第 4 章點對點信道的數(shù)據(jù)鏈路層

1、課件制作人：謝希仁計算機網(wǎng)絡(luò)教程（第 2 版）第 4 章 點對點信道的數(shù)據(jù)鏈路層課件制作人：謝希仁第 4 章 點對點信道的數(shù)據(jù)鏈路層4.1 數(shù)據(jù)鏈路層的基本概念 4.1.1 數(shù)據(jù)鏈路層的簡單模型 4.1.2 鏈路和數(shù)據(jù)鏈路4.2 三個基本問題 4.2.1 幀定界 4.2.2 透明傳輸 4.2.3 差錯檢測4.3 點對點協(xié)議 PPP 4.3.1 PPP 協(xié)議的特點 4.3.2 PPP 協(xié)議的幀格式 4.3.3 PPP 協(xié)議的工作狀態(tài)4.4 HDLC 協(xié)議課件制作人：謝希仁數(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：n點對點信道。這種信道使用一對一的點對點通信方式。n廣播信道。這種信道使用一

2、對多的廣播通信方式，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)這些主機的數(shù)據(jù)發(fā) 課件制作人：謝希仁4.1 數(shù)據(jù)鏈路層的基本概念4.1.1 數(shù)據(jù)鏈路層的簡單模型局域網(wǎng)廣域網(wǎng)主機 H1主機 H2路由器 R1路由器 R2路由器 R3電話網(wǎng)局域網(wǎng)主機 H1 向 H2 發(fā)送數(shù)據(jù)鏈路層應(yīng)用層運輸層網(wǎng)絡(luò)層物理層鏈路層應(yīng)用層運輸層網(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)的流動課件制作人：謝希仁數(shù)據(jù)鏈路層的簡單模型( 續(xù)）局域網(wǎng)廣域網(wǎng)主機 H1主機 H2路由器 R1路由器 R2路由器 R3電話網(wǎng)局域網(wǎng)主機 H1

3、向 H2 發(fā)送數(shù)據(jù)鏈路層應(yīng)用層運輸層網(wǎng)絡(luò)層物理層鏈路層應(yīng)用層運輸層網(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IP 數(shù)據(jù)報1010 0110幀取出數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)層鏈路結(jié)點 A結(jié)點 B物理層數(shù)據(jù)鏈路層結(jié)點 A結(jié)點 B幀(a)(b)發(fā)送幀接收鏈路IP 數(shù)據(jù)報1010 0110幀裝入數(shù)據(jù)鏈路層傳送的是幀課件制作人：謝希仁數(shù)據(jù)鏈路層像個數(shù)字管道 n常常在兩個對等的數(shù)據(jù)鏈路層之間畫出一個數(shù)字管道，而在這條數(shù)字管道上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單位是幀。n早期的數(shù)據(jù)通信協(xié)議曾叫作通信規(guī)程(procedure)。因此在數(shù)據(jù)鏈路層，規(guī)程和協(xié)議是同義語。 結(jié)點結(jié)

4、點幀幀課件制作人：謝希仁4.1.2 鏈路和數(shù)據(jù)鏈路 n鏈路(link)是一條無源的點到點的物理線路段，中間沒有任何其他的交換結(jié)點。n一條鏈路只是一條通路的一個組成部分。n數(shù)據(jù)鏈路(data link) 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。n現(xiàn)在最常用的方法是使用適配器（即網(wǎng)卡）來實現(xiàn)這些協(xié)議的硬件和軟件。n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。 課件制作人：謝希仁4.2 三個基本問題 (1) 幀定界(2) 透明傳輸(3) 差錯控制 課件制作人：謝希仁4.2.1 幀定界n幀定界(framing)就是確定幀的

5、界限。 幀結(jié)束幀首部IP 數(shù)據(jù)報幀的數(shù)據(jù)部分幀尾部 MTU數(shù)據(jù)鏈路層的幀長從這里開始發(fā)送幀開始課件制作人：謝希仁用控制字符進行幀定界的方法舉例 SOH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EOT課件制作人：謝希仁4.2.2 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)為是一個幀數(shù)據(jù)部分EOT完整的幀發(fā)送在前課件制作人：謝希仁解決透明傳輸問題n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”的前面插入一個轉(zhuǎn)義字符“ESC”(其十六進制編碼是 1B)。n字節(jié)填充(byte stuffing)或字符填充(character stuffing)接收端的數(shù)據(jù)

6、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。n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轉(zhuǎn)義字符。當(dāng)接收端收到連續(xù)的兩個轉(zhuǎn)義字符時，就刪除其中前面的一個。 課件制作人：謝希仁SOHSOHESCSOHEOTESCESCzESCyESCzESCx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} 課件制作人：謝希仁3. 差錯檢測n比特在傳輸過程中可能會產(chǎn)生差錯：1 可能會變成 0 而 0 也可能變成 1。n在一段時間內(nèi)，傳輸錯誤的比特占所傳輸比特總數(shù)的比率稱為誤碼率 BER (Bit Error Ra

7、te)。n誤碼率與信噪比有很大的關(guān)系。n為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，在計算機網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)時，必須采用各種差錯檢測措施。 課件制作人：謝希仁循環(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在發(fā)送端，先把數(shù)據(jù)劃分為組。假定每組 k 位。 n假設(shè)待傳送的一組數(shù)據(jù) M = 101001（現(xiàn)在 k = 6）。我們在 M 的后面再添加供差錯檢測用的 n 位冗余碼一起發(fā)送。 課件制作人：謝希仁冗余碼的計算 n用二進制的模 2 運算進行 2n 乘 M 的運算，這相當(dāng)于在 M 后面添加 n 個 0。n得到的 (k + n) 位的數(shù)除以事先選定好的長度為 (n + 1)

8、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（n 位）。 課件制作人：謝希仁冗余碼的計算舉例 n現(xiàn)在 k = 6, M = 101001。n設(shè) n = 3, 除數(shù) P = 1101，n被除數(shù)是 2nM = 101001000。 n模 2 運算的結(jié)果是：商 Q = 110101， 余數(shù) R = 001。n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。 課件制作人：謝希仁 110101 Q (商) P (除數(shù)) 1101 101001000 2nM (被除數(shù)) 1101 1110 11

9、01 0111 0000 1110 1101 0110 0000 1100 1101 001 R (余數(shù))，作為 FCS 循環(huán)冗余檢驗的原理說明 課件制作人：謝希仁幀檢驗序列 FCS 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 的唯一方法。 課件制作人：謝希仁接收端對收到的每一幀進行 CRC 檢驗 n(1) 若得出的余數(shù) R = 0，則判定這個幀沒

10、有差錯，就接受(accept)。n(2) 若余數(shù) R 0，則判定這個幀有差錯，就丟棄。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。 課件制作人：謝希仁應(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：“凡是接收端數(shù)據(jù)鏈路層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”（即發(fā)送什么就收到什

11、么）就必須再加上確認(rèn)和重傳機制。 課件制作人：謝希仁4.3 點對點協(xié)議 PPP 4.3.1 點對點協(xié)議的特點 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。 課件制作人：謝希仁用戶到 ISP 的鏈路使用 PPP 協(xié)議 用戶至因特網(wǎng)已向因特網(wǎng)管理機構(gòu)申請到一批 IP 地址ISP接入網(wǎng)PPP 協(xié)議課件制作人：謝希仁1. PPP 協(xié)議應(yīng)滿足的需求 n簡單n封裝成幀 n透明性 n多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議 n多種類型鏈路 n差錯檢測 n檢測活躍度（即檢測連接狀態(tài)） n最大傳送單元 n網(wǎng)絡(luò)

12、層地址協(xié)商 n數(shù)據(jù)壓縮協(xié)商 課件制作人：謝希仁2. PPP 協(xié)議不需要的功能n糾錯 n流量控制 n序號 n多點線路 n半雙工或單工鏈路 課件制作人：謝希仁3. PPP 協(xié)議的組成 n1992 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)RFC 1661。 nPPP 協(xié)議有三個組成部分 n一個將 IP 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)。n網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議 NCP (Network Control Protocol)。 課件制作人：謝希仁4.3.2 PPP 協(xié)議的幀格式n標(biāo)

13、志字段 F = 0 x7E （符號“0 x”表示后面的字符是用十六進制表示。十六進制的 7E 的二進制表示是 01111110）。n地址字段 A 只置為 0 xFF。地址字段實際上并不起作用。n控制字段 C 通常置為 0 x03。nPPP 是面向字節(jié)的，所有的 PPP 幀的長度都是整數(shù)字節(jié)。 課件制作人：謝希仁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 0 x0021 時，PPP 幀的信息字段就是IP 數(shù)據(jù)報。n若為 0 xC021, 則信息字段是 PPP 鏈路控制數(shù)據(jù)。n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1211字節(jié)12不超過 150

14、0 字節(jié)PPP 幀先發(fā)送7EFF03FACFCSF7E協(xié)議信 息 部 分首部尾部課件制作人：謝希仁透明傳輸問題 n當(dāng) PPP 用在同步傳輸鏈路時，協(xié)議規(guī)定采用硬件來完成比特填充（和 HDLC 的做法一樣）。 n當(dāng) PPP 用在異步傳輸時，就使用一種特殊的字符填充法。 課件制作人：謝希仁字符填充 n將信息字段中出現(xiàn)的每一個 0 x7E 字節(jié)轉(zhuǎn)變成為 2 字節(jié)序列(0 x7D, 0 x5E)。 n若信息字段中出現(xiàn)一個 0 x7D 的字節(jié), 則將其轉(zhuǎn)變成為 2 字節(jié)序列(0 x7D, 0 x5D)。n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

15、個 0 x7D 字節(jié)，同時將該字符的編碼加以改變。 課件制作人：謝希仁零比特填充 nPPP 協(xié)議用在 SONET/SDH 鏈路時，是使用同步傳輸（一連串的比特連續(xù)傳送）。這時 PPP 協(xié)議采用零比特填充方法來實現(xiàn)透明傳輸。n在發(fā)送端，只要發(fā)現(xiàn)有 5 個連續(xù) 1，則立即填入一個 0。接收端對幀中的比特流進行掃描。每當(dāng)發(fā)現(xiàn) 5 個連續(xù)1時，就把這 5 個連續(xù) 1 后的一個 0 刪除， 0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 00 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 00 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0信息字段中

16、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 個連 1 之后填入 0 比特再發(fā)送出去在接收端把 5 個連 1之后的 0 比特刪除會被誤認(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 比特零比特填充課件制作人：謝希仁 不提供使用序號和確認(rèn)的可靠傳輸 nPPP 協(xié)議之所以不使用序號和確認(rèn)機制是出于以下的考慮：n在數(shù)據(jù)鏈路層出現(xiàn)差錯的概率不大時，使用比較簡單的 PPP 協(xié)議較為合理。n在因特網(wǎng)環(huán)境下，PPP 的信息字段放入的數(shù)據(jù)是 IP 數(shù)據(jù)報。數(shù)據(jù)鏈路層的可靠傳輸并不能夠保證網(wǎng)絡(luò)層的傳輸也是可靠的。n幀檢驗序列 FCS 字段可保證無差錯接受。 課件制作人：謝希仁 4.3

17、.3 PPP 協(xié)議的工作狀態(tài) n當(dāng)用戶撥號接入 ISP 時，路由器的調(diào)制解調(diào)器對撥號做出確認(rèn)，并建立一條物理連接。nPC 機向路由器發(fā)送一系列的 LCP 分組（封裝成多個 PPP 幀）。n這些分組及其響應(yīng)選擇一些 PPP 參數(shù)，和進行網(wǎng)絡(luò)層配置，NCP 給新接入的 PC機分配一個臨時的 IP 地址，使 PC 機成為因特網(wǎng)上的一個主機。n通信完畢時，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。 課件制作人：謝希仁PPP 協(xié)議的狀態(tài)圖 建立失敗失敗NCP 配置鑒別成功通信結(jié)束載波停止檢測到 載波雙方協(xié)商一些選項鑒別網(wǎng)絡(luò)打開終止靜止課件制作人：謝希仁4.4 HDLC 協(xié)議n1974年，IBM 公司推出了面向比特的規(guī)程SDLC (Synchronous Data Link Control)。n后來 ISO 把 SDLC 修改后稱為 HDLC (High-level Data Link Control)，譯為高級數(shù)據(jù)鏈路控制，作為國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 3309。nCCITT 則將 HDLC 再修改后稱為鏈路接入規(guī)程 LAP (Link Access Procedure)。不久，HDLC 的新版本又把 LAP 修改為 LAPB，“B”表示平衡型(Balanced)，所以 L