韩立刚-计算机网络-第三章-数据链路层

河北师范大学软件学院计算机网络：数据链路层韩立刚458717185[e-mail]13803367991回顾数据信号模拟信号模拟数据基带信号带通信号数字信号数字数据码元信道单工通信半双工通信全双工通信奈奎斯特Nyquist定理香农Shannon公式频分复用时分复用波分复用CDMACDMA计算指引数据链路层基本概念及基本问题基本概念三个基本问题两种情况下的数据链路层使用点对点信道的数据链路层使用广播信道的数据链路层以太局域网（以太网）扩展以太网高速以太网应用层运输层数据链路层网络层物理层局域网广域网主机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从层次上来看数据的流动数据链路层的简单模型数据发送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数据链路层的简单模型(cont.)数据发送模型数据链路层的信道类型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送。链路与数据链路链路(link)是一条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(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。现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。帧数据链路层传送的是帧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IP数据报1010……0110帧装入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。指引数据链路层基本概念及基本问题基本概念三个基本问题两种情况下的数据链路层使用点对点信道的数据链路层使用广播信道的数据链路层以太局域网（以太网）扩展以太网高速以太网应用层运输层数据链路层网络层物理层数据链路层的三个基本问题封装成帧透明传输差错控制封装成帧•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用控制字符进行帧定界的方法举例试想：帧还未发送完，发送端出了问题，只能重发该帧。接收端却收到了前面的“半截子帧”，它会抛弃吗？为什么？SOH装在帧中的数据部分帧帧开始符帧结束符发送在前EOT透明传输若传输的数据是ASCII码中“可打印字符(共95个)”集时，一切正常。若传输的数据不是仅由“可打印字符”组成时，就会出问题，如下图。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完整的帧发送在前用字节填充法解决透明传输的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(bytestuffing)或字符填充(characterstuffing)——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。SOHSOHEOTSOHESCESCEOTESCSOHESCESCESCSOH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差错控制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(BitErrorRate)。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。循环冗余检验CRC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。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。循环冗余检验的计算过程110101←Q(商)P(除数)→1101101001000←2nM(被除数)11011110110101110000111011010110000011001101001←R(余数)，作为FCS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。注：可以用生成多项式来表示循环冗余的除数，例P(X)=X3+X2+1可以表示1101这个除数。练：101101的生成多项式P(X)=？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(FrameCheckSequence)。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。接收端对收到的每一帧进行CRC检验检验：若得出的余数R=0，则判定这个帧没有差错，就接受(accept)。若余数R0，则判定这个帧有差错，就丢弃。特点：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。关于CRC的更多的知识小结：CRC差错检测技术仅用循环冗余检验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。考虑：帧重复、帧丢失、帧乱序的情况可以说“CRC是一种无比特差错，而不是无传输差错的检测机制”OSI/RM模型的观点：数据链路层要做成无传输差错的！但这种理念目前不被接受！指引数据链路层基本概念及基本问题基本概念三个基本问题两种情况下的数据链路层使用点对点信道的数据链路层使用广播信道的数据链路层以太局域网（以太网）扩展以太网高速以太网应用层运输层数据链路层网络层物理层PPP协议使用场合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PPP协议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-PointProtocol)。用户使用拨号电话线接入因特网时，一般都是使用PPP协议。PPP协议PPP协议应该满足的要求：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•PPP协议不需要满足的要求：–纠错–流量控制–序号–多点线路–半双工或单工链路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[RFC1661]。PPP协议有三个组成部分数据链路层协议可以用于异步串行或同步串行介质。它使用LCP（链路控制协议）建立并维护数据链路连接。网络控制协议（NCP）允许在点到点连接上使用多种网络层协议，如图所示。PPP有一个2个字节的协议字段。◦0x0021—PPP帧的信息字段就是IP数据报。◦0xC021—信息字段是PPP链路控制数据。◦0x8021—表示这是网络控制数据。◦0xC023—信息字段是安全性认证PAP。◦0xC025—信息字段是LQR。◦0xC223—信息字段是安全性认证CHAP。IP数据报1211字节12不超过1500字节PPP帧先发送7EFF03FACFCSF7E协议信息部分首部尾部FF、03是固定的PPP协议帧格式PPP协议帧格式标志字段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。IP数据报1211字节12不超过1500字节先发送7EFF03FACFCSF7E协议信息部分首部尾部字节填充问题：信息字段中出现了标志字段的值，可能会被误认为是“标志”，怎么办？将信息字段中出现的每个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。IP数据报1211字节12不超过1500字节先发送7EFF03FACFCSF7E协议信息部分首部尾部零比特填充方法PPP协议用在SONET/SDH链路时，是使用同步传输（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在发送端，只要发现有5个连续1，则立即填入一个0。接收端对帧中的比特流进行扫描。每当发现5个连续1时，就把这5个连续1后的一个0删除，IP数据报1211字节12不超过1500字节先发送7EFF03FACFCSF7E协议信息部分首部尾部零比特填充法01001111101000101001001111110001010010011111010001010信息字段中出现了和标志字段F完全一样的8比特组合发送端在5个连1之后填入0比特再发送出去在接收端把5个连1之后的0比特删除会被误认为是标志字段F发送端填入0比特接收端删除填入的0比特不使用序号和确认机制PPP协议之所以不使用序号和确认机制是出于以下的考虑：在数据链路层出现差错的概率不大时，使用比较简单的PPP协议较为合理。在因特网环境下，PPP的信息字段放入的数据是IP数据报。数据链路层的可靠传输并不能够保证网络层的传输也是可靠的。帧检验序列FCS字段可保证无差错接受。PPP协议的工作状态当用户拨号接入ISP时，路由器的调制解调器对拨号做出确认，并建立一条物理连接。PC机向路由器发送一系列的LCP分组（封装成多个PPP帧）。这些分组及其响应选择一些PPP参数，和进行网络层配置，NCP给新接入的PC机分配一个临时的IP地址，使PC机成为因特网上的一个主机。通信完毕时，NCP释放网络层连接，收回原来分配出去的IP地址。接着，LCP释放数据链路层连接。最后释放的是物理层的连接。PPP协议的工作状态设备之间无链路链路静止链路建立鉴别网络层协议链路打开链路终止物理链路LCP链路已鉴别的LCP链路已鉴别的LCP链路和NCP链路物理层连接建立LCP配置协