计算机网络原理及应用 课件 模块四：主题3帧格式与操作

构筑网络共享平台-局域网技术计算机网络原理及应用课前回顾课前评估你知道网卡工作的层次吗？课前评估网卡的结构是怎样的？A.缓冲存储器的作用是并串转换B.控制器进行逻辑实现以及介质访问控制C.EPROM存的是网卡的硬件地址D.收发器是收发信号，并进行转换课前评估1．在Windows的DOS界面中，使用ipconfig/all命令查看到你自己笔记本网卡的PhysicalAddress（物理地址）并记录下来，并对其组成情况进行简单描述。你在哪里见过我的硬件地址？课前评估2．IP地址是__________层上使用的地址，物理地址是__________层使用的地址，这两类地址都具有唯一性。根据下图说明可否用IP地址或MAC地址来标识网络中的一台主机？地址都具有唯一性课前评估3．IP地址如同邮政通信地址（可以改变），物理地址如同人的姓名（一般不可改变）。设想一下，如果只通过人的姓名，你能知道他住在哪里吗?__________；如果邮递员只有邮政通信地址，能将信件正确投递到特定的人吗?_________。作为类比，在Internet中能否只使用IP地址或物理地址来进行通信？网络中通信应该使用哪类地址？主题3：以太网帧的格式与操作学习目标知识目标本节目标掌握以太网帧结构。掌握数据链路层差错控制的常见方法。了解数据链路层流量控制的基本方法。掌握数据帧可靠传输机制。通过分析数据帧的结构，让学生进一步理解协议的内涵，引导学生逐步树立规则规矩意识。素质目标技能目标能够使用网络协议工具捕获并分析以太网帧。以太帧结构10

你是如何理解业精于勤荒于嬉笑，行成于思毁于随？帧：数据链路层协议数据单元（PDU），封装⽹络层的数据包。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，确定帧的界限。可以简单地设想为是沿着两个数据链路层之间的⽔平⽅向把帧直接发送到对⽅。以太帧结构11

用于节点或设备的物理寻址。MAC地址，12个字节指明高层可以使用的协议。类型字段，2个字节包含多少数据。数据字段，46~1500字节检查数据是否出错。FCS字段，采用CRC-32方法，4个字节以太帧结构12

请指出以太网帧包含的语法、语义、同步等内容请说出以太网帧使用何种同步技术为什么以太⽹MAC帧没有帧结束定界符？庐山“帧”面目13

帧结构分析全局单播MAC地址以太网Ⅱ帧设置上限原因接收端的缓存空间是有限的，每次发送的数据不能太长发送数据太长的话，一旦发送失败，损失很大每个终端不能一次占用时间太长类型字段为IP帧的长度范围：帧头（6+6+2）+数据（46~1500）+FCS（4），即64~1518字节以太网帧结构14

考研考点：全国统考有涉及，院校自主命题未涉及。差错控制

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差错的概念：若传输过程中，出现1变为0或0变为1的情况，称比特差错。通信过程中出现的差错可大致分为两类①信道固有的、持续存在的随机热噪声，所造成的错误称为随机错误，是孤立的单比特错误，影响全局；②由外界特定的短暂原因（如电磁干扰）产生的冲击噪声，而导致的突发错误，影响局部。误码率：在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比率。在计算机网络传输数据时，除提高信噪比外，须采用各种差错控制措施。差错控制方法

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差错控制：是指在数据通信过程中发现或纠正差错，并把差错限制在允许范围内（误码率）的技术和方法。差错编码：是指数据信息位在向信道发送之前，先按照某种关系附加上一定的冗余位，构成一个码字后再发送。自动请求重发（AutomaticRepeatreQuest，ARQ）前向纠错（ForwardErrorCorrection，FEC）混合纠错（HybridErrorCorrection，HEC）。差错校验：是指接收端收到该码字后，通过检查信息位和附加冗余位之间的关系判定传输过程中是否有差错发生。检错码：奇偶校验码、循环冗余校验码以及校验和等。纠错码，如海明码等。海明码

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特点：能且只能纠正一位错误思想：在k个信息位的基础上加上r个冗余位，构成n=k+r位的码字;

r与k满足关系式：2r≥k+r+1，其中某个冗余位与某几个信息位构成偶校验的关系;接收端对这r个偶关系进行校验，即将每个冗余位和与它相关联的信息位进行异或运算，相异或的结果称为校正因子；如果没有错的话，这r个校正因子都为0；如果有一个错则校正因子不会全为0，根据校正因子的不同取值，可以知道错误发生在码字的哪一个位置上。海明码

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举例：数据“1010”的海明码的编码及校验确定海明码的位数：根据2r≥k+r+1，k=4，则r=3，海明码位数n=k+r=7构造海明码：在7位（H7H6H5H4H3H2H1

）海明码中，4个信息位（D4

D3D2D1）和3个冗余位（r2r1r0）的对应关系如下确定校验位的分布：规定校验位Pi

在海明位号为2i-1的位置上，其余各位为信息位信息位冗余位r2r1r0海明码位H7H6H5H4H3H2H1

码字中的位置7654321校验码P31P2P1海明码位H7H6H5H4H3H2H1

码字中的位置7654321海明码

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分组形成校验关系：被检验数据位的海明位号等于校验该数据位的各校验位海明位号之和校验码D4D3D2

P3D1P2P1海明码位H7H6H5H4H3H2H1

码字中的位置7654321海明码

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确定校验位的取值：校验位Pi

（校验因子）的值为第i组的所有位求异或形成的海明码：1010对应的海明码为10100

1

0（下划线为校验位）运算规则：同为0，异为1海明码

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海明码的校验：每个检验组分别利用校验位和参与形成该校验位的信息位的奇偶校验检查，构成k个检验方程。若S1S2S3

的值为“000”，则说明无差错；否则说明出错，且这个数即是错误位的位号。如S1

S2S3

的取值为“001”，说明第1位出错，即H1

出错，将该位取反即可达到了纠错的目的。海明码

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海明码的纠错能力：当海明距离d较大时，纠错所用的差错控制开销远远大于检错的开销。课堂练习：海明码中信息位为7位，接收端收到的码字为11110111011，请问此码字是否出错，并求发送端发送的信息。奇偶校验码

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原理：在7位ASCII代码后增加一位，使得码字中“1”的个数恒为奇数或偶数。奇偶校验码

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垂直冗余校验：能检测出每列中所有奇数位错，但检测不出偶数位错。水平奇偶校验：能发现长度小于字符位数的突发性错误。奇偶校验码

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水平垂直奇偶校验：不但能发现所有1位、2位或3位的错误，而且能发现某一行或某一列上的所有奇数个错误。循环冗余码

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循环冗余码

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发送方在发送的数据后面添加供差错检测用的n位冗余码一起发送。。CRC采用二进制模2（异或）运算。接收方对收到收到的每一帧进行CRC，判断数据帧是否产生了误码。...⚫⚫⚫⚫⚫⚫✓R=0✓R≠0⚫⚫⚫⚫⚫⚫循环冗余码

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CRC计算举例。

11010010001构造“被除数”待发送数据后面添加生成多项式最高次数个02构造“除数”生成多项式各项系数构成的比特串作为除数11013做“二进制模2除法”相当于对应位进行逻辑异或运算11101⊕111011101⊕111001110111⊕00101101⊕4检查“余数”余数的位数应与生成多项式最高次数相同，如果位数不够，则在余数前补0来凑足位数。00001101001发送循环冗余码

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CRC校验。

1构造“被除数”接收到的信息作为被除数2构造“除数”生成多项式各项系数构成的比特串作为除数3做“二进制模2除法”相当于对应位进行逻辑异或运算4检查“余数”余数为0，可认为传输过程无误码；余数不为0，可认为传输过程产生了误码。10110100111011100101101⊕11001101⊕111101⊕1100余数不为0可认为传输过程产生了误码！循环冗余码

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CRC的检错能力。检测出大多数常见的错误类型，如单比特错误、双比特错误、奇数位错误以及小于等于校验位长度的突发错误等校验的冗余码的位数越多，检错能力就越强，但额外的传输开销和计算开销也相应地变得更大。广泛使用的生成多项式有3种

差错控制

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考研考点：全国统考未涉及，院校自主命题有涉及。1.数据链路层采用CRC进行校验，生成多项式为G(X)=x3+1，待发送比特流为10101010，则校验信息为（

）。【2017北京邮电大学】A．101 B．110 C．100

D．0102.采用海明码纠正1个比特差错，若信息位为6位，则冗余循环位至少应为（

）位。【2012中国科技大学】A．1 B．2 C．4 D．8流量控制

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目标在于控制发送端的数据发送能力，使之不能超过接收端的数据接收能力。简单的停等协议。复杂的滑动窗口协议。流量控制

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简单的停等协议基于固定速率的流量控制。复杂的滑动窗口协议。思想：发送数据前预定好固定的数据帧传输速率。优点：流量控制方法很容易实现。缺点：可能导致低效的传输效率和带宽资源的浪费。代价：发送方在发送每个数据帧之后等待接收方的确认思考：简单停等协议的信道利用率是多少？流量控制

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滑动窗口流量控制发送窗口（WT）：发送端维持一组连续的允许发送帧的序号。流量控制

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滑动窗口流量控制接收窗口（WR）：接收方维持一组连续的允许接收帧的序号。只有接收窗口向前滑动(同时接收方发送了确认)时，发送窗口才可能(只有发送端收到确认后)向前滑动可靠传输控制

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概念：数据在传输过程中不出错、不丢失、不乱序、不重复。机制：确认（累积确认-返回ACK，捎带确认-ACK搭载在反向数据中）和重传（超时定时器）机制来实现可靠传输控制

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差错控制停-等协议情况（d）可能出现重复帧：让一个数据帧携带上不同的发送序号（一个比特的编号就可以了）WT=WR=1可靠传输控制

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差错控制停-等协议信道利用率分析确认帧ACK的长度远小于数据帧的长度，因此TA<<TD例：一条数据传输率为2Mbit/s的卫星链路，从发送方的地面站发送一帧8000比特到接收方的地面站，然后接收方返回ACK到发送方的往返时间RTT为500ms。

TA=8000÷（2╳106）=4（ms），RTT=500（ms）U≈4÷（4+500）≈0.8%（信道利用率非常低）可靠传输控制

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连续ARQ协议在停-等协议的基础上，利用发送窗口来限制发送方连续发送数据帧的个数。发送方发送窗口：允许发送方已发送但还没有收到确认的数据帧序号的范围，窗口的大小就是发送方已发送但还没有收到确认的最大数据帧个数。主要改进之处：发送方可连续发送多个数据帧，不必每发送一个数据帧就停下来等待接收方的确认。可靠传输控制

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连续ARQ协议工作原理。发送方连续发送0~67帧后停发，设置超时计算器；接收方只能按序接收数据帧，成功接收0~1帧，发送确认帧ACK1(累积确认），接收窗口向前移动；检测到2帧出错后，重发ACK1，防止ACK1丢失；发送方2帧超时计时器到后，重发2~6帧。虽然发送方已经发完了6号数据帧，但仍必须回退，将2号数据帧及后续的3、4、5、6号数据帧全部重传。正因为如此，连续ARQ协议又称为Go-Back-N（GBN）ARQ协议，即回退N帧ARQ协议。可靠传输控制

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连续ARQ协议连续ARQ的发送窗口与接收窗口。序号字段的长度为k比特，则帧的序号空间为[0,2k-1]。发送方一次连续发送的帧数量小于等于2k-1，则能保证后退N帧协议在任何情况下都不会出现差错。接收方只需要维持一个接收窗口，即WR=1。。这个图中序号空间为0~7（8个），但发送数据帧的数量只能小于等于7个。可靠传输控制

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连续ARQ协议连续ARQ的信道利用率。流水线传输，能获得很高的信道利用率。设连续ARQ协议的发送窗口为n，当nTD<TD+RTT+TA，即在一个发送周期内可以发送完n个数据帧，信道利用率为：当nTD≥TD+RTT+TA：即在一个发送周期内发不完（或刚好发完）n个数据帧，只要不发生差错，发送方就可不间断地发送数据帧，信道利用率为1。可靠传输控制

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选择重传协议后退N帧协议必须重传出错数据帧以后的所有帧，从而造成信道带宽的浪费。选择重传（SelectiveRepeat，SR）ARQ协议只重传出现差错的数据帧。需要对每个正确接收的数据帧逐一确认。可靠传输控制

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选择重传协议工作原理：每个发送缓冲区对应一个计时器，当计时器超时后，缓冲区的数据帧就重传。另外，SR还采用了更有效的差错处理策略，即一旦接收方检测到某个数据帧出错，就向发送方立即发送一个否定帧NAK，要求发送方立即重传（不需要等待超时，加快重传速度，提高信道利用率）NAK指定的数据帧。可靠传输控制

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选择重传协议SR发送窗口与接收窗口的选择：条件①，采用n比特对数据帧编号，WR+WT≤2n；条件②，WR≤WT（否则，若接收窗口大于发送窗口，接收窗口永远无法填满，接收窗口多出的空间就意义）；WR≤2n-1。一般情况下，WR

和WT

的大小相同。可靠传输控制

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关于累积确认和逐一确认数据链路层使用后退N帧（GBN）协议，发送方已经发送了编号0~7的帧