计算机网络第三章 数据链路层

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1、计 算 机 网 络 主 讲：邓 辉计算机网络第 3 章 数据链路层3.1 使用点对点信道的数据链路层 3.2 点对点协议 PPP 3.3 使用广播信道的数据链路层 3.4 使用广播信道的以太网 3.5 扩展的以太网 3.6 高速以太网 3.7 其他类型的高速局域网接口计算机网络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R1R2R3H1H2从层次上来看数据的流动计算机网络局域网广域网主机 H1主机

2、 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R1R2R3H1H2仅从数据链路层观察帧的流动数据链路层的简单模型计算机网络数据链路层的任务数据链路层的任务是把网络层的数据组合 成帧，加上一定的校验，然后交物理层用某种信 号表示二进制数据位送到目的计算机，并通过目 的计算机的物理层和数据链路层送到网络层，也 就是为网络层提供一条可靠的数据链路。计算机网络数据链路层的功能n数据链路层要解决向网络层提供透明的数据 传送服务。n数据链路层要解决在两个网

3、络实体之间提供 数据链路连接的建立、维持和释放管理。n数据链路层要解决如何检测处理传输中出现 的差错。计算机网络数据链路层服务的区分规则n数据链路层的服务是通过有无连接、有无确 认来区分的。无确认无连接有确认无连接有确认有连接计算机网络确认和连接n确认：接收方在收到数据帧后，必须给发送 方发回一个确认。n面向连接：发送方和接收方在传输数据之前 必须建立逻辑连接，传输结束后必须释放连接 。计算机网络无确认的面向无连接服务n无确认是指接收方在收到数据帧后，毋需发 回一个确认。n无连接服务是指在数据传输前毋需建立逻辑 链路。n物理线路的连接并非意味着提供有连接的服 务。n无确认并非不可靠，其可靠性由

4、上层负责。计算机网络无确认的面向无连接服务举例n局域网共享信道毋需建立连接信道较为理想，数据传输的误码率很低即使出错或丢失由上层负责恢复计算机网络有确认的面向无连接服务n使用前不建立连接，即不建立逻辑链路，但每帧传 输必须得到确认。n这在信号传播延时较大、线路状态不一定很可靠的 情况下是有效的。n例如：卫星通信如建立连接，则信道利用率低。数据传输的误码率相对较高，确认是必要的计算机网络有确认的面向连接服务n使用前先建立连接，即先建立数据链路，并 且每帧的传输必须得到确认n有连接的服务必须在使用前先建立连接（即 建立逻辑链路），然后使用，最后释放连接。n例如：电话计算机网络n点对点信道。这种信道

5、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。数据链路层使用的信道计算机网络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。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。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

6、和软件。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。 计算机网络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数据链路层数据 链路层网络层物理层计算机网络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。 结点结点帧帧计算机网络3.1.2 三个基本问题 1. 封装成帧n封装成帧

7、(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 MTU数据链路层的帧长开始 发送帧开始计算机网络用控制字符进行帧定界的方法 SOH装在帧中的数据部分帧帧开始符帧结束符发送在前EOT其中SOH和EOT均为ASCII编码 Data 0000000100000100计算机网络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00000001 0000010000000100计算机网络解决透明传输问

8、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ASCLL 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。 计算机网络SOHSOHEOTSOHESCESCEOTESCSOHESCESCESCSOH原始数据EOTEOT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

9、始符帧结束符字节填充法解决透明传输问题 SOH计算机网络SOHESCEOTESCSOHESCESCESCEOTESCESCESCSOHEOTSOHESCESCEOTESC字节填充例 接收端发送端计算机网络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。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。(模2运算)

10、计算机网络循环冗余检验n在发送端，先把数据划分为组。假定每组 k 个比特。 n选定好长度为 (n + 1) 位的除数 P。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。在 M 的后面再添加供差错检测用的 n 位冗余码R 一起发送。计算机网络冗余码的计算举例 n现在设M = 101001 ， k = 6 ；n设除数 P = 1101， n = 3；n被除数是 2nM = 101001000； n模 2 运算的结果是：商 Q =

11、 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。 计算机网络110101 Q (商)P (除数) 1101 101001000 2nM (被除数)11011110 110101110000111011010110000011001101001 R (余数)，作为 FCS 冗余码的计算举例 计算机网络接收端对收到的每一帧进行 CRC 检验 n用接收到的数据除以发送端选定的除数。(1) 若得出的余数 R = 0，则判定这个帧没有差错， 就接受(accept)。(2) 若余数

12、 R 0，则判定这个帧有差错，就丢弃。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出错的概率就很小很小。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。计算机网络帧检验序列 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。CRC 是一种常用的检错方法，而 FCS 是添加在数据 后面的冗余码。FCS 可以用 CRC 这种方法得出，但 CRC 并非用来获 得 FCS 的唯一方法。 计算机网络多项式表示循环冗余检验n将要发送的二进制数序列看成是一个多

13、项式。 n位的数据序列对应n-1次多项式。P(x)=an-1xn-1 +an-2xn-2 + a1x + a0 除式称为生成多项式。如除数 P =1101，可用生成多项式表示为：P(x)=X3 +X2 + 1计算机网络常用的生成多项式nCRC-12： G(x)=x12+x11+x3+x2+x+1nCRC-16： G(x)=x16+x15+x2+1nCRC-CCITT：G(x)=x16+x12+x5+1nCRC-32： G(x)=x32+x26+x23+x22+x16 +x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1计算机网络应当注意 n仅用循环冗余检验 CRC 差错检测技术只能做

14、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。 计算机网络例3-1：n 信息字段代码为1011001；生成多项式： P(x)= X4 + X3 + 1，如用CRC方法进行差错检 验，求发送数据。n 求得余数为：1010 (即校验字段）n 发送方：发送数据 10110011010n 接收方：使用相同的生成码进行校验:接

15、收 到的字段/生成码，如果能够除尽，则正确，否 则出错。计算机网络3.2 点对点协议 PPP 3.2.1 PPP 协议的特点 nPPP（Point-to-Point Protocol 点对点协议） 是为在同等单元之间传输数据包这样的简单链 路设计的数据链路层协议。这种链路提供全双 工操作，并按照顺序传递数据包。n设计目的主要是用来通过拨号或专线方式建 立点对点连接发送数据，使其成为各种主机、 网桥和路由器之间简单连接的一种共通的解决 方案。计算机网络用户到 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 协议计算机网络路由器调制解调

16、器调制解调器因特网服务提供者(ISP)用户家庭拨号电话线使用 TCP/IP 的PPP 连接使用 TCP/IP 的客户进程路由选择进程至 因 特 网PC 机用户到 ISP 的链路 使用 PPP 协议 计算机网络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 计算机网络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 计算机网络不提供使用序号和确认的可靠传输 nPPP 协议之所以不使用序号和确认机制是 出于以下的考虑：在数据链路层出现差错的概率不大时，使用比 较简单的 PPP 协议较为合理。在因特网环境下，PPP 的信息字段放入的数据 是 IP 数据报。数据链路层的可靠传输并不能够