第3章 数据链路层和物理层复习提纲

复习提纲（第三章）•物理层的基本作用、基本任务、四个基本特性•物理层下的传输媒体（介质）–导向传输媒体（双绞线、同轴电缆、光缆）–非导向传输媒体（无线电、短波、微波等）•链路、数据链路的概念•数据链路层的目的、特点、基本模型•数据链路层的信道通信方式（本章以点对点通信为主）•停止等待协议（ARQ协议）的差错重传机制•透明传输的概念和解决方法•CRC检验的基本原理和计算方法•PPP点对点协议的组成和工作过程物理层的基本概念•物理层的基本作用是：要尽可能屏蔽掉传输媒体（介质）的差异，使物理层上面的数据链路层只需考虑完成本层的协议和服务而不用考虑网络的具体传输媒体（介质）是什么。•物理层的主要任务是：利用某种传输介质和通信技术，以通信接口规程（物理层协议）实现并约束二进制比特流的传输。•物理层对下列特性进行了描述和规范（书36）1.机械特性–接线器形状、大小、排列等2.电气特性–电缆线路上的电压变化范围3.功能特性–某一电平的电压的表示含义4.规程特性–各种可能事件的出现顺序导向的传输媒体（介质）•双绞线–屏蔽双绞线STP(ShieldedTwistedPair)–无屏蔽双绞线UTP(UnshieldedTwistedPair)•同轴电缆–50同轴电缆–75同轴电缆•光缆（光纤）导向的传输媒体（介质）-双绞线•双绞线有多种类型，不同类型的双绞线所提供的带宽各不相同。例如，在局域网中所使用的双绞线有无屏蔽双绞线UTP(UnshieldedTwistedPair)和屏蔽双绞线STP(ShieldedTwistedPair)两类。每一类中又分为若干等级，比如UTP分为3类UTP、4类UTP和5类UTP，它们的传输带宽分别为16MHz、20MHz和100MHz。铜线铜线聚氯乙烯套层聚氯乙烯套层屏蔽层绝缘层绝缘层无屏蔽双绞线UTP屏蔽双绞线STP导向的传输媒体（介质）-同轴电缆•同轴电缆(CoaxialCable)是局域网中应用较为广泛的一种传输介质。它由内、外两个导体组成，内导体是单股或多股线，呈圆柱形的外导体通常由编织线组成并围裹着内导体，内外导体之间使用等间距的固体绝缘材料来分隔，外导体用塑料外罩保护起来。外导体屏蔽层绝缘层绝缘保护套层内导体同轴电缆导向的传输媒体（介质）-光缆（光纤）•利用光线在光纤中的折射原理（全反射现象）折射角入射角包层（低折射率的媒体）包层（低折射率的媒体）包层纤芯纤芯（高折射率的媒体）导向的传输媒体（介质）-光缆（光纤）•光纤的工作原理高折射率(纤芯)低折射率(包层)光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射多模光纤与单模光纤输入脉冲输出脉冲单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤非导向的传输媒体（介质）•无线电波传输所使用的频段很广。收音机•短波通信（高频通信）主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差。对讲机•微波通信在空间主要是直线传播。–地面微波接力通信（天线塔，50～100km）•可传输电话、电报、图像、数据长途电话–卫星通信（人造同步卫星/低轨道卫星）•一般等距离放置3颗相隔120度的卫星，即可实现全球通信GPS/无线移动通信•红外通信手机/笔记本•激光/蓝牙通信手机/笔记本数据链路层的基本概念•链路(link)：一个结点到相邻结点的一段物理线路段，中间没有任何其他的交换结点。物理链路注意：一条链路只是一条通路（路径）的一个组成部分。•数据链路(datalink)：除物理线路外，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。逻辑链路•现在最常用的方法是使用网络适配器（网卡）来实现这些协议的硬件和软件。•一般的网络适配器都包括了数据链路层和物理层这两层的功能。数据链路层的基本概念•常常在两个对等的数据链路层之间划出一个数字管道，而在这条数字管道上传输的数据单位是帧。•数据链路层的目的：在两相邻设备（网络节点或端系统）之间，为多对用户的数据流提供可靠的、以‘帧’为基础的、复用物理层（的二进制位流的）传输能力的服务。•早期的数据通信协议曾叫作通信规程(procedure)。因此在数据链路层，规程和协议是同义语。结点结点帧帧数据链路层的基本概念•数据链路层的特点–需要链路管理–帧定界–流量控制–差错控制–将数据和控制信息区分开–透明传输数据链路层的基本原理－基本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基本原理－基本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仅从数据链路层观察帧的流动数据链路层的基本原理－信道类型•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基本概念－流量控制•虽然物理层在传输比特时会出现差错，但由于数据链路层的ARQ停止等待协议采用了有效的检错重传机制，数据链路层对上面的网络层就可以提供可靠传输的服务。•超时计时器的作用–结点A发送完一个数据帧时，就启动一个超时计时器(timeouttimer)；又称为定时器。–若到了超时计时器所设置的重传时间tout而仍收不到结点B的任何确认帧，则结点A就重传前面所发送的这一数据帧。数据链路层的基本概念－流量控制•实用的停止等待协议ARQ时间AB送主机送主机(a)正常情况AB送主机(c)数据帧丢失重传tout丢失！AB送主机丢弃(d)确认帧丢失重传tout丢失！AB送主机(b)数据帧出错重传出错数据链路层的基本概念－流量控制•如何解决重复帧问题–使每一个数据帧带上不同的发送序号。每发送一个新的数据帧就把它的发送序号加1。–若结点B收到发送序号相同的数据帧，就表明出现了重复帧。这时应丢弃重复帧，因为已经收到过同样的数据帧并且也交给了主机B。–但此时结点B还必须向A发送确认帧ACK，因为B已经知道A还没有收到上一次发过去的确认帧ACK。点对点信道的数据链路层•三个基本问题–封装成帧–透明传输–差错控制点对点信道的数据链路层－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。帧结束帧首部IP数据报帧的数据部分帧尾部MTU数据链路层的帧长开始发送帧开始用控制字符进行帧定界的方法举例SOH装在帧中的数据部分帧帧开始符(16进制01)帧结束符(16进制04)发送在前EOT点对点信道的数据链路层－透明传输•当传送的帧是由文本文件（键盘输入的ASCII码）组成的帧时，其数据部分不会出现SOH和EOT这样的帧定界控制字符。可见不管从键盘上输入什么字符都可以放在这样的帧中传输过去，因为这样的传输就是透明传输。•当传送的帧的数据部分是非ASCII码（程序或图像等），情况就不同了，如果数据中的某个字节的二进制编码正好和SOH或EOT一样，则数据链路层会错误地“找到帧的边界”，把部分帧收下（误认为是完整帧），而把剩下的那部分数据丢弃（这部分找不到帧边界控制字符SOH）。点对点信道的数据链路层－透明传输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完整的帧发送在前解决透明传输问题•字节填充(bytestuffing)或字符填充(characterstuffing)的方法—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数据当中，那么应在转义字符前面再插入一个转义字符。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。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用字节填充法解决透明传输的问题SOH点对点信道的数据链路层－差错控制•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。共k+n位冗余码的计算•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)位的数除以事先双方选定好的长度为(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。•模2运算－加法不进位、减法不借位冗余码的计算举例•现在k=6,M=101001。•假设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。所以最后发送的数据是：2nM+R，即：101001001，共(k+n)位。110101←Q(商)P(除数)→1101101001000←2nM(被除数)11011110110101110000111011010110000011001101001←R(余数)，作为FCS循环冗余检验的原理说明帧检验序列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•把收到的每一个帧都除以同样的除数P(模2运算)，然后检验余数，若余数R=0，则判定这个帧没有差错，就接受(accept)。若余数R0，则判定这个帧有差错，就丢弃。•CRC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。•国际标准：–CRC-16,CRC-CCITT,CRC-32（IEEE802.3协议）CRC循环冗余检测需注意的问题•仅用循环冗余检验CRC差错检测技术只能做到无差错的接受(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。PPP协议的组成•1992年制订了PPP协议。经过1993年和1994年的修订，现在的PPP协议已成为因特网的正式标准[RFC1661]。•PPP协议有三个组成部分：–一个将IP数据报封装到串行链路的方法–链路控制协议LCP(LinkControlProtocol)–网络控制协议NCP(NetworkControlProtocol)PPP点对点协议－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