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1、5-1 Chapter 5 链路层与局域网 A note on the use of these ppt slides: Were making these slides freely available to all (faculty, students, readers). Theyre in PowerPoint form so you can add, modify, and delete slides (including this one) and slide content to suit your needs. They obviously represent a lot of
2、 work on our part. In return for use, we only ask the following: q If you use these slides (e.g., in a class) in substantially unaltered form, that you mention their source (after all, wed like people to use our book!) q If you post any slides in substantially unaltered form on a www site, that you
3、note that they are adapted from (or perhaps identical to) our slides, and note our copyright of this material. Thanks and enjoy! JFK/KWR All material copyright 1996-2007 J.F Kurose and K.W. Ross, All Rights Reserved Computer Networking: A Top Down Approach 4th edition. Jim Kurose, Keith Ross Addison
4、-Wesley, July 2007. 5:数据链路层与局域网 5-2 2 第5章 链路层和局域网 目标: r理解支撑数据链路层服务的原理: m差错检测, 纠正 m共享广播信道: 多路访问 m链路层编址 m可靠数据传输, 流量控制: 前面已分析过 r各种链路层技术实例与实现 5:数据链路层与局域网 5-3 3 第5章 链路层 r5.1 概述与服务 r5.2 差错检测和纠错 r5.3多路访问协议 r5.4 链路层编址 r5.5 以太网 r5.6 集线器和交换机 r*5.7 PPP r*5.8 链路虚拟化: ATM和MPLS 5:数据链路层与局域网 关注的是某一段上的 运输 对比MAC地址 5-4
5、 4 链路层: 概述 某些术语: r主机和路由器是节点 r连接沿通信路径的相邻节点的路 径是链路 m有线链路 m无线链路 m局域网 r链路层协议：链路两端节点之间交互 的分组格式，以及当发送和接收这些分 组时节点采取的动作 r第二层的分组叫帧, 封装数据报 “link” 数据链路层具有经一条链路从一个节点传输 数据到相邻节点的能力 5:数据链路层与局域网 5-5 5 链路层: 相关内容 r数据报从一个主机到另一 个主机的传输是使用不同 的链路协议经不同的链路: m如第一段链路是以太网，中 间链路是帧中继，最后链路 是 802.11无线链路 r每个链路协议 提供不同的 服务 运输类比 r从 Pr
6、inceton到 Lausanne的旅行 m豪华轿车: Princeton到JFK m飞机: JFK到Geneva m火车: Geneva到Lausanne r旅行者 = datagram r运输各段 = 通信链路 r运输模式 = 链路层协议 r 旅行社= 选路协议 5:数据链路层与局域网 5-6 6 链路层服务 r成帧: m将数据报封装进帧，加上首部和尾部 r链路访问控制: m如果共享媒体，信道访问 m位于帧首部的“MAC”地址标识源、目的地 不同于IP地址! m半双工 and 全双工 使用半双工, 链路的两端节点能够传输，但不能同时 r相邻节点间的可靠交付 m我们已经知道如何做了 (第三章
7、)! m在比特差错低的链路很少使用 (光纤，某些双绞线) m无线链路: 高差错率 问题: 为什么同时使用链路级和端到端可靠性? 5:数据链路层与局域网 5-7 7 链路层服务(续) r流量控制: m相邻发送和接收节点间的步调一致 r差错检测或纠错: m差错由信号衰减、噪声所致 m接收方检测差错的存在 信号发送方负责重传或丢弃帧 m链路层的差错检测比运输层和网络层更复杂 m接收方不仅能够识别差错，而且可以纠正比特差错 5:数据链路层与局域网 5:数据链路层与局域网5-8 链路层的物理实现 r在“适配器”(又称为NIC)中 实现链路层 m以太网卡, PCMCI卡, 802.11 卡 m实现链路层、
8、物理层功能 r连接到主机的系统总线上 面 r由 hardware（硬件）, software（软件）, firmware（固件）组成 controller physical transmission cpumemory host bus (e.g., PCI) network adapter card host schematic application transport network link link physical 5-9 计算机通过网卡 与局域网进行通信（*） CPU 高 速 缓 存 存储器 I/O 总线 计算机 至局域网 网络接口卡 （网卡） 串行通信 并行通信 5:数据链路层
9、与局域网 5-1010 适配器通信（*） r发送侧: m将数据报封装在帧中 m增加差错检测比特，可靠数 据传输，随机访问，流量控 制, 等 r接收侧 m查找差错，可靠数据传输， 流量控制, 等 m提取数据报，传递到接收节 点 r适配器是半自治的 发送节点 帧 接收节点 数据报 帧 适配器适配器 链路层协议 5:数据链路层与局域网 5-1111 第5章 链路层 r5.1 概述与服务 r5.2 差错检测和纠错 r5.3多路访问协议 r5.4 链路层编址 r5.5 以太网 r5.6 集线器和交换机 r*5.7 PPP r*5.8 链路虚拟化: ATM和MPLS 5:数据链路层与局域网 5-1212
10、差错检测 EDC= 差错检测和纠错比特 D = 数据由差错检测和纠错比特保护，可能包括首部字段 差错检测不是100%可靠! 协议可能漏掉某些差错，但是非常少 较大的EDC字段产生更好的检测和纠正 5:数据链路层与局域网 5-1313 差错检测 介绍三种检测错误的技术： 奇偶校验：描述差错检测和纠错的基本思想 检查和：更普遍应用于传输层 循环冗余检测：更普遍应用于适配器中的链路层 5:数据链路层与局域网 5-1414 奇偶校验 二维比特奇偶校验: 可以检测并纠正单个比特差错 00 奇偶 差错 奇偶差错 可纠正的单比特 差错 无差错 接收方检测和纠正差错的能力被称为前 向差错纠正（FEC） 5:数
11、据链路层与局域网 单个奇偶位: 检测单个位的错误 一比特偶校验 事实上，发生未检测到 错误的概率为50% 有必要深入研究 5-1515 互联网检查和 发送方: r将段内容作为16比特整 数序列来处理 r检查和: 段内容相加(和 的反码) r发送方将检查和的值放 入 UDP 检查和字段 接收方: r计算接收到段的检查和 r检查是否计算的检查和等于 检查和字段的值: mNO 检测到差错 mYES 没有检测到差错. 尽 管如此，还可能有错。 目标：检测传输段中的“差错” (如比特翻转) 为什么检查和更普遍应用于传输层，循环冗余检测更普遍 应用于适配器中的链路层？ 5:数据链路层与局域网 5-1616
12、 循环冗余码校验（*） r将数据比特D看作一个二进制数 r选择r+1比特模式(生成式), G r目标：选择r个CRC 比特R, 使得 m 被G整除 (以2为模) m接收方知道G, 用G除以. 如果有非零余数：检测到差错! m能够检测所有小于r+1比特的突发差错 r广泛用于实践中 (ATM, HDCL) 比特 模式 数学公式 被发送的数据比特 5:数据链路层与局域网 5-1717 CRC例子（*） 希望: D.2r XOR R = nG 等价为: D.2r = nG XOR R 等价为: 如果我们用G除以 D.2r, 余数为 R R = 余数 D.2r G 5:数据链路层与局域网 5-1818
13、第5章 链路层 r5.1 概述与服务 r5.2 差错检测和纠错 r5.3多路访问协议 r5.4 链路层编址 r5.5 以太网 r5.6 集线器和交换机 r*5.7 PPP r*5.8 链路虚拟化: ATM和MPLS 5:数据链路层与局域网 5-1919 多路访问链路和协议 两类 “链路”: r点对点链路：单个的发送方和接收方 m例如在以太网交换机和主机之间的点对点链路 m用于拨号接入的PPP协议就是为点对点链路设计的 r广播 链路(共享线路或媒体) m传统的以太网 m802.11无线LAN mHFC 5:数据链路层与局域网 5-20 r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
14、样的连接方法既简单又可靠，因为总线上 没有有源器件。 多路访问链路和协议 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 5:数据链路层与局域网 5-2121 多路访问协议 r单一共享广播信道 r节点的两个或更多的并行传输：干扰 m碰撞 如果节点同时接收到两个或更多信号 r多路访问问题：如何协调多个发送和接受节点对一 个共享广播信道的访问 多路访问协议 r决定节点怎样共享信道的(分布式)算法，如决定何 时节点能够传输 r要求：有关信道共享的通信必须使用信道本身! m不用带外信道来协调 5:数据链路层
15、与局域网 5-2222 理想的多路访问协议 速率R bps的广播信道 1. 当一个节点可传输，它能够以速率R发送 2. 当M节点要传输，每个能以平均速率R/M发送 3. 全分散: m无特殊节点来协调传输 m无同步时钟、时隙 4. 简单 5:数据链路层与局域网 5-2323 MAC协议: 分类 三大类: r信道划分 m将信道划分为较小的“段” (时隙，频率，编码) m为节点分配一部分专用 mTDMA、FDMA、CDMA (对应时隙，频率，编码) r随机访问 m不划分信道，允许碰撞 m从“碰撞”恢复 mALOHA，CSMA, CSMA/CD, CSMA/CA r“轮流” m节点轮流，但有更多信息要
16、发送的能够轮流的较长时间 5:数据链路层与局域网 5-2424 信道划分MAC协议: TDMA TDMA: 时分多路访问 r”循环“访问信道 r每个站点在每个循环中获得固定长度时隙(长度 =分组传输时间) r不使用的时隙空闲 r例子：6个站点的LAN, 时隙1、3、4 有分组, 时隙2、5、6 空闲 134134 6-slot frame 5:数据链路层与局域网 5-2525 信道划分 MAC协议: FDMA FDMA: 频分多路访问 r信道频谱划分为频带 r每个站点分配固定的频带 r频带中未使用的传输时间空闲 r例子： 6个站点的LAN, 频带1、3、4 有分组, 频带2、5 、6 空闲 frequency bands time FDM cable 5:数据链路层与局域网 5-2626 随机访问协议 r当站点有分组要发送 m以信道全部速率R传输 m节点间无优先权协调 r两个或更多传输节点 “碰撞”,节点重复发送，直到帧 无碰撞的通过 r随机访问MAC协议 定义了: m如何检测碰撞 m如何从碰撞中恢复
