网络原理 数据链路层讲解

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1、课件制作人：谢希仁,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 使用广播信道的以太网 3.5 扩展的以太网 3.6 高速以太网 3.7 其他类型的高速局域网接口,第 3 章 数据链路层,Function of data-link layer： to transfer frame from one node to adjacent node over a single link. (from James F. Kurose and Keith W. Ross, Computer Networking),课件制作

2、人：谢希仁,第 3 章 数据链路层,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 3.2 点对点协议 PPP 3.3 使用广播信道的数据链路层 3.4 使用广播信道的以太网 3.5 扩展的以太网 3.6 高速以太网 3.7 其他类型的高速局域网接口,课件制作人：谢希仁,第 3 章 数据链路层,数据链路层信道主要有以下两种类型： 点对点信道 使用一对一的点对点通信方式。 广播信道 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,课件制作人：谢希仁,数据链路层的简单模型,局域网,

3、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,从层次上来看数据的流动,课件制作人：谢希仁,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,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,R1,R2,R3,H1,H2,仅从数据链路层观察帧的流动,课件制作人：谢希仁,3.1 使用点对点信道的数据链路层 3.1.

4、1 数据链路和帧,链路(link)（物理链路） 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(data link) （逻辑链路） 物理链路+通信协议。 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。,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,数据 链路层,结点 A,结点 B,(a),(b),发送,接收,链路,IP 数据报,1010 0110,帧,装入,数据链路层传送的是帧,课件制作人：谢希仁,数据链路层

5、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。 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。,课件制作人：谢希仁,3.1.2 三个基本问题,(1) 帧封装 (2) 透明传输 (3) 差错控制,课件制作人：谢希仁,1.帧封装,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,课件制作人：谢希仁,用控制字

6、符进行帧定界的方法举例,如果数据是ASCII码，帧开始符SOH(Start Of Header, 0x01)和帧结束符EOT(End Of Transmission, 0x04),课件制作人：谢希仁,2. 透明传输,透明传输：数据部分的”SOH”和”EOT”也能被顺利传输。,课件制作人：谢希仁,解决透明传输问题,字节填充(byte stuffing)或字符填充(character stuffing) 发送端：在 “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：删除插入的转义字符。 转义字符：前面插入一个转义字符。,课件制作人：谢希仁,SOH,SOH,

7、EOT,SOH,ESC,ESC,EOT,ESC,SOH,ESC,ESC,ESC,SOH,原始数据,EOT,EOT,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,课件制作人：谢希仁,差错检测 1）概念,在传输过程中可能会产生比特差错：1 可能会变成 0 ， 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 (Bit Error Rate)。 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。,课件制作人：谢希

8、仁,2）循环冗余检验CRC (a) 算法,循环冗余检验 CRC (Cyclic Redundancy Control) 在数据后加n位冗余码 公式：(M*2n)/P M-数据；n-冗余码长度；P-除数（长度=n+1)； 计算：模2计算 不进位、不借位 加、减法,课件制作人：谢希仁,(b) CRC举例,M = 101001，n=3, p=1101 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。,课件制作人：谢希仁,110101 Q (商) P (除数) 1101 101001000 2nM (被除数) 1101 1110 1101 0111 0000 1

9、110 1101 0110 0000 1100 1101 001 R (余数)，作为 FCS,(b) CRC举例,课件制作人：谢希仁,(b) CRC举例,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。,课件制作人：谢希仁,(c) 接收端CRC 处理,接收端对接收到的数据+CRC除P: R=(M.CRC)/P= =(2n*M+CRC)/P 若得出的余数 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。 但这种检测方法并不能确定究竟是

10、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。,课件制作人：谢希仁,(d) 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”。 近似地说：“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。,(d) 应当注意,生成多项式P(x) 若：P=1101B, 则：P(x)=1

11、*X3+1*X2+0*X1+1*X0=X3+X2+1 常用P(x):,课件制作人：谢希仁,3) 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 (Frame Check Sequence)。 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。,课件制作人：谢希仁,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 3.2.1 PPP 协议的特点 3.2.2 PPP 协议的帧格式 3.

12、2.3 PPP 协议的工作状态 3.3 使用广播信道的数据链路层 3.4 使用广播信道的以太网 3.5 扩展的以太网 3.6 高速以太网 3.7 其他类型的高速局域网接口,课件制作人：谢希仁,3.2 点对点协议 PPP 3.2.1 PPP 协议的特点,点对点协议 PPP (Point-to-Point Protocol)。 用户使用拨号电话线接入因特网时，一般都是使用 PPP 协议。,课件制作人：谢希仁,用户到 ISP 的链路使用 PPP 协议,用 户,至因特网,已向因特网管理机构 申请到一批 IP 地址,ISP,接入网,PPP 协议,课件制作人：谢希仁,1. PPP 协议应满足的需求,简单这

13、是首要的要求 封装成帧 透明性 多种网络层协议 多种类型链路 差错检测 检测连接状态 最大传送单元 网络层地址协商 数据压缩协商,课件制作人：谢希仁,2. PPP 协议不需要的功能,纠错 流量控制 序号 多点线路 半双工或单工链路,课件制作人：谢希仁,3. 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RFC 1661。 PPP 协议有三个组成部分 帧封装 链路控制协议 LCP (Link Control Protocol) 网络控制协议 NCP (Network Control Protocol),课

14、件制作人：谢希仁,3.2.2 PPP 协议的帧格式 1.帧格式,标志字段 F : 0x7E （01111110B）。 地址字段 A : 固定置为 0xFF。 控制字段 C ：通常置为 0x03。 FCS: 采用CRC。,课件制作人：谢希仁,1.帧格式,协议字段： 占2字节 表明上层使用协议 =0x0021 时，上层使用协议IP。 =0xC021, 上层使用协议LCP 。 = 0x8021，上层使用协议NCP。,先发送,课件制作人：谢希仁,2. 透明传输问题 -字符填充,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。 当 PPP 用在异步传输时，就使用一种特殊的字符填充法。,课

15、件制作人：谢希仁,2. 透明传输问题 -字符填充,当 PPP 用在异步传输时，使用字符填充法。 转义符定义为0x7D。 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。,课件制作人：谢希仁,3. 零比特填充,PPP 协议用在 SONET/SDH 链路时，是使用同步传输，这时 PPP 协议采用零比特填充方法。 在发

16、送端，只要发现所发送数据中有 5 个连续 1，则立即填入一个 0。,0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0,0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 0,0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0,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,在接收端把 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,零比特填充,课件制作人：谢希仁,3.2.3 PPP 协议的工作状态,当用户拨号接入 时， ISP路由器的调制解调器对拨号做出确认，