軟件工程的計算機網(wǎng)絡CH3.1 數(shù)據(jù)鏈路層.

1、數(shù)據(jù)鏈路層-1Outline3.1 數(shù)據(jù)鏈路層的基本概念3.2 三個基本問題 幀定界 透明傳輸 差錯檢測局域網(wǎng)廣域網(wǎng)主機 H1主機 H2路由器 R1路由器 R2路由器 R3電話網(wǎng)局域網(wǎng)主機主機 H1 向向 H2 發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)n用戶主機H1通過電話線上網(wǎng)，中間經(jīng)過三個路由器接入到遠程主機H2。n所經(jīng)過的網(wǎng)絡可以是多種的，如電話網(wǎng)、局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)。數(shù)據(jù)鏈路層的模型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)的流動從層次上來看數(shù)據(jù)的流動n主機H1和H2都有完整的五層協(xié)議棧，但路由器的協(xié)議棧只

2、有下面三層。n數(shù)據(jù)進入路由器后先從物理層上到網(wǎng)絡層，在路由表中找到下一跳的地址后，再下到物理層轉(zhuǎn)發(fā)出去。n因此，數(shù)據(jù)從H1到H2需要在路徑中各節(jié)點的協(xié)議棧向上和向下流動多次。數(shù)據(jù)鏈路層的模型數(shù)據(jù)鏈路層的模型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僅從數(shù)據(jù)鏈路層觀察幀的流動n可以想象數(shù)據(jù)就是在數(shù)據(jù)鏈路層從左向右沿水平方向傳送。n通過這樣的鏈路：H1的鏈路層，R1的鏈路層，R2的鏈路層，R3的鏈路層，H2的鏈路層。n數(shù)據(jù)鏈路層的任務：把網(wǎng)絡層交下來的數(shù)據(jù)發(fā)送到鏈路上，以及把接收到

3、的幀中的數(shù)據(jù)取出來并交給網(wǎng)絡層。網(wǎng)絡層101000110數(shù)據(jù)鏈路結點A比特流IP數(shù)據(jù)報 數(shù)據(jù)鏈路層物理層幀裝入裝入101000110IP數(shù)據(jù)報幀結點B取出取出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 當兩個主機進行通信時，應用進程要把數(shù)據(jù)從應用層逐層往下傳，經(jīng)過運輸層再到網(wǎng)絡層，組成IP數(shù)據(jù)報，再往下傳到數(shù)據(jù)鏈路層組成幀，然后在經(jīng)物理層形成比特流進入通信網(wǎng)絡。兩個主機進行通信的過程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R1R2

4、R3H1H2 數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂娇赡苡性S多路由器。每一個路由器的物理層在收到比特流后，先由數(shù)據(jù)鏈路層將比特流恢復成幀，再從幀中提取出IP數(shù)據(jù)報。路由器在轉(zhuǎn)發(fā)IP數(shù)據(jù)報時，又再把它封裝成另一個新的幀，然后交給物理層發(fā)送給下一個路由器。兩個主機進行通信的過程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 經(jīng)過許多路由器的轉(zhuǎn)發(fā)，數(shù)據(jù)最后到達了目的主機的物理層。以后目的主機的數(shù)據(jù)鏈路層提取出IP數(shù)據(jù)報，再逐層向上傳，最后由應用層交給遠程的應用進程。兩個主機進行通信的過程n現(xiàn)在為了把主要精力放在數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議上，采用一

5、個簡化的模型：在該模型中，不管在哪一段鏈路上通信，都看成是結點和結點的通信，而每個結點只有三層。網(wǎng)絡層101000110數(shù)據(jù)鏈路結點A比特流IP數(shù)據(jù)報 數(shù)據(jù)鏈路層物理層幀裝入裝入101000110IP數(shù)據(jù)報幀結點B取出取出數(shù)據(jù)鏈路層的主要功能：n結點A的數(shù)據(jù)鏈路層把網(wǎng)絡層交下來的IP數(shù)據(jù)報封裝成幀。n結點A把封裝好的幀發(fā)送給結點B的數(shù)據(jù)鏈路層。n若結點B的數(shù)據(jù)鏈路層收到的幀無差錯，則從收到的幀中提取出數(shù)據(jù)報上交給網(wǎng)絡層，否則丟棄這個幀。網(wǎng)絡層101000110數(shù)據(jù)鏈路結點A比特流IP數(shù)據(jù)報 數(shù)據(jù)鏈路層物理層幀裝入裝入101000110IP數(shù)據(jù)報幀結點B取出取出鏈路與數(shù)據(jù)鏈路的區(qū)別：n鏈路(li

6、nk) 是一條無源的點到點的物理線路段，中間沒有任何其他的交換結點。n一條鏈路只是一條路徑的一個組成部分。n數(shù)據(jù)鏈路(data link) 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)這些協(xié)議的硬件和軟件加到鏈路上，就構成了數(shù)據(jù)鏈路。n現(xiàn)在最常用的方法是使用適配器（即網(wǎng)卡）來實現(xiàn)這些協(xié)議的硬件和軟件。n一般的適配器都包括了數(shù)據(jù)鏈路層和物理層這兩層的功能。 數(shù)據(jù)鏈路層像個數(shù)字管道 n常常在兩個對等的數(shù)據(jù)鏈路層之間畫出一個數(shù)字管道，而在這條數(shù)字管道上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單位是幀。n早期的數(shù)據(jù)通信協(xié)議曾叫作通信規(guī)程(procedure)。因此在數(shù)據(jù)鏈路層，規(guī)程和協(xié)議是同義語。 結點結點幀幀數(shù)

7、據(jù)鏈路層的七個主要功能n鏈路管理：當網(wǎng)絡中的兩個結點要進行通信時，數(shù)據(jù)的發(fā)送方必須確認接收方是否已經(jīng)處在準備接收的狀態(tài)。n通信的雙方必須要交換一些必要的信息，即必須先建立一條數(shù)據(jù)鏈路。n在傳輸數(shù)據(jù)時要維持數(shù)據(jù)鏈路，而在通信完畢時要釋放數(shù)據(jù)鏈路。n數(shù)據(jù)鏈路的建立、維持和釋放就叫做鏈路管理。n幀定界：在數(shù)據(jù)鏈路層，數(shù)據(jù)的傳送單位是幀。數(shù)據(jù)一幀一幀地傳送，就可以在出現(xiàn)差錯時，將有差錯的幀在重傳一次，而避免了將全部數(shù)據(jù)都進行重傳。n幀定界是指接收方應當能從收到的比特流中準確地區(qū)分出一幀的開始和結束在什么地方。n幀定界也可以稱為幀同步。n流量控制：發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)的速率必須使接收方來得及接收。當接收方來不

8、及接收時，就必須及時控制發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)的速率。這種功能稱作流量控制。n差錯控制：在計算機通信中，一般都要求有極低的比特差錯率。為此，廣泛地采用了編碼技術。n編碼技術有兩大類。一類是前向糾錯，即接收方收到有差錯的數(shù)據(jù)幀時，能夠自動將差錯改正過來。這種方法的開銷較大，不適合計算機通信。另一類是差錯檢測，即接收方可以檢測出收到的幀有差錯（但并不知道是哪幾個比特錯了）。n當檢測出有差錯的幀時就立即將它丟棄，但接下去有兩種選擇：n方法一不進行任何處理（由高層進行處理），n方法二則是由數(shù)據(jù)鏈路層負責重傳丟棄的幀。n將數(shù)據(jù)和控制信息區(qū)分開：在許多情況下，數(shù)據(jù)和控制信息處于同一幀中。因此一定要有相應的措施使接

9、收方能夠?qū)⑺鼈儏^(qū)分開。n尋址：必須保證每一幀都能送到正確的目的站。接收方也應知道發(fā)送方的地址。n透明傳輸：不管所傳數(shù)據(jù)是什么樣的比特組合，都應當能夠在鏈路上傳送。當所傳數(shù)據(jù)中的比特組合恰巧出現(xiàn)了與某一個控制信息完全一樣時，必須有可靠的措施，使接收方不會將這種比特組合的數(shù)據(jù)誤認為是某種控制信息。三個基本問題 (1) 幀定界：確定幀開始和結束的位置。(2) 透明傳輸：數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議不能禁止傳輸某種特殊的比特組合。(3) 差錯控制 ：當接收端檢測出有差錯的幀時，根據(jù)協(xié)議的不同，可采用不同的處理方法。1. 幀定界n幀定界就是確定幀的界限。在發(fā)送幀時，發(fā)送端的數(shù)據(jù)鏈路層在幀的前后都各加入事先商定好的標記

10、，使得接收端能識別幀的開始和結束，以及幀中數(shù)據(jù)部分的準確位置。 幀結束幀首部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1.幀定界n網(wǎng)絡層的IP數(shù)據(jù)報傳送到數(shù)據(jù)鏈路層就成為幀的數(shù)據(jù)部分。n在幀的數(shù)據(jù)部分的前面和后面分別添加上首部和尾部，構成了一個完整的幀。 幀結束幀首部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1.幀定界n幀長就等于數(shù)據(jù)部分的長度加上幀首部和尾部的長度。n首部和尾部主要作用是進行幀定界，但還可包括一些其他控制信息。 幀結束幀首部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1.幀定界n在發(fā)送數(shù)據(jù)幀時，是從幀

11、首部開始發(fā)送。數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議需明確規(guī)定幀首部和尾部的格式n協(xié)議還規(guī)定了幀的數(shù)據(jù)部分的長度上限最大傳送單元MTU。幀結束幀首部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)送幀開始用控制字符進行幀定界SOH裝在幀中的數(shù)據(jù)部分幀幀開始符幀結束符發(fā)送在前EOTn當數(shù)據(jù)是由可打印的ASCII碼組成的文本文件時，幀定界可使用幀定界字符。n控制字符SOH放在一幀的最前面，表示幀的首部開始；另一個控制字符EOT表示幀的結束。n注意：字符SOH和字符EOT的十六進制編碼分別是01和04，而不是由三個字符組成的。用控制字符進行幀定界 對幀進行定界是非常必要的：n當物理層采用異步傳送時(一次只傳送

12、一個字符)，接收端物理層是斷斷續(xù)續(xù)的接收到單個的字符，而不是一次就收到一個完整的幀。n利用幀定界的控制字符就可以準確界定幀開始和結束的位置。用控制字符進行幀定界n當物理層采用同步傳送時，發(fā)送端連續(xù)地發(fā)送數(shù)據(jù)幀。接收端要利用幀定界的控制字符從連續(xù)的比特流中找出幀開始和結束的位置。n假定發(fā)送端在沒有發(fā)送完一個幀時突然出故障，但隨后很快恢復正常，于是重新發(fā)送剛才未發(fā)完的幀(從頭開始發(fā)送)。由于使用了幀定界字符，在接收端就知道前面收到的數(shù)據(jù)是不完整的幀(只有SOH沒有EOT)，必須丟棄。而后面收到的數(shù)據(jù)有明確的幀定界符(SOH和EOT)，因此這是個完整的幀，應當收下。2.透明傳輸n由于幀的開始和結束的

13、標記是使用專門指明的控制字符，因此所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中任何一個字符一定不允許和用作幀定界的控制字符一樣，否則就會出現(xiàn)幀定界的錯誤。n 當傳送的幀是用ASCII文本文件組成的時，其數(shù)據(jù)部分顯然不會出現(xiàn)像SOH和EOT這樣的幀定界字符。n所以鍵盤上輸入的任何字符都可放在這樣的幀中傳輸過去，這樣的傳輸就是透明傳輸。SOHEOT出現(xiàn)了“EOT”(04)16被接收端當作無效幀而丟棄被接收端誤認為是一個幀數(shù)據(jù)部分EOT完整的幀發(fā)送在前n當數(shù)據(jù)部分是非ASCII碼的文本文件時（如二進制代碼的計算機程序或圖像等），如果數(shù)據(jù)中的某個字節(jié)的二進制代碼恰好和SOH或EOT一樣，數(shù)據(jù)鏈路層就會錯誤地“找到幀的邊界”，把部分

14、幀收下（誤認為是個完整的幀），而把剩下的那部分丟棄（這部分找不到幀定界符SOH）。解決透明傳輸問題n發(fā)送端的數(shù)據(jù)鏈路層在數(shù)據(jù)中出現(xiàn)控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入一個轉(zhuǎn)義字符“ESC”(其十六進制編碼是 1B)。將其轉(zhuǎn)換為另一個字符，而這個字符不會被錯誤的解釋為控制字符。這種方法成為字節(jié)填充(byte stuffing)。n接收端的數(shù)據(jù)鏈路層在將數(shù)據(jù)上交網(wǎng)絡層之前刪除插入的轉(zhuǎn)義字符。n如果轉(zhuǎn)義字符也出現(xiàn)數(shù)據(jù)當中，那么應在轉(zhuǎn)義字符前面插入一個轉(zhuǎn)義字符。當接收端收到連續(xù)的兩個轉(zhuǎn)義字符時，就刪除其中前面的一個。 SOHSOHEOTSOHESCESCEOTESCSOHESCESCESCSOH原

15、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)填充發(fā)送在前幀開始符幀結束符用字節(jié)填充法解決透明傳輸?shù)膯栴}SOH3.差錯檢測n現(xiàn)實的通信鏈路不理想，比特在傳輸過程中可能出現(xiàn)差錯：1變成0或0變成1.n誤碼率BER 在一定時間內(nèi)，傳輸錯誤的比特占所傳輸?shù)谋忍乜倲?shù)的比率。n例：誤碼率為10-10時，表示平均傳送1010個比特就會出現(xiàn)一個比特的差錯。n誤碼率與信噪比成反比例關系。n為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，在計算機網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)時，都必須采用各種差錯檢測措施。循環(huán)冗余檢驗n在數(shù)據(jù)鏈路層傳送的幀中，廣泛使用了循環(huán)冗余檢驗 CRC 的檢錯技術。n假設待傳送的數(shù)據(jù) M = 101001（

16、共k bit）。我們在M的后面再添加供差錯檢測用的 n bit 冗余碼一起發(fā)送（即一共發(fā)送k+n個比特）。 n bit冗余碼的求解方法：n用二進制的模 2 運算進行 2n 乘 M 的運算，這相當于在 M 后面添加 n 個 0。n得到的 (k + n) bit 的數(shù)2n M除以事先選定好的長度為 (n + 1) bit 的數(shù) P，得出商是 Q 而余數(shù)是 R，其中余數(shù) R 比除數(shù) P 至少要少1 個比特。 n余數(shù)R就是添加在數(shù)據(jù)后面的冗余碼。模 2 乘n模2乘和10進制一樣，只是相加時用模2加，無進位。比如，n 1011 101： 1011 100 (22) 1011 1011 * 101 * 1

17、00 - - 1011 0000 0000 0000 1011 1011 - - 100111 101100 n設 n = 3, P = 1101，模 2 運算 2nM /P的結果是：商 Q = 110101， 余數(shù)R = 001。n將余數(shù) R 作為冗余碼添加在數(shù)據(jù) M = 101001 的后面發(fā)送出去，即發(fā)送的數(shù)據(jù)是101001001，或 2nM + R。 模 2 加減n 模2運算：就是除以2后取余數(shù)，結果就只有0或1。n模2加：0+0=0, 0+1=1, 1+0=1, 1+1=0 （無進位，借位）相當于異或運算。n模2減：0-0=0, 0-1=1, 1-0=1, 1-1=0 （無進位，借位

18、）n模2除與算術除法類似，但每一位除（減）的結果不影響其它位（不向上一位借位，實際上就是異或）。然后再移位做下一位的模2減。步驟如下： 用除數(shù)對被除數(shù)最高幾位做模2減，沒有借位。 除數(shù)右移一位，若余數(shù)最高位為1，商為1，并對余數(shù)做模2減。若余數(shù)最高位為0，商為0，除數(shù)繼續(xù)右移一位。一直做到余數(shù)的位數(shù)小于除數(shù)時，該余數(shù)就是最終余數(shù)。 110101 Q 商 除數(shù) P 1101 101001000 2nM 被除數(shù) 1101 1110 1101 0111 0000 1110 1101 0110 0000 1100 1101 001 R 余數(shù)已知：待發(fā)送的數(shù)據(jù)M=101001,冗余碼的長度n=3,事先商定的除數(shù)P=1101，求得余數(shù)R？幀檢驗序列 FCSn在數(shù)據(jù)后面添加上的冗余碼稱為幀檢驗序列 FCS (Frame Check Sequence)。n循環(huán)冗余檢驗 CRC 和幀檢驗序列 FCS并不等同。nCRC 是一種常用的檢錯方法，而 FCS 是添加在數(shù)據(jù)后面的冗余碼。nFCS 可以用 CRC 這種方法得出，但 CRC 并非用來獲得 FCS 的惟一方法。檢測出差錯 n在接收端對接收到的幀進行CRC檢驗。把收到的幀除以同樣的P（模2運算），得出余數(shù)R。n只要得出的余