计算机网络-CH3-数据链路层(V08)

1、计算机网络主讲：主讲：朱毅朱毅第第3 3章章数据链路层数据链路层本章基本内容：本章基本内容：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2. 数据链路层协议数据链路层协议3. 点对点协议点对点协议 PPP4. 使用广播信道的数据链路层使用广播信道的数据链路层5. 使用广播信道的以太网使用广播信道的以太网6. 扩展的以太网扩展的以太网7. 高速以太网高速以太网基本要求：基本要求：掌握帧同步的方法；掌握帧同步的方法；掌握差错控制技术（原理、掌握差错控制技术（原理、CRCCRC编码等）；编码等）；掌握数据链路层基本协议（停等协议、连续掌握数据链路层基本协议（停等协议、连续ARQARQ协

2、协议，选择重传协议）；议，选择重传协议）；掌握流量控制方法（滑动窗口机制）；掌握流量控制方法（滑动窗口机制）；掌握以太网的工作原理、掌握以太网的工作原理、CSMA/CDCSMA/CD、MACMAC子层和子层和MACMAC地址等概念和技术；地址等概念和技术；充分了解充分了解PPPPPP协议；协议；充分了解网络扩展技术（扩展或互连设备、充分了解网络扩展技术（扩展或互连设备、VLANVLAN、冲突域等）冲突域等）了解高速局域网技术；了解高速局域网技术；了解信道共享技术。了解信道共享技术。数据链路层使用的信道主要有：数据链路层使用的信道主要有：点对点信道点对点信道 使用一对一的点对点通信方式。使用一对

3、一的点对点通信方式。广播信道广播信道 使用一对多的广播通信方式。使用一对多的广播通信方式。 广播信道上连接的主机很多，因此必须使用专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。用的共享信道协议来协调这些主机的数据发送。 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电话网局域网观察主机观察主机 H1 向向 H2 发送数据的情况发送数据的情况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数

4、据需要在路径中数据需要在路径中的各结点的协议栈的各结点的协议栈向上和向下流动向上和向下流动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本节基本内容：本节基本内容：链路和数据链路的概念、特点和区别；链路和数据链路的概念、特点和区别；帧和数据帧的传输帧和数据帧的传输帧同步的方法（透明传输）帧同步的方法（透明传输）差错控制（差错控制（CRC检错原理和计算方法）检错原理和计算方法）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链路链路(l

5、ink)是一条无源的点到点的物理线段，中间没有是一条无源的点到点的物理线段，中间没有任何其他的交换结点（任何其他的交换结点（物理的物理的）。）。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。数据链路数据链路(data link) 除了物理线路外，还必须有通信协除了物理线路外，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（和软件加到链路上，就构成了数据链路（逻辑的逻辑的）。）。常用网卡来实现这些协议的硬件和软件。一般的网卡都包常用网卡来实现这些协议的硬件和软件。一般的网卡都包

6、括了数据链路层和物理层这两层的功能。括了数据链路层和物理层这两层的功能。 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数据链路层的传送单位数据链路层的传送单位: 帧帧(Frame)主要步骤：主要步骤： 结点结点A A的数据链路层将网络层交下来的的数据链路层将网络层交下来的IPIP数据报分别加首部和尾部封装成帧；数据报分别加首部和尾部封装成帧； 结点结点A A将帧送给结点将帧送给结点B B； 若结点若结点B B的数据链路层收的帧无差错，则从帧中提取的数据链路层收的帧无差错，则从帧中提取IPIP数据报上交网络层；否数据报上交网络层；否 则丢弃该帧则丢弃该帧IP 数据报1010 01

7、10帧取出数据链路层网络层链路结点 A结点 B物理层IP 数据报1010 0110帧装入虚通信虚通信数据传送过程数据传送过程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3.1.2 要解决的基本问题要解决的基本问题 包括包括: : 封装成帧封装成帧 帧同步（帧同步（透明传输）透明传输） 差错控制差错控制 流量控制流量控制 链路管理链路管理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1、封装成帧、封装成帧 封装成帧封装成帧(framing)：在一段数据的前后分别添加首部和尾部，：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。目的是确定帧的界限。然后就构成了

8、一个帧。目的是确定帧的界限。 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 帧长帧长= =数据长度首部和尾部长度；数据长度首部和尾部长度； 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； 首部和尾部还包含控制信息；首部和尾部还包含控制信息； 链路层协议要规定帧的数据部分的长度上限链路层协议要规定帧的数据部分的长度上限最大传送单元最大传送单元MTUMTU 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2 2、帧同步、帧同步 帧同步方法帧同步方法: : （1 1）字节计数法字节计数法( (字符计数法字符计数法) )

9、原理：原理：用一特殊的字符表示一帧的开始，用一个字段标明本帧用一特殊的字符表示一帧的开始，用一个字段标明本帧 内字节数。内字节数。 面向字节计数的同步规程使用此方法，典型代表是面向字节计数的同步规程使用此方法，典型代表是DECDEC公司的公司的 数字数据通信报文数字数据通信报文DDCMPDDCMP，其格式其格式为：为： 缺点：缺点：计数字段一旦出错，将无法再同步计数字段一旦出错，将无法再同步SOH CountFlagAddrAck Seq.CRC1CRC2Data814288816813106416bit3.1 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（2 2）使用字符（字节）填充

10、的首尾定界符法）使用字符（字节）填充的首尾定界符法 原理：原理：以特定的字符序列以特定的字符序列定界一帧的开始和结束。为防止数据定界一帧的开始和结束。为防止数据 中的特殊字符被误判，在其前面填充转义字符（中的特殊字符被误判，在其前面填充转义字符（ESCESC）。 面向字符填充的同步规程使用此方法，例如面向字符填充的同步规程使用此方法，例如ISO1745ISO1745、BSCBSC。 缺点：缺点：依赖于字符集，不通用，也无法扩展依赖于字符集，不通用，也无法扩展帧首帧首同步字符同步字符帧尾帧尾数据数据传输帧传输帧填充字符填充字符SYN SYNSOHAESCEOTB.EOT3.1 使用点对点信道的数

11、据链路层使用点对点信道的数据链路层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l 透明传输透明传输 传输的数据中任何传输的数据中任何8 8比特组合不允许和用作帧同步的控比特组合不允许和用作帧同步的控制字符的比特编码一样，否则会定界错误。制字符的比特编码一样，否则会定界错误。帧中数据是文本文件，不会出现。帧中数据是文本文件，不会出现。帧中数据是非帧中数据是非ASCIIASCII码的文件时，码的文件时，可能出现。可能出现。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l 解决透明传输问题解决透明传输问题发送端的处理方法：发送

12、端的处理方法：发送的数据中出现发送的数据中出现 “SOH”或或“EOT”时，前面时，前面插入插入一个转义字符一个转义字符“ESC”。若转义字符若转义字符“ESC”也出现数据当中，则在转义也出现数据当中，则在转义字符前面插入一个转义字符。字符前面插入一个转义字符。接收端的处理方法：接收端的处理方法：接收端的数据链路层在将数据接收端的数据链路层在将数据送往网络层之前送往网络层之前删除删除插入的转义字符。插入的转义字符。当接收端收到连续的两个转义字符时，就删除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。其中前面的一个。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SOHSO

13、HEOTSOHESCESCEOTESCSOHESCESCESCSOH原始数据EOTEOT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l 解决透明传输的问题举例解决透明传输的问题举例 SOH发送端装配数据发送端装配数据时的情形时的情形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 3）使用比特填充的首尾标记方法）使用比特填充的首尾标记方法 原理原理 ：以特定的以特定的比特模式（比特模式（0111111001111110）定界一帧的开始和结束。）定界一帧的开始和结束。为防止数据中出现同样的比特而发生误判，使用比特填充，为防止数据中出现同样的比特

14、而发生误判，使用比特填充，即数即数据中出现连续据中出现连续5 5个或个或5 5个以上的个以上的“1”1”，则在第，则在第5 5个个“1”1”的后面添的后面添加一个加一个“0”0”。 帧首帧首01111110帧尾帧尾数据数据填充位填充位 01111110011111 110011111 01.0111110110011111001.原数据原数据比特填充演示比特填充演示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（4 4）物理层编码违例法）物理层编码违例法 当当物理物理层采用特定的比特编码是可使用此方法层采用特定的比特编码是可使用此方法。例如曼彻斯特编码中。例如曼彻斯特编码中。 优

15、点：优点：无需填充无需填充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 (1) (1) 传输差错的特性传输差错的特性噪声种类及影响噪声种类及影响 差错是由噪声引起的。噪声分差错是由噪声引起的。噪声分热噪声热噪声和和冲击噪声冲击噪声。 热噪声：热噪声：是信道固有的持续存在的随机噪声。由此引起的是信道固有的持续存在的随机噪声。由此引起的 差错称为随机错。差错称为随机错。 冲击噪声：冲击噪声：由于外界特定的短暂原因引起。其幅度可以相当由于外界特定的短暂原因引起。其幅度可以相当 大，不可能靠提高信号幅度来避免其造成的差错。大，不可能靠提高信号幅度来避免其造成的差错。 冲击噪声造成的传输

16、差错是主要的。冲击噪声造成的传输差错是主要的。 突发错误突发错误: :由冲击噪声引起的差错呈突发状，称为突发错误由冲击噪声引起的差错呈突发状，称为突发错误 突发长度突发长度: :从突发错误发生的第一个码元到有错的最后一个从突发错误发生的第一个码元到有错的最后一个 码元间所有码元的个数。码元间所有码元的个数。3、差错控制、差错控制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（2 2）差错控制的方法）差错控制的方法 差错控制编码分为差错控制编码分为: :检错码和纠错码检错码和纠错码 检错码检错码: : 能够自动发现错误的编码。能够自动发现错误的编码。 纠错码纠错码: : 不仅能检测

17、出差错而且能自动纠正错误的编码不仅能检测出差错而且能自动纠正错误的编码 进行差错控制的方式分为：进行差错控制的方式分为： 自动请求重传（自动请求重传（ARQAutomatic Request for Repeat) 前向纠错前向纠错( (FECForward Error Correction) ) 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 3）编码效率）编码效率R R 码字中信息位所占的比例称为编码效率。码字中信息位所占的比例称为编码效率。 设码字中信息位有设码字中信息位有 k k 位位, ,冗余位为冗余位为 r r 位位, , 则则码字长为码字长为 n = k+r n

18、 = k+r 位。编码效率位。编码效率 R R 为为: : R= =R= = 显然显然,R,R越大越大, ,即编码效率越高即编码效率越高, ,则信道中用来传则信道中用来传 送信息码元的有效利用率就越高。送信息码元的有效利用率就越高。k kn nk kk+rk+r3.1 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（4 4）循环冗余码）循环冗余码( CRC-Cyclic Redundancy Code) CRCCRC是检错码，又称多项式码。是检错码，又称多项式码。因为二进制代码可以和因为二进制代码可以和一个只含有一个只含有0 0和和1 1两个系数的多项式建立一一对应关系。两个系数的多项式

19、建立一一对应关系。 例如：代码：例如：代码：1011011 1011011 多项式：多项式：X X6 6+X+X4 4+X+X3 3+X+1+X+1 CRCCRC校验的原理校验的原理 假设假设:k:k位要发送的信息位位要发送的信息位 (k-1)(k-1)次多项式次多项式K(x)K(x) r r位冗余位位冗余位(CRC(CRC码码) (R-1) (R-1)次多项式次多项式R(x)R(x) k k位信息位位信息位 + r+ r位冗余位组成的位冗余位组成的n=k+rn=k+r位码字位码字 (n-1)(n-1)次多项式次多项式 T(x)T(x)=x=xr rK K(x)+R(x)(x)+R(x) 生成

20、多项式为生成多项式为P(x)(x)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 CRC CRC码校验过程码校验过程 发送端发送端: : 生成冗余位生成冗余位 x xr rK K(x)/P(x)(x)/P(x)余式余式R(X)R(X) P(x)P(x)去除去除x xr rK K(x)(x)得到余式得到余式R(X)R(X)，对应的代码为冗余位对应的代码为冗余位 装配成传送码字装配成传送码字, ,并送入信道并送入信道 ； 信息位信息位 + + 冗余位冗余位 = = 传送码字，即传送码字，即 T(x)T(x)=x=xr rK K(x)+R(x)(x)+R(x)3.1 使用点对点信道的数

21、据链路层使用点对点信道的数据链路层l接收端接收端: : 用同一生成多项式用同一生成多项式P(x)P(x)去除接收到的码去除接收到的码字多项式字多项式T T (x)(x)。 若余式不为零若余式不为零, ,则传输有错则传输有错; ; 若余式为零若余式为零, ,则可则可认为认为传送无差错传送无差错注意：注意：所有运算均是模所有运算均是模2 2运算，实际为异或运算，实际为异或()()运算。运算。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举例举例 若若 信息位信息位:1010001K(x)=x:1010001K(x)=x6 6+x+x4 4+1+1 取取 r=4r=4，生成多项式生成多

22、项式:P(x)=x:P(x)=x4 4+x+x2 2+x+1 +x+1 代码代码1011110111 则：则：x x4 4K(x)=xK(x)=x1010+x+x8 8+x+x4 4 1010001 101000100000000 用用P(x)P(x)去除去除x x4 4K(x)K(x)得余式得余式R(x)R(x)。 过程如右过程如右。 最后的余数最后的余数11011101就是冗余位就是冗余位. 传送码字传送码字:1010001:101000111011101接收端接收端: 若无差错若无差错:10100011101/10111 :10100011101/10111 余数为零余数为零 若有差错若

23、有差错:10100011:1010001101011/10111 1/10111 余数余数=110=110零零 1 0 0 1 1 1 11 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 13.1 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说明：说明： (1) (1) 标准生成多项式标准生成多项式P(x)P(x) CRC-16 = X16 + X15 + X2 + 1 CRC-CC

24、ITT = X16 + X12 + X5 + 1 CRC-32= X32+X26+X23+X22+X16+X12+X11+X10+X8+X7+X5 +X4+X2+X+1 (2) (2) 适当选取适当选取P(x)P(x)，例如，使其含有例如，使其含有(x+1)(x+1)因子，常数因子，常数 项不为项不为0 0等，可以使漏检率极低。等，可以使漏检率极低。 例如：例如：r=16r=16，则能检测出所有双错、奇数位错、突发则能检测出所有双错、奇数位错、突发 长度小于等于长度小于等于1616的突发错，的突发错，99.997%99.997%的突发长度为的突发长度为1717 的突发错，的突发错，99.998

25、%99.998%突发长度大于等于突发长度大于等于1818的突发错。的突发错。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）帧检验序列）帧检验序列 FCS 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)。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并不并不等同。等同。 CRC 是一种常用的是一种常用的检错方法检错方法，而，而 FCS 是添加在是添加在数据后面的数据后面的冗余码冗余码。 FCS 可以用可以用 CRC 方法得出，也可以用其它方法方法得出，也可以用其它方法得出。

26、得出。 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本节基本内容及要求：本节基本内容及要求： 停止等待协议停止等待协议 连续连续ARQ协议协议 选择重传选择重传ARQ协议协议重点：重点：工作原理、算法工作原理、算法 、滑动窗口机制滑动窗口机制3.2 数据链路层协议数据链路层协议一、理想模型一、理想模型1 1 理想化的数据传输模型理想化的数据传输模型 假定：假定：(1)(1)链路是可靠的；链路是可靠的； (2)(2)不管发方以多快的速率发送数据，收方总来得及接不管发方以多快的速率发送数据，收方总来得及接 收，并及时上交主机。收，并及时上交主机。 在此理想化条件下，数据链路层在此理

27、想化条件下，数据链路层 不需要任何协议，就能保证数据不需要任何协议，就能保证数据 正确传输。如图正确传输。如图a。从从主主机机取取数数据据上上交交主主机机DATA1DATA4DATA3DATA2结点结点A结点结点Ba a 理想信道理想信道t3.2 数据链路层协议数据链路层协议2 2 具有最简单流量控制的数据链路层协议具有最简单流量控制的数据链路层协议 取消假定取消假定2 2，为使接收缓存在任何情况下都不会溢出，需要简，为使接收缓存在任何情况下都不会溢出，需要简 单的流量控制。单的流量控制。如图如图b。由接收方控制发送方的数据流量，由接收方控制发送方的数据流量，是计算机网络中流量控制的一个是计算

28、机网络中流量控制的一个基本方法。基本方法。从从主主机机取取数数据据上上交交主主机机DATA1DATA2结点结点A结点结点BACKACKb b 具有简单流量控制具有简单流量控制的数据链路层协议的数据链路层协议t3.2 数据链路层协议数据链路层协议二、实用的停等协议二、实用的停等协议( (Stop-and-Wait) 1. 1.协议规定协议规定 发送方每发送一帧后发送方每发送一帧后, ,停下来等待接收方送回已正确接收的确认停下来等待接收方送回已正确接收的确认后后, ,再继续发送下一帧。再继续发送下一帧。 正常情况，图正常情况，图(a)(a)。 对有噪声信道，接收数据对有噪声信道，接收数据 可能出错

29、。可能出错。解决办法：解决办法：出错重传。图出错重传。图(b)(b)。 停等协议工作情况停等协议工作情况送送送送ABACKACK主主机机机机主主时时间间(a)(a)正常情况正常情况A送送BNAKACK主主机机出出错错重重发发(b)(b)数据帧出错数据帧出错Data 0Data 1Data 0Data 03.2 数据链路层协议数据链路层协议l带来的问题：带来的问题： 1 1）死锁）死锁 解决：解决：超时定时器超时定时器 2 2）重复帧）重复帧 解决：解决：给帧编号给帧编号 停等协议工作情况停等协议工作情况(c(c）数据帧丢失数据帧丢失 (d) (d) 应答帧丢失应答帧丢失ACK主机丢丢失失tou

30、t重发送送机主不ABBA送ACK主机丢丢失失tout重重发发时时间间Data 0Data 0Data 0Data 03.2 数据链路层协议数据链路层协议 2.2.协议分析协议分析 停等协议的缺点停等协议的缺点: :造成信道资源浪费造成信道资源浪费( (有效利用率低有效利用率低) )分析分析:设设: :信道传输率为信道传输率为B(bps), , 帧长度为帧长度为L(bits), , 信号的往返传播延迟时间为信号的往返传播延迟时间为2R, , ACK ACK帧很短帧很短, ,不占用信道时间不占用信道时间 则则, ,信道的实际有效利用率信道的实际有效利用率U U = = = =L/BL/B2R+LL

31、2RB+3.2 数据链路层协议数据链路层协议 例如：某卫星信道容量例如：某卫星信道容量B=50kbpsB=50kbps，传播延迟传播延迟2R=0.5S2R=0.5S，设设 L = 1000 bitL = 1000 bit 则则 U=1000/(1000+25000)4%U=1000/(1000+25000)4% 可见实际有效利用率太低了。可见实际有效利用率太低了。结论：结论： 对传播延迟时间长的高速信道则很不利。即：对传播延对传播延迟时间长的高速信道则很不利。即：对传播延迟大迟大, ,而数据传送率高的信道而数据传送率高的信道, ,用停等协议不适用。用停等协议不适用。3.2 数据链路层协议数据链

32、路层协议三、连续三、连续ARQ协议协议引子：引子：某卫星信道容量某卫星信道容量B=50kbps，传播，传播延迟延迟2R=0.5S，设，设L = 1000 bit发送时延：发送时延：1000 bit/50kbps=0.02s而等待时间而等待时间 2R=0.5s中可发送中可发送0.5/0.02=25提供一个思路：提供一个思路：不等确认，连续发不等确认，连续发送若干帧。送若干帧。3.2 数据链路层协议数据链路层协议1 1、工作原理、工作原理 连续连续ARQARQ协议的要点协议的要点: :发送完一个数据帧后发送完一个数据帧后, ,不等确认帧不等确认帧, ,而是再而是再发送若干数据帧。若此时收到了接收端

33、发来的确认发送若干数据帧。若此时收到了接收端发来的确认, ,则还可以继续则还可以继续再发。再发。 由于减少了等待时间，整个通信的吞吐量就提高了。由于减少了等待时间，整个通信的吞吐量就提高了。 3.2 数据链路层协议数据链路层协议 连续连续ARQARQ的问题的问题 当未被确认的数据帧的数目太多时，只要有一帧出了当未被确认的数据帧的数目太多时，只要有一帧出了差错，就有很多的帧需要重传，这必然浪费很多时间。差错，就有很多的帧需要重传，这必然浪费很多时间。 故故:连续连续ARQARQ又又称为：称为：Go-Back-N ARQ(Go-Back-N ARQ(回退回退N N协议）协议） 为了对所发送的大量数

34、据帧进行编号，每个数据帧的为了对所发送的大量数据帧进行编号，每个数据帧的发送序号也要占用较多的比特数，这样又增加了一些不发送序号也要占用较多的比特数，这样又增加了一些不必要的开销。必要的开销。3.2 数据链路层协议数据链路层协议2、滑动窗口机制、滑动窗口机制 引入滑动窗口机制是为了实现流量控制。引入滑动窗口机制是为了实现流量控制。工作原理如下工作原理如下: : 发送端发送端: 在发送端口设定发送窗口在发送端口设定发送窗口, ,对发送端进行流量控制。对发送端进行流量控制。 发送窗口的大小发送窗口的大小WT表示在没有收到对方确认信息的表示在没有收到对方确认信息的 情况下情况下, ,发送端最多可以发

35、送多少个数据帧。发送端最多可以发送多少个数据帧。接收端接收端: 接收端设置接收窗口。接收窗口的序号表示准备接接收端设置接收窗口。接收窗口的序号表示准备接收的数据帧。收的数据帧。 连续连续ARQARQ协议中协议中, ,接收窗口的大小接收窗口的大小 WR = 1 = 13.2 数据链路层协议数据链路层协议发送窗口：允许发送的帧发送窗口：允许发送的帧n顺序接收来自网络层的顺序接收来自网络层的分组分组n最多保存最多保存n n个待确认的个待确认的帧帧n窗口达到最大值窗口达到最大值n n时强时强制关闭网络层制关闭网络层接收窗口：希望接收的帧接收窗口：希望接收的帧n对进入窗口的帧顺序提对进入窗口的帧顺序提交

36、网络层，产生确认交网络层，产生确认 滑动窗口滑动窗口3.2 数据链路层协议数据链路层协议 只有在接收窗口向前移动时只有在接收窗口向前移动时, ,发送窗口才有可能向前移发送窗口才有可能向前移动。动。正因为收发两端的窗口按照以上规律不断向前滑动，正因为收发两端的窗口按照以上规律不断向前滑动，所以这种协议称为滑动窗口协议。所以这种协议称为滑动窗口协议。 当当WT = = WR =1 =1时时, ,对应的协议为对应的协议为停等协议停等协议。发送窗口的最大值发送窗口的最大值 当用当用n (bit) 进行编号时进行编号时, ,若接收窗口的大小为若接收窗口的大小为1,1,则只则只有在发送窗口大小有在发送窗口

37、大小WT2n-1时时, ,连续连续ARQARQ协议才能正确运协议才能正确运行。行。 为什么？为什么？3.2 数据链路层协议数据链路层协议四、选择重传四、选择重传ARQARQ协议协议 原则：原则：只重传出错或定时器超时的数据帧只重传出错或定时器超时的数据帧 方法：方法：WR 1 1，暂存接受窗口中序号在出错帧之后的数据帧暂存接受窗口中序号在出错帧之后的数据帧Data1senderreceiver出错出错Data2Data3ACK 3Data4Data5ACK 5Data6Data7Data8NACK 6ACK 9Data9Data6Data10只重传帧只重传帧63.2 数据链路层协议数据链路层协

38、议优点优点：避免重传已正确传送的帧，提高了信道避免重传已正确传送的帧，提高了信道利用率利用率缺点缺点：在接收端需要占用一定容量的缓存在接收端需要占用一定容量的缓存接收窗口的最接收窗口的最大大值值：WR WT WR 2n -13.2 数据链路层协议数据链路层协议基本内容：基本内容：PPP协议的特点协议的特点PPP协议的组成协议的组成PPP协议的帧格式协议的帧格式PPP协议的工作过程协议的工作过程要求：要求： 了解了解PPP协议协议3.3 点对点协议点对点协议 PPP链路层协议基本情况链路层协议基本情况 分类分类 对应异步传输方式和同步传输方式有：对应异步传输方式和同步传输方式有： 异步通信规程异

39、步通信规程和和同步通信规程同步通信规程。 异步通信规程异步通信规程同步通信规程同步通信规程面向比特的同步规程面向比特的同步规程(HDLC(HDLC、SDLCSDLC等等) )串串 行行通信规程通信规程面向字符的同步规程面向字符的同步规程(BSC(BSC等等) )面向字节计数的同步规程面向字节计数的同步规程(DDCMP(DDCMP等等) )3.3 点对点协议点对点协议 PPP1） PPP 协议的特点协议的特点 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点对点协议协议 PPP (Point-to-Point Protocol)。 用户使用拨号电话线接入因特网

40、时，一般都是使用用户使用拨号电话线接入因特网时，一般都是使用 PPP 协议。协议。 用户线用户线3.3 点对点协议点对点协议 PPPPPP 协议应满足的要求协议应满足的要求 简单简单 (这是这是首要的要求首要的要求)封装成帧封装成帧透明性透明性 支持多种网络层协议支持多种网络层协议 支持多种类型链路支持多种类型链路 差错检测差错检测 检测连接状态检测连接状态 最大传送单元最大传送单元 网络层地址协商网络层地址协商数据压缩协商数据压缩协商3.3 点对点协议点对点协议 PPPPPP 协议的组成协议的组成 1992 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

41、，现在的年的修订，现在的 PPP 协议已成协议已成为因特网的正式标准为因特网的正式标准RFC 1661。 3.3 点对点协议点对点协议 PPPPPP的的三个组成部分：三个组成部分：(1) (1) 一个将一个将IPIP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。PPPPPP既既 支持异步链路支持异步链路 ( (无奇偶校验的无奇偶校验的8 8比特数据比特数据) )，也支，也支 持同步链路。持同步链路。(2) (2) 一个用来建立、配置和测试数据链路连接的一个用来建立、配置和测试数据链路连接的链路链路 控制协议控制协议LCP (Link Control Protocol)，通信的，通信的

42、 双方可协商一些选项。双方可协商一些选项。(3) (3) 一套一套网络控制协议网络控制协议 NCP (Network Control Protocol)，支持不同的网络层协议，如支持不同的网络层协议，如IPIP，OSIOSI 的网络层，的网络层，DECnetDECnet ，以及，以及 AppleTalkAppleTalk等。等。3.3 点对点协议点对点协议 PPP说明：说明：LCP（链路控制协议）：链路控制协议）：用于建立用于建立/拆除数拆除数据链路连接、测试连接质量、协商参数据链路连接、测试连接质量、协商参数.NCP（网络控制协议）：网络控制协议）：用于协商网络层用于协商网络层选项，如动态分

43、配选项，如动态分配IP地址地址3.3 点对点协议点对点协议 PPPPPP 有一个有一个 2 字节的协议字段。字节的协议字段。l当协议字段为 0 x0021 时，PPP 帧的信息字段就是IP 数据报。l若为 0 xC021，则信息字段是 PPP的LCP数据。l若为 0 x8021，则表示这是NCP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2） PPP 协议的帧格式协议的帧格式3.3 点对点协议点对点协议 PPPl 标志字段标志字段 F = 0 x7E （二进制（二进制01111110）。）。l 地址字段地址字

44、段 A 为为 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。l 控制字段控制字段 C 通常置为通常置为 0 x03。（不变）。（不变） PPP 是面向字节的，所有的是面向字节的，所有的 PPP 帧的长度都是整数帧的长度都是整数字节。字节。 3.3 点对点协议点对点协议 PPP解决透明传输问题解决透明传输问题 PPP适用于：适用于：同步传输同步传输和和异步传输异步传输用在同步传输（用在同步传输（SONET/SDH 链路）时：采用链路）时：采用零零比特填充方法比特填充方法（硬件实现）（硬件实现）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填充法字符填充法。 3

45、.3 点对点协议点对点协议 PPPn 字符填充规则字符填充规则 将信息字段中每一个将信息字段中每一个 0 x7E 字节转变成为字节转变成为 2 字节字节序列序列(0 x7D, 0 x5E)。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, 则将其转变则将其转变成为成为 2 字节序列字节序列(0 x7D, 0 x5D)。若信息字段中出现若信息字段中出现 ASCII 码的控制字符（即数值码的控制字符（即数值小于小于 0 x20 的字符），则在该字符前面要加入一的字符），则在该字符前面要加入一个个 0 x7D 字节，同时将该字符的编码加以改变。字节，同时将该字符的编码加以改变。

46、3.3 点对点协议点对点协议 PPP 3） PPP 协议的工作状态协议的工作状态 l当用户拨号接入当用户拨号接入 ISP 时，路由器的调制解调器对拨号做时，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。出确认，并建立一条物理连接。lPC 机向路由器发送一系列的机向路由器发送一系列的 LCP 分组（封装成多个分组（封装成多个 PPP 帧）。帧）。( (最大帧长、鉴别协议（最大帧长、鉴别协议（PAPPAP、CHAPCHAP）等）等) )l这些分组及其响应选择一些这些分组及其响应选择一些 PPP 参数，并进行网络层配参数，并进行网络层配置，置，NCP 给新接入的给新接入的 PC机分配一个临时

47、的机分配一个临时的 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。l通信完毕时，通信完毕时，NCP 释放网络层连接，收回原来分配出去释放网络层连接，收回原来分配出去的的 IP 地址。接着，地址。接着，LCP 释放数据链路层连接。最后释放释放数据链路层连接。最后释放的是物理层的连接。的是物理层的连接。 3.3 点对点协议点对点协议 PPP设备之间无链路链路静止链路建立鉴别网络层协议链路打开链路终止物理链路LCP 链路已鉴别的 LCP 链路已鉴别的 LCP 链路和 NCP 链路物理层连接建立LCP 配置协商鉴别成功或无需鉴别NCP 配置协商链路故障或关闭请求LC

48、P 链路终止鉴别失败LCP 配置协商失败3.3 点对点协议点对点协议 PPP基本内容：基本内容：局域网的定义；局域网的定义；局域网技术三要素；局域网技术三要素；局域网体系结构和标准；局域网体系结构和标准；以太网标准；以太网标准；CSMA/CD及相关知识及相关知识 3.4 使用广播信道的数据链路层使用广播信道的数据链路层3.4.1 局域网的数据链路层局域网的数据链路层一、局域网的定义和特点一、局域网的定义和特点 1 1 定义定义 IEEEIEEE局部网络委员会对局域网有如下定义：局部网络委员会对局域网有如下定义： “ “局部地区网络在下列方面与其它类型的数局部地区网络在下列方面与其它类型的数据网

49、络不同，其通信常被限制在中等规模的地理据网络不同，其通信常被限制在中等规模的地理区域内，例如一座办公楼、一个仓库或一所学校区域内，例如一座办公楼、一个仓库或一所学校，能够依靠具有中等到较高数据率的物理信道，能够依靠具有中等到较高数据率的物理信道，并且这种信道具有始终一致的低误码率并且这种信道具有始终一致的低误码率”。3.4 使用广播信道的数据链路层使用广播信道的数据链路层2 LAN的特点的特点 覆盖范围小覆盖范围小房间、建筑物、园区范围房间、建筑物、园区范围 距离距离25km25km 高传输速率高传输速率10Mbps10Mbps1000Mbps1000Mbps 低误码率低误码率1010-8-8

50、 1010-11-11 采用总线、星形、环形拓扑采用总线、星形、环形拓扑 双绞线、同轴电缆、光纤双绞线、同轴电缆、光纤 为一个单位所拥有，自行建为一个单位所拥有，自行建设，不对外提供服务设，不对外提供服务hubhubhubSwitchServerfarmstationstationsstations3.4 使用广播信道的数据链路层使用广播信道的数据链路层二、局域网技术二、局域网技术 局域网技术主要包括：局域网技术主要包括：拓扑结构、传输介质和介质拓扑结构、传输介质和介质 访问控制方式（访问控制方式（技术三要素技术三要素）l拓扑结构：拓扑结构：总线型、星型、环型、树型总线型、星型、环型、树型l传

51、输介质：传输介质：光纤、双绞线、同轴电缆、红外线等光纤、双绞线、同轴电缆、红外线等l介质访问控制方式：介质访问控制方式：按协议实现信道共享方式按协议实现信道共享方式: : CSMA/CD CSMA/CD、Token-RingToken-Ring、Token-BusToken-Bus等等3.4 使用广播信道的数据链路层使用广播信道的数据链路层局域网的拓扑结构局域网的拓扑结构 匹配电阻交换机或交换机或集线器集线器干线耦合器总线网星形网树形网 环形网现在常用现在常用Token-RingCSMA/CD 或或Token-Bus3.4 使用广播信道的数据链路层使用广播信道的数据链路层三、局域网体系结构与标

52、准三、局域网体系结构与标准 国际公认的国际公认的LAN标准是标准是IEEE802系列标准系列标准 按按IEEE802标准，局域网体系结构由标准，局域网体系结构由物理层、介质访问控制子物理层、介质访问控制子层层MAC(Media Access Control)和和逻辑链路控制子层逻辑链路控制子层LLC(Logical Link Control)组成。组成。 网络层网络层数据链路层数据链路层物理层物理层逻辑链路控制逻辑链路控制 LLC媒体访问控制媒体访问控制 MAC高层高层 OSI IEEE 802物理层物理层PHY由由NOS来实现来实现3.4 使用广播信道的数据链路层使用广播信道的数据链路层数据

53、链路层数据链路层按功能划分为两个子层：按功能划分为两个子层：LLC和和MAC功能分解的目的：功能分解的目的： 将功能中与硬件相关的部分和与硬件无关的部分分将功能中与硬件相关的部分和与硬件无关的部分分开开，降低实，降低实现的复杂度。现的复杂度。 局域网特点：共享信道局域网特点：共享信道( (如总线如总线) )。需要解决介质访问控制。需要解决介质访问控制(MAC)(MAC)问题。分层可以使帧的传输独立于介质和问题。分层可以使帧的传输独立于介质和MACMAC方法。方法。 LLC： 与介质、拓扑无关；与介质、拓扑无关； MAC：与介质、拓扑相关。与介质、拓扑相关。对于同一个对于同一个LLC，可以提供多

54、个可以提供多个MAC选择选择3.4 使用广播信道的数据链路层使用广播信道的数据链路层 IEEE802体系结构示意图体系结构示意图802.10 802.10 安全与加密安全与加密802.1 802.1 局域网概述、体系结构、网络互连与网络管理局域网概述、体系结构、网络互连与网络管理802.2 802.2 逻辑链路控制逻辑链路控制 LLCLLC802.3802.3CSMA/CDCSMA/CD物理层物理层802.4802.4令牌令牌总线总线物理层物理层802.5802.5令牌环令牌环物理层物理层802.6802.6城域网城域网物理层物理层802.9802.9语音数语音数据综合据综合局域网局域网802

55、.11802.11无线无线局域网局域网802.12802.12100VG-100VG-AnyLANAnyLAN802.7 802.7 宽带技术宽带技术802.8 802.8 光纤技术光纤技术数据数据链路层链路层物理层物理层3.4 使用广播信道的数据链路层使用广播信道的数据链路层所以，以后一般不考虑所以，以后一般不考虑 LLC 子层子层 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 802.3 标准中的标准中的几种局域网，因此现在几种局域网，因此现在 802 委员会制定的委员会制定的逻辑链路控制子层逻辑链路控制子层 LLC（即

56、（即 802.2 标准标准）的作用已经不大了。）的作用已经不大了。 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 协议而没有协议而没有 LLC 协议。协议。u 说明说明3.4 使用广播信道的数据链路层使用广播信道的数据链路层 IEEE802IEEE802 标准的主要成员标准的主要成员IEEE802.1 局域网概述、体系结构、网络管理和网络互联局域网概述、体系结构、网络管理和网络互联IEEE802.2 - - 逻辑链路控制逻辑链路控制LLC LLC IEEE802.3 - - CSMA/CDCSMA/CD访问方法和物理层规范，访问方法和物理层规范，主要包括：主要包括：IE

57、EE802.3 CSMA/CD CSMA/CD介质访问控制标准和物理层规范：定义了介质访问控制标准和物理层规范：定义了 四种不同介质四种不同介质10Mbps10Mbps以太网规范以太网规范 ：10BASE210BASE2、 10BASE510BASE5、10BASE-T10BASE-T、10BASE-F10BASE-F IEEE802.3u 100Mbps 100Mbps快速以太网标准，现已合并到快速以太网标准，现已合并到802.3802.3中中 IEEE802.3z 光纤介质千兆以太网标准规范光纤介质千兆以太网标准规范 IEEE802.3ab 传输距离为传输距离为100100米的米的5 5类

58、无屏蔽双绞线介质千兆类无屏蔽双绞线介质千兆 以太网标准规范以太网标准规范3.4 使用广播信道的数据链路层使用广播信道的数据链路层IEEE802.4-Token BUS（令牌总线）访问方法和物理层规范令牌总线）访问方法和物理层规范IEEE802.5-Token Ring（令牌环）访问方法和物理层规范令牌环）访问方法和物理层规范IEEE802.6-城域网访问方法和物理层规范城域网访问方法和物理层规范IEEE802.11-无线局域网访问方法和物理层规范无线局域网访问方法和物理层规范IEEE802.12-100VG-AnyLAN100VG-AnyLAN快速局域网访问方法和物理层规范快速局域网访问方法和

59、物理层规范3.4 使用广播信道的数据链路层使用广播信道的数据链路层四、以太网的标准和适配器四、以太网的标准和适配器 1 1 标准标准 DIX Ethernet V2 和和 IEEE 802.3l70年代中期由年代中期由Xerox Palo Alto Research Center (Bob Metcalfe) 提出，数据率为提出，数据率为2.94M，称为称为Ethernet（以太以太网）。网）。l经经DEC, Intel 和和 Xerox公司改进为公司改进为10M标准标准(DIX 标准标准) 。DIX Ethernet V2 （1982年）是世界上第一个局域网产品年）是世界上第一个局域网产品（

60、以太网）的规约。（以太网）的规约。l1983年年IEEE802委员会制定了委员会制定了IEEE 802.3。使用使用CAMA/CD协议，支持多种传输媒体。协议，支持多种传输媒体。3.4 使用广播信道的数据链路层使用广播信道的数据链路层lEthernet是指是指基带总线基带总线LAN，曼彻斯特编码。，曼彻斯特编码。lDIX Ethernet V2 和和 IEEE 802.3的的帧格式不同。帧格式不同。l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 。lDIX Ethernet V2 标准与标准与 IEEE 的的 802.3