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1、第5章 链路层与局域网Link Layer and LANs计算机网络：自顶向下方法 (原书第三版)陈鸣译，机械工业出版社，2019年Computer Networking: A Top Down Approach Featuring the Internet, 3rd edition. Jim Kurose, Keith RossAddison-Wesley, July 2019. 1数据链路层与局域网第5章 链路层和局域网 我们的目标: r理解支撑数据链路层服务的原则:m差错检测, 纠正m共享广播信道: 多路访问m链路层编址m可靠数据传输, 流量控制: 前面已分析过r各种链路层技术实例与实
2、现2数据链路层与局域网第5章 链路层r5.1 概述与服务r5.2 差错检测和纠错 r5.3多路访问协议r5.4 链路层编址r5.5 以太网r5.6 集线器和交换机r5.7 PPPr5.8 链路虚拟化: ATM和MPLS3数据链路层与局域网链路层: 概述某些术语:r主机和路由器是节点节点r连接沿通信路径的相邻节点的路径是链路链路m有线链路m无线链路m局域网r第二层的分组叫帧帧, 封装数据报“link”数据链路层具有经一条链路从一个节点传输数据链路层具有经一条链路从一个节点传输数据到相邻节点的能力数据到相邻节点的能力 4数据链路层与局域网链路层: 相关内容r使用不同的链路协议经不同的链路传输数据报
3、:m如第一段链路是以太网，中间链路是帧中继，最后链路是 802.11r每个链路协议 提供不同的服务m可能或不能经链路提供可靠数据传输运输类比r从 Princeton到 Lausanne的旅行m豪华轿车: Princeton到JFKm飞机: JFK到Genevam火车: Geneva到Lausanner旅行者 = datagramr运输各段 = 通信链路r运输模式 = 链路层协议r 旅行代理人= 选路算法5数据链路层与局域网链路层 Servicesr帧, 链路访问: m将数据报封装进帧，加上首部和尾部m如果共享媒体，信道访问m位于帧首部的“MAC”地址标识源、目的地不同于IP地址!r相连节点间的
4、可靠交付m我们已经知道如何做了 (第三章)!m在比特差错低的链路很少使用 (光纤，某些双绞线)m无线链路: 高差错率问题: 为什么同时使用链路级和端到端可靠性?6数据链路层与局域网链路层服务(续)r流量控制: m相邻发送和接收节点间的步调一致r差错检测: m差错由信号衰减、噪声所致m接收方检测差错的存在信号发送方负责重传或丢弃帧r纠错: m接收方识别和纠正比特差错，而不采取重传r半双工 and 全双工m使用半双工, 链路的两端节点能够传输，但不能同时7数据链路层与局域网适配器通信r在“适配器”(又称为NIC)中实现链路层m以太网卡，PCMCI卡, 802.11卡r发送侧:m将数据报封装在帧中m
5、增加差错检测比特，可靠数据传输，流量控制, 等r接收侧m查找差错，可靠数据传输，流量控制, 等m提取数据报，传递到接收节点r适配器是半自治的r链路和物理层发送节点帧接收节点数据报帧适配器适配器链路层协议8数据链路层与局域网第5章 链路层r5.1 概述与服务r5.2 差错检测和纠错 r5.3多路访问协议r5.4 链路层编址r5.5 以太网r5.6 集线器和交换机r5.7 PPPr5.8 链路虚拟化: ATM和MPLS9数据链路层与局域网差错检测EDC= 差错检测和纠错 bits (冗余)D = 数据由差错校验保护，可能包括首部字段 差错检测不是100%可靠! 协议可能漏掉某些差错，但是非常少 较
6、大的EDC字段产生更好的检测和纠正10数据链路层与局域网奇偶校验单比特奇偶校验:检测单个比特差错检测单个比特差错二维比特奇偶校验:检测和纠正单个比特差错检测和纠正单个比特差错00奇偶比特奇偶差错奇偶差错可纠正的单比特差错无差错11数据链路层与局域网互联网检查和发送方:r将段内容作为16比特整数序列来处理r检查和: 段内容相加(补码和)r发送方将检查和的值放入 UDP 检查和字段接收方:r计算接收到段的检查和r检查是否计算的检查和等于 检查和字段的值:mNO 检测到差错mYES 没有检测到差错. 尽管如此，还可能有错。详情见后.目标：检测传输段中的“差错” (如比特翻转) (注意: 仅用于运输层
7、)12数据链路层与局域网检查和:循环冗余码校验r将数据比特D看作一个二进制数r选择r+1比特模式(生成式), G r目标：选择r个CRC 比特R, 使得m 被G整除 (以2为模) m接收方知道G, 用G除以. 如果有非零余数：检测到差错!m能够检测所有小于r+1比特的突发差错r广泛用于实践中 (ATM, HDCL)比特模式数学公式被发送的数据比特13数据链路层与局域网CRC例子希望:D.2r XOR R = nG等价为:D.2r = nG XOR R 等价为: 如果我们用G除以D.2r, 余数为 RR = 余数 D.2rG14数据链路层与局域网第5章 链路层r5.1 概述与服务r5.2 差错检
8、测和纠错 r5.3多路访问协议r5.4 链路层编址r5.5 以太网r5.6 集线器和交换机r5.7 PPPr5.8 链路虚拟化: ATM和MPLS15数据链路层与局域网多路访问链路和协议两类 “链路”:r点对点m用于拨号接入的PPPm在以太网交换机和主机之间的点对点链路r广播 (共享线路或媒体)m传统的以太网m向上游的HFCm802.11无线LAN16数据链路层与局域网多路访问协议r单一共享广播信道r节点的两个或更多的并行传输：干扰m碰撞 如果节点同时接收到两个或更多信号多路访问协议r决定节点怎样共享信道的分布式算法，如决定何时节点能够传输r有关信道共享的通信必须使用信道本身! m不用带外信道
9、来协调17数据链路层与局域网理想的多路访问协议速率R bps的广播信道1. 当一个节点可传输，它能够以速率R发送2. 当M节点要传输，每个能以平均速率R/M发送3. 全分散:m无特殊节点来协调传输m无同步时钟、时隙4. 简单18数据链路层与局域网MAC协议: 分类三大类:r信道划分m将信道划分为较小的“段” (时隙，频率，编码)m为节点分配一部分专用r随即访问m不划分信道，允许碰撞m从“碰撞”恢复r“轮流”m节点轮流，但有更多信息要发送的能够轮流的较长时间19数据链路层与局域网信道划分MAC协议: TDMATDMA: 时分多路访问 r”循环“访问信道r每个站点在每个循环中获得固定长度时隙(长度
10、=分组传输时间)r不使用的时隙空闲r例子：6个站点的LAN, 时隙1、3、4 有分组, 时隙2、5、6 空闲 rTDM (Time Division Multiplexing): channel divided into N time slots, one per user; inefficient with low duty cycle users and at light load.rFDM (Frequency Division Multiplexing): frequency subdivided.20数据链路层与局域网信道划分 MAC协议: FDMAFDMA: 频分多路访问 r信道频
11、谱划分为频带r每个站点分配固定的频带r频带中未使用的传输时间空闲r例子： 6个站点的LAN, 频带1、3、4 有分组, 频带2、5、6 空闲rTDM (Time Division Multiplexing): channel divided into N time slots, one per user; inefficient with low duty cycle users and at light load.rFDM (Frequency Division Multiplexing): frequency subdivided.frequency bandstime21数据链路层与局域
12、网随即访问协议r当 站点有分组要发送m以信道全部速率R传输m节点间无优先权协调r两个或更多传输节点 “碰撞”,r随即访问MAC协议 定义了: m如何检测碰撞m如何从碰撞中恢复 (例如，经延迟的重新传输)r随即访问MAC协议的例子:m时隙ALOHAmALOHAmCSMA, CSMA/CD, CSMA/CA22数据链路层与局域网时隙ALOHA假定r所有帧有相同长度r时间划分为等长时隙，能够传输1个帧r节点仅在时隙开始时开始传输帧r节点是同步的r如果2个或多个节点在时隙中传输，所有节点检测碰撞操作r当节点获得新帧，将在下一个时隙中传输r无碰撞，节点能够在下一个时隙中发送新帧r如果碰撞，节点在每个后继
13、时隙中以概率p重传帧知道成功23数据链路层与局域网时隙ALOHA优点r单个活跃节点能够连续地以信道的全速传输r高速分散：仅节点中的时隙需要同步r简单缺点r碰撞，浪费时隙r空闲时隙r节点可能能够以小于传输分组的时间检测到碰撞r时钟同步24数据链路层与局域网时隙Aloha效率r假定N个有许多帧要发送节点，每个时隙以概率p发送r节点1在一个时隙中成功发送的概率= p(1-p)N-1r任何节点成功发送的概率= Np(1-p)N-1r对N节点为使效率最大化，求p* 使得Np(1-p)N-1最大化r对许多节点，当N趋近无穷大，取Np*(1-p*)N-1 极限, 得到1/e = 0.37效率效率是当有许多节
14、点，且每个都有许多帧要发送时，成功时隙与总时隙的长期比值最多: 信道用于有用传输的时间是37%！25数据链路层与局域网纯(非时隙)ALOHAr非时隙Aloha: 更简单，无同步要求r当帧首个到达m 立即传输r碰撞的概率增加:m在t0 发送与在t0-1,t0+1发送的其他帧碰撞将于i帧起始部分重叠将于i帧结束部分重叠26数据链路层与局域网纯Aloha效率 P(给定节点成功) = 节点传输) . P(在p0-1,p0中无其他节点传输) = p . (1-p)N-1 . (1-p)N-1 = p . (1-p)2(N-1) 选择最适合的p并令 n - infty . = 1/(2e) = 0.18
15、甚至更差 !27数据链路层与局域网CSMA (载波侦听多路访问)CSMA: 在传输前侦听:如果侦听到信道空闲: 传输整个帧r如果侦听到信道忙, 推迟传输 r人类类比: 不要打断他人说话!28数据链路层与局域网CSMA碰撞碰撞还是会出现 :传播时延意味着两个节点也许不能听到其他节点传输碰撞:整个分组传输时间被浪费节点的空间设置注意:距离与传播时延在决定碰撞概率岁的作用空间29数据链路层与局域网CSMA/CD (碰撞检测)CSMA/CD: 载波侦听, 如同在CSMAm在短时间内检测到碰撞m碰撞的传输流产，减少信道浪费r碰撞检测: m在有线的LAN中容易: 测量信号强度，比较传输的和接收的信号m在无
16、线LAN中困难：传输中接收方切断r人类类比: 礼貌的交谈者 30数据链路层与局域网CSMA/CD 碰撞检测a=/T0, a越小，网络性能越好空间31数据链路层与局域网“轮流” MAC协议信道划分 MAC协议:m在高负载时高效、公平地共享信道m低负载时低效：信道访问中延时，当1个活跃节点时，甚至仅有分配了 1/N 带宽! 随机访问 MAC协议m低负载是有效：单个节点能够全面利用信道m高负载：碰撞开销“轮流”协议兼有这方面的优点!32数据链路层与局域网“轮流” MAC协议轮询: r主节点“邀请”从节点依次传输r关注问题:m轮询开销m时延m单点故障(主节点)令牌传递:r控制令牌令牌从一个节点顺序地传
17、递到下一个.r令牌报文r关注问题:m令牌开销 m时延m单点故障(令牌) 33数据链路层与局域网MAC协议小结r对共享媒体你需要做些什么?m信道划分, 通过时间、频率或编码时分, 频分m随机划分 (动态的), ALOHA, S-ALOHA, CSMA, CSMA/CD载波侦听: 在某些技术(有线)中容易，在另一些(无线)中困难CSMA/CD 用在以太网中CSMA/CA 用在 802.11中m轮流从中心站点轮询，令牌传递34数据链路层与局域网LAN技术数据链路层前面讲过:m服务, 差错检测/纠正, 多路访问 下面: LAN技术m编制m以太网m集线器, 交换机mPPP35数据链路层与局域网第5章 链
18、路层r5.1 概述与服务r5.2 差错检测和纠错 r5.3多路访问协议r5.4 链路层编址r5.5 以太网r5.6 集线器和交换机r5.7 PPPr5.8 链路虚拟化: ATM和MPLS36数据链路层与局域网地址转换问题r两台机器A和B,它们IP地址分别是IA、 IB ，物理地址分别是PA和PBr高层程序仅希望与IP地址交往，而实际通信必须使用物理地址IP4IAPAHA4HA3HA2HA5PBIP5ABIP2R1R2以太网 2以太网 1FDDI 网IP 层上的互联网IP 数据报MAC 帧IBIP3IP1IP6IP1IP6IP1IP6MAC 帧MAC 帧v问题： A如何从B的IP地址得到它的物理
19、地址PB？37数据链路层与局域网MAC地址和ARPr32-bit IP地址: m网络层地址m用于使数据报到达目的IP子网rMAC(或LAN 或物理或以太网)地址: m用于使数据报从一个接口到达另一个物理连接的接口(同一个网络内) m48 bit MAC地址(对多数LAN) 烧在了适配器ROM中38数据链路层与局域网LAN 编制和ARP在LAN中的每块适配器具有独特的LAN地址广播地址 =FF-FF-FF-FF-FF-FF= 适配器1A-2F-BB-76-09-AD58-23-D7-FA-20-B00C-C4-11-6F-E3-9871-65-F7-2B-08-53 LAN(有线的或无线的)39
20、数据链路层与局域网LAN地址(续)rMAC地址分配由IEEE管理r制造商购买部分MAV地址空间(确保惟一性)r类比: (a) MAC地址：像居民身份证号 (b) IP地址: 像邮政地址r MAC 扁平地址 可移动性 m能够将LAN卡从一个LAN移动到另一个去rIP层次地址不可不可移动m 取决于节点联系的子网40数据链路层与局域网ARP: 地址解析协议rLAN上的每个IP节点(主机、路由器)都有ARP表rARP表: 对美协LAN节点的IP/MAC地址映射 m TTL (寿命): 地址映射将被忘记的时间长度(通常20分钟)问题: 已知B的IP地址怎样决定B的MAC地址?1A-2F-BB-76-09
21、-AD58-23-D7-FA-20-B00C-C4-11-6F-E3-9871-65-F7-2B-08-53 LAN237.196.7.23237.196.7.78237.196.7.14237.196.7.8841数据链路层与局域网ARP协议: 相同的LAN (网络)rA要向B发送数据报, 并且B的MAC地址不在A的ARP表中.rA广播ARP 请求分组, 包含B的IP地址 m目的地MAC地址 = FF-FF-FF-FF-FF-FFm在 LAN上的所有机器接收ARP请求rB接收ARP分组，用它的MAC地址回答 Am帧发送到A的MAC地址 (单播)rA在它的ARP表中缓存(保存) IP到MAC的
22、地址对，直到信息变得超时m软状态: 信息超时除非被更新rARP是“即插即用”:m节点创建它们的ARP表无需网络管理员干预42数据链路层与局域网选路到另一个LAN目的: 从A到B经R发送数据报 假定A知道B的IP地址r在路由器R中有两个ARP表, 每张表对应一个IP网络 (LAN)rIn routing table at source Host, find router 111.111.111.110rIn ARP table at source, find MAC address E6-E9-00-17-BB-4B, etcARB43数据链路层与局域网rA生成具有源A、目的地B的数据报rA使用
23、ARP从111.111.111.110得到R的MAC地址 rA生成以R的MAC地址作为目的地的链路层帧,帧包含A-to-B IP 数据报rA的适配器发送帧rB的适配器接收帧rR从以太网帧取出IP数据报，看到它目的地是BrR使用ARP得到B的MAC地址rR生成包含A-to-B IP数据报的帧向B发送ARB44数据链路层与局域网第5章 链路层r5.1 概述与服务r5.2 差错检测和纠错 r5.3多路访问协议r5.4 链路层编址r5.5 以太网r5.6 集线器和交换机r5.7 PPPr5.8 链路虚拟化: ATM和MPLS45数据链路层与局域网以太网“占支配性的” 有线LAN技术: r100Mbs网
24、卡低于$20!r首先广泛使用的LAN技术r比令牌LAN和ATM更便宜r跟上了速率的竞赛: 10 Mbps 10 Gbps Metcalfe的以太网草图46数据链路层与局域网星型拓扑r直到20世纪90年代总线拓扑流行r目前星型拓扑流行r连接的选择: 集线器或交换机 (详情见后)集线器或交换机47数据链路层与局域网以太网帧结构发送适配器在以太网帧(或其他网络层协议分组)中封装IP数据报前导码: r模式为10101010 的7个字节，后跟模式为 10101011 的一个字节r用于同步接收方，发送方时钟速率48数据链路层与局域网以太网帧结构(续)r地址: 6字节m如果适配器接收具有匹配的目的地址或广播
25、地址(如ARP分组)的帧, 它将帧中的数据提交给网络层协议m否则, 适配器丢弃帧r类型: 指示较高层协议 (大多数为IP但也可以支持其他类型如 Novell IPX和AppleTalk)rCRC: 在接收方核对，如果检测到差错，该帧就被丢弃49数据链路层与局域网不可靠, 无连接服务r无连接: 在发送和接收适配器之间没有握手r不可靠: 接收适配器不向发送适配器发送应答或否定应答m传送给网络层的数据报流可能有间隙m如果应用程序使用TCP,间隙将能弥补m否则，应用程序将看到该间隙50数据链路层与局域网以太网使用CSMA/CDr无时隙r如果适配器感知到某些其他适配器正在传输，它不传输，即载波侦听r当传
26、输适配器感知另一个适配器正在传输，就中止, 即碰撞检测r在尝试重传之前，适配器等待一段随机的时间, 即随机访问51数据链路层与局域网以太网CSMA/CD算法1. 适配器从网络层接收数据报并生成帧2. 如果适配器感知信道空闲，它开始传输帧.如果它感知信道忙，等待信道空闲再传输3. 如果适配器传输整个帧而不检测另一个传输，该适配器已经处理完帧 !4. 如果适配器传输过程中检测到另一次传输, 中止并发送强化冲突信号5. 中止后, 适配器进入指数回退指数回退: 在第m次碰撞后, 适配器随机地从0,1,2,2m-1选择一个K值。适配器等待K512 比特时间并返回到第二步52数据链路层与局域网以太网的CS
27、MA/CD (续)强化冲突信号: 确保所有的其他传输方都知道碰撞; 48 bit比特时间: 对10 Mbps 以太网是 0.1 s; 对K=1023, 等待时间约为50 msec 指数回退 : r目标：估计当前负载，适应重传尝试m重负载: 随机等待将更长r首次碰撞: 从0,1 中 选择K；时延是K 512 bit 传输时间r第二次碰撞后: 从0,1,2,3选择 K r10次碰撞后, 从0,1,2,3,4, 1023 选择K观看/操作Web网站上的Java小程序: 高度推荐 !53数据链路层与局域网CSMA/CD效率rTprop = LAN中的2站点之间的最大传播时间rttrans = 传输最长
28、帧的时间r随着tprop 趋于0, 效率趋于1r随着ttrans 趋于无穷大，效率趋于1r比ALOHA好得多, 而且分布、简单且便宜效率 随着 a=tprop/ttrans as ttrans 54数据链路层与局域网10BaseT和100BaseTr10/100 Mbps速率; 后来被称为 “快速以太网”rT 表示双绞线(Twisted Pair)r节点连接到一台集线器: “星型拓扑”; 在节点和集线器之间的最大距离为100twisted pair集线器55数据链路层与局域网集线器集线器基本上是物理层中继器 :m来自一条链路的比特从其他所有链路出去m以相同的速率m无帧缓存m在集线器中无CSMA
29、/CD : 适配器检测碰撞m提供网络管理功能双绞线集线器56数据链路层与局域网曼彻斯特编码r用于10BaseTr每个比特具有一个跃迁r允许发送和接收节点中的时钟互相同步m节点之间的集中式、全局时钟没有必要!r这是物理层事情!57数据链路层与局域网Gbit以太网r使用标准以太网帧格式r允许点对点链路和共享的广播信道r在共享模式中, 使用CSMA/CD; 在需要高效率的节点之间采用近距离r使用集线器, 这里称为“缓存分配器”r1 Gbps全双工技术用于 点对点链路r现在已达10Gbps!a=tprop/ttrans as ttrans 58数据链路层与局域网第5章 链路层r5.1 概述与服务r5.
30、2 差错检测和纠错 r5.3多路访问协议r5.4 链路层编址r5.5 以太网r5.6 集线器和交换机r5.7 PPPr5.8 链路虚拟化: ATM和MPLS59数据链路层与局域网用集线器互联r主干集线器互联LAN网段r扩展节点之间的最大距离r但单独段碰撞域成为一个大的碰撞域r不能互联10BaseT和100BaseT集线器集线器集线器集线器60数据链路层与局域网交换机r链路层设备m存储并转发以太网帧m检查帧首部并基于MAC目的地址选择性地转发 帧m当帧 在网段上转发时，使用CSMA/CD 访问网段r透明m主机不知道交换机的存在r即插即用, 自学习m交换机不必配置61数据链路层与局域网转发 怎样决
31、定向哪个LAN段上转发帧呢? 看起来像选路问题.集线器集线器集线器交换机12362数据链路层与局域网自学习r一个交换机具有一个交换机表r交换机表中的项: m(MAC地址, 接口, 时戳)m表中的陈旧项丢弃 (TTL能够为 60分) r交换机知道通过哪个接口能够到达哪台主机m当帧收到, 交换机“得知” 发送方的位置: 入LAN 段m在交换机中记录了发送方/位置对63数据链路层与局域网过滤/转发当交换机 收到1帧:使用MAC目的地址索引交换机表if 找到目的地项then if 目的地位于帧到达的段 then 丢弃帧 else 在指示的接口转发该帧 else 洪泛 向所有接口(除了该帧到达的)转发该
32、帧64数据链路层与局域网交换机例子假定C向D发送帧r交换机从C接收帧m注意到交换机表中C位于接口1m因为D不在表中, 交换机将向接口2和3转发帧rD接收帧集线器集线器集线器交换机ABCDEFGHI地址接口ABEG112312365数据链路层与局域网交换机例子假定D回答C的帧r交换机从D接收帧m注意到在交换机表中D位于接口 2m因为C在表中, 交换机仅向接口1转发帧rC接收帧集线器集线器集线器交换机ABCDEFGHI地址接口ABEGC1123166数据链路层与局域网交换机: 流量隔离r交换机安装将子网分割成LAN段r交换机过滤分组: m相同LAN段的帧通常不在其他ALN段上转发m段成为分离的碰撞
33、域集线器集线器集线器交换机碰撞域碰撞域碰撞域67数据链路层与局域网交换机: 专门的访问r交换机具有许多接口r主机到交换机有直接的连接r无碰撞; 全双工交换机: A到A同时和B到B ，无碰撞交换机AABBCC68数据链路层与局域网交换机的其他信息r直通交换:帧从输入端口到输出端口无需先收集整个帧m少量地减少了时延r共享/专用的结合, 10/100/1000 Mbps接口69数据链路层与局域网机构网络集线器集线器集线器交换机到外部网络路由器IP 子网相同的广播域相同的广播域邮件服务器Web服务器70数据链路层与局域网交换机 vs. 路由器r两者都是存储转发设备m路由器: 网络层设备(检查网络层首部
34、)m交换机是链路层设备r路由器维护选路表，实现选路算法r交换机维护交换机表, 实现过滤、学习算法71数据链路层与局域网对比小结 集线器 路由器 交换机流量隔离 no yes yes即插即用 yes no yes优化选路 no yes no直通 no no yes隔离广播 no yes no72数据链路层与局域网第5章 链路层r5.1 概述与服务r5.2 差错检测和纠错 r5.3多路访问协议r5.4 链路层编址r5.5 以太网r5.6 集线器和交换机r5.7 PPPr5.8 链路虚拟化: ATM和MPLS73数据链路层与局域网点对点链路层控制r一个发送方、一个接收方、一段链路：比广播链路容易处理
35、:m无媒体访问控制m不需要明确的MAC编制m如拨号链路、ISDN链路r流行的点对点DLC协议:mPPP (point-to-point协议)mHDLC: 高级数据链路控制 (数据链路过去被认为位于协议栈的“高层”!74数据链路层与局域网PPP 设计要求RFC 1557r分组成帧: 在数据链路帧中封装网络层数据报m在相同时间承载任何网络层协议(不止是IP)的网络层数据m向上分解的能力r比特透明性: 在数据字段必须承载任何比特模式r差错检测 (不纠正)r连接活跃性: 对网络层检测、通知链路故障r网络层地址协商: 端点能学习/配置每个其他网络地址75数据链路层与局域网PPP不要求r无纠错/恢复r无流
36、量控制r允许失序交付r不必支持多点链路 (如轮询)差错恢复, 流量控制, 数据重排序所有都移交到较高层!76数据链路层与局域网PPP数据帧r标志: 定界符(成帧)r地址: 不起作用 (仅是一个选项)r控制:不起作用 ; 以后可能多控制字段r协议: 该帧交付的高层协议 (如 PPP-LCP, IP, IPCP等) 可变长度标志标志控制地址协议信息校验77数据链路层与局域网PPP数据帧r信息: 高层承载的数据r校验: 对差错检测的冗余循环校验可变长度标志标志控制地址协议信息校验78数据链路层与局域网比特填充r “数据透明性”要求: 数据字段必须允许包括标志模式m问题: 收到的是数据还是标志？r发送
37、方: 增加(“填充”)额外的 字节 在每个 数据字节r接收方: m在一排中出现01111101 01111110: 丢弃第一个字节, 继续数据接收m单个01111110: 标志字节79数据链路层与局域网比特填充flag bytepatternin datato send在传输数据中标志字节模式加上填充字节80数据链路层与局域网PPP数据控制协议在交换网络层数据前，数据链路对等方必须r配置PPP链路(最大的帧 长度，鉴别)r得知/配置网络 层信息m对IP: 承载IP控制协议 (IPCP)报文(协议字段: 8021)以配置/得知IP地址81数据链路层与局域网第5章 链路层r5.1 概述与服务r5.
38、2 差错检测和纠错 r5.3多路访问协议r5.4 链路层编址r5.5 以太网r5.6 集线器和交换机r5.7 PPPr5.8 链路虚拟化: ATM和MPLS82数据链路层与局域网网络的虚拟化资源的虚拟化: 在系统工程中一种强有力的抽象:r计算例子：虚拟内存，虚拟设备m虚拟机器: 如 javam1960s/70s 的IBM VM操作系统r层次抽象：不必关心较低层的细节，仅抽象地处理较低层83数据链路层与局域网因特网: 虚拟化的网络1974: 多个不连接的网络mARPAnetm电缆上传数据的网络m分组卫星网络 (Aloha)m分组无线电网络 不同的方面:m编制规则m分组格式m差错恢复m选路ARPA
39、net卫星网络“对分组网络互联的协议 , V. Cerf, R. Kahn, IEEE Transactions on Communications, May, 1974, pp. 637-648.84数据链路层与局域网因特网: 虚拟化的网络ARPAnet卫星网络网关网际层(IP): r编址: 互联网络看起来像单个、统一的实体，尽管下面的本地网络是异构的r网络的网络网关: r“在本地的分组格式中嵌入互联网分组或提取分组”r(在互联网级)选路到下一个网关85数据链路层与局域网Cerf 和Kahn的因特网体系结构什么是虚拟化?r两层编址: 互联网和本地网络r网络层(IP)使得互联网层的一切都是同类
40、的r下面的本地网络技术m电缆m卫星m56K电话调制解调器m今天: ATM, MPLS 在互联网层“不可见”. 对IP看起来像链路层技术!86数据链路层与局域网ATM和MPLSrATM, MPLS凭本身的头衔分割了网络m不同于因特网的服务模型，编址和选路r因特网视为连接IP路由器的逻辑链路m就像拨号链路实际上是分离网络(电话网)的部分rATM, MPSL:凭本身的头衔的技术特性87数据链路层与局域网异步传递方式: ATMr1990s/00高速的标准高速的标准 (155Mbps to 622 Mbps 及更高) 宽带综合业务数字网 体系结构r目标： 综合的、承载话音、视频和数据的端到端传输m满足话
41、音、视频的定时/QoS要求(对比因特网尽力而为模型)m“下一代”电话：扎根在电话界的技术m使用虚电路分组交换机(固定长度分组，称为“信元”)88数据链路层与局域网ATM体系结构 r适配层: 仅在ATM网络的边缘m数据分段/重装m大致类比于因特网运输层rATM层: “网络层”m信元交换机, 选路r物理层89数据链路层与局域网ATM: 网络或链路层?印象: 端到端传输: “ATM从桌面到桌面”mATM是一种网络技术事实: 用于连接IP主干路由器m“在ATM上传IP”mATM作为交换的 链路层, 连接IP路由器ATM网络IP网络90数据链路层与局域网ATM 适配层(AAL)rATM 适配层适配层(A
42、AL): “适配”较高层(IP或 纯粹的ATM 应用程序) 到下面的ATM层rAAL仅存在端系统中，不在交换机中rAAL层段(首部/尾部字段, 数据)根据多个ATM单元分段m类比: 在多个IP分组中的TCP 段91数据链路层与局域网ATM 适配层(AAL)(续)AAL层的不同版本，取决于ATM服务类型:rAAL1: 对CBR (恒定比特率)服务, 如电路仿真rAAL2: 对VBR (可变比特率)服务, 如MPEG视频rAAL5: 对数据(如IP数据报)AAL PDUATM 信元用户数据汇聚子层SAR子层92数据链路层与局域网ATM层服务: 跨越ATM网络传输信元r类似于IP网络层r与IP网络层
43、非常不同的服务网络体系结构因特网ATMATMATMATM服务模型尽力而为CBRVBRABRUBR带宽无恒速确保速率确保最小无丢包无是是无无顺序无是是是是定时无是是无无拥塞反馈无 (由丢包推断)无拥塞无拥塞是无确保 ?93数据链路层与局域网IP-Over-ATM经典IP r3个“网络” (如LAN 段)rMAC (802.3)和IP 地址ATM上传IPr用ATM网络代替“网络” (如LAN段)rATM地址, IP地址ATMnetwork以太网LAN以太网LAN96数据链路层与局域网在ATM上传输IP的网络的数据报历程r在源主机:mIP地址和ATM目的地址间的IP层映射(使用ARP)m将数据报传递
44、到AAL5mAAL5封装数据、端信元，传递到ATM层rATM网络: 沿着VC将信元移动到目的地r在目的主机:mAAL5重装信元为初始的数据报m如果CRC OK, 数据报传递给IP98数据链路层与局域网IP交换技术r动机：mIP和ATM两种技术的结合，以更高的速率转发IP数据报rIpsilon公司将IP和硬件交换机结合起来，实现IP交换技术m其他公司有一系列设计和名字，如tag 交换机ing、layer 3 交换机ing和label 交换机ing mIETF进行了标准化工作称之为MPLS(Multi-协议 Label 交换机ing)99数据链路层与局域网IP交换如何工作？两个一般性答案r目标是优
45、化IP选路以跨越ATM结构发送数据报r修改交换硬件，对IP流量进行优化m重新设计交换硬件，或使用较大信元或允许变长帧，以减小首部开销m硬件能解析IP首部，提取所需的域，能更快地转发数据报一次路由，多次交换100数据链路层与局域网多协议标签交换(MPLS)r初始目标：通过使用固定长度的标签(代替IP地址)进行转发，以加速IP转发m借用了虚电路(VC)方法的思想m但IP数据报仍保持IP地址!PPP或以太网 首部IP首部链路层帧的其余部分MPLS 首部首部标签Exp S TTL20315101数据链路层与局域网R1R2DR3R4R50100AR6 6 - A 010 6 A 112 9 D 0 入 出 出标签 标签 目的 接口 10 A 0 12 D 01 8 6 A 00 8 A 1MPLS转发表 入 出 出标签 标签 目的 接口 入 出 出标签 标签 目的 接口 入 出 出标签 标签 目的 接口103数据链路层与局域网第5章 小结r 支撑数据链路层服务的原则:m差错检测, 纠正m共享广播信道: 多路访问m链路层编址r各种链路层技术的实例和实现m以太网m交换机d LANSmPPPm虚拟网络作为链路层: ATM, MPLS104数据链路层与局域网
