计算机网络第3章数据链路层

1、计算机网络第3章 数据链路层内容概览 数据链路层概述 使用点到点信道的数据链路层 使用广播信道的数据链路层 使用广播信道的以太网 扩展的以太网2021-9-2323.0 数据链路层概述 术语术语 节点：主机和路由器 链路：沿着通信路径连接相邻节点的通信信道 有线链路 无线链路 帧：数据链路层的分组单元 数据链路层的主要功能数据链路层的主要功能 负责将数据报通过链路从一个节点传输到相邻的节点2021-9-2333.0 数据链路层概述2021-9-234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

2、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R1R2R3H1H2从层次上来看数据的流动3.0 数据链路层概述2021-9-235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R1R2R3H1H2仅从数据链路层观察帧的流动3.0 数据链路层概述 几点特别说明几点特别说明 数据报在不同链路上可能由不同的链路层协议进行处理 例如：第一段链路上由PPP处理，最后一段链路上由以太网处理，中间链路

3、上由广域链路层协议处理 不同的链路层协议可能提供不同的服务 例如：可靠传递、不可靠传递数据链路层数据链路层使用的信道主要有以下两种类型：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。2021-9-2363.1 使用点到点信道的数据链路层 两个基本概念两个基本概念 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 若把实现控制数据传输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

4、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 帧数据链路层的协议数据单元2021-9-2373.1 使用点到点信道的数据链路层 三个基本问题三个基本问题 封装成帧 透明传输 差错检测2021-9-2383.1 使用点到点信道的数据链路层2021-9-2393.1 使用点到点信道的数据链路层 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 2021-9-23103.1 使用点到点信道的数据链路层 因特网上通常采用01111110（0 x7E）作为SOH和EOT 根据对比特流的不同认识衍生出两种填充方法 字符填充方法 0 x

5、7E0 x7D5E 0 x7D0 x7D5D 零比特填充方法每出现五个连续的1，则在其后直接塞入一个02021-9-23113.1 使用点到点信道的数据链路层 差错检测差错检测 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 (Bit Error Rate)。 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。2021-9-23123.1 使用点到点信道的数据链路层 循环冗余校验码（循环冗余校验码（CRC） 在数据链路层传送的帧中，广泛使用

6、了循环冗余检验 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。 2021-9-23133.1 使用点到点信道的数据链路层 应当注意应当注意 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

7、输”（即发送什么就收到什么）就必须再加上确认和重传机制。2021-9-23143.3 使用广播信道的数据链路层 广播链路的特点广播链路的特点 单个共享广播信道 两个或多个节点同时传输：相互干扰 碰撞：一个节点同时收到两个或多个信号 多址多址访问协议访问协议 分布式算法决定节点如何共享信道，如节点何时可以传输数据 特别注意：有关共享信道的通信（协商）需使用信道本身 没有额外的信道来进行协调 理想的多址访问协议需满足：理想的多址访问协议需满足： 假定：信道为速率为R b/s的广播信道 当只有一个节点有数据发送时，该节点的吞吐量为R 当M个节点有数据发送时，每个节点吞吐量为R/M 分散 没有特定节点

8、用于调整传输 没有时钟同步 简单2021-9-23153.3 使用广播信道的数据链路层 多址访问协议分类多址访问协议分类 信道划分协议 将信道划分成小的“片”（时隙、频率、编码） 将“片”分配给节点使用 随机访问协议 信道没有被分割，允许碰撞 碰撞恢复 轮流协议 节点轮流传送，但数据量大的节点轮流更长时间2021-9-23163.3 使用广播信道的数据链路层 信道划分协议信道划分协议 TDMA(Time Division Multiple Access) 循环访问信道 每个节点在每次循环中得到固定长度的时隙（时隙长度传输单个分组时间） 没有数据发送的时隙空闲 例如：6-节点 LAN, 时隙1,

9、3,4 有数据发送, 2,5,6 的时隙空闲 统计时分复用 STDM 2021-9-23173.3 使用广播信道的数据链路层 FDMA(Frequence Division Multiple Access) 信道按频谱分成若干频段 每个节点分配固定频段 在频段不用时该部分信道被闲置和浪费2021-9-23183.3 使用广播信道的数据链路层 随机访问协议随机访问协议 当节点有数据发送时 以信道全部速率R传输 没有主节点起协调作用 两个或多个节点传送时碰撞 随机访问协议解决 如何检测碰撞 如何从碰撞中恢复（如：延时后重传） 随机访问协议举例： ALOHA、时隙ALOHA CSMA, CSMA/C

10、D, CSMA/CA2021-9-23193.3 使用广播信道的数据链路层 ALOHA ALOHA 乃Additive Link On-Line HAwaii system简写，ALOHA恰好还是夏威夷方言的“你好”。ALOHA网是计算机网络早期发展中一个著名的网络，也是第一个无线计算机网络，现仍在运行之中。 ALOHA网的特征 因群岛位置的散布，网络拓扑采用了星型结构 为节省费用和易于组网，网络中各站点的通信采用了无线传输介质 由于采用无线电信道，考虑到无法申请更多的频率点，因而所有站点都使用统一的频率通过主机交换信息2021-9-2320 接口接口 ALOHAALOHA 系统的一般模型系统

11、的一般模型 站站 1 站站 2 站站 n-1 站站 n 总线信道总线信道 3.3 使用广播信道的数据链路层2021-9-23213.3 使用广播信道的数据链路层 CSMA(Carrier Sense Multiple Access) 传输前监听 如果信道空闲，传送整个帧 如果信道忙，推迟传送 非坚持(nonpersistent)CSMA 一旦监听到信道忙（即发现有其他站在发送数据），就不再坚持听下去，而是根据协议的算法延迟一个随机的时间后重新再监听。若进行载波监听时发现信道空闲，则将准备好的帧发送出去。 1坚持CSMA 当一个站点要传送数据时，首先侦听信道，看是否有其他站点正在传送。如果信道正

12、忙，它就持续等待直到它侦听到信道空闲时，便将数据送出。若发生冲突，站点就等待一个随机长的时间，然后重新开始。 P坚持CSMA 当一个站点要传送数据时，首先侦听信道，看是否有其他站点正在传送。如果信道正忙，它就持续等待直到它侦听到信道空闲时，以概率P发送数据，而以概率（1P）延迟一段时间(网络中最远的端到端的传播时延)，重新监听信道。若发生冲突，站点就等待一个随机长的时间，然后重新开始。2021-9-23223.3 使用广播信道的数据链路层 CSMA比较比较 非坚持：不能充分利用信道刚刚转入空闲期的这段时间。 1坚持：容易在上述这段时间产生冲突。 P坚持：可以在一定程度上克服这些缺点，但却很难选

13、择一个能用于各种通信量强度的P值。所以在实际网络中常选择1坚持。 CSMA/CD 在短时间内碰撞被检测 在有线LANs中比较容易:测量信号强度，比较收、发的信号 在无线LANs中比较困难: 传输时接收器是关闭的 碰撞后停止传输，减少信道浪费 2021-9-23232021年9月23日241 kmABt碰撞t = 2 A 检测到发生碰撞 t = B 发送数据B 检测到发生碰撞 t = t = 0单程端到端传播时延记为 2021年9月23日251 kmABt碰撞t = B 检测到信道空闲发送数据t = / 2发生碰撞t = 2 A 检测到发生碰撞 t = B 发送数据B 检测到发生碰撞 t = A

14、BABAB t = 0 A 检测到信道空闲发送数据ABt = 0t = B 检测到发生碰撞停止发送STOPt = 2 A 检测到发生碰撞STOPAB单程端到端传播时延记为 3.3 使用广播信道的数据链路层 强化碰撞强化碰撞 当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时，除了立即停止发送数据外，还要再继续发送若干比特的人为干扰信号(jamming signal)，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。 争用期争用期 最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间 2 （两倍的端到端往返时延）就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。 以太网的端到端往返时延 2 称为争用期，或碰撞窗口。 经过争用期这段时间还没

15、有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。2021-9-23262021年9月23日27数据帧干扰信号 TJABTBt B 发送数据A 检测到冲突开始冲突信道占用时间A 发送数据B 也能够检测到冲突，并立即停止发送数据帧，接着就发送干扰信号。这里为了简单起见，只画出 A 发送干扰信号的情况。3.3 使用广播信道的数据链路层 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 基本退避时间取为争用期 2。 从整数集合0,1, (2k 1)中随机地取出一个数，记为 r。重传所需的时延就是 r 倍的基本退避时间。 参数 k 按下面的公式计算： k = Min重传次数, 10 当

16、 k 10 时，参数 k 等于重传次数。 当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。 2021-9-23283.3 使用广播信道的数据链路层 轮流轮流协议协议产生的背景产生的背景 信道划分协议 在重负荷时，共享信道有效、公平 在轻负荷时效率低：信道访问延时，即使只有一个活动节点，也只能分配到1/N的带宽 随机访问协议 轻负荷时效率高：只有一个节点时，能充分利用信道 在重负荷下: 碰撞的开销 轮流协议 在两个方面寻求最佳的解决方案! 轮流轮流协议协议 轮询协议 主节点邀请从节点轮流传输 关注: 轮询开销、等待时间、单点失效(主节点) 令牌传递协议 控制令牌依次通过各个结点 令牌报文

17、 关注：令牌的开销、等待时间、单点失效(token)2021-9-23293.3 使用广播信道的数据链路层 对于广播信道能对于广播信道能做什么做什么? 信道划分，基于时间、频率、编码 时分，频分 随机划分 (动态) ALOHA, S-ALOHA, CSMA, CSMA/CD 载波侦听:有线“易行”、无线“困难” CSMA/CD 用于以太网 CSMA/CA 用于 802.11 轮流 主节点轮询，令牌传递2021-9-23303.4 使用广播信道的以太网 局域网最主要的特点是：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。 局域网具有如下的一些主要优点： 具有广播功能，从一个站点可很方便地访问

18、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、可用性和残存性。2021-9-23313.4 使用广播信道的以太网 局域网的拓扑结构局域网的拓扑结构2021-9-23323.4 使用广播信道的以太网 以太网发展大事记以太网发展大事记 1975年 施乐(Xerox)公司 以太网 2.94Mbps 1976年 Metcalfe和Boggs发表了以太网里程碑论文 1980年 施乐公司、DEC公司、Intel公司 DIX v1 10Mbps 1982年 施乐公司、DEC公司、Intel公司 DIX v2 1

19、0Mbps 1983年 IEEE 802.3 10Mbps2021-9-23333.4 使用广播信道的以太网 DIX v2 vs IEEE 802.3 IEEE 802.3将数据链路层分成了LLC和MAC两个子层 DIX v2的数据链路层不存在LLC子层 在实际的因特网中，以太网采用的是DIX v2标准，因此不需要考量LLC子层，甚至很多厂商在实现以太网时就只提供了MAC子层。2021-9-23343.4 使用广播信道的以太网 以太网主机端的承载设备以太网主机端的承载设备网络适配器网络适配器 进行串行/并行转换。 对数据进行缓存。 在计算机的操作系统安装设备驱动程序。 实现以太网协议 以太网网

20、络端的承载以太网网络端的承载 10Base-5 ：粗同轴电缆，基带编码，无中继最大传输距离500m 10Base-2 ：细同轴电缆，基带编码，无中继最大传输距离185m 10Base-T ：UTP，基带编码，无中继最大传输距离100m，集线器 10Base-F ：光纤，基带编码2021-9-23353.4 使用广播信道的以太网 基带编码基带编码曼彻斯特编码曼彻斯特编码2021-9-23363.4 使用广播信道的以太网 星型结构的以太网星型结构的以太网10Base-T2021-9-23373.4 使用广播信道的以太网 集线器集线器 集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线的工作，因此整个系统仍然像一

21、个传统的以太网那样运行。 使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各工作站使用的还是 CSMA/CD 协议，并共享逻辑上的总线。 集线器很像一个多接口的转发器，工作在物理层。 2021-9-23383.4 使用广播信道的以太网 总线信道的协调总线信道的协调 采用CSMA/CD方法 争用期：51.2微秒 最短帧长：64字节 帧间间隔：9.6微秒 以太网中设备的标识以太网中设备的标识MAC地址地址 48bit 前24bit由IEEE分配管理OUI号 后24bit由厂商自行分配2021-9-23393.4 使用广播信道的以太网 DIX v2 以太网的帧格式以太网的帧格式2021-9-23403.4

22、 使用广播信道的以太网2021-9-23413.4 使用广播信道的以太网2021-9-23423.4 使用广播信道的以太网2021-9-23433.4 使用广播信道的以太网2021-9-23443.4 使用广播信道的以太网2021-9-23453.4 使用广播信道的以太网 无效的无效的MAC帧帧 数据字段的长度与长度字段的值不一致； 帧的长度不是整数个字节； 用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错； 数据字段的长度不在 46 1500 字节之间。 有效的 MAC 帧长度为 64 1518 字节之间。 对于检查出的无效 MAC 帧就简单地丢弃。以太网不负责重传丢弃的帧。 2021-9-23473

23、.5 扩展的以太网 集线器（或转发器）互联集线器（或转发器）互联 主干集线器将LAN网段互联起来 扩展了节点间的最大距离 原先独立的网段碰撞域变成了一个大的碰撞域 不能将10BaseT 和 100BaseT以太网互联2021-9-23483.5 扩展的以太网 网桥互联网桥互联 网桥（Bridge）实质上就是一种存储转发设备，用来实现MAC层的LAN互连2021-9-23493.5 扩展的以太网 网桥的概念结构网桥的概念结构2021-9-23503.5 扩展的以太网 网桥的工作原理网桥的工作原理 不断监听各端口是否有信号 收到无差错的帧则缓存，反之将差错帧丢弃 若所收帧的目的MAC地址属另一网段

24、，则通过站表决定向何端口转发 网桥不转发同一网段内通信的帧 网桥不修改所转发的帧的源地址2021-9-23513.5 扩展的以太网 网桥的优势网桥的优势 过滤通信量 扩大了局域网的物理范围 提高了可靠性 可互连不同物理层、不同MAC子层和不同速率的局域网 网桥的缺点网桥的缺点 由于要接收和转发，增加了时延 MAC子层没有流量控制功能，网络负荷重时，网桥缓存空间可能发生溢出，产生帧丢失现象 不同MAC子层的网段桥接时，在转发帧之前要修改帧的某些字段，这也需要耗费时间 出现广播风暴。网桥只适合用户少于几百个和通信量不太大的局域网，否则有时会因传播过多广播信息而产生网络拥塞2021-9-23523.

25、5 扩展的以太网 网桥和集线器的区别网桥和集线器的区别 集线器只是将网络的覆盖距离简单的延长，而且距离有限，具体实现在物理层；网桥不仅具有将LAN的覆盖距离延长的作用，而且理论上可做到无限延长，具体实现在MAC层。 集线器仅具有简单的信号整形和放大的功能；网桥则属于一种智能互连设备，它主要提供信号的存储/转发、数据过滤、路由选择等能力。 集线器仅是一种硬设备，而网桥既包括硬件又包括软件。 集线器仅只能互连同类LAN，而网桥可支持不同类型的LAN互连。2021-9-23533.5 扩展的以太网 透明网桥选路原理透明网桥选路原理 从端口x收到帧，有差错则丢弃，否则在站表中查找目的站MAC地址； 找到有，则取出相应的端口d，转，否则转； 如果所给MAC地址的端口d=x，则丢弃此帧（不需要转发），否则从端口d转发此帧； 转到； 向网桥除x以外的所有端口转发此帧（可保证找到目的站） 如源站不在站表中，则将源站MAC地址写入站表，登记该帧进入网桥的端口号和时间，设置计时器，然后转。否则转； 更新计时器（由于网络拓扑经常变化，因此，超时记录要删除，以反映最新状态）； 等待新的数据帧。转2021-9-23543.5 扩展的以太