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1、第三讲 数据链路层DataLink layer,北京交通大学电气工程学院 黄彧,点对点信道主要内容,基本内容：数据链路层的基本概念、基本的数据链路层协议和常用数据链路层协议（PPP）。重点掌握：链路与数据链路的区别；实现帧定界、透明传输和差错检测的基本计算方法；PPP协议的帧格式。,数据链路层的基本概念,链路(link)是一条无源的点到点的物理线路，中间没有任何其他的交换结点。（物理链路）一条链路只是一条通路的一个组成部分。数据链路(data link)：物理链路+通信协议。（逻辑链路）现在最常用的方法是使用网络适配器（拨号适配器、局域网适配器）。一般的适配器都包括了数据链路层和物理层这两层的
2、功能。,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,从层次上来看数据的流动,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,R1,R2,R3,H1,H2,仅从数据链路层观察帧的流动,简化模型,数据链路层,主机 A,缓存,主机 B,数据链
3、路,AP2,AP1,缓存,发送方,接收方,帧,高层,帧,三个基本问题,帧定界：发送方要让接受方知道所发送的帧是从什么地方开始什么地方结束；透明传输：传送的比特组合不受限制；差错检测：判断数据传输的是否正确。,帧定界,帧定界framing：确定帧的界限，发送方在帧的前后加入标记，接收方根据标记识别帧。,数据链路层帧的数据部分长度链路层协议规定的MTU,透明传输,当传输的数据当中出现用做帧定界的控制字符时，会怎么样？,解决方法：字节插入、比特插入,字节插入 byte stuffing,字节插入（字符填充）：将在数据出现的控制字符转换为另一个字符。,比特插入,PPP协议在SONET/SDH链路上同步
4、传输时使用零比特填充法,零比特插入/删除工作过程,差错检测,纠错码：奇偶校验（parity check）海明码 检错码：校验和 循环冗余校验（CRC）,奇偶校验（parity check）,（水平）奇偶校验码:在发送的数据块后加1个校验位，使结果中1的个数为奇数（奇校验）或偶数（偶校验）。如：数据1011000 偶校验 校验位为1-10110001 奇检验 校验位为0-10110000特点：方法简单，检错能力差用于通信要求较低的环境,海明码,1950年R.Hamming提出可以纠正一位差错的编码，称为海明码。（前向纠错码）基本概念：码字：m数据位，r个校验位，则n=rm称为n位码字；海明距离：
5、两个码字之间不同的比特位数目。如果两个码字之间的海明距离是d，则所有少于等于d-1位错误都可以检查出来，所有少于d/2位的错误都可以纠正。,海明码构建方法,把所有2的幂次方的数据位标记为奇偶校验位(编号为1,2,4,8,16等的位置)；其他数据位用于待编码数据(编号为3,5,6,7,9,10,11,12,13,14,15,17等的位置)；每个奇偶校验位的值代表了代码字中部分数据位的奇偶性，其所在位置决定了要校验和跳过的比特位顺序；位置1：校验1位，跳过1位，校验1位，跳过1位(1,3,5,7,9,11,13,15,位置2：校验2位，跳过2位，校验2位，跳过2位(2,3,6,7,10,11,14
6、,15,)位置4：校验4位，跳过4位，校验4位，跳过4位(4,5,6,7,12,13,14,15,20,21,22,23,)位置8：校验8位，跳过8位，校验8位，跳过8位(8-15,24-31,40-47,),海明码构建方法,如果采用偶校验：如果全部校验的位置中有奇数个1，把该奇偶校验位置为1；如果全部校验的位置中有偶数个1，把该奇偶校验位置为0。例题：数据位为10011010，求构成的海明码？011100101010接收端：假定实际接收到的数据是011100101110。验证每一个校验位，将所有出错的校验位置相加，得到的就是错误信息所在的位置。,循环冗余检验（CRC）,1101010110
7、Q 商 除数 P 110101 101000110100000 2nM 被除数 110101 111011 110101 111010 110101 111110 110101 101100 110101 110010 110101 01110 R 余数,循环冗余检验的原理说明,帧检验序列 FCS,在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列 FCS(Frame Check Sequence)。循环冗余检验 CRC 和帧检验序列 FCS并不等同。CRC 是一种常用的检错方法，而 FCS 是添加在数据后面的冗余码。FCS 可以用 CRC 这种方法得出，但 CRC 并非用来获得 FCS 的惟一方法。,接
8、收端差错检测,接收端收到数据后除以P，得到的余数应当是0。只要得出的余数 R 不为 0，就表示检测到了差错。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。多项式表示：生成多项式P(x)=X5+X4+X2+1。常用的生成多项式：CRC-16=X16+X15+X2+1CRC-CCITT=X16+X12+X5+1CRC-32=X32+X26+X23+X16+X12+X11+X10+X8+X7+X5+X4+X2+X+1,CRC例题,生成多项式 X16+X15+X13+X12+X10+X9+X8+X7+X2+1 用16进制表示为：H？CRC的生成多项式为G(x)=X4+X3+X2+1，接收
9、端收到的码字为110110011001。试问该码字是否出错？,1B785,解题方法：生成多项式11101，用110110011001/11101，如果整除则没有出错，否则出错。结果表明不能整除，出错。,因特网的点对点协议 PPP,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)。用户使用拨号电话线接入因特网时，一般都是使用 PPP 协议。,用户拨号入网的示意图,PPP 协议特点,1992 年制订了 PPP 协议。经过 1993 年和 1994 年的修订，现在的 PPP 协议已成为因特网的正式标准RFC 1661。1999年公布以太网运行
10、PPPoE。PPP协议有三个组成部分 一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法。链路控制协议 LCP(Link Control Protocol)。网络控制协议 NCP(Network Control Protocol)。,PPP不需要的功能,纠错 error correctionPPP是不可靠传输协议流量控制序号多点线路半双工或单工链路,PPP 协议的帧格式,PPP 是面向字节的，所有的 PPP 帧的长度都是整数字节。标志字段 F 仍为 0 x7E（符号“0 x”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）。地址字段 A 只置为 0 xFF。地址字段实
11、际上并不起作用。控制字段 C 通常置为 0 x03。,PPP 协议的帧格式,PPP 有一个 2 个字节的协议字段。当协议字段为 0 x0021 时，PPP 帧的信息字段就是IP 数据报。若为 0 xC021,则信息字段是 PPP 链路控制数据。若为 0 x8021，则表示这是网络控制数据。,IP 数据报,1,2,1,1,字节,1,2,不超过 1500 字节,PPP 帧,先发送,7E,FF,03,F,A,C,FCS,F,7E,协议,信 息 部 分,首部,尾部,透明传输问题,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（和 HDLC 的做法一样）。当 PPP 用在异步传输时，就使
12、用一种特殊的字符填充法。,字符填充法,将信息字段中出现的每一个 0 x7E 字节转变成为 2 字节序列(0 x7D,0 x5E)。若信息字段中出现一个 0 x7D 的字节,则将其转变成为 2 字节序列(0 x7D,0 x5D)。若信息字段中出现 ASCII 码的控制字符（即数值小于 0 x20 的字符），则在该字符前面要加入一个 0 x7D 字节，同时将该字符的编码加以改变。,例题,一个PPP帧的数据部分是 7D 5E FE 27 7D 5D 7D 5D 65 7D 5E试问真正的数据是什么？7E FE 27 7D 7D 65 7E,零比特填充法,同步传输时采用零比特填充法使一帧中两个 F 字
13、段之间不会出现 6 个连续 1。在发送端，当一串比特流数据中有 5 个连续 1 时，就立即填入一个 0。在接收帧时，先找到 F 字段以确定帧的边界。接着再对比特流进行扫描。每当发现 5 个连续 1 时，就将其后的一个 0 删除，以还原成原来的比特流。,PPP 协议的工作状态,当用户拨号接入 ISP 时，路由器的调制解调器对拨号做出确认，并建立一条物理连接。PC 机向路由器发送一系列的 LCP 分组（封装成多个 PPP 帧）。这些分组及其响应选择一些 PPP 参数，和进行网络层配置，NCP 给新接入的 PC机分配一个临时的 IP 地址，使 PC 机成为因特网上的一个主机。通信完毕时，NCP 释放网络层连接，收回原来分配出去的 IP 地址。接着，LCP 释放数据链路层连接。最后释放的是物理层的连接。,设备之间无链路,链路静止,链路建立,鉴别,网络层协议,链路打开,链路终止,物理链路,LCP 链路,已鉴别的 LCP 链路,已鉴别的 LCP 链路和 NCP 链路,物理层连接建立,LCP 配置协商,鉴别成功或无需鉴别,NCP 配置协商,链路故障或关闭请求,LCP 链路终止,鉴别失败,LCP 配置协商失败,点对点信道小结,掌握实现帧定界、透明传输的基本方法；掌握海明码和CRC检验的算法；掌握PPP协议的特点及其数据帧的具体格式。作业：3-1、3-4、3-6、3-7、3-8、3-9、3-10,
