计算机网络-ch3-数据链路层-2018-Fall

第3章数据链路层主要内容3.1三个基本问题3.2使用点对点信道的数据链路层3.3使用广播信道的数据链路层3.4以太网的MAC层3.5扩展的以太网3.6高速以太网3.7无线局域网（WLAN）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功能向网络层提供良好的服务接口将物理层的比特流编成帧差错检测3.1三个基本问题3.1.1数据链路、帧数据链路=物理线路+通信协议逻辑链路物理链路帧是数据链路层的基本数据单元FrameIP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帧(a)(b)发送帧接收链路IP数据报1010……0110帧装入数据链路层传送的是帧3.1.2三个基本问题(1)封装成帧(2)透明传输(3)差错控制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。首部和尾部的重要作用之一就是进行帧定界。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SOH装在帧中的数据部分帧帧开始符帧结束符发送在前EOTSOH：十六进制编码01（二进制00000001）EOT：十六进制编码04（二进制00000100）2.透明传输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“透明”的意义数据链路层对这些数据来说是透明的，“不存在”的无论什么样的比特组合的数据都可以顺利通过这个数据链路层2.透明传输解决透明传输问题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(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。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用字节填充法解决透明传输的问题SOH成帧(framing)1）字符计数每一个帧的头上描述帧的长度识别或表示一个帧的起始和结尾512345678980123457第一帧第二帧第三帧缺点：帧头出错不光影响本数据帧，还影响后续的帧。成帧(framing)2）字符标志在帧的起始和结尾用特殊的字符标志例如：用ASCII字符DLESTX表示帧的起始，DLEETX表示结尾。识别或表示一个帧的起始和结尾在发送端检查数据中是否有DLE字样，如果有的话，就在它前面插入DLE，到接收端的链路层再将两个或两个以上的DLE，去掉一个DLE还原。成帧(framing)3）位标志用特殊的位序列表示帧的起始和结尾例如，用01111110表示帧的起始和结尾识别或表示一个帧的起始和结尾为了避免起始、结尾标志与帧中的数据混淆，发送端的数据链路层在检测到数据比特流中有连续5个1出现时，就在其后加一个0，接收端的数据链路层在将5个1后面的0取走还原。成帧(framing)4）物理层编码在物理层用1.5或2个物理位表示一个数据位来表示帧的起始与结尾。例如在物理层编码中，用表示1，用表示0则可用，作为起始、结尾标志。识别或表示一个帧的起始和结尾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(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。循环冗余检验的原理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。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。110101←Q(商)P(除数)→1101101001000←2nM(被除数)11011110110101110000111011010110000011001101001←R(余数)，作为FCS循环冗余检验的原理说明帧检验序列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(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。思考：有了差错检验，是不是就实现了可靠传输？帧丢失帧重复帧失序无比特差错≠无传输差错怎么办呢？？？编号、确认、重传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：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。3.3使用广播信道的数据链路层局域网最主要的特点是：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。局域网具有如下的一些主要优点：具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网。局域网上的主机可共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源。便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活调整和改变。提高了系统的可靠性、可用性和残存性。3.3.1局域网的典型特性局域网的典型特性：高数据传输速率（10M-1000Mbps）短距离（0.1-10km)低误码率（10-8-10-11）决定局域网特性的主要技术：用以传输数据的传输媒体用以连接各种设备的拓扑结构用以共享资源的媒体访问控制方法LAN的传输媒体双绞线同轴电缆光纤无线电波红外局域网的拓扑结构星型（Star）环型（Ring）总线型（Bus）树型（Tree）RingnetworkBusnetworkCentralserverConcentrator(orhub)Networkbackbone星型（Star）拓扑结构特点：集中控制中心交换节点功能复杂，但其他通信节点负荷相对较轻。Centralserver环型（Ring）由一组转发器通过点对点连接成环路构成。有源网络分散控制常采用令牌方式控制媒体访问单个节点的故障有可能波及全网Ringnetwork总线型（Bus）成本低无源网络分散控制常采用CSMA/CD进行媒体访问控制广播型网络传统以太网Busnetwork对于共享媒体型网络，网络的拓扑结构和媒体访问控制协议很重要。设计一个好的媒体访问控制协议有三个基本要求：简单、有效的信道利用率、对用户的公平合理。1）以太网的两个标准DIXEthernetV2是世界上第一个局域网产品（以太网）的规约。IEEE的802.3标准。严格说来，“以太网”应当是指符合DIXEthernetV2标准的局域网DIXEthernetV2标准与IEEE的802.3标准只有很小的差别，因此可以将802.3局域网简称为“以太网”。为了通信的简便以太网采取了两种重要的措施采用较为灵活的无连接的工作方式，即不必先建立连接就可以直接发送数据。以太网对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。这样做的理由是局域网信道的质量很好，因信道质量产生差错的概率是很小的。（1）以太网提供的服务以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，其他什么也不做。差错的纠正由高层来决定。（2）以太网发送的数据都使用曼彻斯特(Manchester)编码曼彻斯特1111100000比特流差分曼彻斯特2）适配器的作用网络接口板又称为通信适配器(adapter)或网络接口卡NIC(NetworkInterfaceCard)，或“网卡”。适配器的重要功能：进行串行/并行转换。对数据进行缓存。设备驱动程序实现以太网协议。计算机通过适配器和局域网进行通信硬件地址至局域网适配器（网卡）串行通信CPU和存储器生成发送的数据处理收到的数据把帧发送到局域网从局域网接收帧计算机IP地址并行通信3.3.2媒体共享技术静态划分信道频分复用时分复用波分复用码分复用动态媒体接入控制（多点接入）随机接入受控接入，如多点线路探询(polling)，或轮询。最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。基于广播信道的一对一通信B向D发送数据CDAE匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号）匹配电阻不接受不接受不接受接受B只有D接受B发送的数据but,but…总线上只要有一台计算机在发送数据，总线的传输资源就被占用。在同一时间只允许一台计算机发送数据否则，各计算机之间就会互相干扰，使得所发送的数据被破坏。怎么协调？？B向D发送数据CDAEB3.3.3CSMA/CDCSMA/CD表示CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection。“多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。“载波监听”是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。“载波监听”就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号。有了载波侦听，还会不会发生碰撞？电磁波在链路上的传播时延引起的A向B发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到B。B若在A发送的信息到达B之前发送自己的帧(因为这时B的载波监听检测不到A所发送的信息)，则必然要在某个时间和A发送的帧发生碰撞。1kmABt碰撞t=2A检测到发生碰撞t=B发送数据B检测到发生碰撞t=t=0单程端到端传播时延记为传播时延对载波监听的影响1kmABt碰撞t=B检测到信道空闲发送数据t=/2发生碰撞t=2A检测到发生碰撞t=B发送数据B检测到发生碰撞t=ABABABt=0A检测到信道空闲发送数据ABt=0t=B检测到发生碰撞停止发送STOPt=2A检测到发生碰撞STOPAB单程端到端传播时延记为碰撞检测“碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信