数据通信与计算机网络(第4版)电子教案 第5章 数链层

1数据通信与计算机网络

（第4版）

杨心强陈国友编著

电子工业出版社

2012年5月课件制作人声明本课件是《数据通信与计算机网络》(第4版)的教辅材料，共12个Powerpoint文件(每章一个)。任课教师可根据教学的实际需要，自行修改或增删其内容，但不能自行出版销售。对于课件中存在的缺点和错误，欢迎读者提出宝贵意见，以便及时修订。

课件制作人杨心强 2012年5月2

3数据通信与计算机网络

第5章数据链路层第5

章数据链路层教学目的掌握两种类型信道的数据链路层的基本概念了解点对点信道的三个基本问题——帧定界、透明传输和差错检测掌握点对点信道数据链路层PPP协议的基本内容了解局域网的体系结构了解IEEE802标准学习内容数据链路层概述点对点信道的三个基本问题点对点信道的数据链路层协议广播信道的数据链路层IEEE802标准

4第5章：内容提纲5.1

数据链路层概述5.2点对点信道的三个基本问题5.3点对点信道的数据链路层协议5.4广播信道的数据链路层5.5IEEE802标准

5

5.1数据链路层概述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的信道。广播信道。使用一对多的广播通信方式的信道。广播信道上连接的主机很多，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，因此通信过程比较复杂。

65.1数据链路层概述(续1)

7局域网广域网主机

H1主机

H2路由器

R1路由器

R2路由器

R3电话网局域网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主机H1向H2发送数据5.1数据链路层概述(续2)

8局域网广域网主机

H1主机

H2路由器

R1路由器

R2路由器

R3电话网局域网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帧是数据链路层的协议数据单元。帧由首部、数据部分和尾部组成。首部含有帧的控制信息(如地址、控制等)，尾部包含帧校验序列，数据部分作为存放IP数据报的数据域。

5.1数据链路层概述(续3)物理链路与数据链路物理链路

(link，链路)指相邻两结点之间无源的物理线路段，中间没有任何其他的交换结点。当两台计算机通信时，其通路是由多条链路串接构成的，这说明一条链路只是一条通路的一个组成部分。数据链路(datalink，逻辑链路)由物理线路以及实现通信协议的硬件和软件组成的。数据链路层协议(即链路控制规程)是在不太可靠的物理链路上实现可靠的数据传输所必不可少的。网络适配器(即网卡)来实现这些协议的硬件和软件，一般它具有数据链路层和物理层这两层的功能。

95.1数据链路层概述(续4)

10物理链路与数据链路的区别

调制解调器数据链路链路结点交换机链路控制链路控制结点交换机

调制解调器5.1数据链路层概述(续5)讨论数据链路层时，通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。数据链路层在物理层提供服务的基础上向网络层提供服务。其基本任务是：把网络层下传的IP数据报封装成帧往下传给物理层，从物理层接收到的无差错帧中提取IP数据报上交给网络层，对差错帧则将其丢弃。

11结点结点帧帧5.1数据链路层概述(续7)数据链路层的主要功能链路管理数据链路的建立、维持和释放。帧定界接收方应当从收到的比特流中准确地区分出一帧的开始和结束，即确定帧的边界位置。透明传输任意的比特组合数据均可正确传输流量控制其实质是控制发送方的发送数据速率，不应超过接收方所能承受的能力。差错检测通常采用发送端对被传输的比特流后面附加差错检测码，接收端重新计算检测码，两者进行比较，判别差错存在与否。

12第5

章：内容提纲5.1数据链路层概述5.2点对点信道的三个基本问题5.3点对点信道的数据链路层协议5.4广播信道的数据链路层5.5IEEE802标准

13

5.2点对点信道的数据链路层

5.2.1帧定界点对点信道的数据链路层协议要解决三个基本问题帧定界透明传输差错检测

145.2.1帧定界(续1)帧定界(framing)就是从传送的比特流中正确地区分出帧的边界。

15帧结束帧首部IP数据报帧的数据部分帧尾部

MTU数据链路层的帧长从这里开始发送帧开始5.2.1帧定界(续2)帧定界采用的几种方法⑴

字节填充法采用一些特定的控制字符来定界一帧的开始和结束。

16SOH装在帧中的内容帧帧开始符帧结束符发送在前EOT标志装在帧中的内容标志发送在前帧5.2.1帧定界(续3)一个值得考虑的问题若传送的数据中出现控制字符，则采用插入一个转义字符“ESC”(1BH)来解决。如果转义字符也出现数据当中，应在转义字符前面再插入一个转义字符。在接收端应删除其插入的转义字符。

17SOHSOHEOTSOHSOHESCESCEOTESCSOHESCESCESCSOH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5.2.1帧定界(续4)⑵比特填充法采用一特定的比特组合01111110来定界一帧的开始和结束，是目前最常用的方法。采用“零比特插入、删除”技术来解决传送的数据信息中出现特定比特组合的问题。

18011011111101111111111110010011011111

010111110111110110010被插入的零比特(a)原始数据的帧格式(b)线路上传送的数据的帧格式(d)恢复后的数据的帧格式011011111101111111111110010011011111

010111110111110110010被删除的零比特(c)接收端将插入的零比特删除5.2.1帧定界(续5)⑶字节计数法采用一特定字符来表示一帧的开始，随后使用一个字节计数字段指明该帧所要求传输的字节数。此法存在的问题在于字节计数值在传输过程中出现错误，就无法确定帧的结束边界。⑷非法比特编码法采用非法编码作为帧的边界。此法仅适用于物理媒体上采用特定比特编码的场合。例如，在局域网中采用双相码传输时，每个码元的中点都存在电平跳变。显然，对于码元中点不发生电平跳变的比特编码就属于非法比特编码，这种非法比特编码就可用作帧的定界。

195.2.1帧定界(续6)小结字符填充法与特定的字符编码集的关系过于密切，而且实现较为复杂。字符计数法的字节计数字段的传输正确至关重要，否则，其错误会影响本帧和下一帧。非法比特编码法只适用于采用冗余编码的特殊编码环境，而且对比特编码的码型有一定的要求。目前较常用的是比特填充法。需指出的是，随着通信线路性能的改善，许多数据链路层协议又出现将字节计数法与其他某一种方法联合使用，以提高其安全性。

205.2.2透明传输透明传输是指不管链路上传输的是何种形式的比特组合，都不会影响数据传输的正常进行。在字节填充法中，采用字节填充技术。被填入的字节是转义字节(ESC)。在比特填充法中，采用“零比特插入、删除”技术。如插入特定的比特组合“01111110”。在字节计数法中，采用字节计数字段指明所要传输的字节数。

215.2.3差错控制数据信号在传输过程中可能会产生差错：1可能会变成0，而0也可能变成1。误码率BER(BitErrorRate)是衡量传输差错的度量指标。该指标表示：在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比率。误码率与信噪比有着很大的关系。为了保证数据传输的可靠性，在计算机网络传输数据时，必须采用各种差错检测措施。循环冗余检验CRC是数据链路层被广泛采用的一种差错检测技术。

225.2.3差错控制(续1)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”。这也就是说：“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。

23第5章：内容提纲5.1数据链路层概述5.2点对点信道的三个基本问题5.3点对点信道的数据链路层协议5.4广播信道的数据链路层5.5IEEE802标准

24

5.3点对点信道的数据链路层协议

5.3.1

数据链路层协议概述数据链路控制协议又称链路控制规程。链路控制协议可分为异步协议和同步协议两大类。表5-1列出了几种常用的数据链路层协议。

25协议名称信息块长度(字节)差错检测发送机制媒体访问机制

异步

协议Xmodem1328位校验和停等ARQ受控访问Xmodem-CRC1328位CRC停等ARQ受控访问Xmodem-1K10288位CRC停等ARQ受控访问Zmodem视信息长度而异32位CRC连续ARQ受控访问

同步

协议SDLC视信息长度而异16位CRC连续ARQ受控访问HDLC视信息长度而异16位CRC连续ARQ受控访问Ehternet视信息长度而异32位CRC停等ARQ争用访问PPP视信息长度而异16位CRC连续ARQ全双工5.3.1数据链路层协议概述(续1)在通信线路质量较差的年代，数据链路层使用可靠传输协议是一种较好的选择。因此，能实现可靠传输的高级数据链路控制HDLC(High-LevelDataLinkControl)就成为当时流行的数据链路层协议。随着技术的进步和通信线路质量的改善，现在HDLC协议已很少使用。对于点对点信道，简单可行的PPP协议已成为因特网广泛使用的数据链路层协议。

265.3.2PPP协议用户接入因特网的有多种方式，但它们都是通过某种接入网连接到因特网服务提供商ISP才接入因特网。

27用户至因特网已向因特网管理机构申请到一批

IP地址因特网服务提供者ISPPPP

协议接入网5.3.2PPP协议(续1)用户使用拨号电话线接入因特网时，一般都是使用PPP(Poine-to-PointProtocol)协议。在PPP协议出现之前，因特网早在1984年就开始使用一个简单的面向字符协议SLIP协议，但SLIP存在不少缺点。1992年制订了点对点协议PPP。后经修订现已成为因特网的正式标准。制订PPP协议的要求：设计简单；在帧封装、透明传输、差错检测、检测连接状态、支持多种网络层协议和多种类型链路、最大传送单元、网络层地址协商和数据压缩协商等方面也有明确的需求。但明确不再设置纠错控制、流量控制、编制序号、只支持点对点的全双工链路通信等功能。

285.3.2PPP协议(续2)PPP协议的组成①一个将IP数据报封装到串行链路的方法。它既支持异步链路，也支持面向比特的同步链路。②一个用来建立、配置和测试数据链路连接的链路控制协议LCP(LinkConlrolProtocol)。该协议允许通信双方协商一些配置选项。③一组网络控制协议NCP。其中的每一个协议支持不同的网络层协议，如IP，OSI网络层，DECnet等。

295.3.3

PPP协议的帧格式PPP协议的帧格式(同HDLC)

30IP数据报1211字节12≤1500字节PPP帧先发送FACFCSF协议信息部分首部尾部标志字段F(0x7E)作为PPP帧的定界符，表示一帧的开始或结束。地址字段A(0xFF)表示所有的站均可接收此帧。5.3.3

PPP协议的帧格式(续1)控制字段C(0x03)表示这是一个无序号帧。协议字段(2字节)指明信息字段含有的数据属于哪一种网络层协议。当协议字段为0x0021时，PPP帧的信息字段就是IP数据报。若协议字段为0xC021,则信息字段是链路控制协议LCP的数据。若协议字段为0x8021，则表示这是网络控制数据。信息字段用来存放网络层下传的数据，其长度小于1500字节。帧校验字段FCS规定使用CRC帧校验序列。

315.3.3

PPP协议的帧格式(续2)透明传输的实现

⑴在同步传输时，采用硬件来完成比特填充，即“零比特插入、删除”技术。

⑵在异步传输时，采用一种特殊的字符填充法。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，起到“转义”作用，同时将该控制字符的编码加以改变。例如，ETX的代码0x03要转换为2字节序列(0x7D，0x23)。

325.3.3

PPP协议的帧格式(续3)PPP协议不使用序号和确认的可靠传输机制，其理由是：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。

335.3.4

PPP协议的状态图当用户拨号接入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，和进行网络层配置，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。

345.3.4

PPP协议的状态图(续1)

35设备之间无链路链路静止链路建立鉴别网络层协议链路打开链路终止物理链路LCP链路已鉴别的LCP链路已鉴别的LCP链路和NCP链路物理层连接建立LCP配置协商鉴别成功或无需鉴别NCP配置协商链路故障或关闭请求LCP链路终止鉴别失败LCP配置协商失败第5

章：内容提纲5.1数据链路层概述5.2点对点信道的三个基本问题5.3点对点信道的数据链路层协议5.4广播信道的数据链路层5.5IEEE802标准

36

5.4广播信道的数据链路层

5.4.1局域网概述广播信道使用一对多的通信方式，不同于点对点通信，其典型应用是局域网。局域网使用一对多通信方式的广播信道。局域网是指在较小地理区域范围内，将计算机、数据通信设备通过通信线路互连在一起的通信网络。局域网的特点：覆盖的地域范围较小，一般在10km以内；通信速率较高，可达10～100Mb/s，最高可达Gb/s级；通信时延小，通信误码率低，一般在10-8～10-11；通信方式灵活，既可单播，也可多播和广播；便于系统安装、扩展和维护；性能价格比较高。

375.4.1局域网概述(续1)局域网的分类按拓扑结构

38(b)环形(a)星形中心结点(集线器)干线耦合器(d)树形匹配电阻(c)总线形按是否拥有专用服务器

目前，拥有专用服务器的局域网占局域网市场的90%5.4.1局域网概述(续2)局域网的传输媒体双绞线同轴电缆光纤局域网的技术性能主要取决于拓扑结构、传输媒体和信道访问控制方式。以太网局域网市场中已占绝对优势，因此以太网已成为局域网的同义词。局域网的应用范围很广，已应用于各个领域。尤其是宽带局域网更具有广阔的应用前景。

395.4.2局域网的体系结构

40以OSI模型的观点，局域网是一个计算机通信网，它只具有最低的三个层次。物理层涉及具体的物理连接以及在物理媒体上比特流的透明传送。数据链路层须具有接入多种传输媒体的访问控制方法，因此被划分成两个子层，即媒体接入控制MAC子层和逻辑链路控制LLC子层。由于因特网TCP/IP体系使用的是DIXEthernetV2标准，因此现已不再考虑LLC子层。

5.4.2局域网的体系结构(续3)1、MAC子层的地址MAC子层地址是局域网上每一个站的编号或标识符，也就是计算机的硬件地址。IEEE802标准规定：网上每一个站都由网络管理员分配一个长度为48位的全局地址或者用户自行分配一个16位的局部地址。为便于用户在买到网卡就能上网，用户也可先设定一个16位网络地址。RAC是局域网全局地址的法定管理机构，它仅负责地址字段的前三个字节(即高24位)。后三个字节(即低24位)则由制造商自行指配，称为扩展标识符。用这种方式得到的48位地址称为MAC-48，其通用名称是EUI-48，它被固化在适配器的ROM中。

415.4.2局域网的体系结构(续4)IEEE802规定：地址字段第一字节的最低位I/G位是单播/多播位。I/G=0表示单站地址，I/G=1表示组地址。地址字段第一字节的次低位G/L位是全球/局部位。G/L=0表示全球管理，G/L表示局部管理。请注意：对于地址字段字节最低位的认定，802.5和802.6标准将每一个字节的高位写在最左边，而802.3和802.4标准则将每一个字节的高位写在最右边。

425.4.2局域网的体系结构(续5)2、MAC帧的格式常用的以太网MAC帧有两种标准：DIXEthernetV2标准(即以太网V2标准)和IEEE802.3标准。这两个标准只有很少的差异。目前市场上流行的都是以太网V2标准。

43MAC层物理层帧起始定界符10101011前导码P字节目的地址

FCS源地址类型数据以太网V2MAC帧网络层646～150046271MAC帧发送在前1010101010┅1010101010IP数据报5.4.2局域网的体系结构(续6)DIXEthernetV2标准规定：MAC帧由五个字段组成。

44MAC帧物理层MAC层IP层以太网V2MAC帧目的地址源地址类型数据FCS6624字节46~1500IP数据报目的地址字段6字节5.4.2局域网的体系结构(续7)DIXEthernetV2标准规定：MAC帧由五个字段组成。

45MAC帧物理层MAC层IP层以太网V2MAC帧目的地址源地址类型数据FCS6624字节46~1500IP数据报源地址字段6字节5.4.2局域网的体系结构(续8)DIXEthernetV2标准规定：MAC帧由五个字段组成。

46MAC帧物理层MAC

层IP层目的地址源地址类型数据FCS6624字节46~1500IP数据报类型字段2字节类型字段用来标志上一层使用的是什么协议，以便把收到的MAC帧的数据上交给上一层的这个协议。5.4.2局域网的体系结构(续9)DIXEthernetV2标准规定：MAC帧由五个字段组成。

47MAC帧物理层MAC层IP

层以太网

V2

MAC帧目的地址源地址类型数据FCS6624字节46~1500IP数据报数据字段46~1500

字节数据字段的正式名称是MAC客户数据字段最小长度64字节

18字节的首部和尾部=数据字段的最小长度

5.4.2局域网的体系结构(续10)DIXEthernetV2标准规定：MAC帧由五个字段组成。

48采用CRC-32，FCS字段4

字节MAC帧物理层MAC层IP层以太网

V2

MAC帧目的地址源地址类型数据FCS6624字节46~1500IP

数据