计算机网络--第三章-数据链路层解读

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1、计算机网络,第 3 章 数据链路层,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 3.2.1 PPP 协议的特点 3.2.2 PPP 协议的帧格式 3.2.3 PPP 协议的工作状态,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,第 3 章 数据链路层（续）,3.5 扩展的以太网 3.5.1

2、 在物理层扩展以太网 3.5.2 在数据链路层扩展以太网 3.6 高速以太网 3.6.1 100BASE-T 以太网 3.6.2 吉比特以太网 3.6.3 10 吉比特以太网 3.6.4 使用高速以太网进行宽带接入 3.7 其他类型的高速局域网接口,OSI 数据链路层概念,数据链路层：为主机/路由器 等相邻结点之间提供通过公 共或本地介质(或信道)进行 （可靠、有效）数据帧（位 流组）传输服务(支持)。 功能包括： 链路管理：控制对物理介质（或信道）的访问 封装：为传输网络层数据包准备数据（成帧） 传输数据： 控制通过物理介质（或信道）的数据（帧）传输,信道的一个本质特点： 信道上递交/接收的

3、数据位的顺序与发送的顺序完全相同,OSI设置数据链路层的考虑,透明性考虑：数据链路层使上层协议收/发数据包无需知道通信将使用何种介质。 独立性考虑：出现新的物理通信技术或介质时，网络层无需做出相应调整。支持各层物理通信协议和网络介质的创新和发展。,分层体系结构的核心思想！,3.1 使用点对点信道的数据链路层 3.1.1 数据链路和帧,链路(link)： 是一条点到点的物理线路段(或信道)，中间没有其它的帧交换结点。 一条链路只是一条端到端通路的一个组成部分。 数据链路(data link) ： 基于物理线路(信道)的服务，按数据链路层工作协议来控制数据的传输，这种建立起来的数据收发关系就叫作数

4、据链路. 数据链路协议 为实现数据链路控制功能而制定的规程或协议。 硬件和（或）软件实现。 常用适配器（例如：网卡）来实现。,数据链路层的简单模型,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：在沿路径途传送的每一跳上，中间设备（通常为路由器）从介质接收帧、解封帧，然后将数据包重新封装在适合该段物理网络介质的新帧中，再转发出去。,观察数据链路层实体间帧的流动,PPP数据链路层协议,以太网数据链路层协议,HDLC数据链路层协议,以太网中继数据链路层协议,数据链路协议的作用位置,IP 数据报,1010 0110,帧

5、,取出,数据链路层,网络层,链路,物理层,IP 数据报,1010 0110,帧,装入,结点 A,结点 B,数据链路协议的作用位置,3,2,2,2,2,3,路由进程,数据链路进程,链路/信道,数据链路层使用的信道类型,点对点信道：常用于WAN， 以点到点的方式端接两个通信实体进行一对一通信的信道。,广播信道： 常用于LAN， 以多点接入/多路接入连接多个通信实体进行一对多(广播)通信的信道。,使用共享信道协议来协调/控制这些主机在信道上的数据收发,WAN设备与WAN (物理层)链路/信道,CSU/DSU ： CSU-通道服务单元 DSU-数据服务单元 CSU 为（例如 T1）数字载体线路提供端接

6、并通过纠错和线路监控技术确保连接的完整性。 DSU 将（例如 T1）数字载体线路帧转换为 LAN 可以解释的帧，也可逆向转换。 接入服务器： 可以同时包含模拟和数字接口，集中处理数以百计用户的 拨入和拨出通信。 WAN 交换机： 电信网络中使用的多端口互连设备。 在 OSI 参考模型的数据链路层上运行,串行点对点WAN链路,实验中的串行WAN连接,WAN数据链路层协议 针对不同信道类型，存在众多的数据链路层标准和协议，它们的功能和服务存在差异,数据链路层协议标准,数据链路层中的工作协议和服务主要由工程组织（如 IEEE、ANSI 和 ITU）和通信公司制定的。 工程组织设置公共开放式标准和协议

7、。 为利用新的技术进步或市场机会，通信公司可能设置和使用私有协议。,3.1.2 数据链路层的基本功能,（1）封装帧 （2）帧同步 （3）透明传输 （4) 差错控制 （5）流量控制 （6）链路管理 （7）寻址,1. 封装成帧,封装成帧(framing)： 在一段数据（字节/字符串）的前后分别添加首部和尾部协议控制信息，确定了该段数据串的边界，就构成了一个帧。,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,帧封装格式示例,帧首,帧尾,数据报,2. 帧同步 （定界）方法,SOH,装在帧中的数据部分,帧,帧结束符,SOH的ASCII码是01H,EO

8、T,EOT的ASCII码是04H,首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界 定界方法：字符计数帧定界法 控制字符帧定界法 物理层编码违规帧定界法,用控制字符进行帧定界示例,帧开始符,3. 透明传输,SOH,EOT,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,透明传输:是指不管所传数据是怎样的比特组合，都应当能够在链路上传送。当所传数据中的比特组合恰巧与某一个控制信息完全一样时，就必须采取适当的措施，使收方不会将这样的数据误认为是某种控制信息。这样才能保证数据链路层的传输是透明的。,解决透明传输的方法,字节填充(byte stuffing)或字

9、符填充(character stuffing)技术,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,字节填充,帧开始符,帧结束符,SOH,位填充(bit stuffing) 技术,4. 差错控制,传输差错 ：通过通信信道后接收的数据与发送数据不一致 。 差错控制：能发现数据通信过程中差错，把差错限制在尽可能小的允许范围内的技术和方法。 差错控制的基本方式： 反馈纠错（ARQ）：信源采用某种能发现一定程度传输差错的编码方法对所传信息进行校验码计算 ，并将校验码

10、一并传输。在接收端则根据编码方法将收到的信息进行校验计算，检测出有错码时，即向发信端发出询问，要求重发。信源收到询问，立即重发已发生传输差错的信息，直到正确收到为止。 前向纠错（FEC）：信源采用某种在解码时能纠正一定程度传输差错的较的编码方法，使接收端在收到信息中不仅能发现错码，还能够纠正错码。 混合纠错：少量纠错在接收端自动纠正，差错较严重，超出自行纠正能力时，就向信源发出询问信号，要求重发。 无差错接受，有差错丢弃：接收端检测出无错码时接受，否则丢弃信息,差错检测措施：设置帧检验序列字段 FCS (Frame Check Sequence),在帧的尾部添加的冗余码称为帧检验序列 FCS

11、。 差错检测编码方法： 奇偶校验码、校验和码、循环冗余码,3.2 点对点协议 PPP 3.2.1 PPP 协议的特点,PPP 是为链路层对等实体之间传输数据帧设计的链路层协议。 PPP 适用面广。是主机、网桥和路由器通过DDN、ISDN、 PSTN、 HDSL 、SONET、微波点到点链路 、卫星点到点链路等 异步或同步信道建立数据链路的通用解决方案。,PPP 可以和多种网络层协议协同工作。 PPP 已成为因特网的正式标准， http:/www.rfc-editor.org RFC 1661:The Point-to-Point Protocol (PPP) RFC 1662:PPP in H

12、DLC-like Framing RFC 1663:PPP Reliable Transmission RFC 1332: The PPP Internet Protocol Control Protocol (IPCP) 等,PPP 协议的三个主要组件及其功能,用于点对点链路上封装数据报成帧的协议，帧格式以HDLC为基础，做了少量的改动 。 用于启动、检测、协商配置和关闭数据链路连接的链路控制协议 (LCP)。 用于建立和配置各种网络层协议的一组网络控制协议 (NCP),3.2.2 PPP 协议的帧格式,2,1,1,1字节,1,2/4,1500 字节,7E,FF,03,标志F,地址A,控制C

13、,FCS,标志,7E,协议,数据净荷,首部,尾部,PPP帧格式,标志字段(域) F = 0x7E ，(7E)16 =(01111110)2，帧定界符。 地址字段(域) A 只置为 0xFF。标准广播地址，PPP不单独分配地址。 控制字段(域) C 通常置为 0x03。表明为无编号帧格式，不采用帧序号和确认机制实现差错控制下的可靠传输。,PPP 帧格式的协议字段(域),PPP 协议字段(域),指示数据净荷字段的分组类型 首位以0开始的是针对网络层协议分组。 例如：当协议字段为 0x0021 时，PPP 帧的数据字段就是IP 数据报。 首位以1开始的是针对链路层和网络层的协商/控制协议分组。 例如

14、：当协议字段为 0xC021,PPP 帧的数据净荷字段是 PPP 链路控制协议 （LCP）数据。 若协议字段为 0x8021,PPP 帧的数据净荷字段是PPP网络控制协议（NCP）数据。,PPP的透明传输问题 PPP 用在异步传输链路时，使用字符/字节填充,将数据字段中出现的0x7E 字节转变成为 2 字节序列(0x7D, 0x5E)。 若信息字段中出现0x7D 的字节, 则将其转变成为 2 字节序列(0x7D, 0x5D)。 控制字符转义。例： 0x03 0x7D 0x23等 PPP 是面向字节的，所有的 PPP 帧的长度都是整数字节。,0x7E,0x7E,0x7E,0x7D,0x7E, 0

15、x5E,0x7D,0x5D,0x7D,0x5E,0x7D,0x5D,原始数据,0x7E,0x7E,经过字节填充后发送的数据,字节填充,帧开始符,帧结束符,0x7D,0x7D,PPP的透明传输问题 PPP 用在同步传输链路时采用零比特填充,PPP 协议用在 SONET/SDH 链路时，是使用同步传输 PPP 协议采用零比特填充方法来实现透明传输在发送端：,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

16、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,PPP差错控制,PPP 协议使用无序号帧和确认机制，因为： 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。 帧检验序列 FCS 字段以CRC编码支持错误检测。 PPP实现无差错接受，尽力传输。,3.2.3 PPP数据链路状态,PPP 会话的三个阶段 第 1 阶段：链路建立和配置协商。