Ch数据链路层PPT课件

1、第第3章章 数据链路层数据链路层-13.1 帧定界帧定界3.2 检错编码检错编码3.3 可靠传输协议可靠传输协议*3.4 HDLC协议协议*3.5 PPP协议协议3.6 交换交换3.7 虚电路和数据报虚电路和数据报3.8 网络性能网络性能3.9 广域网实例广域网实例第1页/共95页数据链路层的基本概念数据链路层的基本概念 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。 一条链路只是一条通路的一个组成部分。 数据链路(data link) 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

2、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。 第2页/共95页数据链路层像个数字管道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。是有格式的0/1序列，例如：0111111001111110结点结点帧帧帧第3页/共95页数据链路层的主要功能数据链路层的主要功能(1) 链路管理 (2) 帧定界 (3) 流量控制(4) 差错控制 (5) 将数据和控制信息区分开 (6) 透明传输 (7) 寻址 第4页/共95页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

3、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从层次上来看数据的流动第5页/共95页数据链路层的简单模型( 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R1R2R3H1H2仅从数据链路层观察帧的流动第6页/共95页3.1 帧定界帧定界3.1.1 带字符填充帧定界法

4、 二进制同步通信协议BISYNC 3.1.2 带比特填充帧定界法 HDLC第7页/共95页带字符填充帧定界法带字符填充帧定界法 DLE Data Link EscapeSTX Start of TeXtETX End of TeXt第8页/共95页带比特填充帧定界法带比特填充帧定界法-零零比特填充法比特填充法 HDLC 采用零比特填充法使一帧中两个 F 字段之间不会出现 6 个连续 1。 在发送端，当一串比特流数据中有 5 个连续 1 时，就立即填入一个 0。 在接收帧时，先找到 F 字段以确定帧的边界。接着再对比特流进行扫描。每当发现 5 个连续 1 时，就将其后的一个 0 删除，以还原成原

5、来的比特流。 01111110第9页/共95页零比特的填充与删除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 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第10页/共95页3.2 检错编码检错编码*3.2.1 CRC3.2.2 校验和第11页

6、/共95页3.2.1 CRC 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 = 1010001101（共k bit）。我们在M的后面再添加供差错检测用的 n bit 冗余码一起发送。 MCRC第12页/共95页 1101010110 Q 商 除数 P 2nM 被除数 110101 111011 110101 111010 110101 111110 110101 101100 110101 110010 110101 01110 R 余数循环冗余检验的原理说明 第13页/共95页 设 n = 5, P = 110101，模 2 运算的结果是：商 Q

7、 = 1101010110， 余数R = 01110。 将余数 R 作为冗余码添加在数据 M 的后面发送出去，即发送的数据是101000110101110，或 2nM + R。 第14页/共95页3.2.2 校验和校验和 IP/ICMP/IGMP/TCP/UDP等协议的校验和算法都是相同等协议的校验和算法都是相同的，算法如下：的，算法如下：在发送数据时，为了计算在发送数据时，为了计算IP数据包的校验和。应该按如数据包的校验和。应该按如下步骤：下步骤：（1）把）把IP数据包的校验和字段置为数据包的校验和字段置为0；（2）把首部看成以）把首部看成以16位为单位的数字组成，依次进行二位为单位的数字组

8、成，依次进行二进制反码求和；进制反码求和；（3）把得到的结果存入校验和字段中。）把得到的结果存入校验和字段中。第15页/共95页 在接收数据时，计算数据包的校验和相对简单，按如在接收数据时，计算数据包的校验和相对简单，按如下步骤：下步骤：（1）把首部看成以）把首部看成以16位为单位的数字组成，依次进行位为单位的数字组成，依次进行二进制反码求和，包括校验和字段；二进制反码求和，包括校验和字段；（2）检查计算出的校验和的结果是否等于零；）检查计算出的校验和的结果是否等于零；（3）如果等于零，校验是和正确。否则，校验和就是）如果等于零，校验是和正确。否则，校验和就是错误的，协议栈要抛弃这个数据包。错

9、误的，协议栈要抛弃这个数据包。第16页/共95页 校验和实例 第17页/共95页3.3 可靠传输协议可靠传输协议3.3.1 停等协议3.3.2 后退N帧协议3.3.3 选择重传协议 在大多数数据链路层协议中，在大多数数据链路层协议中，Frame的可靠的可靠传输是通过传输是通过“确认确认”和和“超时重传超时重传”机制来实机制来实现的现的 采用采用“确认确认”和和“超时重传超时重传”机制来实现的机制来实现的协议称为协议称为自动重发请求自动重发请求（ARQ, automatic repeat request）协议）协议差错控制、流量控制差错控制、流量控制第18页/共95页3.3.1 停等协议停等协议

10、 思想 发送方的发送一帧后就停止下来，等待接收方返回的确认帧。 如果经过一段时间后发送方还没有收到确认帧，则发送方定时器超时，并重传该帧。 发送缓冲区发送缓冲区 1接收缓冲区接收缓冲区 111D1第19页/共95页停等协议4种不同的情况 第20页/共95页停止等待协议中数据帧和确认帧的发送时间关系 ABDATADATAACK传播时延 tp处理时间 tpr确认帧发送时间 ta传播时延 tp处理时间 tprtT时间两个成功发送的数据帧之间的最小时间间隔数据帧的发送时间tf设置的重传时间tout第21页/共95页停止等待协议 ARQ 的优缺点 优点：比较简单 。 缺点：通信信道的利用率不高，也就是说

11、，信道还远远没有被数据比特填满。 为了克服这一缺点，就产生了另外两种协议，即连续 ARQ 和选择重传 ARQ。这将在后面进一步讨论。 第22页/共95页3.3.2 后退N帧协议 GBN, Go-Back-N protocol 发送缓冲区2n1 接收缓冲区=111D12n第23页/共95页发送方看到的序号 第24页/共95页滑动窗口的概念 发送端和接收端分别设定发送窗口和接收窗口 。 发送窗口用来对发送端进行流量控制。 发送窗口的大小 代表在还没有收到对方确认信息的情况下发送端最多可以发送多少个数据帧。 第25页/共95页01234567012发送窗口WT不允许发送这些帧允许发送 5 个帧(a)

12、01234567012不允许发送这些帧还允许发送 4 个帧WT已发送(b)01234567012不允许发送这些帧WT已发送(c)01234567012不允许发送这些帧还允许发送 3 个帧WT已发送 已发送并已收到确认(d)第26页/共95页接收端设置接收窗口 在接收端只有当收到的数据帧的发送序号落入接收窗口内才允许将该数据帧收下。 若接收到的数据帧落在接收窗口之外，则一律将其丢弃。 在连续 ARQ 协议中，接收窗口的大小 WR = 1。 只有当收到的帧的序号与接收窗口一致时才能接收该帧。否则，就丢弃它。 每收到一个序号正确的帧，接收窗口就向前（即向右方）滑动一个帧的位置。同时发送对该帧的确认。

13、 第27页/共95页不允许接收这些帧01234567012WR准备接收 0 号帧(a)不允许接收这些帧01234567012WR准备接收 1 号帧已收到(b)不允许接收这些帧01234567012WR准备接收 4 号帧已收到(c)第28页/共95页举例第29页/共95页3.3.3 选择重传协议 选择重传协议（SR, Selective Repeat） 发送缓冲区2n-11 接收缓冲区2n-11 11D12n2nDn第30页/共95页发送方和接收方看到的序号 第31页/共95页举例第32页/共95页信道利用率信道利用率 由于每个数据帧都必须包括一定的控制信息(如帧的序号、地址、同步信息以及其他的

14、一些控制信息)，所以即使连续不停地发送数据帧，信道利用率(即扣除全部的控制信息后的数据率与信道容量之比)也不可能达到 100 %。 当出现差错时(这是不可避免的)，数据帧的不断重传将进一步使信道利用率降低。 第33页/共95页最佳帧长最佳帧长 若数据帧的帧长取得很短，那么控制信息在每一帧中所占的比例就增大，因而额外开销增大，这就导致信道利用率的下降。 若帧长取得太长，则数据帧在传输过程中出错的概率就增大，于是重传次数将增大，这也会使信道利用率下降。 由此可见，存在一个最佳帧长，在此帧长下信道的利用率最高。 第34页/共95页 1974年，IBM 公司推出了面向比特的规程SDLC (Synchr

15、onous Data Link Control)。 后来 ISO 把 SDLC 修改后称为 HDLC (High-level Data Link Control)，译为高级数据链路控制，作为国际标准ISO 3309。 CCITT 则将 HDLC 再修改后称为链路接入规程 LAP (Link Access Procedure)。不久，HDLC 的新版本又把 LAP 修改为 LAPB，“B”表示平衡型(Balanced)，所以 LAPB 叫做链路接入规程(平衡型)。 * 3.4 HDLC协议协议第35页/共95页HDLC产生及变种SDLCIBM同步数据链路控制同步数据链路控制ADCCPANSI美国

16、国家标准化协会美国国家标准化协会高级数据通信控制高级数据通信控制HDLCISOLAPCCITT国际电报电话咨询委员会国际电报电话咨询委员会链路访问过程链路访问过程LAPBLAPDLLCPPPISDN局域网局域网InternetITU国际电联国际电联第36页/共95页3.4.1 HDLC帧格式 标志字段 F (Flag) 为 6 个连续 1 加上两边各一个 0 共 8 bit。在接收端只要找到标志字段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 检验区间第37页/共95页其他字段 地址字段 A 是 8 bit。 可

17、以表示256个地址 地址字段的首位为“1”时，表示地址字段只用8bits 地址字段的首位为“0”时，表示本字节后面的1个字节是扩展地址字段比特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 检验区间第38页/共95页3.4.2 HDLC帧控制字段 控制字段 C 共 8 bit，是最复杂的字段。 控制字段用于构成各种命令及响应，以便对链路进行监视与控制 HDLC 的许多重要功能都靠控制字段来实现 信息帧I（Information Frame） 监控帧S（Supervisor Frame） 无编号帧U（Unnumbered Frame） 比特88

18、8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 检验区间第39页/共95页信息帧控制字段格式 0 N(S) P/F N(R) 1 3 1 3 发送序号应答序号（Poll/Final）轮询/终止5位为轮询位，当为1时，要求被轮询的从站给出响应 ；0，表示没有意义第40页/共95页监控帧控制字段格式 0 1 Type P/F N(R) 1 1 2 1 3 第5位为轮询/终止位，当为1时，表示接收方确认结束。 10第41页/共95页无编号帧控制字段格式 1 1 Modifier P/F Modifier 1 1 2 1 3 无编号帧，提供对链路的建立、

19、拆除以及多种控制功能，用34678这五个M位来定义，可以定义32种附加的命令或应答功能。 第42页/共95页 信息字段I（Information）。可以是任意的二进制比特串，长度未作限制；目前多用10002000bits 帧检验序列 FCS 字段共 16 bit。所检验的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。 帧检验序列的生成多项式一般采用CRC-CCITT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 检验区间第43页/共95页HDLC 基本工作模式 站点类型 主站从站混合站(primarysecondaryco

20、mbined) 系统配置模型 非平衡对称平衡unbalancedsymmetricalbalanced 通信模式 一般响应模式异步响应模式异步平衡模式NRM(Normal response mode)ARM(Asynchronous response mode)ABM(Asynchronous balanced mode)第44页/共95页HDLC Unbalanced（固定主从站） NRM (Normal Response Mode) 主站点名，从站响应 ARM (Asynchronous Response M) 一般：主站点名，从站响应 特殊紧急：从站主动发送（仍是响应）主站主站从站从站c

21、ommandresponseresponse第45页/共95页HDLC Symmetrical 对称 站点同为主、从复合 站点角色按信道分，一信道做主站，一信道做从站 每条信道以主从方式通信commandresponsecommandresponseprimarysecondarysecondaryprimary第46页/共95页HDLC Balanced （都可做主从站） HDLC ABM(Asynchronous Balanced M) 站点地位相等，任意一方都可以发起通信 一信道，两角色（与对称区别） 仅定义了两点通信，非多点通信（与LAN区别）command/responsecomma

22、nd/responsecombinedstationcombinedstation第47页/共95页*3.5 PPP协议 3.5.1 PPP组成3.5.2 PPP帧格式3.5.3 PPP链路建立3.5.4 PPP认证3.5.4 PPP应用第48页/共95页PPP 协议的工作原理 现在全世界使用得最多的数据链路层协议是点对点协议 PPP (Point-to-Point Protocol)。 用户使用拨号电话线接入因特网时，一般都是使用 PPP 协议。 功能丰富，支持多种网络层协议、多种压缩方式、多种身份认证方式、动态地址分配等RFC 1661/1662/1663 第49页/共95页LANLANP

23、STNRRLANRLANLANRRLANLANRRInternetRouter第50页/共95页 背景 分散的网络之间的互联 大量主机连接InternetLANLANPSTNRRPSTNARInternetAccess Router拨号访问服务器拨号访问服务器RAS环境特点：环境特点：点到点信道点到点信道线路质量较差线路质量较差需要用户身份认证需要用户身份认证第51页/共95页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 机第52页/共95页 点到点通

24、信 面向字符同步 字符填充： 数据中的每个特殊字符前均填充转义符 适应异步传输方式 以字符为单位传输数据，字符间有不确定延时 适应较差的线路质量 也适应同步传输方式 可支持多种网络层协议 在协议字段中申明 适应多种网络第53页/共95页3.5.1 PPP组成认证协议用于协商PPP链路上运行的网络协议以及网络层协议的配置链路的创建、维护或终止第54页/共95页 PPP 的帧格式和 HDLC 的相似。 标志字段 F 仍为 0 x7E （符号“0 x”表示后面的字符是用十六进制表示。十六进制的 7E 的二进制表示是 01111110）。 地址字段 A 只置为 0 xFF。地址字段实际上并不起作用。

25、控制字段 C 通常置为 0 x03。 PPP 是面向字节的，所有的 PPP 帧的长度都是整数字节。 第55页/共95页3.5.2 PPP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 PPP 链路控制数据。 若为 0 x8021，则表示这是网络控制数据。 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 分首部尾部第56页/共95页不同类型的载荷 0 x0021载荷字段是IP数据报 0 xC021载荷字段是链路控制协议LC

26、P报文 0 x8021载荷字段是网络控制协议NCP报文 0 xC023载荷字段是安全性认证PAP 0 xC025载荷字段是链路质量报告LQR报文 0 xC223载荷字段是安全性认证CHAP第57页/共95页3.5.3 PPP链路建立(1)(2)(3)第58页/共95页 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（封装成多个 PPP 帧）。 这些分组及其响应选择一些 PPP 参数，和进行网络层配置，NCP 给新接入的 PC机分配一个临时的 IP 地址，使 PC 机成为因特网上的一个主机。 通信完毕时，NCP 释放

27、网络层连接，收回原来分配出去的 IP 地址。接着，LCP 释放数据链路层连接。最后释放的是物理层的连接。 第59页/共95页PPP 协议的状态图 建立失败失败NCP 配置鉴别成功通信结束载波停止检测到 载波双方协商一些选项鉴别网络打开终止静止第60页/共95页PPP的工作流程IP一个一个IP分组需要传输分组需要传输触发触发PPP层启动连接过程层启动连接过程LCPLCP协议完成连接建立过程协议完成连接建立过程LCPLCPLCPIPCP协议进一步完成网络层协议协商，如获得协议进一步完成网络层协议协商，如获得IP地址地址IPCPIPCP要要IP地址地址IP地址地址PAP或或CHAP协议完成用户身份认

28、证协议完成用户身份认证用户名用户名,口令口令正确正确当以上过程都成功完成后，当以上过程都成功完成后，IP分组封装在分组封装在PPP帧中传输到对方帧中传输到对方PPP注意：注意：IP无连接协议使用提供面向连接服务的无连接协议使用提供面向连接服务的PPP的过程的过程第61页/共95页3.5.4 PPP认证 口令认证协议PAP（Password Authentication Protocol） 两次握手 口令明码传送 挑战握手认证协议CHAP（Challenge-Handshake Authentication Protocol） 三次握手 口令不传送，用户名加密传送第62页/共95页 PAP口令认

29、证 口令在网络上传输 CHAP挑战式握手认证客客户户服务服务器器用户名用户名,口令口令正确正确1、服务器分配一个挑战号、服务器分配一个挑战号用户名用户名,口令口令2、客户按照实现预定的方法、客户按照实现预定的方法根据挑战号及口令计算出结果根据挑战号及口令计算出结果3、服务器比较自己计算的结果、服务器比较自己计算的结果及客户的结果，判断用户是否及客户的结果，判断用户是否 合法合法口令不在网络上传输，口令不在网络上传输，随机分配的挑战号，防止黑客猜测口令随机分配的挑战号，防止黑客猜测口令挑战号挑战号计算计算结果结果正确正确计算计算比较比较第63页/共95页3.6 交换 交换（switching）的

30、概念最早来自于电话系统。 交换技术最早用于广域网，广域网就是由计算机、传输介质以及交换机组成的。 分为电路交换、报文交换和分组交换第64页/共95页3.6.1 电路交换 网络为每次通信会话建立、保持和终止一条专用物理电路。 传统电话服务PSTN和窄带综合业务数字网（Narrow band ISDN）是采用电路交换技术。 优点 传输时延小 传输信道是独占的 电路是“透明”的第65页/共95页3.6.2 分组交换 分组交换（packet switching）是一种存储/转发（store-and-forward）交换方式。 存储转发就是交换机先将数据存储起来，待处理后在适当时候转发出去。 报文交换

31、不对用户数据进行划分 分组交换 将用户数据划分成一个个分组（packet） 第66页/共95页电路交换、报文交换和分组交换第67页/共95页3.7 虚电路和数据报3.7.1 数据报3.7.2 虚电路3.7.3 两者比较 网络层为接在网络上的主机所提供的服务可以有两大类： 无连接的网络服务（数据报服务） 面向连接的网络服务（虚电路服务）。 第68页/共95页3.7.1 数据报 数据报（datagram） 无连接方式 每个报文携带目的节点完整的地址信息，网络中交换机接收到数据报时都能根据数据报中目的节点地址来决定如何到达目的节点。第69页/共95页提供数据报服务的特点 H1H5H2H4H3ACDB

32、H6E分组交换网H1 向 H5 发送分组H2 向 H6 发送分组路径可能变化网络随时接受主机发送的分组（即数据报）网络为每个分组独立地选择路由。 第70页/共95页提供数据报服务的特点 H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网网络尽最大努力地将分组交付给目的主机，但网络对源主机没有任何承诺。第71页/共95页提供数据报服务的特点 H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网网络不保证所传送的分组不丢失也不保证按源主机发送分组的先后顺序以及在时限内必须将分组交付给目的主机 第72页/共95页提供数据报服务的特点 H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网当网络发生拥塞时网络中的结点可根据情

33、况将一些分组丢弃 第73页/共95页实例第74页/共95页交换机2的转发表 第75页/共95页虚电路 虚电路VC（Virtual Circuit） 采用虚电路方式提供面向连接的网络方式，这意味着源节点和目的节点在进行数据传输之前必须建立连接，即建立一条虚电路。 第76页/共95页三个过程 建立虚电路 PVC（Permanent Virtual Circuit） SVC（Switched Virtual Circuit） 信令协议 数据传输 删除虚电路第77页/共95页提供虚电路服务的特点 H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网H1 要和 H5 通信主机 H1 先向主机 H5 发出一个特定

34、格式的控制信息分组，要求进行通信，同时寻找一条合适路由。若主机 H5 同意通信就发回响应，然后双方就建立了虚电路。 虚电路H1 向 H5 发送的所有分组都沿此虚电路传送。第78页/共95页提供虚电路服务的特点 H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网同理，主机 H2 和主机 H6 通信之前，也要建立虚电路。 第79页/共95页提供虚电路服务的特点 H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网在虚电路建立后，网络向用户提供的服务就好像在两个主机之间建立了一对穿过网络的数字管道。所有发送的分组都按顺序进入管道，然后按照先进先出的原则沿着此管道传送到目的站主机。 第80页/共95页提供虚电路服务的特点 H1H5H2H4H3ACDBH6E分组交换网到达目的站的分组顺序就与发送时的顺序一致，因此网络提供虚电路服务对通信的服务质量 QoS (Quality of Service)有较好的保证。 第81页/共95页实例第82页/共95页交换机虚电路表第83页/共95页两种服务的思路来源不同 虚电路服务的思路来源于传统的电信网。 电信网负责保证可靠通信的一切措施，因此电信网的结点交换机复杂而昂贵。 数据报服务力求使网络生存性好和使对网络的控制功能分散，因而只能要求网络提供尽最大努力的服务。 可靠通信由用户终端中的软件（即