生物工程专业-计算机网络-数据链路层

第3章数据链路层,3.1使用点对点信道的数据链路层3.1.4数据链路层的可靠传输(运输层讲)3.2点对点协议PPP3.3使用广播信道的数据链路层3.4使用广播信道的以太网3.5扩展的以太网（自读）3.6高速以太网3.7无线局域网（简单介绍）,数据链路层,问题：链路层必须解决的基本问题？为上一层提供一段一段链路两点的数据通信服务，链路上的信道分为两种，分别如何实现。在广播信道的数据链路层，各主机如何在局域网上唯一标识自己?,数据链路层,数据链路层使用的两种信道类型：点对点信道：一对一的点对点通信方式。广播信道：一对多的广播通信方式。信道上连接很多主机，须用专门的共享信道协议来协调主机的数据发送-局域网使用广播信道。,3.1使用点对点信道的数据链路层3.1.1数据链路层所处的地位,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,数据链路层的简单模型,数据链路层的简单模型(续),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,3.1使用点对点信道的数据链路层3.1.2数据链路和帧,前面提到的链路与数据链路的区别：链路：是从一个结点到相邻结点的一段物理线路，一条链路是一条路径的组成部分。数据链路：除了物理线路外，还要有通信协议来控制这些数据的传输。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。往往使用适配器(即网卡)来实现这些协议的硬件和软件。一般适配器包括了数据链路层和物理层功能。,IP数据报,10100110,帧,取出,数据链路层,网络层,链路,结点A,结点B,物理层,(a),IP数据报,10100110,帧,装入,数据链路层的协议数据单元：传送的是帧,3.1.3三个基本问题,1、封装成帧2、透明传输3、差错控制,1.封装成帧,封装成帧：把网络层交过来的一段数据的前后分别添加首部和尾部，就构成了一个帧。首部和尾部的主要作用是进行帧定界，首部也包括必要的控制信息。,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,如何进行帧定界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,SOH(startofheader)和EOT(endoftransmission)都是控制字符。SOH表示帧的首部开始，可用00000001表示EOT表示帧的结束可用00000100表示,2.透明传输,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,如何理解透明传输：是指不管所传送的数据是什么样的比特组合，都应当能在链路上传送，并被正确地接收。,解决透明传输问题,使用字节填充或字符填充法：在数据中若出现控制字符“SOH”或“EOT”，则在前面插入一个转义字符“ESC”(十六进制编码是1B)。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数据中，那么在转义字符前面插入一个转义字符。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。,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,3.差错检测,在传输过程中可能会产生比特差错：1和0可能互变。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。误码率与信噪比有很大的关系，但不管怎样都无法保证无差错传输。为保证可靠性，必须采用差错检测措施。在数据链路层，广泛使用循环冗余检验CRC的检错技术。,CRC与帧检验序列FCS(FrameCheckSequence),CRC就是在数据后面添加供差错检测的n位冗余码。这种冗余码称为帧检验序列FCS。原理书59页：(数据M,约定好的除数P,模2运算得到的n位余数即是冗余码,传送数据M+n，接收方除以P看余数是否为0)循环冗余检验CRC和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。,应当注意,使用CRC只能做到无差错接受。无差错接受是指：凡是接收端接受的帧，均可认为无差错，因为出错的帧丢弃了。但这能确保通信双方的可靠传输吗？不一定，因为数据可能丢失或重复，要做到“可靠传输”必须再加上确认和重传机制(运输层可靠传输部分一起讲)。,3.2点对点协议PPP(Point-to-PointProtocol)3.2.1PPP协议的特点,PPP：解决点对点信道的数据传输。用户往往要连接到ISP才能实现上网(拨号上网)，PPP是用户和ISP进行通信时的数据链路层协议。PPP是在点对点链路使用最多的协议。在拨号电话线接入因特网时：用户购买该ISP出售的“上网卡”；接入到该ISP后获得IP地址实现上网。,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,3.2.1PPP协议的特点,简单：只进行CRC检验，不提供可靠传输。封装成帧：规定了帧定界符透明性支持多种网络层协议：如：IP，IPX。多种类型链路：高速或低速，光或电。差错检测：避免有差错的帧继续在网络中传输。检测连接状态：有助于恢复并保持链路畅通。最大传送单元MTU：太大丢弃，通报。网络层地址协商：知道并配置网络层地址。,3.2.2.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(既支持同步链路，也支持异步链路)。链路控制协议LCP(LinkControlProtocol)：用来建立、配置和测试数据链路。一套网络控制协议NCP(NetworkControlProtocol)：支持网络层协议。,3.2.2PPP协议的帧格式,标志字段F=0 x7E：表示帧的开始和结束，是PPP帧的定界符。地址字段A规定为0 xFF：不起作用。控制字段C规定为0 x03：不起作用。2字节的协议字段：指明信息字段是什么协议数据。信息字段：帧数据FCS字段：CRC的帧检验序列。,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，则信息字段是链路控制数据。若为0 x8021，则信息字段是网络控制数据。,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,信息字段,首部,尾部,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-(零比特填充)。当PPP用在异步传输时，就使用一种特殊的字符填充法。同步和异步的主要区别：1、异步传输面向字符，同步传输面向比特。2、异步传输的单位是字符，同步传输的单位是帧。,异步传输使用的字符填充,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。,同步传输使用的零比特填充,在发送端，当发现有5个连续1，则立即填入一个0(标志字段7E存在6个连续的1)。接收端对帧中的比特流进行扫描。每当发现5个连续1时，就把这5个连续1后的一个0删除，,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,3.2.3PPP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，以便建立LCP连接。这些分组及其响应选择一些PPP参数。接着进行网络层配置，NCP给PC分配一个临时的IP地址。通信完毕，NCP释放网络层连接，收回IP地址。接着LCP释放连接。最后释放物理层的连接。,链路静止,链路建立,鉴别,网络,链路打开,链路终止,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,3.3使用广播信道的数据链路层,广播信道：可以进行一对多的通信，之所以能广播是因为共享了信道。局域网使用的是广播信道。局域网最主要的特点是：网络往往为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。,3.3使用广播信道的数据链路层,局域网具有的主要优点：具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网。局域网上的主机可共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源。便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活调整和改变。提高了系统的可靠性、可用性和生存性。,局域网按网络拓扑的分类,匹配电阻,集线器,干线耦合器,总线网,星形网,环形网,总线网：传统以太网为代表星形网：快速以太网，以太网应用广泛，几乎可认为是局域网的同义词。,媒体共享技术,信道之所以能“广播”是因为共享了信道。那么共享信道的技术有？静态划分信道：不适合局域网使用。频分复用、时分复用、波分复用、码分复用动态媒体接入控制(多点接入)：信道不固定分配给用户。随机接入：以太网采用(须有解决碰撞的协议)受控接入：如多点线路探询，或轮询。,3.4使用广播信道的以太网3.4.1以太网概述,1.传统以太网的两个标准DIXEthernetV2标准(施乐,英特尔等公司)IEEE的802.3标准(标准化组织)。DIXEthernetV2与IEEE的802.3的差别很小，因此将802.3局域网简称为“以太网”。,为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，802委员会将局域网的数据链路层拆成两个子层：逻辑链路控制LLC(LogicalLinkControl)子层媒体接入控制MAC(MediumAccessControl)子层。与接入到传输媒体有关的内容都放在MAC子层。LLC子层与传输媒体无关，不管何种局域网对LLC子层来说都是透明的,3.4使用广播信道的以太网3.4.1以太网概述,局域网对LLC子层是透明的,局域网,网络层,物理层,站点1,网络层,物理层,数据链路层,站点2,LLC子层看不见下面的局域网,以后一般不考虑LLC子层,由于TCP/IP体系经常使用的局域网是DIXEthernetV2而不是802.3标准中的几种局域网，因此802委员会制定的LLC的作用不大。也就是说我们所学习是基于TCP/IP体系的“以太网”，而以太网的数据链路层不包括LLC层，只有MAC层。很多厂商生产的适配器上就仅装有MAC协议而没有LLC协议。,2.适配器的作用,端计算机如何与局域网连接？通过网卡。网络接口板又称为通信适配器(adapter)或网络接口卡，或“网卡”。网卡是使“站点”与“网络”连接并通信。回顾：数据链路是除了物理线路外，还要有通信协议来控制这些数据的传输。而适配器是实现这些协议的硬件和软件。适配器包括物理层和链路层两层。,2.适配器的作用,适配器的重要功能：进行串行传输/并行传输转换。对数据进行缓存。适配器与存储器进行交互在操作系统上安装网卡驱动程序。使得网卡能与存储器交互。实现以太网协议。,计算机通过适配器和局域网进行通信,硬件地址,至局域网,适配器（网卡）,串行通信,CPU和存储器,生成发送的数据处理收到的数据,把帧发送到局域网从局域网接收帧,计算机,IP地址,并行通信,硬件地址：是每一个“站点”的标识符。,广播信道实现一对一通信须解决的两个问题：唯一标识自己的方法；解决传输碰撞问题。总线特点：是广播通信方式；可利用计算机的每个适配器的地址不同来实现“一对一”通信。,3.4.2CSMA/CD协议,B向D发送数据,C,D,A,E,匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号）,匹配电阻,不接受,不接受,不接受,接受,B,只有D接受B发送的数据,广播特性的总线实现一对一通信,总线上的每一个工作的计算机都能检测到B发送的数据信号。由于只有计算机D的地址与数据帧首部写入的地址一致，因此只有D才接收这个数据帧。其他计算机丢弃这个数据帧。,载波监听多点接入/碰撞检测CSMA/CD,通过上面的方法，以太网实现了一对多和一对一的通信，并采用相应措施使得通信更加简便，但仍有一个重要的问题。如何协调总线上各计算机传输数据？因为总线上在同一时间只能允许一台计算机发送信息。方法：使用CSMA/CD协议进行协调。,载波监听多点接入/碰撞检测CSMA/CD,CSMA/CD-CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection。多点接入：许多主机连接在一根总线上。载波监听：每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据。如果有，则暂时不要发送数据。载波监听：是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号。,碰撞检测：是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大(互相叠加)。当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定数值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞（冲突）。,碰撞检测,检测到碰撞后,在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法恢复出有用的信息。因此，每个站，一旦发现总线上出现了碰撞，就要停止发送，然后等待一段随机时间后再次发送。,电磁波在总线上的有限传播速率的影响,疑问：在发送前已经监听到信道为“空闲”，为何发送了数据还会出现冲突的情况。答：电磁波在总线上的有限传播速率的影响A向B发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到B。B若在A发送的信息到达之前发送自己的帧(此时B的检测不到A发送的信息)，则必然要在某个时间和A发送的帧发生碰撞。,1km,A,B,t,t=0,单程端到端传播时延记为,传播时延对载波监听的影响举例,使用CSMA/CD协议的以太网只能进行半双工通信。每个站在发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性-发送的不确定性。,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（两倍的端到端传播时延）就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。如果没遭受碰撞则证明在2的时间内没有其它站点“争用”该总线。因此，以太网的端到端往返时延2称为争用期。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。,如何处理碰撞？：1、二进制指数类型退避算法,发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟（退避）一个随机时间才能再发送数据。随机时间=r倍的基本退避时间基本退避时间：一般取为争用期2。从整数集合0,1,(2k1)中随机地取一个数记为r。定义重传次数k，k10，即k=Min重传次数,10当重传达16次仍不成功即丢弃该帧，并向高层报告。,当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时：立即停止发送数据；再继续发送32或48比特的人为干扰信号，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。可否理解为网络拥塞，你在qq群里告诉大家这里堵了，先不要上网传输数据了。,如何处理碰撞？：2、强化碰撞,3.4.5以太网的MAC层1.MAC层的硬件地址,硬件地址又称为物理地址，或MAC地址(用在MAC帧中)。局域网上的每个站点的MAC地址固化在该站点的适配器ROM中。“地址”并不是只具体的物理位置，严格地讲应当是每一个站或某个接口的“名字”或标识符。,48位的MAC地址,MAC地址字段目前基本采用6字节(48位)。IEEE的注册管理机构RA负责向厂家分配地址字段的前3个字节。地址字段中的后3个字节由厂家自行指派，称为扩展标识符，必须保证生产出的适配器没有重复地址。“MAC地址”实际上就是适配器地址或适配器标识符。,适配器检查MAC地址,适配器每收到一个MAC帧就首先用硬件检查帧中的MAC地址.如果是发往本站的帧则收下。否则就将此帧丢弃。,2.MAC帧的格式,常用的以太网MAC帧格式有两种标准：DIXEthernetV2标准IEEE的802.3标准最常用的MAC帧是以太网V2的格式。,以太网MAC帧,物理层,MAC层,1010101010101010101010101010101011,前同步码,帧开始定界符,7字节,1字节,8字节,插入,IP层,目的地址,源地址,类型,数据,FCS,6,6,2,4,字节,461500,MAC帧,以太网的MAC帧格式,MAC帧,物理层,MAC层,IP层,以太网V2的MAC帧格式,目的地址字段6字节,MAC帧,物理层,MAC层,IP层,以太网V2的MAC帧格式,源地址字段6字节,MAC帧,物理层,MAC层,IP层,以太网V2的MAC帧格式,类型字段2字节,类型字段用来标志上一层使用的是什么协议，以便把收到的MAC帧的数据上交给上一层的这个协议。,MAC帧,物理层,MAC层,IP层,以太网V2的MAC帧格式,数据字段461500字节,数据字段帧最小长度64字节18字节的首部和尾部=数据字段的最小长度46,MAC帧,物理层,MAC层,IP层,以太网V2的MAC帧格式,FCS字段4字节,MAC帧,物理层,MAC层,IP层,以太网V2的MAC帧格式,在帧的前面插入的8字节第一个字段7个字节,前同步码,用来实现帧的比特同步。第二个字段是帧开始定界符，后面的信息就是MAC帧。,为了达到比特同步，在传输媒体上实际传送的要比MAC帧还多8个字节,问题：MAC帧为什么没有帧结束定界符？没有帧结束定界符如何知道哪些比特流属于同一个帧？在传送帧时，各帧之间有一定的时间间隙。接收端只要找到帧开始定界符，其后面连续的比特流就属于同一个MAC帧。,以太网V2的MAC帧格式,3.5扩展的以太网,3.5.1在物理层扩展以太网使用集线器可以使用多个集线器互连扩大了碰撞域3.5.2在数据链路层扩展以太网网桥交换机：多接口的网桥但广播域扩大了，容易造成广播风暴可以使用虚拟局域网VLAN技术减小广播域,3.6高速以太网3.6.1100BASE-T以太网,高速以太网：速率达到或超过100Mb/s的以太网。100BASE-T是在双绞线上传送100Mb/s基带信号的星型拓扑以太网仍使用CSMA/CD协议。100BASE-T以太网又称为快速以太网(FastEthernet)。IEEE标准是802.3u。,100BASE-T以太网的特点,可以在半双工方式工作，当配置交换式集线器时也可在全双工方式下工作而无冲突发生。全双工模式不用CSMA/CD协议MAC帧格式仍然是802.3标准规定的。一个网段的最大电缆长度减小到100m(提高数据率)。帧间时间间隔也减少了(提高数据率)。,三种不同的物理层标准,100BASE-TX使用2对UTP5类线或屏蔽双绞线STP。100BASE-FX使用2对光纤。100BASE-T4使用4对UTP3类线或5类线。,3.6.2吉比特以太网,允许在1Gb/s下全双工和半双工两种方式工作。使用802.3协议规定的帧格式。在半双工方式下使用CSMA/CD协议与10BASE-T和100BASE-T技术向后兼容。,吉比特以太网的物理层,1000BASE-X：1000BASE-SXSX表示短波(基于光纤，多模)1000BASE-LXLX表示长波长(基于光纤，多模或单模)1000BASE-CXCX表示铜线（传输距离短，25m左右）1000BASE-T使用4对5类线UTP,3.6.310吉比特以太网,10吉比特以太网与10Mb/s，100Mb/s和1Gb/s以太网的帧格式完全相同。10吉比特以太网不再使用铜线而只使用光纤作为传输媒体。10吉比特以太网只工作在全双工方式，因此没有争用问题，也不使用CSMA/CD协议。,3.6.4使用高速以太网进行宽带接入,以太网的速率可达110Gb/s，覆盖的地理范围也很广，因此不少人使用以太网进行宽带接入。特点：可提供双向的宽带通信，并且可灵活地进行带宽升级。,以太网接入举例：光纤到大楼FTTB,100M,10