第三章数据链路层讲义

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1、第三章 数据链路层,1、数据链路层的基本概念 2、点对点协议PPP 3、信道共享技术 4、局域网技术,1、 数据链路层的基本概念 链路（link）：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点。 规程：控制数据传输的一些基本要求，协议。 数据链路（data link） ：在相邻节点间的数据线路基础上，建立的具有数据传输格式（帧）和传输控制功能的逻辑通路。 链路物理链路，数据链路：逻辑链路。,第一节 数据链路层的基本概念,2、数据链路层的功能 数据链路层使用的信道主要有两种类型： 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，须使用共享信道协议来协调主机

2、的数据发送。,第一节 数据链路层的基本概念,2、数据链路层的功能 数据链路层的最主要功能是：通过一些数据 链路层协议（链路控制规程），在不可靠的链路 上实现可靠的数据传输。具体有： 链路管理：数据链路的建立、维持、释放。 成帧/拆帧：发方组装帧、收方拆卸帧。,第一节 数据链路层的基本概念,2、数据链路层的功能 帧同步（定界）：收方应从收到的比特流中准确区分帧（头、尾），在出现差错时，可实现差错帧重传以及帧顺序控制（丢帧、重复帧处理）。 差错控制：采用编码技术，满足计算机通信要求极低的比特差错率。一般有两类编码技术： 前向纠错：收方能够自动改正有差错的数据帧。 差错检测：收方可以检测出收到的帧有

3、差错，通常采取丢弃后不处理或重传两种策略。,第一节 数据链路层的基本概念,2、数据链路层的功能 流量控制：根据收方信息调整发方发送速率，以适应接收能力。 寻址控制：在多点链路上传输帧，标识/识别帧的源/宿节点。保证帧到达正确目的站。 透明传输：当数据的比特模式与某控制信息的比特模式完全一样时，采取适当措施加以区分，在这样的机制下才可实现透明传输。,第一节 数据链路层的基本概念,3、数据链路层的服务 数据链路层向网络层提供三种不同类型的服务： 无确认、无连接的服务。对帧的差错、丢失不作处理，适用线路差错率低的网络，如：传输实时的语音、图象数据。 有确认、无连接的服务。各帧独立发送，对收到帧进行确

4、认，出现出错和丢失进行帧重发。 面向连接的服务。双方节点事先建立连接，各帧有顺序编号，收方检错、确认，重发出错和丢失帧。,第一节 数据链路层的基本概念,第二节 点对点协议PPP,1、面向比特的链路控制规程 HDLC 面向字符的控制规程：IMP-IMP协议（ARPANET）和BSC协议（IBM）。 面向比特的规程：1974年，IBM公司提出体系结构SNA，在其链路层采用SDLC，ANSI将其修改为ADCCP，ISO将其修改为HDLC。随后的LAP及LAPB。,第二节 点对点协议PPP,2、两种链路配置和三种操作方式 两种链路配置：非平衡和平衡 非平衡：点对点和多点工作。由一个主站和一个或多个次站

5、组成，主站发出帧为命令帧和次站发出帧为响应帧，主站为核心控制整个链路。 平衡：点对点工作。由两个复合站组成，复合站：具有主站与次站功能，可以发送命令帧和响应帧，双方均可控制链路。,第二节 点对点协议PPP,2、两种链路配置和三种操作方式 两种链路配置的三种情形：,第二节 点对点协议PPP,2、两种链路配置和三种操作方式 三种操作方式： 正常响应方式NRM：只有主站才能向次站传输数据，主站向次站发出命令帧轮询时，次站才能以响应帧的形式回答主站。 异步响应方式ARM：次站可以主动向主站传输数据，而不必等待主站的命令帧，次站可以主动发送响应帧。 异步平衡方式ABM：每个复合站可以平等传输数据，而不需

6、要得到对方的允许。,第二节 点对点协议PPP,3、PPP协议 用户接入Internet的一般方法： 拨号电话线接入； 专线接入。 以上需要数据链路层协议，使用较多的有： 串行线路网际协议SLIP：简单面向字符协议； 点对点协议PPP：面向字节的且支持面向比特同步链路以及支持异步链路。,第二节 点对点协议PPP,3、PPP协议,用户主机,Modem,Modem,路由器,路由器,专线DDN,访问服务器,拨号主机-访问服务器：,路由器-路由器：,第二节 点对点协议PPP,4、PPP协议的组成 点对点协议PPP有三个部分： 成帧/拆帧，差错检测 提供“链路控制协议”LCP，用来建立、配置和测试数据链路

7、的连接 提供“网络控制协议”NCP，支持多种不同的网络层协议，如IP，IPX，DECnet等 PPP是一种具有多协议装帧机制的数据链路层协议，适用于DDN专线、SONET光纤高速线路。,第二节 点对点协议PPP,点对点协议PPP：由IETF制定。 PPP的帧格式如：,协议字段：0x0021-分组是网络层下交数据； 0xC021用于协商本层控制协议LCP和NCP产生的数据。,SOH,EOT,第二节 点对点协议PPP,PPP的典型工作过程：主机拨号接入ISP访问服务器 主机拨号，同访问服务器建立物理连接； 双方交换装载LCP分组的帧，用于协商链路参数； 双方交换装载NCP分组的帧，用于配置网络层；

8、 主机成为因特网上的临时主机，接收或发送数据； 双方交换装载NCP分组的帧，用于释放网络层的配置； 双方交换装载LCP分组的帧，用于释放链路连接； 双方释放物理连接。,第三节 信道共享技术,多个用户同时与一个主机相连，为提高信道利用率，采用信道共享技术。从层次上看，该问题属数据链路层的MAC子层内容。,多点接入技术： 受控接入是指各个用户不能任意接入信道而必须服从一定的控制。分为集中式控制（轮询）和分散式控制（令牌环）。 随机接入是指所有用户可以根据需要随机发送信息。冲突（collision)的解决是接入技术的核心问题。如ALOHA等。 信道共享技术的重要指标：时延、吞吐量。,第三节 信道共享

9、技术,多个用户共享信道的方法主要有两大类： 使用集中器或复用器：频分复用（FDM）、时分复用（TDM）、波分复用（WDM）、码分复用（CDMA）。 多点接入技术：受控接入、随机接入。受控接入：轮叫轮询、传递轮询。随机接入：ALOHA 、CSMA、CSMA/CD。,第三节 信道共享技术,1、纯ALOHA 问题：网络通信量较小，用户自由发送数据 产生冲突的概率不大，通过协议较好地处理冲突。 工作原理：各站自由发送数据帧，冲突后等 待一段随机时间后重发；若再发生冲突，则再等 待一段随机时间，直到重发成功。,第三节 信道共享技术,1、纯ALOHA 性能分析：一个帧若想发送成功，必须在帧发送前后各一段时

10、间T0（帧发送时间）内，没有其他帧发送。 吞吐量S：帧在发送时间T0内成功发送的平均帧数。0S1，当S=1时，帧接连成功发送。通常以S衡量信道利用率。 网络负载G：在T0内总共发送的平均帧数。GS，显然：S=GP。P为一个帧发送成功的概率。G=0.5时，S=0.184。,第三节 信道共享技术,2、时隙ALOHA（S-ALOHA）,第三节 信道共享技术,2、时隙ALOHA（S-ALOHA） 时隙ALOHA基本工作原理：将时间划分为一段等长的时隙（slot），不论帧在何时产生，只能在每个时隙发送出去。 时隙ALOHA性能 分析：S=Ge-G，当G=1时，S=e-1=0.368。,第三节 信道共享技

11、术,第三节 信道共享技术,什么是CSMA CSMA的三种策略 非坚持的CSMA 1-坚持的CSMA p -坚持的CSMA CSMA/CD及其工作原理,第三节 信道共享技术,什么是CSMA,目的：减少冲突，提高吞吐量,CSMA（Carrier Sense Multiple Access）：载波监听多路访问,来源：由ALOHA改进而产生的一种协议,改进：附加了硬件装置每个站都能在发送数据前监听信道是否空闲,什么是CSMA CSMA的三种策略 非坚持的CSMA 1-坚持的CSMA p -坚持的CSMA CSMA/CD及其工作原理,第三节 信道共享技术,非坚持的CSMA 若监测到信道空闲：立即发送；

12、若监测到信道忙：放弃监听一段随机时间,1-坚持的CSMA 若监测到信道空闲：立即发送； 若监测到信道忙：坚持监听,p -坚持的CSMA 若监测到信道空闲：以概率p发送； 若监测到信道忙：坚持监听,什么是CSMA CSMA的三种策略 非坚持的CSMA 1-坚持的CSMA p -坚持的CSMA CSMA/CD及其工作原理,第三节 信道共享技术,CSMA/CD及其工作原理,先听后发,边听边发，冲突停止，发阻塞信号,随机延迟后重发,CSMA/CD（ Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）: 带有冲突检测的载波监听多路访问,先听后发

13、,问题：多节点同时发送数据引起冲突。,先听后发,解决方案：传输前监听电缆上是否有信号存在 （检测电缆电压）。,边听边发，冲突停止，发阻塞信号,问题：传输时延可能导致冲突。,信道空闲!,监听,边听边发，冲突停止，发阻塞信号,解决方案：边发送边监听，若有冲突，冲突双 方停止发送，发阻塞信号。,冲突检测时间2：为端到端的传输时延 最小帧长：区分有效帧和短的无效帧。,随机延迟后重发,问题：冲突停止后，如何避免重传的再次冲突？,随机延迟后重发,解决方案：各站根据一定的退避算法，随机延迟 一段时间。,T: 已冲突I次的数据帧再发送的延迟时间 I: 冲突次数，每冲突一次，I值加1 2：数据在电缆上传输往返一

14、次所需时间,二进制退避算法,T = 2 2 I-1,总结,低负载时网络基本无时延，高负载时网络效率下降很多。,算法简单，易于实现,第四节 局域网概述,1、局域网的主要技术特点 局域网的技术是当前计算机网络研究与应用 的一个热点问题，也是目前技术发展最快的领域之一。从应用的角度看，局域网主要的技术特点有以下几点： 局域网覆盖有限的地理范围，适用于有限范围内的计算机、终端与各类信息处理设备联网的需求；,第四节 局域网概述,1、局域网的主要技术特点 局域网具有高数据传输率（10100Mbps）、 低误码率的高质量的数据传输环境； 局域网一般属于一个单位所有，易于建立、维 护和扩展； 局域网从介质访问

15、控制方法的角度可分为两类： 共享介质局域网与交换局域网；,第四节 局域网概述,2、局域网的技术特点由三方面决定： 拓扑结构 传输介质 介质访问方式,第四节 局域网概述,拓扑结构：影响网络性能和介质访问技术， 是分析和设计局域网的重要环节。分类： 星形 环形 总线形 树形,第四节 局域网概述,传输介质： 双绞线（3类10Mb/s、 5类100Mb/s) 同轴电缆（基带、宽带） 光缆（单模、多模）,第四节 局域网概述,介质访问方式： 固定式接入（带宽资源进行固定分配，如 FDM、TDM） 集中式接入（主控中心动态分配带宽资源， 如轮询） 分布式接入（各站点具有同等接入策略， CSMA/CD、ALO

16、HA、TOKEN RING、 TOKEN BUS）,1、IEEE 802参考模型 80年2月，IEEE制定和公布局域网标准IEEE 802 ，ANSI接收为美国标准，ISO作为国际标准。,第五节 局域网体系结构,LLC子层,第五节 局域网体系结构,2、IEEE 802 标准,第五节 局域网体系结构,2、IEEE 802 标准 802.1：概述、体系结构和网络互连，以及网 络管理和性能测量； 802.2：逻辑链路控制。高层协议与任何一种 局域网MAC子层的接口； 802.3：CSMA/CD。定义CSMA/CD总线网 的MAC子层和物理层的规约； 802.4：令牌总线网。定义令牌总线网的MAC 子层和物理层的规约； 802.5：令牌环网。定义令牌环网的MAC子层 和物理层的规约；,第五节 局域网体系结构,2、IEEE 802 标准 802.6：城域网MAN。定义城域网的MAC子 层和物理层的规约； 802.7：宽带技术； 802.8：光纤技术； 802.9：综合话音数据局