第三章数据链路层

第三章数据链路层1、数据链路层的基本概念2、点对点协议PPP3、信道共享技术4、局域网技术1、数据链路层的基本概念链路（link）：一条无源的点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换点。规程：控制数据传输的一些基本要求，协议。数据链路（datalink）：在相邻节点间的数据线路基础上，建立的具有数据传输格式（帧）和传输控制功能的逻辑通路。链路—物理链路，数据链路：逻辑链路。第一节数据链路层的基本概念2、数据链路层的功能数据链路层使用的信道主要有两种类型：点对点信道：使用一对一的点对点通信方式。广播信道：使用一对多的广播通信方式，须使用共享信道协议来协调主机的数据发送。第一节数据链路层的基本概念2、数据链路层的功能数据链路层的最主要功能是：通过一些数据链路层协议（链路控制规程），在不可靠的链路上实现可靠的数据传输。具体有：链路管理：数据链路的建立、维持、释放。成帧/拆帧：发方组装帧、收方拆卸帧。第一节数据链路层的基本概念2、数据链路层的功能帧同步（定界）：收方应从收到的比特流中准确区分帧（头、尾），在出现差错时，可实现差错帧重传以及帧顺序控制（丢帧、重复帧处理）。差错控制：采用编码技术，满足计算机通信要求极低的比特差错率。一般有两类编码技术：前向纠错：收方能够自动改正有差错的数据帧。差错检测：收方可以检测出收到的帧有差错，通常采取丢弃后不处理或重传两种策略。第一节数据链路层的基本概念2、数据链路层的功能流量控制：根据收方信息调整发方发送速率，以适应接收能力。寻址控制：在多点链路上传输帧，标识/识别帧的源/宿节点。保证帧到达正确目的站。透明传输：当数据的比特模式与某控制信息的比特模式完全一样时，采取适当措施加以区分，在这样的机制下才可实现透明传输。第一节数据链路层的基本概念3、数据链路层的服务数据链路层向网络层提供三种不同类型的服务：无确认、无连接的服务。对帧的差错、丢失不作处理，适用线路差错率低的网络，如：传输实时的语音、图象数据。有确认、无连接的服务。各帧独立发送，对收到帧进行确认，出现出错和丢失进行帧重发。面向连接的服务。双方节点事先建立连接，各帧有顺序编号，收方检错、确认，重发出错和丢失帧。第一节数据链路层的基本概念第二节点对点协议PPP

1、面向比特的链路控制规程HDLC面向字符的控制规程：IMP-IMP协议（ARPANET）和BSC协议（IBM）。面向比特的规程：1974年，IBM公司提出体系结构SNA，在其链路层采用SDLC，ANSI将其修改为ADCCP，ISO将其修改为HDLC。随后的LAP及LAPB。第二节点对点协议PPP2、两种链路配置和三种操作方式两种链路配置：非平衡和平衡非平衡：点对点和多点工作。由一个主站和一个或多个次站组成，主站发出帧为命令帧和次站发出帧为响应帧，主站为核心控制整个链路。平衡：点对点工作。由两个复合站组成，复合站：具有主站与次站功能，可以发送命令帧和响应帧，双方均可控制链路。第二节点对点协议PPP2、两种链路配置和三种操作方式两种链路配置的三种情形：主站A次站B命令（B）响应（B）命令（B）或（C）响应（B）响应（C）主站A次站B次站C命令（B）响应（B）命令（A）响应（A）复合站A复合站B第二节点对点协议PPP2、两种链路配置和三种操作方式三种操作方式：正常响应方式NRM：只有主站才能向次站传输数据，主站向次站发出命令帧轮询时，次站才能以响应帧的形式回答主站。异步响应方式ARM：次站可以主动向主站传输数据，而不必等待主站的命令帧，次站可以主动发送响应帧。异步平衡方式ABM：每个复合站可以平等传输数据，而不需要得到对方的允许。第二节点对点协议PPP3、PPP协议用户接入Internet的一般方法：拨号电话线接入；专线接入。以上需要数据链路层协议，使用较多的有：串行线路网际协议SLIP：简单面向字符协议；点对点协议PPP：面向字节的且支持面向比特同步链路以及支持异步链路。第二节点对点协议PPP3、PPP协议用户主机ModemModem区域网络LAN

ISP

网络电话网路由器路由器专线DDN访问服务器拨号主机-访问服务器：路由器-路由器：第二节点对点协议PPP4、PPP协议的组成点对点协议PPP有三个部分：成帧/拆帧，差错检测提供“链路控制协议”LCP，用来建立、配置和测试数据链路的连接提供“网络控制协议”NCP，支持多种不同的网络层协议，如IP，IPX，DECnet等PPP是一种具有多协议装帧机制的数据链路层协议，适用于DDN专线、SONET光纤高速线路。第二节点对点协议PPP点对点协议PPP：由IETF制定。

PPP的帧格式如：F7EAFFC03协议标识信息部分FCSF7EIP数据报字节1112MTU≤1500字节12协议字段：0x0021--分组是网络层下交数据；

0xC021—用于协商本层控制协议LCP和NCP产生的数据。SOHEOT第二节点对点协议PPPPPP的典型工作过程：主机拨号接入ISP访问服务器主机拨号，同访问服务器建立物理连接；双方交换装载LCP分组的帧，用于协商链路参数；双方交换装载NCP分组的帧，用于配置网络层；主机成为因特网上的临时主机，接收或发送数据；双方交换装载NCP分组的帧，用于释放网络层的配置；双方交换装载LCP分组的帧，用于释放链路连接；双方释放物理连接。第三节信道共享技术

多个用户同时与一个主机相连，为提高信道利用率，采用信道共享技术。从层次上看，该问题属数据链路层的MAC子层内容。多点接入技术：受控接入是指各个用户不能任意接入信道而必须服从一定的控制。分为集中式控制（轮询）和分散式控制（令牌环）。随机接入是指所有用户可以根据需要随机发送信息。冲突（collision)的解决是接入技术的核心问题。如ALOHA等。信道共享技术的重要指标：时延、吞吐量。第三节信道共享技术多个用户共享信道的方法主要有两大类：使用集中器或复用器：频分复用（FDM）、时分复用（TDM）、波分复用（WDM）、码分复用（CDMA）。多点接入技术：受控接入、随机接入。受控接入：轮叫轮询、传递轮询。随机接入：ALOHA、CSMA、CSMA/CD。第三节信道共享技术1、纯ALOHA

问题：网络通信量较小，用户自由发送数据产生冲突的概率不大，通过协议较好地处理冲突。工作原理：各站自由发送数据帧，冲突后等待一段随机时间后重发；若再发生冲突，则再等待一段随机时间，直到重发成功。

第三节信道共享技术1、纯ALOHA性能分析：一个帧若想发送成功，必须在帧发送前后各一段时间T0（帧发送时间）内，没有其他帧发送。吞吐量S：帧在发送时间T0内成功发送的平均帧数。0S1，当S=1时，帧接连成功发送。通常以S衡量信道利用率。网络负载G：在T0内总共发送的平均帧数。GS，显然：S=GP。P为一个帧发送成功的概率。G=0.5时，S=0.184。第三节信道共享技术2、时隙ALOHA（S-ALOHA）第三节信道共享技术站1t帧到达站2帧到达帧到达重发重发tT0T0帧到达2、时隙ALOHA（S-ALOHA）时隙ALOHA基本工作原理：将时间划分为一段等长的时隙（slot），不论帧在何时产生，只能在每个时隙发送出去。时隙ALOHA性能分析：S=Ge-G，当G=1时，S=e-1=0.368。第三节信道共享技术ALOHA纯ALOHA：连续Smax=0.184时隙ALOHA：离散Smax=0.368共享信道AEDCB第三节信道共享技术什么是CSMACSMA的三种策略非坚持的CSMA1-坚持的CSMAp-坚持的CSMACSMA/CD及其工作原理第三节信道共享技术什么是CSMA目的：减少冲突，提高吞吐量CSMA（CarrierSenseMultipleAccess）：载波监听多路访问来源：由ALOHA改进而产生的一种协议改进：附加了硬件装置——每个站都能在发送数据前监听信道是否空闲什么是CSMACSMA的三种策略非坚持的CSMA1-坚持的CSMAp-坚持的CSMACSMA/CD及其工作原理第三节信道共享技术非坚持的CSMA若监测到信道空闲：立即发送；若监测到信道忙：放弃监听一段随机时间1-坚持的CSMA若监测到信道空闲：立即发送；若监测到信道忙：坚持监听p-坚持的CSMA若监测到信道空闲：以概率p发送；若监测到信道忙：坚持监听什么是CSMACSMA的三种策略非坚持的CSMA1-坚持的CSMAp-坚持的CSMACSMA/CD及其工作原理第三节信道共享技术CSMA/CD及其工作原理

先听后发

边听边发，冲突停止，发阻塞信号

随机延迟后重发CSMA/CD（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection）:带有冲突检测的载波监听多路访问AB

先听后发问题：多节点同时发送数据引起冲突。

先听后发解决方案：传输前监听电缆上是否有信号存在

（检测电缆电压）。组装帧开始传输帧电缆忙吗？先听后发是否AB

边听边发，冲突停止，发阻塞信号问题：传输时延可能导致冲突。信道空闲!!!监听…

边听边发，冲突停止，发阻塞信号

解决方案：边发送边监听，若有冲突，冲突双方停止发送，发阻塞信号。冲突检测时间2τ：τ为端到端的传输时延最小帧长：区分有效帧和短的无效帧。开始传输帧产生冲突吗？传输阻塞边听边发是

随机延迟后重发问题：冲突停止后，如何避免重传的再次冲突？

随机延迟后重发解决方案：各站根据一定的退避算法，随机延迟一段时间。传输阻塞增加重传次数等待退避时间实现退避算法重传太多吗？传输终止：冲突超过限度试图重发是否T:

已冲突I次的数据帧再发送的延迟时间I:

冲突次数，每冲突一次，I值加12τ：数据在电缆上传输往返一次所需时间二进制退避算法T=2τ×2I-1帧排队组装帧电缆忙吗？否传输完了吗？开始传输帧产生冲突吗？否否传输终止，冲突超过限度。是传输阻塞增加重传次数重传太多吗？是传输终止，冲突超过限度是实现退避算法等待退避时间否试图重发是

总结低负载时网络基本无时延，高负载时网络效率下降很多。算法简单，易于实现第四节局域网概述1、局域网的主要技术特点局域网的技术是当前计算机网络研究与应用的一个热点问题，也是目前技术发展最快的领域之一。从应用的角度看，局域网主要的技术特点有以下几点：局域网覆盖有限的地理范围，适用于有限范围内的计算机、终端与各类信息处理设备联网的需求；第四节局域网概述1、局域网的主要技术特点局域网具有高数据传输率（10~100Mbps）、低误码率的高质量的数据传输环境；局域网一般属于一个单位所有，易于建立、维护和扩展；局域网从介质访问控制方法的角度可分为两类：共享介质局域网与交换局域网；第四节局域网概述2、局域网的技术特点由三方面决定：拓扑结构传输介质介质访问方式第四节局域网概述

拓扑结构：影响网络性能和介质访问技术，是分析和设计局域网的重要环节。分类：星形环形总线形树形第四节局域网概述

传输介质：双绞线（3类10Mb/s、5类100Mb/s)

同轴电缆（基带、宽带）光缆（单模、多模）第四节局域网概述

介质访问方式：固定式接入（带宽资源进行固定分配，如

FDM、TDM）集中式接入（主控中心动态分配带宽资源，如轮询）分布式接入（各站点具有同等接入策略，

CSMA/CD、ALOHA、TOKENRING、

TOKENBUS）1、IEEE802参考模型

80年2月，IEEE制定和公布局域网标准IEEE802，ANSI接收为美国标准，ISO作为国际标准。第五节局域网体系结构LLC子层MAC子层传输介质物理层数据链路层高层高层IEEE802模型OSI/RM物理层传输介质第五节局域网体系结构802.10局域网安全规范802.2逻辑链路控制子层LLC802.1局域网体系结构及网络互连802.3802.4802.5802.6802.9802.11802.8802.7MAC、PHY2、IEEE802标准第五节局域网体系结构2、IEEE802标准

802.1：概述、体系结构和网络互连，以及网络管理和性能测量；

802.2：逻辑链路控制。高层协议与任何一种局域网MAC子层的接口；

802.3：CSMA/CD。定义CSMA/CD总线网的MAC子层和物理层的规约；

802.4：令牌总线网。定义令牌总线网的MAC

子层和物理层的规约；

802.5：令牌环网。定义令牌环网的MAC子层和物理层的规约；第五节局域网体系结构2、IEEE802标准

802.6：城域网MAN。定义城域网的MAC子层和物理层的规约；

802.7：宽带技术；

802.8：光纤技术；

802.9：综合话音数据局域网；

802.10：可互操作的局域网安全；

802.11：无线局域网；

802.12：优先级高速局域网（100Mb/s）；

802.14：；电缆电视（Cable-TV）。3、IEEE802.1局域网体系结构

IEEE802.1规定局域网的低三层功能：1）逻辑链路子层（LLC）屏蔽拓扑结构和介质类型，使IEEE802局域网在该层统一。具有：多条逻辑信道的数据复用、差错控制、流量控制、数据报/虚电路等功能。两类地址：MAC地址（主机或站地址）和SAP地址（LLC子层中的服务访问点）第五节局域网体系结构3、IEEE802.1局域网体系结构

IEEE802.1规定局域网的低三层功能：2）介质接入控制子层（MAC）与拓扑结构和介质类型直接相关，对介质接入进行控制以及对信道资源进行分配。既减少冲突，提高吞吐量和信道利用率。如以太总线、令牌总线、令牌环协议。第五节局域网体系结构3、IEEE802.1局域网体系结构

IEEE802.1规定局域网的低三层功能：3）物理层（PHY）信道编码/译码，时钟提取，比特发送/接收，载波检测。第五节局域网体系结构4、LLC子层提供的服务

LLC子层向上层提供四种操作类型，既提供四种服务：操作类型1-----LLC1，不确认的无连接服务操作类型2-----LLC2，面向连接服务操作类型3-----LLC3，带确认的无连接服务操作类型4-----LLC4，高速传送服务第五节局域网体系结构5、局域网的MAC子层技术局域网为“共享信道多址通信”，既将信道带宽合理分配给各站点。采用介质访问控制（MAC）技术。MAC地址：6字节地址，IEEE分配前3字节地址

I/G比特，0-单站地址，1-组地址

G/L比特，1-全局管理，0-局部管理帧：单播帧、广播帧、多（组）播帧第五节局域网体系结构第六节IEEE802.3标准：

CSMA/CD

802.3局域网是一种基带总线局域网。802.3

标准采用1坚持的CSMA/CD协议，常称为以太网协议。10BASE5802.3：传输速率10MB/S，基带信号，每段电缆最大长度为500M。常见三种以太网：共享总线以太网、共享媒体集线器、交换式集线器（存储转发交换、直通交换）。第六节IEEE802.3标准：

CSMA/CD

以太网的星型拓扑结构如图所示：HUB第六节IEEE802.3标准：

CSMA/CD

总线型以太网的拓扑结构如图所示：第六节IEEE802.3标准：

CSMA/CD网卡的作用网络接口板又称为通信适配器，或网络接口卡NICCPU计算机存储器高速缓存网络接口卡（网卡）串行通信至局域网I/O总线并行通信第六节IEEE802.3标准：

CSMA/CD以太网的连接以太网的四种不同的物理层：以太网媒体接入控制MAC10BASE5粗缆10BASE2细缆10BASE-T双绞线10BASE-F光缆第六节IEEE802.3标准：

CSMA/CD以太网的连接主机箱+网卡DB-15连接器MAUMDI粗缆AUI电缆收发器主机箱+网卡BNC连接器插口BNC-T接头细缆主机箱+网卡RJ-45接头集线器双绞线RJ-45接头

局域网互连，实现局域网之间的通信，扩展了局域网的范围。扩展局域网最常用的方法是使用网桥。第七节局域网扩展技术1、网桥的基本工作原理第七节局域网扩展技术111325网桥协议缓冲区端口1端口2站表12345网段A网段B端口站地址2124端口管理软件网络协议实体2、网桥的特点：过滤通信量扩大物理范围可使用不同的物理层互连不同类型局域网提高可靠性改善网络性能第七节局域网扩展技术3、网桥之间的点到点的链路：第七节局域网扩展技术用户层IPMAC物理层用户层IPMAC物理层DLMAC物理层物理层MACDL物理层物理层RRLANLAN站1站2网桥1网桥23、常用网桥透明网桥：依据站表转发帧，传输过程对各站透明。使用支撑树解决“兜圈子”问题。源由路网桥：由发现帧(单路由广播帧和全路由广播帧）以广播方式探测目的站。可实现最佳路由。多端口网桥：以太网交换机，具有多速率端口。第七节局域网扩展技术4、虚拟局域网VLAN（VirtualLAN）

IEEE802.1Q给出了VLAN的定义：由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组，这些网段具有某些共同的需求。每一个VLAN的帧都有一个明确的标识符，指明发送这个帧的工作站属于哪一个VLAN。VLAN只是局域网给用户提供的一种服务，而不是一种新型局域网。第七节局域网扩展技术第七节局域网扩展技术4、虚拟局域网VLAN第七节局域网扩展技术4、虚拟局域网VLANVLAN的作用：

VLAN用于划分虚拟子网广播仅在子网中进行对于第二层VLAN，如果没有桥接，网段之间的节点无法通讯对于第三层VLAN，如果没有路由器，子网之间的节点无法通讯第七节局域网扩展技术4、虚拟局域网VLAN第七节局域网扩展技术4、虚拟局域网VLAN第七节局域网扩展技术4、虚拟局域网VLAN第七节局域网扩展技术4、虚拟局域网VLANVLAN之间依靠路由器互相通迅：第七节局域网扩展技术4、虚拟局域网VLAN第七节局域网扩展技术4、虚拟局域网VLAN第七节局域网扩展技术4、虚拟局域网VLAN第七节局域网扩展技术4、虚拟局域网VLAN第七节局域网扩展技术4、虚拟局域网VLAN1、高速局域网：传输速率达到或超过100Mb/s的局域网。100BASE-T技术：双绞线传输100Mb/s基带信号的星形以太网，又称快速以太网。采用802.3标准。100VG-AnyLAN技术：使用集线器，集中了以太网和令牌环的特点的无冲突局域网，支持多媒体传输。采用802.12标准，同时可支持802.3和802.5的数据帧。第八节局域网技术的发展FDDI技术：以光纤为传输媒体的令牌环网。采用802.5的MAC协议和802.2的LLC协议，所以与802局域网兼容。千兆比以太网：又称吉比特网（Gb/s）。采用802.3z标准，运用两种成熟技术（以太网和光纤通道）和分组突发功能。第八节局域网技术的发展第八节局域网技术的发展光纤分布式数据接口（FDDI）FDDI规定采用双环连接，其中一个环作为主环，用于数据传输；另一个环作为副环，用于备份。双环上数据的传输是互为反向的。站点与FDDI双环之间的连接有两种：只连接在单环上的B类站点、连接在两个环上的A类站点。第八节局域网技术的发展光纤分布式数据接口（FDDI）FDDI技术支持网络带宽的实时分配，它定义了两种数据传输方式：同步和异步数据传输方式。同步传输时使用总带宽100Mb/s的一部分，其余的带宽由异步传输来使用。第八节局域网技术的发展光纤分布式数据接口（FDDI）FDDI网络的拓扑结构如图所示：FDDI3、无线局域网有固定基础设施无固定基础设施固定基础设施：预先建立起来的、能够覆盖一定地理范围的一批固定基站。第八节局域网技术的发展有固定基础设施的无线局域网802.11规定其最小构件为基本服务集BSS每个BSS包括一个基站AP和若干个移动站一个BSS覆盖的范围成为基