计算机网络-第3章-数据链路层.

计算机网络计算机网络第3章数据链路层计算机网络引入问题1：物理层为终端设备间的数据通信提供传输媒体及其连接后，收发两端可以进行不等的一次或多次数据通信.每次通信都要经过建立/拆除通信联络，这由谁负责？数据链路层将本质上不可靠的传输媒体变成可靠的传输通路提供给网络层。数据链路层问题2：在物理媒体上传输的数据难免受到各种不可靠因素的影响而产生差错,由谁纠正？这些都由“数据链路层”负责。它在物理层提供传输媒体和连接的基础上，负责建立/拆除每次数据通信，同时为弥补物理层因干扰产生的差错，并通过差错控制措施向上层（网络层）提供数据传送服务。计算机网络第3章数据链路层本章要点CDMA/CD协议的工作原理本章难点数字链路层的基本概念及任务帧的组成数据链路层的两种信道点对点信道：PPP协议的工作原理广播信道：CSMA/CD协议的原理以太网的概念及如何扩展计算机网络第3章数据链路层3.1使用点对点信道的数据链路层3.2点对点协议PPP3.3使用广播信道的数据链路层3.4使用广播信道的以太网3.5扩展的以太网3.6高速以太网3.7其他类型的高速局域网接口计算机网络本节重点数据链路层的主要任务针对三个基本问题封装成帧透明传输差错检测数据链路层的两种信道类型点对点信道广播信道PPP协议特点功能组成帧结构工作状态计算机网络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送。计算机网络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计算机网络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)是一条相邻结点之间的物理线路段，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计算机网络数据链路层传送的是帧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。结点结点帧帧计算机网络3.1.2数据链路层解决的三个基本问题(1)封装成帧(2)透明传输(3)差错控制计算机网络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。首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界。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帧结束计算机网络最大传送单元MTU最大传送单元MTU（MaximumTransmissionUnit）：帧的数据部分的长度上限，即所能通过的最大数据包大小。计算机网络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EOT00000001（二进制）01（十六进制）00000100（二进制）04（十六进制）1、当数据是由可打印的ASCII码组成的文本文件时，采用的帧定界符思考：加帧首部和尾部的好处有哪些？计算机网络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1、当数据是非ASCII码组成的文本文件时，采用的帧定界符有可能和数据部分相同，此时如何处理？计算机网络解决无法进行透明传输的问题当发送端的数据链路层在数据中出现控制字符“SOH”或“EOT”时，在其前面插入一个转义字符“ESC”(其十六进制编码是1B)。称为：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再插入一个转义字符。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。计算机网络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计算机网络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。计算机网络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。计算机网络冗余码的计算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。除数由生成多项式P(x)确定。余数R（R是n位）比除数P少1位。不借位和进位计算机网络生成多项式P(x)标准CRC-12=X12+X11+X3+X2+X+1CRC-16=X16+X15+X2+1CRC-CCITT=X16+X12+X5+1CRC-32=X32+X26+X23+X22+X16+X12+X11+X10+X8+X7+X510+X4+X2+X+1计算机网络冗余码的计算举例现在k=6,M=101001。设n=3,除数P=1101（生成多项式为P(x)=x3+x2+1），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。计算机网络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计算机网络帧检验序列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。计算机网络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。计算机网络注意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。计算机网络注意之前，链路上的误码率非常高，所以在数据链路层就设计了保证可靠传输的标准（如：停止等待协议）。后来，随着技术的进步和计算机的智能化越来越高，链路上的误码率越来越低，在底层再进行可靠传输效率就太低了，所以就把可靠传输的任务放到了高层（如：运输层）。计算机网络3.2点对点协议PPP3.2.1PPP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-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。计算机网络用户到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协议计算机网络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数据压缩协商计算机网络2.PPP协议不需要的功能纠错流量控制序号多点线路半双工或单工链路计算机网络不提供使用序号和确认的可靠传输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收。计算机网络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数据压缩协商计算机网络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[RFC1661]。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(LinkControlProtocol)。LCP:用来建立、配置、测试数据链路连接。网络控制协议NCP(NetworkControlProtocol)。NCP:其中的每一个协议支持不同的网络层协议。计算机网络3.2.2PPP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计算机网络3.2.2PPP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）。标志字段表示帧的开始或结束。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。计算机网络透明传输问题当PPP用在异步传输时：使用一种特殊的字节填充法。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。计算机网络字节填充异步传输时，若信息字段中出现和标志字段相同的比特组合时，可采用：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。计算机网络零比特填充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），此时如何避免数据流中出现和标志字段（01111110）相同的比特流？这时PPP协议采用零比