计算机网络第三章谢希仁.pptx

第 3 章 数据链路层第 3 章 数据链路层n3.1 使用点对点信道的数据链路层n3.2 点对点协议 PPPn3.3 使用广播信道的数据链路层n3.4 扩展的以太网n3.5 高速以太网数据链路层使用的信道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 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数据链路层的地位H1 到H2 所经过的网络可以是多种的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只考虑数据在数据链路层的流动不同的链路层可能采用不同的数据链路层协议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R1R2R3H1H2H1 到H2 所经过的网络可以是多种的3.1 使用点对点信道的数据链路层n3.1.1 数据链路和帧n3.1.2 三个基本问题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。

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 3.1.1 数据链路和帧 n也有人采用另外的术语这就是把链路分为物理 链路和逻辑链路n物理链路就是上面所说的链路n逻辑链路就是上面的数据链路，是物理链路加上 必要的通信协议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 是同义语数据 链路层结点 A结点 B帧(b) 只考虑数据链路层发送 帧接收链路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(a) 三层的简化模型IP 数据报1010… …0110帧装入数据链路层传送的是帧使用点对点信道的数据链路层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数据链路层不必考虑物理层如何实现比特传输的 细节。

甚至还可以更简单地设想好像是沿着两个 数据链路层之间的水平方向把帧直接发送到对 方结点结点帧帧3.1.2 三个基本问题 n数据链路层协议有许多种，但有三个基本问题则 是共同的这三个基本问题是： (1) 封装成帧(2) 透明传输(3) 差错控制 1. 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 课件制作人：谢希仁帧结束帧首部IP 数据报帧的数据部分帧尾部 MTU数据链路层的帧长从这里开始发送帧开始发送用帧首部和帧尾部封装成帧用控制字符进行帧定界的方法举例 n当数据是由可打印的 ASCII 码组成的文本文件时，帧 定界可以使用特殊的帧定界符n控制字符 SOH (Start Of Header) 放在一帧的最前面， 表示帧的首部开始另一个控制字符 EOT (End Of Transmission) 表示帧的结束SOH装在帧中的数据部分帧帧开始符帧结束符发送在前EOT用控制字符进行帧定界的方法举例2. 透明传输n如果数据中的某个字节的二进制代码恰好和 SOH 或 EOT 一样，数据链路层就会错误地“找到帧的边界”。

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 在前数据部分恰好出现与 EOT 一样的代码解决透明传输问题n解决方法：字节填充 (byte stuffing) 或字符填充 (character stuffing)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在数据当中，那么应在转义字符前 面插入一个转义字符 ESC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 用字节填充法解决透明传输的问题 SOHSOHEOTSOHESCESC EOTESC SOHESC ESCESC SOH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SOH用字节填充法解决透明传输的问题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 1n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 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 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 0n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 n将余数 R 作为冗余码拼接在数据 M 后面发送出 去冗余码的计算举例 n现在 k = 6, M = 101001n设 n = 3, 除数 P = 1101，n被除数是 2nM = 101001000 n模 2 运算的结果是：商 Q = 110101，余数 R = 001n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。

循环冗余检验的原理说明 P (除数)1101110100 1010010002nM (被除数) 1101 11101101 01110000 11101101 01100000 11001101 001R (余数)，作为为 FCSQ (商)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 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 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 应当注意 n应当明确，“无比特差错”与“无传输差错”是不同 的概念n在数据链路层使用 CRC 检验，能够实现无比特 差错的传输，但这还不是可靠传输n本章介绍的数据链路层协议都不是可靠传输的协 议3.2 点对点协议 PPPn3.2.1 PPP 协议的特点n3.2.2 PPP 协议的帧格式n3.2.3 PPP 协议的工作状态3.2.1 PPP 协议的特点 n对于点对点的链路，目前使用得最广泛的数据链 路层协议是点对点协议 PPP (Point-to-Point Protocol)n用户使用拨号线接入互联网时， 用户计算 机和 ISP 进行通信时所使用的数据链路层协议 就是 PPP 协议nPPP 协议在1994年就已成为互联网的正式标 准用户到 ISP 的链路使用 PPP 协议 用户至互联网已向互联网管理机构 申请到一批 IP 地址ISP接入网PPP 协议1. PPP 协议应满足的需求 n简单 —— 这是首要的要求。

n封装成帧 —— 必须规定特殊的字符作为帧定界符n透明性 —— 必须保证数据传输的透明性n多种网络层协议 —— 能够在同一条物理链路上同时支 持多种网络层协议n多种类型链路 —— 能够在多种类型的链路上运行n差错检测 —— 能够对接收端收到的帧进行检测，并立 即丢弃有差错的帧1. PPP 协议应满足的需求（续） n检测连接状态 —— 能够及时自动检测出链路是否处于 正常工作状态n最大传送单元 —— 必须对每一种类型的点对点链路设 置最大传送单元 MTU 的标准默认值，促进各种实现之 间的互操作性n网络层地址协商 —— 必须提供一种机制使通信的两个 网络层实体能够通过协商知道或能够配置彼此的网络层 地址n数据压缩协商 —— 必须提供一种方法来协商使用数据 压缩算法2. 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 3. PPP 协议的组成 nPPP 协议有三个组成部分：n(1) 一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法n(2) 链路控制协议 LCP (Link Control Protocol)n(3) 网络控制协议 NCP (Network Control Protocol)。

3.2.2 PPP 协议的帧格式nPPP 帧的首部和尾部分别为 4 个字段和 2 个字段n标志字段 F = 0x7E （符号“0x”表示后面的字符是用十 六进制表示十六进制的 7E 的二进制表示是 01111110）n地址字段 A 只置为 0xFF地址字段实际上并不起作 用n控制字段 C 通常置为 0x03nPPP 是面向字节的，所有的 PPP 帧的长度都是整数字 节PPP 协议的帧格式IP 数据报1211字节12不超过 1500 字节PPP 帧先发送7EFF03FACFCSF 7E协议信 息 部 分首部尾部PPP 有一个 2 个字节的协议字段其值l若为 0x0021，则信息字段就是 IP 数据报l若为 0x8021，则信息字段是网络控制数据l若为 0xC021，则信息字段是 PPP 链路控制数据l若为 0xC023，则信息字段是鉴别数据透明传输问题 n当 PPP 用在同步传输链路时，协议规定采用硬 件来完成比特填充（和 HDLC 的做法一样） n当 PPP 用在异步传输时，就使用一种特殊的字 符填充法 字符填充 n将信息字段中出现的每一个 0x7E 字节转变成为 2 字节序列 (0x7D, 0x5E)。

n若信息字段中出现。