计算机网络之链路层和链路层服务

1、1林楠林楠电子邮件：电子邮件：lynn_办公电话：办公电话公室：办公室：408 数据链路层数据链路层2进程进程主机主机进程进程主机主机结点结点结点结点结点结点结点结点结点结点数据链路层数据链路层网络层网络层传输层传输层传输层：传输层：实现实现进程进程与与进程进程之间的通信。之间的通信。网络层：网络层：实现实现主机主机与与主机主机之间的通信。之间的通信。数据链路层：数据链路层：实现实现结点结点与与结点结点之间的通信。之间的通信。Review数据链路层数据链路层3数据链路层功能数据链路层功能数据帧的组成数据帧的组成物理寻址物理寻址差错控制差错控制流量控制流量控制数据链

2、路层功能数据链路层功能4r结点结点 Nodes：主机或路由器主机或路由器r连接连接 Links： 在通信路径中连在通信路径中连接邻近结点的通信连接。接邻近结点的通信连接。m有线连接有线连接 Wired linksm无线连接无线连接 Wireless linksr帧帧Frame ：一个数据链路层帧一个数据链路层帧封装一个网络层数据报。封装一个网络层数据报。传送数据报从一结点到邻近结点。传送数据报从一结点到邻近结点。一个传输结点封装数据报到一数据一个传输结点封装数据报到一数据链路层链路层帧帧，再发送，再发送帧帧到连接上。到连接上。连接连接“link”数据链路层功能数据链路层功能5帧结束帧首部帧首部

3、I P 数据报I P 数据报帧的数据部分帧的数据部分帧尾部帧尾部MT U数据链路层的帧长从这里开始发送帧开始每一种链路层协议都规定了帧的数据部分的长度上限每一种链路层协议都规定了帧的数据部分的长度上限 最大传输单元最大传输单元 MTU6 端口号：标识不同进程端口号：标识不同进程主机主机数据链路层功能数据链路层功能: 物理寻址物理寻址进程进程 域名：标识不同主机域名：标识不同主机网络接口网络接口逻辑地址：逻辑地址：IP地址地址物理地址：物理地址：MAC地址地址标识不同的网络接口标识不同的网络接口7r数据链路层协议大多在数据链路层协议大多在适配器适配器中执行中执行 (Adaptor： NICs:

4、Network Interface Cards 网络接口卡，网卡，网络接口卡，网卡，) r将计算机接入网络时，每台计算机都需要安将计算机接入网络时，每台计算机都需要安装装网卡网卡，通过网卡计算机才和网线相连。，通过网卡计算机才和网线相连。r网卡：网卡：是计算机上的是计算机上的“收发室收发室”，是计算机，是计算机联网的必需设备，它负责向外发送数据，并联网的必需设备，它负责向外发送数据，并从网络中判断接收属于自己的数据。从网络中判断接收属于自己的数据。发送结点发送结点帧帧接收结点接收结点数据报数据报帧帧适配器适配器适配器适配器数据链路层协议数据链路层协议数据链路层功能数据链路层功能: 物理寻址物理

5、寻址8r逻辑地址逻辑地址 = IP地址地址: m网络层地址网络层地址m使得数据报到达目的主机使得数据报到达目的主机IP子网（发送与接收主机子网（发送与接收主机可能不在同一子网可能不在同一子网）r物理地址物理地址 = 网卡地址网卡地址 = MAC地址地址 = LAN地址地址 = 以太网地址以太网地址 : m使得数据报从一接口传送到另一物理连接的接口（使得数据报从一接口传送到另一物理连接的接口（两接口在同一子网两接口在同一子网）m48 位位MAC，永久性，唯一性（，永久性，唯一性（出厂时固化到网卡的出厂时固化到网卡的ROM中中） MAC地址地址 IP地址地址48位位 32位位人的身份证号码人的身份

6、证号码 人的通讯地址人的通讯地址结点适配器的地址结点适配器的地址结点的地址结点的地址扁平管理扁平管理垂直管理（子网地址垂直管理（子网地址+主机地址）主机地址）不变不变 随主机移动改变随主机移动改变数据链路层功能数据链路层功能: 物理寻址物理寻址9第十三讲第十三讲 数据链路层数据链路层r数据链路层功能数据链路层功能r点对点网络：数据链路控制协议点对点网络：数据链路控制协议 (PPP)r广播网络：多路访问控制协议广播网络：多路访问控制协议 (CSMA/CD，CSMA/CA)r局域网局域网mIEEE802局域网标准局域网标准m以太网以太网 Ethernet m局域网主要互连设备局域网主要互连设备m虚

7、拟局域网虚拟局域网 VLANm无线局域网无线局域网10r点对点点对点 （ 例如：例如：PPP拨号访问拨号访问）r广播式广播式 （ 共享线路或介质共享线路或介质; 例如：传统以太网例如：传统以太网, 无线网无线网,等）等）r交换式交换式 （ 例如：例如：交换式以太网交换式以太网, ATM 等等 ）有三种类型的有三种类型的 “链路链路”: 共享有线共享有线 共享无线共享无线 卫星卫星 谈论会谈论会 11r一个发送端，一个接收端，一个连接一个发送端，一个接收端，一个连接m不需要介质访问控制不需要介质访问控制m不需要进行不需要进行MACMAC寻址寻址m应用：应用：两路由器之间，两路由器之间，SONET

8、/SDH链路。链路。 拨号或拨号或ADSL访问访问Internet,在家用在家用MODEM与与ISP路由器之间。路由器之间。r常见的点对点数据链路控制常见的点对点数据链路控制 DLCDLC（Data Link ControlData Link Control）协议）协议: :mPPPPPP： ( ( 点对点协议点对点协议 Point-to-Point Protocol )Point-to-Point Protocol )mHDLCHDLC：( ( 高级数据链路控制高级数据链路控制 High Level Data Link Control )High Level Data Link Contro

9、l )mSDLCSDLC：（同步数据链路控制（同步数据链路控制 Synchronous Data Link Control)Synchronous Data Link Control)mSLIPSLIP：( ( 串行线互联网协议串行线互联网协议Serial Line Internet ProtocolSerial Line Internet Protocol）点对点数据链路控制协议点对点数据链路控制协议在网络中两个设备通过一个专用链路连接在一起，两个设备可以在任何时在网络中两个设备通过一个专用链路连接在一起，两个设备可以在任何时间访问链路，这种访问称为间访问链路，这种访问称为点对点访问点对点访

10、问（Point-to-Point access）12第十三讲第十三讲 数据链路层数据链路层r数据链路层功能数据链路层功能r点对点网络：数据链路控制协议点对点网络：数据链路控制协议 (PPP)r广播网络：多路访问控制协议广播网络：多路访问控制协议 (CSMA/CD，CSMA/CA)r局域网局域网mIEEE802局域网标准局域网标准m以太网以太网 Ethernet m局域网主要互连设备局域网主要互连设备m虚拟局域网虚拟局域网 VLANm无线局域网无线局域网13r各结点共享一条传输介质，两个或多个结点同时传输数据时各结点共享一条传输介质，两个或多个结点同时传输数据时 相互干扰，产生相互干扰，产生 冲

11、突冲突 collision ！ m在某一时刻只有一个结点可以成功地发送信号。在某一时刻只有一个结点可以成功地发送信号。m当一个结点同时接收两个或更多信号的时候产生当一个结点同时接收两个或更多信号的时候产生冲突冲突。多路访问控制多路访问控制 MAC Multiple Access Control各结点怎样共享介质？各结点怎样共享介质？答：答：多路访问协议多路访问协议 multiple access protocol 解决各结点怎样共享介质。解决各结点怎样共享介质。 例如：例如：确定哪个结点可以发送数据，什么时刻发送？确定哪个结点可以发送数据，什么时刻发送？ 不同的物理连接，有不同的多路访问协议。

12、不同的物理连接，有不同的多路访问协议。 应用：应用： 局域网局域网 LANs 无线局域网无线局域网 Wireless LANs 卫星网络卫星网络 Satellite Networks 14rCSMA/CD：载波检测多路访问：载波检测多路访问 / 冲突检测冲突检测，传统局域网。，传统局域网。rCSMA/CA：载波检测多路访问：载波检测多路访问 / 冲突避免冲突避免，无线局域网。，无线局域网。 随机访问协议随机访问协议 授控访问协议授控访问协议 通道化协议通道化协议多路访问协议多路访问协议预约预约轮询轮询令牌环令牌环多路访问协议多路访问协议 (小结小结)15CSMA/CD: 载波侦听多路访问载波侦

13、听多路访问 / 冲突检测冲突检测 Carrier sense multiple access / Collision Detectionm当冲突发生后，发送结点在很短时间内可探测到，当冲突发生后，发送结点在很短时间内可探测到，m结点立即中断传输，冲突的传输数据被丢弃，减少带宽浪费，结点立即中断传输，冲突的传输数据被丢弃，减少带宽浪费，m然后，结点采取持续性或非持续性重传。然后，结点采取持续性或非持续性重传。m应用于：应用于：传统的传统的LAN中。中。CSMA/CA: 载波侦听多路访问载波侦听多路访问 / 冲突避免冲突避免 Carrier sense multiple access / Coll

14、ision Avoidancem在此过程中不产生冲突。在此过程中不产生冲突。m结点检测介质不忙时，等待一时间再发送帧，并设置一定时器结点检测介质不忙时，等待一时间再发送帧，并设置一定时器m如果在定时器到时之前接收到对方的确认，则认为传输成功；如果在定时器到时之前接收到对方的确认，则认为传输成功； 否则，则认为帧丢失，再重新检测介质重发数据。否则，则认为帧丢失，再重新检测介质重发数据。m应用于：应用于：无线无线LAN中。中。多路访问协议多路访问协议:1) 随机访问协议随机访问协议16第十四讲第十四讲 数据链路层数据链路层r数据链路层功能数据链路层功能r点对点网络：数据链路控制协议点对点网络：数据

15、链路控制协议 (PPP)r广播网络：多路访问控制协议广播网络：多路访问控制协议 (CSMA/CD，CSMA/CA)r局域网局域网mIEEE802局域网标准局域网标准m以太网以太网 Ethernet m局域网主要互连设备局域网主要互连设备m虚拟局域网虚拟局域网 VLANm无线局域网无线局域网17组成分组组成分组流量控制流量控制寻址寻址差错控制差错控制介质访问控制介质访问控制局域网局域网 局域网工作在局域网工作在物理层物理层和和数据链路层数据链路层 最常见的有线最常见的有线LAN: Ethernet 以太网以太网 最具有发展潜力的最具有发展潜力的LAN：无线局域网无线局域网18第十四讲第十四讲 数

16、据链路层数据链路层r数据链路层功能数据链路层功能r点对点网络：数据链路控制协议点对点网络：数据链路控制协议 (PPP)r广播网络：多路访问控制协议广播网络：多路访问控制协议 (CSMA/CD，CSMA/CA)r局域网局域网mIEEE802局域网标准局域网标准m以太网以太网 Ethernet m局域网主要互连设备局域网主要互连设备m虚拟局域网虚拟局域网 VLANm无线局域网无线局域网19互联网没有对互联网没有对LAN，WAN做详细的说明，因此就必须有另外的做详细的说明，因此就必须有另外的 协议标准协议标准 (IEEE802局域网标准局域网标准) 来处理来处理LAN。 IEEE802: 电气和电子

17、工程师协会电气和电子工程师协会802委员会委员会: 802工程工程 IEEE802局域网标准局域网标准 把数据链路层分为上下两层把数据链路层分为上下两层: LLC 逻辑链路控制子层逻辑链路控制子层 MAC 介质访问控制子层介质访问控制子层IEEE802 局域网标准局域网标准802项目项目MACIEEE802局域网标准局域网标准LLC20以太网以太网 Ethernetr主机通过主机通过LAN连接到连接到Internet需要五层网络协议的服务。需要五层网络协议的服务。r上面三层（上面三层（应用层，运输层，网络层应用层，运输层，网络层）对所有的对所有的LAN是是相同相同的。的。r数据链路层中数据链路

18、层中LLC子层子层设计对于所有设计对于所有LAN是是相同相同的。的。r所以局域网之间的区别仅仅在于它们的所以局域网之间的区别仅仅在于它们的MAC子层和物理层。子层和物理层。r对于每一个不同的局域网，对于每一个不同的局域网，MAC子层差别不大，但物理层完全不同子层差别不大，但物理层完全不同。传统以太网传统以太网10 Mbps快速以太网快速以太网100 Mbps千兆以太网千兆以太网1000 Mbps数据数据链路层链路层物理层物理层逻辑链路控制逻辑链路控制 LLC介质访问控制介质访问控制介质访问控制介质访问控制介质访问控制介质访问控制三代以太网三代以太网21以太网以太网 Ethernet网络拓扑结构

19、网络拓扑结构 Topology网络中计算机所连成的几何形状网络中计算机所连成的几何形状:1 总线形总线形 Bus （淘汰）（淘汰）2 星形星形 Star （流行）（流行）3 环形环形 Ring（没普及）（没普及）4 网形网形 Mesh （广域网）（广域网）22r无连接无连接: 在发送端和接收端的网卡之间不需要握手连接。在发送端和接收端的网卡之间不需要握手连接。r不可靠不可靠: 接收端网卡不发送确认消息到发送端网卡。接收端网卡不发送确认消息到发送端网卡。 因此：因此：m数据包流向网络层可能有间隔，数据包流向网络层可能有间隔，m如果运输层使用如果运输层使用TCP，间隔将被添满，间隔将被添满，m否则

20、应用层将看到间隔。否则应用层将看到间隔。以太网以太网 Ethernet以太网技术为网络层提供无连接，不可靠服务。以太网技术为网络层提供无连接，不可靠服务。随着以太网的发展，可分为：随着以太网的发展，可分为：1、传统以太网、传统以太网 10Mbps2、快速以太网、快速以太网 100Mbps3、千兆以太网、千兆以太网 1000Mbps23传统以太网传统以太网10Mbps使用持续性的多路访问协议：使用持续性的多路访问协议：CSMA/CD以太网以太网: 1) 传统以太网传统以太网 10Mbps 10Base5 粗缆以太网粗缆以太网 使用物理使用物理总线总线拓扑结构，传输介质使用粗同轴电缆。拓扑结构，传

21、输介质使用粗同轴电缆。 10Base2 细缆以太网细缆以太网 使用物理使用物理总线总线拓扑结构，传输介质使用细同轴电缆。拓扑结构，传输介质使用细同轴电缆。 10Base-T 双绞线以太网双绞线以太网 ( T 代表双绞线代表双绞线 Twisted Pair ) 使用物理使用物理星型星型拓扑结构，双绞线。所有结点连接到拓扑结构，双绞线。所有结点连接到集线器集线器HUB上。上。 10Base-FL 光纤链路以太网光纤链路以太网 使用物理使用物理星型星型拓扑结构，光纤。所有结点连接到拓扑结构，光纤。所有结点连接到集线器集线器HUB上。上。传传统统以以太太网网类类型型24集线器集线器 Hub 本质是物理

22、层的中继器本质是物理层的中继器r集线器集线器/中继器中继器/转发器转发器都是都是物理层设备，物理层设备，工作在物理层。工作在物理层。m集线器处理集线器处理位位，而不处理帧。，而不处理帧。m位从一接口输入，以同样的速率发送到其他所有输出接口。位从一接口输入，以同样的速率发送到其他所有输出接口。r所有结点通过网线连接到集线器上所有结点通过网线连接到集线器上m物理上呈现出物理上呈现出 “星型拓扑星型拓扑”，逻辑上仍然是逻辑上仍然是总线形总线形。rCSMA/CD 算法在集线器（算法在集线器（Hub）中实现。）中实现。NICHUB间段最大长度间段最大长度 100m以太网以太网: 1) 传统以太网传统以太

23、网 10Mbps25网桥：网桥：以太网发展的第一步是使用网桥将局域网分段的。以太网发展的第一步是使用网桥将局域网分段的。 网桥工作在网桥工作在数据链路层设备，处理帧。数据链路层设备，处理帧。 可以连接不同链路层技术的网段，通过多个网段互连扩展局域网。可以连接不同链路层技术的网段，通过多个网段互连扩展局域网。 以太网以太网: 1) 传统以太网传统以太网 10Mbps网段2网段1应用层传输层互连网层数据链路层物理层应用层传输层互连网层数据链路层物理层PHYDL网网桥桥主机2主机1PHY26a.没有网桥没有网桥 b.带有网桥带有网桥 网桥的功能一：网桥的功能一：提高带宽，扩大网络的规模提高带宽，扩大

24、网络的规模 在非桥接的传统以太网中，带宽在非桥接的传统以太网中，带宽10Mbps由所有结点共享由所有结点共享 a.假设一假设一12个结点的传统以太网，每个结点平均享受个结点的传统以太网，每个结点平均享受10Mbps/12。 通过一个通过一个网桥网桥，将一个网络分割成两个或更多的网段，每个网段，将一个网络分割成两个或更多的网段，每个网段 独立享受带宽独立享受带宽10Mbps。 b.假设分为假设分为2个网段，每个结点平均享受个网段，每个结点平均享受10Mbps/6。以太网以太网: 1) 传统以太网传统以太网 10Mbps27网桥的功能二：网桥的功能二：分割冲突域分割冲突域 collision do

25、main冲突域冲突域冲突域冲突域冲突域冲突域冲突域冲突域冲突域冲突域a.不带网桥的网络不带网桥的网络b.带有网桥的网络带有网桥的网络以太网以太网: 1) 传统以太网传统以太网 10Mbps28交换式以太网：交换式以太网：桥接以太网的概念进一步发展为交换桥接以太网的概念进一步发展为交换LAN。 如有如有N个结点，带宽为每个结点与交换机共同享受，各个结点，带宽为每个结点与交换机共同享受，各10Mbps。 冲突域分为冲突域分为N个冲突域个冲突域。冲突域冲突域冲突域冲突域冲突域冲突域冲突域冲突域冲突域冲突域冲突域冲突域冲突域冲突域交换机：具有交换机：具有N个接口的网桥个接口的网桥以太网以太网: 1)

26、传统以太网传统以太网 10Mbps2910Base5和和10Base2以太网是半双工的，而以太网是半双工的，而10Base-T是全双工的。是全双工的。全双工交换式以太网：全双工交换式以太网：将每个冲突域的能力从将每个冲突域的能力从10Mbps增到增到20Mbps。 如有如有N个结点，带宽为每个结点与交换机共享受，各个结点，带宽为每个结点与交换机共享受，各10Mbps。 每个结点与交换机之间配置两个信道，一个用于发送一个用于接收。每个结点与交换机之间配置两个信道，一个用于发送一个用于接收。 不需要不需要CSMA/CD，不需要载波侦听冲突检测。，不需要载波侦听冲突检测。接收接收 发送发送 发送发送

27、 接收接收 交换机交换机 以太网以太网: 1) 传统以太网传统以太网 10Mbps30半双工的快速以太网使用：半双工的快速以太网使用：CSMA/CD，全双工的快速以太网不使用：全双工的快速以太网不使用：CSMA/CD。快速以太网快速以太网100Mbps类型：类型：两线的：两线的：100Base-TX（双绞线），（双绞线），物理物理星型星型拓扑结构拓扑结构，使用两对，使用两对5类双绞线。类双绞线。100Base-FX（光缆），（光缆），物理物理星型星型拓扑结构拓扑结构，使用两对光缆。，使用两对光缆。四线的：四线的：100Base-T4（双绞线）（双绞线）,物理物理星型星型拓扑结构拓扑结构，使用四

28、对，使用四对3类或更高级双绞线。类或更高级双绞线。以太网以太网: 2) 快速以太网快速以太网 100Mbps31千兆以太网千兆以太网1000Mbps类型：类型：两线的：两线的：1000Base-SX（短波光缆），（短波光缆），物理物理星型星型拓扑结构拓扑结构，使用两对短波光缆。，使用两对短波光缆。1000Base-LX（长波光缆），（长波光缆），物理物理星型星型拓扑结构拓扑结构，使用两对长波光缆。，使用两对长波光缆。1000Base-CX（铜缆），（铜缆），物理物理星型星型拓扑结构拓扑结构，使用两对短铜跳线。，使用两对短铜跳线。四线的：四线的：1000Base-T4（双绞线）（双绞线）,物理物

29、理星型星型拓扑结构拓扑结构，使用四对，使用四对5类类UTP双绞线。双绞线。以太网以太网: 3) 千兆以太网千兆以太网 1000Mbps半双工的快速以太网使用：半双工的快速以太网使用：CSMA/CD，全双工的快速以太网不使用：全双工的快速以太网不使用：CSMA/CD。32第十四讲第十四讲 数据链路层数据链路层r数据链路层功能数据链路层功能r点对点网络：数据链路控制协议点对点网络：数据链路控制协议 (PPP)r广播网络：多路访问控制协议广播网络：多路访问控制协议 (CSMA/CD，CSMA/CA)r局域网局域网mIEEE802局域网标准局域网标准m以太网以太网 Ethernet m局域网主要互连设

30、备局域网主要互连设备m虚拟局域网虚拟局域网 VLANm无线局域网无线局域网33网络设备的功能层次网络设备的功能层次协议层次协议层次地址类型地址类型设备设备网络层网络层逻辑地址（逻辑地址（IP地址）地址）路由器路由器 router 三层交换机三层交换机 three-layer switch数据链路层数据链路层 物理地址（物理地址（MAC地址）地址）二层交换机二层交换机 two-layer switch网桥网桥 bridge网卡网卡物理层物理层无无集线器集线器 hub中继器中继器 repeater网卡网卡局域网主要互连设备局域网主要互连设备34交换机：隔离冲突交换机：隔离冲突r交换机在不同网段之间

31、交换机在不同网段之间隔离冲突域隔离冲突域。r交换机交换机 过滤帧过滤帧: 同一网段的同一网段的帧帧不会被传到其他网段。不会被传到其他网段。hubhubhub交换机交换机冲突域冲突域冲突域冲突域冲突域冲突域一个交换机端口成为一个独立的一个交换机端口成为一个独立的 冲突域冲突域一个网段成为一个独立的一个网段成为一个独立的 冲突域冲突域冲突域冲突域 collision domain一冲突域里的设备发送数据一冲突域里的设备发送数据包时包时,强迫该网段的其他设备强迫该网段的其他设备都接收这个数据包都接收这个数据包;在同一时间内在同一时间内,该网段的不同该网段的不同设备同时发送数据包时设备同时发送数据包时

32、,将导将导致冲突致冲突,降低网络性能降低网络性能局域网主要互连设备：局域网主要互连设备：交换机交换机 Switch35HUBHUB广播域广播域独立的冲突域独立的冲突域独立的冲突域独立的冲突域交换机交换机交换机只能分隔冲突域，但不能分隔广播域交换机只能分隔冲突域，但不能分隔广播域HUB冲突域冲突域/广播域广播域网段网段2网段网段1局域网主要互连设备：交换机局域网主要互连设备：交换机 Switch36r路由器：路由器：可以隔离广播域。可以隔离广播域。r交换机：交换机：不能隔离广播域。不能隔离广播域。路由器路由器广播域广播域广播域广播域广播域广播域一个路由器接口隔离一个一个路由器接口隔离一个广播域广播域一个路由器接口对应一个一个路由器接口对应一个子网子网交换机交换机交换机交换机交换机交换机局域网主要互连设备：局域网主要互连设备：路由器路由器Router37r两者都是两者都是存储并转发存储并转发设备设备m路由器：路由器： 网络层设备网络层设备 ，使用，使用IP地址交换，三层交换，地址交换，三层交换， 路由器维持路由表，运行路由协议执行路由算法路由器维持路由表，运行路由协议执行路