計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信-第4講數(shù)據(jù)鏈路層

計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信王玲jonas_wang@163.com今日道主要內(nèi)容理解并掌握數(shù)據(jù)鏈路層的基本功能結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用理解PPP協(xié)議基本原理及主要功能掌握以太網(wǎng)的工作原理：MAC地址和MAC幀格式，CSMA/CD協(xié)議理解網(wǎng)橋及交換機(jī)的工作機(jī)制理解虛擬局域網(wǎng)及其實(shí)現(xiàn)方法2計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)概論鏈路(link)是一條無源的點(diǎn)到點(diǎn)的物理線路段，中間沒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)議來控制這些數(shù)據(jù)的傳輸。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。

數(shù)據(jù)鏈路層的基本概念數(shù)據(jù)鏈路層使用的信道主要有以下兩種類型：點(diǎn)對點(diǎn)信道：使用一對一的點(diǎn)對點(diǎn)通信方式；如PPP

。（類似于只有兩個人環(huán)境下的對話）廣播信道：使用一對多的廣播通信方式，如以太網(wǎng),無線網(wǎng)等。因此過程比較復(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)議來協(xié)調(diào)這些主機(jī)的數(shù)據(jù)發(fā)送。（類似于公共場所的對話）數(shù)據(jù)鏈路層的基本概念局域網(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)用層傳輸層網(wǎng)絡(luò)層物理層鏈路層應(yīng)用層傳輸層網(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R1R2R3H1H2從層次上來看數(shù)據(jù)的流動僅從數(shù)據(jù)鏈路層觀察幀的流動數(shù)據(jù)鏈路層的簡單模型(a)數(shù)據(jù)鏈路層結(jié)點(diǎn)A結(jié)點(diǎn)B幀(b)發(fā)送幀接收鏈路網(wǎng)絡(luò)層IP數(shù)據(jù)報1010……0110幀取出數(shù)據(jù)鏈路層鏈路結(jié)點(diǎn)A結(jié)點(diǎn)B物理層IP數(shù)據(jù)報1010……0110幀裝入數(shù)據(jù)鏈路層傳送的幀常常在兩個對等的數(shù)據(jù)鏈路層之間畫出一個數(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。結(jié)點(diǎn)結(jié)點(diǎn)幀幀數(shù)據(jù)鏈路層像個數(shù)字管道(1)封裝成幀(2)透明傳輸(3)差錯控制三個基本問題封裝成幀(frame)就是在一段數(shù)據(jù)的前后分別添加首部和尾部，然后就構(gòu)成了一個幀。確定幀的界限。首部和尾部的一個重要作用就是進(jìn)行幀定界，也叫幀同步。

幀結(jié)束幀首部IP數(shù)據(jù)報幀的數(shù)據(jù)部分幀尾部MTU數(shù)據(jù)鏈路層的幀長開始發(fā)送幀開始封裝成幀用控制字符進(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EOTSOHEOT出現(xiàn)了“EOT”被接收端當(dāng)作無效幀而丟棄被接收端誤認(rèn)為是一個幀數(shù)據(jù)部分EOT完整的幀發(fā)送在前透明傳輸解決透明傳輸問題發(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”的前面插入一個轉(zhuǎn)義字符“ESC”(其十六進(jìn)制編碼是1B)。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轉(zhuǎn)義字符。當(dāng)接收端收到連續(xù)的兩個轉(zhuǎn)義字符時，就刪除其中前面的一個。這就叫字節(jié)填充(bytestuffing)或字符填充(characterstuffing)用字節(jié)填充法解決透明傳輸?shù)膯栴}SOHSOHEOTSOHESCESCEOTESCSOHESCESCESCSOH原始數(shù)據(jù)EOTEOT經(jīng)過字節(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SOH差錯檢測在傳輸過程中可能會產(chǎn)生比特差錯：1可能會變成0而0也可能變成1。在一段時間內(nèi)，傳輸錯誤的比特占所傳輸比特總數(shù)的比率稱為誤碼率

BER(BitErrorRate)。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?，在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)時，必須采用各種差錯檢測措施。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

的檢錯技術(shù)。在發(fā)送端，先把數(shù)據(jù)劃分為組。假定每組k個比特。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。冗余碼的計算用二進(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0。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。冗余碼的計算舉例現(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。

110101

←

Q

(商)P(除數(shù))→

1101101001000

←

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(yàn)的原理說明在數(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并非用來獲得FCS的唯一方法。

幀檢驗(yàn)序列FCS(1)若得出的余數(shù)R=0，則判定這個幀沒有差錯，就接受(accept)。(2)若余數(shù)R

0，則判定這個幀有差錯，就丟棄。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。只要經(jīng)過嚴(yán)格的挑選，并使用位數(shù)足夠多的除數(shù)P，那么出現(xiàn)檢測不到的差錯的概率就很小很小。接收端對收到的每一幀進(jìn)行CRC檢驗(yàn)僅用循環(huán)冗余檢驗(yàn)CRC差錯檢測技術(shù)只能做到無差錯接受(accept)。“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(rèn)為這些幀在傳輸過程中沒有產(chǎn)生差錯”。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）。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。應(yīng)當(dāng)注意現(xiàn)在全世界使用得最多的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議是點(diǎn)對點(diǎn)協(xié)議PPP(Point-to-PointProtocol)。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。點(diǎn)對點(diǎn)協(xié)議PPP用戶用戶到ISP的鏈路使用PPP協(xié)議已向因特網(wǎng)管理機(jī)構(gòu)申請到一批

IP地址ISP接入網(wǎng)PPP

協(xié)議至因特網(wǎng)PPP協(xié)議應(yīng)滿足的需求簡單——這是首要的要求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檢測檢測連接狀態(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PPP協(xié)議不需要的功能糾錯流量控制序號多點(diǎn)線路半雙工或單工鏈路1992年制訂了PPP協(xié)議。經(jīng)過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)議有三個組成部分一個將IP數(shù)據(jù)報封裝到串行鏈路的方法。鏈路控制協(xié)議LCP(Link

ControlProtocol)。網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議

NCP(NetworkControlProtocol)。

PPP協(xié)議的組成標(biāo)志字段

F

=0x7E（符號“0x”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0xFF。地址字段實(shí)際上并不起作用?？刂谱侄?/p>

C

通常置為0x03。PPP是面向字節(jié)的，所有的PPP

幀的長度都是整數(shù)個字節(jié)。PPP協(xié)議的幀格式PPP有一個2個字節(jié)的協(xié)議字段。當(dāng)協(xié)議字段為0x0021時，PPP幀的信息字段就是IP數(shù)據(jù)報。若為0xC021,則信息字段是PPP鏈路控制數(shù)據(jù)。若為0x8021，則表示這是網(wǎng)絡(luò)控制數(shù)據(jù)。

IP數(shù)據(jù)報1211字節(jié)12不超過1500字節(jié)PPP幀先發(fā)送7EFF03FACFCSF7E協(xié)議信息部分首部尾部PPP協(xié)議的幀格式當(dāng)PPP用在同步傳輸鏈路時，協(xié)議規(guī)定采用硬件來完成比特填充（和HDLC的做法一樣）。當(dāng)PPP用在異步傳輸時，就使用一種特殊的字符填充法。

透明傳輸問題將信息字段中出現(xiàn)的每一個0x7E字節(jié)轉(zhuǎn)變成為2字節(jié)序列(0x7D,0x5E)。若信息字段中出現(xiàn)一個0x7D的字節(jié),則將其轉(zhuǎn)變成為2字節(jié)序列(0x7D,0x5D)。若信息字段中出現(xiàn)ASCII碼的控制字符（即數(shù)值小于0x20的字符），則在該字符前面要加入一個0x7D字節(jié)，同時將該字符的編碼加以改變。字符填充零比特填充PPP協(xié)議用在SONET/SDH鏈路時，是使用同步傳輸（一連串的比特連續(xù)傳送）。這時PPP協(xié)議采用零比特填充方法來實(shí)現(xiàn)透明傳輸。在發(fā)送端，只要發(fā)現(xiàn)有5個連續(xù)1，則立即填入一個0。接收端對幀中的比特流進(jìn)行掃描。每當(dāng)發(fā)現(xiàn)5個連續(xù)1時，就把這5個連續(xù)1后的一個0刪除，01001111101000101001001111110001010010011111010001010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個連1之后填入0比特再發(fā)送出去在接收端把5個連1之后的0比特刪除會被誤認(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PPP協(xié)議之所以不使用序號和確認(rèn)機(jī)制是出于以下的考慮：在數(shù)據(jù)鏈路層出現(xiàn)差錯的概率不