计算机网络第4章课件.ppt

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1、2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,1,4.1 数据链路层的功能和基本概念链路和数据链路：数据链路层协议是建立在物理层基础上的，通过一些数据链路层协议，在邻接节点之间，不太可靠的物理链路上实现透明的、可靠的数据传输，为网络层提供服务。数据链路层传输的单位称为帧。,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,2,数据链路层的基本功能：链路管理帧同步流量控制差错控制透明传输数据信息和控制信息分开寻址,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,3,4.1.1差错控制传输差错：干扰引起传输数据的丢失或改变 。差错控制：在数据通信过程中，发现

2、、检测差错，对差错进行纠正，从而把差错限制在数据传输所允许的尽可能范围内的技术和方法。,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,4,差错控制方法自动检错重发法：采用具有检错能力的校验码，发现有错后控制重传。向前纠错：采用具有纠错能力的编码，在接收端不仅能检错，而且能纠错。混合纠错,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,5,差错控制编码： 为了检错纠错，通常随数据一起发送一小部分附加信息。发送计算机从数据中计算附加信息的值，接收计算机进行同样的计算来核对结果。,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,6,4.1

3、.2差错控制举例1.奇偶校验 在每个字符后面附加一位，使得字符中包含1的个数为奇/偶数个2.CRC校验 把数据看成二进制整数序列并且计算他们的和。大多数网络应用16位或32位校验和。,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,7,CRC(Cyclic Redundancy Check 若要发送的信息位为K位，其多项式为（K-1）次多项式，用一个特定的r次生成多项式G（X）去除xrK（X）所得到的余式就是循环冗余校验和R（X），即R（X）=xrK（X） MODG（X）,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,8,发送端 CRC校验码通常附加到

4、数据位序列后面，构成编码多项式F（X）， 然后发送，即： F（X）= xrK（X） + R（X）接收端 接收编码多项式F（X），并按如下操作进行校验： F（X） MOD G（X）=0无错 0有错,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,9,生成多项式G（X），常用的有： CRC-16=X16+X15+X2+1 CRC-CCITT=X16+X12+X5+1CRC检错效率非常高CRC由硬件实现，速度很快,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,10,例子 设:K（X）=1010110011 相当于X9 + X7 + X5 + X4 + X1

5、+ 1 G（X）=10101 相当于X4 + X2 + 1 R（X）=1011 F（X）= 10101100111011发方发F（X）收方做F（X）/ G（X）校验,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,11,4.1.3流量控制1.停止等待协议1）完全理想化的数据传输假定1：链路是理想的传输信道，所传送的任何数据既不会出差错也不会丢失。假定2：不管发方以多快的速率发送数据，收方总是来得及收下，并及时上交主机。这是不需要流量控制和差错控制，想发就发。,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,12,第4章 数据链路层,2022/12/10,

6、宁波工程学院 计算机网络,13,2)具有最简单流量控制的链路层协议下面我们去掉假定2，保留假定1讨论：这就需要流量控制了流量控制的基本方法是收方控制发方的发送速率在这里的方法是：发方每发送一帧就停下来等待收方的确认，然后发下一帧,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,14,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,15,3)实用的停止等待协议 现在去掉前面的两个假定，讨论实用的数据链路层协议，这就是说：传输数据的信道不是可靠的(即不能保证所传的数据不产生差错)并且还需要对数据的发送端进行流量控制。,第4章 数据链路层,2022/12/10

7、,宁波工程学院 计算机网络,16,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,17,协议要点：流量控制还是用发确认帧ACK的办法差错控制要复杂些1）若出错，收方向发方发送一个否认帧NAK，发方重发上一帧2）若帧丢失，发方设置超时定时器，定时到，发方重发上一帧3）若ACK丢失，也是定时到，发方重发上一帧4）重复帧，用编号区分5）实际是帧出错和帧丢失统一，收方什么也不做,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,18,2.连续ARQ协议1)为什么要使用连续ARQ协议停等协议效率低连续ARQ协议: 在发送完一个数据帧后，不是停下来等待应答帧，而是可以

8、连续再发送若干个数据帧。,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,19,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,20,2)连续ARQ协议的要点:数据帧要编号，应答帧本身也必须编号每个数据帧都要设置超时定时器ACKn表示收到第n-1号帧，希望接收n号帧。接收端只按续接收数据帧,当帧出错或丢失时,就丢弃后面的帧,当出现差错必须重传时，要向回走N个帧，然后再开始重传。,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,21,ARQ(Automatic Repeat reQuest) 自动请求重传: 发送端对出错的帧进行重传是自

9、动的,所以停等协议称为ARQ协议.连续ARQ协议,因为可以连续发N帧.同时也称为退后N帧协议,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,22,3)连续ARQ协议的特点连续ARQ协议一方面因连续发送数据帧而提高了效率。但另一方面，在重传时又必须把原来已正确传送过的数据帧进行重传，从而降低了效率。,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,23,3.滑动窗口的概念 连续ARQ协议在没有收到对方的确认信息情况下， 发送端实际上并不能无限制地发送其数据帧。 因为： (1)当未被确认的数据帧的数目太多时，只要有一帧出了差错，就可能有很多的数据帧需要重传

10、。 (2)为了对所发送出去的大量数据帧进行编号，每个数据帧的发送序号也要占用较多的比特数，这样又增加了一些不必要开销。,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,24,停等协议只需1位编号就可以了,可以重复使用0和1两个序号同理,连续ARQ协议也只需要若干位来编号重复使用就可以了,但需要某种控制机制这就是滑动窗口技术,这就是要在发送端和接收端分别设定所谓的发送窗口和接收窗口,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,25,发送窗口用来对发送端进行流量控制，而发送窗口的大小WT就代表在还没有收到对方确认信息的情况下发送端最多可以发送多少个数据帧

11、接收窗口WR设置在接收端，是为了控制可以接收哪些数据帧而不可以接收哪些帧。只有当收到的数据帧的发送序号落入接收窗口内才允许将该数据帧收下。先讨论发送窗口,假定用3位编号,0,17,并假定WT=5,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,26,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,27,(1)发送窗口规则:发送窗口内的帧是允许发送的帧，右侧的帧是不允许发送的帧。收到对几个帧的确认，发送窗口就向右滑动几个帧的位置。允许发送的帧里包括已发送未确认的帧和未发送的帧发出的帧要暂时保存,缓冲器的大小等于WT,第4章 数据链路层,2022/12/10

12、,宁波工程学院 计算机网络,28,(2)接收窗口规则:只有当收到的数据帧的发送序号落入接收窗口内才允许将该数据帧收下。否则一律将其丢弃。收到一个序号正确的帧，接收窗口即向前移动一个帧的位置，同时向发送端发送对该号帧的确认信息。,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,29,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,30,(3)接收窗口发送窗口的关系:只有在接收窗口向前移动时，发送窗口才有可能向前移动。正因为收发两端的窗口按照以上的规律不断地向前滑动，因此这种协议又称为滑动窗口协议。,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计

13、算机网络,31,(4)发送序号的长度与发送窗口大小的关系当数据帧的发送序号所占用的比特数一定时，发送窗口的最大值是多少？可以证明，当用n个比特进行编号时，若接收窗口的大小为1，则只有在发送窗口的大小WT2n-1时，连续ARQ协议才能正确运行。,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,32,(5)典型协议的WT和WR停等协议: WT=1 ，WR=1连续ARQ(Go-back-N ARQ) : WR=1 WT2n-1,若编号为n位,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,33,4.选择重传ARQ协议只重传出现差错的数据帧或者是定时器超时的数据

14、帧,这就是选择重传ARQ协议出错帧后的正确帧不需重传必须加大接收窗口,不影响发送窗口接收端要设置具有相当容量的缓存空间WT=WR=2n2,若n=3,则WT=WR=4适用于内存便宜的情况,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,34,6.连续ARQ(Go-back-N ARQ)小结发方可连续发,但超时重传出错后的所有帧收方收到错误帧什么也不做发出的帧要暂时保存若编号为n位，则WT2n-1, WR=1用队列存放已发的、未确认的帧适用质量好的信道,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,35,4.2 局域网（链路层和物理层）4.2.1局域网概述

15、 1.局域网的特点 （1）为一个单位所拥有 （2）地理范围有限 （3）速率高 2.局域网的拓扑结构（物理拓扑结构） （1）星形 （2）环形 （3）总线形 （4）树形,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,36,3.广播式通信 局域网共享通信媒体，称为多点接入4.2.2 IEEE 802标准1.局域网的结构局域网定义了链路层、物理层和传输介质数据链路层又分2个子层：LLC逻辑链路控制MAC媒体访问控制,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,37,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,38,（1）物理层的主要

16、功能信号的编码与译码； 为进行同步用的前同步码(preamble)的产生与去除；比特的传输与接收。（2）LLC子层的功能数据链路层中与媒体接入无关的部分都集中在逻辑链路控制LLC子层。建立和释放数据链路层的逻辑连接；提供与高层的接口；差错控制；给帧加上序号,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,39,第4章 数据链路层,（3）局域网的MAC子层的功能: 与接入各种传输媒体有关的问题都放在MAC子层。MAC子层还负责在物理层的基础上进行无差错的通信。将上层交下来的数据封装成帧进行发送(接收时进行相反的过程，将帧拆卸)；实现和维护MAC协议；比特差错检测；寻址。,20

17、22/12/10,宁波工程学院 计算机网络,40,（4）网络接口卡NIC：数据的封装与解封 发送时将LLC子层交下来的LLC PDU加上MAC子层的首部和尾部，成为MAC帧。接收时将MAC帧剥去首部和尾部，然后送交LLC子层；链路管理 主要是CSMA/CD协议的实现；编码与译码 即曼彻斯特编码与译码；串行、并行数据转换,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,41,第4章 数据链路层,2. IEEE802标准的内容1）802.1 概述、体系结构2）802.2 LLC3）802.3 以太网（CSMA/CD）4）802.4 令牌总线网5）802.5 令牌环形网6）802

18、.6 MAN7）802.11 无线局域网 ,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,42,4.2.3 以太网1.传统以太网基本特点传统以太网一般指10Mb/s以太网总线和星形以太网的两个标准： DIX Ethernet V2 802.3以太网采用无连接工作方式。不编号，不确认所以，以太网是提供的是不可靠服务使用CSMA/CD时，只能进行半双工通信,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,43,2.CSMA/CDCSMA/CD：载波监听多点接入/碰撞检测多点接入：总线型网络载波监听：每一站在发送数据前要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不

19、要发送数据，以免发生碰撞。碰撞检测：边发送数据边检测信道上是否发生碰撞，一旦信道发生冲突，立即停止发送，然后根据退避算放等待一段随机时间再次发送。从发送数据开始，经过特定的一段时间如果没有发生冲突，就不会发生冲突了，这段时间叫争用期,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,44,3.退避算法：设基本退避时间为t=（=51.2)K=重传次数，k=10从0,1,(2k-1)中随机取一个数设为r,重传的时延就是rt当重传次数达16次时，向上层报告,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,45,4.传统以太网的参数：传输速率=10Mbps比特宽度

20、100ns以太网的争用期为51.2微秒以太网的最短帧长：64字节(512比特）,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,46,5. CSMA/CD的特点（1）优点：简单（2）缺点：无优先权重负载效率低,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,47,6.传统以太网标准粗缆以太网10BASE5细缆以太网10BASE2双绞线以太网10BASET光纤以太网10BASEF10=10M, BASE=基带,5=500m,2=185mT=双绞线F=光纤,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,48,7.集线器一个集线器有许多端

21、口，每个端口相当于一个转发器集线器的每个端口都具有发送和接收数据的功能。某个端口接收到有效数据帧时，向各端口发送，有冲突，发干扰串。集线器采用了专门的芯片，进行自适应串音回波抵消数据在转发之前还要进行再生整形并重新定时便宜、可靠、易布线星型以太网在物理上是星型网，在逻辑上是总线网，各站仍执行CSMA/CD,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,49,8.5-4-3-2-1原则:5段,最长2500m4个转发器3段有机器2段没有机器1个冲突域,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,50,4.2.4 以太网的MAC子层1.MAC地址每个站都

22、有唯一的硬件地址（MAC地址、物理地址）地址是每个站的标识符，固化在网卡的ROM中局域网地址标准化为6字节，48位IEEE的注册管理委员会RAC是局域网地址的法定管理机构，负责分配地址字段的6个字节中的前三个字节(即高24位),它又称为“地址块”，或“厂商代码”后3个字节厂商自己定义，一般是序号,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,51,2.MAC地址的作用1)硬件地址的作用就是用来找到我们所要进行通信的计算机。2)网卡从网上每收到一个MAC帧就首先检查其硬件地址。如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他的处理。否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。这样就可不浪

23、费主机的处理机和内存资源。“发往本站的帧”包括以下三种帧： 单播(unicast)帧:即收到的帧的MAC地址与本站的硬件地址相同； 广播(broadcast)帧：即发送给所有站点的帧(全1地址)； 多播(multicast)帧：即发送给一部分站点的帧。,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,52,3. MAC帧格式前同步码1010101010101011(前导码和帧首定界）MAC帧的长度:最长1500,最短46无效的MAC帧:802.3标准规定下列情况之一的即为无效的MAC帧： (1)帧的长度与数据长度字段不一致； (2)帧的长度不是整数个字节； (3)用收到的帧

24、校验序列FCS查出有差错； (4)收到的帧的长度过大过小,对于效的MAC帧就丢 弃，不负责重传丢弃的帧,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,53,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,54,4.3.1 广域网的概念1.广域网的特点覆盖广大地理范围的计算机网络,由一些结点交换机以及连接这些交换机的链路组成。结点交换机执行分组路由选择和存储转发的功能。网状结构，点到点最高层是网络层使用物理层地址,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,55,2.新型广域网技术共性很少或没有流量控制和差错控制,前提误码率低主要

25、目的是提高速率最高网络层,但往往不到网络层,2层或2.5层很难和OSI/RM对应高层做差错控制和流量控制承载各种数据业务和作为因特网主干,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,56,4.3.2 面向比特的链路控制规程HDLC1.HDLC协议概述规程就是数据链路层的协议，分为： （1）面向字符就是说在链路上所传送的数据及控制信息必须是由规定字符集(例如ASCII码)中的字符所组成。（2）面向比特的规程：在链路上所传送的数据及控制信息可以是任意比特。,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,57,面向字符的缺点：(1)通信线路的利用率低，因

26、为它采用的是停止等待协议，收发双方交替地工作。(2)所有通信的设备必须使用同样字符代码，而不同版本的BSC规程要求使用不同的代码。(3)只对数据部分进行差错控制，若控制部分出错就无法控制，因而可靠性较差。(4)不易扩展。每增加一种功能就需要设定一个新的控制字符。,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,58,1974年，IBM公司推出了著名的体系结构SNA。在SNA的数据链路层规程采用了面向比特的规程SDLC 。后来国际标准化为HDLC(High-level Data Link Control)，译为高级数据链路控制规程主站、从站（次站）、复合站（组合站）等概念2种

27、配置，3种模式功能强大,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,59,2. HDLC的帧结构 数据链路层的数据传送是以帧为单位的。从网络层交下来的分组，变成为数据链路层的数据。 一个帧的结构具有固定的格式：,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,60,帧同步（标志F): 标志宇段F= 01111110 ，作为一个帧的边界。透明传输：零比特填充法在发送端，只要发现有5个连续1，则立即填入一个0,在接收一个帧时，先找到F宇段以确定帧的边界。每当发现5个连续1时，就将这5个连续1后的一个0删除，以还原成原来的比特流,第4章 数据链路层,202

28、2/12/10,宁波工程学院 计算机网络,61,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,62,地址字段A: 也是8个比特。在使用非平衡方式传送数据时，地址字段总是写入次站的地址。但在平衡方式时(采用ABM),地址字段总是填入应答站的地址。帧校验序列FCS字段: 共占16bit。它采用的生成多项式是x16+x12+x5+l，即CRC-CCITT。所校验的范围是从地址字段的第1个比特起，到信息字段的最末1个比特为止。,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,63,控制字段:标记帧类型，并附加控制信息,根据其最前面两个比特的取值，可将HDLC帧

29、划分为三大类，即信息帧I 、监督帧S和无编号帧U。,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,64,第4章 数据链路层,(1)监督帧,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,65,(2)无编号帧定义了15种，起控制作用 建立数据链路： 正常响应方式，置正常响应方式SNRM 异步平衡方式，置异步平衡方式SABM拆除数据链路：断连命令DISC对命令的确认：无编号确认UA,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,66,数据链路连接建立和拆除,第4章 数据链路层,B,SNRM,P,A,UA,F,主站A,从站B，C,A与B建立连接,A与C建立

30、连接,C,SNRM,P,A,UA,F,数据传送阶段,B,DISC,P,A,UA,F,C,DISC,P,A,UA,F,A与B释放连接,A与C释放连接,B,SABM,P,A,UA,F,B,DISC,P,A,UA,F,数据传送阶段,复合站A,复合站B,A与B建立连接,B与A释放连接,异步平衡方式,正常响应方式,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,67,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,68,4.3.3 Internet的点对点协议PPP1.PPP的原理接入Internet的两种方法： 拨号接入Internet 专线接入 在链路层使用PPP协议，点到点协议

31、对SLIP的改进，Internet的正式标准，支持差错检测、多种协议、允许连接时协商IP地址、允许身份验证.,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,69,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,70,2.PPP的帧结构,第4章 数据链路层,F,净荷,C,A,F,检查和,协议,标志7Eh，透明F：首尾传输采用字符填充A：地址字段，永远为FFh，表示所有站点都可以接收C：控制字段，默认为03h，表示无编号帧协议：指明净荷字段的包类型，支持LCP、NCP、IP、IPX、AppleTalk. LCP（链路控制协议），用于建立/拆除数据链路连接、

32、测试连接质量、协商参数. NCP（网络控制协议），用于协商网络层选项，如动态分配IP地址物理层：支持MODEM拨号、HDLC位串行线、SONET.,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,71,PPP是面向字节的，因而所有的PPP帧的长度都是整数个字节。PPP帧的前3个字段和最后两个字段和HDLC的格式是一样的。比HDLC多了一个2个字节的协议字段： 当协议字段为0 x0021时，信息字段就是IP数据报。 若为0 xC021，则信息字段是链路控制数据LCP。 而0 x8021表示这是网络控制数据NCP。,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,72,字符填充

33、法：将信息字段中出现的每一个0 x7E字节转变成为2字节序列(0 x7D，0 x5E)。若信息字段中出现一个0 x7D的字节，则将其转变成为2字节序列(0 x7D，0 x5D)。若信息字段中出现ASCII码的控制字符(即小于0 x20的字符)，则在该字符前面要加入一个0 x7D字节。,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,73,PPP不提供使用序号和确认的可靠传输。但保证无差错接受（差错检验）。在数据链路层差错率较低的时，使用比较简单的PPP协议较为合理。Internet环境下，IP是不可靠的，数据链路层没有必要提供可靠传输。最大净荷1500字节,第4章 数据链路

34、层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,74,LCP的功能：管理链路协商参数 如：最大传输单元、验证协议等NCP的功能：建立配置不同的网络层协议，如：IP协商数据包的格式和类型，包括IP地址,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,75,小结：数据链路层的基本功能差错控制：校验、确认、序号、重发流量控制：滑动窗口成帧透明传输帧格式广域网的概念HDLCPPP,第4章 数据链路层,2022/12/10,宁波工程学院 计算机网络,76,作业：P108：5,6,9补充：用实例HDLC中零比特插入删除技术000111110011111100011111110发：000111110001111101000111110110,第4章 数据链路层,