计算机网络(数据链路层)课件

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1、1,第3章 数据链路层,张瑞 ,2,3.1 数据链路层的基本概念 3.2 组帧 3.3 差错控制 3.4 点对点协议PPP 3.5 使用广播信道的数据链路层 3.6 以太网的MAC层 3.7 扩展的以太网 3.8 虚拟局域网,第3章 数据链路层,3,链路(link) 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 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,3.1 数据链路层的基本概念,4,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

2、,主机 H1 向 H2 发送数据,从层次上来看数据的流动,数据链路层的简化模型,5,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,R1,R2,R3,H1,H2,仅从数据链路层观察帧的流动,数据链路层的简化模型（续）,6,两个主机通信时，应用进程将数据从应用层往下传，经过物理层到达传输线路，到达接收端后，通信线路将数据传到物理层，最后由应用层交给应用进程。 为了分

3、析链路层协议，采用简化的链路层模型 数据链路层以上的各层用一个主机代替； 物理层和通信线路等效成一条简单数据链路；,数据链路层的简化模型,7,数据链路层,主 机 A,缓存,主 机 B,数据链路,AP2,AP1,缓存,发送方,接收方,帧,高层,帧,数据链路层的简化模型,8,9,讨论链路层时，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。 物理层间传输的是比特流，物理媒体上传送的是电或光信号，而在链路层上传输的数据帧。,数据链路层像个数字管道,10,基本功能 向网络层提供可靠的、透明的数据传输服务，将源节点的网络层数据可靠地传送到相邻节点的网络层 主要功能描

4、述 链路管理 封装成帧 流量控制 差错控制 将数据和控制信息区分开 透明传输 寻址,数据链路的建立、维持和释放 两结点通信前要交换一些信 息，称为建立数据连接，然后 传输数据,数据链路层，数据的传送以帧 为单位 帧定界(帧同步)是指接收方能 从收到的比特流中区分一个帧 的开始和结束的地方,发送方发送数据的速率必须 使接收方能来得及接收,纠错：通过编码技术，接收方自动将差错改正过来 检错：检测出帧有错误，要么忽略或重传,数据和控制信息在同一个帧中，收方将其区分开,不管所传数据的比特组合， 都能在链路上传送； 若所传的数据的比特片段 与某一个控制信息相同， 要有可靠机制，保证收方 能正确识别,每一

5、帧都能送到正确的 目的地； 收方也能知道发送方的 地址,数据链路层的主要功能,11,3.1 数据链路层的基本概念 3.2 组帧 3.3 差错控制 3.4 点对点协议PPP 3.5 使用广播信道的数据链路层 3.6 以太网的MAC层 3.7 扩展的以太网 3.8 虚拟局域网,第3章 数据链路层,12,组帧(framing)就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部，这样就构成了一个帧。 目的：使接收方能准确识别帧的边界 首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界,MTU,数据链路层的帧长,3.2 组帧,13,帧定界（帧同步）的方法,1、字节计数法 2、使用字符填充的首尾定界法 3、使用比特填充的首尾定界

6、法* 4、违法编码法,14,思想 在帧头设置一个长度域，放置该帧的字节数，当收方收到帧后，通过帧的长度，确定帧的开始。 问题 当帧的长度域出错，帧同步完全丢失； 该方法很少单独使用。,1、字节计数法,15,字节计数法举例,16,思想 使用特殊的ASCII字符（不可打印的控制字符）作为帧的起始和终止定界符。 例如：使用SOH作为开始符，EOT作为结束符。 问题：数据传输不透明 当数据中出现定界符(SOH或EOT)时，如何加以区分是数据还是定界符？ 解决：字符填充,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)。接收端的数据链

7、路层在将数据送往网络层之前删除插入的转义字符。,2、字符填充法,17,缺点：使用字符来控制帧的传输，数据传输的单位是字符(8bit的ASCII)，帧的长度是8的倍数；传输任意长度的二进制比特带来不便。,字符填充法举例,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,发送 在前,帧开始符,帧结束符,SOH,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。,18,思想 使用一个特

8、殊的比特模式01111110作为帧的起始和结束标志。 发送方边发送边检查数据，每连续发送5个“1”后在后面自动插入一个“0”。这样数据中只会连续出现5个“1”，而不会出现定界符。 接收方在收到5个连续的“1”后将后面的“0”删掉而恢复出原始数据。 好处 数据传输的基本单位是比特而不是字符，可用来传输任意长度的二进制比特串，通用性强。,3、比特填充法,19,零比特的填充与删除,0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 0,数据中某一段比特组合恰好 出现和 定界符一样的情况,会被误认为是定界符,20,比特填充法举例,21,前提 物理介质上使用的信号编码有冗余码字时，使用这些冗

9、余的码字来作为帧的定界。 举例 如曼彻斯特编码或差分曼彻斯特编码中，有效电平是“低高”或“高低”，而“低低”和“高高”电平没有定义，这种违法编码可以作为帧的边界。,4、违法编码法,22,3.1 数据链路层的基本概念 3.2 组帧 3.3 差错控制 3.4 点对点协议PPP 3.5 使用广播信道的数据链路层 3.6 以太网的MAC层 3.7 扩展的以太网 3.8 虚拟局域网,第3章 数据链路层,23,差错控制技术：发现差错如何处理？ 前向纠错 自动重发请求 如果发送的数据丢失，那么接收端是不可能进行确认的，怎么办呢？ 差错编码技术：如何发现差错？ 检错码（奇偶校验码、CRC） 纠错码（海明码）,

10、由接收方来检查并纠正错误,不能纠正，接收方反馈。若有错误则重发，否则给肯定应答,在发送端引入计时器，进行超时重发 为了避免相同的帧收到多次，需要对帧进行编号,3.3 差错控制,24,前向纠错（FEC，Forward Error Correct） 即发送方发送能使接收方检错并纠错的冗余位，纠错任务由接收方完成；常采用海明码。 主要应用于没有反向信道或反向传输时间很长的场合 缺点：为纠错附加的冗余码较多，传输效率低 优点：实时性好。,3.3.1 差错控制技术,25,自动重发请求（ARQ Automatic Repeat reQuest） 即发送方发送能使接收方检错的冗余位，若无差错，则接收方回送一

11、个肯定应答(ACK)；若有差错，则接收方回送一个否定应答(NAK)，要求发送方重发。 缺点：信息传递连贯性差 优点：接收端设备简单，只要请求重发，无需纠正错误。,差错控制技术（2）,26,差错编码 差错编码：数据块中插入冗余信息的过程。 思想：判断一个数据块中是否存在传输错误，发送端必须在数据块中插入一些冗余信息，使得数据块中的各个比特建立某种形式的关联，接收端通过验证这种关联关系来判断是否有传输错误。 差错编码策略 检错码：能检测出错误，但不能纠正错误，如CRC 纠错码：能知道错误，且知道错误的位置，如海明码,3.3.2 差错编码技术,27,检错码的构造 检错码(码字、传输帧)信息位冗余校验

12、位 码字长n=K(信息位位数)r(校验位位数) 编码效率R有效数据位K码字长n 信息字段和校验字段之间的对应关系 校验字段越长，编码的检错能力越强，编码/解码越复杂；附加的冗余信息在整个编码中所占的比例越大，传输的有效成分越低，传输的效率下降。 检错码一旦形成，整个检错码将作为一个整体被发往线路，通常的发送顺序是信息字段在前，校验字段在后。,3.3.2.1检错码,28,奇校验：使码字中“1”的总个数为奇数。 偶校验：使码字中“1”的总个数为偶数。 奇/偶校验码：最常用的一种检错码，包括： 水平奇/偶校验码 垂直奇/偶校验码 水平垂直奇/偶校验码,奇偶校验码,包括信息位和校验位,需要对信息按行、

13、列分组 然后对列进行奇/偶校验,方阵校验（在水平校验的基础上，增加垂直校验）,29,其信息字段以字符为单位，校验字段仅含一个比特称为校验比特或校验位。 例如：使用七单位的ASCII码来构造成八单位的检错码时若采用奇/偶校验，校验位的取值应使整个码字包括校验位，1的比特个数为奇数或偶数。,水平奇/偶校验,30,例： 信息字段 奇校验码 偶校验码 0110001 01100010 01100011 编码效率： Q/(Q+1) (信息字段占Q个比特) 应用： 通常在异步传输方式中采用偶校验， 同步传输方式中采取奇校验。,水平奇/偶校验,31,垂直奇/偶校验,做法： 被传输的信息进行分组，并排列为若干

14、行和若干列。组中每行的相同列进行奇/偶校验，最终产生由校验位形成的校验字符（校验行），并附加在信息分组之后传输。 举例： 4个字符（4行）组成一信息组，求垂直奇/偶校验码,32,例：4个字符（4行）组成一信息组，其垂直奇/偶校验码为：,发往线路顺序（垂直奇校验） 0111001|0010101|0101011|1010101|0101101 编码效率： PQ/P(Q+1) （假设信息分组占Q行P列）,垂直奇/偶校验,33,水平垂直奇/偶校验,水平垂直奇/偶校验码(方阵校验) 在水平校验的基础上实施垂直校验。 例：4行7列信息组的水平垂直偶校验码为：,34,水平垂直奇/偶校验,发往线路顺序(偶校

15、验字符)： 01110010|00101011|01010110|10101010|10100101 第1字符 | 第2字符|第3字符 |第4字符|垂直偶校验字符 编码效率： PQ/(P+1)(Q+1) （假设被传信息分组占Q行P列）,水平偶校验位,35,3.3.2.2 循环冗余码,循环冗余码（Cyclic Redundancy Check，CRC） 计算机和数据通信中使用最广泛的检错码，漏检率低，可用简单的电路实现。 CRC编码的一般操作 给定一个k比特的帧或报文，发送方生成n比特的序列（也称为帧检验序列FCS，Frame Check Sequence），形成（k+n）的码字，该码字能被某个

16、事先确定的数整除。接收方用相同的数去除收到的帧，如果无余数，则认为数据帧无差错,36,CRC也称多项式编码,任意一个由二进制位串组成的代码都可以和一个系数仅为0和1取值的多项式一一对应。 多项式表示：即将k比特的数据用k项多项式表示，它的各项为X k-1X0，它的系数为数据中对应位的0或1。 例如： 代码1010111对应的多项式为x6+x4+x2+x+1 多项式为x5+x3+x2+x+1对应的代码101111,37,冗余码的计算,假设待传送的数据 M = 1010001101（共k bit）。我们在M的后面再添加供差错检测用的 n bit 冗余码一起发送。 计算方法 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。 得到的 (k + n) bit 的数除以事先选定好的长度为 (n + 1) bit 的数 P，得出商是 Q 而余数是 R，余数 R 比除数