計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)教案(第4章)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

ComputerNetworks張敏1第4章數(shù)據(jù)鏈路層4.1數(shù)據(jù)鏈路層的基本概念4.2三個(gè)基本問題4.3點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議PPP

2

4.1數(shù)據(jù)鏈路層的基本概念

鏈路(link)：是一條無源的點(diǎn)到點(diǎn)的物理線路段，中間沒有任何其他的交換結(jié)點(diǎn)。一條鏈路只是一條通路的一個(gè)組成部分。3郵件信封的格式內(nèi)有照片，請(qǐng)勿折疊避免錯(cuò)誤的控制指令郵寄航空信件/掛號(hào)信件等4

4.1數(shù)據(jù)鏈路層的基本概念（續(xù)）

數(shù)據(jù)鏈路(datalink)除了物理線路外，還必須有通信協(xié)議來控制這些數(shù)據(jù)的傳輸。若把實(shí)現(xiàn)這些協(xié)議的硬件和軟件加到鏈路上，就構(gòu)成了數(shù)據(jù)鏈路?，F(xiàn)在最常用的方法是使用適配器（即網(wǎng)卡）來實(shí)現(xiàn)這些協(xié)議的硬件和軟件。一般的適配器都包括了數(shù)據(jù)鏈路層和物理層這兩層的功能。

5內(nèi)有照片，請(qǐng)勿折疊一封信件一個(gè)幀6數(shù)據(jù)鏈路層的主要功能：就是研究在數(shù)據(jù)鏈路上如何傳輸幀7IP數(shù)據(jù)報(bào)1010……0110幀取出數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)層鏈路結(jié)點(diǎn)A結(jié)點(diǎn)B物理層數(shù)據(jù)鏈路層結(jié)點(diǎn)A結(jié)點(diǎn)B幀(a)(b)發(fā)送幀接收鏈路IP數(shù)據(jù)報(bào)1010……0110幀裝入數(shù)據(jù)鏈路層傳送的是幀8數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層使用的信道主要有以下兩種類型：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信道：這種信道使用一對(duì)一的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式。廣播信道：這種信道使用一對(duì)多的廣播通信方式，因此過程比較復(fù)雜。廣播信道上連接的主機(jī)很多，因此必須使用專用的共享信道協(xié)議來協(xié)調(diào)這些主機(jī)的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。

9數(shù)據(jù)鏈路層的簡(jiǎn)單模型局域網(wǎng)廣域網(wǎng)主機(jī)

H1主機(jī)

H2路由器

R1路由器

R2路由器

R3電話網(wǎng)局域網(wǎng)主機(jī)

H1

向

H2

發(fā)送數(shù)據(jù)鏈路層應(yīng)用層運(yùn)輸層網(wǎng)絡(luò)層物理層鏈路層應(yīng)用層運(yùn)輸層網(wǎng)絡(luò)層物理層鏈路層網(wǎng)絡(luò)層物理層鏈路層網(wǎng)絡(luò)層物理層鏈路層網(wǎng)絡(luò)層物理層R1R2R3H1H2從層次上來看數(shù)據(jù)的流動(dòng)10數(shù)據(jù)鏈路層的簡(jiǎn)單模型(續(xù)）局域網(wǎng)廣域網(wǎng)主機(jī)

H1主機(jī)

H2路由器

R1路由器

R2路由器

R3電話網(wǎng)局域網(wǎng)主機(jī)

H1

向

H2

發(fā)送數(shù)據(jù)鏈路層應(yīng)用層運(yùn)輸層網(wǎng)絡(luò)層物理層鏈路層應(yīng)用層運(yùn)輸層網(wǎng)絡(luò)層物理層鏈路層網(wǎng)絡(luò)層物理層鏈路層網(wǎng)絡(luò)層物理層鏈路層網(wǎng)絡(luò)層物理層R1R2R3H1H2僅從數(shù)據(jù)鏈路層觀察幀的流動(dòng)114.2三個(gè)基本問題1封裝成幀2透明傳輸3差錯(cuò)控制121.封裝成幀封裝成幀(framing)就是在一段數(shù)據(jù)的前后分別添加首部和尾部，然后就構(gòu)成了一個(gè)幀。確定幀的界限。首部和尾部的一個(gè)重要作用就是進(jìn)行幀定界。幀結(jié)束幀首部IP數(shù)據(jù)報(bào)幀的數(shù)據(jù)部分幀尾部數(shù)據(jù)鏈路層的幀長(zhǎng)開始發(fā)送幀開始13SOH裝在幀中的數(shù)據(jù)部分幀幀開始符幀結(jié)束符發(fā)送在前EOTSOH：StartOfHeaderEOT：EndOfTransmission14在異步傳輸系統(tǒng)中，用控制字符進(jìn)行幀定界SOH：0x01EOT：0x04SOH：01111110/0x7EEOT：01111110/0x7E在同步傳輸系統(tǒng)中，用特殊的比特串進(jìn)行幀定界152.透明傳輸SOHEOT出現(xiàn)了“EOT”被接收端當(dāng)作無效幀而丟棄被接收端誤認(rèn)為是一個(gè)幀數(shù)據(jù)部分EOT完整的幀發(fā)送在前16解決透明傳輸問題字節(jié)填充或字符填充發(fā)送端的數(shù)據(jù)鏈路層在數(shù)據(jù)中出現(xiàn)控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入一個(gè)轉(zhuǎn)義字符“ESC”(其十六進(jìn)制編碼是1B)。接收端的數(shù)據(jù)鏈路層在將數(shù)據(jù)送往網(wǎng)絡(luò)層之前刪除插入的轉(zhuǎn)義字符。如果轉(zhuǎn)義字符也出現(xiàn)數(shù)據(jù)當(dāng)中，那么應(yīng)在轉(zhuǎn)義字符前面插入一個(gè)轉(zhuǎn)義字符。當(dāng)接收端收到連續(xù)的兩個(gè)轉(zhuǎn)義字符時(shí)，就刪除其中前面的一個(gè)。17SOHSOHEOTSOHESCESCEOTESCSOHESCESCESCSOH原始數(shù)據(jù)EOTEOT經(jīng)過字節(jié)填充后發(fā)送的數(shù)據(jù)字節(jié)填充字節(jié)填充字節(jié)填充字節(jié)填充發(fā)送在前幀開始符幀結(jié)束符用字節(jié)填充法解決透明傳輸?shù)膯栴}SOH18解決透明傳輸問題零比特填充

在發(fā)送端，只要發(fā)現(xiàn)有5個(gè)連續(xù)1，則立即填入一個(gè)0。接收端對(duì)幀中的比特流進(jìn)行掃描。每當(dāng)發(fā)現(xiàn)5個(gè)連續(xù)1時(shí)，就把這5個(gè)連續(xù)1后的一個(gè)0刪除，1901001111101000101001001111110001010010011111010001010信息字段中出現(xiàn)了和標(biāo)志字段F完全一樣的8比特組合發(fā)送端在5個(gè)連1之后填入0比特再發(fā)送出去在接收端把5個(gè)連1之后的0比特刪除會(huì)被誤認(rèn)為是標(biāo)志字段F發(fā)送端填入0比特接收端刪除填入的0比特用零比特填充法解決透明傳輸?shù)膯栴}203.差錯(cuò)檢測(cè)在傳輸過程中可能會(huì)產(chǎn)生比特差錯(cuò)：1可能會(huì)變成0而0也可能變成1。在一段時(shí)間內(nèi)，傳輸錯(cuò)誤的比特占所傳輸比特總數(shù)的比率稱為誤碼率

BER(BitErrorRate)。誤碼率與信噪比有很大的關(guān)系。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕谟?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，必須采用各種差錯(cuò)檢測(cè)措施。21循環(huán)冗余檢驗(yàn)的原理在數(shù)據(jù)鏈路層傳送的幀中，廣泛使用了循環(huán)冗余檢驗(yàn)CRC的檢錯(cuò)技術(shù)。在發(fā)送端，先把數(shù)據(jù)劃分為組。假定每組k個(gè)比特。假設(shè)待傳送的一組數(shù)據(jù)M=101001（現(xiàn)在k=6）。我們?cè)贛的后面再添加供差錯(cuò)檢測(cè)用的n

位冗余碼一起發(fā)送。22冗余碼的計(jì)算用二進(jìn)制的模2運(yùn)算進(jìn)行2n乘M的運(yùn)算，這相當(dāng)于在M后面添加n個(gè)0。得到的(k+n)位的數(shù)除以事先選定好的長(zhǎng)度為(n+1)位的除數(shù)

P，得出商是Q而余數(shù)是R，余數(shù)R比除數(shù)P少1位，即R是n

位。23冗余碼的計(jì)算舉例現(xiàn)在

k=6,M=101001。設(shè)

n=3,除數(shù)

P=1101，被除數(shù)是2nM=101001000。模2運(yùn)算的結(jié)果是：商

Q=110101，

余數(shù)

R=001。把余數(shù)R作為冗余碼添加在數(shù)據(jù)M的后面發(fā)送出去。發(fā)送的數(shù)據(jù)是：2nM+R

即：101001001，共(k+n)位。24

110101

←

Q

(商)P(除數(shù))→

1101101001000

←

2nM(被除數(shù))

1101

1110

1101

0111

0000

1110

1101

0110

0000

1100

1101

001←R(余數(shù))，作為FCS

循環(huán)冗余檢驗(yàn)的原理說明25幀檢驗(yàn)序列FCS在數(shù)據(jù)后面添加上的冗余碼稱為幀檢驗(yàn)序列

FCS(FrameCheckSequence)。循環(huán)冗余檢驗(yàn)CRC和幀檢驗(yàn)序列FCS并不等同。CRC是一種常用的檢錯(cuò)方法，而FCS是添加在數(shù)據(jù)后面的冗余碼。FCS可以用CRC這種方法得出，但CRC并不是用來獲得FCS的唯一方法。

26接收端對(duì)收到的每一幀進(jìn)行CRC檢驗(yàn)(1)若得出的余數(shù)R=0，則判定這個(gè)幀沒有差錯(cuò)，就接受。(2)若余數(shù)R

0，則判定這個(gè)幀有差錯(cuò)，就丟棄。但這種檢測(cè)方法并不能確定究竟是哪一個(gè)或哪幾個(gè)比特出現(xiàn)了差錯(cuò)。只要經(jīng)過嚴(yán)格的挑選，并使用位數(shù)足夠多的除數(shù)P，那么出現(xiàn)檢測(cè)不到的差錯(cuò)的概率就很小很小。27應(yīng)當(dāng)注意僅用循環(huán)冗余檢驗(yàn)CRC差錯(cuò)檢測(cè)技術(shù)只能做到無差錯(cuò)接受(accept)?！盁o差錯(cuò)接受”是指：“凡是接受的幀（即不包括丟棄的幀），我們都能以非常接近于1的概率認(rèn)為這些幀在傳輸過程中沒有產(chǎn)生差錯(cuò)”。也就是說：“凡是接收端數(shù)據(jù)鏈路層接受的幀都沒有傳輸差錯(cuò)”（有差錯(cuò)的幀就丟棄而不接受）。要做到“可靠傳輸”（即發(fā)送什么就收到什么）就必須再加上確認(rèn)和重傳機(jī)制。284.3點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議PPP

1PPP協(xié)議的特點(diǎn)現(xiàn)在全世界使用得最多的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議

PPP(Point-to-PointProtocol)。用戶使用撥號(hào)電話線接入因特網(wǎng)時(shí)，一般都是使用PPP協(xié)議。29用戶到ISP的鏈路使用PPP協(xié)議用戶至因特網(wǎng)已向因特網(wǎng)管理機(jī)構(gòu)申請(qǐng)到一批

IP地址ISP接入網(wǎng)PPP

協(xié)議30PPP協(xié)議應(yīng)滿足的需求簡(jiǎn)單——這是首要的要求封裝成幀透明性多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議多種類型鏈路差錯(cuò)檢測(cè)檢測(cè)連接狀態(tài)最大傳送單元網(wǎng)絡(luò)層地址協(xié)商數(shù)據(jù)壓縮協(xié)商31PPP協(xié)議不需要的功能糾錯(cuò)流量控制序號(hào)多點(diǎn)線路半雙工或單工鏈路32PPP協(xié)議的組成1992年制訂了PPP協(xié)議。經(jīng)過1993年和1994年的修訂，現(xiàn)在的PPP協(xié)議已成為因特網(wǎng)的正式標(biāo)準(zhǔn)[RFC1661]。PPP協(xié)議有三個(gè)組成部分一個(gè)將IP數(shù)據(jù)報(bào)封裝到串行鏈路的方法。鏈路控制協(xié)議

LCP(LinkControlProtocol)。網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議

NCP(NetworkControlProtocol)。

332PPP協(xié)議的幀格式標(biāo)志字段

F

=0x7E（符號(hào)“0x”表示后面的字符是用十六進(jìn)制表示。十六進(jìn)制的

7E

的二進(jìn)制表示是01111110）。地址字段

A

只置為0xFF。地址字段實(shí)際上并不起作用。控制字段

C

通常置為0x03。PPP是面向字節(jié)的，所有的PPP幀的長(zhǎng)度都是整數(shù)字節(jié)。34PPP協(xié)議的幀格式PPP有一個(gè)2個(gè)字節(jié)的協(xié)議字段。當(dāng)協(xié)議字段為0x0021時(shí)，PPP幀的信息字段就是IP數(shù)據(jù)報(bào)。若為0xC021,則信息字段是PPP鏈路控制數(shù)據(jù)。若為0x8021，則表示這是網(wǎng)絡(luò)控制數(shù)據(jù)。

IP數(shù)據(jù)報(bào)1211字節(jié)12不超過1500字節(jié)PPP幀先發(fā)送7EFF03FACFCSF7E協(xié)議信息部分首部尾部35363738透明傳輸問題當(dāng)PPP用在同步傳輸鏈路時(shí)，協(xié)議規(guī)定采用硬件來完成比特填充.當(dāng)PPP用在異步傳輸時(shí)，就使用一種特殊的字符填充法。39字符填充將信息字段中出現(xiàn)的每一個(gè)0x7E字節(jié)轉(zhuǎn)變成為2字節(jié)序列(0x7D,0x5E)。若信息字段中出現(xiàn)一個(gè)0x7D的字節(jié),則將其轉(zhuǎn)變成為2字節(jié)序列(0x7D,0x5D)。若信息字段中出現(xiàn)ASCII碼的控制字符（即數(shù)值小于0x20的字符），則在該字符前面要加入一個(gè)0x7D字節(jié)，同時(shí)將該字符的編碼加以改變。