计算机网络数据链路层01

1、计计 算算 机机 网网 络络 第第 3 3 章章 数数 据据 链链 路路 层层 一一 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 2 物理层总结物理层总结 1 1、物理层的、物理层的作用：作用： 尽可能尽可能地屏蔽掉硬件设备和传输媒体的差异，地屏蔽掉硬件设备和传输媒体的差异， 使物理层上的数据链路层感觉不到这些差异，这样使物理层上的数据链路层感觉不到这些差异，这样 就可以使数据链路层只需考虑如何完成本层的协议就可以使数据链路层只需考虑如何完成本层的协议 和服务，而不必考虑网络具体的传输媒体是什么。和服务，而不必考虑网络具体的传输媒体是什么。 2 2、物理层的四个特性：、物理层的四个特性： n机

2、械特性机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目 和排列、固定和锁定装置等等。和排列、固定和锁定装置等等。 n电气特性电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。 n功能特性功能特性 指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种 意义。意义。 n过程特性过程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 3 物理层总结物理层总结 3 3、数字通信系统的组成：、数字通信系统的组

3、成： 源系统（源点、发送器）、传输系统和目的系统源系统（源点、发送器）、传输系统和目的系统 （接收器、终点）。（接收器、终点）。 4 4、消息一词最早出现于、消息一词最早出现于易经易经：“日中则昃日中则昃 zz ，月盈则食，天地盈虚，与时消息。，月盈则食，天地盈虚，与时消息。”意思是意思是 说，太阳到了中午就要逐渐西斜，月亮圆了就要逐说，太阳到了中午就要逐渐西斜，月亮圆了就要逐 渐亏缺，天地间的事物，或丰盈或虚弱，都随着时渐亏缺，天地间的事物，或丰盈或虚弱，都随着时 间的推移而变化，有时消减，有时滋长。间的推移而变化，有时消减，有时滋长。 计算机网络中，消息是指话音、文字、图像等。计算机网络中

4、，消息是指话音、文字、图像等。 5 5、数据：、数据： 运送消息的实体。运送消息的实体。 6 6、信号：、信号： 是数据的电气的或电磁的表现。是数据的电气的或电磁的表现。 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 4 物理层总结物理层总结 7 7、模拟信号（连续信号）：、模拟信号（连续信号）： 代表消息的参数的取值是连续的。代表消息的参数的取值是连续的。 8 8、数字信号（离散信号）：、数字信号（离散信号）： 代表消息的参数的取值是离散的。代表消息的参数的取值是离散的。 9 9、信道：、信道： 用来表示向某一个方向传送信息的媒体。一条用来表示向某一个方向传送信息的媒体。一条 通信电路包含一条

5、发送信道和一条接收信道。通信电路包含一条发送信道和一条接收信道。 1010、从通信的双方信息交互的方式看，有三种方式：、从通信的双方信息交互的方式看，有三种方式： （1 1）单向通信（单工通信）：只能有一个方向的通）单向通信（单工通信）：只能有一个方向的通 信而没有反方向的交互。例如广播。信而没有反方向的交互。例如广播。 （2 2）双向交替通信（半双工通信）：通信的双方都）双向交替通信（半双工通信）：通信的双方都 可以发送信息，但不能同时发送，双方只能交替通可以发送信息，但不能同时发送，双方只能交替通 信。例如对讲机。信。例如对讲机。 计算机学院计算机学院计算机网络计算机网络5 5 物理层总结

6、物理层总结 （3 3）双向同时通信（全双工通信）：通信的双方可）双向同时通信（全双工通信）：通信的双方可 以同时发送和接收信息。以同时发送和接收信息。 1111、基带信号：、基带信号： 信源发出的未经调制的数字信号或模拟信号。信源发出的未经调制的数字信号或模拟信号。 1212、带通信号：、带通信号： 经过载波调制后的信号。经过载波调制后的信号。 1313、调制：、调制： 是对信号源的信息进行处理加到载波上，使其是对信号源的信息进行处理加到载波上，使其 变为适合于信道传输的形式的过程。变为适合于信道传输的形式的过程。 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 6 物理层总结物理层总结 1414

7、、调制分两类：基带调制和带通调制。、调制分两类：基带调制和带通调制。 （1 1）基带调制：）基带调制： 仅对基带信号的波形进行变换，使基带信号能仅对基带信号的波形进行变换，使基带信号能 与信道特性相适应。变换后的信号仍然是基带信号。与信道特性相适应。变换后的信号仍然是基带信号。 （2 2）带通调制：）带通调制： 把基带信号的频率范围搬移到较高的频段以便把基带信号的频率范围搬移到较高的频段以便 在信道中传输。在信道中传输。 1515、基本的带通调制方法包括、基本的带通调制方法包括 （1 1）调幅（）调幅（AMAM）：载波的振幅随基带数字信号而变）：载波的振幅随基带数字信号而变 化。例如，化。例如

8、，0 0或或1 1分别对应于无载波或有载波输出。分别对应于无载波或有载波输出。 （2 2）调频（）调频（FMFM）：载波的频率随基带数字信号而变）：载波的频率随基带数字信号而变 化。例如，化。例如，0 0或或1 1分别对应于频率分别对应于频率f1f1或或f2f2。 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 7 物理层总结物理层总结 （3 3）调相（）调相（PMPM）：载波的初始相位随基带数字信号）：载波的初始相位随基带数字信号 而变化。如，而变化。如，0 0或或1 1分别对应于相位分别对应于相位0 0度或相位度或相位180180度。度。 1616、码元：在数字通信中常用时间长度相同的符号、码

9、元：在数字通信中常用时间长度相同的符号 来表示一个二进制数字，这样的时间长度内的信号来表示一个二进制数字，这样的时间长度内的信号 称为二进制码元。称为二进制码元。 而这个时间长度被称为码元长度。而这个时间长度被称为码元长度。 在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数 字信号时，代表不同离散数值的基本波形。如：分字信号时，代表不同离散数值的基本波形。如：分 别代表别代表0 0和和1 1状态。状态。 1717、码元传输的限制：在任何信道中，码元传输的、码元传输的限制：在任何信道中，码元传输的 速率是有上限的，传输速率超过此上限，就会出现速率是有上限的，传输速

10、率超过此上限，就会出现 严重的码间串扰，使接收端对码元的识别成为不可严重的码间串扰，使接收端对码元的识别成为不可 能。能。 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 8 物理层总结物理层总结 1818、奈氏准则：、奈氏准则： 在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码 元的传输速率的上限值。元的传输速率的上限值。 1919、奈氏准则的公式：、奈氏准则的公式： 首先给出了首先给出了无噪声无噪声情况下码元速率的极限值情况下码元速率的极限值B B与与 信道带宽信道带宽W W的关系为：的关系为：B=2B=2* *W (Baud)W (Baud) 其中其中W W是

11、信道的带宽，也称为频率的范围，即信是信道的带宽，也称为频率的范围，即信 道能传输的上、下限频率的差值，单位是道能传输的上、下限频率的差值，单位是HzHz。 由此推出表征信道数据传输能力的奈奎斯特公由此推出表征信道数据传输能力的奈奎斯特公 式：式：C=2C=2* *W W* *loglog2 2N N N N是携带数据的码元可能取的离散值的个数；是携带数据的码元可能取的离散值的个数； C C是该信道最大的数据传输速率。是该信道最大的数据传输速率。 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 9 物理层总结物理层总结 2020、信噪比：、信噪比： 信号的平均功率和噪声的平均功率之比。记为信号的平均

12、功率和噪声的平均功率之比。记为 S/NS/N，单位分贝。，单位分贝。 信噪比信噪比(dB)=10(dB)=10* *loglog10 10(S/N) (S/N) 当当S/N=10S/N=10时，信噪比为时，信噪比为10dB10dB，当，当S/N=1000S/N=1000时，时， 信噪比为信噪比为30dB30dB。 2121、香农公式：、香农公式： 带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、 无差错的信息传输速率。无差错的信息传输速率。 C = W log C = W log2 2(1+S/N) b/s (1+S/N) b/s nW W 为信道的带宽（以为信

13、道的带宽（以 Hz Hz 为单位）；为单位）； nS S 为信道内所传信号的平均功率；为信道内所传信号的平均功率； nN N 为信道内部的高斯噪声功率。为信道内部的高斯噪声功率。 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 10 物理层总结物理层总结 2222、为了提高信息的传输速率，可以让每个码元携、为了提高信息的传输速率，可以让每个码元携 带更多比特的信息量。采用编码的方法。带更多比特的信息量。采用编码的方法。 2323、传输媒体（传输介质或传输媒介）：是数字传、传输媒体（传输介质或传输媒介）：是数字传 输系统中发送器和接收器之间的物理通路。输系统中发送器和接收器之间的物理通路。 导向传输

14、媒体（双绞线、同轴电缆、光缆）和导向传输媒体（双绞线、同轴电缆、光缆）和 非导向传输媒体（自由空间）。非导向传输媒体（自由空间）。 2424、信道复用技术、信道复用技术 （1 1）频分复用：所有用户在同样的时间占用不同的）频分复用：所有用户在同样的时间占用不同的 带宽资源。带宽资源。 （2 2）时分复用：所有用户在不同的时间占用同样的）时分复用：所有用户在不同的时间占用同样的 频带宽度。频带宽度。 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 11 物理层总结物理层总结 （3 3）统计时分复用：所有用户在不同的时间可以占）统计时分复用：所有用户在不同的时间可以占 用不同的频带宽度。用不同的频带宽

15、度。 时分复用是指将时间分成若干个时隙，每个时时分复用是指将时间分成若干个时隙，每个时 隙对应一个信道。如果该信道被某特定用户固定使隙对应一个信道。如果该信道被某特定用户固定使 用，如传统电路交换网中。也就是说不管有没有信用，如传统电路交换网中。也就是说不管有没有信 息传送，该信道都不能被其他用户使用。息传送，该信道都不能被其他用户使用。 如该信道能被多用户复用，则为统计时分复用。如该信道能被多用户复用，则为统计时分复用。 （4 4）波分复用：是将两种或多种不同波长的光载波）波分复用：是将两种或多种不同波长的光载波 信号（携带各种信息）在发送端经复用器汇合在一信号（携带各种信息）在发送端经复用

16、器汇合在一 起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技 术；术； 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 12 物理层总结物理层总结 在接收端，经解复用器将各种波长的光载波分在接收端，经解复用器将各种波长的光载波分 离，然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号。离，然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号。 这种在同一根光纤中同时传输两个或众多不同这种在同一根光纤中同时传输两个或众多不同 波长光信号的技术，称为波分复用。波长光信号的技术，称为波分复用。 （5 5）码分复用：是用一组包含互相正交的码字的码）码分复用：是用一组包含互相正交的码字的码 组

17、携带多路信号。组携带多路信号。 2525、数字传输系统、数字传输系统 （1 1）脉码调制）脉码调制PCMPCM体制：脉码调制是对模拟信号进体制：脉码调制是对模拟信号进 行处理、量化、编码后转换为数字信号的一种调制行处理、量化、编码后转换为数字信号的一种调制 方式。方式。 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 13 物理层总结物理层总结 所传输的信号经脉码调制后，变为一系列的等所传输的信号经脉码调制后，变为一系列的等 幅脉冲，按照脉冲的出现与否赋予相应的编码，从幅脉冲，按照脉冲的出现与否赋予相应的编码，从 而把所传输的信号以编码的形式表示出来。声音、而把所传输的信号以编码的形式表示出来。声

18、音、 电视图像等连续信号以及计算机数据通常转化为由电视图像等连续信号以及计算机数据通常转化为由5 5 或或7 7个个“通通”、“断断”脉冲组成的电码。脉冲组成的电码。 北美的北美的2424路路PCMPCM（T1T1），），1.544Mbps1.544Mbps。 欧洲的欧洲的3030路路PCMPCM（E1E1），），2.048Mbps2.048Mbps。 2626、宽带接入技术：用数字技术对现有的模拟电话、宽带接入技术：用数字技术对现有的模拟电话 用户进行改造，使之能够承载宽带业务。用户进行改造，使之能够承载宽带业务。ADSLADSL是典是典 型的宽带接入技术。型的宽带接入技术。 2727、光纤

19、同轴混合网（、光纤同轴混合网（HFCHFC）：是在有线电视网）：是在有线电视网CATVCATV 的基础上开发的一种居民宽带接入网。的基础上开发的一种居民宽带接入网。 2828、FTTxFTTx：光纤到什么位置。：光纤到什么位置。 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 14 第第 3 章章 数据链路层数据链路层 3.1 3.1 使用点对点信道的数据链路层使用点对点信道的数据链路层 3.1.1 3.1.1 数据链路和帧数据链路和帧 3.1.2 3.1.2 三个基本问题三个基本问题 3.2 3.2 点对点协议点对点协议 PPPPPP 3.2.1 PPP 3.2.1 PPP 协议的特点协议的特点

20、 3.2.2 PPP 3.2.2 PPP 协议的帧格式协议的帧格式 3.2.3 PPP 3.2.3 PPP 协议的工作状态协议的工作状态 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 15 第第 3 章章 数据链路层（续）数据链路层（续） 3.3 3.3 使用广播信道的数据链路层使用广播信道的数据链路层 3.3.1 3.3.1 局域网的数据链路层局域网的数据链路层 3.3.2 CSMA/CD 3.3.2 CSMA/CD 协议协议 3.4 3.4 使用广播信道的以太网使用广播信道的以太网 3.4.1 3.4.1 使用集线器的星形拓扑使用集线器的星形拓扑 3.4.2 3.4.2 以太网的信道利用率以

21、太网的信道利用率 3.4.3 3.4.3 以太网的以太网的 MAC MAC 层层 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 16 第第 3 章章 数据链路层（续）数据链路层（续） 3.5 3.5 扩展的以太网扩展的以太网 3.5.1 3.5.1 在物理层扩展以太网在物理层扩展以太网 3.5.2 3.5.2 在数据链路层扩展以太网在数据链路层扩展以太网 3.6 3.6 高速以太网高速以太网 3.6.1 100BASE-T 3.6.1 100BASE-T 以太网以太网 3.6.2 3.6.2 吉比特以太网吉比特以太网 3.6.3 10 3.6.3 10 吉比特以太网吉比特以太网 3.6.4 3.

22、6.4 使用高速以太网进行宽带接入使用高速以太网进行宽带接入 3.7 3.7 其他类型的高速局域网接口其他类型的高速局域网接口 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 17 课程目标课程目标 掌握以下内容：掌握以下内容： 1 1、数字信道使用的信道的类型。、数字信道使用的信道的类型。 2 2、帧、链路、数据链路的概念。、帧、链路、数据链路的概念。 3 3、数据链路层的三个基本问题。、数据链路层的三个基本问题。 4 4、透明传输的实现方法，差错检测方法。、透明传输的实现方法，差错检测方法。 5 5、零比特填充。、零比特填充。 理解以下内容：理解以下内容： 1 1、数据链路层在数据传输过程中的

23、作用。、数据链路层在数据传输过程中的作用。 2 2、PPPPPP协议的相关内容。协议的相关内容。 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 18 复习：三种体系结构的对比复习：三种体系结构的对比 数据链路层 5 应用 层 4 运输 层 3 网络 层 2 数据链路 层 1 物理 层 应用层 运输层 网络层 表示层 会话层 数据链路层 物理层 7 6 5 4 3 2 1 OSI 的体系结构 应用层 网络接口层 网际层 IP (各种应用层协议如 TELNET, FTP, SMTP 等) 运输层(TCP 或 UDP) TCP/IP 的体系结构五层协议体系结构 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网

24、络 19 数据传输过程：主机数据传输过程：主机1 1向主机向主机2 2发送数据发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机 1 AP2 AP1 主机 2 应 用 程 序 数 据 应用层首部 H5 10100110100101 比 特 流 110101110101 注意观察加入或剥去首部（尾部）的层次 应 用 程 序 数 据 H5 应 用 程 序 数 据 H4H5 应 用 程 序 数 据 H3H4H5 应 用 程 序 数 据 H4 运输层首部 H3 网络层首部 H2 链路层 首部 T2 链路层 尾部 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 20 数据传输过程：主机数据传输过程：主机

25、1 1向主机向主机2 2发送数据发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机 1 AP2 AP1 主机 2 10100110100101 比 特 流 110101110101 计算机 2 的物理层收到比特流后 交给数据链路层 H2T2H3H4H5 应 用 程 序 数 据 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 21 H3H4H5 应 用 程 序 数 据 数据传输过程：主机数据传输过程：主机1 1向主机向主机2 2发送数据发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机 1 AP2 AP1 主机 2 数据链路层剥去帧首部和帧尾部后 把帧的数据部分交给网络层 H2T2H3H4H

26、5 应 用 程 序 数 据 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 22 H4H5 应 用 程 序 数 据 H3H4H5 应 用 程 序 数 据 数据传输过程：主机数据传输过程：主机1 1向主机向主机2 2发送数据发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机 1 AP2 AP1 主机 2 网络层剥去分组首部后 把分组的数据部分交给运输层 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 23 H5 应 用 程 序 数 据 H4H5 应 用 程 序 数 据 数据传输过程：主机数据传输过程：主机1 1向主机向主机2 2发送数据发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机 1 AP

27、2 AP1 主机 2 运输层剥去报文首部后 把报文的数据部分交给应用层 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 24 应 用 程 序 数 据 H5 应 用 程 序 数 据 数据传输过程：主机数据传输过程：主机1 1向主机向主机2 2发送数据发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机 1 AP2 AP1 主机 2 应用层剥去应用层 PDU 首部后 把应用程序数据交给应用进程 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 25 数据传输过程：主机数据传输过程：主机1 1向主机向主机2 2发送数据发送数据 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 主机 1 AP2 AP1 主机 2 我收

28、到了 AP1 发来的 应用程序数据！ 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 26 数据链路层数据链路层 数据链路层的数据链路层的任务任务是在两个相邻结点间的线路是在两个相邻结点间的线路 上无差错地传送以帧为单位的数据。上无差错地传送以帧为单位的数据。 数据链路层最基本的数据链路层最基本的服务服务是将源端网络层来的是将源端网络层来的 数据可靠的传输到相邻节点的目标端的网络层。数据可靠的传输到相邻节点的目标端的网络层。 数据链路层的数据链路层的功能功能： 如何将数据组合成数据块（在数据链路层中将如何将数据组合成数据块（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）；这种数据块

29、称为帧，帧是数据链路层的传送单位）； 如何控制帧在物理信道上的传输，包括如何处如何控制帧在物理信道上的传输，包括如何处 理传输差错，如何调节发送速率使之与接收方匹配；理传输差错，如何调节发送速率使之与接收方匹配； 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 27 数据链路层的功能数据链路层的功能 数据链路层是数据链路层是OSIOSI参考模型中的第二层，介乎参考模型中的第二层，介乎 于物理层和网络层之间。于物理层和网络层之间。 数据链路层在物理层提供的服务的基础上向网数据链路层在物理层提供的服务的基础上向网 络层提供服务，其最基本的服务是将源机网络层来络层提供服务，其最基本的服务是将源机网络层来

30、 的数据可靠地传输到相邻节点的目标机网络层。的数据可靠地传输到相邻节点的目标机网络层。 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 28 数据链路层的功能数据链路层的功能 1 1、帧同步功能。、帧同步功能。 为了向网络层提供服务，数据链路层必须使用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。物理层提供的服务。 物理层是以比特流进行传输的，这种比特流并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，接收到的位数不保证在数据传输过程中没有错误，接收到的位数 量可能与发送的位数量不同，而且它们还可能有不量可能与发送的位数量不同，而且它们还可能有不 同的值，这

31、时数据链路层为了能实现数据有效的差同的值，这时数据链路层为了能实现数据有效的差 错控制，就采用了一种错控制，就采用了一种“帧帧”的数据块进行传输。的数据块进行传输。 要采用帧格式传输，就必须有相应的帧同步技要采用帧格式传输，就必须有相应的帧同步技 术，这就是数据链路层的术，这就是数据链路层的“成帧成帧”（也称为（也称为“帧同帧同 步步”）功能。）功能。 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 29 数据链路层的功能数据链路层的功能 采用帧传输方式的好处是，在发现有数据传送采用帧传输方式的好处是，在发现有数据传送 错误时，只需将有差错的帧重传，而不需要将全部错误时，只需将有差错的帧重传，而不

32、需要将全部 数据的比特流进行重传，这在传送效率上将大大提数据的比特流进行重传，这在传送效率上将大大提 高。但同时也带来了两方面的问题：高。但同时也带来了两方面的问题： （1 1）如何识别帧的开始与结束；）如何识别帧的开始与结束； （2 2）在夹杂着重传的数据帧中，接收方在接收）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？成已传帧的重传帧呢？ 这就要靠数据链路层的各种这就要靠数据链路层的各种“帧同步帧同步”技术来技术来 识别了。识别了。 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 30 数据链

33、路层的功能数据链路层的功能 “帧同步帧同步”技术既可使接收方能从以上并不是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。结束，同时还可识别重传帧。 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 31 数据链路层的功能数据链路层的功能 2 2、差错控制、差错控制 在数据通信过程中，可能会因物理链路性能和在数据通信过程中，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，网络通信环境等因素，难免会出现一些传送错误， 为了确保数据通信的准确，又必须使得这些错误发为了确保数据通信的准确

34、，又必须使得这些错误发 生的几率尽可能低。这一功能也是在数据链路层实生的几率尽可能低。这一功能也是在数据链路层实 现的，就是它的现的，就是它的“差错控制差错控制”功能。功能。 在数字或数据通信系统中，通常利用抗干扰编在数字或数据通信系统中，通常利用抗干扰编 码进行差错控制。一般分为码进行差错控制。一般分为4 4类：前向纠错（类：前向纠错（FECFEC）、）、 反馈检测（反馈检测（ARQARQ）、混合纠错（）、混合纠错（HECHEC）和信息反馈）和信息反馈 （IRQIRQ）。）。 对差错编码（如奇偶校验码，对差错编码（如奇偶校验码，CRCCRC）的检查，）的检查， 可以判定一帧在传输过程中是否发

35、生了错误。可以判定一帧在传输过程中是否发生了错误。 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 32 数据链路层的功能数据链路层的功能 3 3、流量控制、流量控制 在双方的数据通信中，如何控制数据通信的流在双方的数据通信中，如何控制数据通信的流 量同样非常重要。它既可以确保数据通信的有序进量同样非常重要。它既可以确保数据通信的有序进 行，还可避免通信过程中不会出现因为接收方来不行，还可避免通信过程中不会出现因为接收方来不 及接收而造成的数据丢失。这就是数据链路层的及接收而造成的数据丢失。这就是数据链路层的 “流量控制流量控制”功能。功能。 数据的发送与接收必须遵循一定的传送速率规数据的发送与接

36、收必须遵循一定的传送速率规 则，可以使得接收方能及时地接收发送方发送的数则，可以使得接收方能及时地接收发送方发送的数 据。并且当接收方来不及接收时，就必须及时控制据。并且当接收方来不及接收时，就必须及时控制 发送方数据的发送速率，使两方面的速率基本匹配。发送方数据的发送速率，使两方面的速率基本匹配。 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 33 数据链路层的功能数据链路层的功能 4 4、链路管理、链路管理 数据链路层的数据链路层的“链路管理链路管理”功能包括数据链路功能包括数据链路 的建立、链路的维持和释放三个主要方面。的建立、链路的维持和释放三个主要方面。 当网络中的两个结点要进行通信时

37、，数据的发当网络中的两个结点要进行通信时，数据的发 送方必须确知接收方是否已处在准备接收的状态。送方必须确知接收方是否已处在准备接收的状态。 为此通信双方必须先要交换一些必要的信息，以建为此通信双方必须先要交换一些必要的信息，以建 立一条基本的数据链路。在传输数据时要维持数据立一条基本的数据链路。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。链路，而在通信完毕时要释放数据链路。 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 34 数据链路层的功能数据链路层的功能 5 5、MACMAC寻址寻址 这是数据链路层中的这是数据链路层中的MACMAC子层主要功能。子层主要功能。 这里所说的这

38、里所说的“寻址寻址”与下一章将要介绍的与下一章将要介绍的“IPIP 地址寻址地址寻址”是完全不一样的，因为此处所寻找地址是完全不一样的，因为此处所寻找地址 是计算机网卡的是计算机网卡的MACMAC地址，也称地址，也称“物理地址物理地址”、 “硬件地址硬件地址”，而不是，而不是IPIP地址。在以太网中，采用地址。在以太网中，采用 媒体访问控制（媒体访问控制（Media Access Control, MACMedia Access Control, MAC）地）地 址进行寻址，址进行寻址，MACMAC地址被烧入每个以太网网卡中。地址被烧入每个以太网网卡中。 这在多点连接的情况下非常必要，因为在这

39、种这在多点连接的情况下非常必要，因为在这种 多点连接的网络通信中，必须保证每一帧都能准确多点连接的网络通信中，必须保证每一帧都能准确 地送到正确的地址，接收方也应当知道发送方是哪地送到正确的地址，接收方也应当知道发送方是哪 一个站。一个站。 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 35 数据链路层的功能数据链路层的功能 6 6、区分数据与控制信息、区分数据与控制信息 由于数据和控制信息都是在同一信道中传输，由于数据和控制信息都是在同一信道中传输， 在许多情况下，数据和控制信息处于同一帧中，因在许多情况下，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他们区分开此一定要有

40、相应的措施使接收方能够将他们区分开 来，以便向上传送仅是真正需要的数据信息。来，以便向上传送仅是真正需要的数据信息。 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 36 数据链路层的功能数据链路层的功能 7 7、透明传输、透明传输 这里所说的这里所说的“透明传输透明传输”是指可以让无论是哪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种比特组合的数据，都可以在数据链路上进行有效 传输。传输。 这就需要在所传数据中的比特组合恰巧与某一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，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

41、样的数据误认为是某种控制信息。使接收方不会将这样的数据误认为是某种控制信息。 只有这样，才能保证数据链路层的传输是透明的。只有这样，才能保证数据链路层的传输是透明的。 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 37 数据链路层数据链路层 数据链路层的数据链路层的任务任务是在两个相邻结点间的线路是在两个相邻结点间的线路 上无差错地传送以帧为单位的数据。上无差错地传送以帧为单位的数据。 数据链路层使用的信道主要有以下两种类型：数据链路层使用的信道主要有以下两种类型： n点对点信道点对点信道。这种信道使用一对一的点对点通信。这种信道使用一对一的点对点通信 方式。例如：方式。例如：PPPPPP协议协

42、议 n广播信道广播信道。这种信道使用一对多的广播通信方式，。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。的数据发送。 例如：以太网例如：以太网 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 38 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 链路层 应用层 运输层 网络层 物理层 链路层 应用

43、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 R1R2R3 H1H2 从层次上来看数据的流动 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 39 数据链路层的简单模型数据链路层的简单模型( ( 续）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 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 R1R2R3 H1H2 仅从数据链路层观察帧的流动 计算机学院计

44、算机学院 计算机网络计算机网络 40 3.1 使用点对点信道的数据链路层使用点对点信道的数据链路层 3.1.1 数据链路和帧数据链路和帧 n链路链路(link)(link)是一条无源的点到点的物理线路段，中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。间没有任何其他的交换结点。 n一条链路只是一条通路的一个组成部分。一条链路只是一条通路的一个组成部分。 n数据链路数据链路(data link) (data link) 除了物理线路外，还必须有除了物理线路外，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

45、上，就构成了数据链路。议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。 n现在最常用的方法是使用适配器（即网卡）来实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。现这些协议的硬件和软件。 n一般的适配器都包括了数据链路层和物理层这两一般的适配器都包括了数据链路层和物理层这两 层的功能。层的功能。 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 帧 (a) (b) 发送 帧 接收 链路 IP 数据报 1010 0110 帧 装入 数据链路层传送的是帧 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 4

46、2 点对点信道的数据链路层通信步骤点对点信道的数据链路层通信步骤 1 1、结点、结点A A的数据链路层把网络层交下来的的数据链路层把网络层交下来的IPIP数据报数据报 添加首部和尾部封装成帧。添加首部和尾部封装成帧。 2 2、结点、结点A A把封装好的帧发送给结点把封装好的帧发送给结点B B的数据链路层。的数据链路层。 3 3、若结点、若结点B B的数据链路层收到的帧无差错，则从收的数据链路层收到的帧无差错，则从收 到的帧中提取出到的帧中提取出IPIP数据报上交给上面的网络层；数据报上交给上面的网络层； 否则丢弃这个帧。否则丢弃这个帧。 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 43 数据链

47、路层像个数字管道数据链路层像个数字管道 n常常在两个对等的数据链路层之间画出一个数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字管道，而在这条数字管道上传输的数据单位 是是帧帧。 n早期的数据通信协议曾叫作早期的数据通信协议曾叫作通信规程通信规程 (procedure)。因此在数据链路层，规程和协。因此在数据链路层，规程和协 议是同义语。议是同义语。 结点结点 帧帧 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 44 3.1.2 3.1.2 数据链路层要解决的三个基本问题数据链路层要解决的三个基本问题 (1) (1) 封装成帧封装成帧 (2) (2) 透明传

48、输透明传输 (3) (3) 差错控制差错控制 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 45 1. 封装成帧封装成帧 n封装成帧封装成帧(framing)就是在一段数据的前后分别添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。加首部和尾部，然后就构成了一个帧。 n首部和尾部的一个重要作用就是进行首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界帧定界。 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 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 46 用控制字符进行帧定界的方法举例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

49、 帧开始符帧结束符 发送在前 EOT 1.1.在帧的开始加上在帧的开始加上SOHSOH，在帧的尾部加上，在帧的尾部加上EOTEOT，表，表 示一个帧的开始和结束。示一个帧的开始和结束。 2.2.如果数据部分包含了帧定界符，数据接收就会如果数据部分包含了帧定界符，数据接收就会 出错，如何解决？出错，如何解决？ 3.3.这个问题就是透明传输的问题。这个问题就是透明传输的问题。 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 47 2. 透明传输透明传输 SOHEOT 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 计算机学院计算机学院 计算机

50、网络计算机网络 48 解决透明传输问题解决透明传输问题 n发送端的数据链路层在数据中出现控制字符发送端的数据链路层在数据中出现控制字符 “SOHSOH”或或“EOTEOT”的前面插入一个转义字符的前面插入一个转义字符 “ESCESC”( (其十六进制编码是其十六进制编码是 1B)1B)。 n字节填充字节填充(byte stuffing)(byte stuffing)或或字符填充字符填充 (character stuffing)(character stuffing)接收端的数据链路层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。在将数据送往网络层之前删除插入的转义字符。 n如果

51、转义字符也出现数据当中，那么应在转义字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。两个转义字符时，就删除其中前面的一个。 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 49 SOH SOHEOTSOHESC ESCEOTESCSOHESCESCESCSOH 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用字节填充法解决透明传输的问题 SOH 计算机学院计算机学院 计算机网络计

52、算机网络 50 3. 差错检测差错检测 在传输过程中可能会产生在传输过程中可能会产生比特差错比特差错：1 1 可能会变可能会变 成成 0 0 ，而，而 0 0 也可能变成也可能变成 1 1。 在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总 数的比率称为数的比率称为误码率误码率 BER (Bit Error Rate)BER (Bit Error Rate)。 通常把信号传输中的错误率称为误码率，它是衡通常把信号传输中的错误率称为误码率，它是衡 量差错的标准。在二进制电平传输时，误码率等量差错的标准。在二进制电平传输时，误码率等 于二进制码元在传输中被误传的

53、比率，即用接收于二进制码元在传输中被误传的比率，即用接收 错误的码元数除以被传输的码元总数所得的值就错误的码元数除以被传输的码元总数所得的值就 是误码率。是误码率。 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 51 3. 差错检测差错检测 n误码率接收的错误比特数误码率接收的错误比特数/ / 传输的总比特数传输的总比特数 n误码率与信噪比有很大的关系。误码率与信噪比有很大的关系。 n为了保证数据传输的可靠性，在计算机网络传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。输数据时，必须采用各种差错检测措施。 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 52 循环冗余

54、检验的原理循环冗余检验的原理 n在数据链路层传送的帧中，广泛使用了在数据链路层传送的帧中，广泛使用了循环冗余循环冗余 检验检验 CRC 的检错技术。的检错技术。 n在发送端，先把数据划分为组。假定每组在发送端，先把数据划分为组。假定每组 k 个比个比 特。特。 n假设待传送的一组数据假设待传送的一组数据 M = 101001（现在（现在 k = 6）。我们在）。我们在 M 的后面再添加供差错检测用的的后面再添加供差错检测用的 n 位位冗余码冗余码一起发送。一起发送。 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 53 冗余码的计算冗余码的计算 n用二进制的模用二进制的模 2 2 运算进行运算进行

55、 2 2n n 乘 乘 M M 的运算，这的运算，这 相当于在相当于在 M M 后面添加后面添加 n n 个个 0 0。 n得到的得到的 ( (k k + + n n) ) 位的数除以事先选定好的长度位的数除以事先选定好的长度 为为 ( (n n + 1) + 1) 位的位的除数除数 P P，得出，得出商商是是 Q Q 而而余数余数是是 R R，余数，余数 R R 比除数比除数 P P 少少1 1 位位，即，即 R R 是是 n n 位。位。 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 54 冗余码的计算举例冗余码的计算举例 n现在现在 k k = 6, = 6, M M = 101001 =

56、 101001。 n设设 n n = 3, = 3, 除数除数 P P = 1101 = 1101， n被除数是被除数是 2 2n nM M = 101001000 = 101001000。 n模模 2 2 运算的结果是：运算的结果是：商商 Q Q = 110101 = 110101， 余数余数 R R = 001 = 001。 n把余数把余数 R R 作为作为冗余码冗余码添加在数据添加在数据 M M 的后面发送的后面发送 出去。发送的数据是：出去。发送的数据是：2 2n nM M + + R R 即：即：101001001101001001，共，共 ( (k k + + n n) ) 位。位

57、。 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 55 110101 Q (商) P (除数) 1101 101001000 2nM (被除数) 1101 1110 1101 0111 0000 1110 1101 0110 0000 1100 1101 001 R (余数)，作为 FCS 循环冗余检验的原理说明循环冗余检验的原理说明 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 56 帧检验序列帧检验序列 FCS n在数据后面添加上的冗余码称为在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列帧检验序列 FCS (Frame Check Sequence)FCS (Frame Check Sequence)

58、。 n循环冗余检验循环冗余检验 CRC CRC 和帧检验序列和帧检验序列 FCSFCS并不等同。并不等同。 nCRC CRC 是一种常用的是一种常用的检错方法检错方法，而，而 FCS FCS 是添加是添加 在数据后面的在数据后面的冗余码冗余码。 nFCS FCS 可以用可以用 CRC CRC 这种方法得出，但这种方法得出，但 CRC CRC 并并 非用来获得非用来获得 FCS FCS 的唯一方法。的唯一方法。 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 57 接收端对收到的每一帧进行接收端对收到的每一帧进行 CRC 检验检验 n(1) (1) 若得出的余数若得出的余数 R R = 0 = 0，

59、则判定这个帧没有，则判定这个帧没有 差错，就差错，就接受接受(accept)(accept)。 n(2) (2) 若余数若余数 R R 0 0，则判定这个帧有差错，就，则判定这个帧有差错，就 丢弃丢弃。 n但这种检测方法并不能确定究竟是哪一个或哪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。几个比特出现了差错。 n只要经过严格的挑选，并使用位数足够多的除只要经过严格的挑选，并使用位数足够多的除 数数 P P，那么出现检测不到的差错的概率就很小，那么出现检测不到的差错的概率就很小 很小。很小。 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 58 循环冗余检验的补充示例循环冗余检验的

60、补充示例 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 59 循环冗余检验的补充示例循环冗余检验的补充示例 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 60 循环冗余检验的补充示例循环冗余检验的补充示例 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 61 循环冗余检验的补充示例循环冗余检验的补充示例 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 62 循环冗余检验的补充示例循环冗余检验的补充示例 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 63 循环冗余检验的补充示例循环冗余检验的补充示例 计算机学院计算机学院 计算机网络计算机网络 64 练习练习 n要发送的数据为要发送的数据为1101 0110