数据链路层和局域网.ppt

第3章 数据链路层和局域网 主要内容 3.1 数据链路层 3.2 局域网 3.3 以太网 3.4 无线局域网 3.5 数据链路层协议 3.1 数据链路层 在相邻结点之间实现可靠的数据帧的传输。 l位于物理层和网络层之间。 l将网络层的数据加上数据链路层的首部和尾部， 形成帧进行传输。 主要功能 l为网络层提供服务 l帧的组装 l差错控制 l流量控制 3.1.1 服务类型 3.1.2 帧的识别 3.1.3 差错控制 3.1.4 流量控制 3.1.1 服务类型 1不确认的无连接服务 2确认的无连接服务 3确认的面向连接服务 1不确认的无连接服务 发送方发送帧的时候，不需要建立连接，接 收方收到帧不回发确认。 不纠正丢失或出错的帧，交给高层来处理。 实现简单。 l应用： 出错率很低的链路及实时数据传输（如语音）。 局域网 点到点通信、广播通信和组播通信。 2确认的无连接服务 发送方发送帧的时候，不需要建立连接。 发送方在发送一帧后停止，等待接收方的确认； 如果在指定时间内没有收到确认，重新发送。 l增强数据链路层的可靠性。 l适用于不可靠的链路，如各种无线系统中的链路 。 3确认的面向连接服务 给网络层提供可靠的比特流。 l三个阶段： l建立连接：初始化各种变量和计数器 l发送帧： l释放连接：释放变量、缓冲区和其他资源 l手段：对每个帧都进行编号，保证每个帧都能被 正确接收，而且是按顺序只接收一次。 l适用于在不可靠的链路上发送大量数据帧。 3.1.2 帧的识别 接收方能从收到的一串比特流中识别出每一个帧。 l确定帧的方法： （1）字符计数法 （2）字符填充法 （3）位填充法 （1）字符计数 l在帧的起始位置，专门用1个字符标识出帧的 长度（字符个数）。 l问题：标识帧大小的字段出错，会造成随后 的所有帧出错。几乎不用。 （2）字符填充法 用某个特定字符（标识符）标识出帧的起始和终止 。 当发送的数据里出现与标识符一样的字符时 发送方在这些字符前插入特殊的转义字符ESC 接收方将先碰到的一个ESC删除，紧接其后一个 保留。 字符填充法缺陷 l只适用于8比特的ASCII编码，其他如16比特 UNICODE编码就不适用。 l如果发送的帧的长度不是8的整数倍，也不适用； l现在很少使用。 （3）位填充法（零比特填充） l每个帧用01111110作为开始和结束标志 当发送的数据中有5个连续1的时候，在其后插入 一个0，不会出现连续6个1； 接收方收到5个连续1的时候，就删除随后的0。 l实现“透明传输”：即对传输的比特流没有限制， 任何01序列串都能正确传递。 3.1.3 差错控制 即差错检测与纠错。发现数据在传输中出现 的差错，并进行纠正。 l目的：确保帧可靠地交付接收方。 l差错类型： 帧错误：接收端收到的数据出现比特差错（10 或0 1）。 帧丢失：发送方发出的数据接收方没有收到。 帧重复：同一个帧收到两次。 差错检测 通过差错控制编码进行。 发送方：将要发送的数据，按照某种规则附加若 干冗余位后一起发送。 接收方：按相应规则检查，判断是否出现差错。 l编码类型： 检错码：只能检测错误不能纠正的编码。 网络常用。 纠错码：能检测并纠正错误的编码。复杂。 差错纠正 l重传机制：接收方收到数据后，向发送方回发确 认，告知是否正确收到帧。 l手段：使用确认、定时、序号保证正确传输。 帧出错：重发。 帧丢失：超时重发。发送方使用定时器。 重复帧：发送方给每一个新的帧进行编号，接收 方根据编号确定是否重复接收。 三种主要差错检测技术 奇偶校验：最基本的方法。 循环冗余检测：常用于链路层。 检查和方法：常用于运输层。 1 奇偶校验 类型： 一比特奇偶校验 二维奇偶校验 一比特奇偶校验 l 发送方： 在要发送的数据后面附加一个校验位发送 ； 使“1”的个数是奇数（奇校验）或偶数（偶校验） l接收方： 检测收到数据中“1”的个数。 偶校验：发现奇数个“1”，至少一个比特发生差错 （奇数个比特差错）。 奇校验：发现偶数个 “1”，至少一个比特发生差错 。 01110001101010111 原始数据 校验位 偶校验 一比特奇偶校验特点 检错能力低 可以查出任意奇数个错误，但不能发现偶数个 错误 2 二维奇偶校验（垂直水平奇偶校验 ） 将要传数据划分固定长度的组，每组一行排列 对每行和每列分别进行奇偶校验 l特点： l可以检测并纠正单个比特差错（数据或校验位中） l能够检测（不能纠正）任意两个比特的差错 如要发送数据： 101101101100101001100 3 循环冗余校验CRC编码 计算机网络中广泛采用。 l循环冗余校验CRC (cyclic redundancy check)： 即多项式编码。把要发送的比特串看作为系 数是0或1的一个多项式，对比特串的操作看作为 多项式运算。 如比特串10111 ： x4+x2+x+1 发送方要发送数据D（d 位）给接收方 先共同选定一个生成多项式 G（r+1位） l发送方： 计算出冗余码R （r位），添加到要发数据后面一起发 送 DR能被生成多项式 G模2运算整除。 l 接收方：用G去除接收到的DR（d+r比特） 余数非0：传输发生差错； 余数为0：传输正确，去掉尾部r位，得所需数据D。 基本思想 D : 要发送的数据（d位）R : 冗余码（r位） DR（d+r位） 模2运算 加法不进位，减法不借位 即操作数的按位异或 (XOR) 例 1011 XOR 0101=1110 ； 1011-0101=1110 1001 XOR 1101=0100 ； 1001-1101=0100 乘法和除法与二进制运算类似，其中加法或减法 没有进位或借位。 计算冗余码R 将要发送的数据D后面添加r个0，除以给定的生成 多项式G，所得余数即为R（r位）。 例 l已知发送的信息D=101110，生成多项式G=1001。 冗余码为R=011 发送的信息为：101110011 CRC特点 l 能检测小于r+1 位的突发差错、任何奇数个差错 。 l生成多项式G的选择： 有8、12、16和32 比特生成多项式G。 3.1.4 流量控制 控制收发双方速率匹配。 发送方发送数据的速率不能大于接收方的接收能力 。 当接收方来不及接收时，必须及时控制发方发送数 据的速率。防止出现数据丢失或信道堵塞。 l两种方法： 基于反馈：发送方根据接收方返回的信息，决定发 送速率。即由收方控制发方发送数据的速率。 速率控制：在发送开始前，双方先协商好速率。 常用的流量控制技术 l停止-等待协议：简称停等协议 l滑动窗口协议（流水线协议）： l后退N帧协议 l选择重传协议 1 停等协议 发送方发完一帧后停止，等待对方回答。 使用确认、定时、序号保证正确传输。 每帧设置一个1位序号字段。 l发送方：按序号发送帧。每发送一个新的数据帧“ 序号加1”； l接收方：按序号接收帧。否则将该重复帧丢弃， 并回发一个确认帧ACK。 工作原理 l发送方：发完一帧后停止等待 收到肯定确认ACK：继续发送新的一帧； 超时：未收到应答，重新发送前一帧。 l接收方：接收帧并判断是否出错 出错：将出错帧丢弃，不发任何应答。 正确：是否为准备接收的帧序号 。是：接收数据，发确认ACK； 。否则，将该帧丢弃，不发任何应答。 停等协议流程图 帧出帧出 错丢错丢 失失 帧出帧出 错错 帧重帧重 复复 帧正帧正 确确 在链路上传输帧的情况 出错丢失 重复 后退N帧协议基本思想 l发送方：连续发送多个数据帧，停止等待 收到确认ACK，继续发送后面帧； 超时，未收到应答，从出错帧开始重发 l接收方：按序号接收数据分组 正确：接收处理，发确认ACK； 出错：将出错帧及后面帧均丢弃，不发任何应答。 工作示意图 如果信道的传输质量很差而误码率如果信道的传输质量很差而误码率 较大时，不一定优于停等协议。较大时，不一定优于停等协议。 丢弃 选择性重传基本思想 发送方：连发多个数据帧，停止等待 收到确认ACK，继续发送后面帧； 超时，未收到应答，只重发出错帧。 接收方：不按序号接收数据帧 正确：接收、按顺序交付，发确认ACK； 出错：丢弃该分组，以后正确分组放入缓存， 当出错分组正确收到后，按顺序一起交付。 工作示意图 链路层信道类型 广播链路 点对点链路 广播链路 许多主机被连接到相同的通信信道（共享信道） 主要解决问题：需要媒体访问协议来协调传输和 避免“碰撞”（冲突）。 常用于局域网LAN、无线LAN、卫星网等。 协议：CSMA/CD等。 点对点链路 直接链接两个节点的链路，每一端有一个节点。 如两台路由器之间的通信链路，或住宅拨号 调制解调器与ISP路由器之间的通信链路。 访问控制简单。 主要解决问题：如成帧、可靠数据传输、差错 检测和流量控制等。 协议：HDLC、PPP 3.5 数据链路层协议 3.5.1 高级数据链路控制 3.5.2 点到点协议 3.5.3 PPPoE 3.5.1 高级数据链路控制 l20世纪70年代初：IBM公司率先提出了面向比特 的同步数据链路控制规程SDLC （Synchronous Data Link Control）。 lISO修改后作为国际标准，称为高级数据链路控 制HDLC （High-level Data Link Control）。 l面向比特：链路上传送的是由比特流组成的帧。 站点类型 l主站：控制整个链路的工作。 主站发出命令，要求次站完成某些特定操作 。 l次站（从站）：接收主站命令，完成要求的操作 。 次站发出的帧叫做响应。 l复合站：同时具有主站与次站的功能。 每个复合站都可以发出命令和响应。 链路结构 l点点结构：一个主站，一个次站。 l多点结构：一个主站，多个次站 。 命令 响应 主站次站响应响应 命令 主站 次站次站 HDLC帧结构 l01111110开始和结束标志 ： 采用“零比特填充” 保证透明传输。 l地址： 多点链路。 l控制：关键字段。监视和控制链路。 l数据：网络层分组。 l校验和：CRC校验。 HDLC帧类型 l控制字段区分三种帧： l信息帧（I帧） ：传送数据。 l监控帧（S帧）：用于差错控制和流量控制 。 l无编号帧（U帧）：无编号N（S）和N（R ）。 l P/F：表示查询/最后。位12345678 I格式0N（S）P/FN（R） S格式10S1S2P/FN（R） U格式11M1M2P/FM3M4M5 1 信息帧 lN(S)：当前发送的信息帧的序号。 采用滑动窗口协议，发送方最多可以连续发 送7个帧。 lN(R)：期望接收的帧的序号。之前均收到。 用于“捎带确认”：不必单独发送应答帧。 lP/F：查询/最后。 主站请求从站发送数据设置为P； 从站发送多帧，中间帧置为P，最后帧置为F。 2 监控帧 用于差错控制和流量控制。 l无信息字段，共48比特长。 l只作为应答使用，只有N(R)字段。 监控帧类型及功能 类 型 S名称功能 00 0 RR接收 就绪 肯定确认帧，准备接收序 号为N(R)的帧。 21 0 RNR接 收未就 绪 小于序号N(R)的帧已全部正 确收到，但未准备好接收 N(R)帧，要求发送方停止 发送。 10 1 REJ拒绝否定确认帧，表示检测到 传输错误 ，要求重传从序 号N(R)开始的所有帧。用于 后退N帧协议 。 31 1 SREJ选 择拒绝 只重发序号为N(R)的帧， 用于选择重传协议 中。 流量控制流量控制 3 无编号帧 l无序号N(S)和N(R) l用于提供链路的建立、拆除及其它多种控制功能 。 3.5.2 点到点协议PPP PPP：Point-to-Point Protocol l用户接入因特网有多种方式，如电话拨号、 ADSL等。 l从用户计算机到ISP的链路需要数据链路层协议 SLIP：串行线路IP。目前很少用。 PPP协议： 1992年制定，经多次修订，已成为 因特网正式标准。用于电话拨号接入。 PPPoE协议：1999年公布。用于ADSL接入。 用户电话拨号接入的PPP协议 PPPPPP连连 接接 PPP的设计要求 为在两个对等实体间建立简单连接、传输数 据包而设计。 l封装成帧： 将网络层分组封装成帧，以便接收方正确接收。 l透明性：不对网络层分组中的数据做任何限制。 l支持多种网络层协议：如IP和IPX等。 l差错检测：能够检测到帧中的比特差错。 PPP的设计要求 l支持多种链路类型：如串行/并行、同步/异步 、高速/低速、电/光等的链路。 l 网络层地址协商： 为相互通信的网络层提供一个机制来获知 或者配置各自的网络层地址。 l只支持点对点和全双工链路。 l简单：不需要序号、纠错及流量控制。 差错恢复、流量控制、数据重排序等差错恢复、流量控制、数据重排序等 都移交到较高层都移交到较高层! ! PPP层次 PPP组成 在两个通信的链路级对等体之间，交换含有 网络层数据报的PPP帧。 成帧：在PPP帧中封装数据、识别帧的开始和结 束、检测帧中差错。 链路控制协议：初始化、维护和拆除PPP链路。 网络控制协议：一个协议族，分别对应一个上层 网络协议。 1 PPP帧格式 l与HDLC帧格式类似，面向字符。 l地址和控制字段固定，无序号帧，采用CRC校验 。 协议类型协议类型 透明传输 “标志”字段为7EH（01111110）。 l问题： 在其他字段出现“标志”本身，接收方可能 会错误地认为是帧的结束。 l 需采用