第6章数据链路层

计算机网络-第6章数据链路层目录数据链路层功能和服务链路和数据链路成帧物理地址和地址映射流量控制差错控制数据链路层协议：HDLC，PPP数据链路层功能和服务数据链路层为网络层提供这样的服务，在相邻节点间传递IP数据报链路和数据链路链路指的是一条无源的点对点的物理路线，中间没有任何结点，链路也称数据电路、物理链路物理链路和它上面运行的链路层协议一起组成了数据链路两大类链路点对点的链路共享链路链路层的主要功能成帧差错控制流量控制链路管理MAC寻址区分数据与控制信息成帧数据链路层要在网络层数据前面添加首部和尾部，封装成帧帧是数据链路层的传输单位帧同步数据链路层使用帧同步技术来区分每一帧的开始和结束字节计数法含字节填充的分界符法含位填充的分界标志法物理层编码违例法字节计数法含字节填充的分界符法需要使用转义字符ESC含位填充的分界标志法零比特填充法物理层编码违例法将数据比特“1”编码成“高－低”电平对，将数据比特“0”编码成“低－高”电平对。“高－高”电平对和“低－低”电平对在数据比特中是违法的，可以借用这些违法编码序列来界定帧的起始与终止。物理地址数据链路层上的地址称为物理地址或硬件地址。物理地址通常是固化在网络接口（网卡）内的ROM内，是不可更改的，一个物理地址可以确定网络中一个站点。在生成数据帧时，帧的首部通常会写入地址信息，用以保证数据帧被正确的站点接收物理地址和IP地址IP地址在网络层，IP的首部要写入IP地址。物理地址在数据链路层，帧的首部要写入物理地址IP地址是逻辑地址，可以人为指定。但物理地址是固化在网络接口的，物理地址和IP地址IP数据报在经过多个站点的转发过程中，IP首部的源IP和目的IP不会发生变化；而帧首部中的源物理地址和目的物理地址在每段链路上都会发生变化地址映射和ARP对于数据链路层，当收到IP数据报和下一站的IP地址后，需要将IP数据报封装成帧，在帧的首部应该写入下一站的物理地址。如何能够从下一站的IP地址获得下一站的物理地址？这就是地址映射问题。地址解析协议（AddressResolutionProtocol,ARP）来完成从IP地址到物理地址的映射ARP的工作原理ARP报文格式ARP缓存避免每次都广播ARP请求，ARP协议设置了ARP缓存。每次收到ARP应答，都将IP地址和物理地址的映射关系缓存起来。每次要发送数据时，首先查找ARP缓存，看其中是否有目的IP所对应的物理地址，如果有，直接取出来即可；如果没有，再广播ARP请求流量控制链路层需要限制发送方发送数据帧的速度，以免造成接收方缓冲溢出两种方法停止等待滑动窗口停等基本原理实用的停等协议滑动窗口数据链路层常用的是滑动窗口协议来控制数据帧的连续发送。滑动窗口协议在发送方保持一个连续的序号表，表示允许发送的数据帧的序号，称为发送窗口在接收方也保持一个连续的序号表，对应于允许接收的帧的序号，称为接收窗口。发送窗口接收窗口窗口的最大值发送窗口如果帧中编号所占的比特位数为n,那么发送窗口WT

<=2n-1接收窗口WR<=WT

。当帧中编号所占的比特位数为n时，接收窗口WR<=2n-1

差错控制差错控制包括两个方面，检测差错对差错进行处理检测差错帧损坏：帧传输过程中，可能会受到干扰，造成接收到数据帧同发送时的数据帧不一样，这种情况称为帧损坏。使用CRC冗余校验检测帧损坏帧丢失：在传输中一个帧被噪声破坏，造成接收方不将其视为一个帧，就发生了帧丢失。使用帧编号、确认帧和定时器检测帧丢失CRC校验举例通信前双方要首先商定一个二进制串P，例如11101。设要发送的信息M＝110将M左移4位（比P的位数少1），得到1100000，然后用P去模2除1100000，得到余数R＝1001CRC校验举例发送方要将R添加到M后面发送过去，即发送的实际数据为1101001。如果发送过程中没有错误，接收方用P对收到的1101001进行模2除，结果应该是0。如果得到的结果不是0，就表明数据传输错误。CRC校验使用位数足够的P，能够使检测不到的差错的概率非常小。目前CRC校验中常用的生成多项式有CRC-16，CRC-CCITT和CRC-32。CRC校验值通常作为帧的尾部添加在数据后面，在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列(FrameCheckSequence，FCS)。CRC校验值是最常用的FCS。检测帧丢失（1）发送方要对帧进行编号，而接收方每收到一个帧，就向发送方发送一个确认帧。（2）发送方每发送一个帧，就启动一个定时器。如果定时器时间到了，确认帧仍未收到，就认为该帧丢失了。差错处理当检测到错误，不论是帧损坏或帧丢失，数据链路层通常不去修正错误，而是简单地重新传输对应的帧，这个过程称为自动重复请求。（AutomaticRepeatreQuest，ARQ）差错控制和流量控制是结合在一起的。因此停止等待常以停等ARQ来实现，而滑动窗口常以连续ARQ和选择重传ARQ来实现。停等ARQ连续ARQ选择重传ARQ选择重传ARQ基本思想是只重传出错的帧或丢失的帧，而不去回退N帧重传。接收方要缓存那些正确的但不是按顺序到来的帧。接收方的窗口要大于1，同时还要对到来的帧进行排序与连续ARQ相比，选择重传ARQ效率高，但是算法复杂，同时接收方需要的缓冲要比连续ARQ大。数据链路层协议数据链路层协议可以分成两大类：异步协议和同步协议异步协议异步协议中以一个字符为一个传输单位，每个字符的开始和结尾都有特殊的标记字符和字符之间的间隔是不确定的，所以在字符之间是异步的同步协议同步协议以一个数据块为一个传输单位，在整个数据块内部都是同步的面向字符的协议面向比特的协议面向字符协议每一个数据帧都是由若干个字符组成的，每个字符通常用一个字节（8比特）表示。在协议中定义一些特殊的字符表示特殊的含义（如帧的开始、帧的结束、数据的开始、数据的结束等）。代表协议：BSC缺陷：强烈地依赖字符集，使用不同字符集的机器不能利用字符协议进行通信，扩展性差面向比特的协议每一帧由若干个比特组成。一个帧分为若干个字段，每个字段在帧中都有固定的位置，都有特定的功能和含义，同时使用一些特殊的比特组合来代表特殊的含义（如帧的开始和结束）。目前数据链路层协议主要是面向比特的协议代表协议：HDLC,PPPHDLC协议HDLC（High-levelDataLinkControl）协议是面向比特协议中最具代表性的一个协议HDLC具有透明性，数据和控制信息完全独立，不受任何位式样和字符宽度的限制；能适应多种应用、多种网络配置，可用于点到点链路，也可用于多点链路；可采用交换线路，也对采用非交换线路；控制信息所占比例小，传输效率高；可靠性高；吞吐率高等优点.三种类型的站主站：主要功能是发送命令（包括数据信息）帧、接收响应帧，并负责对整个链路的控制系统的初启、流程的控制、差错检测或恢复等。从站主要功能是接收由主站发来的命令帧，向主站发送响应帧，并且配合主站参与差错恢复等链路控制。复合站主要功能是既能发送，又能接收命令帧和响应帧，并且负责整个链路的控制三种链路结构三种操作模式正常响应方式（NRM）异步响应方式（ARM）异步平衡方式（ABM）HDLC帧格式HDLC帧格式标志字段标志字段用来区分帧的开始和结束。HDLC指定采用01111110为标志序列，并采用零比特填充法地址字段地址字段表示链路上站的地址。在使用不平衡方式传送数据时（采用NRM和ARM），地址字段总是写入从站的地址；在使用平衡方式时（采用ABM），地址字段总是写入应答站的地址。HDLC帧格式信息字段信息字段内包含了用户的数据信息和来自上层的各种控制信息帧校验序列FCS帧校验序列FCS占16比特，采用CRC校验，它生成多项式G(x)=X16+X12+X5+1HDLC帧格式控制字段控制字段用来表示帧类型、帧编号以及命令、响应等。由于C字段的构成不同，可以把HDLC帧分为三种类型：信息帧、监控帧、无编号帧信息帧在信息帧的控制字段中，第一个比特固定是0，N(S)字段占3比特，表示要发送的这一帧的编号。N(R)字段也占3比特，表示期望收到的对方的下一个帧的编号。监督帧在监督帧的控制字段中，前两个比特固定的是10，在监督帧中没有信息字段。N(R)字段同样也代表确认。另外有两个比特的Code字段，共有00、01、10、11四种组合，分别代表不同的含义，用来进行流量控制和差错控制。监督帧无编号帧无编号帧用于在设备之间交换会话管理和控制信息。HDLC协议工作过程正常响应模式HDLC协议工作过程正常响应模式HDLC协议工作过程复合站PPP协议点对点协议（Point-to-PointProtocol，PPP）是因特网上广泛使用的数据链路层协议，用于点对点的链路。PPP协议给出了在串行链路上封装数据报的方法，同时还包括了链路控制协议（LinkControlProtocol，LCP）和一组网络控制协议（NetworkControlProtocol，NCP）。LCP用来建立、配置和测试数据链路，NCP用来建立两端网络层的连接，协商网络层的选项和传递网络层数据。PPP协议帧格式LCP协议数据链路的建立、配置、维护和终止都是由链路控制协议（LinkControlProtocol，LCP）来完成的。LCP包封装在PPP帧的数据字段中。LCP包类型和编码编码LCP包类型含义0116Configure-request提出链路配置的选项和特定的值0216Configure-ack接受对方提出的选项0316Configure-nak不接受某些选项0416Configure-reject不识别某些选项0516Terminate-request请求关闭连接0616Terminate-ack接受关闭连接认证协议常用的身份认证协议有口令认证协议（PasswordAuthenticationProtocol，PAP）和挑战握手协议（Challenge-HandshakeAuthenticationProtocol，CHAP）。PAP协议PAP协议非常简单，用户向系统发送用户名和口令，系统验证用户名和口令，如果正确就接受连接，否则就拒绝连接。PAP包类型和编码编码PAP包类型含义0116Authenticate-request请求认证，发送用户名和口令0216Authenticate-ack认证通过，允许访问0316Authenticate-nak认证未通过，禁止访问PAP工作过程用户首先向系统发送PAP包，编码字段置为1，代表Authenticate-request,数据部分存放用户名和口令。系统对收到的用户名和口令进行验证，并向用户返回PAP包。如果用户名和口令正确，PAP包中的编码值置为2，表示Authenticate-ack，通过认证；否则编码的值置为3，表示Authenticate-nak，拒绝用户接入。CHAPCHAP协议对PAP协议作了改进，不直接发送用户的密码。CHAP包的格式CHAP包类型编码PAP包类型含义0116Challenge系统向用户发出查问值0216Response用户向系统返回计算结果和用户名0316Success认证通过，允许访问0416Failure认证未通过，禁止访问CHAP协议工作过程系统首先向用户发送一个CHAP包，包中编码字段的值为1，表示Challenge，数据部分包含一个随机数，这个随机数称为查问值。用户收到后，使用事先定义好的函数作用于查问值和自己的口令，生成一个值，将这个值和用户名放