软件工程的计算机网络CH3.1 数据链路层.ppt

数据链路层-1,Outline,3.1数据链路层的基本概念3.2三个基本问题帧定界透明传输差错检测,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,用户主机H1通过电话线上网，中间经过三个路由器接入到远程主机H2。所经过的网络可以是多种的，如电话网、局域网和广域网。,数据链路层的模型,从层次上来看数据的流动,主机H1和H2都有完整的五层协议栈，但路由器的协议栈只有下面三层。数据进入路由器后先从物理层上到网络层，在路由表中找到下一跳的地址后，再下到物理层转发出去。因此，数据从H1到H2需要在路径中各节点的协议栈向上和向下流动多次。,数据链路层的模型,数据链路层的模型,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,可以想象数据就是在数据链路层从左向右沿水平方向传送。通过这样的链路：H1的链路层，R1的链路层，R2的链路层，R3的链路层，H2的链路层。,数据链路层的任务：把网络层交下来的数据发送到链路上，以及把接收到的帧中的数据取出来并交给网络层。,网络层,101000110,数据链路,结点A,比特流,IP数据报,数据链路层,物理层,帧,装入,101000110,IP数据报,帧,结点B,取出,当两个主机进行通信时，应用进程要把数据从应用层逐层往下传，经过运输层再到网络层，组成IP数据报，再往下传到数据链路层组成帧，然后在经物理层形成比特流进入通信网络。,两个主机进行通信的过程,数据传输的路径可能有许多路由器。每一个路由器的物理层在收到比特流后，先由数据链路层将比特流恢复成帧，再从帧中提取出IP数据报。路由器在转发IP数据报时，又再把它封装成另一个新的帧，然后交给物理层发送给下一个路由器。,两个主机进行通信的过程,经过许多路由器的转发，数据最后到达了目的主机的物理层。以后目的主机的数据链路层提取出IP数据报，再逐层向上传，最后由应用层交给远程的应用进程。,两个主机进行通信的过程,现在为了把主要精力放在数据链路层的协议上，采用一个简化的模型：在该模型中，不管在哪一段链路上通信，都看成是结点和结点的通信，而每个结点只有三层。,网络层,101000110,数据链路,结点A,比特流,IP数据报,数据链路层,物理层,帧,装入,101000110,IP数据报,帧,结点B,取出,数据链路层的主要功能：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。结点A把封装好的帧发送给结点B的数据链路层。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数据报上交给网络层，否则丢弃这个帧。,网络层,101000110,数据链路,结点A,比特流,IP数据报,数据链路层,物理层,帧,装入,101000110,IP数据报,帧,结点B,取出,链路与数据链路的区别：,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。一条链路只是一条路径的一个组成部分。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。,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。,数据链路层的七个主要功能,链路管理：当网络中的两个结点要进行通信时，数据的发送方必须确认接收方是否已经处在准备接收的状态。通信的双方必须要交换一些必要的信息，即必须先建立一条数据链路。在传输数据时要维持数据链路，而在通信完毕时要释放数据链路。数据链路的建立、维持和释放就叫做链路管理。,帧定界：在数据链路层，数据的传送单位是帧。数据一帧一帧地传送，就可以在出现差错时，将有差错的帧在重传一次，而避免了将全部数据都进行重传。帧定界是指接收方应当能从收到的比特流中准确地区分出一帧的开始和结束在什么地方。帧定界也可以称为帧同步。,流量控制：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，就必须及时控制发送方发送数据的速率。这种功能称作流量控制。,差错控制：在计算机通信中，一般都要求有极低的比特差错率。为此，广泛地采用了编码技术。编码技术有两大类。一类是前向纠错，即接收方收到有差错的数据帧时，能够自动将差错改正过来。这种方法的开销较大，不适合计算机通信。另一类是差错检测，即接收方可以检测出收到的帧有差错（但并不知道是哪几个比特错了）。,当检测出有差错的帧时就立即将它丢弃，但接下去有两种选择：方法一不进行任何处理（由高层进行处理），方法二则是由数据链路层负责重传丢弃的帧。,将数据和控制信息区分开：在许多情况下，数据和控制信息处于同一帧中。因此一定要有相应的措施使接收方能够将它们区分开。寻址：必须保证每一帧都能送到正确的目的站。接收方也应知道发送方的地址。,透明传输：不管所传数据是什么样的比特组合，都应当能够在链路上传送。当所传数据中的比特组合恰巧出现了与某一个控制信息完全一样时，必须有可靠的措施，使接收方不会将这种比特组合的数据误认为是某种控制信息。,三个基本问题,(1)帧定界：确定帧开始和结束的位置。(2)透明传输：数据链路层协议不能禁止传输某种特殊的比特组合。(3)差错控制：当接收端检测出有差错的帧时，根据协议的不同，可采用不同的处理方法。,1.帧定界,帧定界就是确定帧的界限。在发送帧时，发送端的数据链路层在帧的前后都各加入事先商定好的标记，使得接收端能识别帧的开始和结束，以及帧中数据部分的准确位置。,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,1.帧定界,网络层的IP数据报传送到数据链路层就成为帧的数据部分。在帧的数据部分的前面和后面分别添加上首部和尾部，构成了一个完整的帧。,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,1.帧定界,帧长就等于数据部分的长度加上帧首部和尾部的长度。首部和尾部主要作用是进行帧定界，但还可包括一些其他控制信息。,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,1.帧定界,在发送数据帧时，是从帧首部开始发送。数据链路层的协议需明确规定帧首部和尾部的格式协议还规定了帧的数据部分的长度上限最大传送单元MTU。,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,用控制字符进行帧定界,SOH,装在帧中的数据部分,帧,帧开始符,帧结束符,发送在前,EOT,当数据是由可打印的ASCII码组成的文本文件时，帧定界可使用帧定界字符。控制字符SOH放在一帧的最前面，表示帧的首部开始；另一个控制字符EOT表示帧的结束。注意：字符SOH和字符EOT的十六进制编码分别是01和04，而不是由三个字符组成的。,用控制字符进行帧定界,对帧进行定界是非常必要的：当物理层采用异步传送时(一次只传送一个字符)，接收端物理层是断断续续的接收到单个的字符，而不是一次就收到一个完整的帧。利用帧定界的控制字符就可以准确界定帧开始和结束的位置。,用控制字符进行帧定界,当物理层采用同步传送时，发送端连续地发送数据帧。接收端要利用帧定界的控制字符从连续的比特流中找出帧开始和结束的位置。假定发送端在没有发送完一个帧时突然出故障，但随后很快恢复正常，于是重新发送刚才未发完的帧(从头开始发送)。由于使用了帧定界字符，在接收端就知道前面收到的数据是不完整的帧(只有SOH没有EOT)，必须丢弃。而后面收到的数据有明确的帧定界符(SOH和EOT)，因此这是个完整的帧，应当收下。,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任何一个字符一定不允许和用作帧定界的控制字符一样，否则就会出现帧定界的错误。当传送的帧是用ASCII文本文件组成的时，其数据部分显然不会出现像SOH和EOT这样的帧定界字符。所以键盘上输入的任何字符都可放在这样的帧中传输过去，这样的传输就是透明传输。,SOH,EOT,出现了“EOT”(04)16,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,当数据部分是非ASCII码的文本文件时（如二进制代码的计算机程序或图像等），如果数据中的某个字节的二进制代码恰好和SOH或EOT一样，数据链路层就会错误地“找到帧的边界”，把部分帧收下（误认为是个完整的帧），而把剩下的那部分丢弃（这部分找不到帧定界符SOH）。,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)。将其转换为另一个字符，而这个字符不会被错误的解释为控制字符。这种方法成为字节填充(bytestuffing)。接收端的数据链路层在将数据上交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。,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,现实的通信链路不理想，比特在传输过程中可能出现差错：1变成0或0变成1.误码率BER在一定时间内，传输错误的比特占所传输的比特总数的比率。例：误码率为10-10时，表示平均传送1010个比特就会出现一个比特的差错。误码率与信噪比成反比例关系。为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。,循环冗余检验,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M=101001（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（即一共发送k+n个比特）。,nbit冗余码的求解方法：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)bit的数2nM除以事先选定好的长度为(n+1)bit的数P，得出商是Q而余数是R，其中余数R比除数P至少要少1个比特。余数R就是添加在数据后面的冗余码。,模2乘,模2乘和10进制一样，只是相加时用模2加，无进位。比如，1011101：1011100(22)10111011*101*100-101100000000000010111011-100111101100,设n=3,P=1101，模2运算2nM/P的结果是：商Q=110101，余数R=001。将余数R作为冗余码添加在数据M=101001的后面发送出去，即发送的数据是101001001，或2nM+R。,模2加减,模2运算：就是除以2后取余数，结果就只有0或1。模2加：0+0=0,0+1=1,1+0=1,1+1=0（无进位，借位）相当于异或运算。模2减：0-0=0,0-1=1,1-0=1,1-1=0（无进位，借位）,模2除与算术除法类似，但每一位除（减）的结果不影响其它位（不向上一位借位，实际上就是异或）。然后再移位做下一位的模2减。步骤如下：用除数对被除数最高几位做模2减，没有借位。除数右移一位，若余数最高位为1，商为1，并对余数做模2减。若余数最高位为0，商为0，除数继续右移一位。一直做到余数的位数小于除数时，该余数就是最终余数。,110101Q商除数P11011010010002nM被除数11011110110101110000111011010110000011001101001R余数,已知：待发送的数据M=101001,冗余码的长度n=3,事先商定的除数P=1101，求得余数R？,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的惟一方法。,检测出差错,在接收端对接收到的帧进行CRC检验。把收到的帧除以同样的P（模2运算），得出余数R。只要得出的余数R不为0