当前位置：首页 > news >正文

计算机网络笔记(十六)——3.3使用广播信道的数据链路层

news 来源：原创 2025/8/11 11:32:19

3.3.1局域网的数据链路层

一、核心逻辑架构（拓扑结构演变）

在这里插入图片描述

二、MAC层核心机制

MAC地址结构
以太网帧格式

在这里插入图片描述

CSMA/CD工作机制流程

在这里插入图片描述

三、关键功能对比表

功能	集线器(Hub)	交换机(Switch)	网桥(Bridge)
工作层级	物理层	数据链路层	数据链路层
冲突域处理	全广播，增加冲突	隔离冲突域	分段冲突域
MAC地址表	不维护	动态维护	维护有限表
转发方式	盲转发	MAC精确转发	MAC过滤转发
延时特性	100%延时	存储转发	存储转发
典型应用场景	10BASE-T局域网	现代企业网络	网络分段

四、性能优化要点

冲突窗口计算
- 冲突检测时间： $t_{detection} = 2\tau$
- 最大帧长设计（1518字节）确保能在冲突窗口内检测到冲突
二进制指数退避算法
- 冲突次数k ∈ [0,10]
- 退避时间 $random(0,2^k-1) \times \tau$
- 超过16次冲突则丢弃帧
最小帧长限制
- $L_{min} = R \times t_{roundtrip}$
- 对10Mbps以太网，最小帧长=64字节

五、现代演进特性

全双工交换式以太网
- 取消CSMA/CD机制
- 支持同时收发
- 使用流量控制协议（IEEE 802.3x）
VLAN支持
- 通过添加802.1Q标签
- 实现逻辑网络划分
- 优化广播域控制

六、典型场景流程（数据发送）

在这里插入图片描述

3.3.2CSMA/CD协议

一、协议基础

CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect）是以太网物理层的核心协议，适用于半双工通信的总线型网络，主要解决多个设备共享同一信道时的传输协调问题。

主要特征：

使用场景：传统以太网总线拓扑结构
协议标准：IEEE 802.3
典型应用：传统集线器连接的以太网

二、三大核心机制

载波监听（侦听）
- 工作在物理层：持续检测线路电压变化
- 两种监听时机：
  - 发送前监听（减少冲突概率）
  - 发送中监听（实时检测冲突）
多路访问

在这里插入图片描述

碰撞检测

在这里插入图片描述

三、冲突处理流程

在这里插入图片描述

四、关键时序控制参数

冲突窗口（1.12μs @10Mbps）
- 公式： $t_{window} = 2τ$ （τ为端到端最大时延）
- 最小帧长限制：64字节（保证冲突有效检测）
二进制指数退避算法
$退避时间 = Random[0,2^k-1] × τ_{slot}$
（k=min(冲突次数,10)）

示例：第3次碰撞时随机选择0-7中的数值

五、协议效率公式

$\frac{1}{1 + 5τ_{prop}/τ_{trans}}$
参数说明：

τprop：端到端传播时延
τtrans：帧传输时延

效率影响案例：
当网络半径扩展时，随着τprop增大，效率显著下降

六、协议演进

随着以太网演进，当前应用场景变化：

现代全双工交换网络：
- 物理点对点连接
- 通过MAC地址交换避免冲突
- CSMA/CD已不再适用
无线网络：
- 改用CSMA/CA协议
- 解决了隐藏站等问题

七、性能优化技巧

帧间隙控制（IFG=9.6μs）
背压机制（Backpressure）
自适应退避算法

3.3.3使用集线器的星形拓扑

一、基本概念

星形拓扑是以太网常见的物理拓扑结构，其核心设备是集线器（Hub），所有计算机通过双绞线连接到中央的集线器，形成星形布局。需要注意以下几点：

物理拓扑与逻辑拓扑：
- 物理上是星形结构
- 逻辑上仍然是总线结构（所有设备共享通信介质）
集线器本质：
- 物理层设备，没有智能识别能力
- 对接收到的信号进行再生放大后广播到所有端口

二、拓扑结构示意图

在这里插入图片描述

三、工作原理特性

广播机制：
- 任意设备发送的数据都会被集线器复制到所有端口
- 网络中同时只能有一台设备发送数据
冲突检测：
- 所有设备共享同一广播域和冲突域
- 必须使用CSMA/CD协议解决冲突问题
带宽分配：
- 共享带宽（如10Mbps集线器连接n台设备，每台设备平均带宽为10/n Mbps）

四、典型工作流程

在这里插入图片描述

五、主要技术特征对比

特征	总线型拓扑	星形拓扑（集线器）
物理结构	直线连接	中央集线器辐射状连接
故障排查	困难（需逐段排查）	简单（分端口检测）
扩展性	较差（长度受限）	良好（端口可扩展）
线路利用率	低（单点故障影响大）	高（单点故障易隔离）
最大传输距离	受电缆长度限制	受双绞线标准限制

六、优势与局限性

优势：
- 安装维护简单（结构化布线）
- 故障隔离效果好（单节点故障不影响全网）
- 便于扩展（通过增加集线器级联）
局限性：
- 共享带宽导致性能受限
- 广播风暴风险
- 最大覆盖范围受5-4-3规则限制：
  - 最多5个网段
  - 4个中继器（集线器）
  - 3个可接入计算机的网段

七、典型应用场景

小型办公室网络布线
早期10BASE-T以太网应用
临时网络搭建（已被交换机替代）

八、历史演进意义

集线器的星形拓扑在90年代推动了以太网的普及：

相较总线拓扑更可靠的物理连接
更易维护的布线结构
为后续交换机发展奠定基础

3.3.4以太网的信道利用率

一、基本概念

以太网（CSMA/CD协议）的信道利用率体现了一个时间周期内有效数据传输的比率，其核心公式为：
$\frac{\text{有效发送时间}}{\text{总占用时间}} = \frac{T_{\text{frame}}}{T_{\text{frame}} + 2\tau + T_{\text{contention}}}$

其中：

$\tau$ ：信号在链路中的单程传播时延
T_contention：冲突后处理时间（协议退避机制额外耗时）

📊 影响因素：

帧长越大 → 利用率越高（分母中占比降低）
带宽越高 → 帧发送时间变短 → 利用率降低
传播时延越大 → 冲突概率增加 → 利用率降低

二、关键推导过程

1. 帧发送时间

$T_{\text{frame}} = \frac{L_{\text{帧数据}}}{C_{\text{带宽}}}$

2. 冲突检测窗口

要确保数据发送过程中未被中断，需满足：
$T_{\text{frame}} \geq 2\tau$

若满足：帧完整发送，接收方成功接收
若不满足：可能发生迟来冲突，导致重传

三、最高利用率极限

当系统处于理想状态（无冲突、无退避）时，最大利用率可达：
$U_{\text{max}} = \frac{1}{1 + 4.44a}\quad (\text{式中 } a = \frac{\tau}{T_{\text{frame}}})$
在这里插入图片描述

四、性能对比案例

不同链路长度下的利用率对比：

参数	短链路（τ=1ms）	长链路（τ=10ms）
帧长1KB	32.7%	6.3%
帧长10KB	84.6%	32.1%

结论：

窗口效应：物理链路长度直接影响冲突概率
巨型帧优势：工业场景中常用9000字节"Jumbo Frame"提升效率

五、优化策略

提升帧长度（如采用Jumbo Frame）
使用全双工交换机消除冲突域
流量整形技术限制突发传输
分段传输协议动态调整帧尺寸

3.3.5以太网的MAC层

一、以太网MAC层核心功能

MAC层（Media Access Control）是数据链路层的子层，主要负责以下功能：

数据帧封装与解封装
物理地址（MAC地址）寻址
介质访问控制（如CSMA/CD）
差错检测（通过帧校验序列FCS）

二、MAC地址

1. MAC地址结构

48位二进制的全球唯一标识符，通常用十六进制表示（如00:1A:2B:3C:4D:5E）。
前24位：厂商标识符（由IEEE分配，例如00:1A:2B代表Intel）。
后24位：设备唯一编号（由厂商分配）。

2. MAC地址类型

单播地址：指向特定设备。
广播地址：FF:FF:FF:FF:FF:FF，所有设备接收。
组播地址：用于特定组的通信（如01:00:5E:xx:xx:xx）。

三、MAC帧格式

以太网帧的标准格式如下：

在这里插入图片描述

1. 各字段说明

字段	长度（字节）	功能
前导码	7	同步时钟（10101010…）。
起始定界符	1	帧开始标志（10101011）。
目标MAC地址	6	接收方的MAC地址。
源MAC地址	6	发送方的MAC地址。
类型/长度	2	上层协议类型（如IPv4=`0x0800`）或数据长度。
数据	46~1500	有效载荷（如IP数据包）。
帧校验序列FCS	4	CRC校验，检测传输错误。

四、介质访问控制：CSMA/CD

（适用于传统半双工以太网，如集线器环境）

在这里插入图片描述

关键步骤

载波侦听：发送前检查信道是否空闲。
冲突检测：发送过程中持续监听是否发生冲突。
冲突处理：
- 发现冲突后立即停止发送。
- 发送32位拥塞信号通知所有设备。
- 采用二进制指数退避算法等待随机时间后重试。

五、全双工模式与交换式以太网

现代以太网多采用全双工交换式网络（使用交换机）：

无需CSMA/CD：交换机为每个端口提供独立信道。
同时收发：

六、典型流程：数据帧传输

在这里插入图片描述

七、关键概念总结

概念	说明
适配器	实现MAC层功能（帧封装、地址解析等），负责与物理层交互。
CSMA/CD	解决多设备竞争信道的冲突问题。
交换表	交换机通过自学建立MAC地址与端口的映射关系，实现高效转发。

3.3.1局域网的数据链路层

一、核心逻辑架构（拓扑结构演变）

二、MAC层核心机制

三、关键功能对比表

四、性能优化要点

五、现代演进特性

六、典型场景流程（数据发送）

3.3.2CSMA/CD协议

一、协议基础

二、三大核心机制

三、冲突处理流程

四、关键时序控制参数

五、协议效率公式

六、协议演进

七、性能优化技巧

3.3.3使用集线器的星形拓扑

一、基本概念

二、拓扑结构示意图

三、工作原理特性

四、典型工作流程

五、主要技术特征对比

六、优势与局限性

七、典型应用场景

八、历史演进意义

3.3.4以太网的信道利用率

一、基本概念

二、关键推导过程

1. 帧发送时间

2. 冲突检测窗口

三、最高利用率极限

四、性能对比案例

五、优化策略

3.3.5以太网的MAC层

一、以太网MAC层核心功能

二、MAC地址

1. MAC地址结构

2. MAC地址类型

三、MAC帧格式

1. 各字段说明

四、介质访问控制：CSMA/CD

关键步骤

五、全双工模式与交换式以太网

六、典型流程：数据帧传输

七、关键概念总结

相关文章：