點對點信道數(shù)據(jù)鏈路層

1、點對點信道數(shù)據(jù)鏈路層 第4章 點對點信道的數(shù)據(jù)鏈路層 數(shù)據(jù)鏈路層基本概念 數(shù)據(jù)鏈路層三個基本問題 PPP協(xié)議 HDLC協(xié)議 點對點信道數(shù)據(jù)鏈路層 數(shù)據(jù)鏈路層的簡單模型 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 R1R2R3 H1H2 從層次上來看數(shù)據(jù)的流動 點對點信道數(shù)據(jù)鏈路層 數(shù)據(jù)鏈路層的簡單模型 ( 續(xù)） 局域網(wǎng)廣域網(wǎng) 主機(jī) H1 主機(jī) H2 路由器 R1

2、 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 R1R2R3 H1H2 僅從數(shù)據(jù)鏈路層觀察幀的流動 點對點信道數(shù)據(jù)鏈路層 n數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元幀。 n數(shù)據(jù)鏈路層的任務(wù)就是把網(wǎng)絡(luò)層交下來 的數(shù)據(jù)發(fā)送到鏈路上，以及把接收到的 幀中的數(shù)據(jù)取出并上交給網(wǎng)絡(luò)層。在因 特網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議數(shù)據(jù)單元就是IP數(shù) 據(jù)報（或簡稱為數(shù)據(jù)報、分組或包）。 點對點信道數(shù)據(jù)鏈路層 數(shù)據(jù)鏈路層功能 n 數(shù)據(jù)鏈路層最主要的功能可歸結(jié)為以下幾點

3、。 n（1）結(jié)點A的數(shù)據(jù)鏈路層把網(wǎng)絡(luò)層交下來的IP 數(shù)據(jù)報封裝成幀。 n（2）結(jié)點A把封裝好的幀發(fā)送給結(jié)點B的數(shù)據(jù) 鏈路層。 n（3）若結(jié)點B的數(shù)據(jù)鏈路層收到的幀無差錯， 則從收到的幀中提取出IP數(shù)據(jù)報上交給上面的 網(wǎng)絡(luò)層；否則丟棄這個幀。 點對點信道數(shù)據(jù)鏈路層 圖圖4-3 4-3 數(shù)據(jù)鏈路層的通信模型數(shù)據(jù)鏈路層的通信模型 點對點信道數(shù)據(jù)鏈路層 4.1.2 鏈路和數(shù)據(jù)鏈路 n所謂鏈路 (link) 就是從一個結(jié)點到相鄰結(jié) 點的一段物理線路，而中間沒有任何其他的 交換結(jié)點。在進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時，兩個計算機(jī) 之間的通信路徑往往要經(jīng)過許多段這樣的鏈 路?？梢?，鏈路只是一條路徑的組成部分。 點對點信道數(shù)據(jù)

4、鏈路層 n數(shù)據(jù)鏈路 (data link) 則是另一個概 念。當(dāng)需要在一條線路上傳送數(shù)據(jù)時， 除了必須有一條物理線路外，還必須有 一些必要的通信協(xié)議來控制這些數(shù)據(jù)的 傳輸。若把實現(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。最常 用的方法是使用網(wǎng)絡(luò)適配器（撥號上網(wǎng) 使用撥號適配器，通過以太網(wǎng)上網(wǎng)使用 局域網(wǎng)適配器）來實現(xiàn)這些協(xié)議的硬件 和軟件。 點對點信道數(shù)據(jù)鏈路層 n也有人采用另外的術(shù)語。這就是把鏈路 分為物理鏈路和邏輯鏈路。物理鏈路就 是我們討論的鏈路，而邏輯鏈路就是數(shù) 據(jù)鏈路，是物理鏈路加上必要的通信協(xié) 議。 n早期的數(shù)據(jù)通信協(xié)議曾叫做通信規(guī)程 (procedure)。因此，在數(shù)

5、據(jù)鏈路層，規(guī) 程和協(xié)議是同義語。 點對點信道數(shù)據(jù)鏈路層 對數(shù)據(jù)鏈路層理解 n1）以幀為數(shù)據(jù)單位的 n2）數(shù)據(jù)幀在不同的網(wǎng)絡(luò)中傳輸時，數(shù)據(jù)鏈路層要在數(shù)據(jù)幀 中的頭部加入一個控制信息(DH)，其中包含了源節(jié)點和目的 節(jié)點的地址，這個地址也被稱為物理地址（如下圖所示）： 點對點信道數(shù)據(jù)鏈路層 n（3數(shù)據(jù)鏈路層對發(fā)送數(shù)據(jù)幀的速率必須 進(jìn)行流量控制，以免數(shù)據(jù)丟失 n（4 數(shù)據(jù)鏈路層通過尾部控制信息(DT) 進(jìn)行差錯控制，檢測出錯或重復(fù)的數(shù)據(jù) 幀，并對錯誤的幀進(jìn)行糾錯或重發(fā) n（5）數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行接入控制，確定在 某一時間內(nèi)該由哪一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù) 點對點信道數(shù)據(jù)鏈路層 n數(shù)據(jù)鏈路層發(fā)送方應(yīng)當(dāng)讓接收方數(shù)據(jù)鏈

6、 路層知道，所發(fā)送的幀是從什么地方開 始到什么地方結(jié)束，這是幀定界問題。 n傳送的數(shù)據(jù)比特組合必須是不受限制。 數(shù)據(jù)鏈層協(xié)議不能禁止傳送某種比特組 合。這就是透明傳輸問題。 n數(shù)據(jù)鏈路層必須有差錯檢測功能。 點對點信道數(shù)據(jù)鏈路層 n 幀定界 (framing) 就是確定幀的界限。 每一種鏈路層協(xié)議都規(guī)定了幀的數(shù)據(jù)部 分的長度上限最大傳送單元MTU (Maximum Transfer Unit)。 點對點信道數(shù)據(jù)鏈路層 幀結(jié)束 幀首部 幀首部 I P 數(shù)據(jù)報 I P 數(shù)據(jù)報 幀的數(shù)據(jù)部分 幀的數(shù)據(jù)部分 幀尾部 幀尾部 MT U 數(shù)據(jù)鏈路層的幀長 從這里開始發(fā)送 幀開始 圖圖4-4 4-4 用幀首

7、部和幀尾部進(jìn)行幀定界用幀首部和幀尾部進(jìn)行幀定界 點對點信道數(shù)據(jù)鏈路層 圖圖4-5 4-5 用控制字符進(jìn)行幀定界的方法舉例用控制字符進(jìn)行幀定界的方法舉例 點對點信道數(shù)據(jù)鏈路層 幀首部和尾部 n首部和尾部作用：除幀定界外，還包括其他一 些控制信息。 n發(fā)送幀時，是從幀首部開始發(fā)送。 n各種數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議都對幀的首部和尾部都有 明確規(guī)定。 n為提高幀傳送效率，應(yīng)當(dāng)使幀的數(shù)據(jù)部分長度 盡可能地大于首部和尾部的長度，但每一種鏈 路層協(xié)議都規(guī)定了幀數(shù)據(jù)部分長度上限。這種 上限稱為最大傳送單元MTU。 點對點信道數(shù)據(jù)鏈路層 幀定界符 n數(shù)據(jù)是由可打印ASCII碼組成文本時，幀 定界可使用特殊的幀定界符。 n

8、ASCII碼有128個不同的ASCII碼，其中可 打印的有95個，不可打印的有33個。 nASCII控制字符SOH表示幀首部開始， EOT表示幀的結(jié)束。注意SOH的ASCII碼 為01，而EOT的ASCII碼為04。EOT和 SOH不是E、O、T和S、O、H字母組合。 點對點信道數(shù)據(jù)鏈路層 點對點信道數(shù)據(jù)鏈路層 幀定界作用 n異步傳送時，可以確定一個幀的開始和 結(jié)束。 n同步傳送時，發(fā)送方連續(xù)地發(fā)送數(shù)據(jù)幀。 接收方借助于幀定界符從連續(xù)地比特流 中找出每一幀的開始和結(jié)束位置。 n短暫出故障情況下，又重新發(fā)送情況下， 接收方根據(jù)幀定界符確定是否接收還是 丟棄。 點對點信道數(shù)據(jù)鏈路層 n由于幀的開始

9、和結(jié)束標(biāo)記是使用專門指明的控制字符， 因此，所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中任何一個字符不允許和用做幀 定界的控制字符一樣，否則會出現(xiàn)幀定界錯誤。 n當(dāng)傳送的幀是用文本文件組成幀時，其數(shù)據(jù)部分不會 出現(xiàn)像SOH或EOT這樣的幀定界控制字符。不管鍵盤上 輸入什么字符都可以在幀中傳送過去。因此這樣傳輸 就是透明傳輸。 n當(dāng)傳送非ASCII文本文件時。如果數(shù)據(jù)中的某個字符字 節(jié)的二進(jìn)制代碼恰好和SOH或EOT這種控制字符一樣。 如圖4-6數(shù)據(jù)鏈路層會錯誤地“找到幀的邊界”把部分 幀收下，而把剩下部分丟棄。 點對點信道數(shù)據(jù)鏈路層 圖圖4-6 4-6 數(shù)據(jù)部分恰好出現(xiàn)與數(shù)據(jù)部分恰好出現(xiàn)與EOTEOT一樣的代碼一樣的代碼

10、點對點信道數(shù)據(jù)鏈路層 解決辦法 n1、采用轉(zhuǎn)義字符 n2、比特插入 點對點信道數(shù)據(jù)鏈路層 轉(zhuǎn)義字符 n當(dāng)數(shù)據(jù)中出現(xiàn)字符“SOH”或“EOT”時將其轉(zhuǎn) 換為另一字符，而這個字符不會被解釋為控制 字符的。這種方法稱為字節(jié)插入。如： 數(shù)據(jù)出現(xiàn)的控制字符經(jīng)字節(jié)插入后發(fā)送時的字符 SOH ESC x EOT ESC y ESCESC z 上述控制字符稱為轉(zhuǎn)義字符。 思考：為什么ESC也要進(jìn)行轉(zhuǎn)換 點對點信道數(shù)據(jù)鏈路層 舉例 n當(dāng)數(shù)據(jù)中出現(xiàn)SOH和EOT時增加轉(zhuǎn)義字符。 點對點信道數(shù)據(jù)鏈路層 n現(xiàn)實的通信鏈路都不會是理想的，這就 是說比特在傳輸過程中可能會產(chǎn)生差錯： 1變?yōu)?，0變?yōu)?. n為了保證數(shù)據(jù)傳

11、輸?shù)目煽啃?，在計算機(jī) 網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)時，都必須采用各種差錯 檢測措施。 nCRC校驗是一種具體檢錯技術(shù)。 點對點信道數(shù)據(jù)鏈路層 循環(huán)冗余檢驗的原理 n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 CRC 的檢錯技術(shù)。 n假設(shè)待傳送的數(shù)據(jù) M = 1010001101 （共k bit）。我們在M的后面再添加供差 錯檢測用的 n bit 冗余碼一起發(fā)送。 點對點信道數(shù)據(jù)鏈路層 冗余碼的計算 n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 0。 n得到的 (k + n) bit 的數(shù)除以事先選定好 的長度為 (n + 1) bit 的數(shù) P，得出商是 Q 而

12、余數(shù)是 R，余數(shù) R 比除數(shù) P 至少要 少1 個比特。 點對點信道數(shù)據(jù)鏈路層 冗余碼的計算舉例 n設(shè) n = 5, P = 110101，模 2 運(yùn)算的結(jié)果 是：商 Q = 1101010110， 余數(shù)R = 01110。 n將余數(shù) R 作為冗余碼添加在數(shù)據(jù) M nM + R。 點對點信道數(shù)據(jù)鏈路層 1101010110 Q 商 除數(shù) P 2nM 被除數(shù) 110101 111011 110101 111010 110101 111110 110101 101100 110101 110010 110101 01110 R 余數(shù) 循環(huán)冗余檢驗的原理說明 點對點信道數(shù)據(jù)鏈路層 幀檢驗序列 FCS

13、 n在數(shù)據(jù)后面添加上的冗余碼稱為幀檢驗 序列 FCS (Frame Check Sequence)。 n循環(huán)冗余檢驗 CRC 和幀檢驗序列 FCS并 不等同。 nCRC 是一種常用的檢錯方法，而 FCS 是添 加在數(shù)據(jù)后面的冗余碼。 nFCS 可以用 CRC 這種方法得出，但 CRC 并非用來獲得 FCS 的惟一方法。 點對點信道數(shù)據(jù)鏈路層 接收方校驗 n在接收方對接收到的幀進(jìn)行CRC校驗。把 收到的幀除以同樣的P(模2運(yùn)算)，得出 余數(shù)R。 n如果數(shù)據(jù)在傳輸過程中沒有差錯，則得 出的余數(shù)應(yīng)為0。如果數(shù)據(jù)傳輸過程中出 現(xiàn)誤碼，則得不出余數(shù)為0的結(jié)果。 點對點信道數(shù)據(jù)鏈路層 檢測出差錯 n只要得

14、出的余數(shù) R 不為 0，就表示檢測 到了差錯。 n但這種檢測方法并不能確定究竟是哪一 個或哪幾個比特出現(xiàn)了差錯。 n一旦檢測出差錯，就丟棄這個出現(xiàn)差錯 的幀。 n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)檢測不到的差錯 的概率就很小很小。 點對點信道數(shù)據(jù)鏈路層 應(yīng)當(dāng)注意 n僅用循環(huán)冗余檢驗 CRC 差錯檢測技術(shù)只能做 到無差錯接受(accept)。 n“無差錯接受”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”。 n也就是說：“凡是接受的幀都沒有傳輸差錯” （有差錯的幀就丟棄而不接受）。 n要做到“可靠傳輸”（

15、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。 點對點信道數(shù)據(jù)鏈路層 4.3 點對點協(xié)議PPP 4.3.1 PPP協(xié)議特點 n現(xiàn)在全世界使用得最多的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié) 議是點對點協(xié)議 PPP (Point-to-Point Protocol)。 n用戶使用撥號電話線接入因特網(wǎng)時，一 般都是使用 PPP 協(xié)議。 點對點信道數(shù)據(jù)鏈路層 點對點信道數(shù)據(jù)鏈路層 點對點信道數(shù)據(jù)鏈路層 PPP PPP協(xié)議應(yīng)滿足的需求協(xié)議應(yīng)滿足的需求 IETF認(rèn)為，在設(shè)計PPP協(xié)議時必須考慮以下的 多方面需求 RFC 1547。 （1）簡單）簡單 點對點信道數(shù)據(jù)鏈路層 n(2)封裝成幀 n PPP協(xié)議必須規(guī)定特殊的字符作為

16、幀定 界符（即標(biāo)志一個幀的開始和結(jié)束的字 符）。幀定界是指接收方從收到的比特 流中應(yīng)當(dāng)能準(zhǔn)確地找出一幀的開始和結(jié) 束在什么地方。 點對點信道數(shù)據(jù)鏈路層 n（3）透明性 n（4）多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議 PPP協(xié)議必須能夠在在同一條物理鏈路上同時支 持多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議（如IP和IPX等）的運(yùn)行。 n（5）多種類型鏈路 PPP能夠在多種鏈路上運(yùn)行。如串行的或并行的， 同步的或異步的，低速的或高速的，電的或光的， 交換的或非交換的。 點對點信道數(shù)據(jù)鏈路層 n（6）差錯檢測 (error detection) PPP協(xié)議必須能夠?qū)邮辗绞盏降膸M(jìn)行 檢測，并立即丟棄有差錯的幀。 n（7）連接的活躍度 PPP協(xié)議必

17、須具有一種機(jī)制來自動檢測出 鏈路上連接的活躍度(liveness)，也就 是說，必須能夠及時（不超過幾分鐘） 檢測出一條鏈路是處于正常工作狀態(tài)， 還是已經(jīng)出了故障。 點對點信道數(shù)據(jù)鏈路層 n（8）最大傳送單元 PPP協(xié)議必須對每一種類型的點對點鏈路 設(shè)置最大傳送單元MTU的標(biāo)準(zhǔn)默認(rèn)值。 n（9）網(wǎng)絡(luò)層地址協(xié)商 n（10）數(shù)據(jù)壓縮協(xié)商 點對點信道數(shù)據(jù)鏈路層 2PPP協(xié)議不需要的功能 n（1）糾錯 (error correction) PPP協(xié)議是不可靠傳輸協(xié)議。 n（2）流量控制 n（3）序號 n（4）多點線路 n（5）半雙工或單工鏈路 點對點信道數(shù)據(jù)鏈路層 PPP 協(xié)議三個組成部分 n將 IP

18、 數(shù)據(jù)報封裝到串行鏈路的方法。 n鏈路控制協(xié)議 LCP (Link Control Protocol)：用于建立、配置和測試數(shù)據(jù)鏈 路連接。 n網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議 NCP (Network Control Protocol)：用于支持不同的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。 點對點信道數(shù)據(jù)鏈路層 4.3.2 PPP 協(xié)議的幀格式 n標(biāo)志字段 F ：01111110 0 x7E，即幀定界符 n地址字段 A 只置為 0 xFF。控制字段 C 通常置為 0 x03。注：地址字段與控制字段留做擴(kuò)展用，實 際上并沒起作用。 n信息部分是IP數(shù)據(jù)報，受MTU限制，一般不超過 1500字節(jié)。PPP 是面向字節(jié)的，所有的 PPP 幀的

19、長度都是整數(shù)字節(jié)。 n幀校驗序列FCS n協(xié)議字段指明信息部分的內(nèi)容的類型 n幀格式如下圖所示： 點對點信道數(shù)據(jù)鏈路層 PPP 協(xié)議的幀格式 nPPP 有一個 2 個字節(jié)的協(xié)議字段。 n當(dāng)協(xié)議字段為當(dāng)協(xié)議字段為 0 x0021 時，時，PPP 幀的信息字段就是幀的信息字段就是 IP 數(shù)據(jù)報。數(shù)據(jù)報。 n若為若為 0 xC021, 則信息字段是則信息字段是 PPP 鏈路控制數(shù)據(jù)。鏈路控制數(shù)據(jù)。 n若為若為 0 x8021，則表示這是網(wǎng)絡(luò)控制數(shù)據(jù)。，則表示這是網(wǎng)絡(luò)控制數(shù)據(jù)。 IP 數(shù)據(jù)報 1211字節(jié)12不超過 1500 字節(jié) PPP 幀 先發(fā)送 7EFF03 FAC FCS F 7E 協(xié)議信 息

20、 部 分 首部尾部 點對點信道數(shù)據(jù)鏈路層 PPP協(xié)議中的透明傳輸問題 n當(dāng) PPP 用在同步傳輸鏈路時，協(xié)議 規(guī)定采用零比特填充法 n當(dāng) PPP 用在異步傳輸時，就使用一 種特殊的字節(jié)填充法： 點對點信道數(shù)據(jù)鏈路層 零比特填充法 n問題：當(dāng)幀的兩個標(biāo)志字段之間的比特串中碰巧 出現(xiàn)了與標(biāo)志字段一樣的數(shù)據(jù)時，接收端會誤認(rèn) 為找到了一幀的邊界。 n解決方法： PPP 采用零比特填充法使一幀中兩個 F 字段之間 不會出現(xiàn) 6 個連續(xù) 1。即在發(fā)送端，當(dāng)一串比特 流數(shù)據(jù)中有 5 個連續(xù) 1 時，就立即填入一個 0。 n在接收幀時，先找到 F 字段以確定幀的邊界。接 著再對比特流進(jìn)行掃描。每當(dāng)發(fā)現(xiàn) 5 個

21、連續(xù) 1 時， 就將其后的一個 0 刪除，以還原成原來的比特流。 點對點信道數(shù)據(jù)鏈路層 零比特的填充與刪除舉例 數(shù)據(jù)中某一段比特組合恰好數(shù)據(jù)中某一段比特組合恰好 出現(xiàn)和出現(xiàn)和 F 字段一樣的情況字段一樣的情況 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 0 會被誤認(rèn)為是會被誤認(rèn)為是 F 字段字段 發(fā)送端在發(fā)送端在 5 個連個連 1 之后之后 填入填入 0 比特再發(fā)送出去比特再發(fā)送出去 填入填入 0 比特比特 0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 在接收端將在接收端將 5 個連個連 1 之后之后 的的 0 比特刪除，恢復(fù)原樣比特刪除，恢復(fù)原樣

22、 在此位置刪除填入的在此位置刪除填入的 0 比特比特 0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 點對點信道數(shù)據(jù)鏈路層 PPP協(xié)議中的字節(jié)填充法 n將信息字段的0 x7E轉(zhuǎn)義為0 x7D，并添加 一個字節(jié)，具體方法： n（1）將信息字段的0X7E轉(zhuǎn)變?yōu)?0X7D,0X5E, （2）將0X7D轉(zhuǎn)變?yōu)?X7D,0X5D， （3）若出現(xiàn)ASCII碼控制字符，將ASCII 碼的控制字符前加入一個0X7D，并按規(guī) 定將字符的編碼改變。 點對點信道數(shù)據(jù)鏈路層 4.3.3 PPP協(xié)議的工作狀態(tài) nPPP鏈路的起始和終止?fàn)顟B(tài)永遠(yuǎn)是圖4-12 中的“靜止?fàn)顟B(tài)”，當(dāng)檢測到調(diào)制解調(diào) 器的載波信號，并建立物理層連接后， PPP就進(jìn)入鏈路的“建立狀態(tài)”。這時 LCP開始協(xié)商一些配置選項，即發(fā)送LCP 的配置請求幀 (configure-request)。 點對點信道數(shù)據(jù)鏈路層 圖圖4-12 4-12 使用使用PPPPPP協(xié)議的狀態(tài)圖協(xié)議的狀態(tài)圖 點對點信道數(shù)據(jù)鏈路層 n鏈路的另一端可以發(fā)送以下幾種響應(yīng)。 n（1）配置確認(rèn)幀 (configure-ack