计算机三级网络技术教程第4章ppt课件.ppt

第4章数据链路层 帧与成帧差错控制流量控制数据链路层的三种基本服务数据链路层协议举例数据链路层的设备与组件 内容提要 本章基本要求 理解数据链路层的功能与作用理解差错控制的作用和原理了解数据链路层的设备与组件理解常用的成帧方式理解流量控制的作用和原理理解HDLC协议的主要内容 4 1数据链路层概述 物理层传送特流 不能划分和识别信息的结构 没有传输单元的概念 物理层不能进行差错控制 物理层不能进行流量控制 4 1 1需要数据链路层的原因 数据链路层要解决的主要问题是 实现相邻节点之间的可靠传输 为网络层提供无差错的 能够控制数据流量的服务 数据链路层具有如下功能 数据链路的建立 维持和拆除 将物理层的比特流组成帧 称为 成帧 拆帧 差错控制 流量控制 4 1 2相邻节点的概念 相邻节点 那些位于同一物理网段中的结点 4 2帧与成帧 帧 frame 是数据链路层的协议数据单元 4 2 1帧的基本格式及其作用 不同的数据链路层协议给出的帧格式都存在一定的差异 但它们的基本格式上大同小异 下图给出了帧的基本格式 帧开始字段和帧结束字段 分别指示此帧的开始和结束 如 地址字段 给出节点的物理地址信息 物理地址可以是局域网网卡地址 也可以是广域网中的数据链路标识 地址字段用于设备或机器的物理寻址 如某主机上一以太网网卡的地址为00 90 27 99 11 91 长度 类型 控制字段 提供有关帧的长度或类型的信息 也可能是其他一些控制信息 如HDLC的某监控帧10001101 表示准备接收101号信息帧 数据字段 来自网络层的协议数据单元 即数据分组 packet 帧检验序列FCS FrameCheckSequence 字段 提供与差错检测有关的信息 如CRC校验序列 通常数据字段之前的所有字段统称为帧头部分 而数据字段之后的所有字段称统为帧尾部分 4 2 2成帧与拆帧 成帧 在发送端 将上一层 网络层 的协议数据单元 分组 封装成数据链路层的协议数据单元 帧 frame 拆帧 在接收端 去掉所收到帧的帧头和帧尾部分 从中分离出网络层所需的分组 常用四种成帧方法 字符计数法 在帧头部使用一个字段 标明帧中的字符个数 问题 当计数值被传输出错时 就会造成接收方判断错误 例如 发送三个帧 6ABCDE5UVWX81234458 长度分别为6字节 5字节和8字节 但是 接收方错误地收到 6ABCDE7UVWX81234458 时 则会将第二帧解释为 7UVWX81 从而导致因发收双方对帧大小理解的不一致而出错 带字符填充的首尾界符法在帧头加上 DLESTX 在帧尾加上 DLEETX 但是有可能在帧内出现这些字符 解决办法 发送方 若在数据中遇到有DLE字符 就在其前面增加 填充 一个DLE 接收方 若遇到成对出现的DLE 则认为是数据 并去掉一个DLE 例如 待发送的数据是ADLECB 则在数据链路层封装的帧为DLESTXADLEDLECBDLEETX不足 完全依赖于8位编码的字符 位填充法帧边界 一个特殊的位模式 01111110 标志帧的开始和帧的结尾 发送方 若在成帧时遇到5个连续的1 就自动在第五个1之后插入一个0 保证了除了帧边界这外 没有其他地方出现 01111110 接收方 若遇到 01111110 则认为是帧边界 若遇到5个连续的1并跟着0时 就删去此0 例如 原始数据为011100111111111111111010则经过填充后就变为011100111110111110111110010其中三个 0 为填充的位 物理层编码违例法用物理层信息编码中未用的电信号来作为帧的边界 例如 在曼彻斯特编码中 可将高 低电平对表示1 将低 高电平对表示0 那么可用高 高电平对 低 低电平对作为帧的边界 4 3差错控制 差错是指接收端收到的数据与发送端实际发出的数据出现不一致的现象 差错类型 随机错 由热噪声所产生的差错称为随机错 突发错 由冲击噪声所产生的错误称为突发错 电磁干扰 无线电干扰等都属于冲击噪声 差错的严重程度由误码率来衡量 4 3 1差错原因与类型 差错控制的主要作用 发现数据传输中的错误 以便采取相应的措施减少这种错误 差错控制的步骤和方法 第一步接收方利用帧校验序列FCS FrameCheckSequence 发现差错 注 FCS是发送方在成帧时添加的一种冗余码 第二步若发现差错 则采用下列方案之一 纠错码方案 即接收方自动纠正差错 检错码方案 即接收方发现差错之后 请求发送方重传原来的帧 这一过程称为反馈重发 也称为自动请求重传ARQ AutomaticRepeatrequest 计算机网络通信中常采用检错码方案 4 3 2差错控制的作用与机制 1 数据帧1 时间 A发送端B接收端 2 反馈帧通知出错 3 重传数据帧1 B发现数据帧1有差错 下图是一种简单的反馈重发方式 停 等方式 4 3 3反馈重发机制 1 数据帧1 时间 AB 2 反馈帧通知已经正确接收 3 发送下一个数据帧2 B未发现数据帧1有差错 传输无差错的情形如下的停 等方式 因为数据帧或反馈帧在传输途中可能丢失 所以还需要有如下考虑 发送端设置一个计时器 以便超时重传 发送端为每个帧编上序号 以便接收端丢弃收到的重复帧 停止等待协议的效率很低 另一种反馈重发机制 连续ARQ机制 ARQ协议 连续ARQ协议的要点 在发送完一个数据帧后 不是停下来等待确认帧 而是连续发送N个数据帧 连续ARQ有两种方式 拉回方式和选择重传方式 如下图所示 1 2 3 4 5 6 2 7 8 9 0 10 11 12 1 2 7 8 9 0 10 11 E 反馈 超时间隔 发送端 接收端 6 5 4 3 1 2 3 4 5 6 2 3 4 5 0 6 7 8 1 2 3 4 5 0 6 7 E D D D D ACK0 超时间隔 发送端 接收端 拉回方式 选择性重发方式 2 两种常见的检错码 奇偶校验码 循环冗余码 4 3 4差错控制 主要讨论帧中的冗余码 即帧检验序列FCS 如何生成和识别 1 奇偶校验码奇偶校验的规则 在原数据位后附加一个校验位 将其值置为 0 或 1 使附加该位后的整个数据码中 1 的个数成为奇数 或偶数 分别称为奇校验 或偶校验 统称为奇偶校验 水平奇校验 垂直奇偶校验 与水平校验类似 垂直奇偶校验也不能检测出偶数个错 水平垂直奇偶校验 水平垂直奇偶校验的检错能力相对较强 且在一定条件还能纠错 如当检测出水平 垂直均有奇数个错时 可以确定且可纠正 当差错出现位于四顶点时不能检测 2 循环冗余码 CRC CRC CyclicRedundancyCheck 是在所传送的k位信息后面附加一个r位检验序列 循环冗余校验码 CRC 的工作原理 1 CRC方法的工作原理设f x 为一个k阶多项式 其系数是待发送信息的比特序列 例如 待发送的信息序列是1010001101 则对应f x x9 x7 x3 x2 1 k 9 G x 为一个r阶的生成多项式 由发收双方预先约定 G x 有国际标准 CRC码的产生 检验序列的生成 用xrf x 除以G x 得余式R x 其系数序列即是检验序列 进行除法运算时 采用模2算术 即加法不进位 减法不借位 异或运算 例如 生成多项式G x x5 x4 x2 1 即110101 r 5 x5f x x14 x12 x8 x7 x5 即1000 也就是f x 信息序列向左移动r 5位 x5f x G x 1000 110101 得余数为01110 对应的余式R x 0 x4 x3 x2 x 0 x0 注意 若G x 为r阶 则余数序列有r位 1101010110110101 1010001101000001101010111011110101001110101101010011111011010100101100110101011001011010101110余数 也就是检验序列 r位 这里r 5 r也是G x 的阶 编码 用模2减法进行xrf x R x 运算 也就是在原信息序列后面附加上检验序列 r位 得到CRC编码 发送序列 例如 x5f x R x 101000110101110 即为发送的序列 在接收方 用相同的生成多项式G x 除所收到的序列 若余数为0 则传输无差错 否则传输出现差错 作业 4 5试计算传输信息1011001的CRC编码 假设其生成多项式G x x4 x3 1 4 4流量控制1 流量控制的作用限制发送方发送的速率 使之不超过接收方能处理的速率 滑动窗口协议可用于流量控制 2 滑动窗口协议简介帧编号所占用的比特数 若用n个比特编号 则编号从0至2n 1 例如 用3比特来编号 则可有8个不同的编号 编号从0到7 循环进行编号 即0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 发送窗口设发送窗口大小为5 则表明在未收到确认帧的情况下 发送端最多可发送5个数据帧 如下图所示 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 窗口滑动方向 图1允许发送0号至4号帧 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 窗口滑动方向 图1允许发送0号至4号帧 收到0号帧的确认后 窗口向右滑动一格 即窗口的下限和上限各加1 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 图2允许发送1号至5号帧 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 图3允许发送5号至1号帧 2 接收窗口 只有序号落入接收窗口内的帧才允许收下 任何落在窗口外面的帧都将被丢弃 下图中接收窗口大小w 1 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 图1准备接收0号帧 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 图3准备接收5号帧 0至4号已正确收到 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 图2准备接收1号帧 0号帧已正确收到 另一种图式解释滑动窗口协议 4 5数据链路层所提供的基本服务数据链路层在实现时有三种基本服务可供选择 即无确认的无连接服务 Unacknowledgedconnectionlessservice 有确认的无连接服务 Acknowledgedconnectionlessservice 有确认的面向连接服务 Acknowledgedconnection orientedservice 无确认的无连接的服务 不建立连接 当然也不释放连接 接收方不反馈确认 这类服务通常适用于误码率很低的信道 如大多数局域网都使用这种无确认的无连接服务方式 有确认的无连接的服务 事先不建立连接 事后也不存在释放连接 但是接收方要反馈确认 发送方等待确认 这类服务适用于像无线网之类的不可靠信道 有确认的面向连接的服务 分为三个阶段 链路建立阶段数据传输阶段链路拆除阶段 这类服务实现复杂度且代价很高 通常被用于误码率较高的不可靠信道 如某些广域网链路 这里顺便介绍一下捎带技术 捎带 piggybacking 技术 当一个数据帧到达后 接收方不是立即发送一个独立的反馈帧 而是等待一定时间 如果收方也要发送数据 就将确认附加在一起发送 使用捎带技术的主要优点在于 能较好地利用有限的信道带宽 4 6数据链路层协议举例几个广泛运用的数据链路层协议 1 HDLC 高级数据链路控制协议 它广泛运用于X 25及许多其他网络中 2 广泛应用于Internet的数据链路层协议PPP 点到点协议 高级数据链路控制HDLC High levelDataLinkControl HDLC所使用的帧的结构如图所示 地址A 控制C 数据D 校验和FCS 位888 0168 HDLC用于实现面向连接的可靠传输例子 a 连接建立 数据传输和连接拆除 如下图所示 b 差错控制的实现 如下图所示 4 7数据链路层的设备与组件网卡 网桥 交换机 4 7 1网卡 全名是网络接口卡 NIC NetworkInterfaceCard 也叫网络适配器 网卡是局域网中提供各种网络设备与网络通信介质相连的接口 网卡作为一种I O接口卡插在主机板的扩展槽上 网卡功能 主要实现数据的发送与接收 帧的封装与拆封 编码与解码 介质访问控制和数据缓存等 网卡地址或MAC地址 由于该地址是固化在网卡上的 所以又被称为物理地址或硬件地址 是每一网卡在出厂时都被分配的全球唯一的地址标识符 网卡地址由48bit长度的二进制数组成 其中 前24bit表示生产厂商 后24bit为生产厂商所分配的产品序列号 如网卡地址00 90 27 99 11 cc 其中前3个十六进制00 90 27表示该网卡由Intel公司生产 后3个十六进制99 11 cc是相应的网卡序列号 网卡分类 按照网络技术的不同可分为以太网卡 令牌环网卡 FDDI网卡等 据统计 以太网网卡最常见 约有80 的局域网采用以太网技术 按照传输速率 以太网卡提供了10Mbps 100Mbps 1000Mbps和10G等多种速率 注 10 100Mbps自适应以太网网卡 按照总线类型分类 ISA总线网卡 EISA总线网卡 PCI总线网卡及其他总线网卡等 16位ISA总线网卡没有100Mbps以上带宽的ISA网卡 PCI总线网卡常用的为32位的 其带宽从10Mbps到1000Mbps都有 按照所支持的传输介质 可分为双绞线网卡 粗缆网卡 细缆网卡 光纤网卡和无线网卡 连接双绞线的网卡带有RJ45接口 连接细缆的网卡带有BNC接口等 目前 市场