計算機網(wǎng)絡(luò)第五章數(shù)據(jù)鏈路層和局域網(wǎng)

1、計算機網(wǎng)絡(luò)第 5 章 數(shù)據(jù)鏈路層和局域網(wǎng)1第 5 章 數(shù)據(jù)鏈路層和局域網(wǎng)5.1 概述和服務(wù)5.2 差錯檢測和糾錯技術(shù)5.3 點對點協(xié)議 PPP5.4 以太網(wǎng)5.5 組網(wǎng)設(shè)備235.1 概述和服務(wù)節(jié)點節(jié)點 (node)：主機和路由器主機和路由器鏈路鏈路(link)：連接相鄰節(jié)點的連接相鄰節(jié)點的通信信道。通信信道。n鏈路層傳輸數(shù)據(jù)報的過程：鏈路層傳輸數(shù)據(jù)報的過程： 沿端到端路徑上的沿端到端路徑上的每段獨立每段獨立的鏈路傳輸?shù)逆溌穫鬏敗０l(fā)送節(jié)點發(fā)送節(jié)點先將數(shù)據(jù)報封裝成先將數(shù)據(jù)報封裝成鏈路層幀，發(fā)送到鏈路上；鏈路層幀，發(fā)送到鏈路上；接收節(jié)點接收節(jié)點接收該幀，并提取接收該幀，并提取出數(shù)據(jù)報。出數(shù)據(jù)報。節(jié)

2、點節(jié)點鏈路鏈路5.1.1 鏈路層提供的服務(wù)鏈路層提供的服務(wù)5.1.2 適配器通信適配器通信45.1.1 鏈路層提供的服務(wù)n鏈路層功能：鏈路層功能：將分組通過一個鏈路，將分組通過一個鏈路，從一個節(jié)點傳輸?shù)洁徑鼜囊粋€節(jié)點傳輸?shù)洁徑牧硪粋€節(jié)點。的另一個節(jié)點。n鏈路層協(xié)議：鏈路層協(xié)議：用來在單段鏈路上傳輸分組。用來在單段鏈路上傳輸分組。 定義定義:在鏈路兩端的節(jié)點之間交互的在鏈路兩端的節(jié)點之間交互的分組格式分組格式，以及當發(fā)送和，以及當發(fā)送和接收分組時接收分組時節(jié)點采取的動作。節(jié)點采取的動作。交換的數(shù)據(jù)單元稱為交換的數(shù)據(jù)單元稱為幀幀 (frame)，封裝了一個網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)，封裝了一個網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)報。

3、報。所采取的動作所采取的動作：包括差錯檢測、重傳、流量控制和隨機訪問。：包括差錯檢測、重傳、流量控制和隨機訪問。5網(wǎng)絡(luò)層與鏈路層關(guān)系n網(wǎng)絡(luò)層：網(wǎng)絡(luò)層： 提供兩臺提供兩臺主機之間主機之間的通信服務(wù)。的通信服務(wù)。 通信路徑由源主機通信路徑由源主機和目的主機之間的和目的主機之間的一系列一系列通信鏈路和通信鏈路和路由器路由器組成。組成。鏈路鏈路網(wǎng)絡(luò)層與鏈路層關(guān)系(續(xù))q鏈路層：鏈路層：分組分組如何通過各段鏈路如何通過各段鏈路網(wǎng)絡(luò)層的網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)報如何被數(shù)據(jù)報如何被封裝封裝成鏈路層的幀；成鏈路層的幀；鏈路層協(xié)議鏈路層協(xié)議是否能夠提是否能夠提供供路由器之間的路由器之間的可靠數(shù)可靠數(shù)據(jù)傳輸；據(jù)傳輸；通信路徑

4、上通信路徑上不同的鏈路不同的鏈路是否采用不同的鏈路層是否采用不同的鏈路層協(xié)議。協(xié)議。6鏈路鏈路7網(wǎng)絡(luò)層與鏈路層關(guān)系(續(xù))網(wǎng)絡(luò)層：網(wǎng)絡(luò)層：將運輸層報文段將運輸層報文段從源主機傳送到目的主機從源主機傳送到目的主機。 能夠在各段能夠在各段鏈路層提供異構(gòu)服務(wù)鏈路層提供異構(gòu)服務(wù)的情況下，完成端到的情況下，完成端到端的工作。端的工作。鏈路層：鏈路層：將網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)報將網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)報從一個節(jié)點傳送到下一個節(jié)從一個節(jié)點傳送到下一個節(jié)點點（單段鏈路）。（單段鏈路）。 不同的鏈路采用不同的鏈路層協(xié)議不同的鏈路采用不同的鏈路層協(xié)議，提供的服務(wù)不同。，提供的服務(wù)不同。8類比例旅行社組織游客從旅行社組織游客從A地到地到B地

5、。經(jīng)過地。經(jīng)過3段旅程，如圖。段旅程，如圖。游客：游客：數(shù)據(jù)報；數(shù)據(jù)報；運輸區(qū)段：運輸區(qū)段：通信鏈路；通信鏈路；運輸方式：運輸方式：鏈路層協(xié)議，如汽車、飛機和火車。鏈路層協(xié)議，如汽車、飛機和火車。旅行社：旅行社：選路協(xié)議。選路協(xié)議。汽車汽車 飛機飛機 火車火車AB鏈路層提供的服務(wù)成幀鏈路訪問可靠交付流量控制差錯檢測差錯糾正910鏈路層提供的服務(wù)將數(shù)據(jù)報通過一條通信鏈路從一個節(jié)點將數(shù)據(jù)報通過一條通信鏈路從一個節(jié)點“移動移動”到相到相鄰的節(jié)點。鄰的節(jié)點。n 成幀：成幀：把網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)報封裝成鏈路層幀把網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)報封裝成鏈路層幀，再傳送到鏈，再傳送到鏈路上。路上。 首部包括若干字段：如編號、物理地址等

6、。首部包括若干字段：如編號、物理地址等。 不同的鏈路層協(xié)議，幀格式可能不同。不同的鏈路層協(xié)議，幀格式可能不同。首部首部數(shù)據(jù)報數(shù)據(jù)報11n鏈路訪問：鏈路訪問：由由媒體訪問控制媒體訪問控制MAC協(xié)議定義幀在鏈路上協(xié)議定義幀在鏈路上傳輸?shù)囊?guī)則。傳輸?shù)囊?guī)則。點對點鏈路：點對點鏈路：一個發(fā)送方和一個接收方，一個發(fā)送方和一個接收方，MAC協(xié)議比協(xié)議比較簡單，即任何時候較簡單，即任何時候只要鏈路空閑，發(fā)送方都能夠發(fā)送只要鏈路空閑，發(fā)送方都能夠發(fā)送幀幀。廣播鏈路：廣播鏈路：多個節(jié)點共享一個鏈路（多個節(jié)點共享一個鏈路（多路訪問多路訪問），），使用使用MAC協(xié)議協(xié)議協(xié)調(diào)多個節(jié)點的幀傳輸。協(xié)調(diào)多個節(jié)點的幀傳輸。鏈路

7、層提供的服務(wù)12鏈路層提供的服務(wù)n可靠交付：可靠交付： 保證網(wǎng)絡(luò)層的保證網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)報無差錯地通過鏈路層數(shù)據(jù)報無差錯地通過鏈路層。與運輸層類似，可與運輸層類似，可通過確認和重傳獲得通過確認和重傳獲得。高差錯率的鏈路高差錯率的鏈路：如無線鏈路，在本地如無線鏈路，在本地 ( (發(fā)生差錯的鏈發(fā)生差錯的鏈路路) )糾正差錯，不通過運輸層或應(yīng)用層協(xié)議進行端到端糾正差錯，不通過運輸層或應(yīng)用層協(xié)議進行端到端的數(shù)據(jù)重傳；的數(shù)據(jù)重傳；低差錯率的鏈路：低差錯率的鏈路：如光纖、同軸電纜、雙絞線鏈路如光纖、同軸電纜、雙絞線鏈路, ,不不需提供可靠的傳輸服務(wù)。需提供可靠的傳輸服務(wù)。13n流量控制：流量控制：防止發(fā)送節(jié)點

8、的發(fā)送速率過高防止發(fā)送節(jié)點的發(fā)送速率過高，避免接收節(jié)，避免接收節(jié)點來不及處理。點來不及處理。 鏈路節(jié)點的幀緩存容量有限。鏈路節(jié)點的幀緩存容量有限。 當幀到達接收節(jié)點的速率大于其處理速率，接收方緩沖當幀到達接收節(jié)點的速率大于其處理速率，接收方緩沖區(qū)產(chǎn)生溢出，幀會丟失。區(qū)產(chǎn)生溢出，幀會丟失。 鏈路層提供的服務(wù)14鏈路層提供的服務(wù)n差錯檢測：差錯檢測： 幀在傳輸時有可能出現(xiàn)幀在傳輸時有可能出現(xiàn)比特差錯比特差錯（10、01）。）。 差錯檢測用來差錯檢測用來檢測是否存在一個或多個差錯檢測是否存在一個或多個差錯。 發(fā)送節(jié)點：發(fā)送節(jié)點：在幀中設(shè)置差錯檢測比特；在幀中設(shè)置差錯檢測比特； 接收節(jié)點：接收節(jié)點：對

9、收到的幀進行差錯檢測。對收到的幀進行差錯檢測。 通過硬件實現(xiàn)。通過硬件實現(xiàn)。n差錯糾正：差錯糾正： 與差錯檢測類似。與差錯檢測類似。 接收方不僅能檢測幀中是否出現(xiàn)差錯，還能判斷差錯接收方不僅能檢測幀中是否出現(xiàn)差錯，還能判斷差錯的位置，并進行糾正。的位置，并進行糾正。15鏈路層提供的服務(wù)n半雙工和全雙工：半雙工和全雙工：全雙工傳全雙工傳輸：輸：鏈路兩端的節(jié)點可以同時傳輸分組。鏈路兩端的節(jié)點可以同時傳輸分組。半雙工傳輸：半雙工傳輸：鏈路兩端的節(jié)點不能同時傳輸和接收鏈路兩端的節(jié)點不能同時傳輸和接收，只能交替。只能交替。16鏈路層服務(wù)和運輸層服務(wù)比較n運輸層協(xié)議：運輸層協(xié)議：在端到端的基礎(chǔ)上為在端到端

10、的基礎(chǔ)上為兩個進程之間兩個進程之間提供可靠傳輸；提供可靠傳輸；流量控制是在端到端的基礎(chǔ)上提供。流量控制是在端到端的基礎(chǔ)上提供。n鏈路層協(xié)議：鏈路層協(xié)議：在一條鏈路相連的在一條鏈路相連的兩個節(jié)點之間兩個節(jié)點之間提供可靠傳輸。提供可靠傳輸。流量控制是在流量控制是在相鄰節(jié)點相鄰節(jié)點之間的基礎(chǔ)上提供。之間的基礎(chǔ)上提供。鏈路層服務(wù)和運輸層服務(wù)比較（續(xù)）n其他其他：1、鏈路層的流量是根據(jù)分配的帶寬由路由器、交換機等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制的；2、傳輸層的流量控制是用戶終端為了保證傳輸質(zhì)量而由電腦操作系統(tǒng)（OS）控制的；3、傳輸層流量受鏈路層流量影響。17185.1.2 適配器通信n適配器適配器(adapter)：網(wǎng)絡(luò)

11、接口卡（網(wǎng)絡(luò)接口卡（NIC，network interface card）。）。是一個電路板（或是一個電路板（或PCMCIA板），包括板），包括RAM、DSP芯片、主機芯片、主機總線接口和鏈路接口?？偩€接口和鏈路接口。 實現(xiàn)實現(xiàn)物理層及鏈路層物理層及鏈路層的主要功能。的主要功能。發(fā)送節(jié)點發(fā)送節(jié)點幀幀接收節(jié)點接收節(jié)點數(shù)據(jù)報數(shù)據(jù)報幀幀適配器適配器適配器適配器鏈路層協(xié)議鏈路層協(xié)議19特點是一個半自治的單元。是一個半自治的單元。n適配器接收幀，適配器接收幀，并判斷是否有差錯并判斷是否有差錯出錯：出錯：直接丟棄該幀直接丟棄該幀正確：正確：向上傳遞網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)報向上傳遞網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)報適配器發(fā)送幀：適配器發(fā)送幀

12、： 節(jié)點把網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)報向下傳給適配器，節(jié)點把網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)報向下傳給適配器，由適配器負責在鏈由適配器負責在鏈路上傳輸數(shù)據(jù)報路上傳輸數(shù)據(jù)報。n硬件上：硬件上： 適配器和節(jié)點的其他部分在同一個物理盒子中，共享電源適配器和節(jié)點的其他部分在同一個物理盒子中，共享電源和總線，在節(jié)點的控制之下。和總線，在節(jié)點的控制之下。 20適配器組成網(wǎng)卡速率：網(wǎng)卡速率：10Mbps、100Mbps、10/100M自適應(yīng)。自適應(yīng)。215.2 差錯檢測和糾錯技術(shù)n 比特級差錯檢測和糾錯比特級差錯檢測和糾錯對一個節(jié)點發(fā)送到一個對一個節(jié)點發(fā)送到一個相鄰節(jié)點的幀，相鄰節(jié)點的幀，檢測是檢測是否出現(xiàn)比特差錯否出現(xiàn)比特差錯，并糾，并糾正。

13、正。 相關(guān)技術(shù)很多。相關(guān)技術(shù)很多。網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層，幀數(shù)據(jù)鏈路層，幀22說明：差錯檢測和糾正技術(shù)不能保證接收方檢測到所有的比差錯檢測和糾正技術(shù)不能保證接收方檢測到所有的比特差錯，即特差錯，即可能出現(xiàn)未檢測到的比特差錯可能出現(xiàn)未檢測到的比特差錯，而接收方，而接收方并未發(fā)現(xiàn)。并未發(fā)現(xiàn)。選擇一個合適的差錯檢測方案使未檢測到的情況發(fā)生選擇一個合適的差錯檢測方案使未檢測到的情況發(fā)生的概率很小的概率很小。差錯檢測和糾錯差錯檢測和糾錯技術(shù)越好，越復(fù)雜技術(shù)越好，越復(fù)雜，開銷更大開銷更大。23三種主要差錯檢測技術(shù)奇偶校驗：奇偶校驗：最基本的方法。最基本的方法。檢查和方法：檢查和方法：常用于運輸層。常用于運

14、輸層。循環(huán)冗余檢測：循環(huán)冗余檢測：常用于鏈路層。常用于鏈路層。5.2.1 奇偶校驗奇偶校驗 5.2.2 檢查和方法檢查和方法 5.2.3 循環(huán)冗余檢測循環(huán)冗余檢測24 1、一比特奇偶校驗n 發(fā)送方：發(fā)送方： 在要發(fā)送的信息在要發(fā)送的信息D（d位）后面位）后面附加一個奇偶校驗位附加一個奇偶校驗位 使使“1”的個數(shù)是的個數(shù)是奇數(shù)（奇數(shù)（奇校驗奇校驗）或或偶數(shù)（偶數(shù)（偶校驗偶校驗） 一起傳輸發(fā)送（一起傳輸發(fā)送（d+1位）。位）。01110001101010111d位數(shù)據(jù)位數(shù)據(jù)校驗位校驗位偶校驗偶校驗25n 接收方：接收方： 檢測收到的信息（檢測收到的信息（d+1位）中位）中“1”的個數(shù)。的個數(shù)。 偶

15、校驗：偶校驗：發(fā)現(xiàn)奇數(shù)個發(fā)現(xiàn)奇數(shù)個“1”，至少有一個比特發(fā)生差錯，至少有一個比特發(fā)生差錯（奇數(shù)個比特差錯）。（奇數(shù)個比特差錯）。 奇校驗：奇校驗：發(fā)現(xiàn)偶數(shù)個發(fā)現(xiàn)偶數(shù)個 “1”，至少有一個比特發(fā)生差錯。，至少有一個比特發(fā)生差錯。01110001101010111d位數(shù)據(jù)位數(shù)據(jù)校驗位校驗位偶校驗偶校驗26特點可以查出任意奇數(shù)個錯誤可以查出任意奇數(shù)個錯誤，但，但不能發(fā)現(xiàn)偶數(shù)個錯誤不能發(fā)現(xiàn)偶數(shù)個錯誤。若比特若比特差錯概率很小差錯概率很小，差錯獨立發(fā)生，差錯獨立發(fā)生，一比特奇偶校一比特奇偶校驗可滿足要求驗可滿足要求。若差錯集中一起若差錯集中一起“突發(fā)突發(fā)”（突發(fā)差錯），（突發(fā)差錯），一幀中未檢一幀中未檢

16、測到的差錯的概率達到測到的差錯的概率達到50%。272、二維奇偶校驗n基本思想：基本思想：將要傳信息將要傳信息D（d比特）劃比特）劃分為分為i 行行j 列（列（ i 個組，每個組，每組組j位位）；對每行和每列分別計算奇對每行和每列分別計算奇偶值；偶值；結(jié)果的結(jié)果的i+j+1個奇偶比特構(gòu)個奇偶比特構(gòu)成了幀的差錯檢測比特。成了幀的差錯檢測比特。 i行行 j 列列28例特點：特點： 可以可以檢測并糾正單個比特檢測并糾正單個比特差錯差錯（數(shù)據(jù)或校驗位中）。（數(shù)據(jù)或校驗位中）。 能夠檢測分組中任意兩個能夠檢測分組中任意兩個比特的差錯。比特的差錯。行、列確定行、列確定要發(fā)送的數(shù)據(jù)比特要發(fā)送的數(shù)據(jù)比特101

17、01 11110 01110，劃分劃分3組組，每組，每組5個個比特。進行比特。進行行行、列偶列偶校驗校驗29前向差錯糾正FEC接收方可以檢測并糾正差錯接收方可以檢測并糾正差錯?？膳c可與ARQ技術(shù)一起應(yīng)用，接收方立即糾正差錯，減少技術(shù)一起應(yīng)用，接收方立即糾正差錯，減少發(fā)送方重發(fā)的次數(shù)。發(fā)送方重發(fā)的次數(shù)。降低分組傳輸?shù)耐祩鞑r延，適用于實時網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。降低分組傳輸?shù)耐祩鞑r延，適用于實時網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。305.2.2 檢查和方法把要發(fā)送的把要發(fā)送的d 位位數(shù)據(jù)看成是一個數(shù)據(jù)看成是一個k 位整數(shù)位整數(shù)的序列，將這些的序列，將這些k 位整數(shù)位整數(shù)加起來，得到的和作為差錯檢測比特。加起來，得到的和作為差錯檢

18、測比特。 TCP和和UDP協(xié)議協(xié)議: 對所有字段對所有字段(包括首部和數(shù)據(jù)字段包括首部和數(shù)據(jù)字段)都都計算因特網(wǎng)檢查和。計算因特網(wǎng)檢查和。 有些協(xié)議有些協(xié)議:對首部計算一個檢查和，對整個分組計算另對首部計算一個檢查和，對整個分組計算另一個檢查和。一個檢查和。31檢查和q發(fā)送方：發(fā)送方：將數(shù)據(jù)的每兩個字節(jié)當作將數(shù)據(jù)的每兩個字節(jié)當作一個一個16位的整數(shù)，可分成位的整數(shù)，可分成若干整數(shù)；若干整數(shù)；將所有將所有16 位的整數(shù)求和位的整數(shù)求和；對得到的和逐位取反對得到的和逐位取反，作，作為檢查和，放在報文段首為檢查和，放在報文段首部，一起發(fā)送。部，一起發(fā)送。q 接收方：接收方：對接收到的信息對接收到的信

19、息 (包括包括檢查和檢查和)按與發(fā)送方相同按與發(fā)送方相同的方法求和。的方法求和。全全“1”：收到的數(shù)據(jù)：收到的數(shù)據(jù)無差錯；無差錯；其中有其中有“0”：收到的：收到的數(shù)據(jù)出現(xiàn)差錯。數(shù)據(jù)出現(xiàn)差錯。32檢查和特點：分組分組開銷?。洪_銷?。簷z查和位數(shù)比較少；檢查和位數(shù)比較少；差錯差錯檢測能力弱檢測能力弱： 適用于適用于運輸層運輸層（差錯檢測（差錯檢測用軟件實現(xiàn)用軟件實現(xiàn)，檢查和方法簡，檢查和方法簡單、快速）。單、快速）。 鏈路層的差錯檢測由適配器中鏈路層的差錯檢測由適配器中專用的硬件實現(xiàn)專用的硬件實現(xiàn)，采用，采用更強的更強的CRC方法。方法。5.2.3循環(huán)冗余檢驗的原理 n在數(shù)據(jù)鏈路層傳送的幀中，廣泛

20、使用了循環(huán)冗余檢驗 CRC 的檢錯技術(shù)。n在發(fā)送端，先把數(shù)據(jù)劃分為組。假定每組 k 個比特。 n假設(shè)待傳送的一組數(shù)據(jù) M = 101001（現(xiàn)在 k = 6）。我們在 M 的后面再添加供差錯檢測用的 n 位冗余碼一起發(fā)送。 33冗余碼的計算 n用二進制的模 2 運算進行 2n 乘 M 的運算，這相當于在 M 后面添加 n 個 0。n得到的 (k + n) 位的數(shù)除以事先選定好的長度為 (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，即 R 是 n 位。 34冗余碼的計算舉例 n現(xiàn)在 k = 6, M = 101001。n設(shè) n = 3, 除數(shù) P =

21、1101，n被除數(shù)是 2nM = 101001000。 n模 2 運算的結(jié)果是：商 Q = 110101， 余數(shù) R = 001。n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。 35 110101 Q (商) P (除數(shù)) 1101 101001000 2nM (被除數(shù)) 1101 1110 1101 0111 0000 1110 1101 0110 0000 1100 1101 001 R (余數(shù))，作為 FCS 循環(huán)冗余檢驗的原理說明 36幀檢驗序列 FCS n在數(shù)據(jù)后面添加上的冗余碼稱為幀檢驗序列 F

22、CS (Frame Check Sequence)。nCRC 是一種常用的檢錯方法，而 FCS 是添加在數(shù)據(jù)后面的冗余碼。37n發(fā)送方發(fā)送的序列為：101001001n接收方收到后把101001001除以110138接收端對收到的每一幀進行 CRC 檢驗 n(1) 若得出的余數(shù) R = 0，則判定這個幀沒有差錯，就接受(accept)。n(2) 若余數(shù) R 0，則判定這個幀有差錯，就丟棄。n但這種檢測方法并不能確定究竟是哪一個或哪幾個比特出現(xiàn)了差錯。n只要經(jīng)過嚴格的挑選，并使用位數(shù)足夠多的除數(shù) P，那么出現(xiàn)檢測不到的差錯的概率就很小很小。 39應(yīng)當注意 n僅用循環(huán)冗余檢驗 CRC 差錯檢測技術(shù)

23、只能做到無差錯接受(accept)。n“無差錯接受”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 的概率認為這些幀在傳輸過程中沒有產(chǎn)生差錯”。n也就是說：“凡是接收端數(shù)據(jù)鏈路層接受的幀都沒有傳輸差錯”（有差錯的幀就丟棄而不接受）。n要做到“可靠傳輸”（即發(fā)送什么就收到什么）就必須再加上確認和重傳機制。 40nReview415.3 PPP協(xié)議n5.3.1 PPP協(xié)議的特點n5.3.2PPP協(xié)議的基本要求n5.3.3PPP數(shù)據(jù)成幀425.3 PPP協(xié)議（點對點協(xié)議）5.3.1PPP協(xié)議的特點n在通信線路質(zhì)量較差年代，在數(shù)據(jù)鏈路層使用可靠傳輸協(xié)議是一個好方法。n現(xiàn)在全世界使用

24、得最多的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議是點對點協(xié)議 PPP (Point-to-Point Protocol)。n用戶使用撥號電話線接入因特網(wǎng)時，一般都是使用 PPP 協(xié)議。 43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)管理機構(gòu)申請到一批 IP 地址ISP接入網(wǎng)PPP 協(xié)議445.3.2PPP協(xié)議的基本要求nIETF要求nPPP協(xié)議實際情況45IETF對PPP所提出的初始要求l簡單性l分組成幀l透明性l多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議l多種類型鏈路l差錯鏈路l連接的活性l網(wǎng)絡(luò)層地址協(xié)商46n（1）簡單性：lIETF設(shè)計，簡單優(yōu)先l最復(fù)雜：TCPlIP簡單l數(shù)據(jù)鏈路層（不需要糾錯，不需要序號，也不需要流量

25、控制）l原則：接收方收到一幀，就進行CRC檢驗。如果CRC檢驗正確就收下，反之丟棄該幀，其他什么也不做。47n（2）分組成幀lPPP協(xié)議鏈路層的發(fā)送方必須能夠攜帶網(wǎng)絡(luò)層的分組，并將它封裝在PPP鏈路層幀中，以便接收方能夠確認鏈路層幀的起始和結(jié)束位置和該幀中網(wǎng)絡(luò)層分組n（3）透明性lPPP協(xié)議不能對出現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)層分組中的數(shù)據(jù)（首部或者數(shù)據(jù)）做任何限制。48n（4）多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議lPPP協(xié)議必須能夠在同一條物理鏈路上同時支持多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。l當點對點協(xié)議所連接的是局域網(wǎng)或路由器時，PPP協(xié)議必須同時支持在鏈路所連接的局域網(wǎng)或路由器上運行的各種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議49n（5）多種類型鏈路l除了要支持多種網(wǎng)絡(luò)層的

26、協(xié)議，PPP還必須能夠在多種類型的鏈路上運行。l如：串行、并行、同步、異步、低速、高速等網(wǎng)絡(luò)n（6）差錯檢測lPPP協(xié)議必須能夠?qū)邮斩耸盏降膸M行檢測，并立即丟棄有差錯的幀。若在數(shù)據(jù)鏈路層不進行差錯檢測，會浪費網(wǎng)絡(luò)資源50n（7）連接的活性lPPP協(xié)議必須具有一種機制能夠及時自動檢測出鏈路是否處于正常工作狀態(tài)。n（8）網(wǎng)絡(luò)層地址協(xié)商lPPP必須為通信的網(wǎng)絡(luò)層（例如IP）提供一個機制，來獲悉或者配置相互的網(wǎng)絡(luò)地址。51n實際情況：不要求PPP協(xié)議實現(xiàn)的功能l差錯糾正l流量控制l有序l多點鏈路52l差錯糾正要求PPP能夠檢測比特差錯，但不要求糾正它們。l流量控制期望一個PPP接收方能夠以支撐的物

27、理層的全部速率來接收幀。如果某較高層不能夠以這種全速接收分組，那么就該由高層負責丟棄分組或者遏制位于較高層的發(fā)送方?？偨Y(jié)：不是由PPP發(fā)送方遏制自己的傳輸速度，而是由較高層協(xié)議負責控制分組交付給PPP的發(fā)送速率53n有序lPPP不要求向鏈路接收方交付幀的順序與鏈路發(fā)送方發(fā)送幀的順序相同。l這個和IP服務(wù)模型類似n多點鏈路lPPP只需要工作于具有單個發(fā)送方和單個接收方的鏈路之上。545.3.3PPP數(shù)據(jù)成幀n標志字段n地址字段n控制字段n協(xié)議n信息n檢驗和n字節(jié)填充55PPP數(shù)據(jù)成幀n標志字段：l每個PPP幀都是用值01111110的1字節(jié)的標志字段作為開始和結(jié)束n地址字段l每個字段唯一可能的值

28、是11111111n控制字段l這個字段的唯一可能的值是00000011.56n協(xié)議l該字段告訴PPP接收方所接收的封裝數(shù)據(jù)（即PPP幀信息字段的內(nèi)容）所屬的上層協(xié)議。一收到PPP幀，PPP接收方就檢測該幀的正確性，然后將封裝的數(shù)據(jù)傳遞給適當?shù)膮f(xié)議。57n信息l這個字段包含上層的協(xié)議（如：IP）在PPP鏈路上發(fā)送的被封裝分組（數(shù)據(jù)）。該信息字段的最大默認長度是1500字節(jié)。58n檢驗和l檢驗和字段用于檢測已知幀中的比特差錯。它使用2或4字節(jié)的HDLC標準的循環(huán)冗余碼。59字節(jié)填充n思考：如果標志字段01111110出現(xiàn)在信息字段出現(xiàn)在信息字段中怎么辦？n解決一：讓PPP禁止上層協(xié)議發(fā)送包含標志字

29、段比特模式的數(shù)據(jù)n解決二：定義一個特殊的控制轉(zhuǎn)義字節(jié)01111101。n如果控制轉(zhuǎn)義字節(jié)自身作為實際數(shù)據(jù)出現(xiàn)怎么辦？60n模擬實驗61n5.4 以太網(wǎng)l5.4.1以太網(wǎng)編址l5.4.2ARP協(xié)議l5.4.3以太網(wǎng)幀格式l5.4.4 使用廣播信道的數(shù)據(jù)鏈路層l5.4.5廣播協(xié)議存在的問題l5.5以太網(wǎng)設(shè)備625.4.1 以太網(wǎng)（鏈路層）編址n每個節(jié)點有網(wǎng)絡(luò)層地址和鏈路層地址。l網(wǎng)絡(luò)層地址： 節(jié)點在互連網(wǎng)絡(luò)中分配的一個唯一地址（IP地址）。用于把分組送到目的IP網(wǎng)絡(luò)。長度為32比特（IPv4）。包括兩部分：網(wǎng)絡(luò)號：指明主機所在物理網(wǎng)絡(luò)的編號。主機號：主機在物理網(wǎng)絡(luò)中的編號。l鏈路層地址：MAC地址

30、。 用于把數(shù)據(jù)幀從一個節(jié)點傳送到另一個節(jié)點(同一網(wǎng)絡(luò)中)。63MAC地址nMAC地址（LAN地址、物理地址）：l是節(jié)點“網(wǎng)卡”本身所帶的地址（唯一）。lMAC地址長度通常為6 字節(jié)，共248個LAN地址。l6字節(jié)地址用16進制表示，每個字節(jié)表示為一對16進制數(shù)l常見的形式：如 (1A-23-F9-CD-06-9B)l“網(wǎng)卡”的MAC地址是永久的（生產(chǎn)時固化在其ROM里）。64651A-2F-BB-76-09-AD58-23-D7-FA-20-B00C-C4-11-6F-E3-9871-65-F7-2B-08-53 LAN(有線的有線的或無線的或無線的)適配器（網(wǎng)卡）適配器（網(wǎng)卡）問題：如何查看

31、網(wǎng)卡的問題：如何查看網(wǎng)卡的MAC地址信息地址信息MAC地址分配n 由專門機構(gòu)IEEE管理物理地址空間。n負責分配六個字節(jié)中的前三個字節(jié)（高24位，地址塊）。n MAC 地址是平面結(jié)構(gòu)：帶有同一網(wǎng)卡的節(jié)點，在任何網(wǎng)絡(luò)中都有同樣的MAC地址。n IP地址具有層次結(jié)構(gòu)：當節(jié)點移動到不同網(wǎng)絡(luò)時，節(jié)點的IP地址發(fā)生改變。12345666字節(jié)向向IEEE購買購買廠家自行分配廠家自行分配MAC地址識別n廣播信道LAN中，一個節(jié)點發(fā)送的幀，在信道上廣播傳輸，其他節(jié)點都可能收到該幀。l大多數(shù)情況，一個節(jié)點只向某個特定的節(jié)點發(fā)送。l由“網(wǎng)卡”負責MAC 地址的封裝和識別。n發(fā)送適配器：將目的MAC地址封裝到幀中，

32、并發(fā)送。n所有其他適配器都會收到這個幀。n 接收適配器：檢查幀的目的MAC地址是否與自己MAC地址相匹配：n 匹配：接收該幀，取出數(shù)據(jù)報，并傳遞給上層。需要中斷“父節(jié)點”。n 不匹配：丟棄該幀。67特殊幀n廣播幀：發(fā)送給所有節(jié)點的幀。n MAC廣播地址：全1地址。n 如以太網(wǎng)和令牌傳遞LAN，其廣播地址是48個連續(xù)的1組成的字符串，即：n FF-FF-FF-FF-FF-FF68695.4.2ARP協(xié)議 n節(jié)點的3種不同地址表示l應(yīng)用層的主機名、網(wǎng)絡(luò)層的應(yīng)用層的主機名、網(wǎng)絡(luò)層的IP地址和鏈路層的地址和鏈路層的MAC地址地址l 實際在鏈路上傳輸時，實際在鏈路上傳輸時，根據(jù)根據(jù)MAC地址地址，確定相

33、應(yīng)的節(jié)點，確定相應(yīng)的節(jié)點1A-2F-BB-76-09-AD58-23-D7-FA-20-B00C-C4-11-6F-E3-98 LAN237.196.7.23237.196.7.78237.196.7.14237.196.7.8871-65-F7-2B-08-53705.4.2地址之間的轉(zhuǎn)換n通信時，需要進行地址轉(zhuǎn)換：通信時，需要進行地址轉(zhuǎn)換：l 主機名主機名 IP地址地址 MAC地址地址lDNS域名系統(tǒng)：域名系統(tǒng)：將將主機名解析到主機名解析到IP地址地址。 DNS為在因特網(wǎng)中任何地方的主機解析主機名。為在因特網(wǎng)中任何地方的主機解析主機名。lARP地址解析協(xié)議：地址解析協(xié)議：將將IP地址解析到

34、地址解析到MAC地址地址。ARP協(xié)議（address resolution protocol）地址轉(zhuǎn)換協(xié)議ARP只為在同一個只為在同一個LAN上的節(jié)點解析上的節(jié)點解析IP地址。地址。nARP協(xié)議原理l同一個子網(wǎng)內(nèi)地址轉(zhuǎn)換l跨網(wǎng)地址解析如何實現(xiàn)71n5.4.3以太網(wǎng)幀格式n數(shù)據(jù)字段：(46-1500字節(jié))n目的地址：（6字節(jié)）n源地址：（6字節(jié)）n類型字段:(2字節(jié))n循環(huán)冗余檢測：（4字節(jié)）n前同步碼 （前序）（8字節(jié)）72n數(shù)據(jù)字段：(46-1500字節(jié))l如果IP數(shù)據(jù)超過1500字節(jié)，怎么辦？l則主機必須將該數(shù)據(jù)報分段。n如果數(shù)據(jù)最小長度小于46字節(jié)，怎么辦？l數(shù)據(jù)報被填充到46字節(jié)。然后

35、傳遞給網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)包包括IP數(shù)據(jù)報和填充部分73n目的地址：（6字節(jié)）n源地址：（6字節(jié)）n類型字段:(2字節(jié))l該類型字段允許以太網(wǎng)復(fù)用多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。n循環(huán)冗余檢測：（4字節(jié)）74n前同步碼 （前序）（8字節(jié)）：l以太網(wǎng)幀以一個8字節(jié)的前同步碼字段開始。該前同步碼的前7個字節(jié)的值都是10101010，最后一個字節(jié)是10101011.前同步碼的前7個字段用于“喚醒”接收適配器。并且將它們的時鐘和發(fā)送方的時鐘同步75n思考和討論l局域網(wǎng)的發(fā)展、局域網(wǎng)的好處l如果讓你去設(shè)計局域網(wǎng)，你需要考慮哪些因素765.4.4 使用廣播信道的數(shù)據(jù)鏈路層n局域網(wǎng)最主要的特點是：網(wǎng)絡(luò)為一個單位所擁有，且地理范圍和

36、站點數(shù)目均有限。 n局域網(wǎng)具有如下的一些主要優(yōu)點：n具有廣播功能，從一個站點可很方便地訪問全網(wǎng)。局域網(wǎng)上的主機可共享連接在局域網(wǎng)上的各種硬件和軟件資源。 n便于系統(tǒng)的擴展和逐漸地演變，各設(shè)備的位置可靈活調(diào)整和改變。n提高了系統(tǒng)的可靠性、可用性和生存性。77局域網(wǎng)的拓撲 匹配電阻集線器干線耦合器總線網(wǎng)星形網(wǎng)環(huán)形網(wǎng)78以太網(wǎng)的兩個標準 nDIX Ethernet V2 是世界上第一個局域網(wǎng)產(chǎn)品（以太網(wǎng)）的規(guī)約。nIEEE 的 802.3 標準。nDIX Ethernet V2 標準與 IEEE 的 802.3 標準只有很小的差別，因此可以將 802.3 局域網(wǎng)簡稱為“以太網(wǎng)”。n嚴格說來，“以太網(wǎng)

37、”應(yīng)當是指符合 DIX Ethernet V2 標準的局域網(wǎng) 79n最初的以太網(wǎng)是將許多計算機都連接到一根總線上。CSMA/CD 協(xié)議 B向 D發(fā)送數(shù)據(jù) C D A E匹配電阻（用來吸收總線上傳播的信號）匹配電阻不接受不接受不接受接受B只有 D 接受B 發(fā)送的數(shù)據(jù)80以太網(wǎng)的廣播方式發(fā)送 n總線上的每一個工作的計算機都能檢測到 B 發(fā)送的數(shù)據(jù)信號。 n由于只有計算機 D 的地址與數(shù)據(jù)幀首部寫入的地址一致，因此只有 D 才接收這個數(shù)據(jù)幀。 n其他所有的計算機（A, C 和 E）都檢測到不是發(fā)送給它們的數(shù)據(jù)幀，因此就丟棄這個數(shù)據(jù)幀而不能夠收下來。n具有廣播特性的總線上實現(xiàn)了一對一的通信。 81為了

38、通信的簡便以太網(wǎng)采取了兩種重要的措施 n采用較為靈活的無連接的工作方式，即不必先建立連接就可以直接發(fā)送數(shù)據(jù)。 n以太網(wǎng)對發(fā)送的數(shù)據(jù)幀不進行編號，也不要求對方發(fā)回確認。n這樣做的理由是局域網(wǎng)信道的質(zhì)量很好，因信道質(zhì)量產(chǎn)生差錯的概率是很小的。 82以太網(wǎng)提供的服務(wù) n以太網(wǎng)提供的服務(wù)是不可靠的交付，即盡最大努力的交付。n當目的站收到有差錯的數(shù)據(jù)幀時就丟棄此幀，其他什么也不做。差錯的糾正由高層來決定。n如果高層發(fā)現(xiàn)丟失了一些數(shù)據(jù)而進行重傳，但以太網(wǎng)并不知道這是一個重傳的幀，而是當作一個新的數(shù)據(jù)幀來發(fā)送。 83載波監(jiān)聽多點接入/碰撞檢測 CSMA/CD nCSMA/CD 表示 Carrier Sens

39、e Multiple Access with Collision Detection。n“多點接入”表示許多計算機以多點接入的方式連接在一根總線上。n“載波監(jiān)聽”是指每一個站在發(fā)送數(shù)據(jù)之前先要檢測一下總線上是否有其它計算機在發(fā)送數(shù)據(jù)，如果有，則暫時不要發(fā)送數(shù)據(jù)，以免發(fā)生碰撞。 84CSMA/CD總體描述nCSMA/CD媒體訪問控制方法的工作原理，可以概括如下：先聽后說，邊聽邊說；一旦沖突，立即停說；等待時機，然后再說；注：“聽”，即監(jiān)聽、檢測之意；“說”，即發(fā)送數(shù)據(jù)之意。85碰撞檢測n“碰撞檢測”就是計算機邊發(fā)送數(shù)據(jù)邊檢測信道上的信號電壓大小。n當幾個站同時在總線上發(fā)送數(shù)據(jù)時，總線上的信號電壓

40、擺動值將會增大（互相疊加）。n當一個站檢測到的信號電壓擺動值超過一定的門限值時，就認為總線上至少有兩個站同時在發(fā)送數(shù)據(jù)，表明產(chǎn)生了碰撞。n所謂“碰撞”就是發(fā)生了沖突。因此“碰撞檢測”也稱為“沖突檢測”。86檢測到碰撞后n在發(fā)生碰撞時，總線上傳輸?shù)男盘柈a(chǎn)生了嚴重的失真，無法從中恢復(fù)出有用的信息來。n每一個正在發(fā)送數(shù)據(jù)的站，一旦發(fā)現(xiàn)總線上出現(xiàn)了碰撞，就要立即停止發(fā)送，免得繼續(xù)浪費網(wǎng)絡(luò)資源，然后等待一段隨機時間后再次發(fā)送。87電磁波在總線上的有限傳播速率的影響 n當某個站監(jiān)聽到總線是空閑時，也可能總線并非真正是空閑的。 nA 向 B 發(fā)出的信息，要經(jīng)過一定的時間后才能傳送到 B。nB 若在 A 發(fā)送

41、的信息到達 B 之前發(fā)送自己的幀(因為這時 B 的載波監(jiān)聽檢測不到 A 所發(fā)送的信息)，則必然要在某個時間和 A 發(fā)送的幀發(fā)生碰撞。n碰撞的結(jié)果是兩個幀都變得無用。 88重要特性n使用 CSMA/CD 協(xié)議的以太網(wǎng)不能進行全雙工通信而只能進行雙向交替通信（半雙工通信）。n每個站在發(fā)送數(shù)據(jù)之后的一小段時間內(nèi)，存在著遭遇碰撞的可能性。 n這種發(fā)送的不確定性使整個以太網(wǎng)的平均通信量遠小于以太網(wǎng)的最高數(shù)據(jù)率。 89爭用期n最先發(fā)送數(shù)據(jù)幀的站，在發(fā)送數(shù)據(jù)幀后至多經(jīng)過時間 2 （兩倍的端到端往返時延）就可知道發(fā)送的數(shù)據(jù)幀是否遭受了碰撞。n以太網(wǎng)的端到端往返時延 2 稱為爭用期，或碰撞窗口。n經(jīng)過爭用期這段

42、時間還沒有檢測到碰撞，才能肯定這次發(fā)送不會發(fā)生碰撞。 90二進制指數(shù)類型退避算法 (truncated binary exponential type)n發(fā)生碰撞的站在停止發(fā)送數(shù)據(jù)后，要推遲（退避）一個隨機時間才能再發(fā)送數(shù)據(jù)。n基本退避時間取為爭用期 2。n從整數(shù)集合0,1, (2k -1)中隨機地取出一個數(shù)，記為 r。重傳所需的時延就是 r 倍的基本退避時間。n參數(shù) k 按下面的公式計算： k = Min重傳次數(shù), 10n當 k =10 時，參數(shù) k 等于重傳次數(shù)。n當重傳達 16 次仍不能成功時即丟棄該幀，并向高層報告。 91爭用期的長度 n以太網(wǎng)取 51.2 s 為爭用期的長度。n對于

43、10 Mb/s 以太網(wǎng)，在爭用期內(nèi)可發(fā)送512 bit，即 64 字節(jié)。n以太網(wǎng)在發(fā)送數(shù)據(jù)時，若前 64 字節(jié)沒有發(fā)生沖突，則后續(xù)的數(shù)據(jù)就不會發(fā)生沖突。 92最短有效幀長 n如果發(fā)生沖突，就一定是在發(fā)送的前 64 字節(jié)之內(nèi)。 n由于一檢測到?jīng)_突就立即中止發(fā)送，這時已經(jīng)發(fā)送出去的數(shù)據(jù)一定小于 64 字節(jié)。 n以太網(wǎng)規(guī)定了最短有效幀長為 64 字節(jié)，凡長度小于 64 字節(jié)的幀都是由于沖突而異常中止的無效幀。 93強化碰撞 n當發(fā)送數(shù)據(jù)的站一旦發(fā)現(xiàn)發(fā)生了碰撞時：n立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)；n再繼續(xù)發(fā)送若干比特的人為干擾信號(jamming signal)，以便讓所有用戶都知道現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)生了碰撞。 945.4.5廣播協(xié)議存在的問題n主機A向主機B通信,它首先廣播一個ARP請求,以獲取主機B的MAC地址。此時主機A上連的二