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1、第4章 数据链路层,4.1 数据链路层的基本概念,4.1.1数据链路层的简单模型(P71),图4-1 数据链路层的地位,4.1.1数据链路层的简单模型,图4-2 只考虑数据在数据链路层的流动,4.1.1数据链路层的简单模型,数据链路层的协议数据单元帧。数据链路层的任务就是把网络层交下来的数据发送到链路上，以及把接收到的帧中的数据取出并上交给网络层。在因特网中，网络层协议数据单元就是IP数据报（或简称为数据报、分组或包）。(P72),4.1.1数据链路层的简单模型,数据链路层最主要的功能可归结为以下几点:（1）结点A的数据链路层把网络层交下来的IP数据报封装成帧。(P72)（2）结点A把封装好的
2、帧发送给结点B的数据链路层。(P72),4.1.1数据链路层的简单模型,（3）若结点B的数据链路层收到的帧无差错，则从收到的帧中提取出IP数据报上交给上面的网络层；否则丢弃这个帧。(P73),图4-3 数据链路层的通信模型,4.1.2 链路和数据链路,所谓链路(link)就是从一个结点到相邻结点的一段物理线路，而中间没有任何其他的交换结点。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。(P73),4.1.2 链路和数据链路,数据链路(data link)则是另一个概念。当需要在一条线路上传送数据时，除了必须有一条物理线路外，还必须有一些
3、必要的通信协议来控制这些数据的传输。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。最常用的方法是使用网络适配器（拨号上网使用拨号适配器，通过以太网上网使用局域网适配器）来实现这些协议的硬件和软件。(P73),4.2 三个基本问题,数据链路层协议有许多种，但有三个基本问题则是共同的。以下是这三个基本问题。1数据链路层的发送方应当让接收方的数据链路层知道，所发送的帧是从什么地方开始到从什么地方结束。这就是帧定界问题。(P74),4.2 三个基本问题,2数据链路层传送的数据的比特组合必须是不受限制的。数据链路层协议不能禁止传送某种特殊的比特组合。这就是透明传输问题。(P74)3数据链路层
4、必须有差错检测功能。(P74),4.2.1 帧定界,帧定界(framing)就是确定帧的界限。每一种链路层协议都规定了帧的数据部分的长度上限最大传送单元MTU(Maximum Transfer Unit)。(P74),4.2.1 帧定界,图4-4 用帧首部和帧尾部进行帧定界,4.2.1 帧定界,图4-5 用控制字符进行帧定界的方法举例,4.2.2 透明传输,图4-6 数据部分恰好出现与EOT一样的代码,4.2.2 透明传输,像图4-6所示的帧的传输显然就不是“透明传输”，为了解决透明传输问题，就必须设法使数据中可能出现的控制字符“SOH”和“EOT”在接收方不被解释为控制字符。具体的方法是每当
5、在数据中出现字符“SOH”或“EOT”时就将其转换为另一个字符，而这个字符是不会被错误解释为控制字符的。这种方法称为字节插入(byte stuffing)。(P75),4.2.2 透明传输,上面的控制字符“ESC”叫做转义符(escape character)。(P76),4.2.2 透明传输,图4-7 用字节插入法解决透明传输的问题,4.2.3 差错检测,在一定的时间内，传输错误的比特占所传输的比特总数的比率称为误码率BER(Bit Error Rate)。误码率=传错的码元数/传输的码元总数*100%。(P77),4.2.3 差错检测,为了进行检错而添加的冗余码常称为帧检验序列FCS(Fr
6、ame Check Sequence)。,4.2.3 差错检测,在数据链路层广泛使用了循环冗余检验CRC(Cyclic Redundancy Check)的检错技术。1.循环冗余码CRC的工作方法在发送端产生一个循环冗余码，附加在信息位后面一起发送到接收端，接收端收到的信息按发送端形成循环冗余码同样的算法进行校验，若有错，需重发,4.2.3 差错检测,1.CRC的工作方法它是在发送端编码和接收端校验时，都可以利用事先约定的生成多项式G(X)来得到，K位要发送端编码对应于一个（k-1）次多项式K(X)，r位冗余位则对应一个(r-1)次多项式R(X)，由r位冗余位组成的n=k+r位码字则对应一个(
7、n-1)次多项式T(X)=Xr*K(X)+R(X)。,4.2.3 差错检测,例1：已知：信息码:101001 信息多项式:K(X)=X5+X3+1 生成码:1101 生成多项式:G(X)=X3+X2+1(r=3)求：循环冗余码和码字。,4.2.3 差错检测,解：1)(X5+X3+1)*X3的积是：X8+X6+X3 对应的码是：101001000 2)积G(X)(按模二算法)。由计算结果知冗余码是001，码字就是101001001。,4.2.3 差错检测,例2：已知：信息码:110011 信息多项式:K(X)=X5+X4+X+1 生成码:11001 生成多项式:G(X)=X4+X3+1(r=4)
8、求：循环冗余码和码字。,4.2.3 差错检测,解：1)(X5+X4+X+1)*X4的积是：X9+X8+X5+X4 对应的码是：1100110000。2)积G(X)(按模二算法)。由计算结果知冗余码是1001，码字就是1100111001。,4.2.3 差错检测,循环冗余检验CRC差错检测技术只能做到无差错接受，即：“凡是接收方数据链路层接受的帧，以非常接近于1的概率认为这些帧在传输过程中没有产生差错”,“凡是接收方数据链路层接受的帧均无传输差错”。(P77),4.2.3 差错检测,采用CRC差错检测技术后，我们并没有使数据链路层变成具有“可靠传输”的功能。(P78)以前OSI的观点是必须把数据
9、链路层做成是可靠传输的。因此，他们在有CRC检错的基础上，增加了确认和重传机制。(P78),4.2.3 差错检测,因特网广泛使用的数据链路层协议都不使用确认和重传机制，即不把数据链路层做成具有可靠传输的功能。如果在数据链路层传输数据时出现了差错，并且需要进行改正的话，那么，改正差错的任务就由运输层的TCP协议来完成。实践证明，这样做可以使整个通信效率大大提高。(P78),4.3 点对点协议PPP,4.3.1 PPP协议的特点 对于点对点的链路，点对点协议PPP(Point-to-Point Protocol)是目前使用得最广泛的数据链路层协议。(P79),4.3.1 PPP协议的特点,图4-9
10、 用户到ISP的链路使用PPP协议,4.3.1 PPP协议的特点,1PPP协议应满足的需求（1）简单(P79)（2）封装成帧 PPP协议必须规定特殊的字符作为帧定界符。帧定界是指接收方从收到的比特流中应当能准确地找出一帧的开始和结束在什么地方。(P80),4.3.1 PPP协议的特点,（3）透明性(P80)（4）多种网络层协议(P80)PPP协议必须能够在同一条物理链路上同时支持多种网络层协议（如IP和IPX等）的运行。（5）多种类型链路(P80),4.3.1 PPP协议的特点,（6）差错检测(error detection)(P80)PPP协议必须能够对接收方收到的帧进行检测，并立即丢弃有差
11、错的帧。（7）连接的活跃度(P80)PPP协议必须具有一种机制来自动检测出链路上连接的活跃度(liveness)，也就是说，必须能够及时（不超过几分钟）检测出一条链路是处于正常工作状态，还是已经出了故障。,4.3.1 PPP协议的特点,（8）最大传送单元(P81)PPP协议必须对每一种类型的点对点链路设置最大传送单元MTU的标准默认值。（9）网络层地址协商(P81)（10）数据压缩协商(P81),4.3.1 PPP协议的特点,2PPP协议不需要的功能(P81)（1）纠错(error correction)PPP协议是不可靠传输协议。（2）流量控制（3）序号（4）多点线路（5）半双工或单工链路,
12、4.3.1 PPP协议的特点,3PPP协议的组成(P81)PPP协议有三个组成部分。（1）一个将IP数据报封装到串行链路的方法。（2）一个用来建立、配置和测试数据链路连接的链路控制协议LCP(Link Control Protocol)。（3）一套网络控制协议NCP(Network Control Protocol)，其中的每一个协议支持不同的网络层协议。,4.3.2 PPP协议的帧格式,图4-10 PPP帧的格式,1各字段的意义(P82),4.3.2 PPP协议的帧格式,2字节填充(P82)当PPP使用异步传输时，它把转义符定义为0 x7D，并使用字节填充。3零比特填充(P83),图4-11
13、 零比特的填充与删除,4.3.3 PPP协议的工作状态,PPP链路的起始和终止状态永远是图4-12中的“静止状态”，当检测到调制解调器的载波信号，并建立物理层连接后，PPP就进入链路的“建立状态”。这时LCP开始协商一些配置选项，即发送LCP的配置请求帧(configure-request)。(P84),图4-12 使用PPP协议的状态图,4.3.3 PPP协议的工作状态,链路的另一端可以发送以下几种响应。（1）配置确认帧(configure-ack)：所有选项都接受。(P84)（2）配置否认帧(configure-nac)：所有选项都理解但不能接受。(P84)（3）配置拒绝帧(configu
14、re-reject)：选项有的无法识别或不能接受，需要协商。(P84),4.3.3 PPP协议的工作状态,LCP配置选项包括链路上的最大帧长、所使用的鉴别协议(authentication protocol)的规约（如果有的话），以及不使用PPP帧中的地址和控制字段。(P84)协商结束后就进入“鉴别状态”。若通信的双方鉴别身份成功，则进入“网络状态”。(P84),4.3.3 PPP协议的工作状态,如果在PPP链路上运行的是IP，则使用IP控制协议IPCP(IP Control Protocol)来对PPP链路的每一端配置IP模块（如分配IP地址）。(P84)当网络层配置完毕后，链路就进入可进行
15、数据通信的“打开状态”。两个PPP端点还可发送回送请求LCP分组(echo-request)和回送回答LCP分组(echo-reply)以检查链路的状态。(P84),4.3.3 PPP协议的工作状态,数据传输结束后，链路的一端发出终止请求LCP分组(terminate-request)请求终止链路连接，而当收到对方发来的终止确认LCP分组(terminate-ack)后，就转到“终止状态”。当载波停止后则回到“静止状态”。(P84),4.4 HDLC协议,HDLC(High-level Data Link Control)，译为高级数据链路控制，链路接入规程LAP(Link Access Procedure)，LAPB叫做链路接入规程（平衡型）。(P85),4.4 HDLC协议,图4-13 HDLC的帧结构,4.4 HDLC协议,HDLC采用零比特填充法实现透明传输。地址字段是8位。(P85)控制字段共8位，HDLC帧划分为3大类，即信息帧、监督帧和无编号帧。(P85),
