第4章课件数据连路2

1、n本章学习目标本章学习目标n掌握数据链路层的基本概念和功能掌握数据链路层的基本概念和功能n掌握流量控制中的停止等待协议掌握流量控制中的停止等待协议n掌握流量控制中的窗口协议掌握流量控制中的窗口协议n了解连续了解连续arqarq协议和选择重传协议和选择重传arqarq协议协议n了解了解pppppp协议和协议和hdlchdlc协议协议n掌握网桥和交换机的功能及应用掌握网桥和交换机的功能及应用4.4 因特网的点对点协议 ppp ppp 协议的工作原理n现在全世界使用得最多的数据链路层协议是现在全世界使用得最多的数据链路层协议是点对点协议点对点协议 ppp (point-to-point protoc

2、ol)。n用户使用拨号电话线接入因特网时，一般都用户使用拨号电话线接入因特网时，一般都是使用是使用 ppp 协议。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 连接使用 tcp/ip 的 客户进程路由选择 进程至因特网pc 机ppp 协议 n1992 年制订了年制订了 ppp 协议。经过协议。经过 1993 年年和和 1994 年的修订，现在的年的修订，现在的 ppp 协议已协议已成为因特网的正式标准成为因特网的正式标准rfc 1661。 nppp协议有三个组成部分协议有三个组成部分 q一个将一个将 ip

3、数据报封装到串行链路的方法。数据报封装到串行链路的方法。q链路控制协议链路控制协议 lcp (link control protocol)。q网络控制协议网络控制协议 ncp (network control protocol)。 ppp 协议的帧格式nppp 有一个有一个 2 个字节的协议字段。个字节的协议字段。q当协议字段为当协议字段为 0 x0021 时，时，ppp 帧的信息字段就是帧的信息字段就是ip 数数据报。据报。q若为若为 0 xc021, 则信息字段是则信息字段是 ppp 链路控制数据。链路控制数据。q若为若为 0 x8021，则表示这是网络控制数据。，则表示这是网络控制数据。

4、 ip 数据报1211字节12不超过 1500 字节ppp 帧先发送7eff03facfcsf7e协议信 息 部 分首部尾部ppp 协议的帧格式nppp 的帧格式和的帧格式和 hdlc 的相似。的相似。 n标志字段标志字段 f 仍为仍为 0 x7e （符号（符号“0 x”表示后面表示后面的字符是用十六进制表示。十六进制的的字符是用十六进制表示。十六进制的 7e 的的二进制表示是二进制表示是 01111110）。）。n地址字段地址字段 a 只置为只置为 0 xff。地址字段实际上并。地址字段实际上并不起作用。不起作用。n控制字段控制字段 c 通常置为通常置为 0 x03。nppp 是面向字节的，

5、所有的是面向字节的，所有的 ppp 帧的长度都帧的长度都是整数字节。是整数字节。 字符填充法 n将信息字段中出现的每一个将信息字段中出现的每一个 0 x7e 字节转变成为字节转变成为 2 字节序列字节序列(0 x7d, 0 x5e)。 n若信息字段中出现一个若信息字段中出现一个 0 x7d 的字节的字节, 则将其转则将其转变成为变成为 2 字节序列字节序列(0 x7d, 0 x5d)。n若信息字段中出现若信息字段中出现 ascii 码的控制字符（即数码的控制字符（即数值小于值小于 0 x20 的字符），则在该字符前面要加入的字符），则在该字符前面要加入一个一个 0 x7d 字节，同时将该字符的

6、编码加以改变。字节，同时将该字符的编码加以改变。 4.5 hdlc 的帧结构n标志字段标志字段 f (flag) 为为 6 个连续个连续 1 加上两边各加上两边各一个一个 0 共共 8 bit。在接收端只要找到标志字段。在接收端只要找到标志字段就可确定一个帧的位置。就可确定一个帧的位置。 比特888可变168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 检验区间零比特填充法 nhdlc 采用零比特填充法使一帧中两个采用零比特填充法使一帧中两个 f 字段字段之间不会出现之间不会出现 6 个连续个连续 1。n在发送端，当一串比特流数据中有在发送端，当一串比特流

7、数据中有 5 个连续个连续 1 时，就立即填入一个时，就立即填入一个 0。n在接收帧时，先找到在接收帧时，先找到 f 字段以确定帧的边界。字段以确定帧的边界。接着再对比特流进行扫描。每当发现接着再对比特流进行扫描。每当发现 5 个连续个连续 1 时，就将其后的一个时，就将其后的一个 0 删除，以还原成原来删除，以还原成原来的比特流。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0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 0会被误认为是 f 字段发送端在 5 个连 1 之后填入 0 比特再发送出去填入 0 比特0 1 0 0 1 1 1 1

8、 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0在接收端将 5 个连 1 之后的 0 比特删除，恢复原样在此位置删除填入的 0 比特0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0透明传输 n采用零比特填充法就可传送任意组合的比特采用零比特填充法就可传送任意组合的比特流，或者说，就可实现数据链路层的流，或者说，就可实现数据链路层的透明透明传传输输。n当连续传输两个帧时，前一个帧的结束标志当连续传输两个帧时，前一个帧的结束标志字段字段 f 可以兼作后一帧的起始标志可以兼作后一帧的起始标志字段。字段。n当暂时没有信息传送时，可以连续发送标志当暂时没有信息传送时，可以连续发送标志字段，

9、使收端可以一直和发端保持同步字段，使收端可以一直和发端保持同步。 其他字段 n地址字段地址字段 a 是是 8 bit。 n帧检验序列帧检验序列 fcs 字段共字段共 16 bit。所检验的。所检验的范围是从地址字段的第一个比特起，到信息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。字段的最末一个比特为止。 n控制字段控制字段 c 共共 8 bit，是最复杂的字段。，是最复杂的字段。hdlc 的许多重要功能都靠控制字段来实现。的许多重要功能都靠控制字段来实现。 4.6 4.6 网络设备网络设备 网络设备是指将不同的或相同的网络，网络设备是指将不同的或相同的网络，使用网络互联设备连

10、接在一起形成范围更大使用网络互联设备连接在一起形成范围更大的网络系统，从而使不同网络的用户之间能的网络系统，从而使不同网络的用户之间能够相互通信，实现资源共享够相互通信，实现资源共享。网络中的连接。网络中的连接设备有很多，根据网络中的不同需要分别承设备有很多，根据网络中的不同需要分别承担着不同的数据传输任务。担着不同的数据传输任务。4.6.1 4.6.1 网桥网桥 网桥也称桥接器，网桥也称桥接器， 网桥工作在数据链路网桥工作在数据链路层，将两个层，将两个lanlan连起来，根据连起来，根据macmac地址来转发地址来转发帧。帧。 网桥将两个相似的网络连接起来，并对网桥将两个相似的网络连接起来，

11、并对网络数据的流通进行管理。它工作于数据链网络数据的流通进行管理。它工作于数据链路层，不但能扩展网络的距离或范围，而且路层，不但能扩展网络的距离或范围，而且可提高网络的性能、可靠性和安全性。可提高网络的性能、可靠性和安全性。 1 1 网桥链接图网桥链接图2 2网桥的工作原理网桥的工作原理 如图给出了网桥的主要内部结构。最简单如图给出了网桥的主要内部结构。最简单的网桥有两个端口，复杂的网桥可以有更多的的网桥有两个端口，复杂的网桥可以有更多的端口。网桥中的每一个端口与一个网段相连。端口。网桥中的每一个端口与一个网段相连。图中所示的网桥，端口图中所示的网桥，端口1 1与网段与网段a a相连，端口相连

12、，端口2 2连连接到网段接到网段b b。1. 网桥的内部结构 站表接口管理 软件网桥协议 实体缓存接口 1接口 2网段 b网段 a111222站地址 接口网桥网桥接口 1接口 212 网桥从端口接收网段上传送的各种帧。网桥从端口接收网段上传送的各种帧。每收到一个帧时，就先将其存入自身的缓存每收到一个帧时，就先将其存入自身的缓存中。若此帧未出现差错，且检查数据包中的中。若此帧未出现差错，且检查数据包中的地址（地址（macmac地址地址），若），若欲发往的目的站属于另欲发往的目的站属于另一个网段，则查找站表，将收到的帧送往对一个网段，则查找站表，将收到的帧送往对应的端口转发出去应的端口转发出去。否

13、则，就丢弃此帧。因。否则，就丢弃此帧。因而，在同一个网段中通信的帧，不会被网桥而，在同一个网段中通信的帧，不会被网桥转发到另一个网段去，不会加重整个网络的转发到另一个网段去，不会加重整个网络的负担。负担。 网桥是通过内部的端口管理软件和网桥网桥是通过内部的端口管理软件和网桥协议来完成上述操作的。站表也称为转发数协议来完成上述操作的。站表也称为转发数据库或路由目录。使用网桥有以下好处：据库或路由目录。使用网桥有以下好处： （1 1）过滤通信量。）过滤通信量。 （2 2）扩大了物理范围。）扩大了物理范围。 （3 3）可以使用不同的物理层。）可以使用不同的物理层。 （4 4）可以连接不同的局域网。）

14、可以连接不同的局域网。 （5 5）提高了网络的可靠性。）提高了网络的可靠性。 （6 6）性能得到改善。）性能得到改善。网桥使各网段成为隔离开的碰撞域 b2b1碰撞域碰撞域碰撞域abcdefn存储转发增加了时延。存储转发增加了时延。 n在在mac 子层并没有流量控制功能。子层并没有流量控制功能。 n具有不同具有不同 mac 子层的网段桥接在一起时时子层的网段桥接在一起时时延更大。延更大。n网桥只适合于用户数不太多网桥只适合于用户数不太多(不超过几百个不超过几百个)和通信量不太大的局域网，否则有时还会和通信量不太大的局域网，否则有时还会因传播过多的广播信息而产生网络拥塞。因传播过多的广播信息而产生

15、网络拥塞。这就是所谓的这就是所谓的广播风暴广播风暴。 使用网桥带来的缺点 用户层ipmac站 1用户层ipmac站 2物理层网桥 1网桥 2ab用户数据ip-hmac-hmac-tdl-hdl-t 物理层dlrmac物理层物理层dlrmac物理层物理层lanlan两个网桥之间还可使用一段点到点链路 网桥不改变它转发的帧的源地址n集线器在转发帧时，不对传输媒体进行检集线器在转发帧时，不对传输媒体进行检测。测。n网桥在转发帧之前必须执行网桥在转发帧之前必须执行 csma/cd 算算法。法。q若在发送过程中出现碰撞，就必须停止若在发送过程中出现碰撞，就必须停止发送和进行退避。发送和进行退避。网桥和集

16、线器（或转发器）不同 n目前使用得最多的网桥是目前使用得最多的网桥是透明网桥透明网桥(transparent bridge)。 n“透明透明”是指局域网上的站点并不知道所发是指局域网上的站点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥，因为网桥对各站送的帧将经过哪几个网桥，因为网桥对各站来说是看不见的。来说是看不见的。 n透明网桥是一种透明网桥是一种即插即用设备即插即用设备，其标准是，其标准是 ieee 802.1d。 2. 透明网桥n若从若从 a 发出的帧从接口发出的帧从接口 x 进入了某网桥，那么从这个进入了某网桥，那么从这个接口出发沿相反方向一定可把一个帧传送到接口出发沿相反方向一定可把一个帧传送

17、到 a。n网桥每收到一个帧，就记下其源地址和进入网桥的接网桥每收到一个帧，就记下其源地址和进入网桥的接口，作为转发表中的一个项目。口，作为转发表中的一个项目。n在建立转发表时是把帧首部中的源地址写在在建立转发表时是把帧首部中的源地址写在“地址地址”这一栏的下面。这一栏的下面。n在转发帧时，则是根据收到的帧首部中的目的地址来在转发帧时，则是根据收到的帧首部中的目的地址来转发的。这时就把在转发的。这时就把在“地址地址”栏下面已经记下的源地栏下面已经记下的源地址当作目的地址，而把记下的进入接口当作转发接口。址当作目的地址，而把记下的进入接口当作转发接口。网桥应当按照以下自学习算法处理收到的帧和建立转

18、发表 地址 接口转发表的建立过程举例b2b1abcdef1212地址 接口b 1b aa ba 1f cf 2a ba 1f cf 2n在网桥的转发表中写入的信息除了在网桥的转发表中写入的信息除了地址地址和和接口接口外，还有帧进入该网桥的外，还有帧进入该网桥的时间时间。n这是因为以太网的拓扑可能经常会发生变化，这是因为以太网的拓扑可能经常会发生变化，站点也可能会更换适配器（这就改变了站点的站点也可能会更换适配器（这就改变了站点的地址）。另外，以太网上的工作站并非总是接地址）。另外，以太网上的工作站并非总是接通电源的。通电源的。n把每个帧到达网桥的时间登记下来，就可以在把每个帧到达网桥的时间登记

19、下来，就可以在转发表中只保留网络拓扑的转发表中只保留网络拓扑的最新状态信息最新状态信息。这。这样就使得网桥中的转发表能反映当前网络的最样就使得网桥中的转发表能反映当前网络的最新拓扑状态。新拓扑状态。 网桥在转发表中登记以下三个信息 网桥的自学习和转发帧网桥的自学习和转发帧的步骤归纳的步骤归纳 n网桥收到一帧后先进行网桥收到一帧后先进行自学习自学习。查找转发表中与收到帧的。查找转发表中与收到帧的源地址有无相匹配的项目。如没有，就在转发表中增加一源地址有无相匹配的项目。如没有，就在转发表中增加一个项目（源地址、进入的接口和时间）。如有，则把原有个项目（源地址、进入的接口和时间）。如有，则把原有的项

20、目进行更新。的项目进行更新。n转发帧转发帧。查找转发表中与收到帧的目的地址有无相匹配的。查找转发表中与收到帧的目的地址有无相匹配的项目。项目。q如没有，则通过所有其他接口（但进入网桥的接口除外）如没有，则通过所有其他接口（但进入网桥的接口除外）按进行转发。按进行转发。q如有，则按转发表中给出的接口进行转发。如有，则按转发表中给出的接口进行转发。q若转发表中给出的接口就是该帧进入网桥的接口，则应若转发表中给出的接口就是该帧进入网桥的接口，则应丢弃这个帧（因为这时不需要经过网桥进行转发）。丢弃这个帧（因为这时不需要经过网桥进行转发）。n这是为了避免产生转发的帧在网络中不断地兜圈子。 透明网桥使用了

21、生成树算法 局域网 2局域网 1网桥 2网桥 1 af不停地兜圈子a 发出的帧f1网桥 1 转发的帧f2网桥 2 转发的帧网络资源白白消耗了n互连在一起的网桥在进行彼此通信后，就能互连在一起的网桥在进行彼此通信后，就能找出原来的网络拓扑的一个子集。在这个子找出原来的网络拓扑的一个子集。在这个子集里，整个连通的网络中不存在回路，即集里，整个连通的网络中不存在回路，即在在任何两个站之间只有一条路径任何两个站之间只有一条路径。 n为了避免产生转发的帧在网络中不断地兜圈为了避免产生转发的帧在网络中不断地兜圈子。子。n为了得出能够反映网络拓扑发生变化时的生为了得出能够反映网络拓扑发生变化时的生成树，在生

22、成树上的根网桥每隔一段时间还成树，在生成树上的根网桥每隔一段时间还要对生成树的拓扑进行更新。要对生成树的拓扑进行更新。 生成树的得出n透明网桥容易安装，但网络资源的利用不充分。透明网桥容易安装，但网络资源的利用不充分。n源路由源路由(source route)网桥在发送帧时将详细的网桥在发送帧时将详细的路由信息放在帧的首部中。路由信息放在帧的首部中。n源站以广播方式向欲通信的目的站发送一个发现源站以广播方式向欲通信的目的站发送一个发现帧，每个发现帧都记录所经过的路由。帧，每个发现帧都记录所经过的路由。n发现帧到达目的站时就沿各自的路由返回源站。发现帧到达目的站时就沿各自的路由返回源站。源站在得

23、知这些路由后，从所有可能的路由中选源站在得知这些路由后，从所有可能的路由中选择出一个最佳路由。凡从该源站向该目的站发送择出一个最佳路由。凡从该源站向该目的站发送的帧的首部，都必须携带源站所确定的这一路由的帧的首部，都必须携带源站所确定的这一路由信息。信息。 3. 源路由网桥3 3 两种常用的网桥两种常用的网桥 （1 1） 透明网桥透明网桥 透明网桥是由各网桥自己来决定路由选择，透明网桥是由各网桥自己来决定路由选择，而局域网上的各台计算机均不负责路由选择。而局域网上的各台计算机均不负责路由选择。透明是指各站不管具体路由，对各站来说，透明是指各站不管具体路由，对各站来说，网桥是看不见的。网桥是看不

24、见的。 （2 2）源站选路网桥）源站选路网桥 源站选路网桥假定了每一站在发送帧时都源站选路网桥假定了每一站在发送帧时都已清楚地知道发往各个目的站的路由，而发帧已清楚地知道发往各个目的站的路由，而发帧时将详细的路由信息放到帧的首部中。时将详细的路由信息放到帧的首部中。4.6.2 4.6.2 交换机交换机 交换机工作在交换机工作在osiosi参考模型的第二层。参考模型的第二层。基于基于macmac地址进行交换。它通过分析地址进行交换。它通过分析ethernetethernet包包的包头信息（其中包含了原的包头信息（其中包含了原macmac地址、目标地址、目标macmac地址、信息长度等），取得目标

25、地址、信息长度等），取得目标macmac地址地址后，查找交换机中存储的地址对照表（后，查找交换机中存储的地址对照表（macmac地地址对应的端口），确认具有此址对应的端口），确认具有此macmac地址的网卡地址的网卡连接在哪个端口上，然后仅将信包送到对应连接在哪个端口上，然后仅将信包送到对应端口，有效的有效的抑制广播风暴的产生。端口，有效的有效的抑制广播风暴的产生。 123456地址映射表计算机a计算机c计算机b计算机d计算机e地址映射表端口mac地址计时1a.4b4c5d6e缓冲区1 1、交换机结构与工作过程、交换机结构与工作过程 当结点当结点a需要向需要向d发送信息时，结点发送信息时，结点

26、a首首先将目的先将目的mac地址指向以太网交换机端口地址指向以太网交换机端口1.交换机收到该帧，并在检测到目的交换机收到该帧，并在检测到目的mac地址地址后，在交换机的后，在交换机的“端口端口/mac地址映射表地址映射表”中查找结点中查找结点d所连接的端口号。一旦查到结所连接的端口号。一旦查到结点点d所连接的端口号所连接的端口号5，交换机将在端口，交换机将在端口1与与端口端口5之间建立连接，将信息转发到之间建立连接，将信息转发到5。 与此同时，结点与此同时，结点e需要向结点需要向结点b发送信息。发送信息。于是，交换机的端口于是，交换机的端口6与端口与端口4也建立一条连也建立一条连接，并将端口接

27、，并将端口6接收到的信息转发到端口接收到的信息转发到端口4。2 2 数据的转发方式数据的转发方式 （1 1） 直接交换直接交换 在直接交换方式中，交换机边接受边检测。在直接交换方式中，交换机边接受边检测。一旦检测到目的地段，就立即将数据转发出去，一旦检测到目的地段，就立即将数据转发出去，而不管这一数据是否有错，出错检测任务由结而不管这一数据是否有错，出错检测任务由结点主机完成。点主机完成。2 2 数据的转发方式数据的转发方式 （2 2）存储转发交换）存储转发交换 在存储转发交换方式中，交换机首先要完在存储转发交换方式中，交换机首先要完整地接受站点发送的数据，并对数据进行差错整地接受站点发送的数据，并对数据进行差错检测。如接受数据是正确的，再根据目的地址检测。如接受数据是正确的，再根据目的地址确定输出端口号，将数据转发出去。确定输出端口号，将数据转发出去。 2 2 数据的转发方式数据的转发方式 （3 3）改进的直接交换）改进的直接交换 介于直接交换和存储转发