第6章數(shù)據(jù)鏈路層

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)-第6章數(shù)據(jù)鏈路層目錄數(shù)據(jù)鏈路層功能和服務(wù)鏈路和數(shù)據(jù)鏈路成幀物理地址和地址映射流量控制差錯(cuò)控制數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議：HDLC，PPP數(shù)據(jù)鏈路層功能和服務(wù)數(shù)據(jù)鏈路層為網(wǎng)絡(luò)層提供這樣的服務(wù)，在相鄰節(jié)點(diǎn)間傳遞IP數(shù)據(jù)報(bào)鏈路和數(shù)據(jù)鏈路鏈路指的是一條無源的點(diǎn)對點(diǎn)的物理路線，中間沒有任何結(jié)點(diǎn)，鏈路也稱數(shù)據(jù)電路、物理鏈路物理鏈路和它上面運(yùn)行的鏈路層協(xié)議一起組成了數(shù)據(jù)鏈路兩大類鏈路點(diǎn)對點(diǎn)的鏈路共享鏈路鏈路層的主要功能成幀差錯(cuò)控制流量控制鏈路管理MAC尋址區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)與控制信息成幀數(shù)據(jù)鏈路層要在網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)前面添加首部和尾部，封裝成幀幀是數(shù)據(jù)鏈路層的傳輸單位幀同步數(shù)據(jù)鏈路層使用幀同步技術(shù)來區(qū)分每一幀的開始和結(jié)束字節(jié)計(jì)數(shù)法含字節(jié)填充的分界符法含位填充的分界標(biāo)志法物理層編碼違例法字節(jié)計(jì)數(shù)法含字節(jié)填充的分界符法需要使用轉(zhuǎn)義字符ESC含位填充的分界標(biāo)志法零比特填充法物理層編碼違例法將數(shù)據(jù)比特“1”編碼成“高－低”電平對，將數(shù)據(jù)比特“0”編碼成“低－高”電平對。“高－高”電平對和“低－低”電平對在數(shù)據(jù)比特中是違法的，可以借用這些違法編碼序列來界定幀的起始與終止。物理地址數(shù)據(jù)鏈路層上的地址稱為物理地址或硬件地址。物理地址通常是固化在網(wǎng)絡(luò)接口（網(wǎng)卡）內(nèi)的ROM內(nèi)，是不可更改的，一個(gè)物理地址可以確定網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)站點(diǎn)。在生成數(shù)據(jù)幀時(shí)，幀的首部通常會(huì)寫入地址信息，用以保證數(shù)據(jù)幀被正確的站點(diǎn)接收物理地址和IP地址IP地址在網(wǎng)絡(luò)層，IP的首部要寫入IP地址。物理地址在數(shù)據(jù)鏈路層，幀的首部要寫入物理地址IP地址是邏輯地址，可以人為指定。但物理地址是固化在網(wǎng)絡(luò)接口的，物理地址和IP地址IP數(shù)據(jù)報(bào)在經(jīng)過多個(gè)站點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)過程中，IP首部的源IP和目的IP不會(huì)發(fā)生變化；而幀首部中的源物理地址和目的物理地址在每段鏈路上都會(huì)發(fā)生變化地址映射和ARP對于數(shù)據(jù)鏈路層，當(dāng)收到IP數(shù)據(jù)報(bào)和下一站的IP地址后，需要將IP數(shù)據(jù)報(bào)封裝成幀，在幀的首部應(yīng)該寫入下一站的物理地址。如何能夠從下一站的IP地址獲得下一站的物理地址？這就是地址映射問題。地址解析協(xié)議（AddressResolutionProtocol,ARP）來完成從IP地址到物理地址的映射ARP的工作原理ARP報(bào)文格式ARP緩存避免每次都廣播ARP請求，ARP協(xié)議設(shè)置了ARP緩存。每次收到ARP應(yīng)答，都將IP地址和物理地址的映射關(guān)系緩存起來。每次要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先查找ARP緩存，看其中是否有目的IP所對應(yīng)的物理地址，如果有，直接取出來即可；如果沒有，再廣播ARP請求流量控制鏈路層需要限制發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)幀的速度，以免造成接收方緩沖溢出兩種方法停止等待滑動(dòng)窗口停等基本原理實(shí)用的停等協(xié)議滑動(dòng)窗口數(shù)據(jù)鏈路層常用的是滑動(dòng)窗口協(xié)議來控制數(shù)據(jù)幀的連續(xù)發(fā)送?；瑒?dòng)窗口協(xié)議在發(fā)送方保持一個(gè)連續(xù)的序號(hào)表，表示允許發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的序號(hào)，稱為發(fā)送窗口在接收方也保持一個(gè)連續(xù)的序號(hào)表，對應(yīng)于允許接收的幀的序號(hào)，稱為接收窗口。發(fā)送窗口接收窗口窗口的最大值發(fā)送窗口如果幀中編號(hào)所占的比特位數(shù)為n,那么發(fā)送窗口WT

<=2n-1接收窗口WR<=WT

。當(dāng)幀中編號(hào)所占的比特位數(shù)為n時(shí)，接收窗口WR<=2n-1

差錯(cuò)控制差錯(cuò)控制包括兩個(gè)方面，檢測差錯(cuò)對差錯(cuò)進(jìn)行處理檢測差錯(cuò)幀損壞：幀傳輸過程中，可能會(huì)受到干擾，造成接收到數(shù)據(jù)幀同發(fā)送時(shí)的數(shù)據(jù)幀不一樣，這種情況稱為幀損壞。使用CRC冗余校驗(yàn)檢測幀損壞幀丟失：在傳輸中一個(gè)幀被噪聲破壞，造成接收方不將其視為一個(gè)幀，就發(fā)生了幀丟失。使用幀編號(hào)、確認(rèn)幀和定時(shí)器檢測幀丟失CRC校驗(yàn)舉例通信前雙方要首先商定一個(gè)二進(jìn)制串P，例如11101。設(shè)要發(fā)送的信息M＝110將M左移4位（比P的位數(shù)少1），得到1100000，然后用P去模2除1100000，得到余數(shù)R＝1001CRC校驗(yàn)舉例發(fā)送方要將R添加到M后面發(fā)送過去，即發(fā)送的實(shí)際數(shù)據(jù)為1101001。如果發(fā)送過程中沒有錯(cuò)誤，接收方用P對收到的1101001進(jìn)行模2除，結(jié)果應(yīng)該是0。如果得到的結(jié)果不是0，就表明數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤。CRC校驗(yàn)使用位數(shù)足夠的P，能夠使檢測不到的差錯(cuò)的概率非常小。目前CRC校驗(yàn)中常用的生成多項(xiàng)式有CRC-16，CRC-CCITT和CRC-32。CRC校驗(yàn)值通常作為幀的尾部添加在數(shù)據(jù)后面，在數(shù)據(jù)后面添加上的冗余碼稱為幀檢驗(yàn)序列(FrameCheckSequence，F(xiàn)CS)。CRC校驗(yàn)值是最常用的FCS。檢測幀丟失（1）發(fā)送方要對幀進(jìn)行編號(hào)，而接收方每收到一個(gè)幀，就向發(fā)送方發(fā)送一個(gè)確認(rèn)幀。（2）發(fā)送方每發(fā)送一個(gè)幀，就啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器。如果定時(shí)器時(shí)間到了，確認(rèn)幀仍未收到，就認(rèn)為該幀丟失了。差錯(cuò)處理當(dāng)檢測到錯(cuò)誤，不論是幀損壞或幀丟失，數(shù)據(jù)鏈路層通常不去修正錯(cuò)誤，而是簡單地重新傳輸對應(yīng)的幀，這個(gè)過程稱為自動(dòng)重復(fù)請求。（AutomaticRepeatreQuest，ARQ）差錯(cuò)控制和流量控制是結(jié)合在一起的。因此停止等待常以停等ARQ來實(shí)現(xiàn)，而滑動(dòng)窗口常以連續(xù)ARQ和選擇重傳ARQ來實(shí)現(xiàn)。停等ARQ連續(xù)ARQ選擇重傳ARQ選擇重傳ARQ基本思想是只重傳出錯(cuò)的幀或丟失的幀，而不去回退N幀重傳。接收方要緩存那些正確的但不是按順序到來的幀。接收方的窗口要大于1，同時(shí)還要對到來的幀進(jìn)行排序與連續(xù)ARQ相比，選擇重傳ARQ效率高，但是算法復(fù)雜，同時(shí)接收方需要的緩沖要比連續(xù)ARQ大。數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議可以分成兩大類：異步協(xié)議和同步協(xié)議異步協(xié)議異步協(xié)議中以一個(gè)字符為一個(gè)傳輸單位，每個(gè)字符的開始和結(jié)尾都有特殊的標(biāo)記字符和字符之間的間隔是不確定的，所以在字符之間是異步的同步協(xié)議同步協(xié)議以一個(gè)數(shù)據(jù)塊為一個(gè)傳輸單位，在整個(gè)數(shù)據(jù)塊內(nèi)部都是同步的面向字符的協(xié)議面向比特的協(xié)議面向字符協(xié)議每一個(gè)數(shù)據(jù)幀都是由若干個(gè)字符組成的，每個(gè)字符通常用一個(gè)字節(jié)（8比特）表示。在協(xié)議中定義一些特殊的字符表示特殊的含義（如幀的開始、幀的結(jié)束、數(shù)據(jù)的開始、數(shù)據(jù)的結(jié)束等）。代表協(xié)議：BSC缺陷：強(qiáng)烈地依賴字符集，使用不同字符集的機(jī)器不能利用字符協(xié)議進(jìn)行通信，擴(kuò)展性差面向比特的協(xié)議每一幀由若干個(gè)比特組成。一個(gè)幀分為若干個(gè)字段，每個(gè)字段在幀中都有固定的位置，都有特定的功能和含義，同時(shí)使用一些特殊的比特組合來代表特殊的含義（如幀的開始和結(jié)束）。目前數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議主要是面向比特的協(xié)議代表協(xié)議：HDLC,PPPHDLC協(xié)議HDLC（High-levelDataLinkControl）協(xié)議是面向比特協(xié)議中最具代表性的一個(gè)協(xié)議HDLC具有透明性，數(shù)據(jù)和控制信息完全獨(dú)立，不受任何位式樣和字符寬度的限制；能適應(yīng)多種應(yīng)用、多種網(wǎng)絡(luò)配置，可用于點(diǎn)到點(diǎn)鏈路，也可用于多點(diǎn)鏈路；可采用交換線路，也對采用非交換線路；控制信息所占比例小，傳輸效率高；可靠性高；吞吐率高等優(yōu)點(diǎn).三種類型的站主站：主要功能是發(fā)送命令（包括數(shù)據(jù)信息）幀、接收響應(yīng)幀，并負(fù)責(zé)對整個(gè)鏈路的控制系統(tǒng)的初啟、流程的控制、差錯(cuò)檢測或恢復(fù)等。從站主要功能是接收由主站發(fā)來的命令幀，向主站發(fā)送響應(yīng)幀，并且配合主站參與差錯(cuò)恢復(fù)等鏈路控制。復(fù)合站主要功能是既能發(fā)送，又能接收命令幀和響應(yīng)幀，并且負(fù)責(zé)整個(gè)鏈路的控制三種鏈路結(jié)構(gòu)三種操作模式正常響應(yīng)方式（NRM）異步響應(yīng)方式（ARM）異步平衡方式（ABM）HDLC幀格式HDLC幀格式標(biāo)志字段標(biāo)志字段用來區(qū)分幀的開始和結(jié)束。HDLC指定采用01111110為標(biāo)志序列，并采用零比特填充法地址字段地址字段表示鏈路上站的地址。在使用不平衡方式傳送數(shù)據(jù)時(shí)（采用NRM和ARM），地址字段總是寫入從站的地址；在使用平衡方式時(shí)（采用ABM），地址字段總是寫入應(yīng)答站的地址。HDLC幀格式信息字段信息字段內(nèi)包含了用戶的數(shù)據(jù)信息和來自上層的各種控制信息幀校驗(yàn)序列FCS幀校驗(yàn)序列FCS占16比特，采用CRC校驗(yàn)，它生成多項(xiàng)式G(x)=X16+X12+X5+1HDLC幀格式控制字段控制字段用來表示幀類型、幀編號(hào)以及命令、響應(yīng)等。由于C字段的構(gòu)成不同，可以把HDLC幀分為三種類型：信息幀、監(jiān)控幀、無編號(hào)幀信息幀在信息幀的控制字段中，第一個(gè)比特固定是0，N(S)字段占3比特，表示要發(fā)送的這一幀的編號(hào)。N(R)字段也占3比特，表示期望收到的對方的下一個(gè)幀的編號(hào)。監(jiān)督幀在監(jiān)督幀的控制字段中，前兩個(gè)比特固定的是10，在監(jiān)督幀中沒有信息字段。N(R)字段同樣也代表確認(rèn)。另外有兩個(gè)比特的Code字段，共有00、01、10、11四種組合，分別代表不同的含義，用來進(jìn)行流量控制和差錯(cuò)控制。監(jiān)督幀無編號(hào)幀無編號(hào)幀用于在設(shè)備之間交換會(huì)話管理和控制信息。HDLC協(xié)議工作過程正常響應(yīng)模式HDLC協(xié)議工作過程正常響應(yīng)模式HDLC協(xié)議工作過程復(fù)合站PPP協(xié)議點(diǎn)對點(diǎn)協(xié)議（Point-to-PointProtocol，PPP）是因特網(wǎng)上廣泛使用的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，用于點(diǎn)對點(diǎn)的鏈路。PPP協(xié)議給出了在串行鏈路上封裝數(shù)據(jù)報(bào)的方法，同時(shí)還包括了鏈路控制協(xié)議（LinkControlProtocol，LCP）和一組網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議（NetworkControlProtocol，NCP）。LCP用來建立、配置和測試數(shù)據(jù)鏈路，NCP用來建立兩端網(wǎng)絡(luò)層的連接，協(xié)商網(wǎng)絡(luò)層的選項(xiàng)和傳遞網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)。PPP協(xié)議幀格式LCP協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路的建立、配置、維護(hù)和終止都是由鏈路控制協(xié)議（LinkControlProtocol，LCP）來完成的。LCP包封裝在PPP幀的數(shù)據(jù)字段中。LCP包類型和編碼編碼LCP包類型含義0116Configure-request提出鏈路配置的選項(xiàng)和特定的值0216Configure-ack接受對方提出的選項(xiàng)0316Configure-nak不接受某些選項(xiàng)0416Configure-reject不識(shí)別某些選項(xiàng)0516Terminate-request請求關(guān)閉連接0616Terminate-ack接受關(guān)閉連接認(rèn)證協(xié)議常用的身份認(rèn)證協(xié)議有口令認(rèn)證協(xié)議（PasswordAuthenticationProtocol，PAP）和挑戰(zhàn)握手協(xié)議（Challenge-HandshakeAuthenticationProtocol，CHAP）。PAP協(xié)議PAP協(xié)議非常簡單，用戶向系統(tǒng)發(fā)送用戶名和口令，系統(tǒng)驗(yàn)證用戶名和口令，如果正確就接受連接，否則就拒絕連接。PAP包類型和編碼編碼PAP包類型含義0116Authenticate-request請求認(rèn)證，發(fā)送用戶名和口令0216Authenticate-ack認(rèn)證通過，允許訪問0316Authenticate-nak認(rèn)證未通過，禁止訪問PAP工作過程用戶首先向系統(tǒng)發(fā)送PAP包，編碼字段置為1，代表Authenticate-request,數(shù)據(jù)部分存放用戶名和口令。系統(tǒng)對收到的用戶名和口令進(jìn)行驗(yàn)證，并向用戶返回PAP包。如果用戶名和口令正確，PAP包中的編碼值置為2，表示Authenticate-ack，通過認(rèn)證；否則編碼的值置為3，表示Authenticate-nak，拒絕用戶接入。CHAPCHAP協(xié)議對PAP協(xié)議作了改進(jìn)，不直接發(fā)送用戶的密碼。CHAP包的格式CHAP包類型編碼PAP包類型含義0116Challenge系統(tǒng)向用戶發(fā)出查問值0216Response用戶向系統(tǒng)返回計(jì)算結(jié)果和用戶名0316Success認(rèn)證通過，允許訪問0416Failure認(rèn)證未通過，禁止訪問CHAP協(xié)議工作過程系統(tǒng)首先向用戶發(fā)送一個(gè)CHAP包，包中編碼字段的值為1，表示Challenge，數(shù)據(jù)部分包含一個(gè)隨機(jī)數(shù)，這個(gè)隨機(jī)數(shù)稱為查問值。用戶收到后，使用事先定義好的函數(shù)作用于查問值和自己的口令，生成一個(gè)值，將這個(gè)值和用戶名放