CH3-06 数据链路层

1、1计算机网络（第 5 版）第 3 章 数据链路层2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3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4第 3 章 数据链路层（续）3.5 扩展的以太网3.5.1 在物理

2、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5本节要点n链路与数据链路的区别n数据链路层的主要作用n透明传输的实现方法nCRC的原理及其应用6n为网络层提供一个较好的服务接口n定义一个合适的传输差错率n对传输的数据流进行管理，以免快速的发送淹没慢速的接收端数据链路层的定义数据链路层的上层是网络层，数据链路层数据链路层的上层是网络层，数据链路层将借助于物理层为网络层提供服务将借助于物理层为网络层提供服务数据链

3、路层的协议数据单元（数据链路层的协议数据单元（PDU）是帧）是帧7数据链路层的功能n数据链路层的任务是把网络层的数字数据组合成帧，并加上一定的校验码后交物理层n物理层用不同的信号表示二进制数据位，从而把帧用一段连续的信号串表示并传送到目的主机n通过目的主机的物理层和数据链路层送到网络层，也就是为源和目的主机的网络层之间提供一条可靠的数据链路8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 9数据链路层

4、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10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11123.1 使用点

5、对点信道的数据链路层3.1.1 数据链路和帧 相连、(物理)链路和数据链路n所谓相连，可以理解为物理介质的连接，但当采用多路复用技术时也可以是信道的连接，其特征为：所传输的数据是按序的13n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。14IP 数据报1010 0

6、110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15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163.1.2 三个基本问题 (1) 封装成帧(2) 透明传输(3) 差错控制 17数据帧的组成n字符计数法n带字符填充的首尾界符法n带位填充的首尾标志法 n物理层编码违例法帧的组成必须保证能识别一个完整的帧，

7、并保证一帧的组成必须保证能识别一个完整的帧，并保证一旦出现传输差错而导致前一个帧丢失时，也必须能旦出现传输差错而导致前一个帧丢失时，也必须能识别后一个帧，即具有识别后一个帧，即具有帧帧再同步能力再同步能力18字符计数法n假设帧的长度用一个字节表示，并作为帧的头部 一旦帧长度计数被误读，将无法再同步，所以不能采用一旦帧长度计数被误读，将无法再同步，所以不能采用 第第1帧帧第第2帧帧帧长度计数错帧长度计数错帧长度计数帧长度计数第第1帧帧第第4帧帧第第3帧帧第第2帧帧5123456789801234568789012351234767898012345687890123Tnbm P188 Fig.

8、3-4 字符计数成帧法字符计数成帧法19数据帧的组成n字符计数法n带字符填充的首尾界符法n带位填充的首尾标志法 n物理层编码违例法帧的组成必须保证能识别一个完整的帧，帧的组成必须保证能识别一个完整的帧，并保证一并保证一旦出现传输差错而导致前一个帧丢失时旦出现传输差错而导致前一个帧丢失时，也必须能，也必须能识别下一个帧，识别下一个帧，即具有帧再同步能力即具有帧再同步能力20带字符填充的首尾界符法 n用特殊的字符作为帧头和帧尾界符FLAG HeaderPayload field Trailer FLAG这是一种面向字符的帧格式，所传输的数据都是字符这是一种面向字符的帧格式，所传输的数据都是字符（A

9、SCII或或EBCDIC字符），但帧中不允许出现帧界符字符），但帧中不允许出现帧界符标志，在面向字符的串型通信中常使用这种格式标志，在面向字符的串型通信中常使用这种格式(PPP)接收方一旦丢失了一个接收方一旦丢失了一个FLAG，只要继续搜索下一个，只要继续搜索下一个FLAG，就可重新确定帧边界，即具有再同步能力，就可重新确定帧边界，即具有再同步能力Tnbm P189 Fig. 3-5 (a) 由由Flag标志的一个帧标志的一个帧21n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

10、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22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EOT232. 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24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

11、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，就删除其中前面的一个。 25SOHSOHEOTSOHESCESCEOTESCSOHESCESCESCSOH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 SOH26面向字符的帧格式n面向字符的帧格式不适宜传输数据中包含二进制数的帧，因为在包含二进制数的帧中很可能出现与FLAG相同的bit序列（通常FLAG用ASCII字符7EH定义）n一种方法是在二进制数中偶然出现的FLAG前再插入一个ESC （ASCII字符1BH），这种方法称为字符填充法

12、41 33 7E 5C 4B 0C41 33 1B 5C 4B 0C41 33 1B 7E 5C 4B 0C41 33 1B 1B 5C 4B 0C41 33 1B 7E 5C 4B 0C41 33 1B 1B 5C 4B 0C41 33 1B 1B 1B 7E 5C 4B 0C41 33 1B 1B 1B 1B 5C 4B 0C27带位填充的首尾标志法 n在面向二进制位的同步串行通信中常使用带位填充的首尾标志格式，如HDLC 这是一种面向二进制位的帧格式，把所有需传输的数据（不论是字符这是一种面向二进制位的帧格式，把所有需传输的数据（不论是字符或表示一个浮点数的二进制位串，还是一个或表示一个

13、浮点数的二进制位串，还是一个MP3的文件）一字排开，的文件）一字排开，并以特殊的位模式并以特殊的位模式01111110作为帧标志，即一个帧的开始（同时标志作为帧标志，即一个帧的开始（同时标志前一个帧的结束）前一个帧的结束） 如果由于干扰，一个帧标志没有被正确接收，则继续扫描接收串，一如果由于干扰，一个帧标志没有被正确接收，则继续扫描接收串，一旦扫描到旦扫描到01111110，即新的一帧从此开始，即具有再同步能力，即新的一帧从此开始，即具有再同步能力 即使字符也并非都是即使字符也并非都是8位的，东方文字是位的，东方文字是16位，位，UNICODE是是16位位28数据帧的组成n字符计数法n带字符填

14、充的首尾界符法n带位填充的首尾标志法 n物理层编码违例法帧的组成必须保证能识别一个完整的帧，并保证一帧的组成必须保证能识别一个完整的帧，并保证一旦出现传输差错而导致前一个帧丢失时，也必须能旦出现传输差错而导致前一个帧丢失时，也必须能识别下一个帧，即具有帧再同步能力识别下一个帧，即具有帧再同步能力29物理层编码违例法 n在曼切斯特编码中，连续高电平或连续低电平可用作帧界符 采用冗余编码技术，如曼切斯特编码，即对连续两个信号进行采用冗余编码技术，如曼切斯特编码，即对连续两个信号进行采样，可得到一个二进制位采样，可得到一个二进制位 数据数据0：低：低-高电平对高电平对 数据数据1：高：高-低电平对低

15、电平对 高高- -高电平对和低高电平对和低- -低电平对没有使用，如在二进制低电平对没有使用，如在二进制编码中出现则称为编码违例，但这两种违例编码正编码中出现则称为编码违例，但这两种违例编码正好可用作帧界符，在令牌环网中使用编码违例格式好可用作帧界符，在令牌环网中使用编码违例格式30 纠错码和检错码n纠错码：n海明（Hamming） 码n检错码：n校验和（Check Sum）n块校验码（Block Check Code）n循环冗余检错码 CRC （Cyclic Redundancy Check）313. 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

16、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。 32校验和 n算法简单、实现容易，但检错强度较弱以以16位为例：位为例：4865H+6C6CH+6F20H+776FH+726CH+642EH+进位进位=71FCHHelloworld.48656C6C6F20776F726C642E71FC将发送的数据看成是二进制整数序列，并划分成一段段规将发送的数据看成是二进制整数序列，并划分成一段段规定的长度（如定的长度（如8位、位、16位、位、

17、32位等），计算它们的和，如位等），计算它们的和，如计算和时有进位，则将进位加到最后的校验和中，并将校计算和时有进位，则将进位加到最后的校验和中，并将校验和与数据一起发送；在接收端，重新计算校验和，并与验和与数据一起发送；在接收端，重新计算校验和，并与接收到的原校验和比较，如要传输接收到的原校验和比较，如要传输“ Hello world.” 33纠错码和检错码n纠错码：n海明（Hamming） 码n检错码：n校验和（Check Sum）n块校验码（Block Check Code）n循环冗余检错码 CRC （Cyclic Redundancy Check）34块校验码n块校验码BCC（Bloc

18、k Check Code）简单常用，但检错的强度较弱，如在同一列上有偶数位错，则不能检测如传输的数据都是ASCII字符（即面向字符，这在应用中很多），每个字符进行奇偶校验，然后把所有的字符（连同奇偶位）进行异或运算，运算结果即为其块校验码，通常发送端在发送完数据区的结束标志后发送BCC，接收端一边接收数据一边计算BCC，最后与接收到的BCC比较，以确认所接收到的数据正确与否 如“ Hello world.”，采用偶校验，校验后的字符序列为：48H 65H 6CH 6CH 6FH A0H 77H 6FH 72H 6CH E4H 2EH = 2EHHelloworld.48656C6C6FA077

19、6F726CE42E2E35纠错码和检错码n纠错码：n海明（Hamming） 码n检错码：n校验和（Check Sum）n块校验码（Block Check Code）n循环冗余检错码 CRC （Cyclic Redundancy Check）36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。 37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

20、 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。 38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 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。 39 110101 Q (商) P (

21、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 40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 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。 41接收端对收到的每一帧进行 CRC 检

22、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。 42CRC码计算举例如一帧为1101011011即：M(x) = x9+x8+x6+x4+x3+x+1 G(x) = x4+x+1 T(x) = x4M(x) =x4(x9+x8+x6+x4+x3+x+1) =x13+x12+x10+x8+x7+x5+x4 43CRC码计算举例（续1）n帧：1101011

23、011n除数：10011n实际传输帧： 1 1 0 0 0 0 1 0 1 01 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 01 0 0 1 11 0 0 1 11 0 0 1 10 0 0 0 10 0 0 0 00 0 0 1 00 0 0 0 00 0 1 0 10 0 0 0 00 1 0 1 10 0 0 0 01 0 1 1 01 0 0 1 10 1 0 1 00 0 0 0 01 0 1 0 01 0 0 1 10 1 1 1 00 0 0 0 01 1 1 0余数余数1101011011 1110帧数据余数Tnbm P198 Fig. 3-8 CRC码计算举例码计算举例44CRC码计算举例（续2）11010110110000/10011 = 1100001010 1110 即110