第三講 數(shù)據(jù)鏈路層-PPP.ppt

1、第三講 數(shù)據(jù)鏈路層DataLink layer,北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院 黃彧,點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信道主要內(nèi)容,基本內(nèi)容：數(shù)據(jù)鏈路層的基本概念、基本的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議和常用數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議（PPP）。 重點(diǎn)掌握： 鏈路與數(shù)據(jù)鏈路的區(qū)別； 實(shí)現(xiàn)幀定界、透明傳輸和差錯(cuò)檢測(cè)的基本計(jì)算方法； PPP協(xié)議的幀格式。,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，中間沒有任何其他的交換結(jié)點(diǎn)。（物理鏈路） 一條鏈路只是一條通路的一個(gè)組成部分。 數(shù)據(jù)鏈路(data link)：物理鏈路 + 通信協(xié)議。（邏輯鏈路） 現(xiàn)在最常用的方法是使用網(wǎng)絡(luò)適配器（撥號(hào)適配器、局域網(wǎng)適配器）。 一般的適配器都包括了數(shù)據(jù)

2、鏈路層和物理層這兩層的功能。,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),從層次上來看數(shù)據(jù)的流動(dòng),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,R1,R2,R3,H1,H2,僅從數(shù)據(jù)鏈路層觀察幀的流動(dòng),簡(jiǎn)化模型,數(shù)據(jù)鏈路層,主 機(jī) A

3、,緩存,主 機(jī) B,數(shù)據(jù)鏈路,AP2,AP1,緩存,發(fā)送方,接收方,幀,高層,幀,三個(gè)基本問題,幀定界：發(fā)送方要讓接受方知道所發(fā)送的幀是從什么地方開始什么地方結(jié)束； 透明傳輸：傳送的比特組合不受限制； 差錯(cuò)檢測(cè)：判斷數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖欠裾_。,幀定界,幀定界framing：確定幀的界限，發(fā)送方在幀的前后加入標(biāo)記，接收方根據(jù)標(biāo)記識(shí)別幀。,數(shù)據(jù)鏈路層幀的數(shù)據(jù)部分長(zhǎng)度鏈路層協(xié)議規(guī)定的MTU,透明傳輸,當(dāng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)當(dāng)中出現(xiàn)用做幀定界的控制字符時(shí)，會(huì)怎么樣？,解決方法：字節(jié)插入、比特插入,字節(jié)插入 byte stuffing,字節(jié)插入（字符填充）：將在數(shù)據(jù)出現(xiàn)的控制字符轉(zhuǎn)換為另一個(gè)字符。,比特插入,PPP協(xié)議

4、在SONET/SDH鏈路上同步傳輸時(shí)使用零比特填充法,零比特插入/刪除工作過程,差錯(cuò)檢測(cè),糾錯(cuò)碼：奇偶校驗(yàn)（parity check）海明碼 檢錯(cuò)碼：校驗(yàn)和 循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）,奇偶校驗(yàn)（parity check）,（水平）奇偶校驗(yàn)碼: 在發(fā)送的數(shù)據(jù)塊后加1個(gè)校驗(yàn)位，使結(jié)果中1的個(gè)數(shù)為奇數(shù)（奇校驗(yàn)）或偶數(shù)（偶校驗(yàn)）。 如：數(shù)據(jù)1011000 偶校驗(yàn) 校驗(yàn)位為1 - 10110001 奇檢驗(yàn) 校驗(yàn)位為0 - 10110000 特點(diǎn)： 方法簡(jiǎn)單，檢錯(cuò)能力差 用于通信要求較低的環(huán)境,海明碼,1950年R.Hamming提出可以糾正一位差錯(cuò)的編碼，稱為海明碼。（前向糾錯(cuò)碼） 基本概念： 碼字：m數(shù)

5、據(jù)位，r個(gè)校驗(yàn)位，則n=rm稱為n位碼字； 海明距離：兩個(gè)碼字之間不同的比特位數(shù)目。 如果兩個(gè)碼字之間的海明距離是d，則所有少于等于d-1位錯(cuò)誤都可以檢查出來，所有少于d/2位的錯(cuò)誤都可以糾正。,海明碼構(gòu)建方法,把所有2的冪次方的數(shù)據(jù)位標(biāo)記為奇偶校驗(yàn)位(編號(hào)為1, 2, 4, 8, 16等的位置) ； 其他數(shù)據(jù)位用于待編碼數(shù)據(jù)(編號(hào)為3, 5, 6, 7, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 17等的位置) ； 每個(gè)奇偶校驗(yàn)位的值代表了代碼字中部分?jǐn)?shù)據(jù)位的奇偶性，其所在位置決定了要校驗(yàn)和跳過的比特位順序； 位置1：校驗(yàn)1位，跳過1位，校驗(yàn)1位，跳過1位(1,3,5,7,9,1

6、1,13,15, 位置2：校驗(yàn)2位，跳過2位，校驗(yàn)2位，跳過2位 (2,3,6,7,10,11,14,15,) 位置4：校驗(yàn)4位，跳過4位，校驗(yàn)4位，跳過4位 (4,5,6,7,12,13,14,15,20,21,22,23,) 位置8：校驗(yàn)8位，跳過8位，校驗(yàn)8位，跳過8位(8-15,24-31,40-47,),海明碼構(gòu)建方法,如果采用偶校驗(yàn)： 如果全部校驗(yàn)的位置中有奇數(shù)個(gè)1，把該奇偶校驗(yàn)位置為1； 如果全部校驗(yàn)的位置中有偶數(shù)個(gè)1，把該奇偶校驗(yàn)位置為0。 例題：數(shù)據(jù)位為10011010，求構(gòu)成的海明碼？ 011100101010 接收端：假定實(shí)際接收到的數(shù)據(jù)是011100101110。驗(yàn)證每

7、一個(gè)校驗(yàn)位，將所有出錯(cuò)的校驗(yàn)位置相加，得到的就是錯(cuò)誤信息所在的位置。,循環(huán)冗余檢驗(yàn)（CRC）,1101010110 Q 商 除數(shù) P 110101 101000110100000 2nM 被除數(shù) 110101 111011 110101 111010 110101 111110 110101 101100 110101 110010 110101 01110 R 余數(shù),循環(huán)冗余檢驗(yàn)的原理說明,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 (Frame Check Sequence)。 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

8、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 并非用來獲得 FCS 的惟一方法。,接收端差錯(cuò)檢測(cè),接收端收到數(shù)據(jù)后除以P，得到的余數(shù)應(yīng)當(dāng)是0。只要得出的余數(shù) R 不為 0，就表示檢測(cè)到了差錯(cuò)。 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)。 多項(xiàng)式表示：生成多項(xiàng)式P(x)=X5+X4+X2+1。 常用的生成多項(xiàng)式： CRC-16=X16+X15+X2+1 CRC-CCITT=X16+X12+X5+1 CRC-32=X32+X26+X23+X16+X12+X11+X10+X8+X7+X5+X4+X2+X+1,CRC例題,生成多項(xiàng)式 X16+X

9、15+X13+X12+X10+X9+X8+X7+X2 +1 用16進(jìn)制表示為： H ？ CRC的生成多項(xiàng)式為G(x)=X4+X3+X2+1，接收端收到的碼字為110110011001。試問該碼字是否出錯(cuò)？,1B785,解題方法：生成多項(xiàng)式11101，用110110011001/11101，如果整除則沒有出錯(cuò)，否則出錯(cuò)。結(jié)果表明不能整除，出錯(cuò)。,因特網(wǎng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議 PPP,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-Point Protocol)。 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。,用戶撥號(hào)入網(wǎng)的示意圖,PPP 協(xié)議特點(diǎn),1992 年

10、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)RFC 1661。 1999年公布以太網(wǎng)運(yùn)行PPPoE。 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 (Link Control Protocol)。 網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議 NCP (Network Control Protocol)。,PPP不需要的功能,糾錯(cuò) error correctionPPP是不可靠傳輸協(xié)議 流量控制 序號(hào) 多點(diǎn)線路 半雙工或單工鏈路,PPP 協(xié)議的幀格式,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)。 標(biāo)志字

11、段 F 仍為 0 x7E （符號(hào)“0 x”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 0 xFF。地址字段實(shí)際上并不起作用。 控制字段 C 通常置為 0 x03。,PPP 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 0 x0021 時(shí)，PPP 幀的信息字段就是IP 數(shù)據(jù)報(bào)。 若為 0 xC021, 則信息字段是 PPP 鏈路控制數(shù)據(jù)。 若為 0 x8021，則表示這是網(wǎng)絡(luò)控制數(shù)據(jù)。,IP 數(shù)據(jù)報(bào),1,2,1,1,字節(jié),1,2,不超過 1500 字節(jié),PPP 幀,先發(fā)送,7E,FF,03,F,A,C,FCS

12、,F,7E,協(xié)議,信 息 部 分,首部,尾部,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（和 HDLC 的做法一樣）。 當(dāng) PPP 用在異步傳輸時(shí)，就使用一種特殊的字符填充法。,字符填充法,將信息字段中出現(xiàn)的每一個(gè) 0 x7E 字節(jié)轉(zhuǎn)變成為 2 字節(jié)序列(0 x7D, 0 x5E)。 若信息字段中出現(xiàn)一個(gè) 0 x7D 的字節(jié), 則將其轉(zhuǎn)變成為 2 字節(jié)序列(0 x7D, 0 x5D)。 若信息字段中出現(xiàn) ASCII 碼的控制字符（即數(shù)值小于 0 x20 的字符），則在該字符前面要加入一個(gè) 0 x7D 字節(jié)，同時(shí)將該字符的編碼加以改變。,例題,一個(gè)PPP幀的數(shù)據(jù)

13、部分是 7D 5E FE 27 7D 5D 7D 5D 65 7D 5E 試問真正的數(shù)據(jù)是什么？ 7E FE 27 7D 7D 65 7E,零比特填充法,同步傳輸時(shí)采用零比特填充法使一幀中兩個(gè) F 字段之間不會(huì)出現(xiàn) 6 個(gè)連續(xù) 1。 在發(fā)送端，當(dāng)一串比特流數(shù)據(jù)中有 5 個(gè)連續(xù) 1 時(shí)，就立即填入一個(gè) 0。 在接收幀時(shí)，先找到 F 字段以確定幀的邊界。接著再對(duì)比特流進(jìn)行掃描。每當(dāng)發(fā)現(xiàn) 5 個(gè)連續(xù) 1 時(shí)，就將其后的一個(gè) 0 刪除，以還原成原來的比特流。,PPP 協(xié)議的工作狀態(tài),當(dāng)用戶撥號(hào)接入 ISP 時(shí)，路由器的調(diào)制解調(diào)器對(duì)撥號(hào)做出確認(rèn)，并建立一條物理連接。 PC 機(jī)向路由器發(fā)送一系列的 LCP 分組（封裝成多個(gè) PPP 幀）。 這些分組及其響應(yīng)選擇一些 PPP 參數(shù)，和進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)層配置，NCP 給新接入的 PC機(jī)分配一個(gè)臨時(shí)的 IP 地址，使 PC 機(jī)成為因特網(wǎng)上的一個(gè)主機(jī)。 通信完畢時(shí)，NCP 釋放網(wǎng)絡(luò)層連接，收回原來分配出去的 IP 地址。接著，LCP 釋放數(shù)據(jù)鏈路層連接。最后釋放的是物理層的連接。,設(shè)備之間無鏈路,鏈路靜止,鏈路建立,鑒別,網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議,鏈路打開,鏈路終止,物理