计算机网络ch3 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 3.2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 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 数据链路层研究的是两个相邻结点之间的数据传输 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 从层次上来看数据的流动 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 R2R3 H1H2 链路层 网络层 物理层 R1 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 仅从数据链路层观察帧的流动 H1R1R1R2R2R3R3H2 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

2、 链路层 网络层 物理层 R2R3 H1H2 链路层 网络层 物理层 R1 四段不同的链路层可能采用不同的数据链路四段不同的链路层可能采用不同的数据链路 层协议，也即采用不同的数据链路层信道层协议，也即采用不同的数据链路层信道 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 H1H2 ?数据链路层的信道类型 ?点对点信道。这种信道使用一对一的点对点通信方式， 多用于广域网（远距离）的通信 ?广播信道。这种信道使用一对多的广播通信方式，多用 于局域网（短距离）的通信 3.1 使用点对点信道的数据链路层 3.1.1 数据链路和帧 ?链路(link)是从一个结点到另一个结点的物 理线路，中间没有任何的交换节点。 ?一条链路只是一条通路的一个组成部分 ?数据链路(datalink)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。 ?一般来说，实现数据链路层和物理层这两层功 能的是网络适配器 IP 数据报 IP 数据报 1010 0110

3、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 (b) 只考虑数据链路层 发送 (a) 三层简化模型 帧 接收 链路 IP 数据报 IP 数据报 1010 0110 帧 装入 数据链路层传送的协议数据单元是帧数据链路层传送的协议数据单元是帧 图3-3 使用点对点信道的数据链路层 3.1.2 三个基本问题 ?封装成帧 ?透明传输 ?差错检测 1. 封装成帧 ?封装成帧就是在一段数据的前后分别添加帧 首部和帧尾部，使其构成了一个帧。 帧首部帧首部 IP 数据报IP 数据报 帧的数据部分帧的数据部分帧尾部帧尾部 MTU最大传输单元 数据链路层的帧长 1. 封装成帧 ?首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界 ?通常使用特殊的编码作为帧定界符 帧首部帧首部 IP 数据报IP 数据报 帧的数据部分帧的数据部分帧尾部帧尾部 MTU最大传输单元 数据链路层的帧长 帧结束帧开始 1. 封装成帧 SOH SOH 帧的数据部分帧的数据部分 帧 帧开始符帧结束符 EOT EOT ?SOH(Start Of Head)：十六进制编码为01 ?EOT(End O

4、f Transmission)：十六进制编码为04 ?当传输的数据是可打印的ASCII码组成的文本文件 时，可以使用特殊的控制字符作为帧定界符 2. 透明传输 SOHSOHEOT 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 EOTEOT 完整的帧 ?当帧的数据部分是二进制文件，文件中正 好出现和SOH、EOT一样的编码，这样的 数据就无法正确传输给接收结点。 2. 透明传输 SOHSOHEOT 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 EOTEOT 完整的帧 ?如果要求上层交下来的数据不能包含 SOH、EOT等编码数据，这样的传输就不 是“透明传输” 2. 透明传输 SOHSOHEOT 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 EOTEOT 完整的帧 ?透明传输：不管上层交下来的是什么数 据，都可以封装在帧中传输给接收结点 2. 透明传输 ?实现方法：字节填充（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”(十六进制编

5、码是 1B)。 ?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。 ?接收端必须将转义字符删除再将数据移交给上 层 SOH SOH SOH SOHEOT SOH SOHESC ESCEOTESCSOHESCESCESCSOHSOH 原始数据 EOT EOT 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 帧开始符帧结束符 实现透明传输 SOH 图3-7 使用字节填充解决透明传输的问题 3. 差错检测 ?在传输过程中可能会产生比特差错：1可能 会变成 0，0也可能变成 1。 ?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(BitError Rate)。 ?任何通信链路都不是理想的（误码率不可能 为0），因此，在计算机网络传输数据时， 必须采用差错检测措施。 循环冗余检验CRC （Cyclic Redundancy Check） ?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。 ?在发送端，先把数据划分为组。假定每组k 个比特数据，在数据之后再添加n位校验码 （冗余码）一起发送。 ?在接收端，根据

6、n位校验码，进行计算，就 可以检查出传输是否出现差错。 k个比特的数据n位校验码 循环冗余检验CRC （Cycle Redundancy Check） ?循环冗余检验CRC采用的运算是二进制的模 2运算 ?模2运算的加法不进位，减法不借位 ?如1010+1111=0101 ?特点：加法和减法的结果是一样的。 ?等价于二进制的异或运算 ?模2运算的除法运算过程中，商的规则是被 除数首位为1，商的对应位取1；被除数首位 为0，商的对应位取0 循环冗余检验CRC （Cycle Redundancy Check） ?假定待传送的数据为M=101001 （k=6），需要添加的冗余码为3位 （n=3）。 ?被除数： M*2n。相当于在M后面添加 n 个 0，共(k+n)位 ?被除数为101001000 循环冗余检验CRC （Cycle Redundancy Check） ?假定待传送的数据为M=101001 （k=6），需要添加的冗余码为3位 （n=3）。 ?除数：根据冗余码的位数n，发送和接收双方 协商（n+1）位的除数。 ?假设使用3位的冗余码，双方可以协商除数为1101 ?除数必须满足首位和

7、末位均为1 ?除数的表示方法是：P(X)=X3+X2+1 ?商和余数：通过二进制模2运算后，得出商是Q， 余数是R，R是n位，即冗余码 110101Q (商) P (除数) 1101 1010010002nM (被除数) 1101 1110 1101 0111 0000 1110 1101 0110 0000 1100 1101 001 R (余数) 循环冗余检验CRC （Cycle Redundancy Check） 101001 001 ?发送的数据为： 帧检验序列帧检验序列 FCS 循环冗余检验CRC （Cycle Redundancy Check） ?接收端对收到的每一帧进行CRC检验：把收到的 每一个帧都除以相同的除数P（模2运算），然后 检查得到的余数R。 ?被除数为k位数据+n位冗余码，除数已事先协定 ?若得出的余数R= 0，则判定这个帧没有差错， 将数据交给上层。 ?若余数R 0，则判定这个帧有差错，就丢弃。 循环冗余检验CRC （Cycle Redundancy Check） ?仅用循环冗余检验CRC差错检测技术只能做到无 差错接受，而不是可靠传输 ?由于没有提供可靠

8、传输功能，所以可能会出现帧 丢失、帧重复和帧失序等情况 ?注意：数据链路层的差错检测是以帧为单位（即 包含帧的数据部分以及首、尾部）进行的 3.2 点对点协议 PPP ?在点对点链路上，点对点协议 PPP(Point-to- PointProtocol)是目前使用得最广泛的数据链路 层协议（是用户计算机与ISP通信时所使用的协 议，如用户使用拨号电话线接入因特网）。 ?PPP协议并不是纯粹的数据链路层协议，还包括 了物理层与网络层的内容。 PPP 协议的组成 ?PPP协议有三个组成部分 ?在串行链路上封装数据报的方法：既支持异 步链路，也支持面向比特的同步链路 ?链路控制协议 LCP (Link Control Protocol)： 用于建立、配置和测试数据链路的连接 ?网络控制协议 NCP (Network Control Protocol)：支持各种网络层协议 3.2.2 PPP 协议的帧格式 ?PPP协议数据帧由3部分组成：首部、信息字 段、尾部 首部 信息字段 尾部 PPP 帧帧 3.2.2 PPP 协议的帧格式 PPP 帧帧 首部 信息字段 尾部 121字节1 7E FF03

9、 FAC 协议 ?首部共5个字节 ?标志字段F=0x7E：标志帧的开始 ?地址字段A=0xFF：由于是点对点链路，地址 字段实际上并不起作用 ?控制字段C= 0x03：表示无序号帧 ?协议字段（2个字节） ?当协议字段为 0x0021 时，PPP 帧的信息字段就是 IP 数据报。 ?若为 0xC021, 则信息字段是 PPP 链路控制数据。 ?若为 0x8021，则信息字段是 PPP网络控制数据。 3.2.2 PPP 协议的帧格式 PPP 帧帧 首部 信息字段 尾部 1211 7E FF03 FAC 协议 字节 IP 数据报 ?信息部分的长度可变，但最长不超过1500字节 ?信息部分的内容即为上层的IP数据报（协议字 段为 0x0021 时） 不超过 1500 字节 3.2.2 PPP 协议的帧格式 PPP 帧帧 首部 信息字段 尾部 1211 7E FF03 FAC 协议 字节 IP 数据报 不超过 1500 字节12 FCS 7E F ?尾部共3个字节 ?FCS帧检验序列（2个字节） ?PPP使用的是循环冗余检验CRC ?标志字段F=0x7E：标志帧的结束 PPP透明传输问题 ?当 PPP用在异步传输时，把转义符定义为 0x7D，并使用字节填充法。 ?当 PPP用在同步传输链路时，协议规定采 用硬件来完成零比特填充。 字节填充 ?将信息字段中出现的每一个 0x7E字节（帧的定界符）转 变成为 2字节序列(0x7D,0x5E)。 ?若信息字段中出现一个 0x7D字节,则将其转变成为 2字 节序列(0x7D,0x5D)。 ?若信息字段中出现 ASCII码的控制字符（即数值小于 0x20的字符），则在该字符前面要加入一个 0x7D字 节，同时将该字符的编码加以改变（加上0x20）。 7E 7E 7E 7E7E 0E 0E12 7D5E7D5D7D327D 2E 2E 原始数据 7E 7E 7E 7E 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 帧开始符帧结束符 7D 字节填充 零比特填充 ?PPP协议在同步传输是一连串的比特连续传送。这时 PPP 协议采用零比特填充方法来实现透明传输。 ?标志字段 7E=01111

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