计算机网络-CH4点对点信道的数据链路层.ppt

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1、第4章 点对点信道的数据链路层,第 4 章 点对点信道的数据链路层,4.1 数据链路层的基本概念 4.1.1 数据链路层的简单模型 4.1.2 链路和数据链路4.2 三个基本问题 4.2.1 帧定界 4.2.2 透明传输 4.2.3 差错检测4.3 点对点协议 PPP4.3.1 PPP 协议的特点 4.3.2 PPP 协议的帧格式4.3.3 PPP 协议的工作状态4.4 HDLC 协议(略),数据链路层,数据链路层使用的信道主要有以下两种类型：点对点信道 这种信道使用一对一的点对点通信方式。广播信道 这种信道使用一对多的广播通信方式，因此过程较复杂。广播信道上连接的主机很多，因此必须使用专用的

2、共享信道协议来协调这些主机的数据发。,4.1 数据链路层的基本概念4.1.1 数据链路层的简单模型,局域网,广域网,主机 H1,主机 H2,路由器 R1,路由器 R2,路由器 R3,电话网,局域网,主机 H1 向 H2 发送数据,从层次上来看数据的流动,数据链路层的简单模型(续）,局域网,广域网,主机 H1,主机 H2,路由器 R1,路由器 R2,路由器 R3,电话网,局域网,主机 H1 向 H2 发送数据,链路层,应用层,运输层,网络层,物理层,链路层,应用层,运输层,网络层,物理层,链路层,网络层,物理层,链路层,网络层,物理层,链路层,网络层,物理层,R1,R2,R3,H1,H2,仅从数

3、据链路层观察帧的流动,这就是对等层通信,IP 数据报,1010 0110,帧,取出,数据链路层,网络层,链路,结点 A,结点 B,物理层,数据链路层,结点 A,结点 B,(a),(b),发送,接收,链路,IP 数据报,1010 0110,帧,装入,数据链路层传送的是 帧,仅从数据链路层观察帧的流动,封装过程,拆封装过程,数据链路层像个数字管道,常常在两个对等的数据链路层之间画出一个数字管道，而在这条数字管道上传输的数据单位是帧。早期的数据通信协议曾叫作通信规程(procedure)。因此在数据链路层，规程和协议是同义语。,4.1.2 链路和数据链路,链路(link)是一条无源的点到点的物理线路

4、段，中间没有任何其他的交换结点。一条链路只是一条通路的一个组成部分。数据链路(data link)除了物理线路外，还必须有通信协议来控制这些数据的传输，这就是我们常说的逻辑链路。若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。现在最常用的方法是使用适配器（即网卡）来实现这些协议的硬件和软件。一般的适配器都包括了数据链路层和物理层这两层的功能。,4.2 三个基本问题,帧定界就是确定帧的界限（边界）。透明传输网络的复杂机制对于端用户来说也是看不见的，因而是透明的。也就是用户不必关心传输过程的处理机制。差错控制就是控制差错。通信过程中的差错大致可分为两类：一类是由热噪声引起的随机错误；另一

5、类是由冲击噪声引起的突发错误。突发性错误影晌局部，而随机性错误影响全局。,导致差错的原因是？,4.2.1 帧定界,帧定界(framing)就是确定帧的界限。,帧结束,帧首部,IP 数据报,帧的数据部分,帧尾部,MTU,数据链路层的帧长,从这里开始发送,帧开始,用控制字符进行帧定界的方法举例,SOH,装在帧中的数据部分,帧,帧开始符,帧结束符,发送在前,EOT,4.2.2 透明传输,SOH,EOT,出现了“EOT”,被接收端当作无效帧而丢弃,被接收端误认为是一个帧,数据部分,EOT,完整的帧,发送在前,解决透明传输问题,发送端的数据链路层在数据中出现控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入一个转

6、义字符“ESC”(其十六进制编码是 1B)。字节填充(byte stuffing)或字符填充(character stuffing)接收端的数据链路层在将数据送往网络层之前删除插入的转义字符。如果转义字符也出现数据当中，那么应在转义字符前面插入一个转义字符。当接收端收到连续的两个转义字符时，就删除其中前面的一个。,SOH,SOH,ESC,SOH,EOT,ESC,ESC,z,ESC,y,ESC,z,ESC,x,原始数据,EOT,EOT,经过字节填充后发送的数据,字节填充,字节填充,字节填充,字节填充,发送在前,帧开始符,帧结束符,用字节填充法解决透明传输的问题,3.差错检测,比特在传输过程中可能

7、会产生差错：1 可能会变成 0 而 0 也可能变成 1。在一段时间内，传输错误的码元/比特占所传输码元/比特总数的比率称为误码率/误比特率。误码率与信噪比有很大的关系。为了保证数据传输的可靠性，在计算机网络传输数据时，必须采用各种差错检测措施。,循环冗余检验的原理,在数据链路层传送的帧中，广泛使用了循环冗余检验 CRC(Cyclic Redundancy Check)的检错技术。在发送端，先把数据划分为组。假定每组k位。假设待传送的一组数据 M=101001（现在k=6）。我们在 M 的后面再添加供差错检测用的 n 位冗余码一起发送。,冗余码的计算,用二进制的模 2 运算进行 2n 乘 M 的

8、运算，这相当于在 M 后面添加 n 个 0。得到的(k+n)位的数除以事先选定好的长度为(n+1)位的除数 P，得出商是 Q 而余数是 R，余数 R 比除数 P 少1 位（n 位）。这个P，有的书称之为生成多项式。,冗余码的计算举例,现在 k=6,M=101001。设 n=3,除数 P=1101，被除数是 2nM=101001000。模 2 运算的结果是：商 Q=110101，余数 R=001。把余数 R 作为冗余码添加在数据 M 的后面发送出去。发送的数据是：2nM+R 即：101001001，共(k+n)位。,110101 Q(商)P(除数)1101 101001000 2nM(被除数)1

9、101 1110 1101 0111 0000 1110 1101 0110 0000 1100 1101 001 R(余数)，作为 FCS,循环冗余检验的原理说明,帧检验序列 FCS,在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列 FCS(Frame Check Sequence)。循环冗余检验CRC和帧检验序列FCS并不等同。CRC 是一种常用的检错方法，而 FCS 是添加在数据后面的冗余码。FCS 可以用 CRC 这种方法得出，但 CRC 并非用来获得 FCS 的唯一方法。,接收端对收到的每一帧进行 CRC 检验,若得出的余数 R=0，则判定这个帧没有差错，就接受(accept)。若余数 R 0

10、，则判定这个帧有差错，就丢弃。但这种检测方法并不能确定究竟是哪一个或哪几个比特出现了差错。只要经过严格的挑选，并使用位数足够多的除数 P，那么出现检测不到的差错的概率就很小很小。,应当注意,仅用循环冗余检验CRC差错检测技术只能做到无差错接受。“无差错接受”是指：“凡是接受的帧（即不包括丢弃的帧），我们都能以非常接近于 1 的概率，认为这些帧在传输过程中没有产生差错”。也就是说：“凡是接收端数据链路层接受的帧都没有传输差错”（有差错的帧就丢弃而不接受）。要做到“可靠传输”（即发送什么就收到什么）就必须再加上确认和重传机制。,4.3 点对点协议 PPP 4.3.1 点对点协议的特点,现在全世界使

11、用得最多的数据链路层协议是点对点协议 PPP(Point-to-Point Protocol)。用户使用拨号电话线接入因特网时，一般都是使用 PPP 协议。,用户到 ISP 的链路使用 PPP 协议,用户,至因特网,已向因特网管理机构申请到一批 IP 地址,ISP,接入网,PPP 协议,1.PPP 协议应满足的需求,简单封装成帧 透明性 多种网络层协议 多种类型链路 差错检测 检测活跃度（即检测连接状态）最大传送单元 网络层地址协商 数据压缩协商,2.PPP 协议不需要的功能,纠错 流量控制 序号 多点线路 半双工或单工链路,3.PPP 协议的组成,1992 年制订了 PPP 协议。经过 19

12、93 年和 1994 年的修订，现在的 PPP 协议已成为因特网的正式标准RFC 1661。PPP 协议有三个组成部分 一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法。链路控制协议 LCP(Link Control Protocol)。网络控制协议 NCP(Network Control Protocol)。,4.3.2 PPP 协议的帧格式,标志字段 F=0 x7E（符号“0 x”表示后面的字符是用十六进制表示。十六进制的 7E 的二进制表示是 01111110）。地址字段A只置为0 xFF，地址字段实际上并不起作用。控制字段 C 通常置为 0 x03。PPP 是面向字节的，所有PPP帧长度都是整

13、数字节。,PPP 协议的帧格式,PPP 有一个 2 个字节的协议字段。当协议字段为 0 x0021 时，PPP 帧的信息字段就是IP 数据报。若为 0 xC021,则信息字段是 PPP 链路控制数据。若为 0 x8021，则表示这是网络控制数据。,IP 数据报,1,2,1,1,字节,1,2,不超过 1500 字节,PPP 帧,先发送,7E,FF,03,F,A,C,FCS,F,7E,协议,信 息 部 分,首部,尾部,透明传输问题,当 PPP 用在同步传输链路时，协议规定采用硬件来完成比特填充（和 HDLC 的做法一样）。当 PPP 用在异步传输时，就使用一种特殊的字符填充法。,字符填充,将信息字

14、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（即数值小于 0 x20 的字符），则在该字符前面要加入一个 0 x7D 字节，同时将该字符的编码加以改变。,零比特填充,PPP 协议用在 SONET/SDH 链路时，是使用同步传输（一连串的比特连续传送）。这时 PPP 协议采用零比特填充方法来实现透明传输。在发送端，只要发现有 5 个连续 1，则立即填入一个 0。接收端对帧中的比特流进行扫描。每当发现 5 个连续1时，就

15、把这 5 个连续 1 后的一个 0 删除。,0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0,0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 0,0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0,信息字段中出现了和标志字段 F 完全一样的 8 比特组合,发送端在 5 个连 1 之后填入 0 比特再发送出去,在接收端把 5 个连 1之后的 0 比特删除,会被误认为是标志字段 F,发送端填入 0 比特,接收端删除填入的 0 比特,零比特填充,不提供使用序号和确认的可靠传输,PPP 协议之所以不使用序号和确认机制是出于以下的考虑：在数据链路

16、层出现差错的概率不大时，使用比较简单的 PPP 协议较为合理。在因特网环境下，PPP 的信息字段放入的数据是 IP 数据报。数据链路层的可靠传输并不能够保证网络层的传输也是可靠的。帧检验序列 FCS 字段可保证无差错接受。,4.3.3 PPP 协议的工作状态,当用户拨号接入 ISP 时，路由器的调制解调器对拨号做出确认，并建立一条物理连接。PC 机向路由器发送一系列的 LCP 分组（封装成多个 PPP 帧）。这些分组及其响应选择一些 PPP 参数，和进行网络层配置，NCP 给新接入的 PC机分配一个临时的 IP 地址，使 PC 机成为因特网上的一个主机。通信完毕时，NCP 释放网络层连接，收回

17、原来分配出去的 IP 地址。接着，LCP 释放数据链路层连接。最后释放的是物理层的连接。,PPP 协议的状态图,建立,失败,失败,NCP 配置,鉴别成功,通信结束,载波停止,检测到 载波,双方协商一些选项,鉴别,网络,打开,终止,静止,4.4 HDLC 协议（略）,1974年，IBM公司推出了面向比特的规程SDLC(Synchronous Data Link Control)。后来ISO把SDLC修改后称为HDLC(High-level Data Link Control)，作为国际标准ISO3309。CCITT则将HDLC再修改后称为链路接入规程LAP(Link Access Procedu

18、re)。不久，HDLC的新版本又把LAP修改为LAPB，“B”表示平衡型(Balanced)，所以 LAPB叫做平衡链路接入（访问）规程(平衡型)。,HDLC 的帧结构,标志字段 F(Flag)为 6 个连续 1 加上两边各一个 0 共 8 位。在接收端只要找到标志字段就可确定一个帧的位置。,字节,1,1,1,可变,2,1,信息 Info,标志 F,标志 F,地址 A,控制 C,帧检验序列 FCS,透明传输区间,FCS 检验区间,其他字段,地址字段 A 是 8 位。帧检验序列 FCS 字段共 16 位。所检验的范围是从地址字段的第一位起，到信息字段的最末一位为止。控制字段 C 共 8 位，是最复杂的字段。HDLC 的许多重要功能都靠控制字段来实现。,小结,数据链路层的基本概念数据链路层的三个问题数据链路层的协议实例作业,