第04章-点对点信道的数据链路层.ppt

第4章点对点信道的数据链路层,高等学校21世纪教材计算机网络教程（第二版）谢希仁编著,学时：4重点：数据链路层要解决的问题难点：PPP协议教学方法：讲授,目录,4.1数据链路层的基本概念4.1.1数据链路层的简单模型4.1.2链路和数据链路4.2三个基本问题4.2.1帧定界4.2.2透明传输4.2.3差错检测4.3点对点协议PPP4.3.1PPP协议的特点4.3.2PPP协议的帧格式4.3.3PPP协议的工作状态4.4HDLC协议,4.1数据链路层的基本概念,4.1.1数据链路层的简单模型,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,简化了的问题,当我们专门研究数据链路层的问题时，在许多情况下我们只关心在协议栈中水平方向的各数据链路层。参见下张图片所示。,数据链路层的简单模型（续）,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,仅从数据链路层观察帧的流动,数据链路层的协议数据单元,对等层次之间传送的数据单位称为该层的协议数据单元PDU（ProtocolDataUnit)。数据链路层的协议数据单元帧。网络层协议数据单元IP数据报（简称数据报、分组或包）。,数据链路层的主要功能,(1)结点A的数据链路层把网络层交下来的IP数据报封装成帧。(2)结点A把封装好的帧发送给结点B的数据链路层。(3)若结点B的数据链路层收到的帧无差错，则从收到的帧中提取出IP数据报上交给上面的网络层；否则丢弃这个帧。,数据链路层的主要功能,(1)链路管理(2)帧定界(3)流量控制(4)差错控制(5)将数据和控制信息区分开(6)透明传输(7)寻址,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。,4.1.2链路和数据链路,链路(Unk)就是从一个结点到相邻结点的一段物理线路，而中间没有任何其他的交换结点。在进行数据通信时，两个计算机之间的通信路径往往要经过许多段这样的链路。可见，链路只是一条路径的组成部分。数据链路(datalink)则是另一个概念。这是因为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。,数据链路层的基本概念,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。,4.2三个基本问题,1数据链路层的发送方应当让接收方的数据链路层知道，所发送的帧是从什么地方开始到从什么地方结束。这就是帧定界问题。2数据链路层传送的数据的比特组合必须是不受限制的。数据链路层协议不能禁止传送某种特殊的比特组合。这就是透明传输问题。3数据链路层必须有差错检测功能。,4.2.1帧定界,帧定界(framing)就是确定帧的界限。每一种链路层协议都规定了帧的数据部分的长度上限最大传送单元MTU(MaximumTransferUnit)。帧定界可以使用特殊的帧定界符。,用控制字符进行帧定界的方法,控制字符SOH(StartOfHeader)放在一帧的最前面，表示帧的首部开始。另一个控制字符EOT(EndOfTransmission)表示帧的结束。注意，SOH和EOT分别是这两个控制字符的名称。字符SO字符EOT的十六进制编码分别是01和04。不要误认为SOH(或EOT)是S、O、H(或E、O、T)三个字符。,用控制字符进行帧定界的方法(图),在发送帧时，发送方的数据链路层在帧的前后都各加入事先商定好的标记，使得接收方在收到这个帧后，就能根据这种标记识别帧的开始和结束，以及帧里面装入的数据部分的准确位置。,结合物理层进行考虑,如果物理层采用异步传送，在接收方的物理层是断断续续地接收到单个的数据字符(每个字符之间相隔的时间并不确定)，而不是一次就收到一个完整的帧。但有了帧定界的控制字符，接收方就可以准确界定一个帧开始和结束的位置。在同步传输的情况下，发送方是连续地发送数据帧。接收方同样要借助于帧定界的特殊标记从连续的比特流中找出每一个帧开始和结束的位置。,4.2.2透明传输,由于帧的开始和结束的标记是使用专门指明的控制字符，因此，所传输的数据中的任何一个字符一定不允许和用做帧定界的控制字符一样，否则就会出现帧定界的错误。定义：不管什么宇符都可以放在这样的帧中传输过去，因此这样的传输就是透明传输。,错误的帧的边界,字节插入,为了解决透明传输问题，就必须设法使数据中可能出现的控制字符“SOH和“EOT，在接收方不被解释为控制字符。具体的方法是每当在数据中出现字符“SOH或“EOT时就将其转换为另一个字符，而这个字符是不会被错误解释为控制字符的。这种方法称为字节插入(bytestuffing)。还有一种实现方法比特插入。,用字节插入法解决透明传输问题,4.2.3差错检测,比特在传输过程中可能会产生差错。传输错误的比特占所传输的比特总数的比率称为误码率BER(BnErrorRate)。由于实际的通信链路并非理想的，它不可能使误码率下降到零。为了保证数据传输的可靠性，在计算机网络传输数据时，都必须采用各种差错检测措施。在数据链路层广泛使用了循环冗余检验CRC(CyclicRedundancyCheck)的检错技术。,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CRC的检错技术。假设待传送的数据为M（共kbit）。我们在M的后面再添加供差错检测用的nbit冗余码一起发送。,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,即M2n。得到的(k+n)bit的数除以事先选定好的长度为(n+1)bit的数P，得出商是Q和余数是R，余数R比除数P至少要少1个比特。,冗余码的计算举例,已知待传送的数据为M=1010001101、除数P=110101，求余数R。答：P=110101是个6位数。得n=5得M2n101000110100000,共n=5位,1101010110Q商除数P1101011010001101000002nM被除数11010111101111010111101011010111111011010110110011010111001011010101110R余数,冗余码的计算举例,冗余码的计算举例,模2运算的结果是：商Q=1101010110，余数R=01110。将余数R作为冗余码添加在数据M的后面发送出去，即发送的数据是101000110101110，或2nM+R。,帧检验序列FCS,这种为了进行检错而添加的冗余码常称为帧检验序列FCS（FrameCheckSequence）。CRC和FCS不是同一个概念。CRC是一种检错方法，而FCS是添加在数据后面的冗余码，在检错方法上可以选用CRC，但也可不选用CRC。,接收方的检验,在接收方对接收到的帧进行CRC检验方法和计算冗余码的方法基本相同。把收到的帧除以同样的P（模2运算），得出余数R。如果数据在传输中没有差错，则得出的余数显然应为0。若数据在传输过程中出现误码，则得不出余数为0的结果。或者更严格地讲，这时得出余数为0的概率极小。实际上只要经过仔细的挑选，并使用位数足够多的除数户，那么，出现CRC检测不到的差错概率就可忽略不计。,CRC校验,在接收方经过CRC检验后，若得出的余数R=0，则认为这个帧没有差错，就接受(accept)这个帧。若余数R0，则认为这个帧有差错(当然无法确定究竟是哪一位或哪几位出现了差错)，就丢弃这个帧。一种较方便的方法是用多项式来表示循环冗余检验过程，就是使用多项式相应的系数来表示上述二进制数字中的1和0。例如，可以用多项式P(x)=X3+x2+1来表示上面的除数P=1101(最高位对应于X3，最低位对应于X0)。多项式P(x)称为生成多项式。现在广泛使用的生成多项式P(JC)有以下几种：CRC-16=X16+X15+X2+1CRC-CCITT=X16+X12+X5+1CRC-32=X32+X26+X23+X22+X16+X12+X11+X10+X8+X7+X5+X4+X2+X+1,差错控制,以前OSI的观点是必须把数据链路层做成是可靠传输的。因此，他们在有CRC检错的基础上，增加了确认和重传机制。意思是收到正确的帧要向发送方发送一个确认。发送方在一定的期限内若没有收到确认，就认为出现了差错，就重传这个帧，直到收到确认为止。这种方法在历史上曾经起到好的作用。但现在的通信线路的质量已经大大提高了，通信链路质量不好引起差错的概率已经大大降低。因此，因特网广泛使用的数据链路层协议都不使用确认和重传机制，即不把数据链路层做成具有可靠传输的功能(因为这要付出相当大的代价)。如果在数据链路层传输数据时出现了差错，并且需要进行改正的话，那么，改正差错的任务就由运输层的TCP协议来完成。实践证明，这样做可以使整个通信效率大大提高。,4.3点对点协议PPP4.3.1PPP协议的特点,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。,用户拨号入网的示意图,路由器,调制解调器,调制解调器,因特网服务提供者(ISP),用户家庭,拨号电话线,使用TCP/IP的PPP连接,路由选择进程,至因特网,PC机,PPP协议,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协议满足的需求（完成的功能）,封装成帧PPP协议必须能够正确和有效地把网络层交下来的分组(即IP数据扣封装成数据链路层的帧，再发送出去。为此，PPP协议必需选定特殊的字符作为帧定界符(即标志一个帧的开始和结束的字符)。透明性PPP协议必须保证数据传输的透明性。多种网络层协议PPP协议必须能够在在同一条物理链路上同时支持多种网络协议的运行。多种类型链路例如，串行的或并行的，同步的或异步的，低速的或高速的，电的或光的，交换的或非交换的。这里特别要提到的是在1999年公布的在以太网上运行的PPP，即PPPoverEthernet，简称为PPPoEMC2516,差错检测PPP协议必须能够对接收方收到的帧进行检测，并立刚弃有差错的帧连接的活跃度PPP协议必须能够及时检测出一条链路是处于正常工作状，还是已经出了故障。最大传送单元PPP协议MTU的默认值至少是1500字节。网络层地址协商数据压缩协商,PPP协议满足的需求（完成的功能）,纠错PPP协议则没有纠错的责任。这就是说，PPP协议是不可靠传输协议。流量控制我们知道，发送方发送数据的速率必须使接收方来得及接收。当接收方来不及接收时，到达接收方缓存的帧就要排队等候处理。当队列溢出时就发生帧的丢失。因此接收方应对发送方发送数据的速率进行流量控制。序号PPP协议不需要序号。多点线路PPP协议不支持多点线路，只支持一个发送方和一个接收方的链路通信。半双工或单工链路PPP协议不支持半双工或单工链路，而只支持全双工链路。,PPP协议不需要的功能（未完成的功能）,PPP协议的组成,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)。,4.3.2PPP协议的帧格式,标志字段F为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。信息字段的长度是可变的，不超过1500字节。尾部中的第一个字段(2字节)是使用CRC的帧检验序列FCS。PPP是面向字节的，所有的PPP帧的长度都是整数字节。,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,透明传输问题,当PPP使用异步传输时，它把转义符定义为0 x7D，并使用字节填充。PPP协议用在SONETSDH链路时，是使用同步传输(一连串的比特连续传送)而不是异步传输(逐个字符地传送)。在这种情况下，PPP协议采用零比特填充方法来实现透明传输。,字符填充法,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。,零比特填充法,PPP协议在使用同步传输时，采用零比特填充法使一帧中两个F字段之间不会出现6个连续1。在发送端，当一串比特流数据中有5个连续1时，就立即填入一个0。在接收帧时，先找到F字段以确定帧的边界。接着再对比特流进行扫描。每当发现5个连续1时，就将其后的一个0删除，以还原成原来的比特流。,零比特的填充与删除,数据中某一段比特组合恰好出现和F字段一样的情况,01001111110001010,会被误认为是F字段,4.3.3PPP协议的工作状态,PPP链路的起始和终止状态永远是一种“静止状态”，这时并不存在物理连接。,PPP协议的状态图,建立,失败,失败,NCP配置,鉴别成功,通信结束,载波停止,检测到载波,双方协商一些选项,鉴别,网络,打开,终止,静止,4.4HDLC协议,1974年，IBM公司推出了面向比特的规程SDLC(SynchronousDataLinkControl)。后来ISO把SDLC修改后称为HDLC(High-levelDataLinkControl)，译为高级数据链路控制，作为国际标准ISO3309。CCITT则将HDLC再修改后称为链路接入规程LAP(LinkAccessProcedure)。不久，HDLC的新版本又把LAP修改为LAPB，“B”表示平衡型(Balanced)，所以LAPB叫做链路接入规程(平衡型)。,HDLC的帧结构,标志字段F(Flag)为6个连续1加上两边各一个0共8bit。在接收端只要找到标志字段就可确定一个帧的位置。,比特,8,8,8,可变,16,8,信息Info,标志F,标志F,地址A,控制C,帧检验序列FCS,透明传输区间,FCS检验区间,其他字段,地址字段A是8bit。帧检验序列FCS字段共16bit。所检验的范围是从地址字段的第一个比特起，到信息字段的最末一个比特为止。控制字段C共8bit，是最复杂的字段。HDLC的许多重要功能都靠控制字段来实现。,需要了解的内容,目前HDLC协议已经很少使用。先有HDLC，后有PPP。HDLC可用于一点对多点的通信。HDLC可用连续ARQ协议或重传ARQ协议，因而实现可靠传输。,习题,1数据链路(即逻辑链路)与链路(即物理链路)有何区别?“电路接通了”与“数据链路接通了”的区别何在?,习题,答：（1）数据链路与链路的区别在于数据链路除链路外，还必须有一些必要的规程来控制数据的传输。因此，数据链路比链路多了实现通信规程所需要的硬件和软件。（2）“电路接通了”表示链路两端的结点已经开机，物理连接已经能够传送比特流了。但是，数据传输并不可靠。在物理连接基础上，再建立数据链路连接，才是“数据链路接通了”。此后，由于数据链路连接具有检测、确认和重传等功能，才使不太可靠的物理链路变成可靠的数据链路，进行可靠的数据传输。当数据链路断开连接时，物理电路连接不一定跟着断开连接。,习题,2数据链路层中的链路控制包括哪些功能?试讨论数据链路层做成可靠的链路层有哪些优点和缺点。答：数据链路层中的链路控制包括：链路管理、帧同步、流量控制、差错控制、将数据和控制信息分开、透明传输、寻址功能。数据链路层做成可靠的链路层优点是简化了上层的功能，提高了数据链路的可靠性。缺点是资源销耗过大，代价太高。,习题,3数据链路层的三个基本问题(帧定界、透明传输和差错检测)为什么都必须加以解决?答：不解决帧定界问题，就不能给传输的数据加上帧头和帧尾，也就不能实现数据的分组交换和传输。不解决透明传输问题，则传输系统不具有通用性，使用受限。不解决差错检测问题，也就意味着传输的内容不知道是对是错，这样的通信链路没有人敢使用。,习题,4如果在数据链路层不进行帧定界，会发生什么问题?答：不进行帧定界，就不能给传输的数据加上帧头和帧尾（加上了又分不出来，会影响要传输的数据），也就不能实现数据的分组交换和传输。,习题,5PPP协议的主要特点是什么?为什么PPP不使用帧的编号?PPP适用于什么情况?为什么PPP