点到点信道的数据链路层课件

1、Chapter 4 Data Link Layer(1): Point-to-Point ChannelDigital Communication and Networking7/29/20221哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系第1页，共63页。数据链路层使用的信道主要有以下两种类型：点对点信道。这种信道使用一对一的点对点通信方式。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 数据链路层的信道7/29/20222哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系第2页，共63页。数据链路层的基本概念Note:7/

2、29/20223哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系第3页，共63页。链路(link):是一条点到点的物理线路段。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。网络适配器（即网卡）包含了数据链路层、物理层的硬件和软件功能.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。结点结点帧帧基本概念7/29/20224哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系第4页，共63页。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

3、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简单模型7/29/20225哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系第5页，共63页。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数据链路层的简单模型7/29/20226哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系第6页，共63页。IP 数据报1010 0110帧取出数

4、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7/29/20227哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系第7页，共63页。数据链路层的传输功能Hop-to-hop delivery7/29/20228哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系第8页，共63页。数据链路层的传输功能The data link layer is responsible for moving frames from one hop (node) to the next.Note7/29/20229哈尔滨工业大学(威海) 通信工

5、程系第9页，共63页。网络层的传输功能Source-to-destination delivery7/29/202210哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系第10页，共63页。网络层的传输功能The network layer is responsible for the delivery of individual packets from the source host to the destination host.Note7/29/202211哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系第11页，共63页。三个基本问题Note:7/29/202212哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系第12页，共6

6、3页。(1) 链路管理 (2) 帧定界 (3) 流量控制(4) 差错控制 (5) 将数据和控制信息区分开 (6) 透明传输 (7) 寻址 数据链路层主要功能7/29/202213哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系第13页，共63页。帧定界(framing)就是确定帧的界限。 帧结束帧首部IP 数据报帧的数据部分帧尾部 MTU数据链路层的帧长从这里开始发送帧开始问题之一：帧定界7/29/202214哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系第14页，共63页。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EOT7/29/202215哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系第

7、15页，共63页。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完整的帧发送在前问题之二：透明传输7/29/202216哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系第16页，共63页。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)。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。如果转义字符ESC也出现数据当中，那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

8、前面的一个。 解决透明传输问题的方法7/29/202217哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系第17页，共63页。SOHSOHESCSOHEOTESCESCzESCyESCzESCx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字节填充法7/29/202218哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系第18页，共63页。比特在传输过程中可能会产生差错：1 可能会变成 0 而 0 也可能变成 1。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 BER (Bit Error Rate)。误码率与信噪比有很大的关系。为了保证数据传输的可靠性，

9、在计算机网络传输数据时，必须采用各种差错检测措施。 问题之三：差错检测7/29/202219哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系第19页，共63页。单比特错误和突发错误7/29/202220哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系第20页，共63页。单比特错误和突发错误In a single-bit error, only one bit in the data unit has changed.A burst error means that 2 or more bits in the data unit have changed.Note7/29/202221哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系第2

10、1页，共63页。Error detection uses the concept of redundancy, which means adding extra bits for detecting errors at the destination.7/29/202222哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系第22页，共63页。差错检测的方法奇偶校验循环冗余校验校验和7/29/202223哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系第23页，共63页。奇偶校验法7/29/202224哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系第24页，共63页。In parity check, a parity bit is ad

11、ded to every data unit so that the total number of 1s is even (or odd for odd-parity).Note7/29/202225哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系第25页，共63页。Example 1Suppose the sender wants to send the word world. In ASCII the five characters are coded as 1110111 1101111 1110010 1101100 1100100The following shows the actual bi

12、ts sent 11101110 11011110 11100100 11011000 110010017/29/202226哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系第26页，共63页。Example 2Now suppose the word world in Example 1 is received by the receiver without being corrupted in transmission. 11101110 11011110 11100100 11011000 11001001The receiver counts the 1s in each character and

13、 comes up with even numbers (6, 6, 4, 4, 4). The data are accepted. 7/29/202227哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系第27页，共63页。Example 3Now suppose the word world in Example 1 is corrupted during transmission. 11111110 11011110 11101100 11011000 11001001The receiver counts the 1s in each character and comes up with even

14、 and odd numbers (7, 6, 5, 4, 4). The receiver knows that the data are corrupted, discards them, and asks for retransmission.7/29/202228哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系第28页，共63页。Simple parity check can detect all single-bit errors. It can detect burst errors only if the total number of errors in each data unit is

15、odd.Note7/29/202229哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系第29页，共63页。CRC generator and checker循环冗余校验法7/29/202230哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系第30页，共63页。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。在发送端，先把数据划分为组。假定每组 k 位。 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。 CRC原理7/29/202231哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系第31页，共63页。用二进制的模 2 运算进行 2n 乘

16、M 的运算，这相当于在 M 后面添加 n 个 0。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（n 位）。 冗余码的计算方法7/29/202232哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系第32页，共63页。Binary division in a CRC generator7/29/202233哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系第33页，共63页。CRC generator and checker7/29/202234哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系第34页，共63页。Binary division

17、in CRC checker7/29/202235哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系第35页，共63页。利用生成多项式来表示除数7/29/202236哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系第36页，共63页。Table： Standard polynomialsNamePolynomialApplicationCRC-8x8 + x2 + x + 1ATM headerCRC-10 x10 + x9 + x5 + x4 + x 2 + 1ATM AALITU-16x16 + x12 + x5 + 1HDLCITU-32x32 + x26 + x23 + x22 + x16 + x12 + x11

18、+ x10 + x8 + x7 + x5 + x4 + x2 + x + 1LANs7/29/202237哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系第37页，共63页。校验和（Checksum）法7/29/202238哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系第38页，共63页。The sender follows these steps:The unit is divided into k sections, each of n bits.All sections are added using ones complement to get the sum.The sum is complemented a

19、nd becomes the checksum.The checksum is sent with the data.Note7/29/202239哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系第39页，共63页。The receiver follows these steps:The unit is divided into k sections, each of n bits.All sections are added using ones complement to get the sum.The sum is complemented.If the result is zero, the dat

20、a are accepted: otherwise, rejected.Note7/29/202240哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系第40页，共63页。Example 4Suppose the following block of 16 bits is to be sent using a checksum of 8 bits. 10101001 00111001 The numbers are added using ones complement 10101001 00111001 -Sum 11100010Checksum 00011101The pattern sent is 10

21、101001 00111001 000111017/29/202241哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系第41页，共63页。Example 5Now suppose the receiver receives the pattern sent in Example 7 and there is no error. 10101001 00111001 00011101When the receiver adds the three sections, it will get all 1s, which, after complementing, is all 0s and shows that

22、there is no error. 1010100100111001 00011101 Sum11111111 Complement 00000000 means that the pattern is OK.7/29/202242哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系第42页，共63页。Example 6Now suppose there is a burst error of length 5 that affects 4 bits. 10101111 11111001 00011101When the receiver adds the three sections, it gets 10

23、10111111111001 00011101 Partial Sum 1 11000101Carry 1Sum11000110 Complement 00111001 the pattern is corrupted.7/29/202243哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系第43页，共63页。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 和帧检验序列 FCS并不等同。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。 帧校

24、验序列FCS7/29/202244哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系第44页，共63页。PPP协议Note:7/29/202245哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系第45页，共63页。现在全世界使用得最多的数据链路层协议是点对点协议 PPP (Point-to-Point Protocol)。用户使用ISP接入因特网时，从用户计算机到ISP的链路上使用 PPP 协议。 点到点协议PPP7/29/202246哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系第46页，共63页。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 协议用户到ISP的链路使用PPP7/29/202247哈尔滨工业

25、大学(威海) 通信工程系第47页，共63页。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 机用户到ISP的链路使用PPP7/29/202248哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系第48页，共63页。简单封装成帧 透明性 多种网络层协议 多种类型链路 差错检测 检测活跃度（即检测连接状态） 最大传送单元 网络层地址协商 数据压缩协商 PPP协议应满足的需求7/29/202249哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系第49页，共63页。纠错 流量控制 序号 多点线路 半双工或单工链路

26、 PPP协议不需要的功能7/29/202250哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系第50页，共63页。PPP 协议之所以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 PPP 协议较为合理。在因特网环境下，PPP 的信息字段放入的数据是 IP 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是可靠的。帧检验序列 FCS 字段可保证无差错接受。 原因分析7/29/202251哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系第51页，共63页。1992 年制订了 PPP 协议。经过 1993 年和 1994 年的修订，现在的 PPP 协议已成为因特网的正式标准RFC

27、1661。 PPP 协议有三个组成部分 一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法。链路控制协议 LCP (Link Control Protocol)。网络控制协议 NCP (Network Control Protocol)。 PPP协议组成7/29/202252哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系第52页，共63页。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。 IP 数据报1211字节12不超过 1500 字节PPP 帧先

28、发送7EFF03FACFCSF7E协议信 息 部 分首部尾部PPP协议的帧格式7/29/202253哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系第53页，共63页。标志字段 F = 0 x7E （符号“0 x”表示后面的字符是用十六进制表示。十六进制的 7E 的二进制表示是 01111110）。地址字段 A 只置为 0 xFF。地址字段实际上并不起作用。控制字段 C 通常置为 0 x03。PPP 是面向字节的，所有的 PPP 帧的长度都是整数字节。 7/29/202254哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系第54页，共63页。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（和 HDLC 的

29、做法一样）。 当 PPP 用在异步传输时，就使用一种特殊的字节填充法。 如何解决透明传输问题7/29/202255哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系第55页，共63页。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)。 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)。若信息字段中出现 ASCII 码的控制字符（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。 异步传输字节填充7/29/202256哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系第56页，

30、共63页。PPP 协议用在 SONET/SDH 链路时，是使用同步传输（一连串的比特连续传送）。这时 PPP 协议采用零比特填充方法来实现透明传输。在发送端，只要发现有 5 个连续 1，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 5 个连续1时，就把这 5 个连续 1 后的一个 0 删除。 同步传输零比特填充7/29/202257哈尔滨工业大学(威海) 通信工程系第57页，共63页。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