计算机网络自顶向下方法(第四版)-中文版课件-第五章

1第5章链路层和局域网网络层：提供两台主机之间的通信服务。通信路径由源主机和目的主机之间的一系列通信链路和路由器组成。链路2链路层：分组如何通过各段链路网络层的数据报如何被封装成链路层的帧；链路层协议是否能够提供路由器之间的可靠数据传输；通信路径上不同的链路是否采用不同的链路层协议。链路3学习目的了解数据链路层服务及协议原理:差错检测和纠错共享广播信道：多址访问协议链路层寻址可靠传输各种链路层技术的实现4链路层信道类型广播链路和点对点通信链路两种。广播链路：许多主机被连接到相同的通信信道。需要媒体访问协议来协调传输和避免“碰撞”（冲突）。常用于局域网LAN、无线LAN、卫星网和光纤电缆混合(HFC)接入网。5链路层的两类信道点对点通信链路：直接链接两个节点的链路，每一端有一个节点。访问控制简单。主要解决问题：如成帧、可靠数据传输、差错检测和流量控制等。如两台路由器之间的通信链路，或住宅的拨号调制解调器与ISP路由器之间的通信链路。6主要内容5.1概述与服务5.2差错检测和纠错5.3多路访问协议5.4链路层编址5.5以太网5.6集线器和交换机5.7PPP5.8链路虚拟化:ATM5.9小结75.1概述和服务节点(node)：主机和路由器链路(link)：连接相邻节点的通信信道。链路层传输数据报的过程：沿端到端路径上的每段独立的链路传输。发送节点先将数据报封装成链路层帧，发送到链路上；接收节点接收该帧，并提取出数据报。节点链路5.1.1链路层提供的服务5.1.2适配器通信85.1.1链路层提供的服务链路层功能：将分组通过一个链路，从一个节点传输到邻近的另一个节点。链路层协议：用来在单段链路上传输分组。定义了在链路两端的节点之间交互的分组格式，以及当发送和接收分组时节点采取的动作。交换的数据单元称为帧(frame)，封装了一个网络层的数据报。所采取的动作：包括差错检测、重传、流量控制和随机访问。典型协议：以太网、802.11无线LAN、令牌环和PPP，以及ATM。9网络层与链路层关系网络层：将运输层报文段从源主机传送到目的主机。能够在各段链路层提供异构服务的情况下，完成端到端的工作。链路层：将网络层数据报从一个节点传送到下一个节点（单段链路）。不同的链路采用不同的链路层协议，提供的服务不同。10类比例旅行社组织游客从A地到B地。经过3段旅程，如图。游客：数据报；运输区段：通信链路；运输方式：链路层协议，如汽车、飞机和火车。旅行社：选路协议。汽车飞机火车AB11链路层提供的服务将数据报通过一条通信链路从一个节点“移动”到相邻的节点。成帧：把网络层数据报封装成链路层帧，再传送到链路上。首部包括若干字段：如编号、物理地址等。不同的链路层协议，帧格式可能不同。首部数据报12链路访问：由媒体访问控制MAC协议定义帧在链路上传输的规则。点对点链路：一个发送方和一个接收方，MAC协议比较简单(或不存在)，即任何时候只要链路空闲，发送方都能够发送帧。广播链路：多个节点共享一个链路（多路访问），使用MAC协议协调多个节点的帧传输。链路层提供的服务13链路层提供的服务可靠交付：保证网络层的数据报无差错地通过链路层。与运输层类似，可通过确认和重传获得。高差错率的链路：如无线链路，在本地(发生差错的链路)纠正差错，不通过运输层或应用层协议进行端到端的数据重传；低差错率的链路：如光纤、同轴电缆、双绞线链路，不需提供可靠的传输服务。14流量控制：防止发送节点的发送速率过高，避免接收节点来不及处理。链路节点的帧缓存容量有限。当帧到达接收节点的速率大于其处理速率，接收方缓冲区产生溢出，帧会丢失。链路层提供的服务15链路层提供的服务差错检测：帧在传输时有可能出现比特差错（10、01）。差错检测用来检测是否存在一个或多个差错。发送节点：在帧中设置差错检测比特；接收节点：对收到的帧进行差错检测。通过硬件实现。差错纠正：与差错检测类似。接收方不仅能检测帧中是否出现差错，还能判断差错的位置，并进行纠正。16链路层提供的服务半双工和全双工：全双工传输：链路两端的节点可以同时传输分组。半双工传输：链路两端的节点不能同时传输和接收，只能交替。17链路层服务和运输层服务比较运输层协议：在端到端的基础上为两个进程之间提供可靠传输；流量控制是在端到端的基础上提供。链路层协议：在一条链路相连的两个节点之间提供可靠传输。流量控制是在相邻节点之间的基础上提供。185.1.2适配器通信适配器(adapter)：网络接口卡（NIC，networkinterfacecard）。是一个电路板（或PCMCIA板），包括RAM、DSP芯片、主机总线接口和链路接口。实现物理层及链路层的主要功能。发送节点帧接收节点数据报帧适配器适配器链路层协议19链路层功能实现相邻节点间帧的传输：成帧，传输帧，接收帧，解封发送节点：网络层将数据报传递到适配器，封装成帧，将帧传输到通信链路。接收节点：适配器接收帧，解封取出数据报，传递给网络层。差错检测：发送适配器设置差错检测比特，接收适配器完成差错检测。可靠交付：具体实现可靠交付的机制(如序号、定时器和确认)。随机访问：实现随机访问协议。20特点是一个半自治的单元。适配器接收帧，并判断是否有差错出错：直接丢弃该帧，不通知它的“父节点”（适配器所在的节点）。正确：向上传递网络层数据报，中断其“父节点”。适配器发送帧：节点把网络层数据报向下传给适配器，由适配器负责在链路上传输数据报。硬件上：适配器和节点的其他部分在同一个物理盒子中，共享电源和总线，在节点的控制之下。21适配器组成总线接口：负责与父节点通信。在适配器和父节点之间传输数据和控制信息。链路接口：负责实现链路层协议。将数据报成帧（发送）、解帧获得数据报（接收），并提供差错检测、随机访问和其他链路层功能。包含传输和接收电路。网卡速率：10Mbps、100Mbps、10/100M自适应。225.2差错检测和纠错技术比特级差错检测和纠错对一个节点发送到一个相邻节点的帧，检测是否出现比特差错，并纠正。相关技术很多。差错检测和纠错的过程网络层数据链路层，帧23发送节点将数据D附加若干差错检测和纠错位EDC，一起发送到链路。数据D包括网络层传来的数据报，以及链路级寻址信息、序列号和其他字段。保护范围包括数据D的所有字段。网络层数据链路层，帧24接收节点接收比特序列D'和EDC'。如果发生传输比特错误（01，10），D'和EDC'可能与发送的D和EDC不同。接收方根据D'和EDC'，判断D'是否和初始的D相同（D的传输是否正确）。•正确：解封取出数据报，交给网络层；•出错：差错处理。网络层数据链路层，帧25说明：差错检测和纠正技术不能保证接收方检测到所有的比特差错，即可能出现未检测到的比特差错，而接收方并未发现。选择一个合适的差错检测方案使未检测到的情况发生的概率很小。差错检测和纠错技术越好，越复杂，开销更大。26三种主要差错检测技术奇偶校验：最基本的方法。检查和方法：常用于运输层。循环冗余检测：常用于链路层。5.2.1奇偶校验5.2.2检查和方法5.2.3循环冗余检测271、一比特奇偶校验发送方：在要发送的信息D（d位）后面附加一个奇偶校验位使“1”的个数是奇数（奇校验）或偶数（偶校验）一起传输发送（d+1位）。01110001101010111d位数据校验位偶校验28接收方：检测收到的信息（d+1位）中“1”的个数。偶校验：发现奇数个“1”，至少有一个比特发生差错（奇数个比特差错）。奇校验：发现偶数个“1”，至少有一个比特发生差错。01110001101010111d位数据校验位偶校验29特点可以查出任意奇数个错误，但不能发现偶数个错误。若比特差错概率很小，差错独立发生，一比特奇偶校验可满足要求。若差错集中一起“突发”（突发差错），一帧中未检测到的差错的概率达到50%。302、二维奇偶校验基本思想：将要传信息D（d比特）划分为i行j列（i个组，每组j位）；对每行和每列分别计算奇偶值；结果的i+j+1个奇偶比特构成了帧的差错检测比特。i行j列31例特点：可以检测并纠正单个比特差错（数据或校验位中）。能够检测(但不能纠正)分组中任意两个比特的差错。行、列确定要发送的数据比特101011111001110，划分3组，每组5个比特。进行行、列偶校验32前向差错纠正FEC接收方可以检测并纠正差错。可与ARQ技术一起应用，接收方立即纠正差错，减少发送方重发的次数。降低分组传输的往返传播时延，适用于实时网络应用。335.2.2检查和方法把要发送的d位数据看成是一个k位整数的序列，将这些k位整数加起来，得到的和作为差错检测比特。TCP和UDP协议：对所有字段(包括首部和数据字段)都计算因特网检查和。有些协议：对首部计算一个检查和，对整个分组计算另一个检查和。34检查和发送方：将数据的每两个字节当作一个16位的整数，可分成若干整数；将所有16位的整数求和；对得到的和逐位取反，作为检查和，放在报文段首部，一起发送。接收方：对接收到的信息(包括检查和)按与发送方相同的方法求和。全“1”：收到的数据无差错；其中有“0”：收到的数据出现差错。或者核对计算的检查和是否等于检查和字段的值。35011001100110000001010101010101011000111100001100101001010110000010100101011000010例子注意当数字作加法时，最高位的进位要回加到结果中。例，有三个16比特的字：回卷和检查和（取反）无差错，和为：1011010100111101111111111111111136检查和特点：分组开销小：检查和位数比较少；差错检测能力弱：•适用于运输层（差错检测用软件实现，检查和方法简单、快速）。•链路层的差错检测由适配器中专用的硬件实现，采用更强的CRC方法。375.2.3循环冗余检测计算机网络中广泛采用。循环冗余检测CRC(cyclicredundancycheck)编码：即多项式编码，把要发送的比特串看作为系数是0或1的一个多项式，对比特串的操作看作为多项式运算。基本思想：设发送节点要把数据D（d比特）发送给接收节点。发送方和接收方先共同选定一个生成多项式G（r+1比特），最高有效位(最左边)是1。10111x4+x2+x+138发送方：计算出一个r位附加比特R，添加到D的后面产生DR（d+r比特）DR能被G模2运算整除，一起发送。接收方：用G去除接收到的DR（d+r比特）余数非0：传输发生差错；余数为0：传输正确，去掉尾部r位，得所需数据D。基本思想D:要发送的数据（d位）R:CRC校验（r位）DR（d+r位）39模2运算：加法不进位，减法不借位，即操作数的按位异或(XOR)例1011XOR0101=1110；1011-0101=11101001XOR1101=0100；1001-1101=0100乘法和除法与二进制运算类似，其中加法或减法没有进位或借位。乘以2r，即比特模式左移r个位置。D×2rXORR=D00…00XORR=DR(d+r比特)40计算R（CRC比特）：DR能被G模2运算整除：即D×2rXORR=nG等式两边都用R异或，得到D×2r=nGXORR即用G来除D×2r，余数值刚好为R。R的计算：将数据D后面添加r个0，除以给定的生成多项式G，所得余数即为R（r位）。41例设D=101110，d=6，G=1001，r=3实际传输的数据形式是：101110011r+1位D后添加3个03位42生成多项式G的选择：有8、12、16和32比特生成多项式G。8比特的CRC用于保护ATM信元首部；32比特的标准CRC-32用于链路级协议：GCRC-32=100000100110000010001