計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)--CH4 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信道的數(shù)據(jù)鏈路層

第4章點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信道的數(shù)據(jù)鏈路層,第4章點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信道的數(shù)據(jù)鏈路層,4.1數(shù)據(jù)鏈路層的基本概念4.1.1數(shù)據(jù)鏈路層的簡(jiǎn)單模型4.1.2鏈路和數(shù)據(jù)鏈路4.2三個(gè)基本問(wèn)題4.2.1幀定界4.2.2透明傳輸4.2.3差錯(cuò)檢測(cè)4.3點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議PPP4.3.1PPP協(xié)議的特點(diǎn)4.3.2PPP協(xié)議的幀格式4.3.3PPP協(xié)議的工作狀態(tài)4.4HDLC協(xié)議(略),數(shù)據(jù)鏈路層,數(shù)據(jù)鏈路層使用的信道主要有以下兩種類型：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信道這種信道使用一對(duì)一的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式。廣播信道這種信道使用一對(duì)多的廣播通信方式，因此過(guò)程較復(fù)雜。廣播信道上連接的主機(jī)很多，因此必須使用專用的共享信道協(xié)議來(lái)協(xié)調(diào)這些主機(jī)的數(shù)據(jù)發(fā)。,4.1數(shù)據(jù)鏈路層的基本概念4.1.1數(shù)據(jù)鏈路層的簡(jiǎn)單模型,局域網(wǎng),廣域網(wǎng),主機(jī)H1,主機(jī)H2,路由器R1,路由器R2,路由器R3,電話網(wǎng),局域網(wǎng),主機(jī)H1向H2發(fā)送數(shù)據(jù),從層次上來(lái)看數(shù)據(jù)的流動(dòng),數(shù)據(jù)鏈路層的簡(jiǎn)單模型(續(xù)）,局域網(wǎng),廣域網(wǎng),主機(jī)H1,主機(jī)H2,路由器R1,路由器R2,路由器R3,電話網(wǎng),局域網(wǎng),主機(jī)H1向H2發(fā)送數(shù)據(jù),鏈路層,應(yīng)用層,運(yùn)輸層,網(wǎng)絡(luò)層,物理層,鏈路層,應(yīng)用層,運(yùn)輸層,網(wǎng)絡(luò)層,物理層,鏈路層,網(wǎng)絡(luò)層,物理層,鏈路層,網(wǎng)絡(luò)層,物理層,鏈路層,網(wǎng)絡(luò)層,物理層,R1,R2,R3,H1,H2,僅從數(shù)據(jù)鏈路層觀察幀的流動(dòng),這就是對(duì)等層通信,IP數(shù)據(jù)報(bào),10100110,幀,取出,數(shù)據(jù)鏈路層,網(wǎng)絡(luò)層,鏈路,結(jié)點(diǎn)A,結(jié)點(diǎn)B,物理層,數(shù)據(jù)鏈路層,結(jié)點(diǎn)A,結(jié)點(diǎn)B,(a),(b),發(fā)送,接收,鏈路,IP數(shù)據(jù)報(bào),10100110,幀,裝入,數(shù)據(jù)鏈路層傳送的是幀,僅從數(shù)據(jù)鏈路層觀察幀的流動(dòng),封裝過(guò)程,拆封裝過(guò)程,數(shù)據(jù)鏈路層像個(gè)數(shù)字管道,常常在兩個(gè)對(duì)等的數(shù)據(jù)鏈路層之間畫出一個(gè)數(shù)字管道，而在這條數(shù)字管道上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單位是幀。早期的數(shù)據(jù)通信協(xié)議曾叫作通信規(guī)程(procedure)。因此在數(shù)據(jù)鏈路層，規(guī)程和協(xié)議是同義語(yǔ)。,4.1.2鏈路和數(shù)據(jù)鏈路,鏈路(link)是一條無(wú)源的點(diǎn)到點(diǎn)的物理線路段，中間沒(méi)有任何其他的交換結(jié)點(diǎn)。一條鏈路只是一條通路的一個(gè)組成部分。數(shù)據(jù)鏈路(datalink)除了物理線路外，還必須有通信協(xié)議來(lái)控制這些數(shù)據(jù)的傳輸，這就是我們常說(shuō)的邏輯鏈路。若把實(shí)現(xiàn)這些協(xié)議的硬件和軟件加到鏈路上，就構(gòu)成了數(shù)據(jù)鏈路?，F(xiàn)在最常用的方法是使用適配器（即網(wǎng)卡）來(lái)實(shí)現(xiàn)這些協(xié)議的硬件和軟件。一般的適配器都包括了數(shù)據(jù)鏈路層和物理層這兩層的功能。,4.2三個(gè)基本問(wèn)題,幀定界就是確定幀的界限（邊界）。透明傳輸網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜機(jī)制對(duì)于端用戶來(lái)說(shuō)也是看不見(jiàn)的，因而是透明的。也就是用戶不必關(guān)心傳輸過(guò)程的處理機(jī)制。差錯(cuò)控制就是控制差錯(cuò)。通信過(guò)程中的差錯(cuò)大致可分為兩類：一類是由熱噪聲引起的隨機(jī)錯(cuò)誤；另一類是由沖擊噪聲引起的突發(fā)錯(cuò)誤。突發(fā)性錯(cuò)誤影晌局部，而隨機(jī)性錯(cuò)誤影響全局。,導(dǎo)致差錯(cuò)的原因是？,4.2.1幀定界,幀定界(framing)就是確定幀的界限。,幀結(jié)束,幀首部,IP數(shù)據(jù)報(bào),幀的數(shù)據(jù)部分,幀尾部,MTU,數(shù)據(jù)鏈路層的幀長(zhǎng),從這里開始發(fā)送,幀開始,用控制字符進(jìn)行幀定界的方法舉例,SOH,裝在幀中的數(shù)據(jù)部分,幀,幀開始符,幀結(jié)束符,發(fā)送在前,EOT,4.2.2透明傳輸,SOH,EOT,出現(xiàn)了“EOT”,被接收端當(dāng)作無(wú)效幀而丟棄,被接收端誤認(rèn)為是一個(gè)幀,數(shù)據(jù)部分,EOT,完整的幀,發(fā)送在前,解決透明傳輸問(wèn)題,發(fā)送端的數(shù)據(jù)鏈路層在數(shù)據(jù)中出現(xiàn)控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入一個(gè)轉(zhuǎn)義字符“ESC”(其十六進(jìn)制編碼是1B)。字節(jié)填充(bytestuffing)或字符填充(characterstuffing)接收端的數(shù)據(jù)鏈路層在將數(shù)據(jù)送往網(wǎng)絡(luò)層之前刪除插入的轉(zhuǎn)義字符。如果轉(zhuǎn)義字符也出現(xiàn)數(shù)據(jù)當(dāng)中，那么應(yīng)在轉(zhuǎn)義字符前面插入一個(gè)轉(zhuǎn)義字符。當(dāng)接收端收到連續(xù)的兩個(gè)轉(zhuǎn)義字符時(shí)，就刪除其中前面的一個(gè)。,SOH,SOH,ESC,SOH,EOT,ESC,ESC,z,ESC,y,ESC,z,ESC,x,原始數(shù)據(jù),EOT,EOT,經(jīng)過(guò)字節(jié)填充后發(fā)送的數(shù)據(jù),字節(jié)填充,字節(jié)填充,字節(jié)填充,字節(jié)填充,發(fā)送在前,幀開始符,幀結(jié)束符,用字節(jié)填充法解決透明傳輸?shù)膯?wèn)題,3.差錯(cuò)檢測(cè),比特在傳輸過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生差錯(cuò)：1可能會(huì)變成0而0也可能變成1。在一段時(shí)間內(nèi)，傳輸錯(cuò)誤的碼元/比特占所傳輸碼元/比特總數(shù)的比率稱為誤碼率/誤比特率。誤碼率與信噪比有很大的關(guān)系。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，在?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，必須采用各種差錯(cuò)檢測(cè)措施。,循環(huán)冗余檢驗(yàn)的原理,在數(shù)據(jù)鏈路層傳送的幀中，廣泛使用了循環(huán)冗余檢驗(yàn)CRC(CyclicRedundancyCheck)的檢錯(cuò)技術(shù)。在發(fā)送端，先把數(shù)據(jù)劃分為組。假定每組k位。假設(shè)待傳送的一組數(shù)據(jù)M=101001（現(xiàn)在k=6）。我們?cè)贛的后面再添加供差錯(cuò)檢測(cè)用的n位冗余碼一起發(fā)送。,冗余碼的計(jì)算,用二進(jìn)制的模2運(yùn)算進(jìn)行2n乘M的運(yùn)算，這相當(dāng)于在M后面添加n個(gè)0。得到的(k+n)位的數(shù)除以事先選定好的長(zhǎng)度為(n+1)位的除數(shù)P，得出商是Q而余數(shù)是R，余數(shù)R比除數(shù)P少1位（n位）。這個(gè)P，有的書稱之為生成多項(xiàng)式。,冗余碼的計(jì)算舉例,現(xiàn)在k=6,M=101001。設(shè)n=3,除數(shù)P=1101，被除數(shù)是2nM=101001000。模2運(yùn)算的結(jié)果是：商Q=110101，余數(shù)R=001。把余數(shù)R作為冗余碼添加在數(shù)據(jù)M的后面發(fā)送出去。發(fā)送的數(shù)據(jù)是：2nM+R即：101001001，共(k+n)位。,110101Q(商)P(除數(shù))11011010010002nM(被除數(shù))11011110110101110000111011010110000011001101001R(余數(shù))，作為FCS,循環(huán)冗余檢驗(yàn)的原理說(shuō)明,幀檢驗(yàn)序列FCS,在數(shù)據(jù)后面添加上的冗余碼稱為幀檢驗(yàn)序列FCS(FrameCheckSequence)。循環(huán)冗余檢驗(yàn)CRC和幀檢驗(yàn)序列FCS并不等同。CRC是一種常用的檢錯(cuò)方法，而FCS是添加在數(shù)據(jù)后面的冗余碼。FCS可以用CRC這種方法得出，但CRC并非用來(lái)獲得FCS的唯一方法。,接收端對(duì)收到的每一幀進(jìn)行CRC檢驗(yàn),若得出的余數(shù)R=0，則判定這個(gè)幀沒(méi)有差錯(cuò)，就接受(accept)。若余數(shù)R0，則判定這個(gè)幀有差錯(cuò)，就丟棄。但這種檢測(cè)方法并不能確定究竟是哪一個(gè)或哪幾個(gè)比特出現(xiàn)了差錯(cuò)。只要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的挑選，并使用位數(shù)足夠多的除數(shù)P，那么出現(xiàn)檢測(cè)不到的差錯(cuò)的概率就很小很小。,應(yīng)當(dāng)注意,僅用循環(huán)冗余檢驗(yàn)CRC差錯(cuò)檢測(cè)技術(shù)只能做到無(wú)差錯(cuò)接受?！盁o(wú)差錯(cuò)接受”是指：“凡是接受的幀（即不包括丟棄的幀），我們都能以非常接近于1的概率，認(rèn)為這些幀在傳輸過(guò)程中沒(méi)有產(chǎn)生差錯(cuò)”。也就是說(shuō)：“凡是接收端數(shù)據(jù)鏈路層接受的幀都沒(méi)有傳輸差錯(cuò)”（有差錯(cuò)的幀就丟棄而不接受）。要做到“可靠傳輸”（即發(fā)送什么就收到什么）就必須再加上確認(rèn)和重傳機(jī)制。,4.3點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議PPP4.3.1點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議的特點(diǎn),現(xiàn)在全世界使用得最多的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議PPP(Point-to-PointProtocol)。用戶使用撥號(hào)電話線接入因特網(wǎng)時(shí)，一般都是使用PPP協(xié)議。,用戶到ISP的鏈路使用PPP協(xié)議,用戶,至因特網(wǎng),已向因特網(wǎng)管理機(jī)構(gòu)申請(qǐng)到一批IP地址,ISP,接入網(wǎng),PPP協(xié)議,1.PPP協(xié)議應(yīng)滿足的需求,簡(jiǎn)單封裝成幀透明性多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議多種類型鏈路差錯(cuò)檢測(cè)檢測(cè)活躍度（即檢測(cè)連接狀態(tài)）最大傳送單元網(wǎng)絡(luò)層地址協(xié)商數(shù)據(jù)壓縮協(xié)商,2.PPP協(xié)議不需要的功能,糾錯(cuò)流量控制序號(hào)多點(diǎn)線路半雙工或單工鏈路,3.PPP協(xié)議的組成,1992年制訂了PPP協(xié)議。經(jīng)過(guò)1993年和1994年的修訂，現(xiàn)在的PPP協(xié)議已成為因特網(wǎng)的正式標(biāo)準(zhǔn)RFC1661。PPP協(xié)議有三個(gè)組成部分一個(gè)將IP數(shù)據(jù)報(bào)封裝到串行鏈路的方法。鏈路控制協(xié)議LCP(LinkControlProtocol)。網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議NCP(NetworkControlProtocol)。,4.3.2PPP協(xié)議的幀格式,標(biāo)志字段F=0 x7E（符號(hào)“0 x”表示后面的字符是用十六進(jìn)制表示。十六進(jìn)制的7E的二進(jìn)制表示是01111110）。地址字段A只置為0 xFF，地址字段實(shí)際上并不起作用?？刂谱侄蜟通常置為0 x03。PPP是面向字節(jié)的，所有PPP幀長(zhǎng)度都是整數(shù)字節(jié)。,PPP協(xié)議的幀格式,PPP有一個(gè)2個(gè)字節(jié)的協(xié)議字段。當(dāng)協(xié)議字段為0 x0021時(shí)，PPP幀的信息字段就是IP數(shù)據(jù)報(bào)。若為0 xC021,則信息字段是PPP鏈路控制數(shù)據(jù)。若為0 x8021，則表示這是網(wǎng)絡(luò)控制數(shù)據(jù)。,IP數(shù)據(jù)報(bào),1,2,1,1,字節(jié),1,2,不超過(guò)1500字節(jié),PPP幀,先發(fā)送,7E,FF,03,F,A,C,FCS,F,7E,協(xié)議,信息部分,首部,尾部,透明傳輸問(wèn)題,當(dāng)PPP用在同步傳輸鏈路時(shí)，協(xié)議規(guī)定采用硬件來(lái)完成比特填充（和HDLC的做法一樣）。當(dāng)PPP用在異步傳輸時(shí)，就使用一種特殊的字符填充法。,字符填充,將信息字段中出現(xiàn)的每一個(gè)0 x7E字節(jié)轉(zhuǎn)變成為2字節(jié)序列(0 x7D,0 x5E)。若信息字段中出現(xiàn)一個(gè)0 x7D的字節(jié),則將其轉(zhuǎn)變成為2字節(jié)序列(0 x7D,0 x5D)。若信息字段中出現(xiàn)ASCII碼的控制字符（即數(shù)值小于0 x20的字符），則在該字符前面要加入一個(gè)0 x7D字節(jié)，同時(shí)將該字符的編碼加以改變。,零比特填充,PPP協(xié)議用在SONET/SDH鏈路時(shí)，是使用同步傳輸（一連串的比特連續(xù)傳送）。這時(shí)PPP協(xié)議采用零比特填充方法來(lái)實(shí)現(xiàn)透明傳輸。在發(fā)送端，只要發(fā)現(xiàn)有5個(gè)連續(xù)1，則立即填入一個(gè)0。接收端對(duì)幀中的比特流進(jìn)行掃描。每當(dāng)發(fā)現(xiàn)5個(gè)連續(xù)1時(shí)，就把這5個(gè)連續(xù)1后的一個(gè)0刪除。,010011111010001010,01001111110001010,010011111010001010,信息字段中出現(xiàn)了和標(biāo)志字段F完全一樣的8比特組合,發(fā)送端在5個(gè)連1之后填入0比特再發(fā)送出去,在接收端把5個(gè)連1之后的0比特刪除,會(huì)被誤認(rèn)為是標(biāo)志字段F,發(fā)送端填入0比特,接收端刪除填入的0比特,零比特填充,不提供使用序號(hào)和確認(rèn)的可靠傳輸,PPP協(xié)議之所以不使用序號(hào)和確認(rèn)機(jī)制是出于以下的考慮：在數(shù)據(jù)鏈路層出現(xiàn)差錯(cuò)的概率不大時(shí)，使用比較簡(jiǎn)單的PPP協(xié)議較為合理。在因特網(wǎng)環(huán)境下，PPP的信息字段放入的數(shù)據(jù)是IP數(shù)據(jù)報(bào)。數(shù)據(jù)鏈路層的可靠傳輸并不能夠保證網(wǎng)絡(luò)層的傳輸也是可靠的。幀檢驗(yàn)序列FCS字段可保證無(wú)差錯(cuò)接受。,4.3.3PPP協(xié)議的工作狀態(tài),當(dāng)用戶撥號(hào)接入ISP時(shí)，路由器的調(diào)制解調(diào)器對(duì)撥號(hào)做出確認(rèn)，并建立一條物理連接。PC機(jī)向路由器發(fā)送一系列的LCP分組（封裝成多個(gè)PPP幀）。這些分組及其響應(yīng)選擇一些PPP參數(shù)，和進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)層配置，NCP給新接入的PC機(jī)分配一個(gè)臨時(shí)的IP地址，使PC機(jī)成為因特網(wǎng)上的一個(gè)主機(jī)。通信完畢時(shí)，NCP釋放網(wǎng)絡(luò)層連接，收回原來(lái)分配出去的IP地址。接著，LCP釋放數(shù)據(jù)鏈路層連接。最后釋放的是物理層的連接。,PPP協(xié)議的狀態(tài)圖,建立,失敗,失敗,NCP配置,鑒別成功,通信結(jié)束,載波停止,檢測(cè)到載波,雙方協(xié)商一些選項(xiàng),鑒別,網(wǎng)絡(luò),打開,終止,靜止,4.4HDLC協(xié)議（略）,1974年，IBM公司推出了面向比特的規(guī)程SDLC(SynchronousDataLinkControl)。后來(lái)ISO把SDLC修改后稱為HDLC(High-levelDataLinkControl)，作為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO3309。CCITT則將HDLC再修改后稱為鏈路接入規(guī)程LAP(LinkAccessProcedure)。不久，HDLC的新版本又把LAP修改為L(zhǎng)APB，“B”表示平衡型(Balanced)，所以LAPB叫做平衡鏈路接入（訪問(wèn)）規(guī)程(平衡型)。,HDLC的幀結(jié)構(gòu)