计算机网络笔记(十六)——3.3使用广播信道的数据链路层

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

1. MAC地址结构
   

2. 以太网帧格式

3. CSMA/CD工作机制流程

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

1. 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

2. 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

3. 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

1. 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）

2. 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）

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

1. 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）

2. 多路访问

3. 碰撞检测

三、冲突处理流程

四、关键时序控制参数

1. 冲突窗口（1.12μs @10Mbps）

   • 公式：$t_{window}=2\tau$（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）

2. 二进制指数退避算法
   $$退避时间=Random[0,2^k-1]\times {\tau }_{slot}$$
   （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

$$\eta =\frac{1}{1+5{\tau }_{prop}/{\tau }_{trans}}$$
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：

1. 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

2. 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

1. 帧间隙控制（IFG=9.6μs）
2. 背压机制（Backpressure）
3. 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：

1. 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）

2. 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

三、工作原理特性

1. 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

2. 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

3. 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

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

1. 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）

2. 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

1. 小型办公室网络布线
2. 早期10BASE-T以太网应用
3. 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：
$$U=\frac{\text{有效发送时间}}{\text{总占用时间}}=\frac{T_{\text{frame}}}{T_{\text{frame}}+2\tau +T_{\text{contention}}}$$

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：
$$T_{\text{frame}}\ge 2\tau$$

• 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：
$$U_{\text{max}}=\frac{1}{1+4.44a}(\text{式中 }a=\frac{\tau }{T_{\text{frame}}})$$

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

1. 提升帧长度（如采用Jumbo Frame）
2. 使用全双工交换机消除冲突域
3. 流量整形技术限制突发传输
4. 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：

1. 数据帧封装与解封装
2. 物理地址（MAC地址）寻址
3. 介质访问控制（如CSMA/CD）
4. 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：

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）

关键步骤

1. 载波侦听：发送前检查信道是否空闲。
2. 冲突检测：发送过程中持续监听是否发生冲突。
3. 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

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。