OSI参考模型第3章数据链路层

1、OSI参考模型第3章数据链路层1 OSI参考模型？ OSI参考模型第3章数据链路层2 OSI参考模型第3章数据链路层 使用点对点信道的数据链路层使用点对点信道的数据链路层 点对点协议点对点协议 PPPPPP 使用广播信道的数据链路层使用广播信道的数据链路层 使用广播信道的以太网使用广播信道的以太网 扩展的以太网扩展的以太网 高速以太网高速以太网 OSI参考模型第3章数据链路层 数据链路层的主要功能 数据链路层最重要的作用就是：通过一些数据链路层数据链路层最重要的作用就是：通过一些数据链路层 协议，在不太可靠的物理链路上实现可靠的数据传输。其协议，在不太可靠的物理链路上实现可靠的数据传输。其 主

2、要功能可归纳如下：主要功能可归纳如下： (1) (1) 链路管理链路管理 (2) (2) 帧定界帧定界 (3) (3) 流量控制流量控制 (4) (4) 差错控制差错控制 (5) (5) 将数据和控制信息区分开将数据和控制信息区分开 (6) (6) 透明传输透明传输 (7) (7) 寻址寻址 OSI参考模型第3章数据链路层 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

3、层 链路层 网络层 物理层 R1R2R3 H1H2 从层次上来看数据的流动 OSI参考模型第3章数据链路层 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 R1R2R3 H1H2 仅从数据链路层观察帧的流动 OSI参考模型第3章数据链路层 3.1 3.1 使用点对点信道的数据链路层使用点对点信道的数据链路层 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

4、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。 数据链路数据链路/逻辑链路逻辑链路=物理链路物理链路+通信规程通信规程 端到端（end to end）与点到点（point to point） 从源结点（source node）到目的结点（destination node）的通 信称为端到端通信，通信路径（path）可能由多个链路组成。 链路链路(link) 链路链路(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。 数据链路数据链路(data link) OSI参考模型第3章数据链路层 IP 数据报 1010 0110 帧

5、 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 OSI参考模型第3章数据链路层 3.1.2 三个基本问题三个基本问题 (1) 封装成帧 (2) 透明传输 (3) 差错控制 OSI参考模型第3章数据链路层 封装成帧封装成帧 封装成帧(framing)就是在一段数据的前后分别添加首 部和尾部，就构成了一个帧。确定帧的界限。 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

6、发送 帧开始 OSI参考模型第3章数据链路层 所谓透明传输就是不管所传数据是什么样的比特组合，都应当能 够在链路上传送。当所传数据中的比特组合恰巧与某一个控制信息完 全一样时，就必须采取适当的措施，使收方不会将这样的数据误认为 是某种控制信息。这样才能保证数据链路层的传输是透明的。 透明传输透明传输 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 OSI参考模型第3章数据链路层 SOH SOHEOTSOHESC ESCEOTESCSOHESCESCESCSOH 原始数据 EOT EOT 经过字符填充后发送的数据 字符填充

7、字符填充字符填充字符填充 发送 在前 帧开始符帧结束符 用填充法解决透明传输的问题用填充法解决透明传输的问题 SOH 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)。 OSI参考模型第3章数据链路层 o定界就是标识帧的开始与结束定界就是标识帧的开始与结束 o常用的帧定界方法：常用的帧定界方法： 字符计数法字符计数法 带字符填充的首尾界符法带字符填充的首尾界符法 带位填充的首尾标志法带位填充的首尾标志法 OSI参考模型第3章数据链路层 o在帧头中使用一个字段来标明帧内的字符数，通在帧头中使用一个字段来标明帧内的字符数，通

8、常该字段称为帧长字段。常该字段称为帧长字段。 o如果发生传输错误，则可能更改帧长的值，从而如果发生传输错误，则可能更改帧长的值，从而 导致帧的同步出现问题。导致帧的同步出现问题。 o该方法通常与下面介绍的其他方法结合使用。该方法通常与下面介绍的其他方法结合使用。 6 A B C D E 5 U V W X 8 1 2 3 4 4 5 8 三个帧的长度分三个帧的长度分 别为别为6字节、字节、5字字 节和节和8字节。字节。 6 A B C D E 7 U V W X 8 1 2 3 4 4 5 8 ？ OSI参考模型第3章数据链路层 o每一帧以每一帧以ASCII字符序列字符序列DLE STX开始，

9、以开始，以DLE ETX 结束。结束。 oDLE为为“Data Link Escape”的缩写，的缩写，STX意味着意味着 “Start of Text”， ETX代表代表“ End of Text”。 o其缺点是成帧完全依赖于其缺点是成帧完全依赖于8位字符，而且若数据部分也位字符，而且若数据部分也 出现了出现了DLE STX或或DLE ETX，则接收端就会错误判，则接收端就会错误判 断帧边界。断帧边界。 DLE Data DLESTXETX OSI参考模型第3章数据链路层 o在首尾界符法中，由于数据中可能会出现在首尾界符法中，由于数据中可能会出现DLE STX或或 DLE ETX，从而干扰帧

10、的正常定界，从而干扰帧的正常定界 o字符填充法可用于解决上述问题。即发送端在数据中所字符填充法可用于解决上述问题。即发送端在数据中所 遇到的遇到的DLE前再插入一个附加的前再插入一个附加的DLE，而接收端则忽略，而接收端则忽略 两个连续两个连续DLE的前一个。的前一个。 Data DLE STX DLE ETXDLE DLE ETXDLEDLE STX DLE OSI参考模型第3章数据链路层 o每一帧使用一个特殊的位模式每一帧使用一个特殊的位模式“”“”作为开始和结束标作为开始和结束标 记。记。 o该位模式又称为该位模式又称为“flag”。 o位模式允许数据帧包含任意个数的比特，也允许每个位模

11、式允许数据帧包含任意个数的比特，也允许每个 字符采用任意比特的编码。字符采用任意比特的编码。 Data OSI参考模型第3章数据链路层 o在首尾标记法中，由于数据中可能会出现与标记相同的在首尾标记法中，由于数据中可能会出现与标记相同的 位串，从而干扰帧的正常定界位串，从而干扰帧的正常定界 o位填充法可用于解决上述问题。即发送端在数据中若遇位填充法可用于解决上述问题。即发送端在数据中若遇 到到5个连续的个连续的“1”时，则在其后自动插队入一个时，则在其后自动插队入一个“0”。 该技术简称该技术简称“逢五逢五1插插0”；接收端则忽略；接收端则忽略5个连续的个连续的“1” 后面的后面的“0”，简称，

12、简称“逢五逢五1删删0” 。 Data 111111111110 11111011111100 OSI参考模型第3章数据链路层 差错产生与差错控制方法差错产生与差错控制方法 为什么要设计数据链路层为什么要设计数据链路层 在原始物理传输线路上传输数据信号是有差错的；在原始物理传输线路上传输数据信号是有差错的； 设计数据链路层的主要目的：设计数据链路层的主要目的： 将有差错的物理线路改进成无差错的数据链路；将有差错的物理线路改进成无差错的数据链路； 方法方法 差错检测差错检测 差错控制差错控制 流量控制流量控制 作用：为相邻节点提高数据传输质量，向网络层提供高质量的服务，传输数据作用：为相邻节点提

13、高数据传输质量，向网络层提供高质量的服务，传输数据 单元为帧。单元为帧。 OSI参考模型第3章数据链路层 差错产生的原因和差错类型差错产生的原因和差错类型 传输差错传输差错 通信过程接收的数据与发通信过程接收的数据与发 送数据送数据 不一致的现象不一致的现象; 差错控制差错控制 检查是否出现差错以及如检查是否出现差错以及如 何纠正差错；何纠正差错； 通信信道的噪声分为两类：热噪声和冲击通信信道的噪声分为两类：热噪声和冲击 噪声；噪声； 由热噪声引起的差错是随机差错，或由热噪声引起的差错是随机差错，或 随机错；随机错； 冲击噪声引起的差错是突发差错，或冲击噪声引起的差错是突发差错，或 突发错；突

14、发错； 引起突发差错的位长称为突发长度；引起突发差错的位长称为突发长度； 在通信过程中产生的传输差错，是由在通信过程中产生的传输差错，是由 随机差错与突发差错共同构成的。随机差错与突发差错共同构成的。 1.产生差错的原因：产生差错的原因： 1）信道的电气特性引起信号）信道的电气特性引起信号 幅度、频率、相位的畸变；幅度、频率、相位的畸变； 2）信号反射；）信号反射； 3）串扰；）串扰； 4）闪电、大功率电机的启停）闪电、大功率电机的启停 等。等。 线路传输差错是不可避免的，线路传输差错是不可避免的， 但要尽量减小其影响。但要尽量减小其影响。 OSI参考模型第3章数据链路层 传输差错产生过程传输

15、差错产生过程 OSI参考模型第3章数据链路层 检错码与纠错码检错码与纠错码 纠错码纠错码： 每个传输的分组带上足够的冗余信息；每个传输的分组带上足够的冗余信息； 接收端能发现并自动纠正传输差错。接收端能发现并自动纠正传输差错。 检错码检错码: : 分组仅包含足以使接收端发现差错的冗余信息；分组仅包含足以使接收端发现差错的冗余信息； 接收端只能发现出错，不能纠正传输差错。接收端只能发现出错，不能纠正传输差错。 OSI参考模型第3章数据链路层 差错控制编码差错控制编码常用的检错码常用的检错码 奇偶校验码奇偶校验码 循环冗余编码循环冗余编码CRCCRC 目前应用最广的检错码编码方法之一目前应用最广的

16、检错码编码方法之一 OSI参考模型第3章数据链路层 在原始数据字节的最高位增加一个附加比特位，使结果中1的个 数为奇数(奇校验)或偶数(偶校验)。增加的位称为奇偶校验位。 例：原始数据=1100010，采用偶校验。 则增加校验位后的数据为11100010 若接收方收到的字节奇偶结果不正确，就可以知道传输中发生了 错误。 奇偶校验只能检测出奇数个比特位错，对偶数个比特位错则无能为力。 1.奇偶校验（奇偶校验（Parity Checking） OSI参考模型第3章数据链路层 1 0 0 0 1 0 1 0 字符字符1 b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 check 1 1 0 0 1 0 1

17、 1 字字 符符2 1 1 0 1 1 0 1 0 字字 符符3 1 0 1 0 1 0 1 1 字字 符符4 1 0 0 0 1 0 1 0 字字 符符5 1 0 0 0 1 1 1 1 字字 符符5 1 0 0 0 1 0 1 0 字字 符符6 1 1 1 0 1 0 1 0 字字 符符7 0 0 1 0 0 0 0 0 校验校验 字符字符 OSI参考模型第3章数据链路层 多项式除法，将余式作为冗余信息传送。多项式除法，将余式作为冗余信息传送。 又称多项式校验又称多项式校验 纠错码的编码效率较低，差错控制经常采用检错码 ARQ。循环冗余码循环冗余码CRC（Cyclic Redundancy

18、 Code ）是）是计 算机网络中使用最为广泛的检错码 OSI参考模型第3章数据链路层 ： 被除数被除数= =除数除数* *商商+ +余数余数 被除多项式被除多项式= =除式除式* *商商+ +剩余多项式剩余多项式 （换言之，被除多项式减去剩余多项式可以用除（换言之，被除多项式减去剩余多项式可以用除 式整除）式整除） OSI参考模型第3章数据链路层 只有只有0和和1两个系数两个系数 P(x)=an-1xn-1 +an-2xn-2 + a1x + a0 CRC-12： G(x)=x12 +x11 +x3 + x2 + x + 1 CRC-16： G(x)=x16 +x15 + x2 + 1 CR

19、C-CCITT： G(x)=x16 +x12 + x5 + 1 CRC-32： G(x)=x32 +x26 +x23 + x22 + x16 +x12+ x11 +x10 +x8 + x7 + x5 +x4 + x2 + x + 1 OSI参考模型第3章数据链路层 o将将P(x)乘以乘以 G(x)的最高幂次作为被除式，的最高幂次作为被除式， G(x)G(x)作多作多 项式除式。除法采用模项式除式。除法采用模2算法，即相当于异或操作；算法，即相当于异或操作； o将所得到的余式多项式将所得到的余式多项式R(x)重新转换为二进制数，作重新转换为二进制数，作 为冗余码；将冗余码加在原传送数据后面，构成

20、发送为冗余码；将冗余码加在原传送数据后面，构成发送 序列；序列； o接收方收到后，将接收序列用同样的生成多项式去除。接收方收到后，将接收序列用同样的生成多项式去除。 若余式为零，则表示无差错；否则，说明传输过程中若余式为零，则表示无差错；否则，说明传输过程中 出现了错误。出现了错误。 采用的是模采用的是模2算法，运算规则如下：算法，运算规则如下： 0+0=0 0+1=1 1+0=1 1+1=0 0-0=0 0-1=1 1-0=1 1-1=0 OSI参考模型第3章数据链路层 o要发送的二进制数序列为要发送的二进制数序列为“110011”，6位位 的数据序列对应的数据序列对应5次多项式：次多项式：

21、 P(x)=xP(x)=x5 5+x+x4 4+x+1+x+1 o选定的生成多项式为：选定的生成多项式为： G(x)=xG(x)=x4 4 +x +x3 3 + 1 + 1 （最高次数为（最高次数为4 4，相当于，相当于1100111001） o被除多项式为：被除多项式为： P(x)xP(x)x4 4 x x9 9+x +x8 8+ x+ x5 5+ x+ x4 4 （相当于（相当于11001100000000） OSI参考模型第3章数据链路层 o多项式除法后得到冗余码为多项式除法后得到冗余码为10011001，所以相应的数据发所以相应的数据发 送序列为送序列为110011 10011001

22、oCRC校验可以由软件或硬件来实现，现多采用超大校验可以由软件或硬件来实现，现多采用超大 规模集成电路芯片以硬件方式实现。规模集成电路芯片以硬件方式实现。 110011000000001100111001 1 11001 100000000 00001 1100111001 1001 OSI参考模型第3章数据链路层 CRCCRC校验示例校验示例 待校验数据：待校验数据：1101,0110,11 G(x) = x1101,0110,11 G(x) = x4 4+x+1 , +x+1 , 即即10011 10011 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 1 1 1 1

23、 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 余数余数 传送序列传送序列T(x)=1101,0110,1111,10 OSI参考模型第3章数据链路层 例例1.1.已知：信息码:110011生成码:11001(收发双方约定好 的) 求：冗余码FCS。 解： M = 110011 。 设 n = 4，除数 P = 11001 ， 模2运算得被除数： 2nM = 1010010000。 与除数P相除后得：商 Q = 100001， 余数 R

24、= 1001。 即冗余码FCS是： 1001 OSI参考模型第3章数据链路层 帧检验序列帧检验序列 FCS p在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列帧检验序列 FCS (Frame Check Sequence)。 p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。 OSI参考模型第3章数据链路层 接收端对收到的每一帧进行接收端对收到的每一帧进行 CRC 检验检验 (1) 若得出的余数 R = 0，则判定这个帧没有差错，就接受 (a

25、ccept)。 (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。 接收端把接收到的数据以帧为单位进行校验：将收到的 每一帧都除以同样的除数P，然后检查余数R OSI参考模型第3章数据链路层 例例2.已知：接收码字:1100111001，生成码:11001， 判断码字的正确性。若正确，则指出冗余码和信息码。 解：1）用接收到的帧除以生成码（模2运算），被除数是 1100111001，除数P=11001，结果余数为0，所以码字正确。 2）因

26、n=4，所以冗余码是：1001；信息码是:110011 OSI参考模型第3章数据链路层 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”。比特差错 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。 OSI参考模型第3章数据链路层 CRCCRC的检错能力的检错能力 o全部单个错全部单个错 o全部离散的二位错全部离散的二位错 o全部奇数个错全部奇数个错 o全部长度小于或等于全部长度小于或等于K K的突发错（的突发错（ K K为生成为生成 多项式的最高幂次）多项式的最高幂次） o以以1-1-（1/21/2）K-1 K-1的概率检出长度为 的概率检出长度为K+1K+1位的位的 突