计算机网络_第3讲_数据链路层

1、第第3 3讲讲 数据链路层数据链路层计算机网络基础教程计算机网络基础教程1 1 概述概述 基本功能，服务基本功能，服务 2 帧同步：帧同步： 字符计数法、字符填充首尾定界符法、比特填字符计数法、字符填充首尾定界符法、比特填充首尾定界符法充首尾定界符法 3 流量控制流量控制 停等协议、后退停等协议、后退N帧帧ARQ协议、选择重发协议、选择重发ARQ协议、滑动窗口协议协议、滑动窗口协议23 差错控制差错控制 特性、检错、纠错特性、检错、纠错 数据链路层协议数据链路层协议 高级数据链路控制规程、高级数据链路控制规程、Internet数据链路控数据链路控制协议制协议PPP 设备设备 网桥、交换机网桥、

2、交换机4数据链路概念的理解数据链路概念的理解主主机机A数数据据缓缓冲冲区区主主机机B高层高层缓缓冲冲区区高层高层数数据据帧帧帧帧发送方发送方接收方接收方数据链路层：数据链路层：物理线路通信协议物理线路通信协议5数据通信中的实际情况数据通信中的实际情况6/118 ？发送方：发送方：？接收方：接收方：？传输过程：传输过程：！解决这些问题，是链路层的主要任务。解决这些问题，是链路层的主要任务。！针对这些问题所制定的通信规程就是数据链路层的通信协议。针对这些问题所制定的通信规程就是数据链路层的通信协议。以多快的速度发送数据帧，即每帧之间相隔多以多快的速度发送数据帧，即每帧之间相隔多长时间？如何确认对方

3、是否收到数据？长时间？如何确认对方是否收到数据？在数据链路层上传输数据帧在数据链路层上传输数据帧会出错吗？会丢失数据帧吗？会出错吗？会丢失数据帧吗？是否接收到正确的数据帧？如何告诉发是否接收到正确的数据帧？如何告诉发送方？能及时处理接收到的数据帧吗？送方？能及时处理接收到的数据帧吗？73.1 数据链路层概述数据链路层概述 数据链路层在数据链路层在OSI模型中介于物理层和网络模型中介于物理层和网络层之间。层之间。 将物理层提供的可能出错的物理连接改造将物理层提供的可能出错的物理连接改造成逻辑上无差错的数据链路。成逻辑上无差错的数据链路。 基本功能是向网络层提供透明和可靠的数基本功能是向网络层提供

4、透明和可靠的数据传送服务。据传送服务。 透明：该层上传输的数据内容、格式和编码么透明：该层上传输的数据内容、格式和编码么有限制，也没有必要解释信息结构的意义。有限制，也没有必要解释信息结构的意义。 可靠：不会发生丢失信息、干扰信息和顺序错可靠：不会发生丢失信息、干扰信息和顺序错误误83.1数据链路层概述数据链路层概述 帧帧Frame：协议数据单元。：协议数据单元。 链路链路Link：无源的点到点的物理线路，中：无源的点到点的物理线路，中间没有任何交换节点。间没有任何交换节点。 数据链路数据链路Data Link：物理线路：物理线路+通信协议通信协议93.1.1 数据链路层基本功能数据链路层基本

5、功能 帧同步帧同步 识别帧的开始与结束，识别新帧与重传帧识别帧的开始与结束，识别新帧与重传帧 差错控制差错控制 Error Control 流量控制流量控制 Flow Control 链路管理链路管理 Link Management 建立、维持和释放建立、维持和释放 MAC寻址寻址 区分数据与控制信息区分数据与控制信息 透明传输透明传输103.1.2 数据链路层的服务数据链路层的服务 无确认的无连接服务无确认的无连接服务 Unacknowledged Connectionless Service源计算机向目标计算机发送独立的帧，目标计源计算机向目标计算机发送独立的帧，目标计算机不对这些帧进行确

6、认。算机不对这些帧进行确认。 事先不建立逻辑连接、时候不释放。事先不建立逻辑连接、时候不释放。 数据链路层不检测、不回复丢失帧。数据链路层不检测、不回复丢失帧。 错误率低或者数据完整性要求不高下使用（语错误率低或者数据完整性要求不高下使用（语音数据）。音数据）。 高层可以进行恢复。高层可以进行恢复。113.1.2 数据链路层的服务数据链路层的服务 有确认的无连接服务有确认的无连接服务 Acknowledged Connectionless Service源计源计算机向目标计算机发送编号的帧，目标计算机对算机向目标计算机发送编号的帧，目标计算机对这些帧进行确认。这些帧进行确认。 没有收到确认，则

7、重发。没有收到确认，则重发。 适用于不可靠信道（无线通信系统）适用于不可靠信道（无线通信系统） 有确认的有连接服务有确认的有连接服务 Acknowledged Connection-Oriented Service 编号、确认按正确顺序接收。编号、确认按正确顺序接收。 三个阶段：链路建立、传输、释放三个阶段：链路建立、传输、释放123.2 帧同步功能帧同步功能 从物理层传送的比特流中识别出数据帧的从物理层传送的比特流中识别出数据帧的开始与结束。开始与结束。 字符计数法字符计数法 Character Count Method 面向字节的同步规程。帧头部特定域指定该帧面向字节的同步规程。帧头部特定

8、域指定该帧的字符数，特殊字符表示帧开始，专门字段标的字符数，特殊字符表示帧开始，专门字段标明字符数。明字符数。 计数错，则计数错，则传输错传输错133.2 帧同步功能帧同步功能 字符填充首尾定界符法字符填充首尾定界符法 特殊字符表示帧开始和终止。特殊字符表示帧开始和终止。 为了防止数据和帧的首尾定界符混淆，采用插为了防止数据和帧的首尾定界符混淆，采用插入特定字符的方式。入特定字符的方式。 标志符出现在数据中时，仍然会出错。标志符出现在数据中时，仍然会出错。143.2 帧同步功能帧同步功能 比特填充首尾定界符法比特填充首尾定界符法 特殊比特组合表示帧开始和终止。特殊比特组合表示帧开始和终止。 数

9、据帧的首尾有特殊位模式。如数据帧的首尾有特殊位模式。如0111110 帧内部如果有连续帧内部如果有连续5个个1传输，就在这传输，就在这5个个1后面后面加个加个0. 要传要传 0110111111011111001 实际实际01111100110111110101111100010111110153.3 流量控制功能流量控制功能 其他层也有此功能，控制的对象不同。其他层也有此功能，控制的对象不同。 数据链路层流量控制是相邻两节点之间数数据链路层流量控制是相邻两节点之间数据链路上的流量。据链路上的流量。 主要因为收发速度不匹配。因此要向发送主要因为收发速度不匹配。因此要向发送法反馈接受方的状态。法

10、反馈接受方的状态。163.3.1 停等协议停等协议 Stop-and-Waite:发送方发出一帧，等待应发送方发出一帧，等待应答信号到达后再发一帧。接收方每收到一答信号到达后再发一帧。接收方每收到一帧送回一个应答信号，表示可以接受下一帧送回一个应答信号，表示可以接受下一帧。如果无应答，则一直等待。帧。如果无应答，则一直等待。17 重复帧问题：帧有编号，接收方发现有重重复帧问题：帧有编号，接收方发现有重复帧，则要发送确认帧。复帧，则要发送确认帧。 帧编号问题：对于停等协议，一位就够编帧编号问题：对于停等协议，一位就够编号。号。18 【例例3-1】信道数据传输率为信道数据传输率为4kb/s，传播，

11、传播延迟为延迟为20ms，帧长在什么范围使得停等协，帧长在什么范围使得停等协议的信道利用率达到议的信道利用率达到50%以上？以上？ 信道利用率信道利用率=数据发送时延数据发送时延/（传播时延（传播时延+发送时延）发送时延）19203.3.2 后退后退N帧帧ARQ协议协议 Go-Back-N 连续发送若干帧，期间接收到了确认帧，连续发送若干帧，期间接收到了确认帧，还可以继续发。减少了等待时间，提高了还可以继续发。减少了等待时间，提高了信道吞吐率。信道吞吐率。 窗口大小窗口大小 W=2n-1213.3.2 后退后退N帧帧ARQ协议协议22DATA13.3.3 选择重发选择重发SRQ协议协议 Sel

12、ective Repeat Protocol 选择性重发出错的帧。选择性重发出错的帧。 窗口大小：窗口大小：W发发=W收收=2k-1233.3.4 滑动窗口协议滑动窗口协议 Sliding Window Protocol 允许连续发送多个帧而无需等待应答。允许连续发送多个帧而无需等待应答。2425W2a+1 【例例3-2】数据传输速率为数据传输速率为50kb/s传输长度为传输长度为1kb的帧。的帧。确认由数据帧捎带。帧序号长度为确认由数据帧捎带。帧序号长度为3,对于以下三种协议，对于以下三种协议，最大信道利用率是多少？单向传播延迟为最大信道利用率是多少？单向传播延迟为270ms。 解：一帧的发

13、送时间解：一帧的发送时间1/50=0.02s，传输延迟，传输延迟0.27s 则停止等待协议：发送数据则停止等待协议：发送数据+传输传输+发送数据（捎带确认）发送数据（捎带确认）+传输传输=0.02+0.27+0.02+0.27=0.58s。发送数据的时间。发送数据的时间0.02*2,利用率利用率=0.04/0.58=6.8% 后退后退N滑动：帧序号长度为滑动：帧序号长度为3b，发送窗口最大值，发送窗口最大值=23-1=7，发送数据，发送数据+传输传输+发送数据（捎带确认）发送数据（捎带确认）+传输传输=0.02+0.27+0.02*6+0.02+0.27=0.7s。发送数据的时间。发送数据的时

14、间0.02*8=0.16s利用率利用率=0.16/0.7=22.86% 选择重发：发送窗口最大值选择重发：发送窗口最大值23-1=4.发送数据发送数据+传输传输+发送数据（捎带发送数据（捎带确认）确认）+传输传输=0.02+0.27+0.02*3+0.02+0.27=0.64s。发送数据的时。发送数据的时间间0.02*5=0.10s利用率利用率=0.10/0.64=15.63%263.4 差错控制技术差错控制技术 根据数据通信系统的模型，当数据从信源发出，经过通根据数据通信系统的模型，当数据从信源发出，经过通信信道传输，信信道传输，由于信道总存在着一定的由于信道总存在着一定的噪声噪声，数据到达

15、，数据到达信宿端后，接收的信号实际上是数据信号和噪声信号的信宿端后，接收的信号实际上是数据信号和噪声信号的叠加。接收端在取样时钟作用下接收数据，并根据阈值叠加。接收端在取样时钟作用下接收数据，并根据阈值电平判断信号电平。电平判断信号电平。如果噪声对信号的影响非常大时，如果噪声对信号的影响非常大时，就会造成数据的传输错误。就会造成数据的传输错误。我们把这种通过通信信道后我们把这种通过通信信道后接收的数据与发送的数据不一致的现象称为接收的数据与发送的数据不一致的现象称为传输差错传输差错。而分析差错产生的原因与差错类型，并加以检查和纠正而分析差错产生的原因与差错类型，并加以检查和纠正的方法称为的方法

16、称为差错控制方法。差错控制方法。27差错控制的基本方式差错控制的基本方式- ARQ- ARQ (1)(1)自动请求重发自动请求重发ARQARQ在接收端则根据编码规则对收到的编码信号进行检查，一旦在接收端则根据编码规则对收到的编码信号进行检查，一旦检测出检测出( (发现发现) )有错码时，即向发信端发出询问的信号，要有错码时，即向发信端发出询问的信号，要求重发。发信端收到询问信号时，立即重发已发生传输差求重发。发信端收到询问信号时，立即重发已发生传输差错的那部分信息，直到正确收到为止。错的那部分信息，直到正确收到为止。28差错控制的基本方式差错控制的基本方式- FEC- FEC (2)(2)前向

17、纠错前向纠错 FECFEC 这种方式是发信端采用某种在解码时能纠正一定程度传这种方式是发信端采用某种在解码时能纠正一定程度传输差错的较复杂的编码方法，使接收端在收到的信息码中输差错的较复杂的编码方法，使接收端在收到的信息码中不仅能发现错码，还能够纠正错码。采用前向纠错方式时不仅能发现错码，还能够纠正错码。采用前向纠错方式时，不需要反馈信道，也无需反复重发而延误传输时间，对，不需要反馈信道，也无需反复重发而延误传输时间，对实时传输有利，但是纠错设备比较复杂。实时传输有利，但是纠错设备比较复杂。293.4 3.4 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； 接

18、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； 接收端能发现出错，但不能确定哪一比特是错的，并且自己不能纠正传输差错。 30/118奇偶校验码奇偶校验码 奇偶校验码是奇偶校验码是奇校验码和偶校验码的统称奇校验码和偶校验码的统称，是一种最基本，是一种最基本的检错码。它是由的检错码。它是由n-1n-1位信息元和位信息元和1 1位校验元组成。位校验元组成。如果是如果是奇校验码奇校验码，在附加上一个校验元以后，码长为，在附加上一个校验元以后，码长为n n的的码字中码字中“1”1”的个数为奇数个的个数为奇数个；如果是；如果是偶校验码偶校验码，在附加上一个，

19、在附加上一个校验元以后，码长为校验元以后，码长为n n的的码字中码字中“1”1”的个数为偶数个的个数为偶数个。 31差错检测编码差错检测编码 奇偶校验码奇偶校验码 水平奇（偶）校验码水平奇（偶）校验码 垂直奇（偶）校验码垂直奇（偶）校验码 水平垂直奇水平垂直奇( (偶偶) )校验码（方阵码）校验码（方阵码）32水平奇水平奇/偶校验码偶校验码 水平奇水平奇/ /偶校验码偶校验码: : 其信息字段以字符为单位，校验字其信息字段以字符为单位，校验字段仅含一个比特称为校验比特或校验位段仅含一个比特称为校验比特或校验位, ,使用七单位的使用七单位的ASCIIASCII码来构造成八单位的检错码时若采用奇码

20、来构造成八单位的检错码时若采用奇/ /偶校验，偶校验，校验位的取值应使整个码字包括校验位中为校验位的取值应使整个码字包括校验位中为1 1的比特个的比特个数为奇数或偶数。数为奇数或偶数。 例：例： 信息字段信息字段 奇校验码奇校验码 偶校验码偶校验码 01100010110001 01100010 01100010 01100011 01100011 编码效率：编码效率： Q/(Q+1)Q/(Q+1) ( (信息字段占信息字段占Q Q个比特个比特) ) 应用：应用： 通常在异步传输方式中采用偶校验，通常在异步传输方式中采用偶校验， 同步传输同步传输方式中采取奇校验方式中采取奇校验l若每个字符只采

21、用一个奇偶校验位时，只能发现单个比特若每个字符只采用一个奇偶校验位时，只能发现单个比特差错，如果有两个或两个以上比特出错，奇偶校验位无效差错，如果有两个或两个以上比特出错，奇偶校验位无效；33循环冗余码循环冗余码CRCCRC是一种较为复杂的校验方法，是一种较为复杂的校验方法，它先将要发送的信它先将要发送的信息数据与一个通信双方共同约定的数据进行除法运算息数据与一个通信双方共同约定的数据进行除法运算，并根据余数得出一个校验码，然后将这个校验码附，并根据余数得出一个校验码，然后将这个校验码附加在信息数据帧之后发送出去。加在信息数据帧之后发送出去。接收端接收数据后，接收端接收数据后，将包括校验码在内

22、的数据帧再与约定的数据进行除法将包括校验码在内的数据帧再与约定的数据进行除法运算，若余数为运算，若余数为“0”，就表示接收的数据正确，若余，就表示接收的数据正确，若余数不为数不为“0”，则表明数据在传输的过程中出错。，则表明数据在传输的过程中出错。34CRC 原始信息原始信息M(x)：k位位 左移左移r位。位。 除以除以r次生成多项式次生成多项式G(x)，得到余式，得到余式R(x)。 余式加上左移余式加上左移r位后的式子。位后的式子。35模模2运算运算 模模2加法这是一种二进制的运加法这是一种二进制的运算，即两个序列中对应位，算，即两个序列中对应位，相加，不进位，相同为相加，不进位，相同为0，

23、不，不同为同为1。等同于异或运算。等同于异或运算。 模模2除法与算术除法类似，但除法与算术除法类似，但每一位除的结果不影响其它每一位除的结果不影响其它位，即不向上一位借位，所位，即不向上一位借位，所以实际上就是异或。以实际上就是异或。36【例例3-5】输入多项式输入多项式M(x)=x6+x5+x3+x+1，信息码字为信息码字为1101011，生成多项式为，生成多项式为G(x)=x4+x2+x+1。试用模。试用模2除法求出传送多除法求出传送多项式项式R(x)及对应的发送代码。及对应的发送代码。解：补解：补0，G(x)最高四次，因此左移，后补最高四次，因此左移，后补4个个0：11010110000

24、模模2除法：得到余数除法：得到余数0100.相加的到：相加的到：11010110100。对应的多项式为。对应的多项式为：x10+x9+x7+x5+x4+x23738393.5 数据链路层协议数据链路层协议 HDLC高级数据链路控制规程：同步网上传高级数据链路控制规程：同步网上传输数据、面向比特的数据链路层协议。输数据、面向比特的数据链路层协议。 链路操作：主节点或者从节点，或者二者链路操作：主节点或者从节点，或者二者兼备。用于控制目的的节点是主节点。主兼备。用于控制目的的节点是主节点。主节点负责组织数据流，对差错实施恢复。节点负责组织数据流，对差错实施恢复。 主节点发出的命令帧，从节点返回的成

25、为主节点发出的命令帧，从节点返回的成为响应帧。响应帧。40 1）正常响应方式）正常响应方式 非平衡数据链路操作方式。用于面向终端的点非平衡数据链路操作方式。用于面向终端的点到点或者一到多的链路。传输从主节点启动，到点或者一到多的链路。传输从主节点启动，从节点收到命令帧后，响应传输信息。主节点从节点收到命令帧后，响应传输信息。主节点管理链路，轮询、选择从节点，控制超时、重管理链路，轮询、选择从节点，控制超时、重发等恢复操作。发等恢复操作。 2）异步响应方式）异步响应方式 从节点启动。从节点主动发送给主节点。从节点启动。从节点主动发送给主节点。 3）异步平衡方式）异步平衡方式 允许任何节点启动传输

26、允许任何节点启动传输41HDLC HDLC 的帧结构的帧结构比特比特888可变可变168信息信息 Info标志标志 F标志标志 F地址地址 A控制控制 C帧检验序列帧检验序列 FCS透明传输区间透明传输区间FCS 检验区间检验区间标志字段标志字段 F (Flag) F (Flag) ：为：为 6 6 个连续个连续 1 1 加上两边各一个加上两边各一个 0 0 共共 8 bit8 bit。固定格式固定格式 01111110 01111110，在接收端只要找到标志字段就可确定一个帧，在接收端只要找到标志字段就可确定一个帧的位置。作用的位置。作用 帧同步、传输数据的透明性（零比特插入与删除）。帧同步

27、、传输数据的透明性（零比特插入与删除）。地址字段：每个从节点和组合节点都有一个唯一地址。全地址字段：每个从节点和组合节点都有一个唯一地址。全1 1位广播地位广播地址。址。控制字段：构成各种命令集响应。表示是信息帧控制字段：构成各种命令集响应。表示是信息帧I I、监控帧、监控帧S S和无编号和无编号帧帧U U的类型的类型信息字段：二进制比特串。大小一般信息字段：二进制比特串。大小一般1000-2000b1000-2000b 帧校验字段：帧校验字段：1616位位CRCCRC42 1）信息帧）信息帧I 有效信息或者数据有效信息或者数据 控制字段中存放有帧序号。控制字段中存放有帧序号。3b二进制编码。

28、二进制编码。 2）监控帧）监控帧S 差错和流量控制差错和流量控制 固定固定6B大小大小 四种编码四种编码 3）无编号帧）无编号帧U 提供链路的建立、拆除以及多种控制提供链路的建立、拆除以及多种控制43HDLC应用特点应用特点 应用场合：点到点或者点到多点。半双工或全双应用场合：点到点或者点到多点。半双工或全双工。同步传输。中高速传输。工。同步传输。中高速传输。 传输效率：连续发送。一次确认多帧。可寻址，传输效率：连续发送。一次确认多帧。可寻址，可以同时选择多个节点建立链路。传输效率较高可以同时选择多个节点建立链路。传输效率较高。 可靠性：可靠性：FCS，I帧顺序标号，可靠性比异步通信帧顺序标号

29、，可靠性比异步通信高。高。 数据透明性：数据透明性：0比特插入法，透明传输。比特插入法，透明传输。 传输格式：统一帧格式。传输格式：统一帧格式。 链路控制：各种控制字链路控制：各种控制字443.5.2 PPP 3.5.2 PPP 协议协议 1992 1992 年制订了年制订了 PPP PPP 协议。经过协议。经过 1993 1993 年和年和 1994 1994 年的年的修订，现在的修订，现在的 PPP PPP 协议已成为因特网的正式标准协议已成为因特网的正式标准RFC RFC 16611661。 PPPPPP协议有三个组成部分协议有三个组成部分 一个将一个将 IP IP 数据报封装到串行链路

30、的方法。数据报封装到串行链路的方法。 链路控制协议链路控制协议 LCP (Link Control Protocol)LCP (Link Control Protocol)。 网络控制协议网络控制协议 NCP (Network Control Protocol)NCP (Network Control Protocol)。 45/118PPP帧格式帧格式46PPP PPP 协议的帧格式协议的帧格式 PPP PPP 的帧格式和的帧格式和 HDLC HDLC 的相似。的相似。 标志字段标志字段 F F 仍为仍为 0 x7E 0 x7E （符号（符号“0 x”0 x”表示后面的字符表示后面的字符是用

31、十六进制表示。十六进制的是用十六进制表示。十六进制的 7E 7E 的二进制表示是的二进制表示是 0111111001111110）。）。 PPP PPP 是面向字节的，所有的是面向字节的，所有的 PPPPPP 帧的长度都是整数字帧的长度都是整数字节。节。 47/118PPP链路工作过程链路工作过程483.6 数据链路层设备数据链路层设备 网桥：网桥： 桥接器，工作在数据链路层，是连接桥接器，工作在数据链路层，是连接2个局域个局域网的存储转发设备。可以将一个较大的局域网网的存储转发设备。可以将一个较大的局域网分割成多个网络。或者是将两个以上的局域网分割成多个网络。或者是将两个以上的局域网互联成一

32、个逻辑上的局域网。互联成一个逻辑上的局域网。 从一个局域网接受从一个局域网接受MAC帧，拆封、校对、校验帧，拆封、校对、校验，再按照目标局域网的格式封装。，再按照目标局域网的格式封装。 具有缓存能力。具有缓存能力。49 网桥的功能：网桥的功能： 帧的过滤和转发帧的过滤和转发 缓冲管理缓冲管理 协议转换协议转换 差错控制差错控制 分层路径选择分层路径选择 特点：特点： 实现不同类型局域网互联实现不同类型局域网互联 大范围互联大范围互联 隔离错误帧隔离错误帧 限制冲突域限制冲突域 隔离故障隔离故障50 网桥缺点：网桥缺点： 接收再处理，增加延迟接收再处理，增加延迟 不能过滤广播帧不能过滤广播帧 无流量控制无流量控制 内外网络合二为一内外网络合二为一 网桥分类：网桥分类： 连接范围分本地连接范围分本地/远程网桥远程网桥 运行在服务器上还是单独外设分内部运行在服务器上还是单独外设分内部/外部网桥外部网桥 根据路径选择方法分透明根据路径选择方法分透明/源路由选择网桥源路由选择网桥513.6.2 以太网交换机以太网交换机 和网桥类似，工作在第二层。和网桥类似，工作在第二层。 根据帧中的源根据帧中的源MAC地址来构造转发表，根地址来构造转发表，根据目标帧据目标帧MAC地址执行过滤转发。延迟小地址执行过滤转发。延迟小，端口密度高。，端口密度高。 功能功能 连接不同网络类型，每隔端口可以连接