網(wǎng)絡(luò)層配置完畢后，鏈路就進(jìn)入可進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的鏈路打開狀態(tài)。鏈路的兩個PPP端點可以彼此向?qū)Ψ▏l(fā)送分組。兩個PPP端點還可以發(fā)送回送請求LCP分組和回送回答LCP分組，以檢查鏈路的狀態(tài)。
數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后，可以由鏈路的一端發(fā)出終止請求LCP分組請求終止鏈路連接，在收到對方發(fā)來的終止確認(rèn)LCP分組后，轉(zhuǎn)到鏈路終止?fàn)顟B(tài)。如果鏈路出現(xiàn)故障，會從鏈路打開狀態(tài)轉(zhuǎn)到鏈路終止狀態(tài)。當(dāng)調(diào)制解調(diào)器的載波停止后，則回到鏈路靜止狀態(tài)。
圖的右邊方框給出了PPP協(xié)議的幾個狀態(tài)的說明，從設(shè)備之間的無鏈路開始，到先接力物理鏈路，在建立LCP鏈路。經(jīng)過鑒別后在建立NCP鏈路，然后才能交換數(shù)據(jù)。由此可見，PPP協(xié)議已不是純粹的數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議，它還包含了物理層和網(wǎng)絡(luò)層的內(nèi)容。
三、使用廣播信道的數(shù)據(jù)鏈路層
1.局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層
局域網(wǎng)的優(yōu)點：
（1）有廣播功能，從一個站點可以很方便地訪問全網(wǎng)。局域網(wǎng)上的主機(jī)可共享連接在局域網(wǎng)上的各種硬件和軟件資源。
（2）便于系統(tǒng)的擴(kuò)展和逐漸地演變，各設(shè)備的位置可靈活調(diào)整和改變。
（3）提高了系統(tǒng)的可靠性、可用性和生存性。
局域網(wǎng)的工作層次跨越了數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。由于局域網(wǎng)技術(shù)中有關(guān)數(shù)據(jù)鏈路層的內(nèi)容比較豐富，因此我們就把局域網(wǎng)的內(nèi)容放在數(shù)據(jù)鏈路層這一章中討論，但這并不表示局域網(wǎng)僅僅和數(shù)據(jù)鏈路層有關(guān)。
共享信道：使眾多用戶能夠合理而方便地共享通信媒體資源。有兩種方法：
1、靜態(tài)劃分信道：頻分復(fù)用、時分復(fù)用、波分復(fù)用、碼分復(fù)用，用戶分配到了信道就不會和其他用戶產(chǎn)生沖突，但代價高，不適合局域網(wǎng)使用。
2、動態(tài)媒體接入控制：又稱為多點接入（multiple access），信道并非在用戶通信時固定分配給用戶，分為隨機(jī)接入（用戶可隨機(jī)發(fā)送信息，但有多個用戶隨時發(fā)送信息，則會發(fā)生碰撞，因此要有解決碰撞的協(xié)議）和受控接入（用戶不能隨機(jī)發(fā)送信息而必須服從一定控制，典型代表有分散控制的令牌環(huán)局域網(wǎng)和集中控制的多點線路探尋，或稱為輪詢，用得少）。
Ⅰ.以太網(wǎng)的兩個標(biāo)準(zhǔn)
（1）DIX Ethernet V2
（2）IEEE 802.3
兩標(biāo)準(zhǔn)差距小，所以很多人把802.3的局域網(wǎng)簡稱為“以太網(wǎng)”，雖然嚴(yán)格說來，以太網(wǎng)應(yīng)是符合DIX Ethemet V2標(biāo)準(zhǔn)的局域網(wǎng)。
IEEE 802 委員會把局域網(wǎng)鏈路層拆成兩個子層：
（1）邏輯鏈路控制 LLC (logical link control)，它與傳輸媒體無關(guān)，不管用何種傳輸媒體和MAC子層的局域網(wǎng)對LLC子層來說都是透明的。
（2）媒體接入控制MAC(medium access control)，與接入到傳輸媒體相關(guān)的內(nèi)容都在這層。指傳輸信號所通過的多種物理環(huán)境。常用網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)包括電纜（如：雙絞線，同軸電纜，光纖），還有微波、激光、紅外線等。
因特網(wǎng)發(fā)展很快導(dǎo)致TCP/IP體系經(jīng)常使用的局域網(wǎng)只剩下DIX Ethernet V2而不是IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)中的局域網(wǎng)，因此LLC的作用消失了。很多廠商生產(chǎn)的適配器上只有MAC協(xié)議而沒有LLC協(xié)議。所以這里不考慮LLC子層。
Ⅱ.適配器的作用
計算機(jī)是怎樣連接到局域網(wǎng)上的？
通過適配器（adapter），本是在主機(jī)箱內(nèi)插入的一塊網(wǎng)絡(luò)接口板（或在筆記本本電腦中插入一塊PCMCIA卡），又稱網(wǎng)絡(luò)接口卡NIC(network interface card)，或網(wǎng)卡。適配器上裝有處理器和存儲器（包括RAM和ROM）。
適配器需要：
（1）進(jìn)行數(shù)據(jù)串行傳輸和并行傳輸?shù)霓D(zhuǎn)換
因為適配器和局域網(wǎng)之間的通信時通過電纜或雙絞線以串行傳輸方式進(jìn)行的，而適配器和計算機(jī)之間的通信時通過計算機(jī)主板上的I/O總線以并行傳輸方式進(jìn)行的。
（2）裝有對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存的存儲芯片
因為網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)率和計算機(jī)總線上的數(shù)據(jù)率不相同
（3）能夠?qū)崿F(xiàn)以太網(wǎng)協(xié)議
若在主板上插入適配器，必須把管理該適配器的設(shè)備驅(qū)動程序安裝在計算機(jī)的操作系統(tǒng)中。這個驅(qū)動程序以后告訴適配器，應(yīng)從存儲器的什么位置把多長的數(shù)據(jù)塊發(fā)送到局域網(wǎng)，或者應(yīng)該在存儲器上的什么位置把局域網(wǎng)傳送過來的數(shù)據(jù)塊存儲下來。
適配器接收和發(fā)送各種幀時不使用計算機(jī)的CPU？
這時CPU可以處理其他任務(wù)。 ?當(dāng)適配器收到有差錯的幀時，就把這個幀丟棄而不必通知計算機(jī)。當(dāng)適配器收到正確的幀時，它就使用中斷來通知該計算機(jī)并交付協(xié)議棧中的網(wǎng)絡(luò)層。當(dāng)計算機(jī)要發(fā)送IP數(shù)據(jù)報時，就由協(xié)議棧把IP數(shù)據(jù)報向下交給適配器，組裝成幀后發(fā)送到局域網(wǎng)。
計算機(jī)的硬件地址：在適配器的ROM中
計算機(jī)的軟件地址——IP地址：在計算機(jī)的存儲器中
2.CSMA/CD協(xié)議
Ⅰ.歷史背景
以前以太網(wǎng)方案的思路是：尋找一種簡單方法把距離近的計算機(jī)互連起來，使它們能方便可靠地進(jìn)行高速率數(shù)據(jù)通信。最早以太網(wǎng)是把很多計算機(jī)都連在一根總線上。總線特點：一臺計算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時，總線上所有計算機(jī)都能檢測到這個數(shù)據(jù)。但是，我們不總是要在局域網(wǎng)上進(jìn)行一對多的廣播通信。
為了實現(xiàn)一對一的通信，我們可使每一臺計算機(jī)的適配器擁有一個與其他適配器不同的地址。發(fā)送數(shù)據(jù)幀時，在幀首部寫明接收站的地址。僅當(dāng)數(shù)據(jù)幀中的目的地址和適配器ROM中存放的硬件地址一樣時，該適配器才能接收到這個數(shù)據(jù)幀。適配器對不是發(fā)送給自己的數(shù)據(jù)幀就丟棄。
Ⅱ.為了通信方便，以太網(wǎng)的兩種措施
（1）采用較為靈活的無連接工作方式
不用先建立連接就可以直接發(fā)送數(shù)據(jù)，適配器對發(fā)送的數(shù)據(jù)幀不進(jìn)行編號，也不要求對方發(fā)回確認(rèn)。這樣做是因為局域網(wǎng)信道的質(zhì)量很好，差錯率小。收到有差錯幀時就丟棄，是否重傳由高層決定。但以太網(wǎng)不知道是否是重傳幀，而是當(dāng)做新的數(shù)據(jù)幀來發(fā)送。所以，以太網(wǎng)提供的服務(wù)是不可靠的交付，即盡最大努力的交付。
（2）以太網(wǎng)發(fā)送的數(shù)據(jù)使用曼切斯特（manchester）編碼的信號
二進(jìn)制基帶數(shù)字信號：是高、低電壓交替出現(xiàn)的信號，但是這樣的問題就是當(dāng)出現(xiàn)一長串的連1或連0時，接收端就無法從收到的比特流中提取位同步（即比特同步）信號。
曼切斯特方法：把每一個碼元分為兩相等間隔。碼元1是前低后高，碼元0是前高后低。這樣保證了在每一個碼元的正中間出現(xiàn)一次電壓變換，而接收端就利用這種電壓的轉(zhuǎn)換很方便地把位同步信號提取出來。
缺點：它所占的頻帶寬度比原始的基帶信號增加了一倍（因為每秒傳送的碼元數(shù)加倍了）。
Ⅲ.如何協(xié)調(diào)總線上各計算機(jī)的工作
總線上只要有一臺計算機(jī)在發(fā)送數(shù)據(jù)，總線的傳輸資源就被占用。因此，同一時間只能允許一臺計算機(jī)發(fā)送信息。否則，各計算機(jī)之間會相互干擾，結(jié)果大家都無法發(fā)送數(shù)據(jù)。
協(xié)議CSMA/CD
1、含義
是載波監(jiān)聽多點接入/碰撞檢測（carrier sense multiple with collision detection）
多點接入：說明是總線型網(wǎng)絡(luò)
載波監(jiān)聽：發(fā)送前先監(jiān)聽。每一個站在發(fā)送數(shù)據(jù)前先要檢測總線上是否有其他站在發(fā)送數(shù)據(jù)，如果有則暫時不發(fā)，等待信道空閑再發(fā)?？偩€上無載波，載波監(jiān)聽就是用電子技術(shù)檢測總線上有沒有其他計算機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)信號。
碰撞檢測：邊發(fā)送邊監(jiān)聽，也稱沖突檢測。適配器邊發(fā)送數(shù)據(jù)邊檢測信道上的信號電壓的變化情況，以便判斷自己在發(fā)送數(shù)據(jù)時其他站是否也在發(fā)送數(shù)據(jù)。同時發(fā)送數(shù)據(jù)時，總線上的信號電壓變化幅度大，超過一定門限值時，就認(rèn)為總線上至少兩個站同時在發(fā)送數(shù)據(jù)，表明有碰撞。這時總線上的信號失真，無法恢復(fù)。所以，每一個正在發(fā)送數(shù)據(jù)的站，一旦發(fā)現(xiàn)有碰撞，適配器就要立即停止發(fā)送，以免浪費網(wǎng)絡(luò)資源，等待一段隨機(jī)時間后再發(fā)送。
2、原理
某個站監(jiān)聽到總線是空閑時，總線并非一定是空閑。
電磁波在1km電纜的傳輸時延約為5us。因此，A向B發(fā)出的數(shù)據(jù)，在約5us后才能傳到B。把總線上的單程端到端傳播時延記為τ。
發(fā)送數(shù)據(jù)的站想盡早知道是否有碰撞，那么在A發(fā)送數(shù)據(jù)后，最遲經(jīng)過多長時間才能知道自己發(fā)送的數(shù)據(jù)和其他站發(fā)送的數(shù)據(jù)有無碰撞？答案最多是兩倍的總線端到端的傳播時延（2τ），或總線的端到端往返傳播時延。
本協(xié)議中，一個站不可能同時進(jìn)行發(fā)送和接收。所以使用CSMA/CD協(xié)議的以太網(wǎng)不可能進(jìn)行全雙工通信而只能進(jìn)行雙向交替通信（半雙工通信）。
在t=0時，A發(fā)送數(shù)據(jù)。B檢測到信道為空閑。
在t=τ-δ時（這里τ>δ>0），A發(fā)送數(shù)據(jù)還沒到達(dá)B時，由于B檢測到信道是空閑的（為什么B檢測是空閑的？因為電磁波1km的傳播時延是5us，換言之就是5us后B才能檢測到信道是忙的，5us之前，B認(rèn)為是空閑的，于是開始發(fā)送數(shù)據(jù)）。因此B發(fā)送數(shù)據(jù)。
經(jīng)過時間δ/2后，即在t=τ-δ/2時，A發(fā)送的數(shù)據(jù)和B發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)生了碰撞。這時，A和B都不知道發(fā)送了碰撞。
在T=τ時，只有B先檢測到了發(fā)生碰撞，于是停止發(fā)送數(shù)據(jù)。
在T=2τ- δ時，A才檢測到發(fā)生了碰撞，也停止發(fā)送數(shù)據(jù)。
然后A和B就隨時選擇一個時間，推遲，再重新發(fā)送。
由此可知，每一個站，在發(fā)送數(shù)據(jù)時，在一定時間內(nèi)，都存在碰撞的可能性。稱為發(fā)送的不確定性。整個以太網(wǎng)的平均通信量小于以太網(wǎng)的最高數(shù)據(jù)率時，碰撞的機(jī)會會小。
發(fā)送數(shù)據(jù)幀的A站，最多經(jīng)歷2τ時間就可以知道是否遭受碰撞了。我們把這2τ稱為爭用期，也叫碰撞窗口。
經(jīng)過這個爭用期時間，檢測沒有發(fā)生碰撞，就能肯定這次發(fā)送的數(shù)據(jù)不會發(fā)生碰撞。
至此，碰撞問題還是沒有解決。專家們就發(fā)明了一種算法，來減小發(fā)生碰撞的概率，這個算法就是：截斷二進(jìn)制指數(shù)退避（truncated binary exponential backoff）算法。
退避算法的思想如下：
（1）確定基本退避時間，就是爭用期2τ。以太網(wǎng)把爭用期2τ定為51.2us 。對于10Mb/s以太網(wǎng)，在爭用期內(nèi)可發(fā)送512bit，即64字節(jié)。512bit怎么來的？ 就是速率乘以時間，就等于數(shù)據(jù)量。
10Mb/s*51.2us=[10*10^6b/s] * [51.2^(-6)s]=512bit
（2）從離散的整數(shù)集合隨機(jī)取出一個數(shù)[0,1，2,3……，（2^k-1）] ?,取出來的數(shù)，記為r。重傳推遲的時間就是r倍的爭用期。T=r*2τ
上面k的參數(shù)，按照這個計算k=Min[重傳次數(shù)，10]。 ?可見，當(dāng)重傳次數(shù)不超過10時，參數(shù)k=重傳次數(shù)。如果重傳次數(shù)超過10時，k就不再增加了，一直等于10。
（3）當(dāng)重傳達(dá)16次，仍然會不能成功時，就丟棄該幀，向高層報告。說明發(fā)送的人太多了，導(dǎo)致連續(xù)發(fā)送碰撞。但使用上述退避算法可使重傳需要推遲的平均時間隨重傳次數(shù)而增大（也稱動態(tài)退避），因而減小發(fā)生碰撞的概率，有利于整個系統(tǒng)的穩(wěn)定。
舉例：
在第一次重傳時，k=1，隨機(jī)數(shù)r從整數(shù){0,1}中選一個數(shù)， ?可得重傳的推遲時間要么為0，要么為1*2τ， 這兩個選擇一個。
如果再次發(fā)送，即第二次重傳，k=2，代入[0,1，2,3……，（2^k-1）] ，隨機(jī)數(shù)r從整數(shù){0,1,2,3}選一個數(shù)，可得重傳推遲時間是0,2τ，4τ，6τ 這4個值隨機(jī)選擇一個。
同理，再次發(fā)送碰撞，以此類推。
3、注意
適配器每發(fā)送一個新的幀，就要執(zhí)行一次CSMA/CD算法。適配器對過去發(fā)生過的碰撞無記憶功能。所以，好幾個適配器正在執(zhí)行指數(shù)退避算法時，很可能某一個適配器發(fā)送的新幀能碰巧立即成功地插入到信道中，得到了發(fā)送權(quán)。
以太網(wǎng)在發(fā)送數(shù)據(jù)時，如果幀的前64字節(jié)沒有發(fā)送沖突，那么后續(xù)的數(shù)據(jù)就不會發(fā)送沖突。換句話說，就是如果發(fā)送沖突，就一定是在發(fā)送的前64字節(jié)之內(nèi)。因為檢測到?jīng)_突就停止發(fā)送，這時已經(jīng)發(fā)送出去的數(shù)據(jù)一定小于64字節(jié)。因此以太網(wǎng)規(guī)定了最短有效幀長為64字節(jié)，只要長度小于64字節(jié)的幀都是由于沖突而異常中止的無效幀。收到這種無效幀就立即丟棄。
以太網(wǎng)的端到端時延實際上是小于爭用期的一半（即25.6us）。爭用期被定為51.2us，不僅是考慮了以太網(wǎng)的端到端時延，而且還包括其他因素，如轉(zhuǎn)發(fā)器內(nèi)的時延、強(qiáng)化碰撞的干擾信號的持續(xù)時間等。
4、以太網(wǎng)最小幀是64字節(jié)的原因
首先說一下時隙，時隙在一般的數(shù)字通信原理中是這樣定義的：由各個消息構(gòu)成的單一抽樣的一組脈沖叫做一幀，一幀中相鄰兩個脈沖之間是時間間隔叫做時隙。
以太網(wǎng)的時隙有它自己的特定意義：
a.在以太網(wǎng)CSMA/CD規(guī)則中，若發(fā)生沖突，則必須讓網(wǎng)上每個主機(jī)都檢測到。但信號傳播到整個介質(zhì)需要一定的時間。
b.考慮極限情況，主機(jī)發(fā)送的幀很小，兩沖突主機(jī)相距很遠(yuǎn)。在A發(fā)送的幀傳播到B的前一刻，B開始發(fā)送幀。這樣，當(dāng)A的幀到達(dá)B時，B檢測到了沖突，于是發(fā)送阻塞信號。
c.但B的阻塞信號還沒有傳輸?shù)紸，A的幀已發(fā)送完畢，那么A就檢測不到?jīng)_突，而誤認(rèn)為已發(fā)送成功，不再發(fā)送。
d.由于信號的傳播時延，檢測到?jīng)_突需要一定的時間，所以發(fā)送的幀必須有一定的長度。這就是時隙需要解決的問題。
這里可以把從A到B的傳輸時間設(shè)為T,在極端的情況下A要在2T的時間里才可以檢測到有沖突的存在。
（1）理想情況下，電磁波在1KM電纜的傳輸時延約為5us(這個數(shù)字應(yīng)該記下來)。
（2）在10Mbps的以太網(wǎng)中有個5-4-3的問題：10Mbps以太網(wǎng)最多只能有5個網(wǎng)段，4個轉(zhuǎn)發(fā)器，而其中只允許3個網(wǎng)段有設(shè)備，其他兩個只是傳輸距離的延長。按照標(biāo)準(zhǔn)，10Mbps以太網(wǎng)采用中繼器時，連接最大長度為2500米。
那么在理想的情況下，時隙可以為2500/1000*5*2us=25us，但是事實上并非如此簡單，實際上的時隙一定會比25us大些，比如中繼轉(zhuǎn)發(fā)延時等干擾。IEEE將10M以太網(wǎng)的時隙定義為512比特時，即51.2us。
對于10Mbps以太網(wǎng)來說，10Mb/s*51.2us=512bit，所以一般說的512bit時隙長度就是這樣來的。這個長度為512/8=64字節(jié)，即最小幀長度64字節(jié)。以太網(wǎng)在發(fā)送數(shù)據(jù)時，如果在前面64字節(jié)沒有發(fā)生沖突的話，那么后續(xù)的數(shù)據(jù)就不會發(fā)生沖突，以太網(wǎng)就認(rèn)為這個數(shù)據(jù)的發(fā)送是成功的。
5、強(qiáng)化碰撞措施
發(fā)送數(shù)據(jù)的站一旦發(fā)現(xiàn)了碰撞，除了立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)外，還要繼續(xù)發(fā)送32或48比特的人為干擾信號（jamming signal），以便讓所有用戶都知道已經(jīng)發(fā)生了碰撞。對于10Mb/s以太網(wǎng)，發(fā)送32（或48）比特只需要3.2（或4.8）us。
A、B站知道發(fā)生碰撞后，也要發(fā)送人為干擾信號。碰撞使A浪費時間Tb+Tj，可是整個信道被占用的時間還要增加一個單程端到端的傳播時延τ。因此總線被占用時間是Tb+Tj+τ。
幀間最小間隔為9.6us，相當(dāng)于96比特時間。這樣做是為了使剛剛收到數(shù)據(jù)幀的站的接收緩存來得及清理，做好接收下一幀的準(zhǔn)備。
CSMA/CD協(xié)議的要點：
①準(zhǔn)備發(fā)送：適配器從網(wǎng)絡(luò)層獲得一個分組，加上以太網(wǎng)的首部和尾部，組成以太網(wǎng)幀，放入適配器的緩存中，準(zhǔn)備發(fā)送；
②檢測信道：若適配器檢測到信道忙，則應(yīng)不停地檢測，一直等待信道轉(zhuǎn)為空閑。若檢測到信道空閑，并在96比特時間內(nèi)信道保持空閑，就發(fā)送這個幀；
③在發(fā)送過程中仍不停地檢測信道，若一直未檢測到碰撞，就順利把這個幀發(fā)送完畢。若檢測到碰撞，則中止數(shù)據(jù)的發(fā)送，并發(fā)送人為干擾信號。
④在中止發(fā)送后，適配器就執(zhí)行指數(shù)退避算法，等待r倍512比特時間后，返回步驟2。
四、使用廣播信道的以太網(wǎng)
1.使用集線器的星形拓?fù)?/b>
傳統(tǒng)以太網(wǎng)最初是用粗同軸電纜，后用較便宜的細(xì)同軸電纜，后用更便宜更靈活的雙絞線。它采用星形拓?fù)?，星形中心有可靠性非常高的設(shè)備，叫集線器（hub，使用了大規(guī)模集成電路芯片所以可靠性高）。雙絞線以太網(wǎng)總是和集線器配合使用的。每個站需要用兩對無屏蔽雙絞線（做在一根電纜內(nèi)），分別用于發(fā)送和接收。
雙絞線要能傳送高速數(shù)據(jù)，需要絞合度非常精確。這樣能較少失真，減少干擾。
集線器的特點：
主要功能是對接收到的信號進(jìn)行再生整形放大，以擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離，同時把所有節(jié)點集中在以它為中心的節(jié)點上。
①使用集線器的以太網(wǎng)在邏輯上仍是一個總線網(wǎng)，各站共享邏輯上的總線，使用的還是CSMA/CD協(xié)議（各站中的適配器執(zhí)行協(xié)議）。網(wǎng)絡(luò)中的各站必須競爭對傳輸媒體的控制，并且在同一時刻至多只允許一個站發(fā)送數(shù)據(jù)。
②一個集線器有很多接口，像一個多接口的轉(zhuǎn)發(fā)器。
③工作在物理層，每個接口只是簡單地轉(zhuǎn)發(fā)比特，不進(jìn)行碰撞檢測。
④采用了專門的芯片，進(jìn)行自適應(yīng)串音回波抵消。這樣就可使接口轉(zhuǎn)發(fā)出去的較強(qiáng)信號不致對該接口收到的較弱信號產(chǎn)生干擾（這種干擾即近端串音）。每個比特在轉(zhuǎn)發(fā)前還要進(jìn)行再生整形并重新定時。
堆疊式（stackable）集線器：
由4~8個集線器堆疊起來，有少量的容錯能力和網(wǎng)絡(luò)管理功能。例如，以太網(wǎng)中有一個適配器出了故障，不停發(fā)送以太網(wǎng)幀，這時集線器可檢測到這個問題，在內(nèi)部斷開與出故障的適配器的連線，使整個以太網(wǎng)仍然能正常工作。模塊化的機(jī)箱式智能集線器有很高的可靠性。它全部的網(wǎng)絡(luò)功能都以模塊方式實現(xiàn)。各模塊均可進(jìn)行熱插播，出故障時不斷電即可更換或增加新模塊。集線器上的指示燈還可顯示網(wǎng)絡(luò)上的故障情況，給網(wǎng)絡(luò)的管理帶來了很大的方便。
IEEE 802.3 標(biāo)準(zhǔn)還可使用光纖作為傳輸媒體，相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)是 10 BASE-F系列，F(xiàn)代表光纖。它主要用作集線器之間的遠(yuǎn)程連接。
2.以太網(wǎng)的信道利用率
假定發(fā)送幀需要時間T0，它等于幀長（bit）除以發(fā)送速率。成功發(fā)送一個幀需要占用信道時間是T0+τ，多一個τ是因為一個站發(fā)送的最后一個比特還要在以太網(wǎng)上傳輸。所以經(jīng)過時間T0+τ后以太網(wǎng)的媒體才能完全進(jìn)入空閑狀態(tài)，才能允許其他站發(fā)送數(shù)據(jù)。
要提高以太網(wǎng)的信道利用率，就必須減小t與T0之比。在以太網(wǎng)中定義了參數(shù)a，它是以太網(wǎng)單程端到端時延t與幀的發(fā)送時間T0之比：
a=t/T0
當(dāng)a→0時，表示只要一發(fā)生碰撞，就立即可以檢測出來，并立即停止發(fā)送，因而信道資源不會被浪費。反之，參數(shù)a越大，表明爭用期所占的比例增大，這就使得信道利用率降低。因此，以太網(wǎng)的參數(shù)a的值應(yīng)當(dāng)盡可能小些。
從上式可看出，這就要求分子t的數(shù)值要小些，分母T0的數(shù)值要大些。這就是說，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸速率一定時，以太網(wǎng)的連線的長度受到限制（否則t的數(shù)值會太大），同時以太網(wǎng)的幀長不能太短（否則T0的值會太?。?/p>
現(xiàn)在考慮一種理想化的情況。假定以太網(wǎng)上的各站發(fā)送數(shù)據(jù)都不會產(chǎn)生碰撞（這顯然已經(jīng)不是CSMA/CD，而是需要使用一種特殊的調(diào)度方法），并且能夠非常有效地利用網(wǎng)絡(luò)的傳輸資源，即總線一旦空閑就有某一個站立即發(fā)送數(shù)據(jù)。這樣，發(fā)送一幀占用線路的時間是T0+t，而幀本身的發(fā)送時間是T0。于是我們可計算出極限信道利用率Smax為：
Smax=T0/(T0+t)=1/(1+a)
該式指出了參數(shù)a遠(yuǎn)小于1才能得到盡可能高的極限信道利用率。反之，若參數(shù)a遠(yuǎn)大于1，則極限信道利用率就遠(yuǎn)小于1，而這時實際的信道利用率就更小了。
3.以太網(wǎng)的MAC層
1.MAC 層的硬件地址
在局域網(wǎng)中，硬件地址又稱為物理地址、MAC地址（因為這種地址用在MAC幀中）、鏈路地址。
Ⅰ、含義
是指局域網(wǎng)上的每一臺計算機(jī)中固化在適配器的ROM中的地址（因此也叫適配器地址或適配器標(biāo)識符EUI—48），由硬件廠商決定，是不會變的。只要適配器不變，它就不變。它是每一個站的“名字”或標(biāo)識符。如果連接在局域網(wǎng)上的主機(jī)或路由器安裝有多個適配器，那么這樣的主機(jī)或路由器就有多個“地址”，也就是說，這種48位地址應(yīng)當(dāng)是某個接口的標(biāo)識符。
Ⅱ、組成
起初，人們認(rèn)為用兩個字節(jié)（16位）表示地址就夠了，但是后來希望在各地的局域網(wǎng)中的站具有互不相同的物理地址。為了使用戶在買到適配器并把機(jī)器連到局域網(wǎng)后馬上就能工作，而不需要等待網(wǎng)絡(luò)管理員給他分配一個地址，IEEE 802 標(biāo)準(zhǔn)就規(guī)定MAC地址字段可采用6字節(jié)（48位）或2字節(jié)（16位）這兩種中的一種。6字節(jié)地址字段可使全世界所有的局域網(wǎng)適配器都具有不相同的地址，現(xiàn)在的局域網(wǎng)適配器都用的這種。
6字節(jié)中的前3字節(jié)：由IEEE的注冊管理機(jī)構(gòu)RA（registration authority，局域網(wǎng)全球地址的法定管理機(jī)構(gòu)）負(fù)責(zé)分配，所有生產(chǎn)局域網(wǎng)適配器的廠家必須向IEEE購買這3個字節(jié)構(gòu)成的號（即地址塊），這個號的正式名稱是組織唯一標(biāo)識符OUI（organizationlly unique identifier），也叫公司標(biāo)識符（company_id）。
24位的OUI不能單獨標(biāo)志一個公司，因為一個公司可能有幾個OUI，也可能幾個小公司合起來購買一個OUI。
第1字節(jié)的最低位：I/G（individual/group）位，為0時，地址字段表示一個單個站地址；為1時表示組地址，用來多播。
注意：有的書把上述最低位寫為“第一位”，但“第一”含糊不清，因為地址記法有兩種：一種是把每一字節(jié)的最低位寫在最左邊（最左邊的最低位是第一位），IEEE 802.3 是這種記法，發(fā)送數(shù)據(jù)時先發(fā)最低位；二種是把每一字節(jié)的最高位寫在最左邊（最左邊的最高位是第一位），發(fā)送數(shù)據(jù)時先發(fā)最高位。
第1字節(jié)的最低第二位：IEEE考慮到有人不愿意購買OUI，因此把此位規(guī)定為G/L（global / local）位。為1時是全球管理（保證在全球沒有相同地址），廠商向IEEE購買的OUI都屬于全球管理。為0時是本地管理，用戶可任意分配網(wǎng)絡(luò)上的地址，采用2字節(jié)地址字段時全都是本地管理。以太網(wǎng)幾乎不適用這個G / L 位。
6字節(jié)中的后3字節(jié)：廠家自行指派，稱為擴(kuò)展標(biāo)識符（extended identifier），保證無重復(fù)地址即可。
用以上方式得到的48位地址稱為MAC—48，通用名稱是EUI—48。（extended unique identifier），它不僅用于局域網(wǎng)的硬件地址，還可喲關(guān)于軟件接口。
當(dāng)路由器通過適配器連接到局域網(wǎng)時，適配器上的硬件地址就用來標(biāo)志路由器的某個接口。路由器如果同時連接到兩個網(wǎng)絡(luò)上，那么它就需要兩個適配器和兩個硬件地址。
Ⅲ、適配器的重要功能
①進(jìn)行串行/并行轉(zhuǎn)換
②對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存
③在計算機(jī)的操作系統(tǒng)安裝設(shè)備驅(qū)動程序
④實現(xiàn)以太網(wǎng)協(xié)議
⑤適配器從網(wǎng)絡(luò)上每收到一個 MAC 幀就首先用硬件檢查 MAC 幀中的 MAC 地址。如果是發(fā)往本站的幀則收下，然后再進(jìn)行其他的處理。否則就將此幀丟棄，不再進(jìn)行其他的處理。
這里發(fā)往本站的幀有三種：
一是單播（unicast）幀（一對一），即收到的幀的MAC地址與本站的硬件地址相同。
二是廣播（broadcast）幀（一對全體），即發(fā)送給本局域網(wǎng)上所有站點的幀（全1地址）。
三是多播（multicast）幀（一對多），即發(fā)送給本局域網(wǎng)上一部分站點的幀。
所有的適配器都至少應(yīng)當(dāng)能夠識別兩種幀，即能夠識別單播和多播地址。有的適配器可用編程方法識別多播地址。當(dāng)操作系統(tǒng)啟動時，它就把適配器初始化，使適配器能夠識別某些多播地址。顯然，只有目的地址才能使用廣播地址和多播地址。
以太網(wǎng)還可設(shè)置混雜方式（promiscuous mode），工作在混雜方式的適配器只要“聽到”有幀在以太網(wǎng)上傳輸那就悄悄接收下來，而不管是發(fā)往哪個站，當(dāng)然不中斷。黑客利用這種方法非法獲取網(wǎng)上用戶的口令。但這種方式可幫助網(wǎng)絡(luò)維護(hù)和管理人員監(jiān)視和分析以太網(wǎng)上的流量，以便找出提高網(wǎng)絡(luò)性能的具體措施。嗅探器（sniffer）使用了設(shè)置為混雜方式適配器，可幫助學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的人員更好理解各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的原理。
2.MAC幀的格式
有兩種標(biāo)準(zhǔn)，一種是DIX Ethernet V2 標(biāo)準(zhǔn)（即以太網(wǎng)V2標(biāo)準(zhǔn)），另一種是IEEE的802.3標(biāo)準(zhǔn)。這里只介紹使用的最多的以太網(wǎng)V2的MAC幀的格式。圖假定網(wǎng)絡(luò)層使用的是IP協(xié)議。
類型字段：用來標(biāo)志上一層使用的是什么協(xié)議，以便把收到的MAC幀的數(shù)據(jù)上交給上一層的這個協(xié)議。
數(shù)據(jù)字段：最小長度是46字節(jié)（64字節(jié)減去18字節(jié)的首部和尾部）
FCS字段：幀檢測序列（使用CRC檢驗）
Ⅰ、MAC以太網(wǎng)子層如何知道從接收到的以太網(wǎng)幀中取出多少字節(jié)的數(shù)據(jù)交付給上一層協(xié)議？
曼切斯特編碼：每一個碼元的正中間一定有一次電壓的轉(zhuǎn)換，發(fā)送方把一個碼元發(fā)送完后，就不再發(fā)送其他碼元了，因此電壓不再變化。這樣接收方就很容易找到以太網(wǎng)幀的結(jié)束位置。在這個位置往前數(shù)4字節(jié)（FCS長度是4字節(jié)），就能確定數(shù)據(jù)字段的結(jié)束位置。
Ⅱ、數(shù)據(jù)字段小于46字節(jié)，即以太網(wǎng)的MAC幀長小于64字節(jié)怎么辦？
注意到，MAC幀的首部沒有指出數(shù)據(jù)字段的長度是多少。在有填充字段后，接收端的MAC子層在剝?nèi)ナ撞亢臀膊亢缶桶褦?shù)據(jù)字段和填充字段一起上交給上層協(xié)議。那么，上層協(xié)議如何知道填充字段長度？（IP層不需要填充字段）上層使用IP協(xié)議時，首部有一個“總長度”字段，“總長度”加上填充字段長度，應(yīng)等于MAC幀數(shù)據(jù)字段長度。
Ⅲ、傳輸媒體上實際傳送的為什么要比MAC幀多8個字節(jié)？
因為當(dāng)一個站在剛開始接收MAC幀時，由于適配器的時鐘尚未與到達(dá)的比特流達(dá)成同步，因此MAC幀的最前面的若干位無法接收，結(jié)果使整個的MAC成為無用的幀。為了接收端迅速實現(xiàn)位同步，有了這8字節(jié)（硬件生成）。
有兩個字段組成。第一個字段是7字節(jié)的前同步碼（1和0交替碼），作用是使接收端的適配器在接收MAC幀時能迅速調(diào)整其始終頻率，使它和發(fā)送端的時鐘同步，即“實現(xiàn)位同步”（比特同步）。第二個字段是幀開始界定符，定義為10101011，前6位作用和前同步碼一樣，最后連續(xù)的1是要告訴接收端適配器：MAC幀的信息馬上就要來了，請適配器注意查收。
MAC幀的FCS字段的檢查范圍不包括前同步碼和幀開始界定符。
在使用SONET / SDH進(jìn)行同步傳輸時不需要用前同步碼，因為在同步傳輸時收發(fā)雙方的位同步總是一直保持著的。
Ⅳ、為什么以太網(wǎng)不需要使用幀結(jié)束定界符，也不需要使用字節(jié)插入來保證透明傳輸？
這是因為在以太網(wǎng)上傳送數(shù)據(jù)時是以幀為單位的，傳送幀時各幀之間有間隙。因此，接收端只要找到幀開始定界符，其后面的連續(xù)到達(dá)的比特流就都屬于同一個MAC幀。
Ⅴ、IEEE 802.3 規(guī)定的無效幀
①幀的長度不是整數(shù)個字節(jié)
②用收到的幀檢測序列FCS查出有差錯
③收到的幀的MAC數(shù)據(jù)字段的長度不在46~1500字節(jié)之間。
無效幀直接丟棄，以太網(wǎng)不負(fù)責(zé)重傳。
Ⅵ、IEEE 802.3 規(guī)定的MAC幀格式與以太網(wǎng)V2 MAC幀格式的區(qū)別
①IEEE 802.3 規(guī)定的MAC幀的第三個字段是“長度 / 類型”。這個值大于0x0600（相當(dāng)于十進(jìn)制的1536），就表示“類型”。這樣的幀和以太網(wǎng)V2 MAC幀完全一樣。只有當(dāng)這個值小于0x0600時，才表示“長度”，即MAC幀的數(shù)據(jù)部分長度。顯然，數(shù)據(jù)字段的長度與長度字段的值不一致時，是無效的幀。而由于以太網(wǎng)使用了曼切斯特編碼，長度字段無意義。
②“長度 / 類型”字段值小于0x0600時，數(shù)據(jù)字段必須裝入上面的LLC子層的LLC幀。
由于廣泛使用的局域網(wǎng)只有以太網(wǎng)，所以LLC幀失去了原來的意義。
五、擴(kuò)展的以太網(wǎng)
在物理層和鏈路層擴(kuò)展，這樣擴(kuò)展的以太網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)層看來仍然是一個網(wǎng)絡(luò)。
1.在物理層擴(kuò)展以太網(wǎng)（集線器）
以太網(wǎng)上的主機(jī)之間的距離不能太遠(yuǎn)，否則主機(jī)發(fā)送的信號經(jīng)過銅線的傳輸會衰減到使CSMA/CD協(xié)議無法正常工作。過去使用粗纜或細(xì)纜以太網(wǎng)時，常使用工作在物理層的轉(zhuǎn)發(fā)器來擴(kuò)展以太網(wǎng)的地理覆蓋范圍。那時，兩個網(wǎng)段可用一個轉(zhuǎn)發(fā)器連接起來。IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定，任意兩個站之間最多可以經(jīng)過三個電纜網(wǎng)段。但隨著雙絞線以太網(wǎng)成為以太網(wǎng)的主流類型，擴(kuò)展以太網(wǎng)的覆蓋范圍已很少使用轉(zhuǎn)發(fā)器了。
現(xiàn)在，擴(kuò)展主機(jī)和集線器之間的距離的一種簡單方法就是使用光纖（通常是一對光纖）和一對光纖調(diào)制解調(diào)器。
光纖調(diào)制解調(diào)器的作用就是進(jìn)行電信號和光信號的轉(zhuǎn)換。由于光纖帶來的時延很小，并且?guī)捄芨?，因此使用這種方法可以很容易地使主機(jī)和幾公里以外的集線器相連接。
上圖好處：使不同系的以外網(wǎng)可以進(jìn)行跨系通信，另外擴(kuò)大了以太網(wǎng)的覆蓋范圍。
上圖缺點：①每一個系的 10BASE-T 以太網(wǎng)是一個獨立的碰撞域（collision domain，又稱沖突域），即在任一時刻，每一個碰撞域中只能有一個站在發(fā)送數(shù)據(jù)，每一個系吞吐量是10Mb/s，連在一起后還是10Mb/s，而不是30Mb/s。當(dāng)某個系的兩個站在通信時所傳送的數(shù)據(jù)會通過所有的集線器進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，使得其他系的內(nèi)部在這時都不能通信（一發(fā)送就碰撞）。
②如果不同的系使用不同的以太網(wǎng)技術(shù)（如數(shù)據(jù)率不同），那么就不可能用集線器互連。如有三個系分別為10Mb/s、10Mb/s、100Mb/s，那么用集線器連接起來后，大家都只能工作在10Mb/s的速率。集線器基本是個多接口（即多端口）的轉(zhuǎn)發(fā)器，它不能把幀進(jìn)行緩存。
集線器、交換機(jī)、路由器的比較
集線器：共享帶寬、半雙工，在物理層
交換器：獨享帶寬、全雙工，在鏈路層
如果用最簡單的語言敘述交換機(jī)與集線器的區(qū)別，那就應(yīng)該是智能與非智能的區(qū)別。集線器說白了只是連接多個計算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，它只能起到信號放大和傳輸?shù)淖饔?，不能對信號中的碎片進(jìn)行處理，所以在傳輸過程中容易出錯。而交換機(jī)則可以看作為是一種智能型的集線器，它除了擁有集線器的所有特性外，還具有自動尋址、交換、處理的功能。并且在數(shù)據(jù)傳遞過程中，發(fā)送端與接受端獨立工作，不與其它端口發(fā)生關(guān)系，從而達(dá)到防止數(shù)據(jù)丟失和提高吞吐量的目的。
所謂路由就是指通過相互連接的網(wǎng)絡(luò)把信息從源地點移動到目標(biāo)地點的活動。路由器可以讓不同子網(wǎng)、網(wǎng)段進(jìn)行互連，因此路由器與集線器、交換機(jī)不同，它一般安裝在網(wǎng)絡(luò)的“骨干”部位。在網(wǎng)絡(luò)層。
