第三章數(shù)據(jù)鏈路層

1、第三章 數(shù)據(jù)鏈路層 本章需要掌握的要點： 掌握幀同步的方法； 掌握差錯控制技術(shù)（原理、CRC編碼等）； 掌握數(shù)據(jù)鏈路層基本協(xié)議（停等協(xié)議、連續(xù)ARQ協(xié)議，選擇重傳協(xié)議）； 掌握流量控制方法（滑動窗口機制）； 掌握以太網(wǎng)的工作原理、CSMA/CD、MAC子層和MAC地址等概念和技術(shù)； 充分了解PPP協(xié)議； 充分了解網(wǎng)絡擴展技術(shù)（擴展或互連設備、VLAN、沖突域等） 了解高速局域網(wǎng)技術(shù)； 了解信道共享技術(shù)。3.0 數(shù)據(jù)鏈路層在通信中的地位 數(shù)據(jù)鏈路層使用的信道主要有： 點對點信道 一對一的點對點通信 廣播信道 一對多的廣播通信局域網(wǎng)廣域網(wǎng)主機 H1主機 H2路由器 R1路由器 R2路由器 R3電話

2、網(wǎng)局域網(wǎng)主機 H1 向 H2 發(fā)送數(shù)據(jù)鏈路層應用層運輸層網(wǎng)絡層物理層鏈路層應用層運輸層網(wǎng)絡層物理層鏈路層網(wǎng)絡層物理層鏈路層網(wǎng)絡層物理層鏈路層網(wǎng)絡層物理層R1R2R3H1H2從層次上來看數(shù)據(jù)的流動鏈路層應用層運輸層網(wǎng)絡層物理層鏈路層應用層運輸層網(wǎng)絡層物理層鏈路層網(wǎng)絡層物理層鏈路層網(wǎng)絡層物理層鏈路層網(wǎng)絡層物理層R1R2R3H1H2僅從數(shù)據(jù)鏈路層觀察幀的流動3.1 使用點對點信道的數(shù)據(jù)鏈路層 鏈路和數(shù)據(jù)鏈路鏈路鏈路(link)是一條無源的點到點的物理線段，中間是一條無源的點到點的物理線段，中間沒有任何其他的交換結(jié)點。沒有任何其他的交換結(jié)點。 一條鏈路只是一條通路的一個組成部分。一條鏈路只是一條通路的

3、一個組成部分。數(shù)據(jù)鏈路數(shù)據(jù)鏈路(data link) 除了物理線路外，還必須有除了物理線路外，還必須有通信協(xié)議來控制這些數(shù)據(jù)的傳輸。若把實現(xiàn)這些通信協(xié)議來控制這些數(shù)據(jù)的傳輸。若把實現(xiàn)這些協(xié)議的硬件和軟件加到鏈路上，就構(gòu)成了數(shù)據(jù)鏈協(xié)議的硬件和軟件加到鏈路上，就構(gòu)成了數(shù)據(jù)鏈路（邏輯的）。路（邏輯的）。 常用網(wǎng)卡來實現(xiàn)這些協(xié)議的硬件和軟件。一般的網(wǎng)卡常用網(wǎng)卡來實現(xiàn)這些協(xié)議的硬件和軟件。一般的網(wǎng)卡都包括了數(shù)據(jù)鏈路層和物理層這兩層的功能。都包括了數(shù)據(jù)鏈路層和物理層這兩層的功能。 數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元幀 回顧：物理層中傳輸數(shù)據(jù)的基本單位是什么 網(wǎng)絡層中協(xié)議數(shù)據(jù)單元稱作IP數(shù)據(jù)報（可簡稱為數(shù)據(jù)報、分組或

4、包）IP 數(shù)據(jù)報1010 0110幀取出數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡層鏈路結(jié)點 A結(jié)點 B物理層數(shù)據(jù)鏈路層結(jié)點 A結(jié)點 B幀(a)(b)發(fā)送幀接收鏈路IP 數(shù)據(jù)報1010 0110幀裝入數(shù)據(jù)鏈路層傳送的是幀 點對點數(shù)據(jù)鏈路層通信的主要步驟： 結(jié)點A的數(shù)據(jù)鏈路層將網(wǎng)絡層交下來的IP數(shù)據(jù)報分別加首部和尾部封裝成幀； 結(jié)點A將幀送給結(jié)點B； 若結(jié)點B的數(shù)據(jù)鏈路層收的幀無差錯，則從幀中提取IP數(shù)據(jù)報上交網(wǎng)絡層；否則丟棄該幀 數(shù)據(jù)鏈路層中傳輸數(shù)據(jù)要解決的基本問題 封裝成幀 幀同步（透明傳輸） 差錯控制 1、封裝成幀 封裝成幀封裝成幀(framing)：在一段數(shù)據(jù)的前后分別添：在一段數(shù)據(jù)的前后分別添加首部和尾部，然后就

5、構(gòu)成了一個幀加首部和尾部，然后就構(gòu)成了一個幀 目的是確定幀的界限。此外也包含了一些必要目的是確定幀的界限。此外也包含了一些必要的控制信息的控制信息 幀發(fā)送時，從首部開始幀發(fā)送時，從首部開始 最大傳送單元（MTU）幀結(jié)束幀首部IP 數(shù)據(jù)報幀的數(shù)據(jù)部分幀尾部 MTU數(shù)據(jù)鏈路層的幀長開始發(fā)送幀開始 SOH（0 x01）和EOT（0 x04）分別表示一個控制符SOH裝在幀中的數(shù)據(jù)部分幀幀開始符幀結(jié)束符發(fā)送在前EOT 思考：通過幀的開始符SOH和結(jié)束符EOT，數(shù)據(jù)鏈路層的接收端如何判定接收到的數(shù)據(jù)是一個完整的該收下的幀，或是不完整的該丟棄的幀？ 2、幀同步（透明傳輸） 幀包含的數(shù)據(jù)中有沒有可能含有數(shù)據(jù)S

6、OH（0 x01）和EOT（0 x04）？ 如果可能，數(shù)據(jù)鏈路層該如何處理這些數(shù)據(jù)？ 我們該如何解決這一問題？ 字節(jié)填充法SOHSOHEOTSOHESCESCEOTESCSOHESCESCESCSOH原始數(shù)據(jù)EOTEOT經(jīng)過字節(jié)填充后發(fā)送的數(shù)據(jù)字節(jié)填充字節(jié)填充字節(jié)填充字節(jié)填充幀開始符幀結(jié)束符SOH 3、差錯控制 命題：現(xiàn)實中的通信鏈路都不是理想的 信息在傳輸?shù)倪^程中可能會出現(xiàn)差錯 接收端如何判定接收到的數(shù)據(jù)是否正確？ 檢錯碼、糾錯碼 糾錯碼（檢錯碼） CRC循環(huán)冗余檢驗 （n,k）碼 簡潔實用的異或(XOR) 傳輸過程的差錯類型和應對策略 幀丟失、幀重復、幀失序 幀編號、確認、重傳3.2 點對

7、點協(xié)議PPP 數(shù)據(jù)鏈路層中可靠的傳輸協(xié)議（HDLC） 現(xiàn)在全世界使用得最多的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議是點對點協(xié)議 PPP (Point-to-Point Protocol)。 用戶使用撥號電話線接入因特網(wǎng)時，一般都是使用 PPP 協(xié)議。 用戶至因特網(wǎng)已向因特網(wǎng)管理機構(gòu)申請到一批 IP 地址ISP接入網(wǎng)PPP 協(xié)議 PPP協(xié)議不需要的功能 糾錯 流量控制 序號 多點線路 半雙工或單工鏈路 PPP協(xié)議的組成 將IP數(shù)據(jù)報封裝到串行鏈路的方法 建立、配置和測試數(shù)據(jù)鏈路連接的鏈路控制協(xié)議LCP 支持不同網(wǎng)絡層協(xié)議的一套網(wǎng)絡控制協(xié)議NCP PPP協(xié)議的幀格式IP 數(shù)據(jù)報1211字節(jié)12不超過 1500 字節(jié)PPP

8、 幀先發(fā)送7EFF03FACFCSF7E協(xié)議信 息 部 分首部尾部PPP 幀中A和C部分至今沒有給出意義，而 2 個字節(jié)的協(xié)議字段意義如下 當協(xié)議字段為 0 x0021 時，PPP 幀的信息字段就是IP 數(shù)據(jù)報。 若為 0 xC021, 則信息字段是 PPP 鏈路控制數(shù)據(jù)。 若為 0 x8021，則表示這是網(wǎng)絡控制數(shù)據(jù)。 PPP協(xié)議的透明傳輸 異步傳輸 將信息字段中出現(xiàn)的每一個 0 x7E 字節(jié)轉(zhuǎn)變成為 2 字節(jié)序列(0 x7D, 0 x5E)。 若信息字段中出現(xiàn)一個 0 x7D 的字節(jié), 則將其轉(zhuǎn)變成為 2 字節(jié)序列(0 x7D, 0 x5D)。 若信息字段中出現(xiàn) ASCII 碼的控制字符（

9、即數(shù)值小于 0 x20 的字符），則在該字符前面要加入一個 0 x7D 字節(jié)，同時將該字符的編碼加以改變。 同步傳輸 若使用同步傳輸（一連串的比特連續(xù)傳送）。這時 PPP 協(xié)議采用零比特填充方法來實現(xiàn)透明傳輸。 在發(fā)送端，只要發(fā)現(xiàn)有 5 個連續(xù) 1，則立即填入一個 0。接收端對幀中的比特流進行掃描。每當發(fā)現(xiàn) 5 個連續(xù)1時，就把這 5 個連續(xù) 1 后的一個 0 刪除， PPP協(xié)議的工作狀態(tài)設備之間無鏈路鏈路靜止鏈路建立鑒別網(wǎng)絡層協(xié)議鏈路打開鏈路終止物理鏈路LCP 鏈路已鑒別的 LCP 鏈路已鑒別的 LCP 鏈路和 NCP 鏈路物理層連接建立LCP 配置協(xié)商鑒別成功或無需鑒別NCP 配置協(xié)商鏈路

10、故障或關(guān)閉請求LCP 鏈路終止鑒別失敗LCP 配置協(xié)商失敗3.3 使用廣播信道的數(shù)據(jù)鏈路層 局域網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)匹配電阻集線器干線耦合器總線網(wǎng)星形網(wǎng)樹形網(wǎng) 環(huán)形網(wǎng) 媒體共享技術(shù) 靜態(tài)劃分信道 頻分復用 時分復用 波分復用 碼分復用 動態(tài)媒體接入控制（多點接入） 隨機接入 受控接入 ，如多點線路探詢(polling)，或輪詢。 以太網(wǎng)的兩個標準 DIX Ethernet V2 是世界上第一個局域網(wǎng)產(chǎn)品（以太網(wǎng)）的規(guī)約。 IEEE 的 802.3 標準。 DIX Ethernet V2 標準與 IEEE 的 802.3 標準只有很小的差別，因此可以將 802.3 局域網(wǎng)簡稱為“以太網(wǎng)”。 嚴格說來，“

11、以太網(wǎng)”應當是指符合 DIX Ethernet V2 標準的局域網(wǎng) 為了使數(shù)據(jù)鏈路層能更好地適應多種局域網(wǎng)標準，802 委員會就將局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層拆成兩個子層： 邏輯鏈路控制 LLC (Logical Link Control)子層 媒體接入控制 MAC (Medium Access Control)子層。 與接入到傳輸媒體有關(guān)的內(nèi)容都放在 MAC子層，而 LLC 子層則與傳輸媒體無關(guān)，不管采用何種協(xié)議的局域網(wǎng)對 LLC 子層來說都是透明的 適配器的作用 串并轉(zhuǎn)換 對數(shù)據(jù)進行緩存 實現(xiàn)以太網(wǎng)協(xié)議硬件地址至局域網(wǎng)適配器（網(wǎng)卡）串行通信CPU 和存儲器生成發(fā)送的數(shù)據(jù)處理收到的數(shù)據(jù)把幀發(fā)送到局域網(wǎng)

12、從局域網(wǎng)接收幀計算機IP 地址并行通信 以太網(wǎng)的通信措施 無連接的工作方式 曼徹斯特編碼方式 CSMA/CD協(xié)議 以太網(wǎng)中一對一通信的過程B向 D發(fā)送數(shù)據(jù) C D A E匹配電阻（用來吸收總線上傳播的信號）匹配電阻不接受不接受不接受接受B只有 D 接受B 發(fā)送的數(shù)據(jù) 在上述環(huán)境下，同一時間，只允許一臺計算機發(fā)送信息，否則各計算機之間會產(chǎn)生干擾 因此，以太網(wǎng)采取的協(xié)調(diào)方法是一種特殊的協(xié)議CSMA/CD(載波監(jiān)聽多點接入/碰撞檢測) “多點接入”表示許多計算機以多點接入的方式連接在一根總線上。 “載波監(jiān)聽”是指每一個站在發(fā)送數(shù)據(jù)之前先要檢測一下總線上是否有其他計算機在發(fā)送數(shù)據(jù)，如果有，則暫時不要發(fā)

13、送數(shù)據(jù)，以免發(fā)生碰撞。 “碰撞檢測”就是計算機邊發(fā)送數(shù)據(jù)邊檢測信道上的信號電壓大小。 在發(fā)生碰撞時，總線上傳輸?shù)男盘柈a(chǎn)生了嚴重的失真，無法從中恢復出有用的信息來。 每一個正在發(fā)送數(shù)據(jù)的站，一旦發(fā)現(xiàn)總線上出現(xiàn)了碰撞，就要立即停止發(fā)送，免得繼續(xù)浪費網(wǎng)絡資源，然后等待一段隨機時間后再次發(fā)送。 當某個站監(jiān)聽到總線是空閑時，也可能總線并非真正是空閑的。 A 向 B 發(fā)出的信息，要經(jīng)過一定的時間后才能傳送到 B。 B 若在 A 發(fā)送的信息到達 B 之前發(fā)送自己的幀(因為這時 B 的載波監(jiān)聽檢測不到 A 所發(fā)送的信息)，則必然要在某個時間和 A 發(fā)送的幀發(fā)生碰撞。 碰撞的結(jié)果是兩個幀都變得無用。 1 kmA

14、Bt碰撞t = B 檢測到信道空閑發(fā)送數(shù)據(jù)t = / 2發(fā)生碰撞t = 2 A 檢測到發(fā)生碰撞 t = B 發(fā)送數(shù)據(jù)B 檢測到發(fā)生碰撞 t = ABABAB t = 0 A 檢測到信道空閑發(fā)送數(shù)據(jù)ABt = 0t = B 檢測到發(fā)生碰撞停止發(fā)送STOPt = 2 A 檢測到發(fā)生碰撞STOPAB單程端到端傳播時延記為 下面給出幾個有用的概念 爭用期 將總線上單程端到端傳播時延記作 最先發(fā)送數(shù)據(jù)幀的站，在發(fā)送數(shù)據(jù)幀后至多經(jīng)過時間 2 （兩倍的端到端往返時延）就可知道發(fā)送的數(shù)據(jù)幀是否遭受了碰撞。 以太網(wǎng)的端到端往返時延 2 稱為爭用期，或碰撞窗口。 經(jīng)過爭用期這段時間還沒有檢測到碰撞，才能肯定這次發(fā)

15、送不會發(fā)生碰撞。 爭用期的長度 以太網(wǎng)取 51.2 s 為爭用期的長度。 對于 10 Mb/s 以太網(wǎng)，在爭用期內(nèi)可發(fā)送512 bit，即 64 字節(jié)。 以太網(wǎng)在發(fā)送數(shù)據(jù)時，若前 64 字節(jié)沒有發(fā)生沖突，則后續(xù)的數(shù)據(jù)就不會發(fā)生沖突。 二進制指數(shù)類型退避算法 發(fā)生碰撞的站在停止發(fā)送數(shù)據(jù)后，要推遲（退避）一個隨機時間才能再發(fā)送數(shù)據(jù)。 確定基本退避時間，一般是取為爭用期 2。 定義重傳次數(shù) k ，k 10，即 k = Min重傳次數(shù), 10 從整數(shù)集合0,1, (2k 1)中隨機地取出一個數(shù)，記為 r。重傳所需的時延就是 r 倍的基本退避時間。 當重傳達 16 次仍不能成功時即丟棄該幀，并向高層報告

16、。 最短有效幀長 如果發(fā)生沖突，就一定是在發(fā)送的前 64 字節(jié)之內(nèi)。 由于一檢測到?jīng)_突就立即中止發(fā)送，這時已經(jīng)發(fā)送出去的數(shù)據(jù)一定小于 64 字節(jié)。 以太網(wǎng)規(guī)定了最短有效幀長為 64 字節(jié)，凡長度小于 64 字節(jié)的幀都是由于沖突而異常中止的無效幀。 強化碰撞 當發(fā)送數(shù)據(jù)的站一旦發(fā)現(xiàn)發(fā)生了碰撞時： 立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)； 再繼續(xù)發(fā)送若干比特的人為干擾信號(jamming signal)，以便讓所有用戶都知道現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)生了碰撞。 3.4 使用廣播信道的以太網(wǎng) 星型拓撲結(jié)構(gòu)中的集線器集線器兩對雙絞線站點RJ-45 插頭 集線器實質(zhì)上是一個多接口的轉(zhuǎn)發(fā)器，僅僅簡單的轉(zhuǎn)發(fā)比特，工作在物理層，不進行碰撞檢測 同

17、一時刻，至多只能有一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù) 自適應回波抵消 使用集線器的局域網(wǎng)屬于總線式網(wǎng)絡，仍然使用CSMA/CD協(xié)議。 傳統(tǒng)以太網(wǎng)最初是使用粗同軸電纜，后來演進到使用比較便宜的細同軸電纜，最后發(fā)展為使用更便宜和更靈活的雙絞線。 不用電纜而使用無屏蔽雙絞線。每個站需要用兩對雙絞線，分別用于發(fā)送和接收。集線器網(wǎng)卡工作站網(wǎng)卡工作站網(wǎng)卡工作站雙絞線 以太網(wǎng)的信道利用率 由于碰撞而造成損失，以太網(wǎng)信道利用率不能達到100% 一個幀從開始發(fā)送，經(jīng)可能發(fā)生的碰撞后，將再重傳數(shù)次，到發(fā)送成功且信道轉(zhuǎn)為空閑(即再經(jīng)過時間使得信道上無信號在傳播)時為止，是發(fā)送一幀所需的平均時間。 如上圖所示，發(fā)送成功一幀，至少需要占

18、用信道T0+ 的時間為發(fā) 送 成 功 爭用期 爭用期 爭用期 2 2 2T0t占用期 發(fā)生碰撞 發(fā)送一幀所需的平均時間 從上圖不難分析出， 0Ta 分析參數(shù)a，得出以下結(jié)論： 當數(shù)據(jù)率一定時，以太網(wǎng)的連線的長度受到限制，否則 的數(shù)值會太大。 以太網(wǎng)的幀長不能太短，否則 T0 的值會太小，使 a 值太大。 在理想化的情況下，以太網(wǎng)上的各站發(fā)送數(shù)據(jù)都不會產(chǎn)生碰撞，發(fā)送一幀的時間為T0+ ，此時的極限信道利用率 Smax為： a越小，信道利用率就越高aTTS1100max MAC層 MAC地址 以太網(wǎng)適配器的混雜模式 MAC 幀的格式 常用的以太網(wǎng)MAC幀格式有兩種標準 ： DIX Ethernet

19、 V2 標準 IEEE 的 802.3 標準 最常用的 MAC 幀是以太網(wǎng) V2 的格式。 以太網(wǎng)的MAC幀格式以太網(wǎng) MAC 幀物理層MAC層前同步碼幀開始定界符7 字節(jié)1 字節(jié)8 字節(jié)插入IP層目的地址 源地址類型數(shù) 據(jù)FCS6624字節(jié)46 1500IP 數(shù)據(jù)報 無效的MAC幀 幀的長度不是整數(shù)個字節(jié)； 用收到的幀檢驗序列 FCS 查出有差錯； 數(shù)據(jù)字段的長度不在 46 1500 字節(jié)之間。 對于檢查出的無效 MAC 幀就簡單地丟棄。以太網(wǎng)不負責重傳丟棄的幀。3.5 擴展的以太網(wǎng) 物理層擴展以太網(wǎng)三個獨立的碰撞域一系二系三系碰撞域碰撞域碰撞域一系三系二系主干集線器一個更大的碰撞域碰撞域

20、優(yōu)點 使原來屬于不同碰撞域的局域網(wǎng)上的計算機能夠進行跨碰撞域的通信。 擴大了局域網(wǎng)覆蓋的地理范圍。 缺點 碰撞域增大。 如果不同的碰撞域使用不同的數(shù)據(jù)率，那么就不能用集線器將它們互連起來。 數(shù)據(jù)鏈路層擴展以太網(wǎng) 在數(shù)據(jù)鏈路層擴展局域網(wǎng)是使用網(wǎng)橋。 網(wǎng)橋工作在數(shù)據(jù)鏈路層，它根據(jù) MAC 幀的目的地址對收到的幀進行轉(zhuǎn)發(fā)。 網(wǎng)橋具有過濾幀的功能。當網(wǎng)橋收到一個幀時，并不是向所有的接口轉(zhuǎn)發(fā)此幀，而是先檢查此幀的目的 MAC 地址，然后再確定將該幀轉(zhuǎn)發(fā)到哪一個接口 站表接口管理 軟件網(wǎng)橋協(xié)議 實體緩存接口 1接口 2網(wǎng)段 B網(wǎng)段 A111222站地址 接口網(wǎng)橋網(wǎng)橋接口 1接口 212 網(wǎng)橋的優(yōu)點 過濾通

21、信量。 擴大了物理范圍。 提高了可靠性。 可互連不同物理層、不同 MAC 子層和不同速率（如10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太網(wǎng)）的局域網(wǎng)。 B2B1碰撞域碰撞域碰撞域ABCDEF 網(wǎng)橋的缺點 存儲轉(zhuǎn)發(fā)增加了時延。 在MAC 子層并沒有流量控制功能。 網(wǎng)橋只適合于用戶數(shù)不太多(不超過幾百個)和通信量不太大的局域網(wǎng)，否則有時還會因傳播過多的廣播信息而產(chǎn)生網(wǎng)絡擁塞。這就是所謂的廣播風暴。 網(wǎng)橋和集線器的區(qū)別 集線器在轉(zhuǎn)發(fā)幀時，不對傳輸媒體進行檢測。 網(wǎng)橋在轉(zhuǎn)發(fā)幀之前必須執(zhí)行 CSMA/CD 算法。 若在發(fā)送過程中出現(xiàn)碰撞，就必須停止發(fā)送和進行退避。 透明網(wǎng)橋 轉(zhuǎn)發(fā)表的構(gòu)建過程地址 接口ABCDEF1212地址 接口B 1B AA BA 1F CF 2A BA 1F CF 2 為了避免產(chǎn)生轉(zhuǎn)發(fā)的幀在網(wǎng)絡中不斷地兜圈子，透明網(wǎng)橋使用了生成樹算法局域網(wǎng) 2局域網(wǎng) 1網(wǎng)橋 2網(wǎng)橋 1 AF不停地兜