计算机网络第三章

计算机网络第3章数据链路层第3章数据链路层3.1使用点对点信道的数据链路层3.1.1数据链路和帧3.1.2三个基本问题3.2点对点协议PPP3.2.1PPP协议的主要特点3.2.2PPP协议的帧格式3.2.3PPP协议的工作状态第3章数据链路层（续）3.3使用广播信道的数据链路层3.3.1局域网的数据链路层3.3.2CSMA/CD协议3.4使用广播信道的以太网3.4.1使用集线器的星形拓扑3.4.2以太网的MAC层第3章数据链路层（续）3.5扩展的以太网3.5.1在物理层扩展以太网3.5.2在数据链路层扩展以太网3.6高速以太网3.6.1几种高速以太网3.6.2使用高速以太网进行宽带接入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。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(续）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功能数据链路层最主要的功能可归结为以下几点。（1）结点A的数据链路层把网络层交下来的IP数据报封装成帧。（2）结点A把封装好的帧发送给结点B的数据链路层。（3）若结点B的数据链路层收到的帧无差错，则从收到的帧中提取出IP数据报上交给上面的网络层；否则丢弃这个帧。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)是一条无源的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。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。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每一种链路层协议都规定了帧的数据部分的长度上限——最大传送单元MTU(MaximumTransferUnit)。帧结束帧首部IP数据报帧的数据部分帧尾部MTU数据链路层的帧长从这里开始发送帧开始帧的基本组成帧定界（开始与结束）地址字段（用于寻址）帧类型（或长度/控制）字段数据帧校验字段（差错控制）帧的开始地址帧类型或长度数据帧校验帧的结束上图只是帧的一般组成，不同的数据链路层协议所规定的帧格式可能会与其存在微小的区别。SOHSOH装在帧中的数据部分装在帧中的数据部分帧帧开始符帧结束符发送在前EOTEOT用控制字符进行帧定界的方法举例透明传输——数据链路层协议允许所传送的数据可具有任意形式的比特组合。2.透明传输数据部分恰好出现与EOT一样的代码解决办法1、采用转义字符2、比特插入转义字符当数据中出现字符“SOH”或“EOT”时将其转换为另一字符，而这个字符不会被解释为控制字符的。这种方法称为字节插入。如：数据出现的控制字符经字节插入后发送时的字符SOHESCxEOTESCyESCESCz上述控制字符称为转义字符。思考：为什么ESC也要进行转换举例当数据中出现SOH和EOT时增加转义字符。3.差错检测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)。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。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。循环冗余检验CRC的原理发送在前数据00…0（n位）除法器FCS（n位）得出余数发送方数据FCS除法器余数（n位）得出余数接收方数据FCS（n位）若余数为0则接受；否则丢弃。（n位）应当注意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。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。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PPP协议最主要的特点简单封装成帧透明传输支持多种网络层协议多种类型链路差错检测（不纠正差错）PPP协议不需要的功能纠错流量控制序号PPP协议的组成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):用于建立、配置和测试数据链路连接。网络控制协议NCP(NetworkControlProtocol):用于支持不同的网络层协议。3.2.2PPP协议的帧格式标志字段F=01111110。地址字段A只置为11111111。但地址字段实际上并不起作用。控制字段C通常置为00000011。PPP是面向字节的，所有的PPP帧的长度都是整数字节。PPP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0000000000100001时，PPP帧的信息字段就是IP数据报。若为1100000000100001,则信息字段是PPP链路控制数据。若为1000000000100001，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FACFCSF协议信息部分首部尾部透明传输问题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。当PPP用在异步传输时，就使用一种特殊的字符填充法。字符填充将信息字段中出现的每一个F标志的前面插入转义字符01111101。若信息字段中出现一个转义字符01111101,则在其后插入01011101。若信息字段中出现ASCII码的控制字符（即数值小于00100000的字符），则在该字符前面要加入一个01111101字节，同时将该字符的编码按一定的规则加以改变。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）。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，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比特零比特填充3.2.3PPP协议的工作状态建立建立网络网络鉴别鉴别打开打开终止终止静止静止失败失败NCP配置鉴别成功通信结束载波停止检测到载波双方协商一些选项使用PPP协议的状态图3.3使用广播信道的数据链路层3.3.1局域网的数据链路层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。从功能的角度来看，局域网特点：①共享传输信道。②地理范围有限，用户个数有限。③传输速率高。④误码率低。⑤多采用分布式控制和广播式通信。从网络的体系结构和传输控制规程来看，局域网也有自己的特点1.低层协议简单。2.不单独设立网络层。3.采用多种媒体访问控制技术。局域网的拓扑匹配电阻集线器干线耦合器总线网星形网树形网环形网传统以太网——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。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”。严格说来，“以太网”应当是指符合DIXEthernetV2标准的局域网数据链路层的两个子层为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，802委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层：逻辑链路控制LLC(LogicalLinkControl)子层媒体接入控制MAC(MediumAccessControl)子层。与接入到传输媒体有关的内容都放在MAC子层，而LLC子层则与传输媒体无关，不管采用何种协议的局域网对LLC子层来说都是透明的媒体接入基本概念1)媒体接入：节点使用通信信道称为媒体接入；2)冲突：在同一信道中，如果有两个或多个站同时发送数据，则信号在信道中发生碰撞，导致数据发送失败，这种现象称为冲突；3)媒体接入协议：为了避免信道冲突，决定由哪个站先用信道的协议称为媒体接入协议；4)媒体接入子层：数据链路层中专用来解决信道分配的协议层称为媒体接入子层（MAC）。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。例如，以太网。受控接入，如多点线路探询(polling)，或称为轮询。例如，令牌环。媒体接入控制方法要解决的问题(1)该哪个结点发送数据？(2)发送时会不会出现冲突？(3)出现冲突怎么办？最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。当初认为这样的连接方法既简单又可靠，因为总线上没有有源器件。CSMA/CD协议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。总线结构与冲突载波监听多点接入/碰撞检测CSMA/CD“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。“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。当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞。电磁波在总线上的有限传播速率的影响当某个站监听到总线是空闲时，也可能总线并非真正是空闲的。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