数据链路层 计算机网络

• 发生碰撞的站在停止发送数据后，要退避一个随 机时间才能再发送数据。
确定基本退避时间，一般是取为争用期 2。
定义重传次数 k ，k 10，即
k = Min[重传次数, 10] 为 r。重传所需的时延就是 r 倍的基本退避时间。 当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层 报告。
载波侦听多路访问协议CSMA
• 载波侦听协议（Carrier Sense Protocol） • 持续和非持续CSMA （Carrier Sense Multiple Access，载波侦听多路访问）
– 1 – 持续CSMA – 非持续CSMA（Nonpersistent CSMA） – p – 持续CSMA（p-persistent CSMA）
第三次冲突后：A、B都将在0、1、2、3、4、5、6、7之间选择，选择的组
合共有64种，其中00、11、… …、77将再次冲突，所以第四次竞争时，冲 突的概率为0.125 前四次竞争都冲突的概率为：1 x 0.5 x 0.25 x 0.125 = 0.015625
带冲突检测的CSMA
• CSMA/CD
？
A B C D
B 向 A 发送数据，而 C 又想和 D 通信。 C 检测到媒体上有信号，于是就不敢向 D 发送数据。
CSMA/CA
任何站在完成发送后必须等待一段很短的时间才能发送下
一帧，这段时间称为帧间间隔IFS(InterFrame Space)。 间隔时间的长短取决于该站打算发送的帧类型。高优先级 的帧等待时间短，低优先级的帧等待时间长。 争用：当信道从忙转为空闲时，任何站在发送数据前，都
载波侦听多路访问协议CSMA
• 载波侦听协议（Carrier Sense Protocol） • 持续和非持续CSMA （Carrier Sense Multiple
Access，载波侦听多路访问）
– 1 – 持续CSMA – 非持续CSMA（Nonpersistent CSMA） – p – 持续CSMA（p-persistent CSMA）
• CSMA协议的冲突和冲突检测
非持续CSMA （Nonpersistent CSMA）
• 每个站在发送前，先侦听信道，如信道正 忙，则不再继续侦听，而是延时一随机时
隙数后，再侦听信道
载波侦听多路访问协议CSMA
• 载波侦听协议（Carrier Sense Protocol） • 持续和非持续CSMA （Carrier Sense Multiple
冲突主要发生在时隙的起点处，一旦发送成功，则 不会出现冲突，即生成新帧并等待发送的这一帧时
内，是冲突危险区，时间长度为t，是原来的一半
分隙ALOHA的原理
•
在一个时隙内只产生一个新帧 ，新帧不允许立即发送，将在 下一个时隙的开始处 t0+t 时发 送，不会发生冲突
t0
t0+Δt
t0+t t0+2t
数据链路层
本章知识点（重点掌握）
介质访问控制:随机访问介质访问访问控制 CSMA/CD、CSMA/CA和ALOHA
可靠传输机制
数据链路层设备:网桥和交换机基本原理
2
本章知识点（理解记忆）
局域网: 以太网与IEEE802.3 数据链路层的三个基本问题：成帧、透明传输、
差错控制
信道划分介质访问控制：FDM、TDM、WDM
Go-back-N（回退 N）
如果发送方发送了前 5 帧，而中间的第 3帧
丢失了。这时接收方只能对前两个帧发出确
认。发送方无法知道后面三个分组的下落，
而只好把后面的三个分组都再重传一次。 这就叫做 Go-back-N（回退 N），表示需要 再退回来重传已发送过的 N 个帧。
后退n帧的滑动窗口协议图例
•
在一个时隙内产生一个以上新 帧，下一个时隙的开始处 t0+t 时，一个以上的帧同时发送， 将发生冲突，即冲突危险区为 t
t0+t t0 t0+t
时间
t0+t
t0+2t
冲突危险区
多路访问协议
• 纯ALOHA • 分隙ALOHA
• 载波侦听多路访问协议
载波侦听多路访问协议CSMA
• 载波侦听协议（Carrier Sense Protocol） • 持续和非持续CSMA （Carrier Sense Multiple
可靠传输机制
数据链路层设备:网桥和交换机基本原理
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确认机制和重传机制
发送 M1
A
B
确认 M1
发送 M1
A
B
丢弃有差错 的报文

超时重传 M1
发送 M2
确认 M2
发送 M3 确认 M3 t t t 发送 M2
确认 M1
t
(a) 无差错情况
(b) 超时重传
确认丢失和确认迟到
A B
确认 M1
丢弃 重复的 M1 重传确认 M1
29
CSMA/CA
• 无线局域网为什么不能使用CSMA/CD?
– CSMA/CD要求每个站点在发送数据的同时还必
须不间断地检测信道，而在无线局域网的设备中 要实现这个功能花费过大 – 即使发送端能够实现碰撞检测，在接收端仍可能 发生碰撞
这种未能检测出媒体上已存在的信号的问题 无线局域网的特殊问题 叫做隐蔽站问题(hidden station problem)
B t
A
t
累积确认
接收方一般采用累积确认的方式。即不必对收 到的分组逐个发送确认，而是对按序到达的最 后一个分组发送确认，这样就表示：到这个分 组为止的所有分组都已正确收到了。 累积确认有的优点是：容易实现，即使确认丢 失也不必重传。缺点是：不能向发送方反映出 接收方已经正确收到的所有分组的信息。
B
B 发送数据 t= t=
单程端到端 传播时延记为
B
B B t= B 检测到信道空闲 发送数据
A
A A A STOP STOP A
B B
t = 2 A 检测到 发生碰撞
t=/2 发生碰撞 t= B 检测到发生碰撞 停止发送
二进制指数类型退避算法 (truncated binary exponential type)
要采用二进制后退算法减少发生冲突的概率。与以太网不
一样的是第i次后退是从22+i个时隙中选取一个
DIFS
PIFS
媒体空闲 SIFS 源站 有帧要发送
发送第一帧
SIFS
时间
ACK
目的站
DIFS PIFS
时间
争用 窗口
媒体忙
其他站
SIFS
发送下一帧
时间
有帧要发送
本章知识点（重点掌握）
介质访问控制:随机访问介质访问访问控制 CSMA/CD、CSMA/CA和ALOHA
t0
t0+t
t0+2t
t0+3t
时间
冲突危险区
多路访问协议
• 纯ALOHA • 分隙ALOHA
• 载波侦听多路访问协议
分隙ALOHA的原理（续）
• • • 分隙ALOHA的时间以时隙(Time Slot)为单位 时隙的长度对应一帧的传输时间，其起点由专门的 信号来标志 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，即冲突危险 区是原来的一半
Access，载波侦听多路访问）
– 1 – 持续CSMA – 非持续CSMA（Nonpersistent CSMA）
– p – 持续CSMA（p-persistent CSMA）
• CSMA协议的冲突和冲突检测
p – 持续CSMA （p-persistent CSMA）
• 用于分隙信道 • 先侦听信道，如信道正忙，则等到下一时隙 ；如信道空闲，则以概率p发送，而以概率 q=(1-p)把本次发送延至下一时隙，直至发送 成功
从整数集合[0,1,…, (2k 1)]中随机地取出一个数，记
二进制指数后退算法举例
在一个时隙的起始处，两个CSMA/CD站点同时发送一个帧 ，求前4次竞争都冲突的概率?
第一次竞争冲突的概率为1； 第一次冲突后，A、B都将在等待0个或1个时隙之间选择，选择的组合有： 00、01、10、11，共4种，其中00和11将再次冲突，所以第二次竞争时，冲 突的概率为0.5 第二次冲突后：A、B都将在0、1、2、3之间选择，选择的组合有：00、01、 02、03、10、11、12、13、20、21、22、23、30、31、32、33共16种，其 中00、11、22、33将再次冲突，所以第三次竞争时，冲突的概率为0.25
Access，载波侦听多路访问）
– 1 – 持续CSMA – 非持续CSMA（Nonpersistent CSMA） – p – 持续CSMA（p-persistent CSMA）
• CSMA协议的冲突和冲突检测
1 – 持续CSMA
• 每个站在发送前，先侦听信道，如信道正 忙，则等待并持续侦听，一旦信道空闲， 立即发送，即发送的概率为1；如冲突， 则延时一随机时隙数后，重新发送
发送 M1
发送 M1
A
B
确认 M1
丢弃 重复的 M1 重传确认M1

超时 重传 M1 发送 M2

超时 重传 M1
发送 M2 收下迟到 的确认 但什么也不做 t
t
t
t
(a) 确认丢失
(b) 确认迟到
流水线传输
• 发送方可连续发送多个分组，不必每发完一个分组就 停顿下来等待对方的确认。 • 由于信道上一直有数据不间断地传送，这种传输方式 可获得很高的信道利用率。
• CSMA协议的冲突和冲突检测
传播时延对载波侦听的影响
• CSMA并不能完全解决冲突问题
A 1 km B
= 5 s
t
冲突
如两个或多个准备发送的站都检测到信道 空闲而同时发送将发生冲突
t=0 t t = 2 t=0 A 检测到 信道空闲 发送数据
A
1 km 碰撞 A 检测到发生碰撞 B 检测到发生碰撞
Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection
带冲突检测的载波侦听多路访问
CSMA/CD的概念模型：
t0 帧 传输周期 竞争周期 帧 时间
竞争时隙
一旦冲突，则放 弃并随机延时
帧 空闲周期
帧
Tnbm P258 Fig. 4 – 5 CSMA/CD有三种状态：竞争、传输或空闲
A 的作用范围 C 的作用范围
A
B
C
D
当 A 和 C 检测不到无线信号时，都以为 B 是空闲的， 因而都向 B 发送数据，结果发生碰撞。
其实 B 向 A 发送数据并不影响 C 向 D 发送数据 无线局域网的特殊问题 这就是暴露站问题(exposed station problem)
B 的作用范围 C 的作用范围
最短有效帧长= 争用周期×发送速率（带宽）
= （2 ×端到端距离/传播速率）×发送速率
以太网规定了最短有效帧长为 64 字节
28
根据CSMA/CD协议的工作原理，下列情形 中需要提高最短帧长度的是（ ） A、网络速率不变，冲突域的最大距离变短 B、冲突域的最大距离不变，网络传输速 率增大 C、上层协议使用TCP的概率增加 D、 在冲突域不变的情况下减少线路中的中继 器数
总结
• • • •
发前先侦听 空闲即发送 边发边检测 冲突时退避
争用周期2的计算
端到端往返时延2称为争用期 经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才
能肯定这次发送不会发生碰撞
争用周期和端到段的距离有关
以太网取 51.2 s 为争用期的长度。
26
2的计算
最短有效帧长
太短：发送端在 2 时间内帧已经发送结束， 则即使冲突也无法检测，
纯ALOHA的原理
• 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
纯ALOHA的原理（续）
•
在纯ALOHA中，站点一旦产生新帧则立即发送，如果一个标 准长度的帧的发送时间为t，在t0+t时刻允许生成一个新帧， 除此新帧之外，在t0 ~ t0+2t 时间内不能有其它帧产生，否则 冲突，即冲突危险区为2t
• 有一个差错时后退n帧（ WT=7，WR=1 ）
超时间隔
发
0
1
2
3
4
5
6
7
8
2
3
4
5
6
7
8
ACK0 ACK1
ACK2ACK3ACK4ACK5
收
0
1
E
D
D
D
D
D
D
2
3
4
5
6
Baidu Nhomakorabea
出错
被丢弃的帧
时间
退后n 帧协议（go back n）
设帧序号由3个bit表示，即0 ~ 7，并且WT = 7 , WR = 1
3
本章知识点（了解）
广域网协议： PPP协议、HDLC协议
4
本章知识点（重点掌握）
介质访问控制:随机访问介质访问访问控制 CSMA/CD、CSMA/CA和ALOHA
可靠传输机制
数据链路层设备:网桥和交换机基本原理
5
多路访问协议CSMA
• 纯ALOHA • 分隙ALOHA
• 载波侦听多路访问协议