数据链路层协议及分析.ppt

1 第4章数据链路层协议及分析 2 内容提要 数据链路层的功能数据链路层的流量控制协议广域网数据链路传输控制规程局域网的数据链路层协议分析Internet数据链路层协议 3 重点和难点 重点数据链路层的功能流量控制协议HDLC协议局域网各种媒体访问控制机制因特网的接入难点链路层协议的理解窗口滑动机制和窗口大小的选择HDLC各字段的含义及其控制过程CSMA CD访问机制PPP协议 4 概述 基本概念链路 是指一条无源的点到点的物理线路段 且中间没有任何其它的交换结点 如图所示 数据链路 指的是除了具备一条物理线路外 还必须有一些必要的规程控制这些数据的传输 5 概述 续 基本概念数据链路 当需要在一条线路上传送数据时 除了必须有一条物理线路外 还必须有一些必要的规程 procedure 来控制这些数据的传输 把实现相关规程的硬件和软件加到链路上 就构成了数据链路 数据链路就象一条数字管道 可以在它上面进行数据通信 数据链路层关注的问题如何在一条数据链路上实现端到端的可靠的数据传输 6 4 1数据链路层的功能 链路管理主要解决包括数据链路的建立 维持和释放 信息的传输主要解决如帧格式 帧大小 帧同步 帧顺序编号以及判断是数据信息海华丝控制信息等问题 流量与差错控制流量控制问题实际上就是收发双方收发速率的同步问题 差错控制问题就是确保数据准确的递交给目标方高层 异常情况处理对在该层中出现的异常情况 要解决如何检测 如何处理等问题 7 4 2数据链路层的流量控制协议 概念是指对在数据链路上传输的帧进行速度的控制 保证接收端有足够的缓冲单元存储发端发来的信息以便收端处理 常用2种方法停 等流量控制滑动窗口流量控制 8 4 2数据链路层的流量控制协议 停 等流量控制基本原理利用差错控制中的反馈重发方式中的回送校验实现流量控制 发方每发送一帧后 必须等待对方回送确认应答信息后才能发下一帧 接收方在收到一帧数据后 先检查帧是否正确 若无差错 则将该帧数据向下一节点转发或当该节点为最终目的节点时将信息提交给主机 并向发送节点回送一确认帧ACK 若该帧有错 则接收节点丢弃该帧 并发送一否认帧NAK给发送端 发送节点收到确认帧ACK后 再发送下一帧 若发送节点收到否认帧 则重发对应的帧 直到收到确认帧ACK为止 9 4 2数据链路层的流量控制协议 停 等流量控制工作流程 10 4 2数据链路层的流量控制协议 停 等流量控制特殊情况的处理超时计时器防止由于信息丢失导致发送端的无休止等待给帧编序号防止重帧现象出现缺点信道的利用率低 只适合半双工通信 11 4 2数据链路层的流量控制协议 滑动窗口流量控制概念指对于任何时刻 都允许发送端一次发送多个帧 这些帧的序号个数就称为发送窗口的大小 发送窗口保存已发送但尚未经确认的数据帧 接收窗口保存已正确接收但尚未提交给主机的数据帧 发送端与接收端不必具有相同大小的窗口 12 滑动窗口流量控制概念示例实则是封闭且有序的数字序号队列滑动窗口目的严格限制已发送出去而未被确认的数据帧的个数 在帧编号所用位数恰当的情况下 使每个数据帧都有唯一的编号 且可循环重复使用已收到确认的那些帧的序号 4 2数据链路层的流量控制协议 13 滑动窗口流量控制发送窗口发送窗口用来对发送端进行流量控制 即通过规定发送窗口的大小WT来代表在没有收到对方确认信息的情况下发送端最多可以发送多少个数据帧 4 2数据链路层的流量控制协议 14 滑动窗口流量控制接收窗口在接收端只有当收到的数据帧的发送序号落入接收窗口内才允许将该数据帧收下 若接收到的数据帧落在接收窗口之外 则一律将其丢弃 4 2数据链路层的流量控制协议 15 滑动窗口流量控制发送窗口的大小限制 可以证明 当用n个比特进行编号时 若接收窗口WR的大小为1 则发送窗口WT的大小与编码二进制位数之间有如下关系 WT 2n 1 WR 1 4 2数据链路层的流量控制协议 16 4 3广域网数据链路传输控制规程 概述数据链路控制规程 DLCP 要解决的主要问题数据编码格式传输控制字符报文格式呼叫及应答方式传输步骤差错控制方式通信方式同步方式信息传输方式 17 4 3广域网数据链路传输控制规程 概述广域网数据链路控制规程的分类面向字符型传输控制规程以字符作为传输基本单位典型的有 BSC DDCMP等面向比特型传输控制规程以比特为基本传输单位典型的有 HDLC SDLC ADCCP等 18 4 3广域网数据链路传输控制规程 面向字符型传输控制规程分析规程特性传输的基本单位为字符信息编码可采用五单位代码 七单位代码和信息交换汉字代码等可采用同步或异步传输传输速率为200bps 4800bps通信方式可采用半双工或全双工差错控制采用反馈重发方式 差错编码一般采用方阵码发送方式为等待发送方式 19 4 3广域网数据链路传输控制规程 面向字符型传输控制规程分析使用环境 20 4 3广域网数据链路传输控制规程 面向字符型传输控制规程分析传输控制字符规定了10个基本控制字符 这些字符不能在报文的标题及正文中出现 否则会产生错误的判断 因此传输的透明性差 采用了传输扩展控制字符 由双字符构成 21 4 3广域网数据链路传输控制规程 面向字符型传输控制规程分析报文格式信息报文完整的信息报文由标题 正文组成 并以信息块校验字符 BCC结束 监控报文用于在链路上传送命令或响应 22 4 3广域网数据链路传输控制规程 面向字符型传输控制规程分析数据链路控制步骤建立传输线路物理连接建立数据链路信息传输阶段拆除数据链路切断物理线路面向字符基本型控制规程的简化流程图 23 24 4 3广域网数据链路传输控制规程 面向比特型传输控制规程分析HDLC的产生背景 25 4 3广域网数据链路传输控制规程 面向比特型传输控制规程分析规程特性传输的基本单位是比特 适用于多种字符代码能用于任何链路结构采用同步方式传送数据 速率在2400bps以上采用连续发送方式每帧都带有帧编号和地址 可连续发送几帧后才要求对方予以确认 因而传输有效性较高可靠性好传输透明性好除了帧标志外 五专用的传输控制字符 因此不用对数据信息的组成加任何嫌孩子即可透明传输 数据信息和数据信息均采用统一的 帧 格式 因此格式一致且便于扩充 26 4 3广域网数据链路传输控制规程 面向比特型传输控制规程分析几个概念站结构有3种类型的通信站 主站 从站和组合站链路结构非平衡型 由一个主站和多个从站组成 分为2种 点对点方式和多点式 27 4 3广域网数据链路传输控制规程 面向比特型传输控制规程分析几个概念链路结构平衡型 通信双方都具有主站和从站功能 任一方都可以发出命令和响应 数据传送要求 28 4 3广域网数据链路传输控制规程 面向比特型传输控制规程分析几个概念操作模式正常响应模式 NRM 用于点 点或点 多点式的非平衡结构中异步响应模式 ARM 用于点 点非平衡结构中或对称方式异步平衡模式 ABM 用于平衡结构中 29 4 3广域网数据链路传输控制规程 面向比特型传输控制规程分析帧结构1Byte1Byte1Byte可变长度2Byte1Byte从帧的组成可以看出 数据链路层在信息字段的头尾各加有24bit的控制信息 这样就构成了一个完整的数据链路层的数据帧 网络层PDU 标志字段F地址字段A控制字段C信息字段INFO帧校验序列FCS标志字段F 30 4 3广域网数据链路传输控制规程 面向比特型传输控制规程分析标志字段F作用 用以实现帧级同步 以表明一帧的开始与结束位模式 01111110判读 对于接收方来讲 凡是出现在两个01111110之间的比特流一定是一个数据链路层的帧 31 4 3广域网数据链路传输控制规程 面向比特型传输控制规程分析问题 在两个标志字段之间的比特串中 如果碰巧出现了和标志字段F一样的比特组合 应如何处理 解决方法 HDLC采用了所谓的零比特填充法来使一帧中两个F字段之间不会出现6个连续的1 从而实现所谓的透明传输 32 4 3广域网数据链路传输控制规程 面向比特型传输控制规程分析零比特填充法的思想发送 在发送端 当一串比特流尚未加上标志字段时 先扫描整个帧 只要发现有5个连续1 则立即填入一个0 显然 经过此方法处理后的数据 肯定不会出现6个连续1 接收 在接收一个帧时 先找到F字段以确定帧的边界 接着再对其中的比特流进行扫描 每当发现5个连续1时 就将此后的一个 0 删除 以还原成原来的比特流 例 被发送的原始数据 01001111110001010碰巧被发送端处理后的数据 010011111010001010 插入0 接收端处理后的数据 01001111110001010将此位置的 0 删除 33 4 3广域网数据链路传输控制规程 面向比特型传输控制规程分析零比特填充法的思想结论引入零比特填充法后 保证了数据链路层可以传送任意组合的比特流 或者说 可实现数据链路层的数据透明传输 一般就将位于两个F字段之间的所有字段称为 透明传输区间 思考被发送的原始数据 0101111111111001010被发送端处理后的数据 34 4 3广域网数据链路传输控制规程 面向比特型传输控制规程分析地址字段Add为8比特的字段 概念上最大可提供256个不同的从站或应答站地址 对不同的链路配置 地址字段有不同的含义 其中 非平衡配置 从站的地址 平衡配置 应答站的地址 特殊地址全 1 地址是广播方式 全 0 地址是无效地址 因此 有效的地址共有254个 为满足更多站点连接的需要 例如使用分组无线电 用户可能很多 在事先约定的情况下 HDLC还支持扩展地址的引入 35 4 3广域网数据链路传输控制规程 面向比特型传输控制规程分析控制字段控制字段共8bits 是最复杂的字段 也是HDLC的核心 HDLC的许多重要功能都要靠控制字段来实现 根据该字段最前面两个比特取值的不同 可将HDLC帧分为三类 信息帧I Information 监督帧S Supervisory 无编号帧U Unnumbered 36 4 3广域网数据链路传输控制规程 面向比特型传输控制规程分析帧校验序列FCS帧校验序列FCS FrameCheckSequence 字段基于CRC校验原理 采用的生成多项式是 x16 x12 x5 1 对应二进制比特串为10001000000100001 所校验的范围是Add字段 C字段 Info字段 37 4 3广域网数据链路传输控制规程 面向比特型传输控制规程分析信息字段INFO作用用来传送各种数据信息帧标志I帧的特征标志是控制字段的第1个比特为 0 38 面向比特型传输控制规程分析相关字段的作用比特5称为询问 终止 Poll Final 比特 简称P F比特 这个比特的功能较多 并且在其他两类帧中都会用到 其主要作用体现在支持数据交换双方连接的建立 维持 在非平衡配置环境下 用于询问从站是否有数据交换请求 用于表示数据交换完毕 比特2 4称为发送序号N S 表示当前所发送的信息帧的序号 比特6 8称为接收序号N R 表示一个站所期望收到的信息帧的序号 同时含应答 确认以前收到的帧 必须指出 在信息帧中设有接收序号N R 这一字段 就表示不必专门为收到的信息帧发送确认应答帧 可以在本站有信息帧发送时 将确认信息放在其接收序号N R 中让本站发送信息帧时将确认信息捎带走 4 3广域网数据链路传输控制规程 39 面向比特型传输控制规程分析HDLC的监督帧监督帧简称为S帧 因不含Info部分 故为定长帧 所有监督帧都为48bit长 作用用于实现帧同步 流量控制 及信息帧的确认 帧标志S帧的特征标志是控制字段的第1个比特为 1 且第2个比特为 0 4 3广域网数据链路传输控制规程 40 面向比特型传输控制规程分析Type字段的取值 第3 4位 该字段的取值不同就构成了四种不同的监督帧 如表所示 4 3广域网数据链路传输控制规程 41 面向比特型传输控制规程分析HDLC的无编号帧 无编号帧又称为U帧 作用用于传输各种起控制作用的命令 帧标志U帧的特征标志是控制字段的第1个比特为 1 且第2个比特也为 1 4 3广域网数据链路传输控制规程 42 4 3广域网数据链路传输控制规程 面向比特型传输控制规程分析控制过程建立数据链路连接阶段传送数据阶段拆除数据链路阶段 43 4 4局域网的数据链路层协议分析 IEEE802 2逻辑链路控制子层LAN的数据链路层的特点必须支持链路的多重访问媒体控制层将承担某些链路访问的细节必须提高第三层的功能逻辑链路层的功能端 端差错控制和确认端 端的流量控制 可采用顺序号提供这些功能LAN不需要独立的第三层协议提供多址发送和广播发送 44 4 4局域网的数据链路层协议分析 IEEE802 2逻辑链路控制子层LLC服务无确认无连接服务不建立连接 源直接将数据发往目的地 接收方不反馈常用于高层已具有出错处理和按序投递的功能或实际应用不需要将数据包按序投递的场合 有确认无连接服务在传送数据前无须建立连接 可靠的数据报 面向连接服务相当于X 25中的虚电路操作复杂 线路开销大 但能保证数据的可靠有序传递 出错后可通过重传纠错 45 4 4局域网的数据链路层协议分析 IEEE802 2逻辑链路控制子层LLC协议利用MAC的服务为数据链路层的高层用户提供了LLC服务 帧格式与HDLC基本类似 但缺少HDLC的F和FCS字段 46 4 4局域网的数据链路层协议分析 IEEE802 2媒体访问控制子层MAC地址有2类 单地址和组地址允许有16位或者48位的MAC地址16位的是局域地址48位的可作为局域地址 也可作为全域地址IEEE是世界上局域网全局地址的法定管理机构 负责分配地址字段的6字节中的前3个字节MAC子层的功能提供实现不同的介质访问控制方法 47 4 4局域网的数据链路层协议分析 IEEE802 2媒体访问控制子层MAC子层的协议局域网存在对信道的争用和争用后如何使用信道的问题 这构成了对媒体的控制方法 根据媒体的使用控制方式与网络的拓扑结构的结合 常用的MAC子层的协议有CSMA CD令牌总线 TB 令牌环 TR CSMA CA 48 4 4局域网的数据链路层协议分析 IEEE802 3标准及以太局域网CSMA方法基本思想当一个发送设备要向网络中发送数据时 它总是先侦听网络上是否有数据在发送 若发现有其他设备正在发送数据 则先停自己的发送动作并等待 等待某一时间间隔后再发送 这种等待某一时间的做法又叫退避法 49 4 4局域网的数据链路层协议分析 IEEE802 3标准及以太局域网CSMA分类非坚持 nonpersistent CSMA一旦监听到信道忙 即发现有其他站在发送数据 就不再坚持听下去 而是根据协议的算法延迟一个随机的时间后重新再监听 若进行载波监听时发现信道空闲 则将准备好的帧发送出去 50 4 4局域网的数据链路层协议分析 IEEE802 3标准及以太局域网CSMA分类1 坚持CSMA当一个站点要传送数据时 首先侦听信道 看是否有其他站点正在传送 如果信道正忙 它就持续等待直到它侦听到信道空闲时 便将数据送出 若发生冲突 站点就等待一个随机长的时间 然后重新开始 P 坚持CSMA当一个站点要传送数据时 首先侦听信道 看是否有其他站点正在传送 如果信道正忙 它就持续等待直到它侦听到信道空闲时 以概率P发送数据 而以概率 1 P 延迟一段时间 网络中最远的端到端的传播时延 重新监听信道 若发生冲突 站点就等待一个随机长的时间 然后重新开始 51 4 4局域网的数据链路层协议分析 IEEE802 3标准及以太局域网CSMA比较非坚持 不能充分利用信道刚刚转入空闲期的这段时间 1 坚持 容易在上述这段时间产生冲突 P 坚持 可以在一定程度上克服这些缺点 但却很难选择一个能用于各种通信量强度的P值 所以在实际网络中常选择1坚持 52 4 4局域网的数据链路层协议分析 IEEE802 3标准及以太局域网CSMA CD步骤如果信道空闲 则发送 如果信道有载波 则继续对其进行侦听 一旦空闲 立即发送 如果发送中检测到碰撞 则停止自己的正常发送 转而发送一个短的干扰信号以强化碰撞 使LAN上所有站都恩那个知道出现了碰撞 发送干扰信号后 退避一随机时间 再重新尝试发送 既然采用了载波侦听 为什么还会发生碰撞 53 碰撞仍然可能发生 信道传播时延使得两个节点可能没有侦听到对方的传输 碰撞 整个帧传输时间被浪费 注意 距离和传播时延在检测碰撞时起决定性作用 空间 时间 4 4局域网的数据链路层协议分析 54 CSMA CD碰撞检测 空间 时间 碰撞检测放弃时间 4 4局域网的数据链路层协议分析 55 CSMA CD在短时间内碰撞被检测在有线LANs中比较容易 测量信号强度 比较收 发的信号在无线LANs中比较困难 传输时接收器是关闭的碰撞后停止传输 减少信道浪费 4 4局域网的数据链路层协议分析 56 1km A B t t 0 单程端到端传播时延记为 57 1km A B t t B检测到信道空闲发送数据 t 2发生碰撞 A B A B t 0A检测到信道空闲发送数据 A B t 0 A B 单程端到端传播时延记为 58 强化碰撞当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时 除了立即停止发送数据外 还要再继续发送若干比特的人为干扰信号 jammingsignal 以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞 4 4局域网的数据链路层协议分析 59 A B t B也能够检测到冲突 并立即停止发送数据帧 接着就发送干扰信号 这里为了简单起见 只画出A发送干扰信号的情况 60 争用期最先发送数据帧的站 在发送数据帧后至多经过时间2 两倍的端到端时延 就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞 以太网的端到端往返时延2 称为争用期 或碰撞窗口 经过争用期这段时间还没有检测到碰撞 才能肯定这次发送不会发生碰撞 4 4局域网的数据链路层协议分析 61 4 4局域网的数据链路层协议分析 IEEE802 3标准及以太局域网CSMA CD的帧结构 62 4 4局域网的数据链路层协议分析 IEEE802 3标准及以太局域网802 3关于无效帧的规定帧的实际长度与 数据长度 字段不一致 帧的实际长度不是整数个字节 FCS校验发现帧出现了差错 收到的帧的数据字段的长度不在46 1500之间 63 4 4局域网的数据链路层协议分析 IEEE802 4标准即令牌总线介质访问控制子层协议特点由总线或树形网络中的各站构成一个环 并在网络中释放一个令牌 标记 要发送的站的顺序由令牌的顺序来决定 一个站在传送数据前必须拥有一个令牌 令牌按数字顺序依次在站间传送 但站在物理上不一定按照这个顺序排列 64 4 4局域网的数据链路层协议分析 IEEE802 5标准令牌环基本原理网络上的各站连成一个物理环 并在网络上释放一个令牌 有数据要发送的站点等待令牌的到来 将它改为忙标识 并将数据帧发送到环上 令牌释放前 其他站都不能进行数据传送 典型应用 FDDI特点优点 重负荷下利用率高 对传输距离不敏感 可对各站实现公平访问策略缺点 结构复杂 在检错和可靠性方面尚存在问题 65 4 4局域网的数据链路层协议分析 IEEE802 11标准概述传输介质介质使用无线电波 微波 介质访问控制方法 CSMA CA发送方的工作流程如果侦听到信道闲置了一定时间 则传输整个帧 无冲突检测 如果侦听到信道忙 则选择一个随机避退值作为定时器的定时时间 并在侦听信道闲置时递减该值 定时时间一到且信道空闲就发送数据如果收到确认 且站点要继续发送数据 则执行第2步如果没有收到确认 ACK 则在更大范围内选取随机值 重复第2步接收方如果帧收到则OK 等待一定时间后返回ACK ACK是必须的因为隐蔽站问题 66 4 4局域网的数据链路层协议分析 IEEE802 11标准802 11b第2代无线局域网标准 工作在不需要许可证的2 4 2 485GHz的无线频谱上 最高数据速率11Mbps 实际为5Mbps左右802 11a频率范围 5 1 5 8GHz最高数据速率 54Mbps不能与802 11b兼容802 11g2 4 2 485GHz范围最高数据速率54Mbps完全兼容802 11b 但与802 11a不兼容802 11n最高数据速率 300Mbps室外距离可达300m 67 4 4局域网的数据链路层协议分析 典型的局域网介绍传统局域网10base5以太网粗同轴电缆 可靠性好 抗干扰能力强收发器 发送 接收 冲突检测 电气隔离AUI 连接件单元接口总线型拓扑用于网络骨干连接 68 4 4局域网的数据链路层协议分析 典型的局域网介绍传统局域网10base2以太网细同轴电缆 可靠性稍差BNCT型接头连接总线型拓扑用于办公室LAN 69 4 4局域网的数据链路层协议分析 典型的局域网介绍传统局域网10base T以太网采用双绞线通过集线器或交换机连接各个工作站拓扑结构具有总线型和星型相结合的特点传输介质价格便宜 维护管理方便 网络稳定性强 70 4 4局域网的数据链路层协议分析 典型的局域网介绍传统局域网10base T以太网需要满足的要求双绞线的最大长度为100m每个网段的最大收发器数为2个任何一条线路不能形成环路 71 4 4局域网的数据链路层协议分析 典型的局域网介绍传统局域网10base T以太网中的集线器集线器是物理层的设备从一个接口收到的比特流会传给其它所有接口同样速率没有帧缓存集线器没有CSMA CD 由适配器检测碰撞 72 4 4局域网的数据链路层协议分析 典型的局域网介绍集线器互联主干集线器将LAN网段互联起来扩展了节点间的最大距离原先独立的网段碰撞域变成了一个大的碰撞域不能将10BaseT和100BaseT以太网互联 73 4 4局域网的数据链路层协议分析 典型的局域网介绍传统局域网10base T以太网中的交换机2层交换机工作在数据链路层基于MAC地址信息的交换交换机内部建立和维护交换表 交换表记录了目的MAC地址与交换机端口的对应关系3层交换机工作在网络层 使用数据报中的网络层地址进行数据转发 并支持路由功能 74 4 4局域网的数据链路层协议分析 典型的局域网介绍传统局域网10base F以太网使用光纤作为传输介质10Base FP 10Base FB 10Base FL和FOIRL10Base FL的要求光纤网段最大长度为2000m每个光纤段最大收发器个数为2个全双工模式下 多模光纤可达5000m 单模光纤可达40000m 75 4 4局域网的数据链路层协议分析 典型的局域网介绍快速局域网100base T以太网在双绞线上传输100Mb s基带信号的星型拓扑以太网 1995年定为国际标准IEEE802 3u 使用交换机可提供很好的服务质量 可在全双工方式下工作而无冲突发生 这时CSMA CD协议不起作用 半全双工方式时 一定要使用CSMA CD协议 MAC帧格式仍然是802 3标准规定的帧格式 IEEE802 3u未包含对同轴电缆的支持 为保证信道利用率 修改了10Mb s以太网的某些规定 76 4 4局域网的数据链路层协议分析 典型的局域网介绍快速局域网三种不同物理层标准的100base T以太网100BASE TX使用2对UTP5类线或STP 一对用于发送 一对用于接收 速率 125Mbps 77 4 4局域网的数据链路层协议分析 典型的局域网介绍快速局域网三种不同物理层标准的100base T以太网100Base FX使用2根光纤 一根用于发送 一根用于接收100Base T4使用4对UTP3类线或者5类线 它同时使用3对线传送数据 每对线33 33Mb s 1对线作为碰撞检测的接收信道 78 4 4局域网的数据链路层协议分析 典型的局域网介绍快速局域网FDDI使用光纤作为传输介质 遵循IEEE802 2的LLC规范和802 5的令牌环MAC规范以及物理层规范 使用多模光纤 且构成双环型的网络拓扑结构 最多支持1000个物理连接 具有动态带宽分配能力 在使用多模光纤时 最大站间举例为2000m 环形网络总的环路长度可达100000m 79 4 4局域网的数据链路层协议分析 典型的局域网介绍快速局域网千兆以太网标准是IEEE802 3z仍然使用802 3协议规定的帧格式既支持无冲突的全双工工作方式 此时不需要使用CSMA CD协议 也支持半双工工作方式 此时仍然使用CSMA CD协议 与10M和100M技术向后兼容物理层