计算机网络第五章数据链路层和局域网

计算机网络第

5

章

数据链路层和局域网1第5章

数据链路层和局域网5.1概述和服务5.2差错检测和纠错技术5.3点对点协议PPP5.4以太网5.5组网设备

235.1概述和服务节点(node)：主机和路由器链路(link)：连接相邻节点的通信信道。链路层传输数据报的过程：

沿端到端路径上的每段独立的链路传输。发送节点先将数据报封装成链路层帧，发送到链路上；接收节点接收该帧，并提取出数据报。节点链路5.1.1链路层提供的服务5.1.2适配器通信45.1.1链路层提供的服务链路层功能：将分组通过一个链路，从一个节点传输到邻近的另一个节点。链路层协议：用来在单段链路上传输分组。

定义:在链路两端的节点之间交互的分组格式，以及当发送和接收分组时节点采取的动作。交换的数据单元称为帧(frame)，封装了一个网络层的数据报。所采取的动作：包括差错检测、重传、流量控制和随机访问。5网络层与链路层关系网络层：

提供两台主机之间的通信服务。

通信路径由源主机和目的主机之间的一系列通信链路和路由器组成。链路网络层与链路层关系(续)链路层：分组如何通过各段链路网络层的数据报如何被封装成链路层的帧；链路层协议是否能够提供路由器之间的可靠数据传输；通信路径上不同的链路是否采用不同的链路层协议。6链路7网络层与链路层关系(续)网络层：将运输层报文段从源主机传送到目的主机。能够在各段链路层提供异构服务的情况下，完成端到端的工作。链路层：将网络层数据报从一个节点传送到下一个节点（单段链路）。

不同的链路采用不同的链路层协议，提供的服务不同。8类比例旅行社组织游客从A地到B地。经过3段旅程，如图。游客：数据报；运输区段：通信链路；运输方式：链路层协议，如汽车、飞机和火车。旅行社：选路协议。汽车飞机火车AB链路层提供的服务成帧链路访问可靠交付流量控制差错检测差错纠正910链路层提供的服务将数据报通过一条通信链路从一个节点“移动”到相邻的节点。

成帧：把网络层数据报封装成链路层帧，再传送到链路上。首部包括若干字段：如编号、物理地址等。不同的链路层协议，帧格式可能不同。首部数据报11链路访问：由媒体访问控制MAC协议定义帧在链路上传输的规则。点对点链路：一个发送方和一个接收方，MAC协议比较简单，即任何时候只要链路空闲，发送方都能够发送帧。广播链路：多个节点共享一个链路（多路访问），使用MAC协议协调多个节点的帧传输。链路层提供的服务12链路层提供的服务可靠交付：保证网络层的数据报无差错地通过链路层。与运输层类似，可通过确认和重传获得。高差错率的链路：如无线链路，在本地(发生差错的链路)纠正差错，不通过运输层或应用层协议进行端到端的数据重传；低差错率的链路：如光纤、同轴电缆、双绞线链路,不需提供可靠的传输服务。13流量控制：防止发送节点的发送速率过高，避免接收节点来不及处理。链路节点的帧缓存容量有限。

当帧到达接收节点的速率大于其处理速率，接收方缓冲区产生溢出，帧会丢失。

链路层提供的服务14链路层提供的服务差错检测：帧在传输时有可能出现比特差错（10、01）。差错检测用来检测是否存在一个或多个差错。

发送节点：在帧中设置差错检测比特；

接收节点：对收到的帧进行差错检测。通过硬件实现。差错纠正：与差错检测类似。接收方不仅能检测帧中是否出现差错，还能判断差错的位置，并进行纠正。15链路层提供的服务半双工和全双工：全双工传输：链路两端的节点可以同时传输分组。半双工传输：链路两端的节点不能同时传输和接收，只能交替。16链路层服务和运输层服务比较运输层协议：在端到端的基础上为两个进程之间提供可靠传输；流量控制是在端到端的基础上提供。链路层协议：在一条链路相连的两个节点之间提供可靠传输。流量控制是在相邻节点之间的基础上提供。链路层服务和运输层服务比较（续）其他：1、链路层的流量是根据分配的带宽由路由器、交换机等网络设备控制的；2、传输层的流量控制是用户终端为了保证传输质量而由电脑操作系统（OS）控制的；3、传输层流量受链路层流量影响。17185.1.2适配器通信适配器(adapter)：网络接口卡（NIC，networkinterfacecard）。是一个电路板（或PCMCIA板），包括RAM、DSP芯片、主机总线接口和链路接口。实现物理层及链路层的主要功能。发送节点帧接收节点数据报帧适配器适配器链路层协议19特点是一个半自治的单元。适配器接收帧，并判断是否有差错出错：直接丢弃该帧正确：向上传递网络层数据报适配器发送帧：节点把网络层数据报向下传给适配器，由适配器负责在链路上传输数据报。硬件上：适配器和节点的其他部分在同一个物理盒子中，共享电源和总线，在节点的控制之下。20适配器组成网卡速率：10Mbps、100Mbps、10/100M自适应。215.2差错检测和纠错技术

比特级差错检测和纠错对一个节点发送到一个相邻节点的帧，检测是否出现比特差错，并纠正。相关技术很多。网络层数据链路层，帧22说明：差错检测和纠正技术不能保证接收方检测到所有的比特差错，即可能出现未检测到的比特差错，而接收方并未发现。选择一个合适的差错检测方案使未检测到的情况发生的概率很小。差错检测和纠错技术越好，越复杂，开销更大。23三种主要差错检测技术奇偶校验：最基本的方法。检查和方法：常用于运输层。循环冗余检测：常用于链路层。5.2.1奇偶校验

5.2.2检查和方法

5.2.3循环冗余检测24

1、一比特奇偶校验

发送方：在要发送的信息D（d位）后面附加一个奇偶校验位使“1”的个数是奇数（奇校验）或偶数（偶校验）

一起传输发送（d+1位）。01110001101010111d位数据校验位偶校验25

接收方：检测收到的信息（d+1位）中“1”的个数。

偶校验：发现奇数个“1”，至少有一个比特发生差错（奇数个比特差错）。

奇校验：发现偶数个“1”，至少有一个比特发生差错。01110001101010111d位数据校验位偶校验26特点可以查出任意奇数个错误，但不能发现偶数个错误。若比特差错概率很小，差错独立发生，一比特奇偶校验可满足要求。若差错集中一起“突发”（突发差错），一帧中未检测到的差错的概率达到50%。272、二维奇偶校验基本思想：将要传信息D（d比特）划分为i行j列（i个组，每组j位）；对每行和每列分别计算奇偶值；结果的i+j+1个奇偶比特构成了帧的差错检测比特。

i行j列28例特点：可以检测并纠正单个比特差错（数据或校验位中）。

能够检测分组中任意两个比特的差错。行、列确定要发送的数据比特101011111001110，划分3组，每组5个比特。进行行、列偶校验29前向差错纠正FEC接收方可以检测并纠正差错。可与ARQ技术一起应用，接收方立即纠正差错，减少发送方重发的次数。降低分组传输的往返传播时延，适用于实时网络应用。305.2.2检查和方法把要发送的d位数据看成是一个k位整数的序列，将这些k位整数加起来，得到的和作为差错检测比特。

TCP和UDP协议:对所有字段(包括首部和数据字段)都计算因特网检查和。

有些协议:对首部计算一个检查和，对整个分组计算另一个检查和。31检查和发送方：将数据的每两个字节当作一个16位的整数，可分成若干整数；将所有16位的整数求和；对得到的和逐位取反，作为检查和，放在报文段首部，一起发送。

接收方：

对接收到的信息(包括检查和)按与发送方相同的方法求和。全“1”：收到的数据无差错；其中有“0”：收到的数据出现差错。32检查和特点：分组开销小：检查和位数比较少；差错检测能力弱：适用于运输层（差错检测用软件实现，检查和方法简单、快速）。链路层的差错检测由适配器中专用的硬件实现，采用更强的CRC方法。5.2.3循环冗余检验的原理

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个比特。

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。

33冗余码的计算

用二进制的模

2

运算进行2n乘

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，即

R是

n

位。

34冗余码的计算举例

现在k=6,M=101001。设n=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。

35

110101

←

Q

(商)P(除数)→

1101101001000

←

2nM(被除数)

1101

1110

1101

0111

0000

1110

1101

0110

0000

1100

1101

001←R(余数)，作为FCS

循环冗余检验的原理说明

36帧检验序列FCS在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列FCS(FrameCheckSequence)。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。37发送方发送的序列为：101001001接收方收到后把101001001除以110138接收端对收到的每一帧进行CRC检验

(1)若得出的余数

R=0，则判定这个帧没有差错，就接受(accept)。(2)若余数

R

≠0，则判定这个帧有差错，就丢弃。但这种检测方法并不能确定究竟是哪一个或哪几个比特出现了差错。只要经过严格的挑选，并使用位数足够多的除数

P，那么出现检测不到的差错的概率就很小很小。

39应当注意

仅用循环冗余检验CRC差错检测技术只能做到无差错接受(accept)。“无差错接受”是指：“凡是接受的帧（即不包括丢弃的帧），我们都能以非常接近于

1

的概率认为这些帧在传输过程中没有产生差错”。也就是说：“凡是接收端数据链路层接受的帧都没有传输差错”（有差错的帧就丢弃而不接受）。要做到“可靠传输”（即发送什么就收到什么）就必须再加上确认和重传机制。

40Review~415.3

PPP协议5.3.1

PPP协议的特点5.3.2PPP协议的基本要求5.3.3PPP数据成帧425.3PPP协议（点对点协议）

5.3.1PPP协议的特点在通信线路质量较差年代，在数据链路层使用可靠传输协议是一个好方法。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-PointProtocol)。用户使用拨号电话线接入因特网时，一般都是使用PPP协议。

43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445.3.2PPP协议的基本要求IETF要求PPP协议实际情况45

IETF对PPP所提出的初始要求

简单性分组成帧透明性多种网络层协议多种类型链路差错链路连接的活性网络层地址协商46（1）简单性：IETF设计，简单优先最复杂：TCPIP简单数据链路层（不需要纠错，不需要序号，也不需要流量控制）原则：接收方收到一帧，就进行CRC检验。如果CRC检验正确就收下，反之丢弃该帧，其他什么也不做。47（2）分组成帧PPP协议链路层的发送方必须能够携带网络层的分组，并将它封装在PPP链路层帧中，以便接收方能够确认链路层帧的起始和结束位置和该帧中网络层分组（3）透明性PPP协议不能对出现在网络层分组中的数据（首部或者数据）做任何限制。48（4）多种网络层协议PPP协议必须能够在同一条物理链路上同时支持多种网络层协议。当点对点协议所连接的是局域网或路由器时，PPP协议必须同时支持在链路所连接的局域网或路由器上运行的各种网络层协议49（5）多种类型链路除了要支持多种网络层的协议，PPP还必须能够在多种类型的链路上运行。如：串行、并行、同步、异步、低速、高速等网络（6）差错检测PPP协议必须能够对接收端收到的帧进行检测，并立即丢弃有差错的帧。若在数据链路层不进行差错检测，会浪费网络资源50（7）连接的活性PPP协议必须具有一种机制能够及时自动检测出链路是否处于正常工作状态。（8）网络层地址协商PPP必须为通信的网络层（例如IP）提供一个机制，来获悉或者配置相互的网络地址。51实际情况：不要求PPP协议实现的功能差错纠正流量控制有序多点链路52差错纠正要求PPP能够检测比特差错，但不要求纠正它们。流量控制期望一个PPP接收方能够以支撑的物理层的全部速率来接收帧。如果某较高层不能够以这种全速接收分组，那么就该由高层负责丢弃分组或者遏制位于较高层的发送方。总结：不是由PPP发送方遏制自己的传输速度，而是由较高层协议负责控制分组交付给PPP的发送速率53有序PPP不要求向链路接收方交付帧的顺序与链路发送方发送帧的顺序相同。这个和IP服务模型类似多点链路PPP只需要工作于具有单个发送方和单个接收方的链路之上。545.3.3PPP数据成帧标志字段地址字段控制字段协议信息检验和字节填充55PPP数据成帧标志字段：每个PPP帧都是用值01111110的1字节的标志字段作为开始和结束地址字段每个字段唯一可能的值是11111111控制字段这个字段的唯一可能的值是00000011.56协议该字段告诉PPP接收方所接收的封装数据（即PPP帧信息字段的内容）所属的上层协议。一收到PPP帧，PPP接收方就检测该帧的正确性，然后将封装的数据传递给适当的协议。57信息这个字段包含上层的协议（如：IP）在PPP链路上发送的被封装分组（数据）。该信息字段的最大默认长度是1500字节。58检验和检验和字段用于检测已知帧中的比特差错。它使用2或4字节的HDLC标准的循环冗余码。59字节填充思考：如果标志字段01111110出现在信息字段出现在信息字段中怎么办？解决一：让PPP禁止上层协议发送包含标志字段比特模式的数据解决二：定义一个特殊的控制转义字节01111101。如果控制转义字节自身作为实际数据出现怎么办？60模拟实验615.4以太网5.4.1以太网编址5.4.2ARP协议5.4.3以太网帧格式5.4.4使用广播信道的数据链路层5.4.5广播协议存在的问题5.5以太网设备625.4.1以太网（链路层）编址每个节点有网络层地址和链路层地址。网络层地址：节点在互连网络中分配的一个唯一地址（IP地址）。用于把分组送到目的IP网络。长度为32比特（IPv4）。包括两部分：网络号：指明主机所在物理网络的编号。主机号：主机在物理网络中的编号。链路层地址：MAC地址。用于把数据帧从一个节点传送到另一个节点(同一网络中)。63MAC地址MAC地址（LAN地址、物理地址）：是节点“网卡”本身所带的地址（唯一）。MAC地址长度通常为6字节，共2^48个LAN地址。6字节地址用16进制表示，每个字节表示为一对16进制数常见的形式：如(1A-23-F9-CD-06-9B)“网卡”的MAC地址是永久的（生产时固化在其ROM里）。64651A-2F-BB-76-09-AD58-23-D7-FA-20-B00C-C4-11-6F-E3-9871-65-F7-2B-08-53

LAN(有线的或无线的)适配器（网卡）问题：如何查看网卡的MAC地址信息MAC地址分配由专门机构IEEE管理物理地址空间。负责分配六个字节中的前三个字节（高24位，地址块）。

MAC地址是平面结构：带有同一网卡的节点，在任何网络中都有同样的MAC地址。

IP地址具有层次结构：当节点移动到不同网络时，节点的IP地址发生改变。12345666字节向IEEE购买厂家自行分配MAC地址识别广播信道LAN中，一个节点发送的帧，在信道上广播传输，其他节点都可能收到该帧。大多数情况，一个节点只向某个特定的节点发送。由“网卡”负责MAC地址的封装和识别。发送适配器：将目的MAC地址封装到帧中，并发送。所有其他适配器都会收到这个帧。

接收适配器：检查帧的目的MAC地址是否与自己MAC地址相匹配：

匹配：接收该帧，取出数据报，并传递给上层。需要中断“父节点”。

不匹配：丢弃该帧。67特殊帧广播帧：发送给所有节点的帧。

MAC广播地址：全1地址。如以太网和令牌传递LAN，其广播地址是48个连续的1组成的字符串，即：FF-FF-FF-FF-FF-FF68695.4.2ARP协议

节点的3种不同地址表示应用层的主机名、网络层的IP地址和链路层的MAC地址实际在链路上传输时，根据MAC地址，确定相应的节点1A-2F-BB-76-09-AD58-23-D7-FA-20-B00C-C4-11-6F-E3-98

LAN237.196.7.23237.196.7.78237.196.7.14237.196.7.8871-65-F7-2B-08-53705.4.2地址之间的转换通信时，需要进行地址转换：

主机名

IP地址

MAC地址DNS域名系统：将主机名解析到IP地址。DNS为在因特网中任何地方的主机解析主机名。ARP地址解析协议：将IP地址解析到MAC地址。ARP协议（addressresolutionprotocol）地址转换协议ARP只为在同一个LAN上的节点解析IP地址。

ARP协议原理同一个子网内地址转换跨网地址解析如何实现715.4.3以太网帧格式数据字段：(46-1500字节)目的地址：（6字节）源地址：（6字节）类型字段:(2字节)循环冗余检测：（4字节）前同步码（前序）（8字节）72数据字段：(46-1500字节)如果IP数据超过1500字节，怎么办？则主机必须将该数据报分段。如果数据最小长度小于46字节，怎么办？数据报被填充到46字节。然后传递给网络层的数据包包括IP数据报和填充部分73目的地址：（6字节）源地址：（6字节）类型字段:(2字节)该类型字段允许以太网复用多种网络层协议。循环冗余检测：（4字节）74前同步码（前序）（8字节）：以太网帧以一个8字节的前同步码字段开始。该前同步码的前7个字节的值都是10101010，最后一个字节是10101011.前同步码的前7个字段用于“唤醒”接收适配器。并且将它们的时钟和发送方的时钟同步75思考和讨论局域网的发展、局域网的好处如果让你去设计局域网，你需要考虑哪些因素765.4.4使用广播信道的数据链路层

局域网最主要的特点是：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。

局域网具有如下的一些主要优点：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、可用性和生存性。77局域网的拓扑

匹配电阻集线器干线耦合器总线网星形网环形网78

以太网的两个标准

DIXEthernetV2是世界上第一个局域网产品（以太网）的规约。IEEE的802.3标准。DIXEthernetV2标准与IEEE的802.3标准只有很小的差别，因此可以将802.3局域网简称为“以太网”。严格说来，“以太网”应当是指符合DIXEthernetV2标准的局域网

79最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。CSMA/CD协议

B向

D发送数据CDAE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80以太网的广播方式发送

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。

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。

其他所有的计算机（A,C和E）都检测到不是发送给它们的数据帧，因此就丢弃这个数据帧而不能够收下来。具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。

81为了通信的简便

以太网采取了两种重要的措施

采用较为灵活的无连接的工作方式，即不必先建立连接就可以直接发送数据。

以太网对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。这样做的理由是局域网信道的质量很好，因信道质量产生差错的概率是很小的。

82以太网提供的服务

以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，其他什么也不做。差错的纠正由高层来决定。如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但以太网并不知道这是一个重传的帧，而是当作一个新的数据帧来发送。

83载波监听多点接入/碰撞检测CSMA/CDCSMA/CD表示CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection。“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它计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。

84CSMA/CD总体描述CSMA/CD媒体访问控制方法的工作原理，可以概括如下：先听后说，边听边说；一旦冲突，立即停说；等待时机，然后再说；注：“听”，即监听、检测之意；“说”，即发送数据之意。85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”。86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。87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。

88重要特性使用CSMA/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。

89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2τ（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2τ

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。

90二进制指数类型退避算法

(truncatedbinaryexponentialtype)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。基本退避时间取为争用期2τ。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。

91争用期的长度

以太网取51.2μs为争用期的长度。对于10Mb/s以太网，在争用期内可发送512bit，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。

92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。

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。

93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(jammingsignal)，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。

945.4.5广播协议存在的问题主机A向主机B通信,它首先广播一个ARP请求,以获取主机B的MAC地址。此时主机A上连的二层交换机收到ARP广播后,会将它转发给除接收端口外的其他所有端口,也就是Flooding泛洪。95在交换机构成的网络中,所有设备都会转发广播帧,因此任何一个广播帧或多播帧都将被广播到整个局域网中的每一台主机。其他的收到这个广播帧的交换机(包括三层交换机)也会作同样的处理,最终ARP请求会被转发到同一网络中的所有主机上。如果此时网络中的其他主机也要和别的主机进行通信,必然产生大量的广播。96补充知识点冲突域广播域97存在问题存在问题：在网络通信中,广播信息是普遍存在的,这些广播帧将占用大量的网络带宽,导致网络速度和通信效率的下降,并额外增加了网络主机为处理广播信息所产生的负荷。解决思路：路由器能实现对广播域的分割和隔离。但路由器所带的以太网接口数量很少,一般为