网络 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 PPP3.2.1 PPP 协议的特点3.2.2 PPP 协议的帧格式3.2.3 PPP 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 3.3.2 CSMA/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 以太网的信道利用率 *3.4.3 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
2、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 100BASE-T 以太网 3.6.2 吉比特以太网 3.6.3 10 吉比特以太网 3.6.4 使用高速以太网进行宽带接入3.7 其他类型的高速局域网接口数据链路层n数据链路层为网络层服务,在相邻结点间传递网络层分组。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 两大类链路n点对点的链路n共享链路 点对点的链路n在
3、实际应用中,点到点链路的通信主要用在几种情况:n第一种是两个网络之间通过路由器互连,即路由器之间的点到点的连接。n第二种是拨号接入n在就是广域网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
4、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n前面图示指出,从数据链路层来看,H1到H2的通信可以看成由4段不同的链路层通信组成。H1R1,R1R2,R2R3,R3H2n这4段不同的链路层可能采用不同的数据链路层协议。概述备注这三段链路可能采用了不同的链路层协议,因此封装时首部和尾部可能个不相同。如H2,H2,H2;T2,T2,T2对于主机只有一个网络接口,所以只有一个数据链路层协议,而路由器则有多个网络接口,不同的接口接不同的网络,所以路由器的不同的接口运行不同的数据链路层协议。3.1 使用点对点信道的数据链路
5、层3.1.1 数据链路和帧 n点对点链路是两个结点直接相连的链路,是两个结点之间唯一的一条通路,多用于远程网。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在进行数据通信时,两个计算机之间的通信路径往往要经过许多段这样的链路,可见链路只是一条路径的组成部分。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
6、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。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数据链路层像个数字管道 n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。n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 数据链路层的协议很多,但有三个基本问题则是共同的。(1)封装成帧(2)透明传输(3)差错
7、控制 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关于MTUn帧的数据部分的长度上限n显然,为了提高帧的传输效率,应当使帧的数据部分长度尽可能地大于首部和尾部的长度。n但是,每一种数据链路层协议都规定了帧的数据部分的长度上限最大传输单元MTU用控制字符进行帧定界的方法举例 帧开始符帧结束符发送在前SOH装在帧中的数据部分帧EOT当数据是由ASC码组成的文本文件时,帧定界可以使用特殊的控制字符SOH和EOT
8、完成。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完整的帧发送在前当帧的数据部分含有用于标记帧开始和结束的控制字符时,需要解决透明传输问题。解决透明传输问题n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)。n这种方法称为字节填充(byte stuffing)或字符填充(character stuffing)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。n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
9、删除其中前面的一个。“透明”是一个很重要的术语n它表示:某一个实际存在的事物看起来却好像不存在一样。n比如说,物理层的任务就是“透明地传输比特流”,表示这种传输对所传输的内容没有限制。数据链路层的透明传输n不管数据链路层所传输的数据是什么样的比特组合,都应该能够在链路上传输,也就是说链路层协议不能禁止传输某种特殊的比特组合。这就是透明传输问题。n当数据中包含了用作帧定界的字符,或有确定含义的控制字符时,协议要有相应的措施,使接收方能够辨认出其是数据还是定界符或控制信息。SOHSOHEOTSOHESCESCEOTESCSOHESCESCESCSOH原始数据EOTEOT经过字节填充后发送的数据字节
10、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 SOH3.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。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 的检错技术。n我们举日常生活的例子来做说明帧检错原理n日常生活的例子:n假设A给B邮寄了3本书,结果中途丢了一本,B只收到两本。n
11、如果A,B事先没有沟通,B会认为A只寄了两本而不是3本,这样就会出现错误。n但是如果A在寄书的同时附一个纸条,告诉B寄了3本书,那么当B 收到两本书和这个便条时,就知道丢了一本书。n这个便条作为一个附加的信息,起到一个检错的作用。帧检错原理n在数据链路层,检错采用的是同样的原理。n要发送信息M,如果仅仅就发送M,对方收到后,无法判断收到的信息是否与原来的信息一样。n这就需要再另外发送一个附加的冗余信息R,利用R来发现信息M传递过程中的错误。n当CRC检测出错时,就认为该帧已损坏。nCRC检测通常用硬件实现。循环冗余检验的原理 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
12、组数据 M=101001(现在 k=6)。CRC运算就是在数据M的后面添加供差错检测用的n 位冗余码,然后构成一个帧发送出去,一共发送(k+n)位。n在发送的数据后面再添加供差错检测用的 n 位冗余码,虽然增加了数据传输的开销,但可以保证无比特差错传输,也是值得的。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。冗余码的计算举例 n现在 k=6,M=101001。n设 n=3,除数 P=11
13、01,n被除数是 2nM=101001000。n模 2 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。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 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
14、冗余检验 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。接收端对收到的每一帧进行 CRC 检验 n把收到的每一个帧都除以同样的除数P,然后检查得到的余数Rn(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。n另外可以用多项式
15、P(X)=X3+X2+1来表示上面的除数P=1101。n多项式P(X)被称为生成多项式。生成多项式。生成多项式n生成多项式P(x)的结构及检验效果是经过严格的数学分析试验后确定的。已研究制定了几种CRC生成多项式P(x)的国际标准:nCRC-CCITT P(x)=x16+x12+x5+1nCRC-16 P(x)=x16+x15+x2+1nCRC-12 P(x)=x12+x11+x3+x2+x+1nCRC-32 P(x)=x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1n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。应当注意
16、 n使用循环冗余检验 CRC 差错检测技术只能做到无比特差错接受(accept)。n“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”。因为有差错的帧被丢弃了,即没有接受。应当注意(续)n但是,“无比特差错”和“无传输差错”并不是同样的概念。n数据链路层使用CRC检验,只能实现无比特差错的传输,但这不是可靠传输。n可靠传输除保证比特差错,还要处理帧丢失、帧重复或帧乱序问题。应当注意(续)nOSI的观点是必须把数据链路层做成是可靠传输的,会在CRC检验基础上,增加了帧编号、确认和重传机制。n但随着通信线路的质量大大提高,由
17、通信链路质量不好引起的差错的概率已经大大降低。n现在,因特网广泛使用的数据链路层协议不使用确认和重传机制,即不要求数据链路层向网络层提供可靠传输的服务。n当数据链路层传输出现差错时,改正差错的任务由上层协议完成(TCP)。3.2 点对点协议 PPP 3.2.1 PPP 协议的特点 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如两个网络之间通过路由器互连,即路由器之间的点到点的连接。n广域网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。PPP协议简介nPPP协议的定义:nPPP协议提供了一种标准的方式在点对点的链
18、路上传输多种网络层协议的数据报。PPPPPP协议与协议栈的对应关系协议与协议栈的对应关系物理层数据链路层网络层传输层会话层表示层应用层PPP协议协议用户到 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n互联网服务提供者ISP是一个能够通过用户拨号入网的机构。nISP拥有路由器与因特网相连(高速专线),并且和电信公司的电话交换机有专线相连。n用户在某个ISP缴费注册后即可在家中使用计算机通过调制解调器、电话线接入该ISP(如:拨号码为163或169的ISP)。n该ISP收到用户的接入呼叫后,分配给该用户一个临时的IP地址。n一个I
19、SP 拥有很多的调制解调器,并申请得到很多可供分配的IP地址,使很多用户能同时拨通该ISP接入因特网。n用户拨通ISP后,经过ISP识别用户名和口令的过程后,就获得一个临时的IP地址,连接到因特网,使用因特网所提供的各种服务。n用户通信结束发出释放连接的请求,ISP收回IP地址。用户拨号入网的示意图 路由器调制解调器调制解调器因特网服务提供者(ISP)用户家庭拨号电话线 使用 TCP/IP 的 PPP 连接使用 TCP/IP 的 客户进程路由选择 进程至因特网PC 机PPP协议是TCP/IP协议中的一部分,它是在安装TCP/IP协议的时候自动安装的1.PPP 协议应满足的需求 n简单这是首要的
20、要求n封装成帧 n透明性 n多种网络层协议 n多种类型链路 n差错检测 n检测连接状态 n最大传送单元 n网络层地址协商 n数据压缩协商 1.PPP 协议应满足的需求 nIETF(因特网工程部)认为,在设计PPP协议时应考虑以下多方面的需求:n简单这是首要的要求nIETF在设计因特网体系结构是把最复杂的部分放在TCP协议中,网际层协议IP则相对简单,它提供的是不可靠的数据报服务,所以数据链路层没有必要提供比IP协议更多的功能。n因此,对数据链路层的帧,不需要纠错、不需要序号、不需要流量控制。1.PPP 协议应满足的需求(续)n封装成帧 PPP协议必须规定特殊的字符作为帧定界符。n透明性 PPP
21、协议必须保证数据传输的透明性。n多种网络层协议 PPP协议要能够在同一条物理链路上同时支持多种网络层协议的运行(IP或IPX等)1.PPP 协议应满足的需求(续)n多种类型链路 串行的或并行的;同步的或异步的。n差错检测 PPP协议必须能够对接收到的帧进行检测。否则让无效的帧继续前行,白白浪费网络资源。n检测连接状态 PPP协议要有一种机制能够及时自动检测出链路是否处在正常工作状态。1.PPP 协议应满足的需求(续)n最大传送单元 n网络层地址协商 n数据压缩协商 1.PPP 协议应满足的需求(续)n多种类型链路 n差错检测 n检测连接状态 n最大传送单元 n网络层地址协商 n数据压缩协商 2
22、.PPP 协议不需要的功能n纠错 n流量控制 n序号 n多点线路 n半双工或单工链路 3.PPP 协议的组成 n1992 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RFC 1661。nPPP 协议有三个组成部分 n一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法。n链路控制协议 LCP(Link Control Protocol)。n一组网络控制协议 NCP(Network Control Protocol)。3.2.2 PPP 协议的帧格式IP 数据报1211字节12不超过 1500 字节PPP 帧先发送7EFF03FACFCSF7E
23、协议信 息 部 分首部尾部3.2.2 PPP 协议的帧格式n1、字段的意义n标志字段 F=0 x7E(符号“0 x”表示后面的字符是用十六进制表示。十六进制的 7E 的二进制表示是 01111110)。n地址字段 A 只置为 0 xFF。地址字段实际上并不起作用。n控制字段 C 固定置为 0 x03。nPPP 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nPPP 有一个 2 个字节的协议字段。n当协议字段为 0 x0021 时,PPP 帧的信息字段就是IP 数据报。n若为 0 xC021,则信息字段是 PPP 链路控制协议LCP的数据。n若为 0 x8021,则表示
24、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n协议域长度为2个字节,主要用来指明信息域中使用的协议类型。59校验标志标志地址信息域控制协议域1B1B2B缺省1500B7EFF031B2B1B7E0 x0021IP报文IP帧C021链路控制数据NCP帧LCP帧0 xC021链路控制数据0 xC023口令认证数据PAP帧0 x8021网络控制数据 0 xC223竞争握手认证数据CHAP帧nLCP完成数据链路的建立、配置、维护和终止。nPAP和CHAP协议都可以完成用户的身份认证nIPCP协议用来协商网络
25、层的配置,为用户分配IP地址。nIP协议用来发送和接收用户的数据。nFCS是帧校验字段,PPP协议采用CRC校验。当CRC校验错误时,PPP就丢弃数据帧。LCP协议n物理链路建立后,通信双方需要建立数据链路。数据链路的建立、配置、维护和终止都是由链路控制协议(Link Control Protocol,LCP)来完成的。LCP包封装在PPP帧的数据字段中。认证协议n通过LCP协议建立数据链路后,需要做用户的身份认证,只有合法用户才能接入系统。n常用的身份认证协议有口令认证协议(Password Authentication Protocol,PAP)和挑战握手协议(Challenge-Hand
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