计算机网络数据链路层

第3章数据链路层第3章数据链路层3.1使用点对点信道的数据链路层3.2点对点协议PPP3.3使用广播信道的数据链路层3.4扩展的以太网3.5高速以太网数据链路层使用的信道数据链路层使用的信道主要有以下两种类型：点对点信道。这种信道使用一对一的点对点通信方式。广播信道。这种信道使用一对多的广播通信方式，因此过程比较复杂。广播信道上连接的主机很多，因此必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机的数据发送。数据链路层的简单模型局域网广域网主机H1主机H2路由器R1路由器R2路由器R3电话网局域网主机H1向H2发送数据链路层应用层运输层网络层物理层链路层应用层运输层网络层物理层链路层网络层物理层链路层网络层物理层链路层网络层物理层R1R2R3H1H2从层次上来看数据的流动数据链路层的地位H1到H2所经过的网络可以是多种的数据链路层的简单模型(续）局域网广域网主机H1主机H2路由器R1路由器R2路由器R3电话网局域网主机H1向H2发送数据仅从数据链路层观察帧的流动只考虑数据在数据链路层的流动不同的链路层可能采用不同的数据链路层协议链路层应用层运输层网络层物理层链路层应用层运输层网络层物理层链路层网络层物理层链路层网络层物理层链路层网络层物理层R1R2R3H1H2H1到H2所经过的网络可以是多种的3.1使用点对点信道的数据链路层3.1.1数据链路和帧3.1.2三个基本问题3.1.1数据链路和帧链路(link)是一条无源的点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换结点。一条链路只是一条通路的一个组成部分。数据链路(datalink)除了物理线路外，还必须有通信协议来控制这些数据的传输。若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。现在最常用的方法是使用适配器（即网卡）来实现这些协议的硬件和软件。一般的适配器都包括了数据链路层和物理层这两层的功能。3.1.1数据链路和帧也有人采用另外的术语。这就是把链路分为物理链路和逻辑链路。物理链路就是上面所说的链路。逻辑链路就是上面的数据链路，是物理链路加上必要的通信协议。早期的数据通信协议曾叫做通信规程(procedure)。因此在数据链路层，规程和协议是同义语。数据链路层结点A结点B帧(b)只考虑数据链路层发送帧接收链路IP数据报1010……0110帧取出数据链路层网络层链路结点A结点B物理层(a)三层的简化模型IP数据报1010……0110帧装入数据链路层传送的是帧使用点对点信道的数据链路层数据链路层像个数字管道常常在两个对等的数据链路层之间画出一个数字管道，而在这条数字管道上传输的数据单位是帧。数据链路层不必考虑物理层如何实现比特传输的细节。甚至还可以更简单地设想好像是沿着两个数据链路层之间的水平方向把帧直接发送到对方。结点结点帧帧3.1.2三个基本问题数据链路层协议有许多种，但有三个基本问题则是共同的。这三个基本问题是：1.封装成帧2.透明传输3.差错控制1.封装成帧封装成帧(framing)就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部，然后就构成了一个帧。确定帧的界限。首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界。课件制作人：谢希仁帧结束帧首部IP数据报帧的数据部分帧尾部MTU数据链路层的帧长从这里开始发送帧开始发送用帧首部和帧尾部封装成帧用控制字符进行帧定界的方法举例当数据是由可打印的ASCII码组成的文本文件时，帧定界可以使用特殊的帧定界符。控制字符SOH(StartOfHeader)放在一帧的最前面，表示帧的首部开始。另一个控制字符EOT(EndOfTransmission)表示帧的结束。SOH装在帧中的数据部分帧帧开始符帧结束符发送在前EOT用控制字符进行帧定界的方法举例2.透明传输如果数据中的某个字节的二进制代码恰好和SOH或EOT一样，数据链路层就会错误地“找到帧的边界”。SOHEOT出现了“EOT”被接收端当作无效帧而丢弃被接收端误认为是一个帧数据部分EOT完整的帧发送在前数据部分恰好出现与EOT一样的代码解决透明传输问题解决方法：字节填充(bytestuffing)或字符填充(characterstuffing)。发送端的数据链路层在数据中出现控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入一个转义字符“ESC”(其十六进制编码是1B)。接收端的数据链路层在将数据送往网络层之前删除插入的转义字符。如果转义字符也出现在数据当中，那么应在转义字符前面插入一个转义字符ESC。当接收端收到连续的两个转义字符时，就删除其中前面的一个。用字节填充法解决透明传输的问题SOHSOHEOTSOHESCESCEOTESCSOHESCESCESCSOH原始数据EOTEOT经过字节填充后发送的数据字节填充字节填充字节填充字节填充发送在前帧开始符帧结束符SOH用字节填充法解决透明传输的问题3.差错检测在传输过程中可能会产生比特差错：1可能会变成0而0也可能变成1。在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比率称为误码率BER(BitErrorRate)。误码率与信噪比有很大的关系。为了保证数据传输的可靠性，在计算机网络传输数据时，必须采用各种差错检测措施。循环冗余检验的原理在数据链路层传送的帧中，广泛使用了循环冗余检验CRC的检错技术。在发送端，先把数据划分为组。假定每组k个比特。假设待传送的一组数据M=101001（现在k=6）。我们在M的后面再添加供差错检测用的n位冗余码一起发送。冗余码的计算用二进制的模2运算进行2n乘M的运算，这相当于在M后面添加n个0。得到的(k+n)位的数除以事先选定好的长度为(n+1)位的除数P，得出商是Q而余数是R，余数R比除数P少1位，即R是n位。将余数R作为冗余码拼接在数据M后面发送出去。冗余码的计算举例现在k=6,M=101001。设n=3,除数P=1101，被除数是2nM=101001000。模2运算的结果是：商Q=110101，余数R=001。把余数R作为冗余码添加在数据M的后面发送出去。发送的数据是：2nM+R即：101001001，共(k+n)位。循环冗余检验的原理说明P(除数)11011101011010010002nM(被除数)11011110110101110000111011010110000011001101001R(余数)，作为FCSQ(商)帧检验序列FCS在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列FCS(FrameCheckSequence)。循环冗余检验CRC和帧检验序列FCS并不等同。CRC是一种常用的检错方法，而FCS是添加在数据后面的冗余码。FCS可以用CRC这种方法得出，但CRC并非用来获得FCS的唯一方法。接收端对收到的每一帧进行CRC检验(1)若得出的余数R=0，则判定这个帧没有差错，就接受(accept)。(2)若余数R0，则判定这个帧有差错，就丢弃。但这种检测方法并不能确定究竟是哪一个或哪几个比特出现了差错。只要经过严格的挑选，并使用位数足够多的除数P，那么出现检测不到的差错的概率就很小很小。应当注意仅用循环冗余检验CRC差错检测技术只能做到无差错接受(accept)。“无差错接受”是指：“凡是接受的帧（即不包括丢弃的帧），我们都能以非常接近于1的概率认为这些帧在传输过程中没有产生差错”。也就是说：“凡是接收端数据链路层接受的帧都没有传输差错”（有差错的帧就丢弃而不接受）。要做到“可靠传输”（即发送什么就收到什么）就必须再加上确认和重传机制。应当注意应当明确，“无比特差错”与“无传输差错”是不同的概念。在数据链路层使用CRC检验，能够实现无比特差错的传输，但这还不是可靠传输。本章介绍的数据链路层协议都不是可靠传输的协议。3.2点对点协议PPP3.2.1PPP协议的特点3.2.2PPP协议的帧格式3.2.3PPP协议的工作状态3.2.1PPP协议的特点对于点对点的链路，目前使用得最广泛的数据链路层协议是点对点协议PPP(Point-to-PointProtocol)。用户使用拨号电话线接入互联网时，用户计算机和ISP进行通信时所使用的数据链路层协议就是PPP协议。PPP协议在1994年就已成为互联网的正式标准。1.PPP协议应满足的需求简单——这是首要的要求。封装成帧——必须规定特殊的字符作为帧定界符。透明性——必须保证数据传输的透明性。多种网络层协议——能够在同一条物理链路上同时支持多种网络层协议。多种类型链路——能够在多种类型的链路上运行。差错检测——能够对接收端收到的帧进行检测，并立即丢弃有差错的帧。1.PPP协议应满足的需求（续）检测连接状态——能够及时自动检测出链路是否处于正常工作状态。最大传送单元——必须对每一种类型的点对点链路设置最大传送单元MTU的标准默认值，促进各种实现之间的互操作性。网络层地址协商——必须提供一种机制使通信的两个网络层实体能够通过协商知道或能够配置彼此的网络层地址。数据压缩协商——必须提供一种方法来协商使用数据压缩算法。3.2.2PPP协议的帧格式PPP帧的首部和尾部分别为4个字段和2个字段。标志字段F=0x7E（符号“0x”表示后面的字符是用十六进制表示。十六进制的7E的二进制表示是01111110）。地址字段A只置为0xFF。地址字段实际上并不起作用。控制字段C通常置为0x03。PPP是面向字节的，所有的PPP帧的长度都是整数字节。PPP协议的帧格式IP数据报1211字节12不超过1500字节PPP帧先发送7EFF03FACFCSF7E协议信息部分首部尾部PPP有一个2个字节的协议字段。其值若为0x0021，则信息字段就是IP数据报。若为0x8021，则信息字段是网络控制数据。若为0xC021，则信息字段是PPP链路控制数据。若为0xC023，则信息字段是鉴别数据。透明传输问题当PPP用在同步传输链路时，协议规定采用硬件来完成比特填充（和HDLC的做法一样）。当PPP用在异步传输时，就使用一种特殊的字符填充法。字符填充将信息字段中出现的每一个0x7E字节转变成为2字节序列(0x7D,0x5E)。若信息字段中出现一个0x7D的字节,则将其转变成为2字节序列(0x7D,0x5D)。若信息字段中出现ASCII码的控制字符（即数值小于0x20的字符），则在该字符前面要加入一个0x7D字节，同时将该字符的编码加以改变。零比特填充PPP协议用在SONET/SDH链路时，使用同步传输（一连串的比特连续传送）。这时PPP协议采用零比特填充方法来实现透明传输。在发送端，只要发现有5个连续1，则立即填入一个0。接收端对帧中的比特流进行扫描。每当发现5个连续1时，就把这5个连续1后的一个0删除。零比特填充01001111101000101001001111110001010010011111010001010信息字段中出现了和标志字段F完全一样的8比特组合发送端在5个连1之后填入0比特再发送出去接收端把5个连1之后的0比特删除会被误认为是标志字段F发送端填入0比特接收端删除填入的0比特零比特的填充与删除3.2.3PPP协议的工作状态当用户拨号接入ISP时，路由器的调制解调器对拨号做出确认，并建立一条物理连接。PC机向路由器发送一系列的LCP分组（封装成多个PPP帧）。这些分组及其响应选择一些PPP参数，并进行网络层配置，NCP给新接入的PC机分配一个临时的IP地址，使PC机成为因特网上的一个主机。通信完毕时，NCP释放网络层连接，收回原来分配出去的IP地址。接着，LCP释放数据链路层连接。最后释放的是物理层的连接。可见，PPP协议已不是纯粹的数据链路层的协议，它还包含了物理层和网络层的内容。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3.3.2CSMA/CD协议3.3.3使用集线器的星形拓扑3.3.4以太网的信道利用率3.3.5以太网的MAC层3.3.1局域网的数据链路层局域网最主