第3章 数据链路层1章节安排：3.1 使用点对点信道的数据链路层3.1.1 数据链路和帧3.1.2 三个基本问题3.2 点对点协议 PPP3.2.1 PPP 协议的特点3.2.2 PPP 协议的帧格式3.2.3 PPP 协议的工作状态2 计算机网络 主讲：南京信息工程大学 刘 生章节安排：3.3 使用广播信道的数据链路层3.3.1 局域网的数据链路层3.3.2 CSMA/CD 协议3.4 使用广播信道的以太网3.4.1 使用集线器的星形拓扑3.4.2 以太网的信道利用率3.4.3 以太网的 MAC 层3 计算机网络 主讲：南京信息工程大学 刘 生章节安排：3.5 扩展的以太网 3.5.1 在物理层扩展以太网 3.5.2 在数据链路层扩展以太网 3.6 高速以太网3.6.1 100BASE-T 以太网3.6.2 吉比特以太网3.6.3 10 吉比特以太网3.6.4 使用高速以太网进行宽带接入 3.7 其他类型的高速局域网接口4 计算机网络 主讲：南京信息工程大学 刘 生本章重点：1.数据链路层三个基本问题2.点对点协议 PPP 3. CSMA/CD 协议4.高速以太网5 计算机网络 主讲：南京信息工程大学 刘 生数据链路层概述数据链路层使用的信道主要有以下两种类型 ：l点对点信道:采用一对一的通信方式。l广播信道。使用一对多的广播通信方式， 因广播信道上连接的主机很多，必须使用 专用的共享信道协议来协调主机的数据发 送。 6 计算机网络 主讲：南京信息工程大学 刘 生数据链路层的简单模型局域网广域网主机 H1主机 H2路由器 R1路由器 R2路由器 R3电话网局域网主机 H1 向 H2 发送数据链路层应用层运输层网络层物理层链路层应用层运输层网络层物理层链路层网络层物理层链路层网络层物理层链路层网络层物理层R1R2R3H1H2从层次上来看数据的流动7 计算机网络 主讲：南京信息工程大学 刘 生数据链路层的简单模型( 续）局域网广域网主机 H1主机 H2路由器 R1路由器 R2路由器 R3电话网局域网主机 H1 向 H2 发送数据链路层应用层运输层网络层物理层链路层应用层运输层网络层物理层链路层网络层物理层链路层网络层物理层链路层网络层物理层R1R2R3H1H2仅从数据链路层观察帧的流动8 计算机网络 主讲：南京信息工程大学 刘 生3.1 使用点对点信道的数据链路层 3.1.1 数据链路和帧l链路 (link) 是从一个结点到相邻结点 的一段物理线路，中间没有任何其他的 交换结点。l在进行数据通信时，两个计算机之间的 通信路径往往要经过许多段这样的链路 。可见，链路只是一条路径的组成部分 。9 计算机网络 主讲：南京信息工程大学 刘 生l数据链路(data link) 除了物理线路外，还必须有通信协议来控制数据的传输。若把实 现这些协议的硬件和软件加到链路上，就 构成了数据链路。u现在最常用的方法是使用适配器（即网卡 ）来实现这些协议的硬件和软件。u一般的适配器都包括了数据链路层和物理 层这两层的功能。 10 计算机网络 主讲：南京信息工程大学 刘 生l也有人把链路分为物理链路和逻辑链路。l物理链路就是所说的链路l逻辑链路就是所说的数据链路11 计算机网络 主讲：南京信息工程大学 刘 生IP 数据报1010 0110帧取出数据 链路层网络层链路结点 A结点 B物理层数据 链路层结点 A结点 B帧(a)(b)发送 帧接收链路IP 数据报1010 0110帧装入数据链路层传送的是帧12 计算机网络 主讲：南京信息工程大学 刘 生数据链路层像个数字管道 l常常在两个对等的数据链路层之间画 出一个数字管道，而在这条数字管道 上传输的数据单位是帧。结点结点帧帧13 计算机网络 主讲：南京信息工程大学 刘 生3.1.2 三个基本问题 (1) 封装成帧(2) 透明传输(3) 差错控制 14 计算机网络 主讲：南京信息工程大学 刘 生1. 封装成帧l封装成帧(framing):在一段数据的前后分别添加首部和尾部，然后就构成了一个帧。要点：确定帧 的界限。l首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界。 帧结束帧首部IP 数据报帧的数据部分帧尾部 MTU数据链路层的帧长开始 发送帧开始15 计算机网络 主讲：南京信息工程大学 刘 生用控制字符进行帧定界的方法举例 SOH装在帧中的数据部分帧帧开始符帧结束符发送在前EOT16 计算机网络 主讲：南京信息工程大学 刘 生2. 透明传输SOHEOT出现了“EOT”被接收端当作无效帧而丢弃被接收端 误认为是一个帧数据部分EOT完整的帧 发送 在前17 计算机网络 主讲：南京信息工程大学 刘 生解决透明传输问题l发送端的数据链路层在数据中出现控制字符 “SOH”或“EOT”的前面插入一个转义字符 “ESC”(其十六进制编码是 1B)。l字节填充(byte stuffing)或字符填充(character stuffing)接收端的数据链路层在将数据送往网络层之前删除插入的转义字符。l如果转义字符也出现数据当中，那么应在转义 字符前面插入一个转义字符。当接收端收到连 续的两个转义字符时，就删除其中前面的一个 。 18 计算机网络 主讲：南京信息工程大学 刘 生SOHSOHEOTSOHESCESCEOTESCSOHESCESCESCSOH原始数据EOTEOT经过字节填充后发送的数据字节填充字节填充字节填充字节填充发送 在前帧开始符帧结束符用字节填充法解决透明传输的问题 SOH19 计算机网络 主讲：南京信息工程大学 刘 生3. 差错检测l在传输过程中可能会产生比特差错：1 可 能会变成 0 ，0 也可能变成 1。l在一段时间内，传输错误的比特占所传输 比特总数的比率称为误码率 BER (Bit Error Rate)。l误码率与信噪比有很大的关系。l为了保证数据传输的可靠性，在计算机网 络传输数据时，必须采用各种差错检测措 施。 20 计算机网络 主讲：南京信息工程大学 刘 生循环冗余检验的原理 l在数据链路层传送的帧中，广泛使用了 循环冗余检验 CRC 的检错技术。21 计算机网络 主讲：南京信息工程大学 刘 生循环冗余检验的原理lnbit冗余码的得出：若要传送的数据为M，用二进制模2运算进行2nM的运算，这相当于在M的后面添加n个0。用 2nM除以事先选定好 的数P得到商Q而余数是R，余数R比除数P至少 少一个比特.将得到的余数R作为冗余码添加在数据M的后面发送出去，即将2nM +R发送出去。l如果数据在传输过程中不产生误码，则接收端 收到的应当是2nM+R。将这个数除以P后得到 的余数为022 计算机网络 主讲：南京信息工程大学 刘 生110101 Q (商)P (除数) 1101 101001000 2nM (被除数)11011110 110101110000111011010110000011001101001 R (余数)，作为 FCS 循环冗余检验的原理说明 23 计算机网络 主讲：南京信息工程大学 刘 生帧检验序列 FCS l在数据后面添加上的冗余码称为帧检 验序列 FCS (Frame Check Sequence)。l循环冗余检验 CRC 和帧检验序列 FCS并不等同。uCRC 是一种常用的检错方法，而 FCS 是添加在数据后面的冗余码。uFCS 可以用 CRC 这种方法得出，但 CRC 并非用来获得 FCS 的唯一方法。 24 计算机网络 主讲：南京信息工程大学 刘 生接收端对收到的每一帧进行 CRC 检验 l(1) 若得出的余数 R = 0，则判定这个帧没有 差错，就接受(accept)。l(2) 若余数 R 0，则判定这个帧有差错，就丢弃。l但这种检测方法并不能确定究竟是哪一个或 哪几个比特出现了差错。l只要经过严格的挑选，并使用位数足够多的 除数 P，那么出现检测不到的差错的概率就很小。 25 计算机网络 主讲：南京信息工程大学 刘 生3.2 点对点协议 PPP 3.2.1 PPP 协议的特点 l现在全世界使用得最多的数据链路层 协议是点对点协议 PPP (Point-to-Point Protocol)。l用户使用拨号电话线接入因特网时， 一般都是使用 PPP 协议。 26 计算机网络 主讲：南京信息工程大学 刘 生用户到 ISP 的链路使用 PPP 协议 用户至因特网已向因特网管理机构 申请到一批 IP 地址ISP接入网PPP 协议27 计算机网络 主讲：南京信息工程大学 刘 生（1）. PPP 协议应满足的需求 l简单这是首要的要求l封装成帧 l透明性 l多种网络层协议 l多种类型链路 l差错检测 l检测连接状态 l最大传送单元 l网络层地址协商 l数据压缩协商 28 计算机网络 主讲：南京信息工程大学 刘 生（2）. PPP 协议不需要的功能l纠错 l流量控制 l序号 l多点线路 l半双工或单工链路 29 计算机网络 主讲：南京信息工程大学 刘 生（3）. PPP 协议的组成 lPPP 协议有三个组成部分 u一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法。u链路控制协议 LCP (Link Control Protocol)，用来建立、配置和测试数据链路连接。u网络控制协议 NCP (Network Control Protocol)，其中的每一个协议支持不同的网络层协议。 30 计算机网络 主讲：南京信息工程大学 刘 生3.2.2 PPP 协议的帧格式IP 数据报1211字节12不超过 1500 字节 PPP 帧先发送7EFF03FACFCSF7E协议信 息 部 分首部尾部31 计算机网络 主讲：南京信息工程大学 刘 生l标志字段 F = 0x7E （符号“0x”表示后面的字符是用十六进制表示。十六进 制的 7E 的二进制表示是 01111110）。l地址字段 A 只置为 0xFF。地址字段实际上并不起作用。l控制字段 C 通常置为 0x03。lPPP 是面向字节的，所有的 PPP 帧的长度都是整数字节。 32 计算机网络 主讲：南京信息工程大学 刘 生lPPP 有一个 2 个字节的协议字段。u当协议字段为 0x0021 时， PPP 帧的信息字段就是IP 数据 报。u若为 0xC021, 则信息字段是 PPP 链路控制数据。u若为 0x8021，则表示这是网 络控制数据。 33 计算机网络 主讲：南京信息工程大学 刘 生透明传输问题 l当 PPP 用在异步传输时，就使用一种特殊的字符填充法。l当PPP使用异步传输时，它把转义符定 义为0x7D，并使用字节填充。l当 PPP 用在同步传输链路时，协议规定采用硬件来完成比特填充。34 计算机网络 主讲：南京信息工程大学 刘 生字符填充 （RFC1662）l将信息字段中出现的每一个 0x7E 字节 转变成为 2 字节序列(0x7D, 0x5E)。 l若信息字段中出现一个 0x7D 的字节, 则 将其转变成为 2 字节序列(0x7D, 0x5D)。l若信息字段中出现 ASCII 码的控制字符 （即数值小于 0x20 的字符），则在该 字符前面要加入一个 0x7D 字节，同时将该字符的编码加以改变。 35 计算机网络 主讲：南京信息工程大学 刘 生零比特填充 lPPP 协议用在 SONET/SDH 链路时，使用同步传输（一连串的比特连续传 送）。这时 PPP 协议采用零比特填充方法来实现透明传输。l发送端：只要发现有 5 个连续 1，则 立即填入一个 0。l接收端：每当发现 5 个连续1时，就把 这 5 个连续 1 后的一个 0 删除，36 计算机网络 主讲：南京信息工程大学 刘 生零比特填充37 计算机网络 主讲：南京信息工程大学 刘 生3.2.3 PPP