计算机网络课件-数据链路层2[1]

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1、计算机网络 computer networks,蔡丽 QQ:3663279,数据链路层的三个基本问题,(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。,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,SOH,SOH,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

2、,字节填充,发送 在前,帧开始符,帧结束符,2.用字节填充法解决透明传输的问题,SOH,3.差错检测,奇偶校验 检错 循环冗余校验 检错 海明码校验 纠错,冗余码的计算,已知发送的数据M，除数P（n+1位）。 解：M后面加n个0，除以P。 （模2除法） 余数R （n位）即为冗余码。 发送的数据： M后面加R。,点对点协议 PPP,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 (Link Control Protocol)。 网络控制协议 NCP (Network Control Protocol)。,PPP 协议的帧格式,IP 数据报,1,2,1

3、,1,字节,1,2,不超过 1500 字节,先发送,7E,FF,03,F,A,C,FCS,F,7E,协议,信 息 部 分,首部,尾部,透明传输问题,当 PPP 用在异步传输时，就使用一种特殊的字符填充法。 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：零比特填充法）。,不提供使用序号和确认 的可靠传输,PPP 协议之所以不使用序号和确认机制是出于以下的考虑： 在数据链路层出现差错的概率不大时，使用比较简单的 PPP 协议较为合理。 在因特网环境下，PPP 的信息字段放入的数据是 IP 数据报。数据链路层的可靠传输并不能够保证网络层的传输也是可靠的。

4、帧检验序列 FCS 字段可保证无差错接受。,第 3 章 数据链路层（续）,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 3.3.2 CSMA/CD 协议 3.4 使用广播信道的以太网 3.4.1 使用集线器的星形拓扑 3.4.2 以太网的信道利用率 3.4.3 以太网的 MAC 层,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 3.3.2 CSMA/CD 协议,3.3.1 局域网的数据链路层,局域网的定义： 局域网LAN是指在较小的地理范围内，将有限的通信设备互联起来的计算机通信网络。 局域网最主要的特点： 网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有

5、限。,局域网的特点,共享传输信道。在局域网中，多个系统连接到一个共享的通信媒体上。 地理范围有限，用户个数有限。通常局域网仅为一个单位服务，只在一个相对独立的局部范围内连网。一般来说，局域网的覆盖范围约为10m10km内或更大一些。 传输速率高。局域网的数据传输速率一般为10100Mbps，能支持计算机之间的高速通信，所以时延较低。 误码率低。因近距离传输，所以误码率很低，一般在10-810-11之间。 多采用分布式控制和广播式通信。在局域网中各站是平等关系而不是主从关系，可以进行广播或组播。,局域网具有如下的一些主要优点：,具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网。局域网上的主机可共享连接

6、在局域网上的各种硬件和软件资源。 便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活调整和改变。 提高了系统的可靠性、可用性和残存性。,局域网的拓扑,匹配电阻,集线器,干线耦合器,总线网,星形网,树形网,环形网,媒体共享技术,静态划分信道 频分复用 时分复用 波分复用 码分复用 动态媒体接入控制（多点接入） 随机接入 受控接入 ，如多点线路探询(polling)，或轮询。,局域网的两个标准,DIX Ethernet V2 是世界上第一个局域网产品（以太网）的规约。 IEEE 的 802.3 标准。 DIX Ethernet V2 标准与 IEEE 的 802.3 标准只有很小的差别，因此可以将 8

7、02.3 局域网简称为“以太网”。 严格说来，“以太网”应当是指符合 DIX Ethernet V2 标准的局域网,IEEE 802标准系列：（红色字体为目前活跃的工作组） IEEE 802.1 桥接/体系结构。 IEEE 802.2 逻辑链路控制。 IEEE 802.3 CSMA/CD总线访问控制方法及物理层技术规范。 IEEE 802.4 令牌总线访问控制方法及物理层技术规范。 IEEE 802.5 令牌环网访问控制方法及物理层规范。 IEEE 802.6 城域网访问控制方法及物理层技术规范。 IEEE 802.7 宽带技术。 IEEE 802.8 光纤技术。 IEEE 802.9 综合业

8、务数字网（ISDN）技术。 IEEE 802.10 局域网安全技术。 IEEE 802.11 无线局域网。 IEEE 802.12 100BASE-VG标准 IEEE 802.14 有线电视网（CATV Broadband）标准 IEEE 802.15 无线个人区域网 IEEE 802.16 宽带无线接入 IEEE 802.17 弹性分组环 IEEE 802.18 无线管制 IEEE 802.19 共存 IEEE 802.20 移动宽带无线接入 IEEE 802.21 媒体无关切换,数据链路层的两个子层,为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，802 委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子

9、层： 逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control)子层 媒体接入控制 MAC (Medium Access Control)子层。 与接入到传输媒体有关的内容都放在 MAC子层，而 LLC 子层则与传输媒体无关。,MAC层的主要功能,与接入各种传输介质有关的问题都放在MAC子层： 在发送端将要传输的数据组装成帧，帧中包含有地址和差错检测等字段； 在接收端，将接收到的帧解包，进行地址识别和差错检测； 管理和控制对于局域网传输介质的访问；,LLC层的主要功能,数据链路层中与介质接入无关的部分都集中在LLC子层： 建立和释放数据链路层的逻辑连接； 提供与高层的接口； 差错控制；

10、 给帧加上序号,局域网对 LLC 子层 是透明的,局 域 网,网络层,物理层,站点 1,网络层,物理层,数据 链路层,站点 2,LLC 子层看不见 下面的局域网,以后一般不考虑 LLC 子层,由于 TCP/IP 体系经常使用的局域网是 DIX Ethernet V2 而不是 802.3 标准中的几种局域网，因此现在 802 委员会制定的逻辑链路控制子层 LLC（即 802.2 标准）的作用已经不大了。 很多厂商生产的适配器上就仅装有 MAC 协议而没有 LLC 协议。,适配器的作用,网络接口板又称为通信适配器(adapter)或网络接口卡 NIC (Network Interface Card

11、)，或“网卡”。 适配器的重要功能： 进行串行/并行转换。 对数据进行缓存。 在计算机的操作系统安装设备驱动程序。 实现以太网协议。,计算机通过适配器 和局域网进行通信,硬件地址,至局域网,适配器 （网卡）,串行通信,CPU 和 存储器,生成发送的数据 处理收到的数据,把帧发送到局域网 从局域网接收帧,计算机,IP 地址,并行 通信,以太网,局域网技术中最著名和应用最广泛的是以太网（Ethernet），它是局域网的主流网络技术。 全球90%以上的LAN都是以太网，全球网络中以太网端口至少在32亿个以上，已安装的以太网设备高达几万亿美元。 由于以太网的数据率已演进到100Mb/s、1Gb/s甚至

12、10Gb/s，因此通常就用“传统以太网”来表示最早流行的10Mb/s速率的以太网。 下面我们先介绍传统以太网。,最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。当初认为这样的连接方法既简单又可靠，因为总线上没有有源器件。,传统以太网,以太网的广播方式发送,B向 D 发送数据,C,D,A,E,匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号）,匹配电阻,不接受,不接受,不接受,接受,B,只有 D 接受 B 发送的数据,以太网的广播方式发送,总线上的每一个工作的计算机都能检测到 B 发送的数据信号。 由于只有计算机 D 的地址与数据帧首部写入的地址一致，因此只有 D 才接收这个数据帧。 其他所有的计算机（A, C

13、 和 E）都检测到不是发送给它们的数据帧，因此就丢弃这个数据帧而不能够收下来。 具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。,为了通信的简便 以太网采取了两种重要的措施,采用较为灵活的无连接的工作方式，即不必先建立连接就可以直接发送数据。 以太网对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。 这样做的理由是局域网信道的质量很好，因信道质量产生差错的概率是很小的。,以太网提供的服务,以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。 当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，其他什么也不做。差错的纠正由高层来决定。 如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但以太网并不知道这是一个重传的帧，而是当作一

14、个新的数据帧来发送。,3.3.2 CSMA/CD 协议,CSMA/CD 表示 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，全称为载波监听多点接入/碰撞检测 。 CSMA/CD主要解决两个问题： 一是各站点如何访问共享介质； 二是如何解决同时访问造成的碰撞。,CSMA载波监听多点接入,“多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。 “载波监听”是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。 载波监听策略： 非坚持CSMA：一旦监听到信道忙，就不再监听

15、；延迟一个随机时间后再次监听。 坚持CSMA：监听到信道忙时，仍继续监听，直到信道空闲。 1-坚持CSMA：一听到信道空闲就立即发送数据 p-坚持CSMA：听到信道空闲时，以概率p发送数据（以概率1-p延迟一段时间后再发送） CSMA技术不能解决发送中出现的冲突现象。,电磁波在总线上的 有限传播速率的影响,当某个站监听到总线是空闲时，也可能总线并非真正是空闲的。 A 向 B 发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到 B。 B 若在 A 发送的信息到达 B 之前发送自己的帧(因为这时 B 的载波监听检测不到 A 所发送的信息)，则必然要在某个时间和 A 发送的帧发生碰撞。 碰撞的结果是两个帧都变

16、得无用。,1 km,A,B,t,t = B 检测到信道空闲 发送数据,t = / 2 发生碰撞,A,B,A,B,t = 0 A 检测到 信道空闲 发送数据,A,B,t = 0,A,B,单程端到端 传播时延记为,CD碰撞检测,“碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。 当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大（互相叠加）。 当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞。 所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。,检测到碰撞后,在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来。