第4讲数据链路层

1 第4讲数据链路层 2 知识回顾 物理层的功能数据通信模型信道复用技术数字传输系统宽带接入技术 3 本讲内容及教学目标 理解数据链路层的功能 掌握帧 链路等相关概念 掌握帧定界的方法 理解数据链路层的三个基本问题 掌握差错检测 CRC的计算方法 理解透明传输问题 掌握PPP协议在数据链路层的工作原理了解面向比特的链路层协议HDLC的帧理解停止等待协议理解滑动窗口协议 实现流量控制了解传输层类似的流量控制功能 4 数据链路层的服务 数据链路层最基本的服务是将源计算机网络层来的数据可靠的传输到相邻节点的目标计算机的网络层 它为网络层提供以下服务 无确认 无连接的服务源端可以不需要建立连接就向目的端发送独立的数据帧 而目的端也不需要对收到的帧进行确认 以太网采用此服务 有确认 无连接的服务源端可以不需要建立连接就向目的端发送独立的数据帧 但目的端需要对收到的帧进行确认 面向连接的服务源端与目的端在通信前要先建立连接 然后在此连接上互相传输数据帧 每一个帧都被编号 数据链路层保证传送的帧被对方收到 且只收到一次 双方通信完毕后拆除连接 电话网络采用 5 数据链路层的主要功能 为达到上述目的 数据链路层必须具备一系列相应的功能 主要有 如何将数据组合成数据块 如何控制帧在物理信道上的传输 包括如何处理传输差错 如何调节发送速率以使之与接收方相匹配 在两个网路实体之间提供数据链路通路的建立 维持和释放管理 具体如下 链路管理帧定界流量控制差错控制将数据和控制信息区分开透明传输寻址 6 数据链路层的基本概念 在数据链路层中将这种数据块称为帧 帧是数据链路层的传送单位 链路 link 是一条无源的点到点的物理线路段 中间没有任何其他的交换结点 一条链路只是一条通路的一个组成部分 数据链路 datalink 除了物理线路外 还必须有通信协议来控制这些数据的传输 若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上 就构成了数据链路 现在最常用的方法是使用适配器 即网卡 来实现这些协议的硬件和软件 一般的适配器都包括了数据链路层和物理层这两层的功能 7 数据链路层 数据链路层使用的信道主要有以下两种类型 点对点信道 这种信道使用一对一的点对点通信方式 广播信道 这种信道使用一对多的广播通信方式 因此过程比较复杂 广播信道上连接的主机很多 因此必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机的数据发送 8 数据链路层的简单模型 局域网 广域网 主机H1 主机H2 路由器R1 路由器R2 路由器R3 电话网 局域网 主机H1向H2发送数据 从层次上来看数据的流动 9 数据链路层的简单模型 cont 局域网 广域网 主机H1 主机H2 路由器R1 路由器R2 路由器R3 电话网 局域网 主机H1向H2发送数据 链路层 应用层 运输层 网络层 物理层 链路层 应用层 运输层 网络层 物理层 链路层 网络层 物理层 链路层 网络层 物理层 链路层 网络层 物理层 R1 R2 R3 H1 H2 仅从数据链路层观察帧的流动 10 数据链路层 数据链路层像个数字管道 常常在两个对等的数据链路层之间画出一个数字管道 而在这条数字管道上传输的数据单位是帧 早期的数据通信协议曾叫作通信规程 procedure 因此在数据链路层 规程和协议是同义语 11 成帧 帧同步 为了向网络层提供服务 数据链路层必须使用物理层提供的服务 物理层 是以比特流进行传输的 这种比特流并不保证在数据传输过程中没有错误 接收到的位数量可能少于 等于或者多于发送的位数量 而且它们还可能有不同的值 这时数据链路层为了能实现数据有效的差错控制 就采用了一种 帧 的数据块进行传输 分段传输 采用帧格式传输 就必须有相应的帧同步技术 这就是数据链路层的 成帧 也称为 帧同步 功能 12 成帧 帧同步 续 采用帧传输方式的好处是在发现有数据传送错误时 只需将有差错的帧再次传送 而不需要将全部数据的比特流进行重传 这就在传送效率上将大大提高 但同时也带来了两方面的问题 1 如何识别帧的开始与结束 2 在夹杂着重传的数据帧中 接收方在接收到重传的数据帧时是识别成新的数据帧 还是识别成已传帧的重传帧呢 这就要靠数据链路层的各种 帧同步 技术来识别了 帧同步 技术既可使接收方能从以上并不是完全有序的比特流中准确地区分出每一帧的开始和结束 同时还可识别重传帧 13 IP数据报 1010 0110 帧 取出 数据链路层 网络层 链路 结点A 结点B 物理层 数据链路层 结点A 结点B a b 发送 接收 链路 IP数据报 1010 0110 帧 装入 数据链路层传送的是帧 14 封装成帧 封装成帧 framing 就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部 然后就构成了一个帧 确定帧的界限 首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界 帧结束 帧首部 IP数据报 帧的数据部分 帧尾部 MTU 数据链路层的帧长 开始发送 帧开始 15 用控制字符进行帧定界的方法举例 SOH 装在帧中的数据部分 帧 帧开始符 帧结束符 发送在前 EOT 16 透明传输方法 SOH EOT 出现了 EOT 被接收端当作无效帧而丢弃 被接收端误认为是一个帧 数据部分 EOT 完整的帧 发送在前 17 解决透明传输问题 发送端的数据链路层在数据中出现控制字符 SOH 或 EOT 的前面插入一个转义字符 ESC 其十六进制编码是1B 字节填充 bytestuffing 或字符填充 characterstuffing 接收端的数据链路层在将数据送往网络层之前删除插入的转义字符 如果转义字符也出现在数据当中 那么应在转义字符前面插入一个转义字符 当接收端收到连续的两个转义字符时 就删除其中前面的一个 透明传输 是指可以让无论是哪种比特组合的数据 都可以在数据链路上进行有效传输 这就需要在所传数据中的比特组合恰巧与某一个控制信息完全一样时 能采取相应的技术措施 使接收方不会将这样的数据误认为是某种控制信息 以保证数据链路层的传输是透明的 18 SOH SOH EOT SOH ESC ESC EOT ESC SOH ESC ESC ESC SOH 原始数据 EOT EOT 经过字节填充后发送的数据 字节填充 字节填充 字节填充 字节填充 发送在前 帧开始符 帧结束符 用字节填充法解决透明传输的问题 SOH 19 差错检测 在传输过程中可能会产生比特差错 1可能会变成0而0也可能变成1 在一段时间内 传输错误的比特占所传输比特总数的比率称为误码率BER BitErrorRate 误码率与信噪比有很大的关系 为了保证数据传输的可靠性 在计算机网络传输数据时 必须采用各种差错检测措施 在数据通信过程可能会因物理链路性能和网络通信环境等因素 难免会出现一些传送错误 但为了确保数据通信的准确 又必须使得这些错误发生的机率尽可能低 这一功能也是在数据链路层实现的 就是它的 差错控制 功能 20 差错检测与校正 信号在任何信道上传输都存在着传输差错 这些差错由多种物理现象引起 解决差错问题的方法有两种 一种是在要发送的数据中加入一定的冗余位 使接收方能知道数据是否出错 但不知道是哪里出错 这种编码方法叫差错检测码 或简称检错码 如CRC另一种是在要发送的数据中加入足够多的冗余位 使接收方能纠正出错的位 这种编码方法叫差错校正码 或简称纠错码 如海明码 21 检错码 在实际通信中使用纠错码好还是检错码好呢 例题假设一个信道误码率是10 6 且出错是孤立产生的 即只有单比特错 数据块长度为1000比特 如果采用纠错编码 需要10个校验位 210 1011 传送1M数据需要10000个校验位 如果采用检错编码 每个数据块只需一个奇偶校验位 传送1M数据只需1000个校验位和一个重传的数据1001位 共需要2001比特 在多数通信中采用检错编码 但在单工信道中需要纠错编码 22 多项式编码 循环冗余码CRC CRC CyclicRedundancyCheck CRC编码的一般操作给定一个m比特的帧或报文 发送方生成r比特的序列 也称为帧检验序列FCS FrameCheckSeries 形成 m r 的码字 该码字能被某个事先确定的数整除 接收方用相同的数去除收到的帧 如果无余数 则认为数据帧无差错 多项式表示 即将k比特的数据用k项多项式表示 它的各项为Xk 1 X0 它的系数为数据中对应位的0或1 例如 110001可表示成X5 X4 1 23 循环冗余检验的原理 在数据链路层传送的帧中 广泛使用了循环冗余检验码CRC的检错技术 在发送端 先把数据划分为组 假定每组k个比特 假设待传送的一组数据M 101001 现在k 6 我们在M的后面再添加供差错检测用的n位冗余码一起发送 24 冗余码的计算 用二进制的模2运算进行2n乘M的运算 这相当于在M后面添加n个0 得到的 k n 位的数除以事先选定好的长度为 n 1 位的除数P 得出商是Q而余数是R 余数R比除数P少1位 即R是n位 二进制运算中 减法和加法都做异或运算1 1 00 0 01 0 10 1 1 25 CRC工作原理 26 冗余码的计算举例 现在k 6 M 101001 f x X5 X3 1设n 3 除数P 1101 G x X3 X2 1被除数是2nM 101001000 f x X3 X8 X6 X3 模2运算的结果是 商Q 110101 余数R 001 R x 把余数R作为冗余码添加在数据M的后面发送出去 发送的数据是 2nM R即 101001001 共 k n 位 27 1101010110 Q商除数P 110101101000110100000 2nM被除数11010111101111010111101011010111111011010110110011010111001011010101110 R余数 循环冗余检验的原理说明 28 接收端对收到的每一帧进行CRC检验 1 若得出的余数R 0 则判定这个帧没有差错 就接受 accept 2 若余数R 0 则判定这个帧有差错 就丢弃 但这种检测方法并不能确定究竟是哪一个或哪几个比特出现了差错 只要经过严格的挑选 并使用位数足够多的除数P 那么出现检测不到的差错的概率就很小很小 29 举例CRC 30 CRC练习 设要发送一个二进制数 1101011011设一个多项式为 10011求它的冗余码是多少 实际传输帧是多少 31 帧检验序列FCS 在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列FCS FrameCheckSequence 循环冗余检验CRC和帧检验序列FCS并不等同 CRC是一种常用的检错方法 而FCS是添加在数据后面的冗余码 FCS可以用CRC这种方法得出 但CRC并非用来获得FCS的唯一方法 32 应当注意 仅用循环冗余检验CRC差错检测技术只能做到无差错接受 accept 无差错接受 是指 凡是接受的帧 即不包括丢弃的帧 我们都能以非常接近于1的概率认为这些帧在传输过程中没有产生差错 也就是说 凡是接收端数据链路层接受的帧都没有传输差错 有差错的帧就丢弃而不接受 要做到 可靠传输 即发送什么就收到什么 就必须再加上确认和重传机制 33 常用的多项式国际标准 CRC 12 X12 X11 X3 X2 X 1CRC 16 X16 X15 X2 1CRC CCITT X16 X15 X5 1CRC 32 X32 X26 X23 X22 X16 X12 X11 X10 X8 X7 X5 X4 X2 X 1 34 数据链路层协议分类 点到点线路广播线路局域网使用Internet中主要的数据链路层协议SLIP SerialLineIP 运行于传输速率相对较低的串行线路上 PPP Point to PointProtocol 点 点协议SLIP与PPP用于串行通信的拨号线路上 是目前家庭计算机或公司用户通过ISP接到Internet主要的协议 35 点对点协议PPP 现在全世界使用得最多的数据链路层协议是点对点协议PPP Point to PointProtocol 用户使用拨号电话线接入因特网时 一般都是使用PPP协议 PPP协议不仅在拨号电话线 并且在路由器 路由器之间的专用线上广泛应用 PPP协议是在大多数家庭个人计算机和ISP之间使用的协议 它可以作为在高速广域网和社区宽带网协议族的一部分 36 用户到ISP的链路使用PPP协议 用户 至因特网 已向因特网管理机构申请到一批IP地址 ISP 接入网 PPP协议 37 PPP协议的组成 1992年制订了PPP协议 经过1993年和1994年的修订 现在的PPP协议已成为因特网的正式标准 RFC1661 PPP协议有三个组成部分一个将IP数据报封装到串行链路的方法 链路控制协议LCP LinkControlProtocol 网络控制协议NCP NetworkControlProtocol 38 PPP协议的帧格式 标志字段F 0 x7E 符号 0 x 表示后面的字符是用十六进制表示 十六进制的7E的二进制表示是01111110 地址字段A只置为0 xFF 地址字段实际上并不起作用 控制字段C通常置为0 x03 PPP是面向字节的 所有的PPP帧的长度都是整数字节 39 PPP协议的帧格式 PPP有一个2个字节的协议字段 当协议字段为0 x0021时 PPP帧的信息字段就是IP数据报 若为0 xC021 则信息字段是PPP链路控制数据 若为0 x8021 则表示这是网络控制数据 IP数据报 1 2 1 1 字节 1 2 不超过1500字节 PPP帧 先发送 7E FF 03 F A C FCS F 7E 协议 信息部分 首部 尾部 40 PPP协议透明传输问题 当PPP用在同步传输链路时 协议规定采用硬件来完成比特填充 发送方和接收方的时钟频率相同 当PPP用在异步传输时 就使用一种特殊的字节填充法 发送方和接收方的时钟频率可以不同 但有同步信号 将信息字段中出现的每一个0 x7E字节转变成为2字节序列 0 x7D 0 x5E 若信息字段中出现一个0 x7D的字节 则将其转变成为2字节序列 0 x7D 0 x5D 若信息字段中出现ASCII码的控制字符 即数值小于0 x20的字符 则在该字符前面要加入一个0 x7D字节 同时将该字符的编码加以改变 PPP协议用在SONET SDH链路时 是使用同步传输 一连串的比特连续传送 这时PPP协议采用零比特填充方法来实现透明传输 41 010011111010001010 01001111110001010 010011111010001010 信息字段中出现了和标志字段F完全一样的8比特组合 发送端在5个连1之后填入0比特再发送出去 在接收端把5个连1之后的0比特删除 会被误认为是标志字段F 发送端填入0比特 接收端删除填入的0比特 零比特填充 42 PPP协议的工作状态 当用户拨号接入ISP时 路由器的调制解调器对拨号做出确认 并建立一条物理连接 PC机向路由器发送一系列的LCP分组 封装成多个PPP帧 以配置和测试数据链路 这些分组及其响应选择一些PPP参数 和进行网络层配置 NCP给新接入的PC机分配一个临时的IP地址 使PC机成为因特网上的一个主机 通信完毕时 NCP释放网络层连接 收回原来分配出去的IP地址 接着 LCP释放数据链路层连接 最后释放的是物理层的连接 43 一次使用PPP协议的过程 1 初始状态2 建立连接 建立成功到3 否则到1 3 选项协商 协商成功到4 否则到7 4 身份认证 认证成功到5 否则到7 5 配置网络 网络配置完后到6 6 数据传输 数据传输完后到7 7 释放链路 回到1 44 设备之间无链路 链路静止 链路建立 鉴别 网络层协议 链路打开 链路终止 物理链路 LCP链路 已鉴别的LCP链路 已鉴别的LCP链路和NCP链路 物理层连接建立 LCP配置协商 鉴别成功或无需鉴别 NCP配置协商 链路故障或关闭请求 LCP链路终止 鉴别失败 LCP配置协商失败 链路管理 45 具有最简单流量控制的数据链路层协议 现在去掉上述的第二个假定 仍然保留第一个假定 即主机A向主机B传输数据的信道仍然是无差错的理想信道 然而现在不能保证接收端向主机交付数据的速率永远不低于发送端发送数据的速率 由收方控制发方的数据流 是计算机网络中流量控制的一个基本方法 46 具有最简单流量控制的数据链路层协议算法 在发送结点 从主机取一个数据帧 将数据帧送到数据链路层的发送缓存 将发送缓存中的数据帧发送出去 等待 若收到由接收结点发过来的信息 此信息的格式与内容可由双方事先商定好 则从主机取一个新的数据帧 然后转到 47 具有最简单流量控制的数据链路层协议算法 cont 在接收结点 等待 若收到由发送结点发过来的数据帧 则将其放入数据链路层的接收缓存 将接收缓存中的数据帧上交主机 向发送结点发一信息 表示数据帧已经上交给主机 转到 48 两种情况的对比 传输均无差错 A B DATA DATA DATA DATA 送主机B 送主机B 送主机B 送主机B A B DATA 送主机B DATA 送主机B 时间 不需要流量控制 需要流量控制 49 实用的停止等待协议 时间 A B 送主机 ACK 送主机 ACK a 正常情况 四种情况 50 超时计时器的作用 结点A发送完一个数据帧时 就启动一个超时计时器 timeouttimer 计时器又称为定时器 若到了超时计时器所设置的重传时间tout而仍收不到结点B的任何确认帧 则结点A就重传前面所发送的这一数据帧 一般可将重传时间选为略大于 从发完数据帧到收到确认帧所需的平均时间 51 解决重复帧的问题 使每一个数据帧带上不同的发送序号 每发送一个新的数据帧就把它的发送序号加1 若结点B收到发送序号相同的数据帧