第3章数据链路层

第3章数据链路层3.1数据链路层概述3.2点对点协议PPP（重点）3.3局域网（重点）3.4使用广播信道的以太网（重点）3.5扩展的以太网（重点）3.6高速以太网3.7其他类型的高速局域网接口（略讲）1课程目标数据链路层的点对点信道和广播信道的特点，以及这两种信道所使用的协议（PPP和CSMA/CD协议）的特点。数据链路层的三个基本问题：封装成帧、透明传输、差错检测。以太网的MAC层的硬件地址。适配器、转发器、集线器、网桥、以太网交换机的作用和使用场合。23.1数据链路层概述3.1.1数据链路层的功能数据链路层介于物理层和网络层之间，属于网络的低层。该层解决两个相邻结点之间的通信问题，实现两个相邻结点链路上无差错的数据传输。数据链路层传输的数据单元称为帧。3IP数据报1010……0110帧取出数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4数据链路层像个数字管道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。早期的数据通信协议曾叫作通信规程(procedure)。因此在数据链路层，规程和协议是同义语。结点结点帧帧5数据链路层的功能数据链路层最主要的功能可归结为以下几点：（1）结点A的数据链路层把网络层交下来的IP数据报封装成帧。（2）结点A把封装好的帧发送给结点B的数据链路层。（3）若结点B的数据链路层收到的帧无差错，则从收到的帧中提取出IP数据报上交给上面的网络层；否则丢弃这个帧。包括以下几个功能：帧同步功能差错控制流量控制链路管理MAC寻址区分数据与控制信息透明传输6数据链路层的信道种类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。广域网中均采用点对点信道。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送。早先的局域网多采用广播信道，后来改进的局域网采用点对点信道。7链路和数据链路链路(link)是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结点。一条链路只是一条通路的一个组成部分。数据链路(datalink)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。若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。现在最常用的方法是使用适配器（即网卡）来实现这些协议的硬件和软件。一般的适配器都包括了数据链路层和物理层这两层的功能。

8物理线路（链路）与数据链路……………………….93.1.2数据链路层要解决的三个问题数据链路层协议有三个基本问题需解决。数据链路层的发送方应当让接收方的数据链路层知道，所发送的帧是从什么地方开始到从什么地方结束。这就是帧定界（也叫帧同步）问题。数据链路层传送的数据的比特组合必须是不受限制的。数据链路层协议不能禁止传送某种特殊的比特组合。这就是透明传输问题。数据链路层必须有差错检测功能。101.帧定界（帧同步）为了使传输中发生差错后只将出错的有限数据进行重发，数据链路层将比特流组织成以帧为单位传送。帧的组织结构必须设计成使接收方能够明确的从物理层收到的比特流中区分出帧的起始与终止，这就是帧同步要解决的问题。同步的方法字符填充的首尾定界符法比特填充的首尾定界符法帧定界的原理：在发送帧时，发送方的数据链路层在帧的前后都各加入事先商定好的标记，使得接收方在收到这个帧后，就能根据这种标记识别帧的开始和结束，以及帧里面装入的数据部分的准确位置。控制字符SOH放在一帧的最前面，表示帧的首部开始，另一个控制字符EOT表示帧的结束。每一种链路层协议都规定了帧的数据部分的长度上限——最大传送单元MTU(MaximumTransferUnit)。11封装成帧封装成帧(framing)就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部，然后就构成了一个帧。首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界。帧结束帧首部IP数据报帧的数据部分帧尾部≤MTU数据链路层的帧长开始发送帧开始12MTU各种物理网络，对帧可携带的数据的上限有不同的规定，叫作最大传输单元（MaximumTransmissionUnit，MTU）。一个物理网络的MTU由硬件决定，通常情况下保持不变。不同物理网络，其MTU一般是不相同的。13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EOTSOH和EOT都是控制字符的名称。在ASCII码中，他们的十六进制编码分别是01（二进制是00000001）和04（二进制是00000100）。当所传送数据为ASCII码组成的文本文件，可用此方法。……………………….142.透明传输原因：由于帧的开始和结束的标记都是使用专门指明的控制字符，因此，所传输的数据中的任何一个字符一定不允许和用做帧定界的控制字符一样，否则就会出现帧定界的错误，即所谓的不透明，而透明指任何比特组合的数据都能通过数据链路层。正确理解透明的含义（如E-mail）。152.透明传输解决帧的透明传输的两种方法：字符填充的首尾定界符法比特填充的首尾定界符法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16（1）字符填充的首尾定界符法该方法是用一些控制字符来标识一帧的起始与终止。例如，我们可以把SOH作为帧的开始标志，EOT作为帧的结束标志。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，二进制编码是00011011)，表示其后的“SOH”或“EOT”要作为普通字符处理。如果转义字符也出现数据当中，那么应在转义字符前面插入一个转义字符。当接收端发现转义字符时，就把转义字符去掉，并把后面的字符作为普通字符来处理。17数据中出现的控制字符经字节插入后发送时的字符SOHESCxEOTESCyESCESCz上面的控制字符“ESC”叫做转义符(escapecharacter)插入转义字符18SOHSOHEOTSOHESCESCEOTESCSOHESCESCESCSOH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用字符填充法解决透明传输的问题SOH19（2）比特填充的首尾定界符法在前面介绍的字符分界法中存在一个大的不足，那就是它仅依靠8位模式。而事实上，并不是所有的字符编码都使用8位模式，如UNICODE编码就使用了16位编码方式。“比特填充的首尾界定符法”是以一组特定的比特模式（如01111110）来标志一帧的起始与终止，它允许任意长度的位码，也允许任意每个字符有任意长度的位。20比特填充的首尾定界符法发送端：若发现要发送的数据中有5个连续1，则立即填入一个0。接收端：对帧中的数据进行扫描。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。2101001111101000101001001111110001010010011111010001010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个连续1之后填入0比特再发送出去在接收端把5个连续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的0比特零比特填充……………………….223.差错检测差错产生的原因与差错类型传输差错是通过通信信道后接收的数据与发送数据不一致的现象;差错控制是检查是否出现差错以及如何纠正差错；通信信道的噪声分为两类：热噪声和冲击噪声；由热噪声引起的差错是随机差错，或随机错；冲击噪声引起的差错是突发差错，或突发错；在通信过程中产生的传输差错，是由随机差错与突发差错共同构成的。23差错产生过程24误码率（BER）的定义

误码率是指二进制码元在数据传输系统中被传错的概率，它在数值上近似等于：Pe=Ne/N，其中N为传输的二进制码元总数，Ne为被传错的码元数；误码率应该是衡量数据传输系统正常工作状态下传输可靠性的参数之一；对于一个实际的数据传输系统，不能笼统地说误码率越低越好，要根据实际传输要求提出误码率要求；对于实际数据传输系统，如果传输的不是二进制比特，要折合成二进制比特来计算；差错的出现具有随机性，在实际测量一个数据传输系统时，只有被测量的传输二进制比特数越大，才会越接近于真正的误码率值。25减少传输差错的两种方法为了减少传输差错，通常采用下面两种方法：（1）改善线路质量加强线路本身的抗干扰能力，是减少差错最根本的途径。但是，这种改善是以较大的投入为代价的。（2）差错的检测与纠正主要思想是：对所传输的数据进行抗干扰编码，并以此来检测和校正传输中的错误。在发送端，采用某种校验码为数据单元附加一个冗余码，使数据单元与冗余码之间建立一定的数学关系(即编码过程)，然后把它们作为一个数据块一起传送给接收端；当接收端接收到数据块后，使用相同的校验码计算数据单元的冗余码，并与数据块中附加冗余码相比较，以检验它们之间的数学关系(解码过程)是否正确，如果不正确，就说明传输有错误，则需要采用某种手段来纠正错误。26纠正错误的两种方法反馈重发纠错法接收端将传输是否正确的信息作为应答反馈给发送端，对于传输有误的数据，发送端需要重新传输，直至传输正确为止，这样就可以纠正错误了。前向纠错(FEC)法接收端发现错误后，不是通过发送端的重传来纠正，而是由接收端通过纠错码和适当的算法进行纠正。由于这种纠错方法比较复杂，所需的冗余码元较多，实现比较困难，故很少使用。目前，绝大多数的通信系统都采用反馈重发纠错法来纠正差错。27处理差错的两种基本策略纠错码发送方在每个数据块中加入足够的冗余信息，使得接收方能够判断接收到的数据是否有错，并能纠正错误。检错码发送方在每个数据块中加入足够的冗余信息，使得接收方能够判断接收到的数据是否有错，但不能判断哪里有错。28纠错码——海明码海明码(HammingCode)是由RichardHamming于1950年提出的，是一种纠错码，即如果数据在传输过程中有一位出错，则可以知道出错的位置并通过取反将其改正过来。

海明码编码的关键是使用多余的奇偶校验位来识别一位错误。例：使用偶校验（“1”的个数为偶数） 10110101 ——> 101101011 10110001 ——> 101100010奇偶校验可以用来检查单个错误。码字（codeword）：一个帧包括m个数据位，r个校验位，n=m+

r，则此n比特单元称为n位码字。29循环冗余校验（cyclicredundancycheck，CRC）是一种能力相当强的检错码，并且实现编码和检码的电路比较简单。CRC基于二进制除法。在CRC中，在数据单元（比如一个字节）的后面附加一个称为“循环冗余码”或“CRC余数”的冗余数位串，使生成的数据单元可被另一个预先给定的二进制数完全除尽。然后将生成后的数据单元传输。接收端将所接收的数据单元用同样的二进制数相除，如果无余数，则可认为所接收的数据单元正确无误，如果有余数，则认定该数据单元已有差错。检错码——CRC301）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位。校验和（checksum）加在帧尾，使带校验和的帧的多项式能被G(x)除尽；收方接收时，用G(x)去除它，若有余数，则传输出错。

假设待传送的一组数据M=101001（共kbit，k=6）。我们在M的后面再添加供差错检测用的nbit冗余码一起发送。312）冗余码的计算用二进制的模2运算（异或运算）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)bit的数除以事先选定好的长度为(n+1)bit的除数

P，得出商是Q而余数是R，余数R比除数P至少要少1bit。注：模2运算是指以按位模2加减为基础的四则运算，运算时不考虑进位和借位。模2加减的原则为：两数相同为0，两数相异为1。模2除法：模2除法与算术除法类似，但每一位除（减）的结果不影响其它位，即不向上一位借位。323）冗余码的计算举例（1）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。33

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

3）冗余码的计算举例（1）343）冗余码的计算举例（2）设

n=5,P=110101，待传送的数据M=1010001101，模2运算的结果是：商Q=1101010110，余数R=01110。将余数R作为冗余码添加在数据M的后面发送出去，即发送的数据是101000110101110，或2nM+R。353）冗余码的计算举例（3）待校验数据：1101,0110,11G(x)=x4+x+1,即10011

110101101100001001111000010101001110011100110000101101001110100100111110余数∴传送序列T(x)=1101,0110,1111,1036生成多项式的选择生成多项式应该满足以下要求：任何一位发生错误都应使余数不为0不同位发生错误应使余数不同对余数继续作模2除运算应使余数循环374）除数的产生四个生成多项式G(x)已成为国际标准CRC-12G(x)=x12+x11+x3+x2+x+1CRC-16G(x)=x16+x15+x2+1CRC-CCITTG(x)=x16+x12+x5+1CRC-32G(x)=x32+x26+x23+

x22+x16+

x12+x11+

x10+

x8+

x7+

x5+

x4+

x2+

x+

1硬件实现CRC校验385）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)。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。

396）检测出差错将收到的数据除以除数P，只要得出的余数R不为0，就表示检测到了差错。CRC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。一旦检测出差错，就丢弃出现差错的帧。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。……………………….40例1.取生成多项式h（X）＝X4+X+1，假设欲发送的一段信息101100110，问在线路上传输的码字是？解：由h(X)＝X4+X+1得生成码为：10011，n为4。在101100110后面添加n（此时n=4）个0，得到1011001100000

。用1011001100000去除10011，得到余数为1000（保持n位，若不够前面用0补上）把余数1000添加到要发送的数据101100110的后面，就是实际要传送的码字，为：101100110100010101100010011101100110000010011101011001111010100111001010011100041例2.仍取h(x)=X4+X+1，如果接收端收到的码字为1001011110010，问传输过程中有无出错?100011101100111001011110010100111111110011110001001110110100111011010011101答：有错42例3.已知：接收码字:1100111001，生成多项式:h(X)=X4+X3+1(n=4)

求：码字的正确性。若正确，则指出冗余码和信息码。100001

110011100111001

11001，

11001

11001

0解：1)生成码为11001，用接收到的码字除以生成码，余数为0，所以码字正确。2)因n=4，所以冗余码是：1001，信息码是:110011

43例4.（1）要发送的数据为1101。采用CRC的生成多项式是P(x)=x2+1。试求应添加在数据后面的余数。（2）数据在传输过程中要发送的数据1101变成1100，问接收端能否发现？能否发现那几位发生错误？（3）若数据在传输过程中要发送的数据1101变成1000，问接收端能否发现？能否发现哪几位发生错误？答：（1）添加的检验序列为10（1101除以101）（2）数据在传输过程中要发送的数据1101变成1100，110010除以101，余数为01，不为0，接收端可以发现差错。（3）若数据在传输过程中要发送的数据1101变成1000，100010除以101，余数为0，接收端不能发现差错。44注意用循环冗余检验CRC差错检测技术只能做到无比特差错接受，不能保证可靠传输。“无差错接受”是指：“凡是接受的帧（即不包括丢弃的帧），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。为提高通信效率，因特网对通信质量较好的有线链路的数据链路层协议都不使用确认和重传机制，即不要求向上提供可靠传输的服务，出错修正可由上层协议来完成。通信质量差的无线链路，则使用。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。……………………….453.2

点对点协议PPP 3.2.1PPP协议的特点 3.2.2PPP协议的帧格式 3.2.3PPP协议的工作状态46PPP协议广域网的多样性需要功能更强大、完善的链路层协议支持，以适应多变的链路类型，并提供一定的安全特性。PPP协议是提供在点到点链路上传递、封装网络层数据包的一种链路层协议。PPP支持同步/异步线路，能够提供验证，易于扩展，PPP获得广泛应用。47PPP的基本概念支持同步/异步线路支持验证和地址协商PPP可以用于如下几种链路类型：同步/异步专线PPPPPPPPPPPPPPPPPP接入服务器PSTN/ISDNPSTN/ISDN48PPP的特点可以工作在同、异步方式下能够控制数据链路的建立支持验证，更加安全可同时支持多种网络层协议可以对网络层地址进行协商，能够远程分配IP地址无重传机制，网络开销小49PPP协议的组成IP、IPX、其他网络协议网络层PPPIPCP、IPXCP，其他NCP链路层验证，其他选项LCP物理介质（同步/异步）物理层

PPP协议主要由LCP、NCP以及用于网络安全的可选验证协议族组成（具体功能见下面）503.2.1点对点协议的特点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。其应用场合主要有：路由器到路由器（router-routerleasedlineconnection）通过modem拨号上网，连到路由器或接入服务器（AccessServer）（dial-uphost-routerconnection）PPP协议面向字节，包含的控制协议有两个链路控制协议LCP（LinkControlProtocol）网络控制协议NCP（NetworkControlProtocol）以帧为单位发送。帧格式与HDLC相似，区别在于PPP是面向字符的，采用字符填充技术。51用户拨号入网的示意图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52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……………………….531.PPP协议应满足的需求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542.PPP协议不需要的功能纠错：TCP/IP协议中，纠错由传输层协议承担，PPP协议只检错。流量控制：TCP/IP协议中，流量控制由传输层协议承担。序号：帧不需要编号，因为是点对点连接，地址只简化成广播地址。多点线路：因为只是点对点协议，所以不支持多点线路。半双工或单工链路：PPP协议只支持全双工链路。553.PPP协议的组成PPP协议有三个组成部分链路控制协议

LCP(LinkControlProtocol),用于管理PPP数据链路，包括启动线路、测试线路、协商参数以及关闭线路。网络控制协议

NCP(NetworkControlProtocol)，用于协商所承载的网络层协议的类型及其属性，协商在该链路上所传输的数据包的格式与类型，配置网络层协议等。验证协议PAP和CHAP：主要用来验证PPP对端设备的身份合法性，在一定程度上保证链路的安全性。564.PPP会话一个完整的PPP会话建立需要如下三步：PPP链路链路的建立和配置协调阶段可选的验证阶段，选择PAP或CHAP网络层协议配置协商阶段PSTN/ISDN575.PPP会话流程PPP会话流程如下图所示：底层UPDead阶段Establish阶段Authenticate阶段Network阶段Terminate阶段LCPOpened验证失败链路建立失败关闭Down验证通过或无验证……………………….586.PPP验证PPP支持两种验证方式PAP和CHAP。（1）PAP认证协议（PasswordAuthenticationProtocol,口令认证协议）：PAP认证过程非常简单，二次握手机制。使用明文格式发送用户名和密码。发起方为被认证方，可以做无限次的尝试（暴力破解）。只在链路建立的阶段进行PAP认证，一旦链路建立成功将不再进行认证检测。目前常用于PPPoe拨号环境中。（2）CHAP认证协议（ChallengeHandshakeAuthenticationProtocol,质询握手认证协议）CHAP认证过程比较复杂，三次握手机制。使用密文格式发送CHAP认证信息。由认证方发起CHAP认证，有效避免暴力破解。在链路建立成功后具有再次认证检测机制。目前常用于企业网的远程接入环境中。591）PAP认证过程首先被认证方以明文向主认证方发送认证请求（包含用户名和密码），主认证方到自己的数据库认证用户名密码是否正确，如果密码正确，PAP认证通过，如果用户名密码错误，PAP认证未通过。PAP只用于对网络安全要求相对较低的环境。用户名＋密码通过/拒绝被验证方主验证方用户列表60主机名＋加密后报文通过/拒绝主机名＋随机报文被验证方主验证方主验证方首先发起验证请求，三次握手验证不发送密码，安全性比PAP高用户列表2）CHAP认证过程61CHAP认证过程第一步：主认证方发起认证请求，向被认证方发送一个随机产生的数值，并同时将将本端的用户名一起发送给被验证方。第二步：被验证方接收到主认证方的请求后，检查密码（如果没有设密码就用默认的密码），查到密码再结合主认证方发来的id和随机数据根据MD5算法算出一个Hash值，将此值和自己的用户名发回主验证方。第三步：主验证方用MD5算法对报文id、本地保存的被验证方密码和原随机数生成一个Hash值，并于收到的Hash值进行比较。如果一致，则认证通过，否则，认证不通过。62CHAP认证过程主验证方发送用户名1被验证方是否配端口密码检查用户列表用端口密码+ID+随机数计算Hash值，带用户名2发回被验证方从用户列表中查找与用户名1对应的密码+ID+随机数计算Hash值，带用户名2发回主验证方用自己用户名列表中，查找用户名2对应的密码+ID+随机数，计算Hash‘值Hash=Hash’OK失败YNYN63PPP验证对比PAP是两次握手，CHAP是三次握手PAP以明文方式在链路上发送，缺乏安全性CHAP只在网络上传输用户名，而并不传输用户密码PAP和CHAP都支持双向身份验证……………………….643.2.2PPP协议的帧格式PPP的帧格式和HDLC的相似。标志字段F=0x7E（符号“0x”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0xFF。地址字段实际上并不起作用。控制字段C通常置为0x03。PPP是面向字节的，所有的PPP

帧的长度都是整数字节。65PPP的帧格式标记域：为01111110；66PPP的帧格式地址域：为11111111，对应广播地址。PPP只用于点到点链路，实际上不需要数据链路层的地址。67PPP的帧格式控制域：缺省值为00000011，表示无序号帧，不提供使用序号和确认的可靠传输。68PPP的帧格式协议域：指示信息部分中是何种分组，缺省大小为2个字节。高位为0，表示是网络层的分组，高位为1，说明是LCP或者NCP的分组。0x0021——信息字段是IP数据报0xC021——信息字段是链路控制协议LCP0x8021——信息字段是网络控制协议NCP69PPP的帧格式信息域：长度可变，最大为1500字节；70PPP的帧格式校验和域：2或4个字节，使用循环冗余校验码。71PPP协议的帧格式PPP有一个2个字节的协议字段。当协议字段为0x0021时，PPP帧的信息字段就是IP数据报。若为0xC021,则信息字段是PPP链路控制数据。若为0x8021，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帧先发送7EFF03FACFCSF7E协议信息部分首部尾部72举例：例：已知某网络的采用PPP协议传输帧，已知某帧长为44字节，试问该帧最多可传输多少国标（采用ASCII码）汉字？答：在PPP帧中，数据最多可占用的字节数=44-（1+1+1+2+2+1）=36；又因为一个国标汉字的编码长度为两个字节，所以该帧最多可传输的汉字数为：37÷2=1873透明传输问题当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的做法一样）即零比特填充法。当PPP用在异步传输时，就使用一种特殊的字符填充法。74字符填充将信息字段中出现的每一个0x7E字节转变成为2字节序列(0x7D,0x5E)。若信息字段中出现一个0x7D的字节,则将其转变成为2字节序列(0x7D,0x5D)。若信息字段中出现ASCII码的控制字符（即数值小于0x20的字符），则在该字符前面要加入一个0x7D字节，同时将该字符的编码加以改变。P1053-975零比特填充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。PPP采用零比特填充法使一帧中两个F字段之间不会出现6个连续1。在发送端，当一串比特流数据中有5个连续1时，就立即填入一个0。在接收帧时，先找到F字段以确定帧的边界。接着再对比特流进行扫描。每当发现5个连续1时，就将其后的一个0删除，以还原成原来的比特流。76例题：PPP协议使用同步传输技术传送比特串0110111111111100。试问经过零比特填充后变成怎样的比特串?答案：011011111011111000若接收端收到的比特串是0001110111110111110110，问发送端实际发送的数据是?答案：000111011111-11111-11077透明传输采用零比特填充法就可传送任意组合的比特流，或者说，就可实现数据链路层的透明传输。当连续传输两个帧时，前一个帧的结束标志字段F可以兼作后一帧的起始标志字段。当暂时没有信息传送时，可以连续发送标志字段，使收端可以一直和发端保持同步。78不提供使用序号和确认的可靠传输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。

……………………….793.2.3PPP协议的工作状态用户接入互联网的步骤：当用户拨号接入ISP时，路由器的调制解调器对拨号做出确认，并建立一条物理连接。PC机向路由器发送一系列的LCP分组（封装成多个PPP帧），这些分组及其响应选择一些PPP参数。接下来进行网络层配置，NCP给新接入的PC机分配一个临时的IP地址，使PC机成为因特网上的一个主机。通信完毕时，NCP释放网络层连接，收回原来分配出去的IP地址。接着，LCP释放数据链路层连接。最后释放的是物理层的连接。80状态之间的转换当线路处于静止状态时，并不存在物理层的连接。当检测到调制解调器的载波信号，并建立物理层连接后，线路就进入建立状态，这时LCP开始协商一些选项。协商结束后就进入鉴别状态。若通信的双方鉴别身份成功，则进入网络状态。NCP配置网络层，分配IP地址，然后就进入可进行数据通信的打开状态。数据传输结束后就转到终止状态。载波停止后则回到静止状态。81PPP协议的状态图建立失败失败NCP配置鉴别成功通信结束载波停止检测到载波双方协商一些选项鉴别网络打开终止静止静止状态——建立状态——鉴别状态——网络状态——打开状态——终止状态……………………….823.3局域网局域网通常是由地理范围在几公里以内的、采用单一或有限的传输媒体、按照某种网络结构相互连接起来的计算机组成的网络。常为某个单位所有并独立管理。833.3.1局域网的特点

①共享传输信道。在局域网中，多个系统连接到一个共享的通信媒体上。②地理范围有限，用户个数有限。通常局域网仅为一个单位服务，只在一个相对独立的局部范围内连网。一般来说，局域网的覆盖范围约为10m～10km内或更大一些。③传输速率高。局域网的数据传输速率一般为10～100Mbps，可高达10Gbps，能支持计算机之间的高速通信，所以时延较低。④误码率低。因近距离传输，所以误码率很低，一般在10-8～10-11之间。⑤多采用分布式控制和广播式通信。在局域网中各站是平等关系而不是主从关系，可以进行广播或组播。84决定局域网性能的三要素用于传输数据的传输媒体；用于连接各种通信设备的拓扑结构；用于解决线路争用的媒体访问控制方法。……………………….85局域网中的传输介质传输介质双绞线基带同轴电缆光纤无线各种介质的使用情况双绞线

已能用于数据传输速率为100Mb/s、1Gb/s的高速局域网中，在局部范围内的中、高速局域网中使用双绞线在远距离传输中使用光纤在有移动结点的局域网中采用无线技术的趋势86局域网的拓扑结构匹配电阻集线器干线耦合器总线网星形网树形网环形网87媒体共享技术可分为如下两大类静态划分信道--不够灵活，代价高，不适合于局域网和某些广播信道的网络使用。频分复用时分复用波分复用码分复用

动态媒体接入控制--又称为多点接入(multipleaccess)，其特点是信道并非在用户通信时固定分配给用户。随机接入:CSMA/CD受控接入，如多点线路探询(polling)，或轮询。

88局域网体系结构

——IEEE802局域网参考模型电气电子工程师学会IEEE于1980年2月成立了IEEE802委员会，专门研究并制订有关局域网和城域网的参考模型和各种标准。89局域网的体系结构IEEE802标准遵循ISO/OSI参考模型的原则，解决最低两层（即物理层和数据链路层）的功能以及与网络层的接口服务、网际互连有关的高层功能。IEEE802LAN参考模型与ISO/OSI参考模型的对应关系：OSI参考模型IEEE

802

LAN参考模型网络层IP、IPX等网络层协议数据链路层LLC子层802.2LLC/SNAPMAC子层802.3、802.4、802.5、802.11物理层同轴电缆、双绞线、光纤、RJ-45、无线电波90局域网数据链路层的子层IPIPXAppleTalkNetBEUI802.2LLC/SNAP802.3以太网802.4令牌总线802.5令牌环网802.11无线局域网物理层数据链路层LLC子层MAC子层LLC子层：封装和标识上层协议，隔离多样的下层协议和介质。MAC子层：适应多样的传输介质，处理信道占用、编址/寻址、差错校验等。91

IEEE802标准系列：（红色字体为目前活跃的工作组）IEEE802.1

桥接/体系结构。IEEE802.2

逻辑链路控制。IEEE802.3

CSMA/CD总线访问控制方法及物理层技术规范。IEEE802.4

令牌总线访问控制方法及物理层技术规范。IEEE802.5

令牌环网访问控制方法及物理层规范。IEEE802.6

城域网访问控制方法及物理层技术规范。IEEE802.7

宽带技术。IEEE802.8

光纤技术。IEEE802.9

综合业务数字网（ISDN）技术。IEEE802.10局域网安全技术。IEEE802.11无线局域网。

IEEE802.12100BASE-VG标准IEEE802.14有线电视网（CATVBroadband）标准IEEE802.15无线个人区域网IEEE802.16宽带无线接入IEEE802.17弹性分组环IEEE802.18无线管制IEEE802.19共存IEEE802.20移动宽带无线接入IEEE802.21媒体无关切换92局域网的层次结构局域网是一个通信网，主要涉及ISO/OSI参考模型中下三层（即物理层、数据链路层和网络层）的通信功能。局域网多采用共享信道技术，所以通常不设立单独的网络层，网络层及其其它上层的功能由局域网操作系统实现。因此，局域网仅相当于ISO/OSI参考模型的物理层和数据链路层。93数据链路层的两个子层为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，802委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层：逻辑链路控制LLC(LogicalLinkControl)子层媒体访问控制MAC(MediumAccessControl)子层与接入到传输媒体有关的内容都放在MAC子层，而LLC子层则与传输媒体无关。94媒体访问控制子层（MAC子层）MAC子层的主要功能与接入各种传输介质有关的问题都放在MAC子层：在发送端将要传输的数据组装成帧，帧中包含有地址和差错检测等字段；在接收端，将接收到的帧解包，进行地址识别和差错检测；管理和控制对于局域网传输介质的访问；其中，最重要的是管理和控制对传输介质的访问。各种介质访问控制技术的特征可以由两个因素来区分：“在哪里控制”“怎样控制”95在哪里控制“在哪里控制”是指介质访问控制是集中式的还是分布式的。在集中式控制方案中需要有一个中心站或者监控站专门负责实施介质的访问控制功能，任何工作站必须得到监控站的允许后才能够向网络中发送数据；在分布式控制方案中，所有工作站共同完成介质访问控制功能，从而可以动态的决定发送数据的顺序。96集中式的介质访问控制优点：可以提供更复杂、更灵活的控制，例如多种优先级，超越优先权，按需分配带宽等；各个工作站的访问逻辑比较简单；避免了复杂的配合问题。缺点：监控站可能造成网络中的单点失效；监控站可能成为网络性能的瓶颈。97分布式的介质访问控制分布式介质访问控制的优缺点与集中式是对称的。在局域网中大多采用分布式介质访问控制。98怎样控制可分为同步式和异步式控制两种。同步式控制：对各个连接分配固定的网络带宽。这种技术应用在电路交换、频分多路和同步时分多路网络中，不适合应用在局域网中，因为工作站对网络带宽的需求是无法预见的。异步式控制：根据工作站请求的容量分配带宽。异步分配方法可进一步划分为循环、预约和竞争3种方式。

99（1）循环式循环式使每个站轮流得到发送数据的机会。所有的站按照一定的逻辑顺序传递发送权限，以保证每个工作站都能得到发送机会。这种顺序控制可能是集中式的，也可能是分布式的。当一段时间内有很多站要发送数据，这种循环方式很有效。如果长时间只有很少的站发送数据，则这种循环方式的开销太大。该问题可以用下面两种方式，即预约式和竞争式来解决，这取决于网络通信是流式的还是突发式的。100（2）预约式流式通信是指长时间连续传输，例如语音通信。预约式控制适合这种通信方式。通常，这种技术把传输介质的使用时间划分为时槽。预约也分为集中式控制和分布式控制两种。101（3）竞争式突发式通信是指短时间的零星传输，例如终端和主机之间的通信。这种通信方式适合采用竞争式分配技术。这种技术不对各个工作站的发送权限进行控制，而是由各个工作站自由竞争发送机会。这种竞争是零乱无序的，更适合分布式控制。竞争式分配的优缺点：优点：简单，在轻负载或者中等负载下效率较高。缺点：当负载很重时，其性能下降明显。……………………….102逻辑链路控制子层（LLC子层）LLC子层的主要功能 数据链路层中与媒体接入无关的部分都集中在LLC子层：建立和释放数据链路层的逻辑连接；提供与高层的接口；差错控制；给帧加上序号103局域网对LLC子层是透明的局域网网络层物理层站点1网络层物理层逻辑链路控制LLCLLC媒体访问控制MACMAC数据链路层站点2LLC子层看不见下面的局域网104以后一般不考虑LLC子层随着技术的发展，以太网在局域网市场中已完全取得垄断性地位，目前已不存在多种局域网技术并存的问题，而且，LLC是802委员会为屏蔽多种局域网之间的差异而提出的，因此，实际基于以太网的TCP/IP体系结构删除了LLC子层。很多厂商生产的网络接口卡（简称“网卡”）上就仅装有MAC协议而没有LLC协议。网卡工作在物理层和数据链路层（实际为MAC子层）。……………………….105主要局域网技术简介以太网：由Xerox公司最早开发，在Xerox、DEC、Intel公司推动下形成DIX标准。最初以太网是指同轴电缆形成的总线拓扑，随即出现由Hub实现的星型结构，以及用网桥实现的桥接式以太网和用交换机实现的交换式以太网。令牌环网：最早由IBM公司设计，被IEEE接纳，形成IEEE802.5标准。物理上是星型结构，逻辑上是环形拓扑。过于复杂已停滞发展。FDDI：利用环形拓扑的局域网技术。应用已日渐减少，存在与早期建设的网络中。无线局域网：通过射频（RF）技术实现数据传输。WLAN设备通过诸如展频或正交频分复用技术将数据信号调制在特定频率的电磁波中进行传送。IEEE802.11系列文档提供了WLAN标准。106以太网局域网技术中最著名和应用最广泛的是以太网（Ethernet），以太网具有传输速率高、网络软件丰富、系统功能强、安装连接简单和使用维护方便等优点，是目前国际上最流行的网络技术之一。以太网的是由施乐公司（Xerox）于1975年研制成功的，到1980年由DEC、Intel和Xerox三家公司联合设计了Ethernet技术规范，简称DIX规范。全球90%以上的LAN都是以太网，全球网络中以太网端口至少在32亿个以上，已安装的以太网设备高达几万亿美元。由于以太网的数据率已演进到100Mb/s、1Gb/s甚至10Gb/s，因此通常就用“传统以太网”来表示最早流行的10Mb/s速率的以太网。107以太网的结构在IP网络中，以太网作为其中一员工作在链路层；向上提供链路数据传输服务，向下需要物理层作为传输数据流的基础；在以太网链路层，可以进一步划分成如下子层：LLC和MAC子层；在以太网物理层，可以进一步划分成如下子层：PLS、PCS和PMA子层。108

1.以太网的两个标准以太网的两个标准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。109以太网物理层标准的简写名称例如：10BASE-5、10BROAD-36、100BASE-T命名方法：XType-Y分为三部分：第一部分：XX表示带宽，单位为Mbps第二部分：TypeType表示传输的信号类型，BASE表示基带信号，BROAD表示宽带信号。第三部分：YY表示以百米为单位的最大长度或者介质的类型……………………….110早期以太网技术介绍名称速率介质类型最大线缆长度10BASE510Mbps粗同轴电缆500m10BASE210Mbps细同轴电缆200m10BASE-T10Mbps双绞线100mHub10BASE5/10BASE210BASE-T111以太网集线器集线器(Hub)与主机构成物理星型拓扑集线器内部采用总线结构，任意时间只有一台主机能占用总线HostHostHostHost内部总线集线器1122.适配器的作用网络接口板又称为通信适配器(adapter)或网络接口卡NIC(NetworkInterfaceCard)，或“网卡”。网卡上装有自己的处理器和存储器。网卡的重要功能：进行串行/并行转换。对数据进行缓存。在计算机的操作系统安装设备驱动程序。实现以太网协议。数据的封装与解封。链路管理主要是CSMA/CD协议的实现。编码与译码即曼彻斯特编码与译码。1132.网卡的作用网络接口板又称为通信适配器(adapter)或网络接口卡NIC(NetworkInterfaceCard)，或“网卡”

以太网网卡114计算机通过网卡和局域网进行通信硬件地址至局域网适配器（网卡）串行通信CPU和存储器生成发送的数据处理收到的数据把帧发送到局域网从局域网接收帧计算机IP地址并行通信……………………….115最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。当初认为这样的连接方法既简单又可靠，因为总线上没有有源器件。3.3.2以太网的媒体访问控制方法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116以太网的单播与广播以太网帧中包含两个MAC地址，一个是发送者的MAC地址，称为源MAC地址，另一个是接收者的地址，称为目的MAC地址。目的为单一站点的发送称为单播；目的为全部站点的发送称为广播；目的为某一组特定站点的发送称为组播。以太网卡具有过滤功能。网卡只将发送给自己的帧接收、解封装并提交给上层协议处理，对于不是发送给自己的帧则丢弃。网卡维护一个接收地址表，表中包含自己的MAC地址、广播地址以及自己所属的组播MAC地址。117单播与广播接收地址包括本卡MAC地址、广播地址和本机所属组播组地址网卡丢弃与本卡接收地址不匹配的帧网卡解开与本卡接收地址匹配的帧，将数据递交上层处理接收DMAC=00E0.FC01.2222不接收MAC:00E0.FC01.1111MAC:00E0.FC01.2222MAC:00E0.FC01.3333接收DMAC=FFFF.FFFF.FFFF接收MAC:00E0.FC01.1111MAC:00E0.FC01.2222MAC:00E0.FC01.3333单播广播118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。119为了通信的简便

以太网采取了两种重要的措施（1）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。（2）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。不要确认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。因此，以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。差错的纠正由高层协议来完成。120剩下的一个重要问题就是如何协调总线上各计算机的工作。由于总线上只要有一台计算机在发送数据，总线的资源就被占用，因此，在同一时间只能允许一台计算机发送数据，否则各计算机之间就会相互干扰，结果大家都无法正常发送数据。这个任务交由媒体访问控制（MAC）子层来完成。剩余问题121媒体访问控制方法要解决以下几个问题：该哪个结点发送数据？发送时会不会出现碰撞？出现碰撞怎么办？在以太网中，使用的是CSMA/CD协议来解决以上问题。CSMA/CD协议是在CSMA协议的基础上发展起来的，而CSMA又是在ALOHA的基础上发展起来的。媒体访问控制要解决的问题122CSMA/CD协议CSMA/CD表示CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection，全称为载波监听多路访问/碰撞检测。“多路访问”是指多个结点共用一个共享的传输媒体。“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他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞，继续进行监听。123“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。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。碰撞检测1241kmABtt=0单程端到端传播时延记为

传播时延对载波监听的影响1251kmABt碰撞t=2

A检测到发生碰撞

t=

B发送数据B检测到发生碰撞t=t=0单程端到端传播时延记为

传播时延对载波监听的影响1261kmABt碰撞t=

B检测到信道空闲发送数据t=

/2发生碰撞t=2

A检测到发生碰撞t=

B发送数据B检测到发生碰撞t=ABABAB

t=0A检测到信道空闲发送数据ABt=0t=B检测到发生碰撞停止发送STOPt=2

A检测到发生碰撞STOPAB单程端到端传播时延记为

127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2

（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2

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。128争用期的长度以太网取512比特（64字节）时间为争用期的长度。对于10Mb/s以太网，争用期为51.2us。以太网在发送数据时，若前64字节没有发生碰撞，则后续的数据就不会发生碰撞。129最短有效帧长如果发生碰撞，就一定是在发送的前64字节之内。由于一检测到碰撞就立即中止发送，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字节的帧都是由于碰撞而异常中止的无效帧。130碰撞域（冲突域）碰撞域（collisiondomain）指一个CSMA/CD以太网区域，同一个碰撞域中的两个或多个站点同时发送数据就会产生碰撞。

CSMA/CD在碰撞域内正常碰撞检测，超出碰撞域就不能正常工作。以太网64字节及以上的帧，在一个碰撞域内可以保证正常的进行碰撞检测。若网络跨距超过碰撞域的允许范围，信号的端到端往返时延超过了争用期，就不能够正常的进行碰撞检测了。因此碰撞域限制了CSMA/CD以太网的最大网络跨距。131不同网络的最小帧长由上述分析可知，为了确保发送数据站点在传输时能检测到可能存在的冲突，数据帧的发送时延至少要两倍于传播时延。换句话说，要求分组的长度不短于某个值，否则在检测出冲突之前传输已经结束，但实际上分组已被冲突所破坏。由此引出了CSMA/CD总线网络中最短帧长的计算关系式：=2×任意两站点间的最大距离（米）信号在信道上的传播速率（通常为200m/us）最短数据帧长（bit）数据传输速率（Mbps）计算时要注意单位统一。132例1：规定最小帧的长度为512bit，传输速率为10Mb/s，电磁波在电缆中的传播速率为200m/us。局域网的最大跨距为

m。5120133例2：设某单位总线LAN,总线长度为1000米,数据率为10Mbps,数字信号在总线上的传输速度2C/3(C为光速3*108m/s),则每个信号占据的介质长度为

米.当CSMA/CD访问时,如只考虑数据帧而忽略其他一切因素,则最小时间片的长度为

μs,最小帧长度是

位?134(1)答：2c/3=2*3*108/3=2*108(m/s)1000米所需时间为T=1000/2*108=5*10-6秒T时间内可传输多少位呢？5*10-6*10*106=50bit则1000米上有50位，1位占据的介质长度为20米(2)答：最小时间片的长度=2*传播时延=2*T=10-5秒=10μs(3)答：最短数据帧长(bit)/数据传输速率(Mbps)＝2T则：最短数据帧长=数据传输速率×2T=10×106×10-5=100(b)135例3：数据率为10Mbit/s的以太网的码元传输速率是多少波特？答：以太网使用曼彻斯特编码，这就意味着发送的每一位都有两个信号周期。标准以太网的数据速率是10Mb/s，因此波特率是数据率的两倍，即20M波特。

136例4：假定1km长的CSMA/CD网络的数据率为1Gbit/s。设信号在网络上的传播速率为200000km/s。求能够使用此协议的最短帧长。答：对于1km电缆，单程端到端传播时延为：τ=1÷200000=5×10-6s=5μs，

端到端往返时延为：2τ=10μs

为了能按照CSMA/CD工作，最小帧的发送时延不能小于10μs(传输时延>=2τ)，以1Gb/s速率工作，10μs可发送的比特数等于：10×10-6×1×109=10000bit=1250字节。……………………….137帧间最小间隔以太网还规定了帧间最小间隔，为96比特时间，对于10Mb/s以太网，帧间最小间隔是9.6

s。一个站在检测到总线开始空闲后，如果在96比特时间之内仍然是空闲的，才能发送数据。这样做是为了：为了使刚刚接收到数据帧的站的接收缓存来得及清理，做好接收下一帧的准备。一个想连续发送数据的站点，在发送完当前帧后，不允许接着发送下一个帧，必须和其他站点公平竞争发送下一个帧的机会。总线在发送完一个MAC帧之后，必须回到空闲状态，以便在发送下一个帧时，能够让连接在总线上的站点能够正确检测到前导码和帧开始定界符138二进制指数退避算法在发送数据的过程中发现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次监测信道是否空闲。确定基本退避时间，一般是取为争用期2。第1次碰撞发生后，每个站点等待0或1个争用期后重试；第2次发生碰撞后，等待时间从0、1、2、3个争用期中随机选一个；第3次发生碰撞后，等待时间从0~23-1个争用期之间随机选一个；检测i