生物工程专业_计算机网络 数据链路层

1、1第 3 章 数据链路层3.1 使用点对点信道的数据链路层 3.1.4 数据链路层的可靠传输(运输层讲)3.2 点对点协议 PPP3.3 使用广播信道的数据链路层3.4 使用广播信道的以太网3.5 扩展的以太网（自读）3.6 高速以太网3.7 无线局域网（简单介绍）2数据链路层n问题：链路层必须解决的基本问题？为上一层提供一段一段链路两点的数据通信服务，链路上的信道分为两种，分别如何实现。在广播信道的数据链路层，各主机如何在局域网上唯一标识自己?3数据链路层n数据链路层使用的两种信道类型：点对点信道：一对一的点对点通信方式。广播信道：一对多的广播通信方式。信道上连接很多主机，须用专门的共享信道

2、协议来协调主机的数据发送-局域网使用广播信道。43.1 使用点对点信道的数据链路层 3.1.1 数据链路层所处的地位 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n 数据链路层的简单模型5数据链路层的简单模型(续)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

3、仅从数据链路层观察帧的流动63.1 使用点对点信道的数据链路层3.1.2 数据链路和帧 n前面提到的链路与数据链路的区别：n链路：是从一个结点到相邻结点的一段物理线路， 一条链路是一条路径的组成部分。n数据链路： 除了物理线路外，还要有通信协议来控制这些数据的传输。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。往往使用适配器(即网卡)来实现这些协议的硬件和软件。一般适配器包括了数据链路层和物理层功能。 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(a)IP 数据报1010 0110帧装入数据链路层的协议数据单元：传送的是帧83.1.3 三个基本问题

4、1、封装成帧2、透明传输3、差错控制 91. 封装成帧n封装成帧：把网络层交过来的一段数据的前后分别添加首部和尾部，就构成了一个帧。n首部和尾部的主要作用是进行帧定界，n首部也包括必要的控制信息。 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10如何进行帧定界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EOTn SOH(start of header)和EOT(end of transmission)都是控制字符。n SOH 表示帧的首部开始，可用00000001表示n EOT 表示帧的结束 可用00000100表示11

5、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n如何理解透明传输：是指不管所传送的数据是什么样的比特组合，都应当能在链路上传送，并被正确地接收。 12解决透明传输问题n使用字节填充或字符填充法：在数据中若出现控制字符“SOH”或“EOT”，则在前面插入一个转义字符“ESC”(十六进制编码是 1B)。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中，那么在转义字符前面插入一个转义字符。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。 13SOHSOHEOTSOHESCESCEOTE

6、SCSOHESCESCESCSOH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 SOH143. 差错检测n在传输过程中可能会产生比特差错：1 和0可能互变。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。n误码率与信噪比有很大的关系，但不管怎样都无法保证无差错传输。n为保证可靠性，必须采用差错检测措施。 在数据链路层，广泛使用循环冗余检验 CRC 的检错技术。15CRC与帧检验序列 FCS (Frame Check Sequence) nCRC就是在数据后面添加供差错检测的n位冗余码。n这种

7、冗余码称为帧检验序列 FCS 。n原理 书59页：(数据 M,约定好的除数 P,模2运算得到的 n 位余数即是冗余码,传送数据 M+n，接收方除以P看余数是否为0)n循环冗余检验 CRC 和 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。16应当注意 n使用 CRC 只能做到无差错接受。n无差错接受是指：凡是接收端接受的帧，均可认为无差错，因为出错的帧丢弃了。但这能确保通信双方的可靠传输吗？不一定，因为数据可能丢失或重复，要做到“可靠传输” 必须再加上确认和重传机制(运输层可靠传输部分一起讲)。 173.2 点对点协议 PPP (Point-to-Poi

8、nt Protocol)3.2.1 PPP 协议的特点PPP：解决点对点信道的数据传输。n用户往往要连接到 ISP 才能实现上网(拨号上网)，PPP 是用户和 ISP 进行通信时的数据链路层协议。nPPP是在点对点链路使用最多的协议。n在拨号电话线接入因特网时：用户购买该 ISP 出售的“上网卡”；接入到该 ISP 后获得 IP 地址实现上网。18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193.2.1 PPP 协议的特点 n简单：只进行CRC检验，不提供可靠传输。n封装成帧：规定了 帧定界符 n透明性 n支持多种网络

9、层协议：如：IP，IPX。 n多种类型链路：高速或低速，光或电。 n差错检测：避免有差错的帧继续在网络中传输。 n检测连接状态 ：有助于恢复并保持链路畅通。n最大传送单元 MTU：太大丢弃，通报。n网络层地址协商：知道并配置网络层地址。 203.2.2. PPP 协议的组成 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(既支持同步链路，也支持异步链路)。n链路控制协议 LCP (Link Control Protocol)：用来建立、配置和测试数据链路。n一套网络控制协议 NCP (Network Control Protocol)：支持网络层协议。 213.2.2

10、 PPP 协议的帧格式n标志字段 F = 0 x7E：表示帧的开始和结束，是PPP帧的定界符。n地址字段 A 规定为 0 xFF：不起作用。n控制字段 C 规定为 0 x03：不起作用。n2 字节的协议字段：指明信息字段是什么协议数据。n信息字段：帧数据nFCS 字段：CRC的帧检验序列。22PPP 协议的帧格式nPPP 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，则信息字段是链路控制数据。若为 0 x8021，则信息字段是网络控制数据。 IP 数据报1211字节12不超过 1500 字节PPP 帧先发送7EFF

11、03FACFCSF7E协议信 息 字 段首部尾部23透明传输问题 n当 PPP 用在同步传输链路时，协议规定采用硬件来完成比特填充-(零比特填充)。 n当 PPP 用在异步传输时，就使用一种特殊的字符填充法。 n同步和异步的主要区别： 1、异步传输面向字符，同步传输面向比特。 2、异步传输的单位是字符，同步传输的单位是帧。 24异步传输使用的字符填充 n将信息字段中出现的每一个 0 x7E 字节转变成为 2 字节序列(0 x7D, 0 x5E)。 n若信息字段中出现一个 0 x7D 的字节, 则将其转变成为 2 字节序列(0 x7D, 0 x5D)。n若信息字段中出现 ASCII 码的控制字符

12、（即数值小于 0 x20 的字符），则在该字符前面要加入一个 0 x7D 字节，同时将该字符的编码加以改变。 25同步传输使用的零比特填充 n在发送端，当发现有 5 个连续 1，则立即填入一个 0(标志字段7E存在6个连续的1)。n接收端对帧中的比特流进行扫描。每当发现 5 个连续1时，就把这 5 个连续 1 后的一个 0 删除，0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 00 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 00 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0信息字段中出现了和标志字段 F 完全一样的 8 比特组合发送端

13、在 5 个连 1 之后填入 0 比特再发送出去在接收端把 5 个连 1之后的 0 比特删除会被误认为是标志字段 F 发送端填入 0 比特接收端删除填入的 0 比特零比特填充27 3.2.3 PPP 协议的工作状态 n当用户拨号接入 ISP 时，路由器的调制解调器对拨号做出确认，并建立一条物理连接。nPC 机向路由器发送一系列的 LCP 分组，以便建立 LCP 连接。这些分组及其响应选择一些 PPP 参数。n接着进行网络层配置，NCP 给 PC 分配一个临时的 IP 地址。n通信完毕，NCP 释放网络层连接，收回 IP 地址。n接着 LCP 释放连接。n最后释放物理层的连接。 链路静止链路建立鉴

14、别网络链路打开链路终止物理层连接建立LCP 配置协商鉴别成功或无需鉴别NCP 配置协商链路故障或关闭请求LCP 链路终止鉴别失败LCP 配置协商失败293.3 使用广播信道的数据链路层n广播信道：可以进行一对多的通信，之所以能广播是因为共享了信道。n局域网使用的是广播信道。n局域网最主要的特点是：网络往往为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。 303.3 使用广播信道的数据链路层n局域网具有的主要优点：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

15、和生存性。局域网按网络拓扑的分类 匹配电阻集线器干线耦合器总线网星形网环形网总线网：传统以太网为代表星形网：快速以太网，以太网应用广泛，几乎可认为是局域网的同义词。32媒体共享技术n信道之所以能“广播”是因为共享了信道。那么共享信道的技术有？n静态划分信道：不适合局域网使用。频分复用、时分复用、波分复用、码分复用 n动态媒体接入控制(多点接入)：信道不固定分配给用户。随机接入：以太网采用(须有解决碰撞的协议)受控接入：如多点线路探询，或轮询。 33 3.4 使用广播信道的以太网3.4.1 以太网概述 n1. 传统以太网的两个标准DIX Ethernet V2 标准(施乐,英特尔等公司)IEEE

16、 的 802.3 标准(标准化组织)。nDIX Ethernet V2 与 IEEE 的 802.3 的差别很小，因此将 802.3 局域网简称为“以太网”。34n为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，802 委员会将局域网的数据链路层拆成两个子层：逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control)子层媒体接入控制 MAC (Medium Access Control)子层。n与接入到传输媒体有关的内容都放在 MAC子层。nLLC 子层与传输媒体无关，不管何种局域网对 LLC 子层来说都是透明的 3.4 使用广播信道的以太网3.4.1 以太网概述 35局域网对 LLC 子

17、层是透明的 局 域 网网络层物理层站点 1网络层物理层逻辑链路控制LLCLLC媒体接入控制MACMAC数据链路层站点 236以后一般不考虑 LLC 子层 n由于 TCP/IP 体系经常使用的局域网是 DIX Ethernet V2 而不是 802.3 标准中的几种局域网，因此 802 委员会制定的 LLC 的作用不大。n也就是说我们所学习是基于TCP/IP 体系的“以太网”，而以太网的数据链路层不包括 LLC 层，只有 MAC层。n很多厂商生产的适配器上就仅装有 MAC 协议而没有 LLC 协议。 372. 适配器的作用 n端计算机如何与局域网连接？通过网卡。n网络接口板又称为通信适配器(ad

18、apter)或网络接口卡，或“网卡”。 n网卡是使“站点”与“网络”连接并通信。n回顾：数据链路是除了物理线路外，还要有通信协议来控制这些数据的传输。而适配器是实现这些协议的硬件和软件。n适配器包括物理层和链路层两层。382. 适配器的作用 n适配器的重要功能：进行串行传输/并行传输转换。对数据进行缓存。适配器与存储器进行交互在操作系统上安装网卡驱动程序。使得网卡能与存储器交互。实现以太网协议。 39计算机通过适配器和局域网进行通信 硬件地址至局域网适配器（网卡）串行通信CPU 和存储器生成发送的数据处理收到的数据把帧发送到局域网从局域网接收帧计算机IP 地址并行通信n硬件地址：是每一个“站点

19、”的标识符。40n广播信道实现一对一通信须解决的两个问题：唯一标识自己的方法；解决传输碰撞问题。n总线特点：是广播通信方式；可利用计算机的每个适配器的地址不同来实现“一对一”通信。3.4.2 CSMA/CD 协议 B向 D发送数据 C D A E匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号）匹配电阻不接受不接受不接受接受B只有 D 接受B 发送的数据41广播特性的总线实现一对一通信 n总线上的每一个工作的计算机都能检测到 B 发送的数据信号。 n由于只有计算机 D 的地址与数据帧首部写入的地址一致，因此只有 D 才接收这个数据帧。 n其他计算机丢弃这个数据帧。 42载波监听多点接入/碰撞检测 CSMA/

20、CD n通过上面的方法，以太网实现了一对多和一对一的通信，并采用相应措施使得通信更加简便，但仍有一个重要的问题。n如何协调总线上各计算机传输数据？因为总线上在同一时间只能允许一台计算机发送信息。n方法：使用CSMA/CD协议进行协调。43载波监听多点接入/碰撞检测 CSMA/CD nCSMA/CD - Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection。n多点接入：许多主机连接在一根总线上。n载波监听：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。 载波监听：是用电子技术检测总线上有没有

21、其他计算机发送的数据信号。 44n碰撞检测：是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。n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)。n当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定数值时，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（冲突）。碰撞检测 45检测到碰撞后n在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法恢复出有用的信息。n因此，每个站，一旦发现总线上出现了碰撞，就要停止发送，然后等待一段随机时间后再次发送。46电磁波在总线上的有限传播速率的影响 n疑问：在发送前已经监听到信道为“空闲”，为何发送了数据还会出现冲突的情况。答：电磁波在总线上

22、的有限传播速率的影响 nA 向 B 发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到 B。nB 若在 A 发送的信息到达之前发送自己的帧(此时 B 的检测不到 A 发送的信息)，则必然要在某个时间和 A 发送的帧发生碰撞。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举例 n使用 CSMA/CD 协议的以太网只能进行半双工通信。n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-发送的不确定性。48争用期n最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间 2 （两倍的端到端传播时延）就

23、可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。n如果没遭受碰撞则证明在 2 的时间内没有其它站点“争用”该总线。n因此，以太网的端到端往返时延 2 称为争用期。n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。 49如何处理碰撞？：1、二进制指数类型退避算法n发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟（退避）一个随机时间才能再发送数据。随机时间 = r 倍的 基本退避时间基本退避时间：一般取为争用期 2。从整数集合0,1, (2k 1)中随机地取一个数记为 r。定义重传次数 k ，k 10，即 k = Min重传次数, 10当重传达 16 次仍不成功即丢弃该帧，并向高层报告。 50n当发送数据

24、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 32 或 48 比特的人为干扰信号，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。 n可否理解为网络拥塞，你在 qq 群里告诉大家这里堵了， 先不要上网传输数据了。如何处理碰撞？：2、强化碰撞513.4.5 以太网的 MAC 层1. MAC 层的硬件地址 n硬件地址又称为物理地址，或 MAC 地址(用在 MAC 帧中)。n局域网上的每个站点的 MAC 地址固化在该站点的适配器 ROM 中。n“地址”并不是只具体的物理位置 ，严格地讲应当是每一个站或某个接口的“名字”或标识符。 5248 位的 MAC 地址nMAC 地址字段目前基本采用 6字节

25、(48位)。nIEEE 的注册管理机构 RA 负责向厂家分配地址字段的前 3 个字节。n地址字段中的后 3 个字节由厂家自行指派，称为扩展标识符，必须保证生产出的适配器没有重复地址。n“MAC 地址”实际上就是适配器地址或适配器标识符。53适配器检查 MAC 地址 n适配器每收到一个 MAC 帧就首先用硬件检查帧中的 MAC 地址.如果是发往本站的帧则收下。否则就将此帧丢弃。542. MAC 帧的格式 n常用的以太网 MAC 帧格式有两种标准 ：nDIX Ethernet V2 标准nIEEE 的 802.3 标准n最常用的 MAC 帧是以太网 V2 的格式。55以太网 MAC 帧物理层MAC

26、层10101010101010 10101010101010101011前同步码帧开始定界符7 字节1 字节8 字节插入IP层目的地址 源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网的 MAC 帧格式 56MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网 V2 的 MAC 帧格式目的地址字段 6 字节57MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网 V2 的 MAC 帧格式源地址字段 6 字节58MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数

27、据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网 V2 的 MAC 帧格式类型字段 2 字节类型字段用来标志上一层使用的是什么协议，以便把收到的 MAC 帧的数据上交给上一层的这个协议。 59MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网 V2 的 MAC 帧格式数据字段 46 1500 字节数据字段帧最小长度 64 字节 18 字节的首部和尾部 = 数据字段的最小长度46 60MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网 V2 的 MAC 帧格式FCS 字段 4

28、字节61MAC 帧物理层MAC 层IP 层目的地址源地址类型数 据FCS6624字节46 1500IP 数据报以太网 V2 的 MAC 帧格式10101010101010 10101010101010101011前同步码帧开始定界符7 字节1 字节8 字节插入n 在帧的前面插入的 8 字节n 第一个字段 7 个字节,前同步码,用来实现帧的比特同步。n 第二个字段是帧开始定界符，后面的信息就是MAC 帧。 为了达到比特同步，在传输媒体上实际传送的要比 MAC 帧还多 8 个字节62n问题：MAC 帧 为什么没有 帧结束定界符？n没有帧结束定界符如何知道哪些比特流属于同一个帧？在传送帧时，各帧之间

29、有一定的时间 间隙。接收端只要找到帧开始定界符，其后面连续的比特流就属于同一个MAC帧。以太网 V2 的 MAC 帧格式633.5 扩展的以太网n3.5.1 在物理层扩展以太网使用集线器可以使用多个集线器互连扩大了碰撞域n3.5.2 在数据链路层扩展以太网网桥交换机：多接口的网桥但广播域扩大了，容易造成广播风暴可以使用虚拟局域网 VLAN 技术减小广播域643.6 高速以太网3.6.1 100BASE-T 以太网n高速以太网：速率达到或超过 100 Mb/s 的以太网。n100BASE-T 是在双绞线上传送 100 Mb/s 基带信号的星型拓扑以太网n仍使用 CSMA/CD 协议。n100BA

30、SE-T 以太网又称为快速以太网(Fast Ethernet)。nIEEE 标准是 802.3u 。65100BASE-T 以太网的特点n可以在半双工方式工作，当配置交换式集线器时也可在全双工方式下工作而无冲突发生。全双工模式不用CSMA/CD协议nMAC 帧格式仍然是 802.3 标准规定的。n一个网段的最大电缆长度减小到 100 m(提高数据率)。n帧间时间间隔也减少了(提高数据率) 。 66三种不同的物理层标准 n100BASE-TX使用 2 对 UTP 5 类线或屏蔽双绞线 STP。 n100BASE-FX 使用 2 对光纤。 n100BASE-T4使用 4 对 UTP 3 类线或 5

31、 类线。 673.6.2 吉比特以太网n允许在 1 Gb/s 下全双工和半双工两种方式工作。n使用 802.3 协议规定的帧格式。n在半双工方式下使用 CSMA/CD 协议n与 10BASE-T 和 100BASE-T 技术向后兼容。68吉比特以太网的物理层 n1000BASE-X：1000BASE-SX SX表示短波 (基于光纤，多模)1000BASE-LX LX表示长波长(基于光纤，多模或单模)1000BASE-CXCX表示铜线（传输距离短，25m左右）n1000BASE-T 使用 4对 5 类线 UTP 693.6.3 10 吉比特以太网n10 吉比特以太网与 10 Mb/s，100 M

32、b/s 和 1 Gb/s 以太网的帧格式完全相同。n10 吉比特以太网不再使用铜线而只使用光纤作为传输媒体。n10 吉比特以太网只工作在全双工方式，因此没有争用问题，也不使用 CSMA/CD 协议。 703.6.4 使用高速以太网进行宽带接入n以太网的速率可达1 10 Gb/s ，覆盖的地理范围也很广，因此不少人使用以太网进行宽带接入。n特点：可提供双向的宽带通信，并且可灵活地进行带宽升级。以太网接入举例：光纤到大楼 FTTB 100 M10 M10 M100 M吉比特以太网光结点汇接点1 Gb/s1 Gb/s高速汇接点 GigaPoP723.7 无线局域网 WLAN3.7.1 无线局域网的组成1. 有固定基础设施的无线局域网AP1AP273n一个移动站若要加入到一个基本服务集 BSS，就必须先选择一个接入点 AP，并与此接入点建立关联。n建立关联就表示这个移动站加入了选定的 AP 所属的子网，并和这个 AP 之间创建了一个虚拟线路。nAP 有点像集线器。与接入点 AP 建立关联(association)742. 移动自组网络又称自组网络(ad hoc network) 自组网络AEDCBF源结点目的结点转发结点转发