计算机网络 数据链路层教材

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1、计算机网络(第 5 版) 第 3 章 数据链路层 *1辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件 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 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 Date 2辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件 第 3 章 数据链路层(续) 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

2、太网的信道利用率 3.4.3 以太网的 MAC 层 3.5 扩展的以太网 3.5.1 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或接口 Date 3辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件 数据链路层 数据链路层使用的信道主要有以下两种类型： n点对点信道。这种信道使用一对一的点对点通信 方式。 n广播信道。这种信道使用一对多的广播通信方式 。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

3、协议来协调这些主机的数据发送， 因此过程比较复杂。 n首先介绍点对点信道和在这种信道上最常用的点 对点协议PPP，再讨论共享信道的局域网和有关 的协议。 Date 4辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件 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 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 R1R2R3 H1H2 从层次上来看数据的流动 Date 5辽宁工程技术大学软件

4、学院 计算机网络课件 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 R1R2R3 H1H2 仅考虑数据在数据链路层的流动 Date 6辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件 3.1 使用点对点信道的数据链路层 3.1.1 数据链路和帧 n链路(link)是从一个结点到相邻结点的一段物理线 路，中间没有任何其他的交换结点。 n一条链路

5、可能只是一条通信路径的一个组成部分 n数据链路(data link)：若把实现通信协议的硬件和 软件加到链路上，就构成了数据链路。 n现在最常用的方法是使用适配器(网卡)来实现这 些协议的硬件和软件。 n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。 Date 7辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件 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 (a) IP 数据报 1010 0110 帧 装入 三层简化模型 数据 链路层 结点 A结点 B 帧 (b) 发送 帧 接收 链路 只考虑数据链路层 Date 8辽宁工程技术大学软件学院

6、计算机网络课件 链路层间像存在一条数字管道 n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 。 n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。 结点结点 帧帧 Date 9辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件 3.1.2 三个基本问题 封装成帧、透明传输、差错检测 n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。 n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 Da

7、te 10辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件 用控制字符进行帧定界的方法举例 SOH 装在帧中的数据部分 帧 帧开始符 帧结束符 发送在前 EOT 注意：SOH和EOT是控制字符的名称，并不是S、O、H 或E、O、T三个字符。 当数据在传输中出现差错时，帧定界符的作用更加明显 Date 11辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件 第2章 内容回忆(2) n2.5 数字传输系统 同步光纤网SONET、同步数字系列SDH n2.6 宽带接入技术 xDSL技术的思想；xDSL的极限传输距离与数据率 和用户线线径的关系；ADSL的特点；光纤同轴混 合网HFC；FTTx技术 n3.1 使用点对点

8、信道的数据链路层 n数据链路层使用的两种信道；链路和数据链路；数 据链路层需要解决的三个基本问题； Date 12辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件 2 透明传输 SOHEOT 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 发送 在前 数据部分恰好出现与EOT一样的代码 考虑：若数据部分恰好出现与SOH一样的代码，结果如何？ Date 13辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件 解决透明传输问题 n发送端的数据链路层在数据中出现控制字符 “SOH”或“EOT”的前面插入一个转义字符“ESC”( 其十六进制编码是 0x1B)。这种方法称为

9、字节填充 (byte stuffing)或字符填充(character stuffing) n如果转义字符也出现在数据中，那么应在转义字符 前面再插入一个转义字符。 n接收端的数据链路层在将数据送往网络层之前删除 插入的转义字符。 Date 14辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件 用字节填充法解决透明传输的问题 SOH SOHEOTSOHESC ESC EOTESC SOHESC ESCESC 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 SOH 经转义后，将其认为普通的比特组合 Date 15辽宁工程

10、技术大学软件学院 计算机网络课件 3 差错检测 n在传输过程中可能会产生比特差错：1 可能会变 成 0 而 0 也可能变成 1。比特差错是传输差错中 的一种，另外一种是没有出现比特差错，但出现 了帧丢失、帧重复或帧失序。 n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)。 n误码率与信噪比有很大的关系。 n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。 Date 16辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件 循环冗余校验的几个概念 信息码(M)：实际要发送的数据 冗余码(R)：附加在信息码后一起发送的，接

11、收方 用 来校验收到的码字是否正确的码元。 生成码(P)：用来生成冗余码的码元，而且其二进 制位数比冗余码多一位。(通信双方事先规定好的) 生成多项式：生成码的多项式表示形式。(举例) 发送的码字：信息码+冗余码 Date 17辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件 冗余码的生成过程 n(1) 假设信息码M的二进制位数为k，生成码的二进 制位数为(n+1)，将信息码乘以2n，即将M后面加 上n个连续的0，得到一(k+n)位二进制数。 n(2) 用这(k+n)位二进制数除以生成码P，商为Q， 余数至少要比P少一位。 n(3)若余数比P少一位，即余数就是冗余码；若余数 比P少的不止一位，则将余数

12、前面加上若干个0使 其二进制位数达到n位，这样就形成了冗余码。 Date 18辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件 接收端对收到的每一帧进行 CRC 检验 n(1) 接收端把收到的每一个帧都除以生成码P，然 后检查得到的余数R。 n(2) 若得出的余数 R = 0，则判定这个帧没有差错 ，就接受(accept)。 n(3) 若余数 R 0，则判定这个帧有差错，就丢弃 。 n但这种检测方法并不能确定究竟是哪一个或哪几 个比特出现了差错。 n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。 Date 19辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件 广泛使用

13、的生成多项式 nCRC-16=X16+X15+X2+1 nCRC-CCITT=X16+X12+X5+1 nCRC- 32=X32+X26+X23+X22+X16+X12 +X11+X10+X8+X7+X5+X4+X2+1 Date 20辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件 冗余码的产生与 码字正确性检验例子 n例1. 已知： 信息码:1010001101 生成码:110101 生成多项式:G(X)=X5+X4+X2+1 求：循环冗余码和发送的码字。 n例2. 已知： n接收码字:1100111001 生成码:11001 生成多项式:G(X)=X4+X3+1 试判断接收码字的正确性，若正确则

14、指出冗余码和 信息码。 Date 21辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件 帧检验序列 FCS n在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列 FCS (Frame Check Sequence)。 n循环冗余检验 CRC 和帧检验序列 FCS并不等同 ： nCRC 是一种常用的检错方法，而 FCS 是添加 在实际要发送数据后面的冗余码。 nFCS 可以用 CRC 这种方法得出，但 CRC 并非 用来获得 FCS 的唯一方法。 Date 22辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件 应当注意 n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)。 n“无差错接受”是指：“

15、凡是接受的帧(即不包括丢 弃的帧)，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”。 n也就是说：“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)。 n要做到“可靠传输”(即发送什么就收到什么)就必 须在CRC检错的基础上，增加帧编号、确认和重 传机制。 Date 23辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件 3.2 点对点协议 PPP 3.2.1 PPP 协议的特点 n在通信质量较差的年代，能实现可靠传输的高级 数据链路控制HDLC (High Data Link Control)成 为当时比较流行的数据链路层协议。 n现在全世界使用得最多的数

16、据链路层协议是点对 点协议 PPP (Point-to-Point Protocol)。 n用户使用拨号电话线接入因特网时，一般都是使 用 PPP 协议。 Date 24辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件 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 Date 25辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件 1. PPP 协议应满足的需求 n简单这是首要的要求 n封装成帧 ：规定帧定界符 n传输的透明性 n支持多种网络层协议(IP、IPX) n能在多种类型链路(串行、并行；低速、高速) 上运行 n差错检测 n及时自动检测连接状态是否正常 n设置最大传送单元MTU n协商网络层地址 n协商数据压缩算法 Date 26辽宁工程技术大学软件学院 计算机网络课件 2. PPP 协议不需要的功能 n不必实现纠错功能 n不必实现流量控制 n不使用帧的序号 n不支持多点线路 (一个主站轮流和多个从站通信 )