[课程讲义]计算机网络_第三章_数据链路层

1、第三章 数据链路层主要内容一案例引入二数据链路层的基本概念三点对点协议PPP四多路访问控制协议五以太网六局域网扩展及VLAN知识目标知识目标数据链路层的三个基本问题 CPPP协议 CCSMA/CD的工作原理 C以太网MAC层和MAC帧 K局域网的扩展方式 KVLAN的搭建和划分方法 A案例引入案例引入 背景Alice给Bob的消息可以通过连接在网卡上的网线发送出去了。网线的一头连接在Alice的计算机（的网卡）上，另一头连接在交换机的一个端口上。案例引入案例引入 问题1，当网卡源源不断的发送比特串时，如果网线中的物理信号受到干扰，导致交换机端口接收到信号与发送的信号不同，进而导致转换出来的01

2、比特位发生错误了，该怎么办？2，更严重的情况，由于突发的噪声，导致交换机端口完全没有收到网卡发送过来的比特串，该怎么办？3，Alice发送的消息太多，交换机的端口来不及处理怎么办？案例引入案例引入 如何解决？ 将传输的比特数据流分解成帧，对发生错误的帧进行重传或纠错 引入一种差错控制的机制，让接收方在收到数据后向发送方发送确认消息 引入流量控制的机制，避免发送方发送过多、过快的数据案例引入案例引入 结论需要引入一个新的协议层数据链路层，屏蔽掉底层（物理层）的差错，从而为上层（网络层）提供良好的服务。主要内容一案例引入二数据链路层的基本概念三点对点协议PPP四多路访问控制协议五以太网六局域网扩展

3、及VLAN数据链路层的基本概念 名词名词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。 在相邻结点间的一条链路上的通信称为点到点通信从源结点（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。数据链路(data link) ： 协议链路 数据链路层的基本概念 名词名词在两个对等的数据链路层之间画出一个数字管道，其中所传输的数据单位是。：将原始的比特流分解成若干离散的“段”中。 结点结点帧帧数据链路层的基本概念 名词名词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

4、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的基本概念 简单模型简单模型广域网广域网Alice 主机 H1Bob 主机 H2路由器 R1路由器 R2路由器 R3LANWLANAlice 向Bob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基本概念 简单模型简单模型广域网广域网Alice 主机 H1Bob 主机 H2路由器 R1路由器 R2路由器 R3LANWLANAlice 向Bob发送数据链路

5、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数据链路层的基本概念 数据链路层的目标在物理层提供比特流传输服务的基础上，数据链路层（Data Link Layer）通过在通信的实体之间建立数据链路连接，传送以“帧”为单位的数据，使有差错的物理线路变成无差错的数据链路，保证点到点（point-to-point）可靠的数据传输。数据链路层的基本概念数据链路层的基本概念 三个基本问题(重点) （1）封装成帧（2）透明传输（3）差错控制 数据链路层的基本概念数据链路层的基本概念 三个基本问题

6、（1）封装成帧帧结束帧首部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数据链路层的基本概念数据链路层的基本概念 三个基本问题 （）封装成帧带字符填充的首尾字符定界法 SOH装在帧中的数据部分帧帧开始符帧结束符发送在前EOT数据链路层的基本概念数据链路层的基本概念 三个基本问题 （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完整的帧发送在前数据链路层的基本概念数据链路层的基本概念 三个基本问题 （2）透明传输的解决方法SOHSOHEOTSOHESCESCEOTESCSOHESCESCESCSOH原始数据EOTEOT经

7、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SOH数据链路层的基本概念数据链路层的基本概念 三个基本问题 （3）差错控制 差错：接收的与发送的数据不一致 随机差错：具有独立性，与前后码元无关 突发差错：相邻多个数据位出错 差错产生的原因：通信信道的噪声 热噪声：由传输介质导体的电子热运动产生，幅度较小，是产生随机差错的主要根源 冲击噪声：由外界电磁干扰产生，幅度较大，是产生突发差错的主要根源数据链路层的基本概念数据链路层的基本概念（3）差错控制数据链路层的基本概念数据链路层的基本概念（3）差错控制CRC示例假定 k = 6, M = 101001。设 n =

8、3, 除数 P = 1101，被除数是 2nM = 101001000。 模 2 运算的结果是：商 Q = 110101， 余数 R = 001。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。 数据链路层的基本概念数据链路层的基本概念（3）差错控制CRC示例接收方进行接收方进行 CRC 校验校验发送发送方生成方生成 CRC 校验校验数据链路层的基本概念数据链路层的基本概念（）帧校验序列 在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列 FCS (Frame Check Sequence)。 循环冗余检验 CRC 和帧检

9、验序列 FCS区别： 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。 主要内容一案例引入二数据链路层的基本概念三点对点协议PPP四多路访问控制协议五局域网协议实例六局域网扩展及VLAN数据链路层数据链路层的协议实例的协议实例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 机因特网的点对点协议 PPP数据链路层数据链路层的协议实例的协议实例PPP 协议的帧格式标志字段IP

10、数据报1211字节12不超过 1500 字节PPP 帧先发送7E FF03FACFCSF7E协议信 息 部 分首部尾部地址字段控制字段PPP 有一个 2 个字节的协议字段。当协议字段为 0 x0021 时，PPP 帧的信息字段就是IP 数据报。若为 0 xC021, 则信息字段是 PPP 链路控制数据。若为 0 x8021，则表示这是网络控制数据。 数据链路层数据链路层的协议实例的协议实例PPP 协议的透明传输问题q 当当 PPP 用在用在同步传输链路同步传输链路时，协议规定采用时，协议规定采用 硬件硬件来完成来完成比特填充比特填充。q 当当 PPP 用在用在异步传输异步传输时，就使用一种特殊

11、的时，就使用一种特殊的 字符填充法（字节填充）字符填充法（字节填充）。数据链路层数据链路层的协议实例的协议实例PPP 协议的透明传输问题q字符填充字符填充： 将信息字段中出现的每一个将信息字段中出现的每一个 0 x7E 0 x7E 字节转变成为字节转变成为 2 2 字节字节序列序列(0 x7D, 0 x5E)(0 x7D, 0 x5E)。 若信息字段中出现一个若信息字段中出现一个 0 x7D 0 x7D 的字节的字节, , 则将其转变成为则将其转变成为 2 2 字节序列字节序列(0 x7D, 0 x5D)(0 x7D, 0 x5D)。 若信息字段中出现若信息字段中出现 ASCII ASCII

12、码的控制字符（即数值小于码的控制字符（即数值小于 0 x20 0 x20 的字符），则在该字符前面要加入一个的字符），则在该字符前面要加入一个 0 x7D 0 x7D 字节，字节，同时将该字符的编码加以改变。同时将该字符的编码加以改变。 数据链路层数据链路层的协议实例的协议实例PPP 协议的透明传输问题q零比特填充法：零比特填充法：PPP 协议用在协议用在 SONET/SDH 链路时，是使用同步传输（一链路时，是使用同步传输（一连串的比特连续传送）。这时连串的比特连续传送）。这时 PPP 协议采用协议采用零比特填充零比特填充方方法来实现透明传输。法来实现透明传输。在在发送端，只要发现有发送端，

13、只要发现有 5 个连续个连续 1，则立即填入一个，则立即填入一个 0。接收端对帧中的比特流进行扫描。每当发现接收端对帧中的比特流进行扫描。每当发现 5 个连续个连续1时，时，就把这就把这 5 个连续个连续 1 后的一个后的一个 0 删除。删除。数据链路层数据链路层的协议实例的协议实例PPP 协议的透明传输问题信息字段中出现了和标志字段 F 完全一样的 8 比特组合0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 0会被误认为是标志字段 F 发送端在 5 个连 1 之后填入 0 比特再发送出去0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0发送端填入 0 比特

14、在接收端把 5 个连 1之后的 0 比特删除0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0接收端删除填入的 0 比特数据链路层数据链路层的协议实例的协议实例PPP 协议的特点q不使用序号和确认机制是出于以下的考虑：不使用序号和确认机制是出于以下的考虑：在数据链路层出现差错的概率不大时，使用比较简单的在数据链路层出现差错的概率不大时，使用比较简单的 PPP 协议较为合理协议较为合理在因特网环境下，在因特网环境下，PPP 的信息字段放入的数据是的信息字段放入的数据是 IP 数据数据报。数据链路层的可靠传输并不能够保证网络层的传输也报。数据链路层的可靠传输并不能够保证网络层的

15、传输也是可靠的是可靠的帧检验序列帧检验序列 FCS 字段可保证无差错接受字段可保证无差错接受数据链路层数据链路层的协议实例的协议实例PPP 协议状态图建立失败失败NCP 配置鉴别成功通信结束载波停止检测到 载波双方协商一些选项鉴别网络打开终止静止主要内容一案例引入二数据链路层的基本概念三点对点协议PPP四多路访问控制协议五以太网六局域网扩展及VLAN案例引入 背景Alice在给Bob发送消息时，此时恰好Tom发给Alice的消息也到达了。案例引入案例引入 问题因为Alice的网卡与交换机之间只有一根网线，那么这两个消息在网线上相遇后，会发生什么情况？数据碰撞！信号失真！案例引入案例引入 如何解

16、决？ 引入信道分配机制：在发送消息之前首先检测信道上有没有别的消息；若没有，则发送；若有，则等待一段时间再尝试发送。案例引入案例引入 结论 Alice遇到的这种冲突问题在使用广播信道的网络中普遍存在，即要解决如何在多个竞争的用户之间分配单个广播信道的问题。在数据链路层中分出了一个介质访问控制 (Medium Access Control，MAC)子层，解决信道分配的问题。信道分配策略信道分配策略最早采用争用协议的计算机网络是美国夏威夷大学的 ALOHA 网，该网通过无线信道将各分校的远程终端接到本部的主机上。ALOHA系统纯ALOHA系统 (不需时间同步)时分ALOHA系统 (需要时间同步)多

17、路访问控制 基本思想q 任何用户有数据发送就可以发送；q 每个用户通过监听信道获知数据传输是否成功；q 当发现数据传输失败后，各自等待一段随机时 间，再重新发送。 纯ALOHA方式中，数据可在任意时刻发送。 1. 纯纯 ALOHA 多路访问控制 1. 纯纯 ALOHA 冲突重发多路访问控制基本思想：基本思想： 将时间分成将时间分成时间片时间片( (即时隙即时隙T0，slot)，每个时间片每个时间片可以用来发送一个可以用来发送一个帧；用户有数据要帧；用户有数据要发送时，必须等到发送时，必须等到下一个时间片开始下一个时间片开始才能发送。才能发送。 多路访问控制3. 载波监听载波监听多路访问协议多路

18、访问协议（Carrier Sense Multiple Access Protocol,CSMA)多路访问控制1-坚持 CSMA3. 载波监听多重访问载波监听多重访问协议协议（Carrier Sense Multiple Access Protocol,CSMA)多路访问控制3. 载波监听多重访问载波监听多重访问协议协议（Carrier Sense Multiple Access Protocol,CSMA)非坚持 CSMA多路访问控制3. 带有带有冲突检测的冲突检测的CSMA（CSMA/CD） CSMA/CD 表示 Carrier Sense Multiple Access with Col

19、lision Detection。 “多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。 “载波监听”是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。 总线上并没有什么“载波”。因此， “载波监听”就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号。 多路访问控制4. 带有带有冲突检测的冲突检测的CSMA（CSMA/CD）(重点重点)碰撞检测 “碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。 当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大（互相叠加）。 当一个站检测到的信号电压摆动值超过一

20、定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞。 所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。检测到碰撞后 在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来。 每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送。电磁波在总线上的有限传播速率的影响 当某个站监听到总线是空闲时，也可能总线并非真正是空闲的。 A 向 B 发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到 B。 B 若在 A 发送的信息到达 B 之前发送自己的帧(因为这时 B 的载波监听检测不到 A 所发送

21、的信息)，则必然要在某个时间和 A 发送的帧发生碰撞。 碰撞的结果是两个帧都变得无用。 1 kmABt碰撞t = 2 A 检测到发生碰撞 t = B 发送数据B 检测到发生碰撞 t = t = 0单程端到端传播时延记为 传播时延对载波监听的影响 1 kmABt碰撞t = B 检测到信道空闲发送数据t = / 2发生碰撞t = 2 A 检测到发生碰撞 t = B 发送数据B 检测到发生碰撞 t = ABABAB t = 0 A 检测到信道空闲发送数据ABt = 0t = B 检测到发生碰撞停止发送STOPt = 2 A 检测到发生碰撞STOPAB单程端到端传播时延记为 重要特性 使用 CSMA/

22、CD 协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信（半双工通信）。 每个站在发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。 这种发送的不确定性使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率。 争用期 最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间 2 （两倍的端到端往返时延）就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。 以太网的端到端往返时延 2 称为争用期，或碰撞窗口。 经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。 二进制指数类型退避算法 (truncated binary exponential type) 发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟（退避）一个随机

23、时间才能再发送数据。 基本退避时间取为争用期 2。 从整数集合0,1, (2k 1)中随机地取出一个数，记为 r。重传所需的时延就是 r 倍的基本退避时间。 参数 k 按下面的公式计算： k = Min重传次数, 10 当 k 10 时，参数 k 等于重传次数。 当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。 争用期的长度 以太网取 51.2 s 为争用期的长度。 对于 10 Mb/s 以太网，在争用期内可发送512 bit，即 64 字节。 以太网在发送数据时，若前 64 字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。 最短有效帧长 如果发生冲突，就一定是在发送的前 64 字节之内

24、。 由于一检测到冲突就立即中止发送，这时已经发送出去的数据一定小于 64 字节。 以太网规定了最短有效帧长为 64 字节，凡长度小于 64 字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。 强化碰撞 当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时： 立即停止发送数据； 再继续发送若干比特的人为干扰信号(jamming signal)，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。 数据帧干扰信号 TJ人为干扰信号 ABTBt B 发送数据A 检测到冲突开始冲突信道占用时间A 发送数据B 也能够检测到冲突，并立即停止发送数据帧，接着就发送干扰信号。这里为了简单起见，只画出 A 发送干扰信号的情况。多路访问控制5. 带有冲

25、突避免的带有冲突避免的CSMA（CSMA/CA）典型的无线局域网Access PointWireless “Cell”Channel 6Wireless ClientsLAN BackboneChannel 1Access PointWireless “Cell”Wireless Clients主要内容一案例引入二数据链路层的基本概念三数据链路层的协议实例四多路访问控制协议五以太网六局域网扩展及VLAN以太网定义：在一个局部的地理范围内（如一个办公室、学校、公司等），一般是方圆几千米以内，将各种计算机，外部设备和数据库等互相联接起来组成的计算机通信网。 基本组成： 服务器（主要运行服务器进程的

26、机器） 客户机（运行客户进程的机器） 网络通信设备 通信协议特点： 具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网。局域网上的主机可共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源。 便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活调整和改变。 提高了系统的可靠性、可用性和残存性。以太网以太网1.以太网综述以太网综述 以 太 网 是 一 种 局 域 网 ！以 太 网 是 一 种 局 域 网 ！传统以太网使用以太网交换机的以太网以太网1.以太网综述以太网综述 协议标准10Mbps 100Mbps 1Gbps 10Gbps以太网1.以太网综述以太网综述 3种以太网的数据链路层和物理层以太网访问共享介质时可能发生冲

27、突1.以太网综述以太网综述 以太网访问共享介质/半双工：使用 CSMA / CD 协议1.以太网综述以太网综述 以太网 MAC 子层的功能1.以太网综述以太网综述 以太网 MAC 子层的硬件地址1.以太网综述以太网综述 以太网 MAC 子层的帧格式无效的MAC帧： 数据字段的长度与长度字段的值不一致； 帧的长度不是整数个字节； 用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错； 数据字段的长度不在 46 1500 字节之间。 有效的 MAC 帧长度为 64 1518 字节之间。 对于检查出的无效 MAC 帧就简单地丢弃。以太网不负责重传丢弃的帧。 1.以太网综述以太网综述 以太网 MAC 子层的帧格式（

28、Ethernet II ）1.以太网综述以太网综述 以太网 MAC 子层的帧格式（Ethernet II ）1.以太网综述以太网综述 以太网 MAC 子层的帧格式（Ethernet II ）1.以太网综述以太网综述 以太网 MAC 子层的帧格式（Ethernet II ）1.以太网综述以太网综述 以太网 MAC 子层的帧格式（Ethernet II ）1.以太网综述以太网综述 以太网 MAC 子层的帧格式（Ethernet II ）1.以太网综述以太网综述 以太网名称电缆优点最大网段长度网段内最多节点数10Base5粗缆 (10mm)适于主干网500m10010Base2细缆(5mm)适于廉价

29、系统185m3010BaseT双绞线 (0.5mm)易维护100m1 (to hub)10BaseFP光纤(0.1mm)适于建筑物之间500m33分类2.传统以太网传统以太网 以太网2.传统以太网传统以太网 u 介质访问控制方法采用的是“共享介质”方式；u 所有结点都连接到一条作为公共传输介质的总线上；u 所有结点都可以通过总线传输介质以“广播”方式发送或接收数据。以太网 连接方式之Hub2.传统以太网传统以太网 以太网缺点缺点与改进方案与改进方案 建立在“共享介质”基础上，介质访问控制方法是CSMS/CD 介质访问控制方法用来保证每个结点都能够“公平”地使用公共传输介质； 每个结点平均能分配

30、到的带宽随着结点数的不断增加而急剧减少； 网络通信负荷加重时，冲突和重发现象将大量发生，网络效率将会下降，网络传输延迟将会增长，网络服务质量将会下降。 第一种方案：将“共享介质方式”改为“交换方式”，导致“交换式以太网”技术的发展。 第二种方案：提高Ethernet的数据传输速率：10Mbps100Mbps10Gbps； 2.传统以太网传统以太网 以太网3.交换式以太网交换式以太网 课件制作人：谢希仁一系三系二系10BASE-T至因特网100 Mb/s100 Mb/s100 Mb/s万维网服务器电子邮件 服务器以太网交换机路由器3.交换式以太网交换式以太网 局域网扩展以太网以太网4.快速快速以

31、太网以太网 (Fast Ethernet)以太网分类2对 5类 UTP2 芯 光纤4对 3类UTP4.快速快速以太网以太网 (Fast Ethernet)以太网自动协商（Auto Negotiation） 4.快速快速以太网以太网 (Fast Ethernet)以太网组网实例4.快速快速以太网以太网 (Fast Ethernet)以太网4.千兆以太网千兆以太网 (Fast Ethernet)-概述概述以太网分 类多模光纤多模或单模光纤短距离平衡型铜缆短距离平增强型5类(超5类)或6类UTP4.千兆以太网千兆以太网 (Fast Ethernet)以太网4.千兆以太网千兆以太网 (Fast Ethernet)-关键技术关键技术以太网组网实例4.千兆以太网千兆以太网 (Fast Ethernet)以太网5.万兆以太网万兆以太网 (10GE)以太