链路层和局域网

1第5章链路层和局域网网络层：主机和主机之间传输数据报。链路层：在相邻单元之间传输数据帧。应用层运输层网络层链路层物理层2网络层提供两台主机之间的通信服务。路径：由源主机和目的主机之间的一系列通信链路和路由器组成接受链路层服务链路3网络层的数据报如何被封装成链路层的帧；分组如何通过各段链路链路层协议是否能够提供路由器之间的可靠数据传输；通信路径上不同的链路是否采用不同的链路层协议。链路链路层工作4学习内容数据链路层服务差错检测和纠错多址访问协议：共享广播信道链路层寻址可靠传输链路层技术的实现5链路层信道类型广播链路点对点链路6广播链路许多主机被连接到相同的通信信道（共享信道）主要解决问题：需要媒体访问协议来协调传输和避免“碰撞”（冲突）。常用于局域网LAN、无线LAN、卫星网和光纤电缆混合(HFC)接入网。7点对点链路直接链接两个节点的链路，每一端有一个节点。如两台路由器之间的通信链路，或住宅的拨号调制解调器与ISP路由器之间的通信链路。访问控制简单。主要解决问题：如成帧、可靠数据传输、差错检测和流量控制等。8主要内容5.1概述与服务5.2差错检测和纠错5.3多路访问协议5.4链路层编址5.5以太网5.6集线器和交换机5.7PPP5.8链路虚拟化:ATM5.9小结95.1概述和服务节点：主机和路由器链路：连接相邻节点的通信信道。链路层传输数据报的过程沿端到端路径上的每段独立的链路传输。发送节点将数据报封装成链路层帧，发送到链路上接收节点接收该帧，并提取出数据报。节点链路5.1.1链路层提供的服务5.1.2适配器101、链路层功能和协议链路层功能：将分组通过一个链路，从一个节点传输到邻近的下一个节点。链路层协议：用来在单段链路上传输分组。定义了在链路两端的节点之间交互的分组格式，以及发送和接收分组时节点采取的动作。交换的数据单元称为帧(frame)，封装了一个网络层的数据报。所采取的动作：包括差错检测、重传、流量控制和随机访问。典型协议：以太网、802.11无线LAN、令牌环和PPP，以及ATM。112、网络层与链路层关系网络层：将运输层报文段从源主机传送到目的主机。能够在各段链路层提供异构服务的情况下，完成端到端的工作。链路层：将网络层数据报从一个节点传送到下一个节点（单段链路）。不同的链路采用不同的链路层协议，提供的服务不同。12类比例旅行社组织游客从A地到B地。经过3段旅程。游客：数据报；运输区段：通信链路；运输方式：链路层协议，如汽车、飞机和火车。旅行社：选路协议。汽车飞机火车AB133、链路层提供的服务将数据报通过一条通信链路从一个节点“移动”到相邻的节点。成帧：把网络层数据报封装成链路层帧，再传送到链路上。首部包括若干字段：如编号、物理地址等。不同的链路层协议，帧格式可能不同。首部数据报14链路访问：由媒体访问控制MAC协议定义帧在链路上传输的规则。点对点链路：一个发送方和一个接收方。MAC协议比较简单（或不存在），即任何时候只要链路空闲，发送方都能够发送帧。广播链路：多个节点共享一个链路（多路访问）使用MAC协议协调多个节点的帧传输。3、链路层提供的服务153、链路层提供的服务可靠交付：保证网络层的数据报无差错地通过链路层。方法：与运输层类似，可通过确认和重传获得高差错率的链路：如无线链路，在本地(发生差错的链路)纠正差错，不通过运输层或应用层协议进行端到端的数据重传。低差错率的链路：如光纤、同轴电缆、双绞线链路，不需提供可靠的传输服务。16流量控制：防止发送节点的发送速率过高，避免接收节点来不及处理。链路节点的帧缓存容量有限。当帧到达接收节点的速率大于其处理速率，接收方缓冲区产生溢出，帧会丢失。3、链路层提供的服务173、链路层提供的服务差错检测：帧在传输时有可能出现比特差错（10、01）差错检测用来检测是否存在一个或多个差错。发送节点：在帧中设置差错检测比特；接收节点：对收到的帧进行差错检测。通过硬件实现。差错纠正：与差错检测类似。接收方不仅能检测帧中是否出现差错，还能判断差错的位置，并进行纠正。183、链路层提供的服务半双工和全双工：全双工传输：链路两端的节点可以同时传输分组。半双工传输：链路两端的节点不能同时传输和接收，只能交替。194、链路层服务和运输层服务比较运输层协议：在端到端的基础上为两个进程之间提供可靠传输流量控制是在端到端的基础上提供。链路层协议：在一条链路相连的两个节点之间提供可靠传输流量控制是在相邻节点之间的基础上提供。205.1.2适配器网卡：网络接口卡NIC（NetworkInterfaceCard）网络适配器（NetworkAdapter）作用：计算机通过网卡与传输介质连接组成网络。90年代：是独立的物理部件。如PCMCIA卡或插入卡。安装在计算机的主板扩展槽中。现代：大多被综合进主机的主板。即“LAN在主板”PCI网卡211、网卡的功能完成物理层和数据链路层的大部分功能。主要功能：（1）数据的封装与解封：如以太网帧。（2）链路管理：如CSMA/CD协议的实现。（3）编码与译码：如曼彻斯特编码与译码。CPU存储器控制器物理传输主机总线适配器主机链路层物理层应用层运输层网络层链路层链路层222、实现链路层功能相邻节点间帧的传输：成帧，传输帧，接收帧，解封发送节点：网络层将数据报传递到适配器，封装成帧，将帧传输到通信链路。接收节点：适配器接收帧，解封取出数据报，传递给网络层。控制器CPU存储器控制器CPU存储器数据报数据报数据报帧封装发送接收解封232、实现链路层功能差错检测：发送适配器设置差错检测比特，接收适配器完成差错检测。可靠交付：具体实现可靠交付的机制(如序号、定时器和确认)。随机访问：实现随机访问协议。如CSMA/CD243、特点是一个半自治的单元。适配器发送帧：网络层数据报向下传给适配器，由适配器负责在链路上传输数据报。适配器接收帧，并判断是否有差错出错：直接丢弃该帧，不上传。正确：通过“中断”向上传递网络层数据报。254、网卡类型—按总线类型分（1）ISA接口网卡：IndustryStandardArchitecture工业标准体系结构。速度低、安装麻烦。很少用（2）PCI接口网卡：PeripheralComponentInterconnect外设部件互连标准。应用最广泛。性价比高、安装简单。用于台式机。（3）USB接口网卡：UniversalSerialBus通用串行总线。新技术，主要用于没有内置网卡的笔记本用户，通过主板上的USB引接。264、网卡类型—按总线类型分（4）PCMICA接口网卡：个人电脑内存卡国际协会PersonalComputerMemoryCardInternationalAssociation用于笔记本电脑。PCI网卡PCMCIA网卡（一）PCMCIA网卡（二）274、网卡类型按传输速度（1）10M网卡（2）10/100M自适应网卡（3）10/100/1000M自适应网卡按是否需要网线（1）有线网卡（2）无线网卡285.2差错检测和纠错技术比特级差错检测和纠错对一个节点发送到一个相邻节点的帧，检测是否出现比特差错，并纠正。相关技术很多。29差错检测和纠错过程网络层DEDC数据报数据报D'EDC'易出现比特差错的链路D‘中所有比特正确数据链路层，帧发送节点：将数据D附加若干差错检测和纠错位EDC，一起发送数据D包括网络层传来的数据报以及其他首部字段。接收节点：接收比特序列D'和EDC'。根据D'和EDC'，判断D'是否和初始的D相同（传输是否正确）。•正确：解封取出数据报，交给网络层；•出错：差错处理。30说明差错检测和纠正技术不能保证接收方检测到所有的比特差错，即可能出现未检测到的比特差错，而接收方并未发现。选择一个合适的差错检测方案使未检测到的情况发生的概率很小。差错检测和纠错技术越好，越复杂，开销更大。31三种主要差错检测技术奇偶校验：最基本的方法。检查和方法：常用于运输层。循环冗余检测：常用于链路层。5.2.1奇偶校验5.2.2检查和方法5.2.3循环冗余检测321、一比特奇偶校验发送方：在要发送的信息D（d位）后面附加一个奇偶校验位使“1”的个数是奇数（奇校验）或偶数（偶校验）一起传输发送（d+1位）。01110001101010111d位数据校验位偶校验331、一比特奇偶校验接收方：检测收到的信息（d+1位）中“1”的个数。偶校验：发现奇数个“1”，至少有一个比特发生差错（奇数个比特差错）。奇校验：发现偶数个“1”，至少有一个比特发生差错。01110001101010111d位数据校验位偶校验34特点可以查出任意奇数个错误，但不能发现偶数个错误。若比特差错概率很小，差错独立发生，一比特奇偶校验可满足要求。若差错集中一起“突发”（突发差错），一帧中未检测到的差错的概率达到50%。352、二维奇偶校验（垂直水平奇偶校验）将要传数据划分固定长度的组（i个组，每组j位），每组一行排列；对每行和每列分别进行奇偶校验结果的i+j+1个奇偶比特构成了帧的差错检测比特如要发送数据：101101101100101001100(a)发送方的方阵偶校验(b)接收方的方阵偶校验10110110110010100110001001011111校验错101101101101101001100校验错010010111111划分3组每组7个比特36特点可以检测并纠正单个比特差错（数据或校验位中）。能够检测（不能纠正）任意两个比特的差错。(a)发送方的方阵偶校验(b)接收方的方阵偶校验10110110110010100110001001011111校验错101101101101101001100校验错010010111111行、列确定37前向差错纠正FEC接收方可以检测并纠正差错。可与ARQ技术一起应用，接收方立即纠正差错，减少发送方重发的次数。降低分组传输的往返传播时延.适用于实时网络应用。385.2.2检查和方法把要发送的d位数据看成是一个k位整数的序列，将这些k位整数加起来，得到的和取反作为差错检测比特。TCP和UDP协议：对所有字段(包括首部和数据字段)都计算因特网检查和。有些协议：对首部计算一个检查和，对整个分组计算另一个检查和。39检查和发送方：将数据的每两个字节当作一个16位的整数，可分成若干整数；将所有16位的整数求和对得到的和逐位取反，作为检查和，放在报文段首部，一起发送。接收方：对接收到的信息(包括检查和)求和•全“1”：数据无错；•其中有“0”：数据出错对接收到的信息(不包括检查和)求和•核对计算的检查和是否等于检查和字段的值。40011001100110000001010101010101011000111100001100101001010110000010100101011000010例注意作加法时，最高位的进位要回加到结果中。例，有三个16比特的字：回卷和检查和（取反）无差错，和为：1011010100111101111111111111111141检查和特点分组开销小：检查和位数比较少；差错检测能力弱：•适用于运输层（差错检测用软件实现，检查和方法简单、快速）。•链路层的差错检测由适配器中专用的硬件实现，采用更强的CRC方法。425.2.3循环冗余检测计算机网络中广泛采用。循环冗余检测CRC(cyclicredundancycheck)编码即多项式编码，把要发送的比特串看作为系数是0或1的一个多项式，对比特串的操作看作为多项式运算。如比特串10111：x4+x2+x+143基本思想设：发送节点要发送的数据D（d比特）发送方和接收方先共同选定一个生成多项式G（r+1比特），最高有效位(最左边)是1。发送方：计算出一个r位附加CRC比特R（冗余码），添加到D的后面产生DR（