计算机网络与通信课件第4章

1、第 四 章 数据链路层,4.1 数据链路层1、物理链路与数据链路,物理链路(link)：就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。 数据链路(data link) ：逻辑链路。发送结点到接收结点用于数据传输的一条通路。除必要的物理链路，还需通信协议来控制这些数据的传输。 常使用适配器实现，包括了数据链路层和物理层这两层的功能。 物理链路常采用复用技术，此时可能含多条数据链路,数据链路层的简单模型,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,主机 H1 向 H2 发送数据,从层次上来看数据的流动,数据链路层的简单模型,局域

2、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,主机 H1 向 H2 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,R1,R2,R3,H1,H2,仅从数据链路层观察帧的流动,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,(a),(b),发送,接收,链路,IP 数据报,1010 0110,帧,装入,数据链路层传送的是帧,数据链路层像个数字管道,常常在

3、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。,2、数据链路层的主要功能,封装成帧 帧同步：帧同步是指收方应当能从收到的比特流中准确地区分出一帧的开始和结束在什么地方。 (3)透明传输：所谓透明传输就是不管所传数据是什么样的比特组合，都应当能够在链路上传送,(4) 链路访问控制：媒体访问控制（MAC） (5)物理寻址: 在多点连接的情况下，必须保证每一帧都能送到正确的目的站。收方也应知道发方是哪一个站。 (6)流量控制：实时地控制发方发送数据的速率。 (7)差错控制

4、：保证以最低的比特差错率传送数据。 (8) 链路管理：根据结点通信情况配置数据链路层。 面向连接、无连接确认、无连接不确 认服务,4.2 帧与成帧,1、帧的基本格式,地址,帧的数据部分,帧结束, MTU,帧首,帧起始,长度/类型/控制,FCS,帧尾,2、成帧,(1) 基于字符的成帧：帧的信息字段为整数字节 例： 透明传输,STX：02,可显示字符,帧,帧开始符,帧结束符,ETX:03,STX,ETX,STX,DLE,DLE,ETX,DLE,DLE,可含控制字符,10,(2) 基于比特的成帧：,帧首部和尾部为特定比特的组合。 透明传输： 如：帧起始和帧结束为：01111110。 帧中出现5个连续

5、的1，就会自动插入一个0,4.3 自动重传请求协议(ARQ),流量控制：防止拥塞、避免死锁、合理分配网络资源 全网流量控制：传输层 点对点流量控制：链路层 接收缓冲区受限,在接收结点： 等待； 收到数据帧，放入接收缓冲区； 数据帧上交主机； 向发送结点发确认信息 转到。,在发送结点： 从主机取一个数据帧； 发送缓冲； 将发送缓冲区中的数据帧发送出去； 等待； 受到确认信息，则从主机取一个新的数据帧，然后转到。,1、停止等待协议 （stop and wait）,(a)正常情况 (b)数据帧出错 (c)数据帧丢失 (d)应答帧丢失,数据帧在链路上传输的几种情况,死锁,太长，浪费时间,太短， 收到确

6、认前重发,重复帧,增加发送序号（1位） 丢弃重复帧,停止等待协议的算法,在发送结点： 从主机取一个数据帧。 V(S)0； 发送状态变量初始化 N(S)V(S)；将发送状态变量的数值写入发送序号 将数据帧送交发送缓冲区。 将发送缓冲区中的数据帧发送出去。 设置超时定时器。 选择适当的超时重发时间t0ut 等待。 等待以下3个事件中最先出现的一个 若收到确认帧ACK，则：从主机取一个新的数据帧； V(S) 1-V(S)； 更新发送序号 转到 。 若收到否认帧NAK， 则转到。 重发数据帧 若超时定时器时间到，则转到。 重发数据帧, V(R)0；接收状态变量初始化，其数值等于发送序号 等待。 当收到

7、一个数据帧，就检查有无产生传输差错（如用CRC)。若检查结果正确无误，则执行后续算法；否则转到 。 若N(S)V(R)，则执行后续算法； 收到发送序号正确的数据帧 否则丢弃此数据帧，然后转到 。 将收到的数据帧中的数据部分送交主机。 V(R) 1-V(R)。 更新接收状态变量，准备接收下一个数据帧 发送确认帧ACK，并转到。 发送否认帧NAK，并转到。,在接收结点：,链路利用率,链路利用率：E=tf/(2tp+tf)= 1/(2a+1) a= tp/tf=（线路长度/信号传播速度）/（帧长/发送速率）,2、后退N帧ARQ,（1）工作过程：无需等待应答，允许发送多帧,连续发送数据帧而提高了效率，

8、 重传时必须把原来已正确传送过的数据帧进行重传(仅因这些数据帧之前有一个数据帧出了错)，这种做法又使传送效率降低。 若传输信道的传输质量很差因而误码率较大时，连续ARQ协议不一定优于停止等待协议。,利弊分析：,(2)滑动窗口协议,发送端没有收到确认信息前不能无限制地发送 数据帧。这是因为： 当未被确认的数据帧的数目太多时，只要有一帧出了差错，就可能要有很多的数据帧需要重传，增大开销。 为了对所发送出去的大量数据帧进行编号，每个数据帧的发送序号也要占用较多的比特数，这样又增加了一些不必要开销。,发送窗口：允许未确认的数据帧的最大值,(a)允许发送0号至4号帧；(b)允许发送1号至5号帧；(c)允

9、许发送4号至0号帧,用于控制发送端的发送速率,不必每收到一个数据帧就发回一个确认帧,落入接收窗口内才允许收下数据帧,接收窗口,(3) 发送窗口的最大值问题,设发送窗口WR8。设发送端发送完07号共8个数据帧。窗口已满，发送暂停。假定这8个数据帧均已正确到达接收端，并且对每一个数据帧，接收端都发送出确认帧。下面考虑两种不同的情况。 第一种情况是：所有的确认帧都正确达到了发送端，因而发送端接着又发送8个新的数据帧，其编号应当是07。 第二种情况是：所有的确认帧都丢失了，经过一段时间后，发送端重发这8个旧的数据帧，其编号仍位07。,接收端第二次收到编号为07的8个数据帧时，无法判定：这是8个新的数据

10、帧，或这是8个旧的、重发的数据帧。因此，将发送窗口设置为8显然是不行的。,n个比特编号，应保证WR 2n-1 一般的陆地链路采用3比特编码， 卫星链路传播延时很大，发送窗口也必须适当增大，常用7位编码。未被确认的数据帧都必须保持在发送端的缓冲区中，以便在出差错时进行重发。 停止等待协议，WR1,3、选择重传ARQ,只重传出现差错的数据帧或者是定时器超时的数据帧。但须加大接收窗口，以便先收下发送序号不连续但仍处在接收窗口中的那些数据帧。等到所缺序号的数据帧收到后再一并送交主机。这就是选择重传ARQ协议。 对于选择重传ARQ协议，接收窗口不应该大于发送窗口。若用n比特进行编号，则可以证明，接收窗口

11、的最大值受下式的约束 WR2n/2 当接收窗口WR为最大值时，WTWR2n/2。,4.4 高级数据链路层协议HDLC：面向比特,1、两种配置,平衡配置,非平衡配置,2、3种数据传送方式,非平衡配置： (1)正常响应方式NRM:只有主站才能发起向次站的数据传输，次站在主站向它发送命令帧进行轮询时，才能以响应帧的形式回答主站。 (2)异步响应方式ARM:允许次站发起向主站的数据传输，但主站仍负责全线的初始化、链路的建立和释放，以及差错恢复等。 平衡配置： 异步平衡方式ABM，每个复合站都可以平等地发起数据传输，而不需要得到对方复合站的允许。,3、3种非正常工作方式,正常断开方式 (NDM) 异步断

12、开方式 (ADM) 初始化方式 (IM) (1)(2)与传输方式的不同为：次站或组合站再逻辑三与链路断开，不再进行数据收发 (3) 与传输方式的不同为：次站或组合站的数据链路控制程序需要重新生成或更改传输方式下的参数。,4、HDLC帧结构,帧同步：标志字段F：01111110 透明传输： 零比特填充法,0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0,0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 0,0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0,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 1

13、 之后 填入 0 比特再发送出去,在接收端把 5 个连 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,A：地址字段，8bits。 非平衡方式：填充次站的地址。 平衡方式时(采用ABM) ：填充应答站地址。 全1: 广播方式，全0无效。 地址可扩展：当某个地址字段的第1位为0时，则表示下一个地址字段的后7位也是地址位。当这个地址字段的第1位为1时，表示这已是最后一个地址字段。,C：控制字段，8bit,信息帧： Bit24： N(S)发送序号， Bit68： N(R)所期望收到的帧的发送序号并确认序号为N(R)-1的帧以及在这以前

14、的各帧都已正确无误地收妥了。,监督帧：bit3,4:帧类型,Bit5： P/F 为1才有意义 NRM：次站收到主站发出的P比特为1的命令帧(S帧或I帧)以后才能发送响应帧。若有数据发送，则在最后一个数据帧中将F比特置1。若无数据发送，则应在回答的S帧中将F比特置1。 ARM或ABM：任何一个站都可以在主动发送的S帧和I帧中将P比特置1。对方站收到P1的帧后，应尽早地回答本站的状态并将F比特置1，不过此时并不表示数据已发完和不再发送数据了。,图 非平衡配置中P/F比特的使用方法,两个复合站的全双工通信举例,无编号帧数据链路建立与释放,复合站的链路建立和释放,4.5 SLIP 和 PPP 协议,用

15、户接入Internet的一般方法 拨号电话线接入Internet： 专线接入(这多为用户人数较多的单位)。 SLIP 和 PPP为 点到点链路直接相连的两个设备见提供一种传送数据报的方法。,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,路由选择 进程,至 因 特 网,PC 机,用户到 ISP 的链路使用 PPP 和 SLIP 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 SLIP协议,1、SLIP协议,对原始的IP数据报封装 无寻址、无数据校验、分

16、组类型识别 没有最大帧长限制,C0,C0,DB,DC,DB,DD,0C,DB,IP数据报,2、PPP 协议,优点： 支持多种协议 错误检测 链路管理 选项协商 授权 IP地址协商,(2) 三个组成部分,一个将 IP 数据报封装为HDLC数据帧。 链路控制协议 LCP (Link Control Protocol)：建立、配置、管理和测试数据链路连接的情况 网络控制协议 NCP (Network Control Protocol)：建立和配置不同的网络层协议。,(3)PPP 协议的帧格式:面向字节,PPP 有一个 2 个字节的协议字段。 当协议字段为 0 x0021 时，PPP 帧的信息字段就是

17、IP 数据报。 若为 0 xC021, 则信息字段是 PPP 链路控制数据。 若为 0 x8021，则表示这是网络控制数据。,IP 数据报,1,2,1,1,字节,1,2,不超过 1500 字节,PPP 帧,先发送,7E,FF,03,F,A,C,FCS,F,7E,协议,信 息 部 分,首部,尾部,不提供使用序号和确认的可靠传输,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。,透明传输,信息字段中： 0 x7E

18、字节转变成为2字节序列(0 x7D，0 x5E)。 0 x7D字节转变成为2字节序列(0 x7D，0 x5D)。 ASCII码的控制字符(即小于0 x20的字符)，在该字符前面要加入一个0 x7D字节。,(4) PPP链路工作过程,4.6 数据链路层的设备和组件,1、网络接口卡：又称网络适配卡，简称网卡。 功能： 数据的封装和接收 帧的封装和拆封 编码和解码 介质访问控制 数据缓存 涵盖物理层和数据链路层,(2) 结构,MAC层协议控制器 数据缓存器 编解码电路 内收发器 传输介质接口,网卡从网上每收到一个MAC帧就首先检查其硬件地址。如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他的处理。否则就将此

19、帧丢弃，不再进行其他的处理。 这里“发往本站的帧”包括以下三种帧： 1、单播帧，即收到的帧的MAC地址与本站的硬件地址相同； 2、广播帧，即发送给所有站点的帧(全l地址)； 3、多播帧，即发送给一部分站点的帧。 所有的网卡都至少应当能够识别前两种帧,(3) 工作原理,(4) 种类,以太网卡（80%）,令牌环网卡,FDDI网卡,10Mbps,100Mbps,1000Mbps,10Gbps,ISA网卡 (16位，带宽一般为10Mbps),PCI网卡（32位，带宽10-1000Mbps）,EISA网卡,网 络 技 术,网 速,总 线 类 型,双绞线网卡(RJ45),粗缆网卡(AUI接口),细缆网卡(

20、BNC接口),光纤网卡(GBIC 、SFP),无线网卡,传 输 介 质,2、网桥：也称桥接器,网桥的功能： (1)物理上扩展网络， 与中继器、集线器 类似 (2)数据过滤 (转发表),站表,接口管理 软件,网桥协议 实体,缓存,接口 1,接口 2,网段 B,网段 A,1,1,1,2,2,2,站地址,接口,网桥,网桥,接口 1,接口 2,1,2,(3) 逻辑划分网络 (隔离功能),B2,B1,碰撞域,碰撞域,碰撞域,A,B,C,D,E,F,网桥使各网段成为隔离开的碰撞域,(4) 帧格式转换,互联具有不同协议和不同传输速率的网段,过滤通信量。 扩大了物理范围。 提高了可靠性。 可互连不同物理层、不

21、同 MAC 子层和不同速率（如10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太网）的局域网。 网桥使各网段成为隔离开的碰撞域 网桥不改变它转发的帧的源地址,使用网桥的优点,存储转发增加了时延。 在MAC 子层并没有流量控制功能。 具有不同 MAC 子层的网段桥接在一起时时延更大。 网桥只适合于用户数不太多(不超过几百个)和通信量不太大的局域网，否则有时还会因传播过多的广播信息而产生网络拥塞。这就是所谓的广播风暴。,使用网桥带来的缺点,目前使用得最多的网桥是透明网桥(transparent bridge)。 “透明”是指局域网上的站点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥，因为网桥对各站来说是看不见的。

22、透明网桥是一种即插即用设备，其标准是 IEEE 802.1D。,透明网桥,网桥的自学习和转发帧步骤,网桥收到一帧后先进行自学习。查找转发表中与收到帧的源地址有无相匹配的项目。如没有，就在转发表中增加一个项目（源地址、进入的接口和时间）。如有，则把原有的项目进行更新。 转发帧。查找转发表中与收到帧的目的地址有无相匹配的项目。 如没有，则通过所有其他接口（但进入网桥的接口除外）按进行转发。 如有，则按转发表中给出的接口进行转发。 若转发表中给出的接口就是该帧进入网桥的接口，则应丢弃这个帧（因为这时不需要经过网桥进行转发）。,地址 接口,转发表的建立过程举例,B2,B1,A,B,C,D,E,F,1,2,1,2,地址 接口,在网桥的转发表中写入的信息除了地址和接口外，还有帧进入该网桥的时间。 这是因为以太网的拓扑可能经常会发生变化，站点也可能会更换适配器（这就改变了站点的地址）。另外，以太网上的工作站并非总是接通电源的。 把每个帧到达网桥的时间登记下来，就可以在转发表中只保留网络拓扑的最新状态信息。这样就使得网桥中的转发表能反映当前网络的最新拓扑状态。,网桥在转发表中登记三个信息,3、交换机,是一种多接口网桥 通过在其内部配备大量交换背板实现高速数据交换。 一半网桥只有两到四个端口，交换机通常具有很高的端口密度。 交换机的每个端口可接网段，也可接单个主