计算机网络技术 第3章

1本章学习的主要内容：了解数据链路层的任务和功能掌握局域网和以太网的标准了解无线局域网及相关协议学习数据链路层协议和数据格式23.1数据链路层位于物理层和网络层之间；数据链路层得到网络层的数据后，会加上数据链路层的首部和尾部，打包成数据链路帧，进行传输。3每个帧包括3部分：首部、数据和尾部。4数据链路层的功能向网络层提供服务帧的组装差错控制流量控制。5数据链路层的服务类型为了在满足应用的情况下尽可能提高通信效率，数据链路层把向网络层提供的服务，分为3类：1．不确认的无连接服务2．确认的无连接服务3．确认的面向连接服务61．不确认的无连接服务不确认的无连接服务发送帧的时候，不需要建立连接，发送完成后也不需要释放连接。如果发送出去的帧丢失，不会去尝试发现这种情况，不会去纠错。这种服务适用于出错率很低的链路，帧的差错由更高层来处理。同时，这种服务还适用于实时的数据传输。7大多数的局域网的数据链路层使用的都是不确认的无连接服务。在点到点通信、广播通信和组播通信中，也使用这种服务。82．确认的无连接服务发送帧的时候，不需要建立连接，但每次只能发送一帧数据，等待接收方的确认信息返回，这样发送方就知道该帧是否正确到达。如果在指定时间内没有收到确认，会重新发送。该服务适用于不可靠的链路，如各种无线系统中。93．确认的面向连接服务使用这种服务发送帧一般要经历3个阶段：首先建立连接，发送和接收方初始化各种变量和计数器，是记录哪些帧已经收到，哪些还没有；然后进行正常的帧的发送工作；数据传输完成，释放连接，把各种变量、缓冲区和相应资源全部释放。10面向连接的服务对每个帧都进行编号，保证每个帧都能被正确接收，并且还保证每个帧按顺序只接收一次。面向连接的服务提供给网络层的是可靠的比特流。这种服务适用于在不可靠的链路上发送大量数据帧的情况。113.1.2帧的识别确定数据帧的方法一般包括：1.字符计数；2.字符填充的标识字符；3.位填充的首尾标识位。12（1）字符计数具体方法：在帧的起始位置，用1个字符，标识出帧的长度，如图（a）所示。这种方法在出错的时候，会造成随后所有的帧出错，如图（b）所示。代表总帧长4字节13具体方法：使用某个特定字符标识出帧的起始和终止。该方法的不足：当需要发送的字符与标识符一样的时候，需要做一些特殊处理，发送方在这些字符前插入特殊的转义字符（ESC）。（2）字符填充的标识字符14字符填充的不足：太依赖8比特的ASCII编码，对于更多比特的字符编码，如UNICODE，使用的是16比特字符编码，就不再适用。如果发送的帧的长度不是8的整数倍，这种方法也不适用。15（3）位填充的首尾标识位具体方法：每个帧用01111110作为开始和结束标志，当发送的数据中有5个连续1的时候，在其后插入一个0；而收到5个连续1的时候，就删除随后的0。这种方法能“透明”地传送所有的比特流。透明的意思是：比特流没有限制，也就是对比特序列不作限制。163.1.3差错控制在实际的传输过程中，错误是不可避免的。为了解决差错控制，在数据链路层使用了定时器和序号，来保证帧的正确地发送。17常用的差错控制方法采用自动重发进行差错控制。分为IRQ和CRQ两种。181.IRQ：称为空闲重发请求，规定发送方每发送一帧后就要停下来等待接收方的确认信息返回；当接收方确认接收后再继续发送下一编号的数据帧。190110E122ACK2ACK1NAK1ACK0发送端接收端空闲重发请求IRQ的基本原理20ACK:acknowledgeCharacter确认字符，表示接收端正确接收NAK:negativeacknowledge否定字符，表示未正确接收212.CRQ：又称连续重发请求，发送方可连续发送多个信息帧(不用等待前一帧被确认便可发送下一帧)。当某一个编号的帧出错时，就从该帧的位置处开始将该帧及其后续数据帧全部重传。22ACK6ACK5ACK4ACK3ACK2NAK2ACK02013423401ErrorDD2345656发送端接收端ACK1重传┏━━━━┓连续ARQ233.选择重发接收方发现某帧出错后，要求发送方只重新传送出错的那一帧。24ACK8ACK6ACK7ACK2ACK4ACK3ACK5NAK2ACK02013425601Error342567878发送端接收端ACK1重传┏━┓253.1.4流量控制流量控制的方法有两种：基于反馈和速率控制。基于反馈的控制方法：发送方根据接收方返回的信息，决定发送进程。速率控制机制：在开始发送数据帧之前，先协商好发送速率，发送方和接收方使用相同的速率，避免双方出现速率不匹配的情况。263.2.1IEEE802LAN局域网的逻辑结构有两层，其中数据链路层划分了两个子层，MAC（介质访问子层）和MAC客户子层(也称为LLC逻辑链路控制子层)，物理层不变。27MAC客户子层就是逻辑链路控制层，简称为LLC层，主要功能包括：（1）建立和终止链路，建立和释放数据链路层的逻辑连接，向高层提供逻辑接口。（2）控制帧流量，具有帧的接收、发送控制功能。（3）确认帧，具有帧差错控制功能。（4）帧排序，给LLC帧加上序号。28MAC子层即媒体访问控制层，集中了与接入介质有关的部分；负责在物理层的基础上进行无差错通信，维护数据链路功能，进行合理的信道分配，定义了介质访问控制标准。29MAC子层的具体功能（1）管理链路上的通信，实现和维护MAC协议；（2）发送时将数据组装成带有地址和差错校验字段的MAC帧；（3）接收时拆卸帧，并执行地址识别和差错校测。303.2.2介质访问控制是指将传输介质的频带有效地分配给网上各个站点的方法。具体是指：控制网上各节点在什么情况下可以发送数据，发送过程中，如何发现问题、解决问题。311．传输介质共享对于共享介质，局域网中最流行的两种机制是令牌方案和总线竞争方式。在令牌方案中，每个站点按某种循环的方式被准许传输。在令牌环中，一个特殊的位序列即令牌在环上循环，当一个站点得到令牌的时候才被允许进行传输。令牌环32令牌也称通行证，具有特殊的格式和标记;有“忙（Busy）”和“空闲（Free）”两种状态。33令牌环访问控制原理1.帧发送采用沿环传递令牌的方法来实现对介质的访问控制，取得令牌的站点具有发送一个数据帧或一系列数据帧的机会。342.帧接收若接收到的帧为信息帧，查看目的地址，如果帧中的地址和本站的地址一致，则接收站点将信息复制保留，原信息仍沿环流动。353.令牌释放的过程发送站完成数据帧发送后，等待数据帧的返回。在等待期间，继续发送填充字符。一旦源地址与本站相符的数据帧返回后，释放令牌。36总线竞争方式每个站点发送帧的时候，都会把帧放到总线上。但如果两个或多个站点都把帧送到总线上，就会产生数据的冲突现象，导致所有的发送都不成功，所以要“竞争”总线。共同竞争总线的所有站点所在的网络形成一个冲突域。372．局域网地址IEEE802委员会对局域网的地址进行了标准化，现在常用的是48位地址。前三组为厂商代号，后三组可自由定义。383．半双工传输的CSMA/CD协议现在IEEE802.3要求所有的以太网MAC子层都支持半双工模式，这样MAC层可以分时段发送或者接收数据帧，但不能同时进行。在半双工传输中，需要确定总线的使用权，这是由CSMA/CD协议实现的。39CSMA/CD协议中文名称为载波监听多路访问/冲突检测法；是一种适合于总线结构的具有信道检测功能的分布式介质访问控制方法。40CSMA/CD协议的原理CS，载波监听（CarrierSense），每个站持续监听传输介质的信号。MA，多路访问（MultipleAccess），所有站点一点监听到网络空闲的时候都可以发送数据。41CD，冲突检测（CollisionDetect），如果有两个或者以上的站同时在同一个网络上发送数据，它们之间的比特流会冲突，数据发送失败。每个站发送过程中，需要监听冲突的出现，当有冲突发生时，必须立即停止发送，随机等待一段时间后再重新发送该帧。42载波监听采用的算法1)非坚持算法2)1-坚持算法3)P-坚持算法43非坚持算法工作站检测到信道被占用，延迟一个随机时间，然后再检测;不断重复上述过程，直到发现信道空闲，开始发送信息，也称为非持续的载波监听。特点：信道刚变为空闲的时刻不容易马上探测到，有时会造成信道浪费。441-坚持算法工作站检测到信道被占用后，继续侦听；一直等到信道空闲，立即发送数据，也称持续的载波侦听多点访问。45P-坚持算法监听到信道空闲时，以概率P发送数据，而以概率1-P延迟一段时间后，重新监听信道。具体实现时，选择0~1之间的随机数I。若I≤p，则发送数据，否则延迟一段时间重新监听。46完整的CSMA/CD协议内容工作过程：（1）先侦听信道，如果信道空闲则发送信息。（2）如果信道忙，则继续侦听，直到信道空闲时立即发送。47（3）发送信息后进行冲突检测，有冲突，立即停止发送，并向总线发出阻塞信号，通知总线上站点发生冲突，重新侦听与竞争。（4）已发出信息的各站点收到阻塞信号后，等待一段随机时间，重新进入侦听发送阶段。48CSMA/CD主要特点原理简单，技术易实现，网络各工作站处于同等地位。无优先级控制，各节点争用总线。负载增大时，发送信息产生冲突的几率增大，发送成功需要等待的时间较长。494．全双工传输全双工传输是MAC子层的可选模式。这种模式允许点到点之间同时进行发送和接收。在全双工模式下，数据传输在帧准备好后就发送，唯一的限制是帧之间必须有最小的时间间隔，全双工模式下两个方向同时传输。503.2.3逻辑链路控制逻辑链路控制子层（LLC）介于MAC子层和网络之间。IEEE802.2描述了LLC子层的功能、特性和协议，并描述了LLC子层与网络层和MAC子层的界面服务规范。511．LLC服务类型根据数据链路层服务的不同，在LLC协议中定义了两种服务方式。（1）不确认无连接服务（2）面向连接服务522．LLC帧格式目的地址源地址控制字段用户信息533.3以太网由美国施乐(Xerox)、DEC、Intel公司联合提出的以太网规约。世界上第一个局域网的标准。目的：为了把办公室工作站与昂贵的计算机资源连接起来，以便从工作站上分享计算机资源和其他硬件。54以太网主要技术规范拓扑结构：总线型。介质访问控制方式：CSMA/CD。传输速率：10Mbps。传输介质：同轴电缆、双绞线或光纤。最大传输距离：2.5km(采用中继器)。报文长度：64~1518Byte。553.3.2以太网组成以太网由网络节点和传输介质组成。网络节点分为两大类：1）数据终端设备（DTE），如个人计算机，工作站、文件服务器、打印服务器都是典型的DTE设备，一般称为终端。562）数据通信设备（DCE），中间网络设备，负责接收和转发数据帧。DCE可以是中继器、交换机或路由器这样的独立设备，也可以是像网卡或调制解调器这样的通信接口。前者一般叫网络中间节点或者直接就叫DCE，后者一般称为网络接口卡，简称为NIC。573.3.3以太网名称现在的以太网有多种，5类双绞线最常见，有10M和100M的规格，还有1000M系统。在表示以太网的时候，会使用如下格式：n—信号—物理介质n是数据传输速率信号是指用基带还是宽带信号传输物理介质表示介质类型5810M以太网几种形式10Base-5以太网的最初形式，数字信号采用曼彻斯特编码；传输介质为直径10mm的粗同轴电缆；电缆最大长度为500m。5910：代表传输速率是10MbpsBase：表示基带信号传输5：代表用同轴电缆组网时的粗缆长度500m6010Base-2采用阻抗为50Ω的基带细同轴电缆为传输介质。数字信号采用曼彻斯特编码。不使用中继器时电缆的最大长度为185m。6110：代表传输速率是10MbpsBase：表示基带信号传输2：代