计算机网络第3章 数据链路层.ppt
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1、计算机网络(第 5 版)第 3 章 数据链路层课件制作人:谢希仁数据链路层数据链路层使用的信道主要有以下两种类型:n点对点信道。这种信道使用一对一的点对点通信方式。n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 课件制作人:谢希仁3.1 使用点对点信道的数据链路层3.1.1 数据链路和帧 n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。n一条链路只是一条通路的一个组成部分。n数据链路(data link)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
2、协议的硬件和软件加到链路上,就构成了数据链路。n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。n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。课件制作人:谢希仁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课件制作人:谢希仁3.1.2 三个基本问题(1)封装成帧(2)透明传输(3)差错控制 课件制作人:谢希仁1.封装成帧n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。确定帧的界限。n首部和
3、尾部的一个重要作用就是进行帧定界。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课件制作人:谢希仁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课件制作人:谢希仁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完整的帧发送在前课件制作人:谢希仁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课件制作人:
4、谢希仁零比特填充 nPPP 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。n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,课件制作人:谢希仁0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 00 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 00 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0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
5、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 比特零比特填充课件制作人:谢希仁3.差错检测n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。n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(Bit Error Rate)。n误码率与信噪比有很大的关系。n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。课件制作人:谢希仁循环冗余检验的原理 n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
6、术。n在发送端,先把数据划分为组。假定每组 k 个比特。n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。课件制作人:谢希仁冗余码的计算 n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。n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。课件制作人:谢希仁冗余码的计算举例 n现在 k=6,M=101001。n设 n=3,除数 P=1101,n被除数是 2nM=101001000。n模 2
7、 运算的结果是:商 Q=110101,余数 R=001。n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。课件制作人:谢希仁 110101 Q(商)P(除数)1101 101001000 2nM(被除数)1101 1110 1101 0111 0000 1110 1101 0110 0000 1100 1101 001 R(余数),作为 FCS 循环冗余检验的原理说明 补3个0课件制作人:谢希仁帧检验序列 FCS n在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列 FCS(Frame Check Sequence)。n循环冗余检验
8、CRC 和帧检验序列 FCS并不等同。nCRC 是一种常用的检错方法,而 FCS 是添加在数据后面的冗余码。nFCS 可以用 CRC 这种方法得出,但 CRC 并非用来获得 FCS 的唯一方法。课件制作人:谢希仁接收端对收到的每一帧进行 CRC 检验 n(1)若得出的余数 R=0,则判定这个帧没有差错,就接受(accept)。n(2)若余数 R 0,则判定这个帧有差错,就丢弃。n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。n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。课件制作人:谢希仁3.2 点对点协议 PPP 3.2.1 PPP 协
9、议的特点 n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-Point Protocol)。n用户使用拨号电话线接入因特网时,一般都是使用 PPP 协议。课件制作人:谢希仁用户到 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 协议课件制作人:谢希仁课件制作人:谢希仁以太网的两个标准 nDIX Ethernet V2 是世界上第一个局域网产品(以太网)的规约。nIEEE 的 802.3 标准。nDIX Ethernet V2 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
10、简称为“以太网”。n严格说来,“以太网”应当是指符合 DIX Ethernet V2 标准的局域网 XeroxXerox、DigitalDigital、IntelIntel课件制作人:谢希仁2.适配器的作用 n网络接口板又称为通信适配器(adapter)或网络接口卡 NIC(Network Interface Card),或“网卡”。n适配器的重要功能:n进行串行/并行转换。n对数据进行缓存。n在计算机的操作系统安装设备驱动程序。n实现以太网协议。课件制作人:谢希仁以太网卡的MAC地址n以太网上的每个站点(如PC、工作站或打印机)都有自己的网络接口卡(NIC)。NIC通常安装在站点内部,并为站
11、点提供一个6字节的物理地址。NIC上的物理地址是唯一的。n例如:07-01-02-01-2C-4Bn物理地址一般采用十六进制数来表示。课件制作人:谢希仁3.3.2 CSMA/CD 协议 n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。B向 D发送数据 C D A E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 发送的数据课件制作人:谢希仁以太网的广播方式发送 n总线上的每一个工作的计算机都能检测到 B 发送的数据信号。n由于只有计算机 D 的地址与数据帧首部写入的地址一致,因此只有 D 才接收这
12、个数据帧。n其他所有的计算机(A,C 和 E)都检测到不是发送给它们的数据帧,因此就丢弃这个数据帧而不能够收下来。n具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。课件制作人:谢希仁CSMA/CD 带冲突检测的载波监听多点访问工作原理:发送前先监听信道是否空闲,若空闲则立即发送数据。在发送时,边发边继续监听。若监听到冲突,则立即停止发送。等待一段随机时间(称为退避)以后,再重新尝试。CSMA/CD可归纳为四句话可归纳为四句话:发前先侦听,空闲即发送,发前先侦听,空闲即发送,边发边检测,冲突时退避。边发边检测,冲突时退避。JAM:阻塞信号课件制作人:谢希仁 CSMA/CD的流程图课件制作人:谢希仁3.4
13、 使用广播信道的以太网3.4.1 使用集线器的星形拓扑n传统以太网最初是使用粗同轴电缆,后来演进到使用比较便宜的细同轴电缆,最后发展为使用更便宜和更灵活的双绞线。n这种以太网采用星形拓扑,在星形的中心则增加了一种可靠性非常高的设备,叫做集线器(hub)课件制作人:谢希仁使用集线器的双绞线以太网 集线器两对双绞线站点RJ-45 插头课件制作人:谢希仁以太网在局域网中的统治地位n10BASE-T 的通信距离稍短,每个站到集线器的距离不超过 100 m。n这种 10 Mb/s 速率的无屏蔽双绞线星形网的出现,既降低了成本,又提高了可靠性。n10BASE-T 双绞线以太网的出现,是局域网发展史上的一个
14、非常重要的里程碑,它为以太网在局域网中的统治地位奠定了牢固的基础。课件制作人:谢希仁 以太网技术发展以太网技术发展UTP电缆遵守100m规则 1.从交换机到配线架(Patch Panel)为5m;2.从Patch Panel到办公室模块(Punch-down Block)为90m;3.从Punch-down Block到Desktop为5m。核心交换机配线架(机柜)接入交换机桌面用户5m5m90m课件制作人:谢希仁24口配线架口配线架 课件制作人:谢希仁美国西蒙公司美国西蒙公司(SIMON)HD6 配线架配线架 课件制作人:谢希仁课件制作人:谢希仁集线器的一些特点 n集线器是使用电子器件来模拟
15、实际电缆线的工作,因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行。n使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网,各工作站使用的还是 CSMA/CD 协议,并共享逻辑上的总线。n集线器很像一个多接口的转发器,工作在物理层。课件制作人:谢希仁3.4.3 以太网的 MAC 层1.MAC 层的硬件地址 n在局域网中,硬件地址又称为物理地址,或 MAC 地址。n802 标准所说的“地址”严格地讲应当是每一个站的“名字”或标识符。n但鉴于大家都早已习惯了将这种 48 位的“名字”称为“地址”,所以本书也采用这种习惯用法,尽管这种说法并不太严格。课件制作人:谢希仁48 位的 MAC 地址nIEEE 的注册管理机构
16、 RA 负责向厂家分配地址字段的前三个字节(即高位 24 位)。n地址字段中的后三个字节(即低位 24 位)由厂家自行指派,称为扩展标识符,必须保证生产出的适配器没有重复地址。n一个地址块可以生成224个不同的地址。这种 48 位地址称为 MAC-48,它的通用名称是EUI-48。n“MAC地址”实际上就是适配器地址或适配器标识符EUI-48。课件制作人:谢希仁以太网卡的功能结构课件制作人:谢希仁以太网卡的功能结构课件制作人:谢希仁Ping 实例n主机A所在的网络为192.168.1.0/24,主机A尝试向该网络中一个不存在的IP地址发送Ping请求?使用Sniffer是否能捕获到Ping的数
17、据包?n实验步骤:n1、Ping 192.168.0.100(IP不存在)n2、做个假的ARP映射(虚拟一个MAC)n3、Ping 192.168.0.100抓抓 包包捕获捕获Telnet数据包的前提是网络中存在主机的数据包的前提是网络中存在主机的MAC地址地址课件制作人:谢希仁适配器检查 MAC 地址 n适配器从网络上每收到一个 MAC 帧就首先用硬件检查 MAC 帧中的 MAC 地址.n如果是发往本站的帧则收下,然后再进行其他的处理。n否则就将此帧丢弃,不再进行其他的处理。n“发往本站的帧”包括以下三种帧:n单播(unicast)帧(一对一)n广播(broadcast)帧(一对全体)n多播
18、(multicast)帧(一对多)课件制作人:谢希仁2.MAC 帧的格式 n常用的以太网MAC帧格式有两种标准:nDIX Ethernet V2 标准nIEEE 的 802.3 标准n最常用的 MAC 帧是以太网 V2 的格式。课件制作人:谢希仁课件制作人:谢希仁课件制作人:谢希仁课件制作人:谢希仁以太网 MAC 帧物理层MAC层10101010101010 10101010101010101011前同步码帧开始定界符7 字节1 字节8 字节插入IP层目的地址 源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报MAC MAC 帧帧以太网的 MAC 帧格式 课件制作人:谢希仁MAC 帧
19、物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网 V2 的 MAC 帧格式目的地址字段 6 字节课件制作人:谢希仁MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网 V2 的 MAC 帧格式源地址字段 6 字节课件制作人:谢希仁MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网 V2 的 MAC 帧格式类型字段 2 字节类型字段用来标志上一层使用的是什么协议,以便把收到的 MAC 帧的数据上交给上一层的这个协议。课件制作人:谢希仁
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