课程讲义计算机网络-第三章-数据链路层

主要内容案例引入数据链路层的基本概念点对点协议PPP多路访问控制协议以太网局域网扩展及VLAN1第一页，共108页。知识目标数据链路层的三个基本问题CPPP协议CCSMA/CD的工作原理

C以太网MAC层和MAC帧K局域网的扩展方式KVLAN的搭建和划分方法A2第二页，共108页。案例引入背景Alice给Bob的消息可以通过连接在网卡上的网线发送出去了。网线的一头连接在Alice的计算机（的网卡）上，另一头连接在交换机的一个端口上。3第三页，共108页。案例引入问题1，当网卡源源不断的发送比特串时，如果网线中的物理信号受到干扰，导致交换机端口接收到信号与发送的信号不同，进而导致转换出来的01比特位发生错误了，该怎么办？2，更严重的情况，由于突发的噪声，导致交换机端口完全没有收到网卡发送过来的比特串，该怎么办？3，Alice发送的消息太多，交换机的端口来不及处理怎么办？4第四页，共108页。案例引入如何解决？将传输的比特数据流分解成帧，对发生错误的帧进行重传或纠错引入一种差错控制的机制，让接收方在收到数据后向发送方发送确认消息引入流量控制的机制，避免发送方发送过多、过快的数据5第五页，共108页。案例引入结论需要引入一个新的协议层—数据链路层，屏蔽掉底层（物理层）的差错，从而为上层（网络层）提供良好的服务。6第六页，共108页。主要内容案例引入数据链路层的基本概念点对点协议PPP多路访问控制协议以太网局域网扩展及VLAN7第七页，共108页。数据链路层的基本概念名词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。在相邻结点间的一条链路上的通信称为点到点通信从源结点（sourcenode）到目的结点（destinationnode）的通信称为端到端通信，通信路径（path）可能由多个链路组成。数据链路(datalink)：

协议＋链路8第八页，共108页。数据链路层的基本概念名词在两个对等的数据链路层之间画出一个数字管道，其中所传输的数据单位是帧。成帧：将原始的比特流分解成若干离散的“段”中。结点结点帧帧9第九页，共108页。数据链路层的基本概念名词IP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10第十页，共108页。数据链路层的基本概念简单模型广域网广域网Alice主机

H1Bob主机

H2路由器

R1路由器

R2路由器

R3LANWLANAlice

向Bob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从层次上来看数据的流动11第十一页，共108页。数据链路层的基本概念简单模型广域网广域网Alice主机

H1Bob主机

H2路由器

R1路由器

R2路由器

R3LANWLANAlice

向Bob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12第十二页，共108页。数据链路层的基本概念数据链路层的目标在物理层提供比特流传输服务的基础上，数据链路层（DataLinkLayer）通过在通信的实体之间建立数据链路连接，传送以“帧”为单位的数据，使有差错的物理线路变成无差错的数据链路，保证点到点（point-to-point）可靠的数据传输。13第十三页，共108页。数据链路层的基本概念三个基本问题(重点)（1）封装成帧

（2）透明传输

（3）差错控制

14第十四页，共108页。数据链路层的基本概念三个基本问题

（1）封装成帧

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15第十五页，共108页。数据链路层的基本概念三个基本问题（１）封装成帧带字符填充的首尾字符定界法

SOH装在帧中的数据部分帧帧开始符帧结束符发送在前EOT16第十六页，共108页。数据链路层的基本概念三个基本问题（2）透明传输

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17第十七页，共108页。数据链路层的基本概念三个基本问题（2）透明传输的解决方法

SOHSOHEOTSOHESCESCEOTESCSOHESCESCESCSOH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SOH18第十八页，共108页。数据链路层的基本概念三个基本问题（3）差错控制差错：接收的与发送的数据不一致①随机差错：具有独立性，与前后码元无关

②突发差错：相邻多个数据位出错差错产生的原因：通信信道的噪声①热噪声：由传输介质导体的电子热运动产生，幅度较小，是产生随机差错的主要根源

②冲击噪声：由外界电磁干扰产生，幅度较大，是产生突发差错的主要根源19第十九页，共108页。数据链路层的基本概念（3）差错控制20第二十页，共108页。数据链路层的基本概念（3）差错控制—CRC示例假定

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。21第二十一页，共108页。数据链路层的基本概念（3）差错控制—CRC示例接收方进行CRC校验发送方生成CRC校验22第二十二页，共108页。数据链路层的基本概念（４）帧校验序列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区别：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。

23第二十三页，共108页。主要内容案例引入数据链路层的基本概念点对点协议PPP多路访问控制协议局域网协议实例局域网扩展及VLAN24第二十四页，共108页。数据链路层的协议实例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

机因特网的点对点协议PPP25第二十五页，共108页。数据链路层的协议实例PPP协议的帧格式标志字段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26地址字段控制字段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。

第二十六页，共108页。数据链路层的协议实例PPP协议的透明传输问题

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。当PPP用在异步传输时，就使用一种特殊的字符填充法（字节填充）。27第二十七页，共108页。数据链路层的协议实例PPP协议的透明传输问题字符填充：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。28第二十八页，共108页。数据链路层的协议实例PPP协议的透明传输问题零比特填充法：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。29第二十九页，共108页。数据链路层的协议实例PPP协议的透明传输问题信息字段中出现了和标志字段F完全一样的8比特组合01001111110001010会被误认为是标志字段F发送端在5个连1之后填入0比特再发送出去010011111010001010发送端填入0比特在接收端把5个连1之后的0比特删除010011111010001010接收端删除填入的0比特30第三十页，共108页。数据链路层的协议实例PPP协议的特点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31第三十一页，共108页。数据链路层的协议实例PPP协议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32第三十二页，共108页。主要内容案例引入数据链路层的基本概念点对点协议PPP多路访问控制协议以太网局域网扩展及VLAN33第三十三页，共108页。案例引入背景Alice在给Bob发送消息时，此时恰好Tom发给Alice的消息也到达了。34第三十四页，共108页。案例引入问题因为Alice的网卡与交换机之间只有一根网线，那么这两个消息在网线上相遇后，会发生什么情况？数据碰撞！信号失真！35第三十五页，共108页。案例引入如何解决？引入信道分配机制：在发送消息之前首先检测信道上有没有别的消息；若没有，则发送；若有，则等待一段时间再尝试发送。36第三十六页，共108页。案例引入结论Alice遇到的这种冲突问题在使用广播信道的网络中普遍存在，即要解决如何在多个竞争的用户之间分配单个广播信道的问题。在数据链路层中分出了一个介质访问控制(MediumAccessControl，MAC)子层，解决信道分配的问题。37第三十七页，共108页。信道分配策略38第三十八页，共108页。信道分配策略

最早采用争用协议的计算机网络是美国夏威夷大学的ALOHA网，该网通过无线信道将各分校的远程终端接到本部的主机上。ALOHA系统纯ALOHA系统(不需时间同步)时分ALOHA系统(需要时间同步)争用协议39第三十九页，共108页。多路访问控制

基本思想

任何用户有数据发送就可以发送；每个用户通过监听信道获知数据传输是否成功；当发现数据传输失败后，各自等待一段随机时间，再重新发送。

纯ALOHA方式中，数据可在任意时刻发送。1.纯

ALOHA(PureALOHA)

40第四十页，共108页。多路访问控制1.纯

ALOHA(PureALOHA)

冲突重发41第四十一页，共108页。多路访问控制基本思想：将时间分成时间片(即时隙T0，slot)，每个时间片可以用来发送一个帧；用户有数据要发送时，必须等到下一个时间片开始才能发送。

2.时隙ALOHA系统(SlottedALOHA，或S-ALOHA)42第四十二页，共108页。多路访问控制3.载波监听多路访问协议（CarrierSenseMultipleAccessProtocol,CSMA)43第四十三页，共108页。多路访问控制1-坚持CSMA3.载波监听多重访问协议（CarrierSenseMultipleAccessProtocol,CSMA)44第四十四页，共108页。多路访问控制3.载波监听多重访问协议（CarrierSenseMultipleAccessProtocol,CSMA)非坚持CSMA45第四十五页，共108页。多路访问控制3.带有冲突检测的CSMA（CSMA/CD）46第四十六页，共108页。CSMA/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。总线上并没有什么“载波”。因此，“载波监听”就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号。多路访问控制4.带有冲突检测的CSMA（CSMA/CD）(重点)第四十七页，共108页。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”。第四十八页，共108页。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。第四十九页，共108页。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。第五十页，共108页。1kmABt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第五十一页，共108页。1kmABt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=ABABABt=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

第五十二页，共108页。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。第五十三页，共108页。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（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。第五十四页，共108页。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2。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k10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。

第五十五页，共108页。争用期的长度以太网取51.2s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。第五十六页，共108页。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。第五十七页，共108页。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。

第五十八页，共108页。数据帧干扰信号TJ人为干扰信号ABTBtB发送数据A检测到冲突开始冲突信道占用时间A发送数据B也能够检测到冲突，并立即停止发送数据帧，接着就发送干扰信号。这里为了简单起见，只画出A发送干扰信号的情况。第五十九页，共108页。多路访问控制5.带有冲突避免的CSMA（CSMA/CA）典型的无线局域网AccessPointWireless“Cell”Channel6WirelessClientsLANBackboneChannel1AccessPointWireless“Cell”WirelessClients60第六十页，共108页。主要内容案例引入数据链路层的基本概念数据链路层的协议实例多路访问控制协议以太网局域网扩展及VLAN61第六十一页，共108页。以太网局域网—基本概念定义：在一个局部的地理范围内（如一个办公室、学校、公司等），一般是方圆几千米以内，将各种计算机，外部设备和数据库等互相联接起来组成的计算机通信网。

基本组成：服务器（主要运行服务器进程的机器）客户机（运行客户进程的机器）网络通信设备通信协议特点：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、可用性和残存性。62第六十二页，共108页。以太网局域网—拓扑结构63第六十三页，共108页。以太网1.以太网综述

以太网是一种局域网！传统以太网使用以太网交换机的以太网64第六十四页，共108页。以太网1.以太网综述

协议标准…802.3Series10BASE-510BASE-210BASE-T10BASE-F10Broad－36100BASE-TX100BASE-FX100BASE-T4Autonegotiation1000BASE-SX1000BASE-LX1000BASE-CX1000BASE-TX10GBASE-X10GBASE-R10GBASE-W802.3Ethernet802.3uFastEthernet802.3z/802.3abGigabitEthernet802.3ae10GigabitEthernet10Mbps100Mbps

1Gbps

10Gbps65第六十五页，共108页。以太网1.以太网综述

3种以太网的数据链路层和物理层66第六十六页，共108页。以太网访问共享介质时可能发生冲突1.以太网综述

67第六十七页，共108页。以太网访问共享介质/半双工：使用CSMA/CD协议1.以太网综述

68第六十八页，共108页。以太网

MAC子层的功能1.以太网综述

69第六十九页，共108页。以太网

MAC子层的硬件地址1.以太网综述

70第七十页，共108页。以太网

MAC子层的帧格式无效的MAC帧：数据字段的长度与长度字段的值不一致；帧的长度不是整数个字节；用收到的帧检验序列FCS查出有差错；数据字段的长度不在46~1500字节之间。有效的MAC帧长度为64~1518字节之间。对于检查出的无效MAC帧就简单地丢弃。以太网不负责重传丢弃的帧。1.以太网综述

71第七十一页，共108页。以太网

MAC子层的帧格式（EthernetII）1.以太网综述

72第七十二页，共108页。以太网

MAC子层的帧格式（EthernetII）1.以太网综述

73第七十三页，共108页。以太网

MAC子层的帧格式（EthernetII）1.以太网综述

74第七十四页，共108页。以太网

MAC子层的帧格式（EthernetII）1.以太网综述

75第七十五页，共108页。以太网

MAC子层的帧格式（EthernetII）1.以太网综述

76第七十六页，共108页。以太网

MAC子层的帧格式（EthernetII）1.以太网综述

77第七十七页，共108页。以太网名称电缆优点最大网段长度网段内最多节点数10Base5粗缆(10mm)适于主干网500m10010Base2细缆(5mm)适于廉价系统185m3010BaseT双绞线(0.5mm)易维护100m1(tohub)10BaseFP光纤(0.1mm)适于建筑物之间500m33分类2.传统以太网

78第七十八页，共108页。以太网2.传统以太网

79介质访问控制方法采用的是“共享介质”方式；所有结点都连接到一条作为公共传输介质的总线上；所有结点都可以通过总线传输介质以“广播”方式发送或接收数据。第七十九页，共108页。以太网连接方式之Hub2.传统以太网

80第八十页，共108页。以太网缺点与改进方案建立在“共享介质”基础上，介质访问控制方法是CSMS/CD介质访问控制方法用来保证每个结点都能够“公平”地使用公共传输介质；每个结点平均能分配到的带宽随着结点数的不断增加而急剧减少；网络通信负荷加重时，冲突和重发现象将大量发生，网络效率将会下降，网络传输延迟将会增长，网络服务质量将会下降。第一种方案：将“共享介质方式”改为“交换方式”，导致“交换式以太网”技术的发展。第二种方案：提高Ethernet的数据传输速率：10Mbps→100Mbps→10Gbps；2.传统以太网

81第八十一页，共108页。以太网3.交换式以太网

82第八十二页，共108页。一系三系二系10BASE-T至因特网100Mb/s100Mb/s100Mb/s万维网服务器电子邮件服务器以太网交换机路由器3.交换式以太网

局域网扩展以太网第八十三页，共108页。以太网4.快速以太网(FastEthernet)84第八十四页，共108页。以太网分类2对5类UTP2芯光纤4对3类UTP4.快速以太网(FastEthernet)85第八十五页，共108页。以太网自动协商（AutoNegotiation）

4.快速以太网(FastEthernet)86第八十六页，共108页。以太网组网实例4.快速以太网(FastEthernet)87第八十七页，共108页。以太网4.千兆以太网(FastEthernet)-概述88第八十八页，共108页。以太网分类多模光纤多模或单模光纤短距离平衡型铜缆短距离平增强型5类(超5类)或6类UTP4.千兆以太网(FastEthernet)89第八十九页，共108页。以太网4.千兆以太网(FastEthernet)-关键技术90第九十页，共108页。以太网组网实例4.千兆以太网(FastEthernet)91第九十一页，共108页。以太网5.万兆以太网(10GE)92第九十二页，共108页。以太网5.万兆以太