1、第4章 点对点信道的数据链路层,教学目标： 理解数据链路层的功能与作用； 掌握几种常用的帧同步方式； 理解差错控制的作用和原理； 了解点对点协议PPP； 理解数据链路层设备与组件的作用与特性。 教学难点：差错控制 教学时数：4学时,第4章 点到点信道的数据链路层,4.1 数据链路层的基本概念 4.2 三个基本问题 4.3 点对点协议PPP 4.4 数据链路层的设备与组件,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,4.1.1 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
2、机 H1 向 H2 发送数据,从层次上来看数据的流动,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,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,仅从数据链路层观察帧的流动,4.1.1 数据链路层的简单模型,网络层,网络层,数据链路层,数据链路层,物理层,物理层,结点A,结点B,IP数据报,IP数据报,帧,帧,10111,10111,装入,取出
3、,数据链路层要解决的主要问题,物理寻址如何识别不同的相邻节点或确定一个接收目标 数据链路的建立、维持和释放如何为相邻结点之间的可靠数据传输提供必要的数据链路建立、维持和释放机制 帧定界提供一种机制使得接收方能识别帧的开始与结束 透明传输不管从键盘上输入什么字符都可放在帧中传输 差错控制如何实现可靠的数据传输 如何将解决上述问题的机制或方法以协议的形式统一表达出来。,4.1.2 链路和数据链路,链路 (link) 就是从一个结点到相邻结点的一段物理线路，而中间没有任何其他的交换结点。 一条链路只是一条通信路径的一个组成部分。 把实现通信协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路（逻辑链路）。
4、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。 从数据发送结点到接收结点所经过的传输途径。,何为相邻节点？,相邻节点是指由同一物理链路直接连接的所有节点。,点到点(point to point)网络环境中的两个节点,由同一物理线路连接的共享介质环境中的节点,位于不同物理线路上，但由第一层网络设备（中继器或集线器）互连的节点,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,4.2.1 帧定界,IP数据报,帧的数据部分,帧首部,帧尾部,MTU,帧开始,帧结束,数据链路层的帧长,从这里开始发送,帧定界 (帧同步) 就是确定帧的界限。,帧定界,
5、利用控制字符进行定界,SOH：Start Of Header EOT：End Of Transmission,为什么要进行帧定界,异步传送方式：一次只传送一个字符，而不是一次就收到一个完整的帧。 同步传送方式：发送方是连续地发送数据帧，在接收方如何判断一个帧的开始和结束的位置。 发送帧时出现故障，如何判断是否应该接收当前帧。,4.2.2 透明传输,透明传输就是指无论在数据帧中出现什么样的数据都能够正确地传输过去。,字节插入法,每当在数据中出现字符“SOH”或“EOT”时就将其转换为另一个字符，而这个字符是不会被错误解释为控制字符的。,“ESC”叫做转义符,字节插入法解决透明传输问题,零比特填充
6、法,零比特的填充与删除,数据中某一段比特组合恰好 出现和标志字段一样的情况,0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 0,会被误认为是标志字段,发送端在 5 个连 1 之后 填入 0 比特再发送出去,填入 0 比特,0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0,4.2.3 差错检测,差错在接收端收到的数据和发送端发送的数据不一致的现象。误码率 传输错误的比特占所传输的比特总数的比率： PE=NE/N 误码率和数据传输速率一起构成了数据通信指标。,4.2.3 差错检测,差错控制 是指能够自动检测出比特流在通信信道传输过程中产生的错误或者发现错误并进
7、行纠正的方法。 可采用纠错码或检错码两种方案。,CRC检错技术,在数据链路层传送的帧中，广泛使用了循环冗余检验 CRC 的检错技术。 CRC检错技术思想 假设待传送的数据为 M（共k位） ，在数据M的后面添加供检错用的n位冗余码一起发送（一共发送k+n位）。 接收方把收到的帧除以同样的数P，得出余数R，若R=0，则传输过程中没有差错；否则，传输过程中出现误码。,CRC检错技术举例,假设待传送的数据 M = 101001（共k bit），收发双方事先协商的除数P=1101（或称：生成多项式为G(x)=x3+x2+1）。 用二进制的模 2 运算进行 2n 乘 M 的运算，这相当于在 M 后面添加
8、n 个0（n为生成多项式的次数）。 将k+n位的数以模2除法去除以数P，得出余数R。,冗余码的计算举例说明,M=101001， P = 1101， n = 3，模 2除法 运算的结果是：商 Q = 110101，余数 R = 001 将余数 R 作为冗余码添加在数据 M 的后面发送出去，即发送的数据是101001001,检测出差错,接收方对收到的数据除以P，只要得出的余数R不为 0，就表示检测到了差错。 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。 一旦检测出差错，就丢弃这个出现差错的帧。 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。
9、,CRC是一种检错技术,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。,CRC检错技术,CRC差错检测技术只能做到无差错接受，并不能认为能是链路层的传输可靠。 可靠传输应当是无差错、无丢失、无重复且按序接收。 链路层做到无差错传输，而由传输层协议TCP来进行可靠传送可以使整个通信效率大大提高。,4.3 点对点协议PPP,
10、4.3.1 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,4.3.1 PPP协议的特点,现在全世界使用得最多的数据链路层协议是点对点协议 PPP (Point-to-Point Protocol)。 用户接入因特网时，一般都是使用 PPP 协议。,用户拨号入网的示意图,路由器,调制解调器,调制解调器,因特网服务提供者(ISP),用户家庭,拨号电话线,使用 PPP协议的 TCP/IP连接,路由选择进程,至 因 特 网,PC 机,1、PPP协议应满足的需求,（1）简单 （2）封装成帧 （3）透明性 （4）支持多种网络层协议 （5）支持多种类型链路,1、PPP协
11、议应满足的需求,（6）差错检测 (error detection) （7）连接的活跃度 （8）最大传送单元 （9）网络层地址协商 （10）数据压缩协商,但一般不必纠错,2、PPP协议不需要的功能,（1）纠错 (error correction) （2）流量控制 （3）序号 （4）多点线路 （5）半双工或单工链路,PPP协议是不可靠传输协议,3、PPP协议的组成,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。 一个用来建立、配置、 测试数据链路连接的链路控制协议 LCP (Link Control Protocol) 。 一套网络控制协议NCP(Network Contro
12、l Protocol)。,4.3.2 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 0x0021 时，PPP 帧的信息字段就是IP 数据报。 若为 0xC021, 则信息字段是 PPP 链路控制数据。 若为 0x8021，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,标志字段 F 为 0x7E（ 即二进制的 01111110）,地址字段 A 置为 0xFF，实际上并不起作用,控制字段 C 通常置为 0x03,采用CRC
13、的帧校验序列,标志字段 F 为 0x7E （即二进制的 01111110）,字节填充,当PPP用在异步传输时，就使用一种特殊的字符填充法。 将信息字段中出现的每一个0x7E字节转变成为 2 字节序列(0x7D, 0x5E)。 若信息字段中出现一个0x7D的字节, 则将其转变成为 2 字节序列(0x7D, 0x5D)。 若信息字段中出现 ASCII 码的控制字符（即数值小于0x20的字符），则在该字符前面要加入一个 0x7D字节，同时将该字符的编码加以改变。,零比特填充,当PPP用在同步传输时，就使用零比特填充法进行填充。,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
14、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。 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。,4.3.4 PPP协议的工作状态,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 数据链路层的设备与组件,数据链路层的设备与组件是指那些同时具有物理层和数据链路层功能的设备或组件。 数据链路层的组件有网卡 数据链
15、路层的主要设备包括网桥和交换机。,网卡,局域网中提供各种网络设备与网络通信介质相连的接口，全名是网络接口卡（NIC，Network Interface Card），也叫网络适配器 。 主要实现数据的发送与接收、帧的封装与拆封、编码与解码、介质访问控制和数据缓存等功能。,用于台式PC机的以太网网卡,用于笔记本电脑的网卡,用于台式PC机无线局域网网卡,网卡分类,按照网络技术的不同可分为以太网卡、令牌环网卡、FDDI网卡、802.11卡等，以太网卡最常见； 按照传输速率，单以太网卡就提供了10Mbps、100Mbps、1000Mbps和10G等多种速率 。 按照总线类型，网卡可分为ISA总线网卡(已
16、淘汰)、EISA总线网卡、PCI总线网卡等 。 按照所支持的传输介质，网卡可分为双绞线网卡、粗缆网卡、细缆网卡、光纤网卡和无线网卡 。,网卡地址,网卡地址，又被称为：MAC地址、物理地址或硬件地址。 网卡地址由48bit长度的二进制数组成。其中，前24bit表示生产厂商，后24bit为生产厂商所分配的产品序列号。,网桥,Bridge，也叫桥接器。 工作在数据链路层的一种网络互连设备，其可以实现两个或多个LAN的互联； 主要功能包括： 物理上扩展网络 基于第二层地址的数据过滤功能 逻辑划分网络的功能 数据推进功能 帧格式转换功能,网桥的工作原理示意,交换机,Switch ，也是工作在数据链路层的
17、一种网络互连设备。 由网桥发展而来，是一种多端口的网桥，其通过在其内部配备大容量的交换式背板实现了高速数据交换。 根据涉及的第二层技术，分为以太网交换机、FDDI交换机、帧中继交换机、ATM交换机和令牌环交换机等。,交换机工作示意图,LAN1,LAN2,LAN3,LAN4,交换机与网桥的比较,相同性：均为OSI第二层的网络互连设备。交换机作为多端口网桥，具备了网桥所拥有的全部功能，如物理上扩展网络、逻辑上划分网络等。 区别：作为对网桥的改进设备，交换机：1)可以提供高密度的连接端口；2)采用的基于交换背板的虚电路连接方式，可为每个交换机端口提供更高的专用带宽；3)数据转发基于硬件实现，较网桥采用软件实现数据的存储转发具有更高的交换性能。,交换机作为多端口网桥的交换机可以取代多个网桥的作用，且具有更高的带宽,想一想,要发送的数据比特序列为1011001，CRC校验生成多项式为G(x)= x4+x3+1,试计算CRC校验码。 若接收方收到的二进制比特序列为10110011010，接收方采用的生成多项式为G(x)=x4+x3+1，则该二进制比特序列在传输中是否出现了差错，若没有差错，发送数据的比特序列和CRC校验码的比特序列分别为什么？,
