计算机网络 chap3-数据链路层

1、1第第 3 章章 数据链路层数据链路层2n通信路径由一系列通信链路组成，从源主机开始，通信路径由一系列通信链路组成，从源主机开始，经过一系列路由器，在目的主机结束。经过一系列路由器，在目的主机结束。n在端到端通信路径中分组如何通过各段链路的？为在端到端通信路径中分组如何通过各段链路的？为了在单段链路上传输，网络层的数据报是怎样被封了在单段链路上传输，网络层的数据报是怎样被封装成链路层帧的呢？链路层协议能够提供路由器到装成链路层帧的呢？链路层协议能够提供路由器到路由器的可靠数据传输吗？在此通信路径上不同的路由器的可靠数据传输吗？在此通信路径上不同的链路能够采用不同的链路层协议吗？链路能够采用不同

2、的链路层协议吗？3数据链路层数据链路层数据链路层使用的信道主要有两种类型：数据链路层使用的信道主要有两种类型：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方式。这种信道使用一对一的点对点通信方式。例如两台路由器之间的通信链路或一个住宅的拨号调例如两台路由器之间的通信链路或一个住宅的拨号调制解调器与一个制解调器与一个ISP路由器之间的通信链路。路由器之间的通信链路。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，。广播信道中，许多主机被连接到相同的通信通道，因广播信道中，许多主机被连接到相同的通信通道，因此过程比较复杂，必须使用专用的共享信道协

3、议来协此过程比较复杂，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。调这些主机的数据发送。 广播信道常用在局域网、无线广播信道常用在局域网、无线LAN、卫星网和、卫星网和HFC中。中。4本章内容本章内容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3.1.2 三个基本问题三个基本问题3.2 点对点协议点对点协议 PPP3.2.1 PPP 协议的特点协议的特点3.2.2 PPP 协议的帧格式协议的帧格式3.2.3 PPP 协议的工作状态协议的工作状态53.3 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 局域网的数据链路层局

4、域网的数据链路层 3.3.2 CSMA/CD 协议协议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 使用集线器的星形拓扑使用集线器的星形拓扑 3.4.2 以太网的信道利用率以太网的信道利用率 3.4.3 以太网的以太网的 MAC 层层63.5 扩展的以太网扩展的以太网3.5.1 在物理层扩展以太网在物理层扩展以太网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 高速以太网高速以太网 3.6.1 100BASE-T 以太网以太网 3.6.2 吉比特以太网吉比特以太网 3.6.3 10 吉比特以太网吉比特以太网 3.6.4 使用高速以太网进行宽带接入使用高速以太网进

5、行宽带接入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7数据链路层的简单模型数据链路层的简单模型局域网局域网广域网广域网主机主机 H1主机主机 H2路由器路由器 R1路由器路由器 R2路由器路由器 R3电话网电话网局域网局域网主机主机 H1 向向 H2 发送数据发送数据链路层链路层应用层应用层运输层运输层网络层网络层物理层物理层链路链路层层应用层应用层运输层运输层网络层网络层物理层物理层链路层链路层网络层网络层物理层物理层链路层链路层网络层网络层物理层物理层链路层链路层网络层网络层物理层物理层R1R2R3H1H2从层次上来看数据的流动从层次上来看数据的流动8数据链路层的简单模型数据

6、链路层的简单模型( 续）续）局域网局域网广域网广域网主机主机 H1主机主机 H2路由器路由器 R1路由器路由器 R2路由器路由器 R3电话网电话网局域网局域网主机主机 H1 向向 H2 发送数据发送数据链路层链路层应用层应用层运输层运输层网络层网络层物理层物理层链路层链路层应用层应用层运输层运输层网络层网络层物理层物理层链路层链路层网络层网络层物理层物理层链路层链路层网络层网络层物理层物理层链路层链路层网络层网络层物理层物理层R1R2R3H1H2仅从数据链路层观察帧的流动仅从数据链路层观察帧的流动93.1 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

7、 n链路链路(link)是从一个节点到相邻节点的一段物理线是从一个节点到相邻节点的一段物理线路，中间没有任何其他的交换结点。路，中间没有任何其他的交换结点。n在进行数据通信时，两个计算机之间的通路往往在进行数据通信时，两个计算机之间的通路往往是由许多的链路串接而成的。是由许多的链路串接而成的。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。10n数据链路数据链路(data link)：n 除了物理线路外，还必须有通信协议来控制这除了物理线路外，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

8、了数据链路。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现在最常用的方法是使用适配器适配器（即网卡）来实（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对于一个给定的通信链路，链路层协议的主要部对于一个给定的通信链路，链路层协议的主要部分分 在适配器中实现。一般的适配器都包括了数在适配器中实现。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。据链路层和物理层这两层的功能。11n适配器是一个电路板（或者一个适配器是一个电路板（或者一个PCMCIA卡），通常包括卡），通常包括RAM、DSP芯片、主机总线接口和链路接口。适配器通常芯片、主机总线接口和链路接口。适配器通常

9、也称为网络接口卡（也称为网络接口卡（network interface card,NIC）。）。n传输节点的网络层将网络层数据报传递到负责通信链路的传输节点的网络层将网络层数据报传递到负责通信链路的发送端的适配器。该适配器在一个帧内封装数据报，并将发送端的适配器。该适配器在一个帧内封装数据报，并将该帧传输到通信链路。在另一端，接收适配器收到整个帧，该帧传输到通信链路。在另一端，接收适配器收到整个帧，提取出网络层数据报，传递给网络层。如果链路层协议提提取出网络层数据报，传递给网络层。如果链路层协议提供差错检测，发送适配器设置差错检测比特，接收适配器供差错检测，发送适配器设置差错检测比特，接收适配

10、器完成差错检测。如果链路层协议提供可靠交付，那么可靠完成差错检测。如果链路层协议提供可靠交付，那么可靠交付的机制（例如序号、定时器、确认）完全在适配器中交付的机制（例如序号、定时器、确认）完全在适配器中实现。如果链路层协议提供随机访问，随机访问协议完全实现。如果链路层协议提供随机访问，随机访问协议完全在适配器中实现。在适配器中实现。12n早期的数据通信协议曾叫作通信规程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。因此在数据链路层，规程和协议是同义语。 n我们知道在物理层之间传送的是比特流，而在物理传输媒我们知道在物理层之间传送的是比特流，而在物

11、理传输媒体上传送的是信号（电信号或光信号），但有时为了方便体上传送的是信号（电信号或光信号），但有时为了方便我们也常说，我们也常说，“在某条链路（而没有说数据链路）上传送在某条链路（而没有说数据链路）上传送数据帧数据帧”。其实这已经隐含地假定了我们是在数据链路层。其实这已经隐含地假定了我们是在数据链路层上来观察问题。如果没有数据链路层的协议，我们在物理上来观察问题。如果没有数据链路层的协议，我们在物理层上就只能看见链路上传送的比特串，根本不能找出一个层上就只能看见链路上传送的比特串，根本不能找出一个帧的起止比特，当然更无法识别帧的结构。帧的起止比特，当然更无法识别帧的结构。 133.1.2 三

12、个基本问题三个基本问题 (1) 封装成帧封装成帧(2) 透明传输透明传输(3) 差错控制差错控制 141. 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。确定添加首部和尾部，然后就构成了一个帧。确定帧的界限。帧的界限。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。 帧结束帧结束帧首部帧首部IP 数据报数据报帧的数据部分帧的数据部分帧尾部帧尾部 MTU数据链路层的帧长数据链路层的帧长开始开始发送发送帧开始帧开始15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

13、 SOH装在帧中的数据部分装在帧中的数据部分帧帧帧开始符帧开始符帧结束符帧结束符发送在前发送在前EOT162. 透明传输透明传输SOHEOT出现了出现了“EOT”被接收端当作无效帧而丢弃被接收端当作无效帧而丢弃被接收端被接收端误认为是一个帧误认为是一个帧数据部分数据部分EOT完整的帧完整的帧发送发送在前在前17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“SOH”或或“EOT”的前面插入一个转义字符的前面插入一个转义字符“ESC”(其十六进制编码是其十六进制编码是 1B)。n字节填充字节填充(byte stuffing)或或字符

14、填充字符填充(character stuffing)接收端的数据链路层在将数据送往网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。络层之前删除插入的转义字符。n如果转义字符也出现数据当中，那么应在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。转义字符时，就删除其中前面的一个。 18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 SOHSOHEOTSOHESCESCEOTESCSOHESCESCESCSOH原始数据原始数据EOTEOT经过字节

15、填充后发送的数据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字节填充字节填充字节填充字节填充发送发送在前在前帧开始符帧开始符帧结束符帧结束符SOH193. 差错检测差错检测n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 可能会变可能会变成成 0 而而 0 也可能变成也可能变成 1。n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)。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，在计算机网络传输为了保证数据传输的

16、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。数据时，必须采用各种差错检测措施。 20循环冗余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。在发送端，先把数据划分为组。n假定每组假定每组 k 个比特。个比特。 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）。）。n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 位冗余位冗余码一起发送。一共发送码一起发送。一共发送k+n位。

17、位。 21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 运算进行运算进行 2n 乘乘 M 的运算，这相当于在的运算，这相当于在 M 后面添加后面添加 n 个个 0。n得到的得到的 (k + n) 位的数除以事先选定好的长度为位的数除以事先选定好的长度为 (n + 1) 位位的的除数除数 P，得出，得出商商是是 Q 而而余数余数是是 R，余数，余数 R 比除数比除数 P 少少1 位，即位，即 R 是是 n 位。位。n把余数把余数 R 作为作为冗余码冗余码添加在数据添加在数据 M 的后面发送出去。发的后面发送出去。发送的数据是：送的数据是：2nM + R 即：共即：共 (k + n)

18、位。位。 22n除数是发送方和接受方预先约定的一个生成多项除数是发送方和接受方预先约定的一个生成多项式式G(x)，生成多项式必须比传输信息对应的多项生成多项式必须比传输信息对应的多项式短式短。G(x)为为n阶阶(最高幂次为最高幂次为n )。23常用的循环冗余校验方法中的常用的循环冗余校验方法中的G(x)G(x)nCRC-12=x12+x11+x3+x2+x+1nCRC-16=x16+x15+x2+1nCRC-CCITT=x16+x12+x5+1nCRC-32=x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5 +x4+x2+x+124循环冗余校验方法举例循环冗余校

19、验方法举例设编码的信息码元为设编码的信息码元为1101011011，10位位 M(x) = x9 + x8 + x6 + x4 + x3 + x + 1（1）假设）假设 G(x) = x4 + x + 1 系数形成的位串为系数形成的位串为10011, G(x)最高幂次为最高幂次为r =4， 发送位数发送位数n=14（2）2r*M(x) = 11010110110000（3）11010110110000 10011 商数：商数：1100001010 余数：余数：1110（4）所发送的循环编码为：）所发送的循环编码为： F(x) = xrM(x) + R(x) = 1101011011111025

20、多项式除法计算多项式除法计算nCRC运算采用模运算采用模2运算，即运算，即“异或异或”（XOR）。n1011 XOR 0101=？n模模2加加=模模2减减n1011 +0101=1110n1011 - 0101=1110111026n模模2除法，实际上就是异或，每一位除的结果不影除法，实际上就是异或，每一位除的结果不影响其它位，即不借位。响其它位，即不借位。n模模2除法的步骤：除法的步骤： 1、用除数对被除数最高几位做模、用除数对被除数最高几位做模2减，没有借位。减，没有借位。 2、若余数最高位为、若余数最高位为1，商为，商为1，若余数最高位为，若余数最高位为0， 商为商为0。 3、一直做到余

21、数的位数小于除数，该余数就是最终、一直做到余数的位数小于除数，该余数就是最终 结果。结果。27多项式除法计算多项式除法计算11010110110000 100111 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 01 0 0 1 1被除数被除数 M(x)除数除数 G(x)1 0 0 1 111 0 0 1 111 0 0 1 11 0 1 1 00 0 0 0 11 0 0 1 1 1 0 10 00 11 0 0 1 1 1 1 1 00商数商数余数余数 R(x)28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 (1) 若得出的余数若得出的余数 R = 0，则判定这个

22、帧没有差错，就接受，则判定这个帧没有差错，就接受(accept)。(2) 若余数若余数 R 0，则判定这个帧有差错，就丢弃。，则判定这个帧有差错，就丢弃。 但这种检测方法并不能确定究竟是哪一个或哪几个比特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。出现了差错。 只要经过严格的挑选，并使用位数足够多的除数只要经过严格的挑选，并使用位数足够多的除数 P，那么，那么出现检测不到的差错的概率就很小很小。出现检测不到的差错的概率就很小很小。29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 S

23、equence)。n循环冗余检验循环冗余检验 CRC 和帧检验序列和帧检验序列 FCS并不等同。并不等同。nCRC 是一种常用的是一种常用的检错方法检错方法，而，而 FCS 是添加在数是添加在数据后面的据后面的冗余码冗余码。nFCS 可以用可以用 CRC 这种方法得出，但这种方法得出，但 CRC 并非用并非用来获得来获得 FCS 的唯一方法。的唯一方法。 30注意注意 n仅用循环冗余检验仅用循环冗余检验 CRC 差错检测技术只能做到无差错检测技术只能做到无差错差错接受接受(accept)。n“无差错接受无差错接受”是指：是指： “凡是接收端数据链路层接凡是接收端数据链路层接受的帧都没有比特差错

24、受的帧都没有比特差错”（有差错的帧就丢弃而不（有差错的帧就丢弃而不接受）。接受）。n要做到要做到“可靠传输可靠传输”（即发送什么就收到什么）就（即发送什么就收到什么）就必须再加上必须再加上确认确认和和重传重传机制。机制。 n因为还可能出现因为还可能出现帧丢失帧丢失、帧重复帧重复、帧失序帧失序。n所以，所以，“无比特差错无比特差错”并不等于并不等于“无传输差错无传输差错”。31n链路层可靠的传输是通过确认和重传来获得的。链路层可靠的传输是通过确认和重传来获得的。n链路层可靠的传输服务经常用于容易产生高差错链路层可靠的传输服务经常用于容易产生高差错率的链路，例如无线链路。其目的是本地（也就率的链路

25、，例如无线链路。其目的是本地（也就是差错发生的链路）纠正一个差错，而不是通过是差错发生的链路）纠正一个差错，而不是通过运输层或应用层协议迫使端到端的数据重传。运输层或应用层协议迫使端到端的数据重传。323.2 点对点协议点对点协议 PPP 3.2.1 PPP 协议的特点协议的特点 n以前，通信线路质量差，在数据链路层采用可靠传输协议以前，通信线路质量差，在数据链路层采用可靠传输协议HDLC。（高级数据链路控制规程）。（高级数据链路控制规程）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 Protocol

26、)。n1992 年年IETF制订了制订了 PPP 协议。经过协议。经过 1993 年和年和 1994 年的修年的修订，现在的订，现在的 PPP 协议已成为因特网的正式标准协议已成为因特网的正式标准RFC 1661。 n用户通过用户通过ISP接入因特网时，一般都是使用接入因特网时，一般都是使用 PPP 协议。协议。n1999年公布了在以太网上运行的年公布了在以太网上运行的PPP协议协议 PPPoE（PPP over Ethernet）。）。33nPPP是一个运行于点对点链路之上的链路层协议。是一个运行于点对点链路之上的链路层协议。nPPP所运行的点对点链路可能是一个串行的拨号电话所运行的点对点链

27、路可能是一个串行的拨号电话线或者是一个线或者是一个SONET/SDH链路。链路。nPPP已经成为拨号连接使家庭用户连接它们已经成为拨号连接使家庭用户连接它们ISP的所选的所选择的的协议。择的的协议。34用户到用户到 ISP 的链路使用的链路使用 PPP 协议协议 用用户户至因特网至因特网已向因特网管理机构已向因特网管理机构申请到一批申请到一批 IP 地址地址ISP接入网接入网PPP 协议协议35PPP 协议应满足的需求协议应满足的需求 n简单简单这是这是首要的要求首要的要求n封装成帧封装成帧 n透明性透明性 n差错检测差错检测( (不需要纠错、流量不需要纠错、流量控制以及序号等可靠机制控制以及

28、序号等可靠机制) ) n多种网络层协议多种网络层协议 n多种类型链路多种类型链路 n检测连接状态检测连接状态 n最大传送单元最大传送单元 n网络层地址协商网络层地址协商 n数据压缩协商数据压缩协商 n全双工全双工 36nPPP 提供同时处理提供同时处理 TCP/IP、互联网分组交换、互联网分组交换 IPX 和和 AppleTalk 的多协议的多协议 LAN 到到 WAN 连连接。它可用于双绞线、光纤线路和卫星传输链接。它可用于双绞线、光纤线路和卫星传输链路上。路上。PPP 可在可在 ATM、帧中继、帧中继、ISDN 和光纤和光纤链路上传输。在现代网络中，安全性是关键的链路上传输。在现代网络中，

29、安全性是关键的考虑因素。考虑因素。PPP 允许您使用口令验证协议允许您使用口令验证协议 (PAP) 或更有效的挑战握手验证协议或更有效的挑战握手验证协议 (CHAP)。37PPP 协议的组成协议的组成 nPPP 协议有三个组成部分：协议有三个组成部分： 成帧。在成帧。在PPP帧中封装数据、识别帧的开始和结束以帧中封装数据、识别帧的开始和结束以及检测帧中差错的方法。及检测帧中差错的方法。一个链路控制协议一个链路控制协议 LCP (Link Control Protocol)。 建立、配置、测试数据链路；并在链路上协调互连的建立、配置、测试数据链路；并在链路上协调互连的两端设备之间的每个选项的设置

30、值（如：封帧的格式，两端设备之间的每个选项的设置值（如：封帧的格式，分组的大小），还可进行链路质量管理。分组的大小），还可进行链路质量管理。一套网络控制协议一套网络控制协议 NCP (Network Control Protocol)。PPP允许同时使用多个网络层协议，对于所支持的每允许同时使用多个网络层协议，对于所支持的每一个网络层协议都有一个不同的网络控制协议一个网络层协议都有一个不同的网络控制协议（NCP），），用来建立和配置不同的网络层协议。用来建立和配置不同的网络层协议。383.2.2 PPP 协议的帧格式协议的帧格式n标志字段标志字段 F = 0 x7E （符号（符号“0 x”表示

31、后面的字符是用十六进表示后面的字符是用十六进制表示。十六进制的制表示。十六进制的 7E 的二进制表示是的二进制表示是 01111110）。）。n地址字段地址字段 A 只置为只置为 0 xFF。地址字段实际上并不起作用。地址字段实际上并不起作用。n控制字段控制字段 C 通常置为通常置为 0 x03。nPPP 是是面向字节面向字节的，所有的的，所有的 PPP 帧的长度都是帧的长度都是整数字节整数字节。IP 数据报数据报1211字节字节12不超过不超过 1500 字节字节PPP 帧帧先发送先发送7EFF03FACFCSF7E协议协议信信 息息 部部 分分首部首部尾部尾部39PPP 协议的帧格式协议的

32、帧格式nPPP帧首部的第四个字段是协议字段，它用来说明帧首部的第四个字段是协议字段，它用来说明信息字段中运载的是什么种类的分组。信息字段中运载的是什么种类的分组。为为LCP、NCP、IPX等协议定义了代码。等协议定义了代码。以比特以比特0开始的协议是诸如开始的协议是诸如IP、IPX和和AppleTalk这样的网络层协议，例如，这样的网络层协议，例如， 0 x0021表示表示表示表示IP，0 x002b表示表示IPX。以比特以比特1开始的协议被用来协商其它协议，包括开始的协议被用来协商其它协议，包括LCP以及不同的以及不同的NCP。例如，例如，0 xc021表示信息字段是表示信息字段是LCP数据

33、，数据，0 x8021表示表示IP控制协议，控制协议，0 x802b表示表示IPX控制协议。控制协议。40透明传输问题透明传输问题 n当当 PPP 用在异步传输时，使用一种特殊的用在异步传输时，使用一种特殊的字符字符填充法填充法。n当当 PPP 用在同步传输链路时，采用用在同步传输链路时，采用比特填充法比特填充法来实现透明传输问题，通常用硬件来完成。来实现透明传输问题，通常用硬件来完成。41字符填充字符填充 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 字节转变字节转变成为成为 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

34、 x7D 的字节的字节, 则将其则将其转变成为转变成为 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（即码的控制字符（即数值小于数值小于 0 x20 的字符），则在该字符前面要的字符），则在该字符前面要加入一个加入一个 0 x7D 字节，同时将该字符的编码字节，同时将该字符的编码加以改变。加以改变。 42零比特填充零比特填充 nPPP 协议用在协议用在 SONET/SDH 链路时，是使用同步链路时，是使用同步传输（一连串的比特连续传送）。这时传输（一连串的比特连续传送）。这时 PPP 协议协议采用采用零比特填充零比特填充方法来实

35、现透明传输。方法来实现透明传输。n在发送端，只要发现有在发送端，只要发现有 5 个连续个连续 1，则立即填入，则立即填入一个一个 0。n接收端对帧中的比特流进行扫描。每当发现接收端对帧中的比特流进行扫描。每当发现 5 个个连续连续1时，就把这时，就把这 5 个连续个连续 1 后的一个后的一个 0 删除。删除。430 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 00 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 00 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0信息字段中出现了和信息字段中出现了和标志字段标志字段 F 完全一样完全一样的的

36、8 比特组合比特组合发送端在发送端在 5 个连个连 1 之后之后填入填入 0 比特再发送出去比特再发送出去在接收端把在接收端把 5 个连个连 1之后的之后的 0 比特删除比特删除会被误认为是标志字段会被误认为是标志字段 F 发送端填入发送端填入 0 比特比特接收端删除填入的接收端删除填入的 0 比特比特零比特填充零比特填充44 3.2.3 PPP 协议的工作状态协议的工作状态 n当用户拨号接入当用户拨号接入 ISP 时，即，通过调制解调器呼叫路由器时，时，即，通过调制解调器呼叫路由器时，路由器对拨号做出确认，即，能够检测到调制解调器发出的路由器对拨号做出确认，即，能够检测到调制解调器发出的载波

37、信号。这样建立一条物理连接。这时载波信号。这样建立一条物理连接。这时PPP进入进入“链路建链路建立立”状态。状态。n在这个状态下，在这个状态下，PC 机向路由器发送一系列机向路由器发送一系列LCP 分组（封装分组（封装成多个成多个 PPP 帧）。帧）。n这些分组选择了将要使用的一些这些分组选择了将要使用的一些 PPP 参数。参数。n接下来进行网络层配置，接下来进行网络层配置，NCP 给新接入的给新接入的 PC机分配一个临机分配一个临时的时的 IP 地址，使地址，使 PC 机成为因特网上的一个主机。机成为因特网上的一个主机。n通信完毕时，通信完毕时，NCP 释放网络层连接，收回原来分配出去的释放

38、网络层连接，收回原来分配出去的 IP 地址。接着，地址。接着，LCP 释放数据链路层连接。最后释放的是物释放数据链路层连接。最后释放的是物理层的连接。理层的连接。45nLCP 操作操作nLCP 操作包括对链路创建、链路维护和链路切断的策略控制。操作包括对链路创建、链路维护和链路切断的策略控制。LCP 操作使用三类操作使用三类 LCP 帧来完成每个帧来完成每个 LCP 阶段的工作：阶段的工作：nLink-establishment 帧负责建立和配置链路帧负责建立和配置链路（Configure-Request、Configure-Ack、Configure-Nak 和和 Configure-Rej

39、ect）nLink-maintenance 帧负责管理和调试链路帧负责管理和调试链路（Code-Reject、Protocol-Reject、Echo-Request、Echo-Reply 和和 Discard-Request）nLink-termination 帧负责切断链路帧负责切断链路（Terminate-Request 和和 Terminate-Ack）46n链路建立过程的第一步是发起方设备向响应方发送链路建立过程的第一步是发起方设备向响应方发送 Configure-Request 帧。帧。 Configure-Request 帧包括需要在该链路上设置的各种配置选帧包括需要在该链路上设

40、置的各种配置选项。项。n响应方如果可以接受该列表，则回复响应方如果可以接受该列表，则回复 Configure-Ack 消息。消息。在收到在收到 Configure-Ack 消息后，链路建立过程便转入身份验消息后，链路建立过程便转入身份验证阶段（如果有身份验证的话）。证阶段（如果有身份验证的话）。 之后链路将交给之后链路将交给 NCP 操作。操作。n如果选项不可接受，或不可识别，则响应方会发送如果选项不可接受，或不可识别，则响应方会发送 Configure-Nak 或或 Configure-Reject 消息。消息。 这说明链路尚未建立。如果协商失败，发起方需要使用新选这说明链路尚未建立。如果协

41、商失败，发起方需要使用新选项重新启动该过程。项重新启动该过程。47n在启动链路后，在启动链路后，LCP LCP 会将控制权交给适当的会将控制权交给适当的 NCPNCP。n在在 LCP LCP 对基础链路进行配置和身份验证之后对基础链路进行配置和身份验证之后(PPP (PPP 会话的身份验证阶段是可选的。如果使用身份验证，会话的身份验证阶段是可选的。如果使用身份验证，在在 LCP LCP 建立链路并选择身份验证协议之后验证对等建立链路并选择身份验证协议之后验证对等点的身份，身份验证在网络层协议配置阶段开始之点的身份，身份验证在网络层协议配置阶段开始之前进行前进行) )将会调用相应的将会调用相应的

42、 NCP NCP 来配置要使用的网络来配置要使用的网络层协议。层协议。n在在 NCP NCP 成功配置网络层协议之后，在已建立的成功配置网络层协议之后，在已建立的 LCP LCP 链路上，网络协议将处于开启状态。此时，链路上，网络协议将处于开启状态。此时，PPP PPP 可可以传输相应的网络层协议数据包。以传输相应的网络层协议数据包。链路静止链路静止链路建立链路建立鉴别鉴别网络层协议网络层协议链路打开链路打开链路终止链路终止物理层连接建立物理层连接建立LCP 配置协商配置协商鉴别成功或无需鉴别鉴别成功或无需鉴别NCP 配置协商配置协商链路故障或链路故障或关闭请求关闭请求LCP 链路链路终止终止

43、鉴别失败鉴别失败LCP 配置配置协商失败协商失败4950nPPP 配置命令配置命令n示例示例 1：在接口上启用：在接口上启用 PPPn要将要将 PPP 设置为串行接口使用的封装方法，设置为串行接口使用的封装方法，可使用可使用 encapsulation ppp 接口配置命令。接口配置命令。n以下示例在串行接口以下示例在串行接口 0/0 上启用上启用 PPP 封装：封装：R1#configure terminalR1(config)#interface serial 0/0R1(config-if)#encapsulation ppp51n示例示例 2：压缩：压缩n在启用在启用 PPP 封装后，

44、可以在串行接口上配置点对封装后，可以在串行接口上配置点对点软件压缩。由于该选项会调用软件压缩进程，点软件压缩。由于该选项会调用软件压缩进程，因此会影响系统性能。如果流量本身是已压缩的因此会影响系统性能。如果流量本身是已压缩的文件（例如文件（例如 .zip、.tar 或或 .mpeg），则不需要使用），则不需要使用该选项。该选项。n要在要在 PPP 上配置压缩功能，可输入以下命令：上配置压缩功能，可输入以下命令：R1(config)#interface serial 0/0/0R1(config-if)#encapsulation pppR1(config-if)#compress predic

45、tor | stac 52n常用的认证协议常用的认证协议：口令鉴别协议（口令验证协议）口令鉴别协议（口令验证协议） （PAP,password authentication protocol）口令握手鉴别协议（口令握手鉴别协议（ 挑战握手验证协议）挑战握手验证协议） （CHAP,challenge-handshake authentication protocol ）。）。53nPAP 是非常基本的双向过程。未经任何加密，用是非常基本的双向过程。未经任何加密，用户名和口令以纯文本格式发送。如果通过此验证，户名和口令以纯文本格式发送。如果通过此验证，则允许连接。则允许连接。nPAP 被验证方发送

46、自己的用户名和口令到验证方，被验证方发送自己的用户名和口令到验证方，验证方根据自己的用户表查看是否有此用户，口令验证方根据自己的用户表查看是否有此用户，口令是否正确，如果正确，就给对端发送是否正确，如果正确，就给对端发送ACK报文，报文，通知对端已被允许进入下一阶段协商；否则，发送通知对端已被允许进入下一阶段协商；否则，发送NAK，通知对端验证失败。一次认证失败并不会，通知对端验证失败。一次认证失败并不会关闭链路，只有当验证失败的次数达到一定的值时，关闭链路，只有当验证失败的次数达到一定的值时，才会关闭链路。才会关闭链路。54nCHAP 比比 PAP 更安全，它通过三次握手交换共更安全，它通过

47、三次握手交换共享密钥。享密钥。n验证方主动发起验证请求，向被验证方发送一些验证方主动发起验证请求，向被验证方发送一些随机报文，并附上自己的用户名。随机报文，并附上自己的用户名。n被验证方查到用户名之后，根据报文和秘钥以及被验证方查到用户名之后，根据报文和秘钥以及MD5加密算法将报文加密，将生成的密文和自己加密算法将报文加密，将生成的密文和自己的用户名发给验证方。的用户名发给验证方。n验证方用自己保存的被验证方的密码对原来的随验证方用自己保存的被验证方的密码对原来的随机报文加密得到密文，然后比较二者的密文，根机报文加密得到密文，然后比较二者的密文，根据结果做出不同的响应。据结果做出不同的响应。5

48、5n启动启动 PAPn使用使用 ppp authentication pap 命令时，系统将命令时，系统将以一个以一个 LCP 数据包的形式发送用户名和口令，数据包的形式发送用户名和口令，而不是由服务器发送登录提示并等候响应。在而不是由服务器发送登录提示并等候响应。在 PPP 完成链路建立阶段之后，远程节点在该链完成链路建立阶段之后，远程节点在该链路上重复发送用户名路上重复发送用户名-口令对，直到发送节点口令对，直到发送节点确认该用户名确认该用户名-口令对或终止连接为止。在接口令对或终止连接为止。在接收节点，身份验证服务器将检查用户名和口令，收节点，身份验证服务器将检查用户名和口令，以决定允许

49、或拒绝连接。然后，服务器将向请以决定允许或拒绝连接。然后，服务器将向请求方返回接受或拒绝消息。求方返回接受或拒绝消息。563.3 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 局域网的数据链路层局域网的数据链路层 n局域网最主要的特点是：网络为一个单位所拥有，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。且地理范围和站点数目均有限。 n局域网具有如下的一些主要优点：局域网具有如下的一些主要优点：n具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网。局具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网。局域网上的主机可共享连接在局域网上的各种硬件和软域网上的主机可共享连接

50、在局域网上的各种硬件和软件资源。件资源。 n便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活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。调整和改变。n提高了系统的可靠性、可用性和生存性。提高了系统的可靠性、可用性和生存性。57局域网的拓扑局域网的拓扑 匹配电阻总线网集线器星形网树形网 干线耦合器环形网58媒体共享技术媒体共享技术n静态划分信道静态划分信道n频分复用频分复用n时分复用时分复用n波分复用波分复用n码分复用码分复用 n动态媒体接入控制（多点接入）动态媒体接入控制（多点接入）n受控接入受控接入 ，如令牌环局域网和多点线路探询，如令牌环局域网和多点线路探询(polling)，

51、或轮询。或轮询。n随机接入（以太网）随机接入（以太网） ：一个传输节点总是以信道全：一个传输节点总是以信道全部速率传输。部速率传输。59以太网的两个标准以太网的两个标准 nDIX Ethernet V2 。nIEEE 的的 802.3 标准。标准。nDIX Ethernet V2 标准与标准与 IEEE 的的 802.3 标准只有标准只有很小的差别，因此可以将很小的差别，因此可以将 802.3 局域网简称为局域网简称为“以以太网太网”。n严格说来，严格说来，“以太网以太网”应当是指符合应当是指符合 DIX Ethernet V2 标准的局域网。标准的局域网。60以太网协议以太网协议-发展历史发

52、展历史 1975年年:美国施乐美国施乐(Xerox)公司的公司的PaloAlto研究中心研制成功，研究中心研制成功，采用无源电缆作为总线来传送数据帧，故以传播电磁波的采用无源电缆作为总线来传送数据帧，故以传播电磁波的“以太以太(Ether)”命名。命名。1981年：美国施乐年：美国施乐(Xerox)公司公司+数字装备公司数字装备公司(Digital)+英英特尔特尔(Intel)公司联合推出以太网公司联合推出以太网(EtherNet)规约。规约。1982年：修改为第二版，年：修改为第二版，DIXEthernetV2。80年代初年代初:IEEE802委员会制定出局域网体系结构委员会制定出局域网体系

53、结构,即即IEEE802参考模型。参考模型。1983年：年：IEEE802委员会以委员会以DIXEthernetV2为基础，推出为基础，推出了了IEEE802.3。61IEEE802.3又叫做具有又叫做具有CSMA/CD(载波监听多路访问载波监听多路访问/冲突冲突检测检测)的网络。的网络。CSMA/CD是是IEEE802.3采用的媒体接入控采用的媒体接入控制技术，或称介质访问控制技术。制技术，或称介质访问控制技术。因此：因此：IEEE802.3以以“以太网以太网”为技术原形，本质特点是为技术原形，本质特点是采用采用CSMA/CD的介质访问控制技术。的介质访问控制技术。“以太网以太网”与与IEE

54、E802.3略有区别。但在忽略网络协议细节时略有区别。但在忽略网络协议细节时,人们习惯人们习惯将将IEEE802.3称为称为”以太网以太网”。62部分部分IEEE802标准系列标准系列nIEEE802.1：定义了局域网管理：定义了局域网管理 及与高层的接口及与高层的接口nIEEE802.2：定义了逻辑链路管理控制规范：定义了逻辑链路管理控制规范nIEEE802.3：以太网介质访问控制方法及底层技术规范：以太网介质访问控制方法及底层技术规范nIEEE802.4：令牌总线介质访问控制方法及底层技术规范：令牌总线介质访问控制方法及底层技术规范nIEEE802.5：令牌环介质访问控制方法及底层技术规范

55、：令牌环介质访问控制方法及底层技术规范nIEEE802.6：城域网访问方法和物理层技术规范：城域网访问方法和物理层技术规范nIEEE802.8：光纤分布式数据接口：光纤分布式数据接口(FDDI)规范规范nIEEE802.11：无线局域网介质访问控制及底层技术规范：无线局域网介质访问控制及底层技术规范nIEEE802.12：优先级高速局域网技术规范（：优先级高速局域网技术规范（100Mb/S)nIEEE802.14：电缆电视技术规范（：电缆电视技术规范（Cable-TV)nIEEE802.15: 无线个人区域网络无线个人区域网络WPAN技术规范技术规范nIEEE802.16: 无线城域网无线城域

56、网WMAN63数据链路层的两个子层数据链路层的两个子层 n为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，802 委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层：层：逻辑链路控制逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control)子层子层媒体接入控制媒体接入控制 MAC (Medium Access Control)子层。子层。n与接入到传输媒体有关的内容都放在与接入到传输媒体有关的内容都放在 MAC子层，子层，而而 LLC 子层则与传输媒体无关，不管采用何种子层则与传输媒体无关，不管采用何种协议的局域网对协

57、议的局域网对 LLC 子层来说都是透明的。子层来说都是透明的。 64以后一般不考虑以后一般不考虑 LLC 子层子层 n由于由于 TCP/IP 体系经常使用的局域网是体系经常使用的局域网是 DIX Ethernet V2 而不是而不是 802 标准中的几种局域网，因标准中的几种局域网，因此现在此现在 802 委员会制定的逻辑链路控制子层委员会制定的逻辑链路控制子层 LLC（即（即 802.2 标准）的作用已经不大了。标准）的作用已经不大了。n很多厂商生产的适配器上就仅装有很多厂商生产的适配器上就仅装有 MAC 协议而协议而没有没有 LLC 协议。协议。 652. 适配器的作用适配器的作用 n计算

58、机通过计算机通过通信适配器通信适配器(adapter)与局域网连接。与局域网连接。n网络接口板又称为或网络接口卡网络接口板又称为或网络接口卡 NIC (Network Interface Card)，或，或“网卡网卡”。 n适配器的重要功能：适配器的重要功能：进行串行进行串行/并行转换。并行转换。对数据进行缓存。对数据进行缓存。在计算机的操作系统安装设备驱动程序。在计算机的操作系统安装设备驱动程序。实现以太网协议。实现以太网协议。 66计算机通过适配器和局域网进行通信计算机通过适配器和局域网进行通信 硬件地址硬件地址至局域网至局域网适配器适配器（网卡）（网卡）串行通信串行通信CPU 和和存储器

59、存储器生成发送的数据生成发送的数据处理收到的数据处理收到的数据把帧发送到局域网把帧发送到局域网从局域网接收帧从局域网接收帧计算机计算机IP 地址地址并行并行通信通信67n最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。总线的特点是：当一台计算机发送数据时，总线上总线的特点是：当一台计算机发送数据时，总线上的所有计算机都能检测到这个数据。这就是广播通的所有计算机都能检测到这个数据。这就是广播通信方式。信方式。n但大多数情况，并不希望进行一对多的广播通信，但大多数情况，并不希望进行一对多的广播通信，而是在总线上实现一对一的通信。而是在总线上实现一对一的通

60、信。n方法是：每一台计算机的适配器都拥有一个与其他方法是：每一台计算机的适配器都拥有一个与其他适配器不同的地址，在发送数据帧时，在帧的首部适配器不同的地址，在发送数据帧时，在帧的首部写明结构方的地址。写明结构方的地址。3.3.2 CSMA/CD 协议协议 68以太网的广播方式发送以太网的广播方式发送 n总线上的每个工作的计算机都能检测到总线上的每个工作的计算机都能检测到 B 发送的数据信号。发送的数据信号。 n由于只有计算机由于只有计算机 D 的地址与数据帧首部写入的地址一致，因的地址与数据帧首部写入的地址一致，因此只有此只有 D 才接收这个数据帧。才接收这个数据帧。 n其他所有的计算机（其他