计算机网络谢希仁3数据链路层.ppt

课件制作人：谢希仁,计算机网络（第 6 版）,第 3 章 数据链路层,课件制作人：谢希仁,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 PPP3.2.1 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,课件制作人：谢希仁,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,课件制作人：谢希仁,第 3 章 数据链路层（续）,3.5 扩展的以太网3.5.1 在物理层扩展以太网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,课件制作人：谢希仁,数据链路层,数据链路层使用的信道主要有以下两种类型： 点对点信道。

这种信道使用一对一的点对点通信方式 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,课件制作人：谢希仁,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,从层次上来看数据的流动,,课件制作人：谢希仁,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,,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,,,,,,,,,R1,R2,R3,H1,H2,仅从数据链路层观察帧的流动,,,课件制作人：谢希仁,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 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,(a),(b),发送,接收,链路,,,,,,IP 数据报,,1010… …0110,,,,帧,装入,,,数据链路层传送的是帧,课件制作人：谢希仁,数据链路层像个数字管道,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课件制作人：谢希仁,3.1.2 三个基本问题,(1) 封装成帧 (2) 透明传输 (3) 差错控制,课件制作人：谢希仁,1. 封装成帧,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 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,数据链路帧的特点,首部和尾部包括许多必要的控制信息 每一种链路层协议都规定了所能传送的帧的数据部分长度上限—最大传送单元 一个控制字符SOH（start of header）表示帧的首部开始另一个控制字符EOT（end of transmission）表示帧的结束课件制作人：谢希仁,课件制作人：谢希仁,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,EOT,课件制作人：谢希仁,,2. 透明传输,SOH,,EOT,,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,在数据链路层透明传送数据表示无论什么样的比特组合的数据都能通过这个数据链路层,课件制作人：谢希仁,解决透明传输问题,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)。

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 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课件制作人：谢希仁,SOH,,,,,SOH,,EOT,SOH,ESC,,ESC,EOT,ESC,SOH,ESC,ESC,ESC,SOH,,,,,,,,,,原始数据,,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,,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,SOH,课件制作人：谢希仁,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 而 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 (Bit Error Rate) 误码率与信噪比有很大的关系 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课件制作人：谢希仁,循环冗余检验的原理,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 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 位冗余码一起发送课件制作人：谢希仁,冗余码的计算,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 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 位课件制作人：谢希仁,冗余码的计算举例,现在 k = 6, M = 101001 设 n = 3, 除数 P = 1101， 被除数是 2nM = 101001000 模 2 运算的结果是：商 Q = 110101，余数 R = 001 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) 位课件制作人：谢希仁,110101 ← 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,,,,,,,,,,,,,,一种方便的方法是用多项式来表示 检验过程。

上面的例子用多项式表示 P（X）=X3 +X2+1表示上面的除数P=1101,课件制作人：谢希仁,课件制作人：谢希仁,帧检验序列 FCS,在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列 FCS (Frame Check Sequence) 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 的唯一方法课件制作人：谢希仁,接收端对收到的每一帧进行 CRC 检验,(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 R  0，则判定这个帧有差错，就丢弃 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 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课件制作人：谢希仁,应当注意,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) “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”。

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） 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课件制作人：谢希仁,3.2 点对点协议 PPP 3.2.1 PPP 协议的特点,现在全世界使用得最多的数据链路层协议是点对点协议 PPP (Point-to-Point Protocol) 用户使用拨号线接入因特网时，一般都是使用 PPP 协议课件制作人：谢希仁,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,课件制作人：谢希仁,1. PPP 协议应满足的需求,简单——这是首要的要求 封装成帧 透明性 多种网络层协议 多种类型链路 差错检测 检测连接状态 最大传送单元 网络层地址协商 数据压缩协商,课件制作人：谢希仁,2. PPP 协议不需要的功能,纠错 流量控制 序号 多点线路 半双工或单工链路,课件制作人：谢希仁,3. PPP 协议的组成,1992 年制订了 PPP 协议经过 1993 年和 1994 年的修订，现在的 PPP 协议已成为因特网的正式标准[RFC 1661]。

PPP 协议有三个组成部分 一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法 链路控制协议 LCP (Link Control Protocol) 网络控制协议 NCP (Network Control Protocol)课件制作人：谢希仁,3.2.2 PPP 协议的帧格式,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） 地址字段 A 只置为 0xFF地址字段实际上并不起作用 控制字段 C 通常置为 0x03 PPP 是面向字节的，所有的 PPP 帧的长度都是整数字节课件制作人：谢希仁,PPP 协议的帧格式,PPP 有一个 2 个字节的协议字段 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，则表示这是网络控制数据IP 数据报,1,2,1,1,字节,1,2,,,不超过 1500 字节,,PPP 帧,先发送,,,,7E,,,FF,03,F,A,C,FCS,F,7E,,协议,信 息 部 分,,,首部,尾部,,,,,课件制作人：谢希仁,透明传输问题,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）。

当 PPP 用在异步传输时，就使用一种特殊的字符填充法课件制作人：谢希仁,字符填充,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) 若信息字段中出现一个 0x7D 的字节, 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。