计算机网络-第四章-数据链路层课件

第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层学习要求学习要求n了解数据传输过程中差错产生的原因与了解数据传输过程中差错产生的原因与性质性质;n掌握差错控制的方法掌握差错控制的方法;n掌握数据链路层的基本概念掌握数据链路层的基本概念;n了解面向字符型数据链路层协议了解面向字符型数据链路层协议BSC；n掌握面向比特型数据链路层协议掌握面向比特型数据链路层协议HDLC；n掌握掌握Internet中的数据链路层协议中的数据链路层协议PPP。第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层4.1 4.1 差错产生与差错控制方法差错产生与差错控制方法n为什么要设计数据链路层为什么要设计数据链路层n差错产生的原因和差错类型差错产生的原因和差错类型n误码率的定义误码率的定义n检错码与纠错码检错码与纠错码 第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层4.1.1为什么要设计数据链路层为什么要设计数据链路层n在原始的物理传输线路上传输数据信号是有在原始的物理传输线路上传输数据信号是有差错的差错的;n设计数据链路层的目的是通过差错控制和流设计数据链路层的目的是通过差错控制和流量控制等机制量控制等机制,使有差错的线路变得无差错使有差错的线路变得无差错;n向上层提供质量保证向上层提供质量保证.第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层4.1.2差错产生的原因和差错类型差错产生的原因和差错类型n热噪声热噪声n冲击噪声冲击噪声4.1.3误码率的定义误码率的定义误码率是指二进制比特在数据传输系统中被传误码率是指二进制比特在数据传输系统中被传错的概率错的概率.Pe=Ne/N第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层4.1.4 检错码与纠错码检错码与纠错码 前向纠错码前向纠错码 检错码：循环冗余码检错码：循环冗余码第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层4.1 4.1 差错产生与差错控制方法差错产生与差错控制方法n循环冗余编码循环冗余编码(CRC)将要发送的数据比特序列当做一个多项式将要发送的数据比特序列当做一个多项式f(x)的系数，在发送端用收发双方预先约定的的系数，在发送端用收发双方预先约定的生成多项式生成多项式G(x)去除，求得一个余数多项式。去除，求得一个余数多项式。将余数多项式加到数据多项式之后发送到接收将余数多项式加到数据多项式之后发送到接收端。在接收端用同样的生成多项式去除接收数端。在接收端用同样的生成多项式去除接收数据多项式据多项式f(x)，如果余数为，如果余数为0，则表示传输无差，则表示传输无差错；否则，表示传输有差错。错；否则，表示传输有差错。第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层n传送的数据为传送的数据为2n f(x)+R f(x)-待传送的数据待传送的数据 R-为检验差错而添加上的余数，共为检验差错而添加上的余数，共nbit，又，又称帧校验序列称帧校验序列FCS 2n f(x)-将将f(x)左移左移n位位nR的求法的求法 在发送端在发送端 2n f(x)/G(x)，余数即是，余数即是R G(x)-事先选定好的数事先选定好的数（n+1)bit，生成多，生成多项式项式n接收端（接收端（2n f(x)+R）/G(x)，若余数不为，若余数不为0，则表示检测到了误差。则表示检测到了误差。第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层例如：例如：f(x)为为101110，G(X)=1001 n为为3 f(x)23=101110000 f(x)/G(X)（模（模2算术）得算术）得余数余数 R=011（FCS)传送的数据为传送的数据为 101110011注：模注：模2算术进行加法时每算术进行加法时每位都不进位，减法不借位，位都不进位，减法不借位，加法与减法结果相同。加法与减法结果相同。f f第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层4.1 4.1 差错产生与差错控制方法差错产生与差错控制方法CRC生成多项式（国际标准）生成多项式（国际标准）CRC-12 G(x)=x12+x11+x3+x2+x+1CRC-16 G(X)=x16+x15+x2+1CRC-CCITT G(X)=x16+x12+x5+1（HDLC)CRC-32 G(x)=x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1(以太网）以太网）第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层CRCCRC检验方法的特点：检验方法的特点：（1 1）能检查出全部单个错；）能检查出全部单个错；（2 2）能检查出全部离散的二位错；）能检查出全部离散的二位错；（3 3）能检查出全部奇数个错；）能检查出全部奇数个错；（4 4）能检查出全部长度小于或等于）能检查出全部长度小于或等于n n位的位的突发错；突发错；（5 5）能以）能以1-1-（1/21/2）n-1n-1 的概率检查出长的概率检查出长度为（度为（n+1)n+1)位的突发错。位的突发错。第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层4.1.5 差错控制机制差错控制机制 反馈重发机制：自动重发请求（反馈重发机制：自动重发请求（ARQ)ARQ)方法方法 第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层1.1.停止等待方式停止等待方式 发送方在发送完一数据帧后，要等待发送方在发送完一数据帧后，要等待接收方的应答帧的到来。接收方的应答帧的到来。第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层2.2.连续工作方式连续工作方式 发送方可以连续向接收方发送数据帧，接收方对发送方可以连续向接收方发送数据帧，接收方对接收的数据帧进行校验，然后向发送方回应答帧。接收的数据帧进行校验，然后向发送方回应答帧。拉回方式拉回方式选择重发方式选择重发方式第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层4.2 4.2 数据链路层的基本概念数据链路层的基本概念4.2.1 物理线路与数据链路物理线路与数据链路n线路线路 链路链路n物理线路物理线路 数据链路数据链路第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层4.2.2 数据链路层主要功能数据链路层主要功能n链路管理：数据链路的建立、维持和释放。链路管理：数据链路的建立、维持和释放。n帧同步：指收方应当能从收到的比特流中准确地区分出帧同步：指收方应当能从收到的比特流中准确地区分出一帧的开始和结束的位置。一帧的开始和结束的位置。n流量控制：发方发送数据的速率必须使收方来得及接收，流量控制：发方发送数据的速率必须使收方来得及接收，当收方来不及接收时，就必须及时控制发方发送数据的当收方来不及接收时，就必须及时控制发方发送数据的速率。速率。由收方控制发方的数据流由收方控制发方的数据流，乃是计算机网络中，乃是计算机网络中流量控制的一个基本方法。流量控制的一个基本方法。4.2 4.2 数据链路层的基本概念数据链路层的基本概念第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层n透明传输：当所传的数据中出现了控制字符时，就透明传输：当所传的数据中出现了控制字符时，就必须采取适当的措施，使接收方不至于将数据误认必须采取适当的措施，使接收方不至于将数据误认为是控制信息。为是控制信息。n寻址：必须保证每一帧都能发送到正确的目的站。寻址：必须保证每一帧都能发送到正确的目的站。第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层4.2.3 数据链路层向网络层提供的服务数据链路层向网络层提供的服务 面向连接确认服务面向连接确认服务 无连接确认服务无连接确认服务 无连接不确认服务无连接不确认服务第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层 4.3 4.3 面向字符型数据链路层协议面向字符型数据链路层协议什么是面向字符型协议什么是面向字符型协议?以字符为控制传输信息的基本单元以字符为控制传输信息的基本单元 ASIICASIIC码：码：格式字符：格式字符：SOH（start of heading）报头开始报头开始 STX（start of text）正文开始正文开始 ETB（end of transmission block）正文信息组结束正文信息组结束 ETX（end of text）正文结束正文结束 控制字符：控制字符：ACK（acknowledge）肯定应答肯定应答 NAK（negative acknowledge）否定应答否定应答 ENQ（enquire）询问对方，并要求回答询问对方，并要求回答 EOT（end of transmission）传输结束传输结束 SYN（synchrous）同步同步 DLE（data link escape）转义字符转义字符第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层n面向字符型面向字符型BSC协议的数据报文格式：协议的数据报文格式：第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层4.4 4.4 面向比特型数据链路层协议面向比特型数据链路层协议4.4.1 HDLC产生的背景产生的背景 面向字符型数据链路层协议的缺点：面向字符型数据链路层协议的缺点：n控制报文和数据报文格式不一样；控制报文和数据报文格式不一样；n系统每增加一种功能就需要设定一个新的控制字符，系统每增加一种功能就需要设定一个新的控制字符，因此功能扩展困难；因此功能扩展困难；n停止等待发送方式，传输效率低。停止等待发送方式，传输效率低。面向比特型协议的设计目标：面向比特型协议的设计目标：n以比特作为传输控制信息的基本单元；以比特作为传输控制信息的基本单元；n数据帧与控制帧格式相同；数据帧与控制帧格式相同；n连续发送方式，传输效率高。连续发送方式，传输效率高。第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层4.4.2 4.4.2 数据链路的配置和数据传送方式数据链路的配置和数据传送方式数据链路的配置数据链路的配置n非平衡配置非平衡配置n平衡配置平衡配置非平衡配置中的主站与从站非平衡配置中的主站与从站n主站：控制数据链路的工作过程。主站发出命令主站：控制数据链路的工作过程。主站发出命令 n从站：接受命令，发出响应，配合主站工作从站：接受命令，发出响应，配合主站工作非平衡配置中的结构特点非平衡配置中的结构特点n点点-点方式点方式n多点方式多点方式第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层数据链路的非平衡配置方式数据链路的非平衡配置方式第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层非平衡配置方式非平衡配置方式正常响应模式（正常响应模式（normal response mode，NRM）n主站可以随时向从站传输数据帧；主站可以随时向从站传输数据帧；n从站只有在主站向它发送命令帧进行探询（从站只有在主站向它发送命令帧进行探询（poll），从），从站响应后才可以向主站发送数据帧。站响应后才可以向主站发送数据帧。异步响应模式（异步响应模式（asynchronous response mode，ARM）n主站和从站可以随时相互传输数据帧；主站和从站可以随时相互传输数据帧；n从站可以不需要等待主站发出探询就可以发送数据；从站可以不需要等待主站发出探询就可以发送数据；n主站负责数据链路的初始化、链路的建立、释放与差主站负责数据链路的初始化、链路的建立、释放与差错恢复等功能。错恢复等功能。第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层平衡配置方式平衡配置方式 n链路两端的两个站都是复合站（链路两端的两个站都是复合站（combined station）；）；n复合站同时具有主站与从站的功能；复合站同时具有主站与从站的功能；n每个复合站都可以发出命令与响应；每个复合站都可以发出命令与响应；n平衡配置结构中只有异步平衡模式平衡配置结构中只有异步平衡模式（asynchronous balanced mode，ABM）；）；n异步平衡模式的每个复合站都可以平等地发起异步平衡模式的每个复合站都可以平等地发起数据传输，而不需要得到对方复合站的许可。数据传输，而不需要得到对方复合站的许可。第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层4.4 4.4 面向比特型数据链路层协议面向比特型数据链路层协议高级数据链路控制（高级数据链路控制（HDLCHDLC）具有两种不同）具有两种不同的实现方式：的实现方式：n高级数据链路控制正常响应模式即高级数据链路控制正常响应模式即 HDLC HDLC NRMNRM（又称为（又称为SDLCSDLC）n HDLC HDLC 链路访问过程平衡（链路访问过程平衡（LAPBLAPB）。）。其中第二种使用更为普遍。其中第二种使用更为普遍。HDLC HDLC 是是 X.25 X.25 栈的一部分。栈的一部分。第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层 4.4.3 HDLC的帧结构的帧结构nF（flag）：固定格式固定格式 01111110 作用作用 帧同步帧同步 传输数据的透明性（传输数据的透明性（零零比特插入与删除）比特插入与删除）nA（address）：地址地址nC（control）：帧的类型、帧的编号、命令与控制信息帧的类型、帧的编号、命令与控制信息nI（information）：网络层数据网络层数据nCRC（checksum）：校验校验A、C、I字段的数据字段的数据 G(X)=X16+X12+X5+1第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层零比特插入零比特插入/删除工作过程删除工作过程第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层帧类型及控制字段的意义帧类型及控制字段的意义信息帧信息帧(I(I帧帧)：在链路上传送数据，并封装高层数据；：在链路上传送数据，并封装高层数据；监控帧监控帧(S(S帧）帧）：用于实现流量控制和差错恢复功能；：用于实现流量控制和差错恢复功能；无编号帧（无编号帧（U U帧）帧）：提供链路的初始化和终止操：提供链路的初始化和终止操作。作。第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层nI帧帧 N（S）发送发送帧的顺序号帧的顺序号 N（R）接收帧的顺序号，表示接收帧的顺序号，表示一一个站正确接个站正确接收序号收序号N N（R R）-1-1及其以前的各帧，希望发送站发送及其以前的各帧，希望发送站发送序号为序号为N N（R R）的帧。）的帧。N N（R R）带有捎带确认的意思。）带有捎带确认的意思。P/F=Poll/Final，P=1 询问，询问，F=1 响应响应 P与与F成对出现成对出现第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层S帧帧：监控功能位监控功能位b b2 2 b b3 3帧名帧名功能功能0 00 0RRRR接收准备就绪接收准备就绪确认序号为确认序号为N N（R R）-1-1及其以前及其以前的各帧的各帧1 01 0RNRRNR未准备好接收未准备好接收暂停接收下一帧，但确认序号暂停接收下一帧，但确认序号为为N N（R R）-1-1及其以前的各帧及其以前的各帧0 10 1REJREJ拒绝拒绝N N（R R）以后的各帧被否认，但）以后的各帧被否认，但确认序号为确认序号为N N（R R）-1-1及其以前及其以前的各帧的各帧1 11 1SREJSREJ选择拒绝选择拒绝只否认序号为只否认序号为N N（R R）的帧，但）的帧，但确认序号为确认序号为N N（R R）-1-1及其以前及其以前的各帧的各帧第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层U帧帧：用于实现数据链路控制功能用于实现数据链路控制功能第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层数据链路层的工作工程数据链路层的工作工程第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层4.5 Internet4.5 Internet中的数据链路层中的数据链路层Internet中主要的数据链路层协议中主要的数据链路层协议nSLIP（Serial Line IP）串行线路的串行线路的Internet数据链路层协议数据链路层协议nPPP（Point-to-Point Protocol）点点-点协议点协议nSLIP与与PPP用于串行通信的拨号线路上，是目用于串行通信的拨号线路上，是目前家庭计算机或公司用户通过前家庭计算机或公司用户通过ISP接到接到Internet主要的协议。主要的协议。第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层PPP协议基本特点协议基本特点nPPP协议是协议是Internet标准，标准，RFC 1660、RFC 1661定定义了义了PPP协议与帧结构；协议与帧结构；nPPP协议处理了差错检测，支持面向字符型协议与面协议处理了差错检测，支持面向字符型协议与面向比特型协议向比特型协议,可以支持可以支持IP协议及其他一些网络层协议协议及其他一些网络层协议（例如（例如IPX协议）；协议）；nPPP协议不仅在拨号电话线，并且在路由器协议不仅在拨号电话线，并且在路由器路由器之路由器之间的专用线上广泛应用间的专用线上广泛应用;nPPP协议是在大多数家庭个人计算机和协议是在大多数家庭个人计算机和ISP之间使用的之间使用的协议，它可以作为在高速广域网和社区宽带网协议族协议，它可以作为在高速广域网和社区宽带网协议族的一部分。的一部分。第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层PPPPPP协议的帧分为协议的帧分为3 3类类nPPPPPP信息帧信息帧nPPPPPP链路控制链路控制LCPLCP帧帧nPPPPPP网络控制网络控制NCPNCP帧帧第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层PPPPPP协议提供的功能协议提供的功能n用于串行链路的基于用于串行链路的基于HDLCHDLC数据帧封装机制；数据帧封装机制；n链路控制协议（链路控制协议（LCPLCP）用以建立、配置、管）用以建立、配置、管理和测试数据链路链接；理和测试数据链路链接；n网络控制协议（网络控制协议（NCPNCP）用以建立和配置不同）用以建立和配置不同的网络层协议。的网络层协议。第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层PPP信息帧格式信息帧格式 n 标志（标志（flag）：）：01111110n 地地址址（address）：值值为为“FF”（11111111），表表示示网网中中所有的站都接收该帧所有的站都接收该帧n 控制控制（control）：值为值为“03”（00000011）n 协协议议（protocol）：长长度度为为2字字节节，它它标标识识出出网网络络层层协协议议数数据域的类型。常用的网络层协议的类型主要有：据域的类型。常用的网络层协议的类型主要有：0021HTCP/IP 0023HOSI 0027HDECn数据字段：数据字段：长度可变长度可变第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层链路控制帧（链路控制帧（LCP）与网络控制帧（）与网络控制帧（NCP）n链路控制帧（链路控制帧（LCP）n网络控制帧（网络控制帧（NCP）第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层PPPPPP链路控制帧链路控制帧一台计算机通过一台计算机通过ISPISP成为成为InternetInternet中一台临中一台临时主机工作过程：时主机工作过程：n个人计算机通过调制解调器呼叫个人计算机通过调制解调器呼叫ISPISP的路由器；的路由器；n在路由器的调制解调器回答了电话呼叫后，物在路由器的调制解调器回答了电话呼叫后，物理连接建立；理连接建立；n个人计算机发送给路由器的链路控制帧用来指个人计算机发送给路由器的链路控制帧用来指定定PPPPPP协议数据链路的选择。协议数据链路的选择。第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层PPPPPP网络控制帧网络控制帧用来动态地协商确定链路每一端的用来动态地协商确定链路每一端的IPIP地址。地址。n ISPISP可以在一个用户登录时动态地给这台计算可以在一个用户登录时动态地给这台计算机分配一个临时的机分配一个临时的IPIP地址。网络控制帧配置网络地址。网络控制帧配置网络层，获取一个临时的层，获取一个临时的IPIP地址；地址；n当用户结束此次访问时，网络控制帧断开网络连当用户结束此次访问时，网络控制帧断开网络连接并释放接并释放IPIP地址；地址；n再使用链路控制帧断开数据链路连接；再使用链路控制帧断开数据链路连接；n个人计算机再通过调制解调器断开电话线路，并个人计算机再通过调制解调器断开电话线路，并释放物理连路。释放物理连路。第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层小结小结n物理传输线路上传输数据信号是有差错的；物理传输线路上传输数据信号是有差错的；n误误码码率率是是指指二二进进制制比比特特在在数数据据传传输输过过程程中中被被传传错错的概率；的概率；n数数据据链链路路层层是是将将一一条条原原始始的的、有有差差错错的的物物理理线线路路变为对网络层无差错的数据链路；变为对网络层无差错的数据链路；n数数据据链链路路层层完完成成链链路路管管理理、帧帧传传输输、流流量量控控制制、差错控制等功能；差错控制等功能；第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层第四章：数据链路层n数数据据链链路路层层协协议议基基本本可可以以分分为为两两类类：面面向向字字符符型型与与面面向比特型；向比特型；n数据链路层的数据传送单位是帧，帧具有固定的结构；数据链路层的数据传送单位是帧，帧具有固定的结构；nHDLC的的帧帧分分为为信信息息帧帧（I帧帧）、无无编编号号帧帧（U帧帧）与与监监控帧（控帧（S帧）；帧）；nInternet数据链路层主要的协议是数据链路层主要的协议是PPP协议；协议；nPPP协协议议不不仅仅用用于于拨拨号号电电话话线线，并并且且可可以以用用于于路路由由器器路由器之间的专用线路上；路由器之间的专用线路上；n循循环环冗冗余余编编码码CRC 码码是是目目前前应应用用最最广广、检检错错能能力力很很强强的一种检错码编码方法。的一种检错码编码方法。