計算機網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ) 課件 第3章 數(shù)據(jù)鏈路層

打造人工智能共享實訓基地，我校專業(yè)集群協(xié)調(diào)發(fā)展

信系第3章數(shù)據(jù)鏈路層第3章數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層屬于計算機網(wǎng)絡(luò)的低層。數(shù)據(jù)鏈路層使用的信道主要有點對點信道和廣播信道兩種。（1）點對點信道（Point-to-PointLink）：這種信道使用一對一的點對點通信方式。（2）廣播信道（BroadcastLink）：這種信道使用一對多的廣播通信方式，因此過程比較復雜。廣播信道上可以連接多個計算機，因此必須使用共享信道協(xié)議來協(xié)調(diào)這些計算機的數(shù)據(jù)發(fā)送?！緝?nèi)容巡航】第3章數(shù)據(jù)鏈路層H1的數(shù)據(jù)鏈路層

R1的數(shù)據(jù)鏈路層

R2的數(shù)據(jù)鏈路層

H2的數(shù)據(jù)鏈路層3.1.1數(shù)據(jù)鏈路和幀將運行數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的任何設(shè)備稱為節(jié)點（Node），包括主機、交換機、路由器、和WiFi接入點。1.鏈路和數(shù)據(jù)鏈路鏈路（Link）就是從一個節(jié)點到相鄰節(jié)點的一段物理線路（有線或無線），而中間沒有任何其他的交換節(jié)點。把實現(xiàn)這些通信協(xié)議的硬件和軟件加到鏈路上，就構(gòu)成了數(shù)據(jù)鏈路。3.1.1數(shù)據(jù)鏈路和幀物理鏈路1.鏈路和數(shù)據(jù)鏈路鏈路（Link）數(shù)據(jù)鏈路物理鏈路通信協(xié)議3.1.1數(shù)據(jù)鏈路和幀2.幀3.1.1數(shù)據(jù)鏈路和幀

（1）節(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)報添加到首部和尾部封裝成幀。2.幀

（2）節(jié)點A把封裝好的幀發(fā)送給節(jié)點B的數(shù)據(jù)鏈路層。

（3）若節(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。3.1.2封裝成幀

封裝成幀（Framing）就是在一段數(shù)據(jù)（網(wǎng)絡(luò)層交下來的IP數(shù)據(jù)報）的前后分別添加首部和尾部，這樣就構(gòu)成了一個幀。3.1.2封裝成幀

網(wǎng)絡(luò)層的IP數(shù)據(jù)報傳送到數(shù)據(jù)鏈路層就成為幀的數(shù)據(jù)部分，在幀的數(shù)據(jù)部分的前面和后面分別添加上首部和尾部，構(gòu)成了一個完整的幀。這樣的幀就是數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)傳送單元。首部和尾部的作用之一就是進行幀定界（即確定幀的界限），不同的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的幀的首部和尾部包含的信息有明確的規(guī)定，幀的首部和尾部有幀開始符和幀結(jié)束符，稱為“幀定界符”。如上圖.3.1.2封裝成幀一個幀的長度等于幀的數(shù)據(jù)部分長度加上幀首部和幀尾部的長度。數(shù)據(jù)鏈路層必須使用物理層提供的服務來傳輸一個一個的幀。物理層將數(shù)據(jù)鏈路層交來的數(shù)據(jù)以比特流的形式在物理鏈路上傳輸。在發(fā)送幀時，是從幀首部開始發(fā)送的。各種數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議都對幀首部和幀尾部的格式有明確的規(guī)定。每一種數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議都規(guī)定了幀的數(shù)據(jù)部分長度的上限，即最大傳輸單元（MTU）。3.1.2封裝成幀控制字符SOH（StartOfHeader）放在一幀的最前面，表示幀的首部開始。另一個控制字符EOT（EndofTransmission）表示幀的結(jié)束。3.1.3透明傳輸當傳送的幀是用文本文件（字符都是從鍵盤上輸入的）組成的幀時，其數(shù)據(jù)部分顯然不會出現(xiàn)像SOH和EOT這樣的幀定界控制字符。這樣不管從鍵盤上輸入什么字符都可以放在這樣的幀中傳輸過去，因此這樣的傳輸就是透明傳輸?！霸跀?shù)據(jù)鏈路層透明傳送數(shù)據(jù)”表示無論什么樣的比特組合的數(shù)據(jù)，都能夠按照原樣沒有差錯地通過這個數(shù)據(jù)鏈路層。數(shù)據(jù)鏈路層對這些數(shù)據(jù)來說是透明的。3.1.3透明傳輸當數(shù)據(jù)部分是非ASCII碼的文本文件時（如二進制代碼的計算機程序或圖像等），如果數(shù)據(jù)中的某個字節(jié)的二進制代碼恰好和SOH或EOT這種控制字符一樣，如圖3.5所示，數(shù)據(jù)鏈路層就會錯誤地“找到幀的邊界”，把部分幀收下（誤認為是個完整的幀），而把剩下的那部分數(shù)據(jù)丟棄（這部分找不到幀定界控制字符SOH）。3.1.3透明傳輸

設(shè)法使數(shù)據(jù)中可能出現(xiàn)的控制字符“SOH”和“EOT”在接收端不被解釋為控制字符。具體的方法是：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，二進制是00011011）。而在接收端的數(shù)據(jù)鏈路層在把數(shù)據(jù)送往網(wǎng)絡(luò)層之前刪除這個插入的轉(zhuǎn)義字符。

這種方法稱為字節(jié)填充（bytestuffing）或字符填充（characterstuffing）。3.1.3透明傳輸3.1.4差錯檢測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。這就叫做比特差錯。比特差錯是傳輸差錯的一種。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（BitErrorRate）。例如，誤碼率為10-10時，表示平均每傳送1010個比特就會出現(xiàn)一個比特的差錯。3.1.4差錯檢測3.1.4差錯檢測在發(fā)送端，先把數(shù)據(jù)劃分為組（也就是要傳送的分組），假定每組k個比特。現(xiàn)假定待傳送的數(shù)據(jù)M=101001（k=6）。CRC運算就是在數(shù)據(jù)M的后面添加供差錯檢測用的n位冗余碼，然后構(gòu)成一個幀發(fā)送出去，一共發(fā)送（k+n）位。要使用幀的數(shù)據(jù)部分和數(shù)據(jù)鏈路層首部合起來的數(shù)據(jù)（M=101001）來計算n位幀檢驗序列（FCS），并放到幀的尾部。幀檢驗序列是經(jīng)過簡單的除法運算得出的。方法是：首先在要校驗的二進制數(shù)據(jù)（M=101001）的后面添加n位的0，在除以收發(fā)雙方事先商定好的n+1位的除數(shù)P，得出的商是Q，而余數(shù)是R（n位，比除數(shù)少1位）。這個n位的余數(shù)R就是我們所需要的幀檢驗序列FCS。注：CRC是一種檢錯方法，F(xiàn)CS是添加在數(shù)據(jù)后面用來檢錯的冗余碼。3.1.4差錯檢測接收方把接收到的數(shù)據(jù)以幀為單位進行CRC檢驗，把收到的每一幀都送到除法器進行運算（除以和發(fā)送方生成FCS時所使用的同樣除數(shù)），然后檢查得到的n位余數(shù)。如果在傳輸過程中未出現(xiàn)差錯，那么經(jīng)過CRC檢驗后得出的余數(shù)肯定是零。于是這樣的幀就被接受下來。但當出現(xiàn)差錯時，則余數(shù)將不為零，這樣的幀就被丟棄。凡是接收端數(shù)據(jù)鏈路層通過差錯檢測接受的幀，我們都能以非常接近于1的概率認為這些幀在傳輸過程中沒有產(chǎn)生差錯，即可以近似地表述為：凡是接收端數(shù)據(jù)鏈路層接受的幀均無差錯。1.停止等待協(xié)議A發(fā)送的分組M1在傳輸過程中被路由器丟棄，或B接收M1時檢測出了差錯，就丟棄M1,其他什么也不做（不通知A收到有差錯的分組）。A發(fā)送的分組M1在傳輸過程中被路由器丟棄，或B接收M1時檢測出了差錯，就丟棄M1,其他什么也不做（不通知A收到有差錯的分組）。1.停止等待協(xié)議

“停止等待”就是每發(fā)送完一個分組就停止發(fā)送，等待對方的確認，在收到確認后再發(fā)送下一個分組。A發(fā)送分組M1,發(fā)完就暫停發(fā)送，等待B的確認。B收到了M1就向A發(fā)送確認。A在收到了對M1的確認后，就再發(fā)送下一個分組M2。同樣，在收到B對M2的確認后，再發(fā)送M3。1.停止等待協(xié)議B所發(fā)送的對M1的確認丟失了。A在設(shè)定的超時重傳時間內(nèi)沒有收到確認，并無法知道是自己發(fā)送的分組出錯、丟失，或者是B發(fā)送的確認丟失了。因此A在超時計時器到期后就要重傳M1,現(xiàn)在應注意B的動作，假定B又收到了重傳的分組M1。這時應采取兩個行動。

第一，丟棄這個重復的分組M1,不向上層交付；

第二，向A發(fā)送確認，不能認為已經(jīng)發(fā)送過確認就不再發(fā)送，因為A之所以重傳M1就表示A沒有收到對M,的確認。1.停止等待協(xié)議1.停止等待協(xié)議

假定A發(fā)送分組需要的時間是TD。顯然，TD等于分組長度除以數(shù)據(jù)率。再假定分組正確到達B后，B處理分組的時間可以忽略不計，同時立即發(fā)回確認。假定B發(fā)送確認分組需要時間TA。如果A處理確認分組的時間也可以忽略不計，那么A在經(jīng)過時間(TD+RTT+TA)后就可以再發(fā)送下一個分組，這里的RTT是往返時間。因為僅僅是在時間TD內(nèi)才用來傳送有用的數(shù)據(jù)（包括分組的首部），因此信道的利用率U可用下式計算：U=TD/TD+RTT+TA。1.停止等待協(xié)議1.停止等待協(xié)議2.連續(xù)ARQ協(xié)議

連續(xù)ARQ協(xié)議在流水線傳輸?shù)幕A(chǔ)上利用發(fā)送窗口來限制發(fā)送方連續(xù)發(fā)送分組的個數(shù)。為此，發(fā)送方要維持一個發(fā)送窗口，發(fā)送窗口是允許發(fā)送方已發(fā)送但還沒有收到確認的分組序號的范圍。窗口大小就是發(fā)送方已發(fā)送但還沒有收到確認的最大分組數(shù)。實際上，發(fā)送窗口為1，就是前面討論的停止等待協(xié)議。2.連續(xù)ARQ協(xié)議2.連續(xù)ARQ協(xié)議連續(xù)ARQ協(xié)議規(guī)定，發(fā)送方每收到一個確認，就把發(fā)送窗口向前滑動一個分組的位置。圖3.12(b)表示發(fā)送方收到了對第1個分組的確認，于是把發(fā)送窗口向前移動一個分組的位置。如果原來已經(jīng)發(fā)送了前4分組，那么現(xiàn)在就可以發(fā)送窗口內(nèi)的第5分組了。在協(xié)議的工作過程中發(fā)送窗口不斷向前滑動，因此這類協(xié)議又稱為滑動窗口協(xié)議。2.連續(xù)ARQ協(xié)議3.選擇重傳協(xié)議為進一步提高性能，可設(shè)法只選擇出現(xiàn)差錯的分組進行重傳，但這時接收窗口大小不再為1，以便先收下失序到達但仍然處在接收窗口中的那些分組，等到所缺分組收齊后再一并送交上層。這就是選擇重傳（SelectiveRepeat，SR）協(xié)議3.選擇重傳協(xié)議3.選擇重傳協(xié)議

為進一步提高連續(xù)性能，可設(shè)法只選擇出現(xiàn)差錯的分組進行重傳，但這時接收窗口大小不再為1，以便先收下失序到達但仍然處在接收窗口中的那些分組，等到所缺分組收齊后再一并送交上層。這就是選擇重傳（SelectiveRepeat，SR）協(xié)議3.選擇重傳協(xié)議為進一步提高性能，可設(shè)法只選擇出現(xiàn)差錯的分組進行重傳，但這時接收窗口大小不再為1，以便先收下失序到達但仍然處在接收窗口中的那些分組，等到所缺分組收齊后再一并送交上層。這就是選擇重傳（SelectiveRepeat，SR）協(xié)議3.選擇重傳協(xié)議注意：為了使發(fā)送方僅重傳出現(xiàn)差錯的分組，接收方不能再采用累計確認，而需要對每個正確接收到的分組進行逐一確認（選擇確認）。3.2點對點協(xié)議點對點協(xié)議（Point-to-PointProtocol，PPP）是基于物理鏈路上傳輸網(wǎng)絡(luò)層的報文而設(shè)計的，它的校驗、認證和鏈接協(xié)商機制有效解決了串行線路網(wǎng)際協(xié)議（SerialLineInternetProtocol，SLIP）的無容錯機制、無授權(quán)和協(xié)議運行單一的問題。PPP的可靠性和安全性較高，且支持各類網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，可以允許在不同類型的接口和鏈路上。3.2.1

PPP協(xié)議的特點1.PPP協(xié)議應滿足的需求簡單封裝成幀透明傳輸差錯檢驗支持多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議（IPv4、v6、IPX）支持多種類型鏈路（串、并，同、異，低、高，點、光等）自動檢測鏈路連接狀態(tài)可設(shè)置最大傳輸單元值網(wǎng)絡(luò)地址協(xié)商數(shù)據(jù)壓縮協(xié)商3.2.1

PPP協(xié)議的特點2.PPP協(xié)議的組成（1）高級數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議（2）鏈路控制協(xié)議。（3）網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議。3.2.2同步傳輸和異步傳輸1.同步傳輸

同步傳輸（synchronousTransmission）以數(shù)據(jù)幀為單位傳輸數(shù)據(jù)，可采用字符形式或位組合形式的幀同步信號，在短距離的高速傳輸中，該時鐘信號可由專門的時鐘線路傳輸，由發(fā)送端或接收端提供專用于同步的時鐘信號。計算機網(wǎng)絡(luò)采用同步傳輸方式時，常將時鐘同步信號（前同步碼）植入數(shù)據(jù)信號幀中，以實現(xiàn)接收端和發(fā)送端的時鐘同步。

發(fā)送端發(fā)送的幀在幀開始定界符前植入了前同步碼，用于同步接收端時鐘，前同步碼后面是一個完整的幀，3.2.2同步傳輸和異步傳輸發(fā)送端發(fā)送的幀在幀開始定界符前植入了前同步碼，用于同步接收端時鐘，前同步碼后面是一個完整的幀3.2.2同步傳輸和異步傳輸2.異步傳輸異步傳輸（asynchronousTransmission）以字符為單位傳輸數(shù)據(jù)，發(fā)送端和接收端具有相互獨立的時鐘（頻率相差不能太多），并且兩者中的任意一方都不需要向?qū)Ψ教峁r鐘同步信號。異步傳輸?shù)陌l(fā)送端和接收端在數(shù)據(jù)可以傳輸之前不需要協(xié)調(diào)，發(fā)送端可以在任何時刻發(fā)送數(shù)據(jù)，而接收端必須隨時都處于準備接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)。計算機主機與輸入、輸出設(shè)備之間一般采用異步傳輸方式，如鍵盤可以在任何時刻發(fā)送一個字符，這取決于用戶何時輸入。3.2.2同步傳輸和異步傳輸2.異步傳輸如果發(fā)送端以異步傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送幀到接收端，則需要將發(fā)送的幀拆分成以字符為單位進行傳輸，每個字符前有一個起始位，后面有一個停止位。字符之間的時間間隔不固定。接收端收到這些陸續(xù)到來的字符，照樣可以組裝成一個完整的幀，3.2.2同步傳輸和異步傳輸3.2.2同步傳輸和異步傳輸異步傳輸和同步傳輸?shù)膮^(qū)別如下：（1）異步傳輸是面向字符的傳輸，而同步傳輸是面向比特的傳輸。（2）異步傳輸?shù)膯挝皇亲止?jié)，而同步傳輸?shù)膯挝皇菐＃?）異步傳輸通過字符起止的開始碼和停止碼抓住再同步的機會，而同步傳輸則是從前同步碼中抽取同步信息。3.2.3

PPP幀格式3.2.3

PPP幀格式（4）協(xié)議字段：2字節(jié)，不同的值用來標識PPP幀內(nèi)的信息是什么數(shù)據(jù)。0x0021：PPP幀的信息字段是IP數(shù)據(jù)報；0x8021：表示這是網(wǎng)絡(luò)層控制數(shù)據(jù)NCP；0xc021：信息字段是PPP鏈路控制數(shù)據(jù)；0xc023：信息字段是安全性認證PAP；0xc025：信息字段是LQR；0xc028：信息字段是安全性認證CHAP。3.2.4

PPP幀格式填充方式在異步傳輸?shù)逆溌飞?，?shù)據(jù)傳輸以字節(jié)為單位，PPP幀的轉(zhuǎn)義符定義為Ox7D（即01111101），并使用字節(jié)填充，（RFC1662）規(guī)定了如下所述的填充方法，如圖3.19所示1.異步傳輸使用字節(jié)填充3.2.4

PPP幀格式填充方式在同步傳輸?shù)逆溌飞希瑪?shù)據(jù)傳輸以幀為單位，PPP采用零比特填充方法來實現(xiàn)透明傳輸。

在發(fā)送端，先掃描整個信息字段（通常是用硬件實現(xiàn)，但也可用軟件實現(xiàn)，只是會慢些）。只要發(fā)現(xiàn)有5個連續(xù)1，則立即填入一個0。經(jīng)過這個零比特填充的數(shù)據(jù)，就可以保證在信息字段中不會出現(xiàn)6個連續(xù)1。接收端在收到一個幀時，先找到幀定界符以確定一個幀的邊界，再用硬件對其中的比特流進行掃描，每當發(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，以還原數(shù)據(jù)比特流。這樣就保證了透明傳輸：所傳送的數(shù)據(jù)比特流可以包含任意組合的比特模式，而不會引起對幀邊界的判斷錯誤。2.同步傳輸使用零比特填充3.2.5PPP協(xié)議的工作狀態(tài)3.2.5PPP協(xié)議的工作狀態(tài)

（1）Dead階段。開始是Dead階段，這個階段表示物理層沒有連接，也就是鏈路Down。

（2）LinkEstablishment階段（鏈路建立階段）。物理層可用時，PPP首先進行LCP協(xié)商，協(xié)商的內(nèi)容包括工作方式是SP還是MP，驗證方式，最大傳輸單元（MRU）等。LCP協(xié)商通過后，狀態(tài)變?yōu)镺pened，表示鏈路已經(jīng)建立。3.2.5PPP協(xié)議的工作狀態(tài)

（3）Authenticate階段（鑒別階段）。這個階段是可選。默認情況下，PPP鏈路不進行驗證，如果要求驗證，在鏈路建立階段必須制定驗證協(xié)議。

（4）Network-LayerProtocol階段（網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議階段）。PPP完成了前面幾個階段，通過NCP協(xié)商來選擇和配置同一個網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，并進行網(wǎng)絡(luò)層參數(shù)協(xié)商。3.2.5PPP協(xié)議的工作狀態(tài)

（5）Terminate階段（網(wǎng)絡(luò)終止階段）。PPP能在任何時候終止鏈路。當載波丟失、認證失敗或管理員人為關(guān)閉鏈路等情況均會導致鏈路終止。3.2.6PPP的身份認證1.密碼認證協(xié)議PAP。密碼認證協(xié)議PAP（PasswordAuthenticationProtocol為兩次握手驗證，它通過用戶名及口令來進行身份