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1、 第 3 章 数据链路层 Chapter 3 Data Link Layer 思考 n1、物理层的根本作用是什么？它的 上一层协议是什么？ n2、比特流在传输媒体中传输会受到 干扰，导致接收方接收的比特发生错 误，怎样解决这个问题？ Data Link Layer nDescribes how a shared communication channel can be accessed, and how a data frame can be reliably transmitted. Topics 3.1 Data link layer using point to point channe
2、l 3.2 Point to point protocol 3.3 Data link layer using broadcast channel 3.4 Ethernet using broadcast channel 3.5 Expanded ethernet 3.6 Fast ethernet 3.7 Other types of high speed LAN interface 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，因此过程比较复杂。广播 信道上连接的主机很多，因此必
3、须使用 专用的共享信道协议来协调这些主机的 数据发 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 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
4、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 3.1 Data link layer using point to point channel 数据链路和帧 n链路(link)是一条无源的点到点的物理 线路段，中间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
5、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。 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 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 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 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
6、部分帧尾部 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 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 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
7、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 ESCEOTESCSOHESCESCESCSOH 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 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。 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
8、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 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
9、，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 = 1101， 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 0
10、000 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 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。 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，
11、 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。 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。 3.2 Point to poi
12、nt protocol PPP 协议的特点 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数据压缩协商 2. PPP 协议不需要的功能 n纠错 n流量控制
13、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)。 PPP 协议的帧格式 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）。
14、 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 帧的信 息字段就是IP 数据报。 n若为 0 xC021, 则信息字段是 PPP 链路 控制数据。 n若为 0 x8021，则表示这是网络控制数据 。 IP 数据报 1211字节12不超过 1500 字节 PPP 帧 先发送 7EFF03 FAC FCS F 7E 协议信 息 部 分 首部尾部 透明传输问题 n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）。 n当 PPP 用在异步传输时，就使用一 种特殊的字符填充法。 字符填充 n将信息字段中出现的每一个 0 x7E 字节 转变成为 2 字节序列(0 x7D, 0 x5E)。 n若信息字段中出现一个 0 x7D 的字节, 则将其转变成为 2 字节序列(0 x7D, 0 x5D)。 n若信息字段中出现 ASCII 码的控制字 符（即数值小于 0 x20 的字符）
