第四章 数据链路层1

1、第三章 通信子网的物理层,3.1 物理层概述 3.2 物理层比特流传输模式 串行（同步，异步），并行 3.3 通信介质 3.4 传输信道 多路复用技术 3.5 传输编码 尽量减少物理层的传输错误,多路复用种类,频分复用FDM 波分复用WDM 时分复用TDM 码分复用CDMA,基带传输中的传输码型,计算机网络,第 4 章 数据链路层,第 4 章 数据链路层,网络层的数据是怎样被封装进链路层帧的？ 沿着网络层的通讯路径，不同的链路可以采用不同的链路层协议吗？ 两种不同的链路层信道 广播信道 点对点通信,第 4 章 数据链路层,4.1 数据链路层的基本概念 4.2 数据交换技术 4.3 数据的可靠传

2、输 4.3.1校验算法 4.3.2 链路层的差错控制 4.4 数据传输的流量控制 4.5 数据的同步传输控制 4.6 数据的封装与解封装 4.7 典型链路层协议,4.1 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 4 章 数据链路层,

3、定义了链路两端的节点之间交互的分组格式，以及当发送和接受分组时这些节点采取的动作。 差错检测，重传，流量控制和随机接入。 协议：以太网，802.11无线LAN(wifi),令牌环和PPP等。 不同的链路层协议提供的服务是不同的。 很多功能硬件实现（接口卡） 较高层次的链路层功能，如网络层接收数据报，装配链路层寻址信息以及激活控制器引荐，接受时相应来自控制器的中断。,数据链路层的主要功能,(1) 链路建立与管理 PPP，广播：多路访问 (2) 帧同步（定界） (3) 流量控制 (4) 差错控制 点到点重传 (5) 将数据和控制信息区分开 (6) 透明传输 (7) 寻址,4.2 数据交换技术,通信

4、子网的重要概念交换,使用交换机,当电话机的数量增多时，就要使用交换机来完成全网的交换任务。,交换机,“交换”的含义,在这里，“交换”(switching)的含义就是转接把一条电话线转接到另一条电话线，使它们连通起来。 交换即数据在节点的进出。 连续数据通过节点的转发方式，称作数据交换技术。 三种交换方式：电路交换，报文交换，分组交换,电话系统电路交换,特点：电路交换必定是面向连接的。 电路交换的三个阶段： 建立连接 通信 释放连接,电路交换举例,A 和 B 通话经过四个交换机 通话在 A 到 B 的连接上进行,(,(,(,(,交换机,交换机,交换机,交换机,用户线,用户线,中继线,中继线,B,

5、D,C,A,电路交换举例,C 和 D 通话只经过一个本地交换机 通话在 C 到 D 的连接上进行,(,(,(,(,交换机,交换机,交换机,交换机,用户线,用户线,中继线,中继线,B,D,C,A,电路交换特点,基本没有延迟 接受方毕业应答才能通信 计算机数据具有突发性通信线路的利用率很低不适合计算机通信。,分组交换网的示意图,H1,A,分组交换网,B,D,E,C,H5,H6,H4,H2,H3,H1 向 H5 发送分组,H2 向 H6 发送分组,注意分组路径的变化！,结点交换机,主机,注意分组的存储转发过程,H1,A,分组交换网,B,D,E,C,H5,H6,H4,H2,H3,H1 向 H5 发送分

6、组,结点交换机,主机,在结点交换机 A 暂存 查找转发表 找到转发的端口,在结点交换机 C 暂存 查找转发表 找到转发的端口,在结点交换机 E 暂存 查找转发表 找到转发的端口,最后到达目的主机 H5,分组交换的优点,高效 动态分配传输带宽，对通信链路是逐段占用。 灵活 以分组为传送单位和查找路由。 迅速 不必先建立连接就能向其他主机发送分组；充分使用链路的带宽。 可靠 完善的网络协议；自适应的路由选择协议使网络有很好的生存性。,分组交换带来的问题,分组在各结点存储转发时需要排队，这就会造成一定的时延。 分组必须携带的首部（里面有必不可少的控制信息）也造成了一定的开销。,报文交换早期的存储转发

7、,在 20 世纪 40 年代，电报通信也采用了基于存储转发原理的报文交换(message switching)。 报文交换的时延较长，从几分钟到几小时不等。 节点的缓冲容量，线路占用，线路故障等。现在报文交换已经很少有人使用了。,三种交换的比较,A B C D,A B C D,A B C D,报文交换,电路交换,分组交换,t,4.3 数据的可靠传输,虽然物理层在传输比特时会出现差错，但由于数据链路层采用了有效的检错重传机制，数据链路层对上面的网络层就可以提供可靠传输的服务。 处理方式 校验技术与校验算法 硬件实现,4.3 数据的可靠传输,1.奇偶校验 奇校验 0111000110101011

8、1 偶校验 行奇偶校验 块奇偶校验（二维奇偶校验）,2.汉明码（海明码）,纠错码 在数据中间加入几个校验码，码距均匀拉大，将数据的每个二进制位分配在几个奇偶校验组里，当某一位出错，会引起几个校验位的值发生变化。 利用在信息位为k位，增加r位冗余位，构成一个n=k+r位的码字，可以区分无错和在码字中的n个不同位置的一位错。,2.汉明码（海明码）,它必需满足以下关系式： 2r k+r+1 校验码个数为K，2的K次方个信息，1个信息用来指出“没有错误”，其余（2K)-1个指出错误发生在那一位，但也可能是校验位错误，故有N=(2K)-1-K能被校验。,2.汉明码（海明码）,海明码的编码规则： 1.每个

9、校验位Ri被分配在海明码的第2的i次方的位置上（1,2,4,8,16），剩下的位（3,5,6,7,9,）用数据位填充 2.每一个校验位都迫使某一组位（包括它自己）的奇偶值为偶数（奇数）。一个位可能包含在几次奇偶值计算中。 将位置k上的数据位展开成2的幂次方的和，如：11=1+2+8,29=1+4+8+16对哪些校验位有影响。,例:4个数据位d0,d1,d2,d3, 3个校验位r0,r1,r2，对应的位置为： d3 d2 d1 r2 d0 r1 r0=b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 校验位的取值，就是他所能校验的数据位组的奇（偶）校验值 b1：b3,b5,b7，b2：b3,b6,b7

10、，b4：b5,b6,b7 校验方程，如采用偶校验 G1=b1 b3 b5 b7的异或 G2=b2 b3 b6 b7的异或 G3=b4 b5 b6 b7的异或 若G1G2G3为001是第一位错 ,若为011是第三位错,3. 循环冗余检验,检错码 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。,冗余码的计算,用二进制的模 2 运算进行 2n 乘 M 的运算，这相当于在 M 后面添加 n 个 0。 得到的 (k + n) bit 的数除以事先选定好的

11、长度为 (n + 1) bit 的数 P，得出商是 Q 而余数是 R，余数 R 比除数 P 至少要少1 个比特。,冗余码的计算举例,M = 1010001101（共k bit）。 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。,1101010110 Q 商 除数 P 110101 101000110100000 2nM 被除数 110101 111011 110101 111010 110101 1

12、11110 110101 101100 110101 110010 110101 01110 R 余数,循环冗余检验的原理说明,帧检验序列 FCS,在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列 FCS (Frame Check Sequence)。 循环冗余检验 CRC 和帧检验序列 FCS并不等同。 CRC 是一种常用的检错方法，而 FCS 是添加在数据后面的冗余码。 FCS 可以用 CRC 这种方法得出，但 CRC 并非用来获得 FCS 的惟一方法。,检测出差错,只要得出的余数 R 不为 0，就表示检测到了差错。 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。 一旦检测出差错，就丢弃这个出现差错的帧。 只要经过严格的挑选，并使用位数足够多的除数 P，那么出现检测不到的