Ch数据链路层实用

会计学1Ch数据链路层实用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：011111100011101010001101010101010111010101111110结点结点帧帧帧第1页/共94页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2页/共94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3页/共94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4页/共94页3.1帧定界3.1.1带字符填充帧定界法二进制同步通信协议BISYNC3.1.2带比特填充帧定界法HDLC第5页/共94页带字符填充帧定界法DLEDataLinkEscapeSTXStartofTeXtETXEndofTeXt第6页/共94页带比特填充帧定界法----零比特填充法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，以还原成原来的比特流。01111110第7页/共94页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01001111110001010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010011111010001010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010011111010001010第8页/共94页3.2检错编码*3.2.1CRC3.2.2校验和第9页/共94页3.2.1CRC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kbit）。我们在M的后面再添加供差错检测用的nbit冗余码一起发送。MCRC第10页/共94页

1101010110

←

Q

商

除数

P→

110101101000110100000

←

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11页/共94页设

n=5,P=110101，模2运算的结果是：商Q=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12页/共94页3.2.2校验和IP/ICMP/IGMP/TCP/UDP等协议的校验和算法都是相同的，算法如下：

在发送数据时，为了计算IP数据包的校验和。应该按如下步骤：

（1）把IP数据包的校验和字段置为0；

（2）把首部看成以16位为单位的数字组成，依次进行二进制反码求和；

（3）把得到的结果存入校验和字段中。

第13页/共94页

在接收数据时，计算数据包的校验和相对简单，按如下步骤：

（1）把首部看成以16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；

（2）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，校验和就是错误的，协议栈要抛弃这个数据包。第14页/共94页

校验和实例第15页/共94页3.3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，Frame的可靠传输是通过“确认”和“超时重传”机制来实现的

采用“确认”和“超时重传”机制来实现的协议称为自动重发请求（ARQ,automaticrepeatrequest）协议——差错控制、流量控制第16页/共94页3.3.1停－等协议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1接收缓冲区111D1第17页/共94页停－等协议4种不同的情况第18页/共94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19页/共94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，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20页/共94页3.3.2后退N帧协议GBN,Go-Back-Nprotocol发送缓冲区2n>1接收缓冲区=111D12…n第21页/共94页发送方看到的序号第22页/共94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23页/共94页01234567012发送窗口WT不允许发送这些帧允许发送5个帧(a)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24页/共94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。

第25页/共94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26页/共94页举例第27页/共94页3.3.3选择重传协议选择重传协议（SR,SelectiveRepeat）发送缓冲区2n-1>1接收缓冲区2n-1>111D12…n2…nDn…第28页/共94页发送方和接收方看到的序号第29页/共94页举例第30页/共94页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31页/共94页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32页/共94页1974年，IBM公司推出了面向比特的规程SDLC(SynchronousDataLinkControl)。后来ISO把SDLC修改后称为HDLC(High-levelDataLinkControl)，译为高级数据链路控制，作为国际标准ISO3309。CCITT则将HDLC再修改后称为链路接入规程LAP(LinkAccessProcedure)。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)。*3.4HDLC协议第33页/共94页HDLC产生及变种SDLCIBM同步数据链路控制ADCCPANSI美国国家标准化协会高级数据通信控制HDLCISOLAPCCITT国际电报电话咨询委员会链路访问过程LAPBLAPDLLCPPPX.25ISDN局域网InternetITU国际电联第34页/共94页3.4.1HDLC帧格式标志字段F(Flag)为6个连续1加上两边各一个0共8bit。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35页/共94页其他字段地址字段A

是8bit。可以表示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36页/共94页3.4.2HDLC帧控制字段控制字段C

共8bit，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（InformationFrame）监控帧S（SupervisorFrame）无编号帧U（UnnumberedFrame）

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94页信息帧控制字段格式发送序号应答序号（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38页/共94页监控帧控制字段格式第5位为轮询/终止位，当为1时，表示接收方确认结束。10第39页/共94页无编号帧控制字段格式无编号帧，提供对链路的建立、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40页/共94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1000~2000bits帧检验序列FCS字段共16bit。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41页/共94页HDLC基本工作模式站点类型主站\从站\混合站(primary\secondary\combined)系统配置模型非平衡\对称\平衡

unbalanced\symmetrical\balanced通信模式一般响应模式\异步响应模式\异步平衡模式

NRM(Normalresponsemode) ARM(Asynchronousresponsemode) ABM(Asynchronousbalancedmode)第42页/共94页HDLCUnbalanced（固定主从站）NRM(NormalResponseMode)主站点名，从站响应ARM(AsynchronousResponseM)一般：主站点名，从站响应特殊紧急：从站主动发送（仍是响应）主站从站commandresponseresponse第43页/共94页HDLCSymmetrical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44页/共94页HDLCBalanced（都可做主从站）HDLCABM(AsynchronousBalancedM)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/responsecommand/responsecombinedstationcombinedstation第45页/共94页*3.5PPP协议3.5.1PPP组成3.5.2PPP帧格式3.5.3PPP链路建立3.5.4PPP认证3.5.4PPP应用第46页/共94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-PointProtocol)。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

RFC1661/1662/1663第47页/共94页LANLANPSTNRRLANRLANLANRRX.25LANLANRRInternetRouter第48页/共94页背景分散的网络之间的互联大量主机连接InternetLANLANPSTNRRPSTNARInternetAccessRouter拨号访问服务器RAS环境特点：点到点信道线路质量较差需要用户身份认证第49页/共94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50页/共94页点到点通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51页/共94页3.5.1PPP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52页/共94页PPP的帧格式和HDLC的相似。标志字段F仍为0x7E（符号“0x”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

0xFF。地址字段实际上并不起作用。控制字段C通常置为0x03。PPP是面向字节的，所有的PPP

帧的长度都是整数字节。第53页/共94页3.5.2PPP帧格式PPP有一个2个字节的协议字段。当协议字段为0x0021时，PPP帧的信息字段就是IP数据报。若为0xC021,则信息字段是PPP链路控制数据。若为0x8021，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54页/共94页不同类型的载荷0x0021——载荷字段是IP数据报0xC021——载荷字段是链路控制协议LCP报文0x8021——载荷字段是网络控制协议NCP报文0xC023——载荷字段是安全性认证PAP0xC025——载荷字段是链路质量报告LQR报文0xC223——载荷字段是安全性认证CHAP第55页/共94页3.5.3PPP链路建立(1)(2)(3)第56页/共94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57页/共94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58页/共94页PPP的工作流程IP一个IP分组需要传输触发PPP层启动连接过程LCPLCP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IP地址IPCPIPCP要IP地址IP地址PAP或CHAP协议完成用户身份认证用户名,口令正确当以上过程都成功完成后，IP分组封装在PPP帧中传输到对方PPP注意：IP－无连接协议使用提供面向连接服务的PPP的过程第59页/共94页3.5.4PPP认证口令认证协议PAP（PasswordAuthenticationProtocol）两次握手口令明码传送挑战握手认证协议CHAP（Challenge-HandshakeAuthenticationProtocol）三次握手口令不传送，用户名加密传送第60页/共94页PAP口令认证口令在网络上传输CHAP挑战式握手认证客户服务器用户名,口令正确1、服务器分配一个挑战号用户名,口令2、客户按照实现预定的方法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及客户的结果，判断用户是否合法口令不在网络上传输，随机分配的挑战号，防止黑客猜测口令挑战号计算结果正确计算比较第61页/共94页3.6交换交换（switching）的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62页/共94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（NarrowbandISDN）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63页/共94页3.6.2分组交换分组交换（packetswitching）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64页/共94页电路交换、报文交换和分组交换第65页/共94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66页/共94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67页/共94页提供数据报服务的特点H1H5H2H4H3ACDBH6E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68页/共94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69页/共94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70页/共94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况将一些分组丢弃第71页/共94页实例第72页/共94页交换机2的转发表第73页/共94页3.7.2虚电路虚电路VC（VirtualCircuit）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74页/共94页三个过程建立虚电路PVC（PermanentVirtualCircuit）SVC（SwitchedVirtualCircuit）信令协议数据传输删除虚电路第75页/共94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76页/共94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77页/共94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78页/共94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(QualityofService)有较好的保证。第79页/共94页实例第80页/共94页交换机虚电路表第81页/共94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TCP）来保证。

第82页/共94页数据报服务和虚电路服务

优缺点的归纳对比的方面虚电路服务数据报服务思路可靠通信应当可靠通信应当

由网络来保证由用户主机来保证连接的建立必须有不要目的站地址仅在连接建立阶段每个分组都有使用，每个分组使目的站的全地址用短的虚电路号第83页/共94页数据报服务和虚电路服务

优缺点的归纳对比的方面虚电路服务数据报服务分组的转发属于同一条虚电路每个分组独立选择