计算机网络CH4 数据链路层.

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1、计算机网络原理 第 4 章 数据链路层 第 4 章 数据链路层 4.1 数据链路层基本功能 4.2 使用点对点信道的数 据链路层 4.2.1 点对点协议 PPP概述 4.2.2 PPP 协议的 帧格式及工作状态 4.3 使用广播信道的数据 链路及协议 4.3.1 局域网的数 据链路层 4.3.2 CSMA/CD协 议 第 4 章 数据链路层（ 续） 4.4 以太网 4.4.1 以太网的基本 原理 4.4.2 交换式以太网 4.5 快速以太网 4.5.1 100M以太网 4.5.2 吉比特以太网 4.5.3 10吉比特以太 网 第 4 章 数据链路层（ 续） 4.6 VLAN 4.6. 1 VL

2、AN的作用 4.6.2 VLAN的划分 4.7 无线网络 4.7.1 无线局域网 WLAN 4.7.2 无线城域网 WMAN 4.7.3 无线个人区域 网WPAN 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，因此过程比较复杂 。广播信道上连接的主 机很多，因此必须使用 专用的共享信道协议来 协调这些主机的数据发 送。 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

3、 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 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 仅从数据链路层观察帧的流动 n链路(link)是一条无 源的点到点的物理线 路段，中间

4、没有任何 其他的交换结点。 n一 条链路只是一条通路的 一个组成部分。 n数据链路(data link) 除 了物理线路外，还必须 有通信协议来控制这些 数据的传输。若把实现 这些协议的硬件和软件 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（即网卡）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。 4.1 数据链路层基本功能 n4.1.1成帧 n4.1.2 帧同步 n4.1.3 透明传输 n4.1.4 差错控制 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 数据 链路层

5、结点 A结点 B 帧 (a) (b) 发送 帧 接收 链路 IP 数据报 1010 0110 帧 装入 数据链路层传送的是帧 数据链路层像个数字管 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 4.1.1 封装成帧 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。确定 帧的界限。 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

6、 MTU 数据链路层的帧长 开始 发送 帧开始 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 4.1.2 帧同步 n帧同步指的是接收方应当能 从接收到的二进制比特流中 区分出帧的起始与终止。 n 常用的帧同步方法有： 使用字符填充的首尾定界符 法、使用比特填充的首尾标 志法。 n 使用字符填充的首尾定 界符法使用一些特定的字符 来定界帧的首尾，但所用的 特定字符领带于所采用的字 符编码集，兼容性比较差， 使用麻烦。 n 使用比特填充的首尾标 志法用一组特定的比特模式 来标志帧的起始与终止。 4.1.3 透明传输 SOHEOT 出现了“EO

7、T” 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 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 1B)。 n字节填充(byte stuffing)或 字符填充(character stuffing)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。 n如果转义字符也出现数据当 中，那么应在转义字符前面 插入一个转义字符。当接收 端收到连续的两个转义字符 时，就删除其中前面的一个 。 SOH SOHEOTSOHESC ESCEOTESCSOHE

8、SCESCESCSOH 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 用字节填充法解决透明传输的 问题 SOH 4.1.4 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。 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。 循环冗余检验的原理 n在数据链路层传送的帧 中，广泛使用了循环冗 余检验 CRC

9、 的检错技 术。 n在发送端，先把数据划 分为组。假定每组 k 个 比特。 n假设待传送的一组数据 M = 101001（现在 k = 6）。我们在 M 的后面 再添加供差错检测用的 n 位冗余码一起发送。 冗余码的计算 n用二进制的模 2 运算 进行 2n 乘 M 的运算 ，这相当于在 M 后 面添加 n 个 0。 n得到的 (k + n) 位的 数除以事先选定好的 长度为 (n + 1) 位的 除数 P，得出商是 Q 而余数是 R，余数 R 比除数 P 少1 位，即 R 是 n 位。 冗余码的计算举例 n现在 k = 6, M = 101001 。 n设 n = 3, 除数 P = 110

10、1， n被除数是 2nM = 101001000。 n模 2 运算的结果是：商 Q = 110101， 余数 R = 001。 n把余数 R 作为冗余码添 加在数据 M 的后面发送 出去。发送的数据是： 2nM + R 即：101001001，共 (k + n) 位。 110101 Q (商) P (除数) 1101 101001000 2nM (被除数) 1101 1110 1101 0111 0000 1110 1101 0110 0000 1100 1101 001 R (余数)，作为 FCS 循环冗余检验的原理说明 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 FC

11、S (Frame Check Sequence)。 n循环冗余检验 CRC 和帧检验序列 FCS 并不等同。 nC RC 是一种常用的检 错方法，而 FCS 是 添加在数据后面的 冗余码。 nF CS 可以用 CRC 这 种方法得出，但 CRC 并非用来获得 FCS 的唯一方法。 接收端对收到的每一帧进行 CRC 检 验 n(1) 若得出的余数 R = 0 ，则判定这个帧没有差 错，就接受(accept)。 n(2) 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

12、现检测不 到的差错的概率就很小 很小。 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：“凡是接 受的帧（即不包括丢弃的帧 ），我们都能以非常接近于 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出现丢失，重复，失序就不 能用该方法解决了。 n要做到“可靠传输”（即发送 什么就收到什么）就必须再 加上确认和重传机制。（这 属于传输层负责的问题。） n该层负责的是“比特差错”， 而不是“传输差错”。 4.2 使用点对点信道的数据

13、链路及协议 n4.2.1 点对点协议 PPP 概述 n4.2.2 PPP协议的帧 格式及工作状态 n现在全世界使用得最 多的数据链路层协议 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 。 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 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 n透明性 n多种网络层协议 n多种类型链路 n差错检测 n检测连接状态 n最大传送单元 n网络层地址协商 n数据

14、压缩协商 2. PPP 协议不需要的功 能 n纠错 n流量控制 n序号 n多点线路 n半双工或单工链路 3. PPP 协议的组成 n1992 年制订了 PPP 协 议。经过 1993 年和 1994 年的修订，现在 的 PPP 协议已成为因 特网的正式标准RFC 1661。 nPPP 协议有三个组成部 分 n一 个将 IP 数据报封装到 串行链路的方法。 n链 路控制协议 LCP (Link Control Protocol)。 n网 络控制协议 NCP (Network Control Protocol)。 4.2.2 PPP 协议的帧格式及工作状 态 n标志字段 F = 0 x7E （符号“0 x”表示后面 的字符是用十六进制 表示。十六进制的 7E 的二进制表示是 01111110）。 n地址字段 A 只置为 0 xFF。地址字段实 际上并不起作用。 n控制字段 C 通常置为 0 x03。 nPPP 是面向字节的 ，所有的 PPP 帧的 长度都是整数字节。 PPP 协议的帧格式 nPPP 有一个 2 个字节的 协议字段。 n当 协议字段为 0 x0021 时 ，PPP