计网3 数据链路层

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1、计算机网络（第 6 版）第 3 章 数据链路层1第 3 章 数据链路层3.1 使用点对点信道的数据链路层 3.1.1 数据链路和帧 3.1.2 三个基本问题 3.2 点对点协议 PPP 3.2.1 PPP 协议的特点 3.2.2 PPP 协议的帧格式 3.2.3 PPP 协议的工作状态2第 3 章 数据链路层（续）3.3 使用广播信道的数据链路层3.3.1 局域网的数据链路层3.3.2 CSMA/CD 协议 3.4 使用广播信道的以太网3.4.1 使用集线器的星形拓扑3.4.2 以太网的信道利用率3.4.3 以太网的 MAC 层3第 3 章 数据链路层（续）3.5 扩展的以太网 3.5.1 在

2、物理层扩展以太网 3.5.2 在数据链路层扩展以太网 3.6 高速以太网3.6.1 100BASE-T 以太网3.6.2 吉比特以太网3.6.3 10 吉比特和 100 吉比特以太网3.6.4 使用以太网进行宽带接入4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， 因此必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机 的数据发送。5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

3、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6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R1R2R3H1H2仅从数据链路层观察帧的流动73.1 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

4、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。 8IP 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9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

5、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103.1.2 三个基本问题 (1) 封装成帧 (2) 透明传输 (3) 差错控制 111. 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。n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12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EOT132. 透明传输SO

6、HEOT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14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。 15SOHSOHEOTSOHESCESCEOTESCSOHESCES

7、CESCSOH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 在前帧开始符帧结束符用字节填充法解决透明传输的问题 SOH163. 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。 17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

8、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。 18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。 19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

9、 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。 20110101 Q (商)P (除数) 1101 101001000 2nM (被除数)11011110 110101110000111011010110000011001101001 R (余数)，作为 FCS 循环冗余检验的原理说明 21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

10、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。 22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，那么出现检测不到的差错的概率就 很小很小。 23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

11、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。 24编码思想- 将位串看成系数为0或1的多项式循环冗余校验CRC-通过多项式除法检测错误发送的数据看成一个多项式的系数 数据： bn-1bn-2b1b0多项式： bn-1xn-1+bn-2xn-2 + + b1x1 + b0x010010101x7+x4 +x2 +1例如25检

12、错思想 收发方约定生成多项式G(x) 发送方在要传输的数据的末尾加上校验码再发送带校验码的数据的多项式能被G(x)整除 接收方收到后，用G(x)除多项式，若余数为0，则传输无 错；若有余数，则传输有错26 要发送的数据为m位，其多项式为P(x) 发送方和接收方约定一个生成多项式G(x)，设该生成多项式的 最高次幂为r阶。 在原要发送数据后添加r个0，相应多项式M(x) =xr P(x) 按模2除法用G(x)去除M(x)，得余式R(x) M(x) + R(x)（按模2加法），即为要传送的带校验码数据对应 多项式T(x)T(x) = M(x) + M(x) MOD2 G(x) T(x)对应数据是在

13、原数据块末尾加上R(x)所对应数据 T(x)为所对应的要发送的数据校验码计算方法27CRCCRC示例示例：待校验数据1110011 G(x) = x4+x2+1 , 即10101 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 01 0 1 0 111 0 1 0 1传送序列11100110110余数0 1 1 01 0 0 1 11 0 1 0 111 0 1 0 11 1 0 1 011 1 1 1 01 0 1 0 111 0 1 1 01 0 1 0 110 0 1 1 00 0 0 0 000 1 1 0 10 0 0 0 00要发送的数据为 m位，其多项式 为P(x)发送方和接收方 约定一

14、个生成多 项式G(x)，r=4在原要发送数据后 添加r个0 ，得多项 式M(x)用G(x)去 除M(x)28n接收端：设接收端接收的数据对应的多项式为T(x) ，将T(x) 除以G(x)，若余数为0，则认为没有错，否则 认为有错。也就是T(x) = T(x) 则余式为0，若T(x) T(x) 余 式不为029传输无错误1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 01 0 1 0 111 0 1 0 1为零0 0 0 01 0 0 1 11 0 1 0 111 0 1 0 11 1 0 1 011 1 1 1 11 0 1 0 111 0 1 0 11 0 1 0 110 0 0 0 00 0 0 0 000 1 1 0 10 0 0 0 00接收的数据如果为11001110110？30传输有错误1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 01 0 1 0 111 0 1 0 1不为00 1 0 11 1 0 0 11 0 1 0 111 0 1 0 11 1 0 0 011 1 0 1 11 0 1 0 111 1 1 0 11 0 1 0 111 0 0 0 01 0 1 0 101 1 0 0 11 0 1 0 1131CRC具有很强的检验检错能力，但校验码的生成和 差错检测需要用到复杂的计算，用软件实现比较麻烦， 且速度慢，现在可以用简单的硬件来实现，是计算机通