链路层与局域网.ppt

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1、数据链路层与局域网,1,第5章 链路层与局域网Link Layer and LANs,计算机网络：自顶向下方法(原书第三版)陈鸣译，机械工业出版社，2005年Computer Networking:A Top Down Approach Featuring the Internet,3rd edition.Jim Kurose,Keith RossAddison-Wesley,July 2004.,数据链路层与局域网,2,第5章 链路层和局域网,我们的目标:理解支撑数据链路层服务的原则:差错检测,纠正共享广播信道:多路访问链路层编址可靠数据传输,流量控制:前面已分析过各种链路层技术实例与实现,

2、数据链路层与局域网,3,第5章 链路层,5.1 概述与服务5.2 差错检测和纠错 5.3多路访问协议5.4 链路层编址,5.5 以太网5.6 集线器和交换机5.7 PPP5.8 链路虚拟化:ATM和MPLS,数据链路层与局域网,4,链路层:概述,某些术语:主机和路由器是节点连接沿通信路径的相邻节点的路径是链路有线链路无线链路局域网第二层的分组叫帧,封装数据报,数据链路层具有经一条链路从一个节点传输数据到相邻节点的能力,数据链路层与局域网,5,链路层:相关内容,使用不同的链路协议经不同的链路传输数据报:如第一段链路是以太网，中间链路是帧中继，最后链路是 802.11每个链路协议 提供不同的服务可

3、能或不能经链路提供可靠数据传输,运输类比从 Princeton到 Lausanne的旅行豪华轿车:Princeton到JFK飞机:JFK到Geneva火车:Geneva到Lausanne旅行者=datagram运输各段=通信链路运输模式=链路层协议 旅行代理人=选路算法,数据链路层与局域网,6,链路层 Services,帧,链路访问:将数据报封装进帧，加上首部和尾部如果共享媒体，信道访问位于帧首部的“MAC”地址标识源、目的地不同于IP地址!相连节点间的可靠交付我们已经知道如何做了(第三章)!在比特差错低的链路很少使用(光纤，某些双绞线)无线链路:高差错率问题:为什么同时使用链路级和端到端可靠

4、性?,数据链路层与局域网,7,链路层服务(续),流量控制:相邻发送和接收节点间的步调一致差错检测:差错由信号衰减、噪声所致接收方检测差错的存在信号发送方负责重传或丢弃帧纠错:接收方识别和纠正比特差错，而不采取重传半双工 and 全双工使用半双工,链路的两端节点能够传输，但不能同时,数据链路层与局域网,8,适配器通信,在“适配器”(又称为NIC)中实现链路层以太网卡，PCMCI卡,802.11卡发送侧:将数据报封装在帧中增加差错检测比特，可靠数据传输，流量控制,等,接收侧查找差错，可靠数据传输，流量控制,等提取数据报，传递到接收节点适配器是半自治的链路和物理层,发送节点,接收节点,数据报,适配器

5、,适配器,链路层协议,数据链路层与局域网,9,第5章 链路层,5.1 概述与服务5.2 差错检测和纠错 5.3多路访问协议5.4 链路层编址,5.5 以太网5.6 集线器和交换机5.7 PPP5.8 链路虚拟化:ATM和MPLS,数据链路层与局域网,10,差错检测,EDC=差错检测和纠错 bits(冗余)D=数据由差错校验保护，可能包括首部字段 差错检测不是100%可靠!协议可能漏掉某些差错，但是非常少 较大的EDC字段产生更好的检测和纠正,数据链路层与局域网,11,奇偶校验,单比特奇偶校验:检测单个比特差错,二维比特奇偶校验:检测和纠正单个比特差错,0,0,奇偶比特,奇偶差错,奇偶差错,可纠

6、正的单比特差错,无差错,数据链路层与局域网,12,互联网检查和,发送方:将段内容作为16比特整数序列来处理检查和:段内容相加(补码和)发送方将检查和的值放入 UDP 检查和字段,接收方:计算接收到段的检查和检查是否计算的检查和等于 检查和字段的值:NO 检测到差错YES 没有检测到差错.尽管如此，还可能有错。详情见后.,目标：检测传输段中的“差错”(如比特翻转)(注意:仅用于运输层),数据链路层与局域网,13,检查和:循环冗余码校验,将数据比特D看作一个二进制数选择r+1比特模式(生成式),G 目标：选择r个CRC 比特R,使得 被G整除(以2为模)接收方知道G,用G除以.如果有非零余数：检测

7、到差错!能够检测所有小于r+1比特的突发差错广泛用于实践中(ATM,HDCL),比特模式,数学公式,被发送的数据比特,数据链路层与局域网,14,CRC例子,希望:D.2r XOR R=nG等价为:D.2r=nG XOR R 等价为:如果我们用G除以D.2r,余数为 R,R=余数,D.2rG,数据链路层与局域网,15,第5章 链路层,5.1 概述与服务5.2 差错检测和纠错 5.3多路访问协议5.4 链路层编址,5.5 以太网5.6 集线器和交换机5.7 PPP5.8 链路虚拟化:ATM和MPLS,数据链路层与局域网,16,多路访问链路和协议,两类“链路”:点对点用于拨号接入的PPP在以太网交换

8、机和主机之间的点对点链路广播(共享线路或媒体)传统的以太网向上游的HFC802.11无线LAN,数据链路层与局域网,17,多路访问协议,单一共享广播信道节点的两个或更多的并行传输：干扰碰撞 如果节点同时接收到两个或更多信号多路访问协议决定节点怎样共享信道的分布式算法，如决定何时节点能够传输有关信道共享的通信必须使用信道本身!不用带外信道来协调,数据链路层与局域网,18,理想的多路访问协议,速率R bps的广播信道1.当一个节点可传输，它能够以速率R发送2.当M节点要传输，每个能以平均速率R/M发送3.全分散:无特殊节点来协调传输无同步时钟、时隙4.简单,数据链路层与局域网,19,MAC协议:分

9、类,三大类:信道划分将信道划分为较小的“段”(时隙，频率，编码)为节点分配一部分专用随即访问不划分信道，允许碰撞从“碰撞”恢复“轮流”节点轮流，但有更多信息要发送的能够轮流的较长时间,数据链路层与局域网,20,信道划分MAC协议:TDMA,TDMA:时分多路访问”循环“访问信道每个站点在每个循环中获得固定长度时隙(长度=分组传输时间)不使用的时隙空闲例子：6个站点的LAN,时隙1、3、4 有分组,时隙2、5、6 空闲 TDM(Time Division Multiplexing):channel divided into N time slots,one per user;inefficien

10、t with low duty cycle users and at light load.FDM(Frequency Division Multiplexing):frequency subdivided.,数据链路层与局域网,21,信道划分 MAC协议:FDMA,FDMA:频分多路访问 信道频谱划分为频带每个站点分配固定的频带频带中未使用的传输时间空闲例子：6个站点的LAN,频带1、3、4 有分组,频带2、5、6 空闲TDM(Time Division Multiplexing):channel divided into N time slots,one per user;ineffici

11、ent with low duty cycle users and at light load.FDM(Frequency Division Multiplexing):frequency subdivided.,frequency bands,time,数据链路层与局域网,22,随即访问协议,当 站点有分组要发送以信道全部速率R传输节点间无优先权协调两个或更多传输节点“碰撞”,随即访问MAC协议 定义了:如何检测碰撞如何从碰撞中恢复(例如，经延迟的重新传输)随即访问MAC协议的例子:时隙ALOHAALOHACSMA,CSMA/CD,CSMA/CA,数据链路层与局域网,23,时隙ALOHA,假

12、定所有帧有相同长度时间划分为等长时隙，能够传输1个帧节点仅在时隙开始时开始传输帧节点是同步的如果2个或多个节点在时隙中传输，所有节点检测碰撞,操作当节点获得新帧，将在下一个时隙中传输无碰撞，节点能够在下一个时隙中发送新帧如果碰撞，节点在每个后继时隙中以概率p重传帧知道成功,数据链路层与局域网,24,时隙ALOHA,优点单个活跃节点能够连续地以信道的全速传输高速分散：仅节点中的时隙需要同步简单,缺点碰撞，浪费时隙空闲时隙节点可能能够以小于传输分组的时间检测到碰撞时钟同步,数据链路层与局域网,25,时隙Aloha效率,假定N个有许多帧要发送节点，每个时隙以概率p发送节点1在一个时隙中成功发送的概率

13、=p(1-p)N-1任何节点成功发送的概率=Np(1-p)N-1,对N节点为使效率最大化，求p*使得Np(1-p)N-1最大化对许多节点，当N趋近无穷大，取Np*(1-p*)N-1 极限,得到1/e=0.37,效率是当有许多节点，且每个都有许多帧要发送时，成功时隙与总时隙的长期比值,最多:信道用于有用传输的时间是37%！,数据链路层与局域网,26,纯(非时隙)ALOHA,非时隙Aloha:更简单，无同步要求当帧首个到达 立即传输碰撞的概率增加:在t0 发送与在t0-1,t0+1发送的其他帧碰撞,将于i帧起始部分重叠,将于i帧结束部分重叠,数据链路层与局域网,27,纯Aloha效率,P(给定节点

14、成功)=节点传输).P(在p0-1,p0中无其他节点传输)=p.(1-p)N-1.(1-p)N-1=p.(1-p)2(N-1)选择最适合的p并令 n-infty.=1/(2e)=0.18,甚至更差!,数据链路层与局域网,28,CSMA(载波侦听多路访问),CSMA:在传输前侦听:如果侦听到信道空闲:传输整个帧如果侦听到信道忙,推迟传输 人类类比:不要打断他人说话!,数据链路层与局域网,29,CSMA碰撞,碰撞还是会出现:传播时延意味着两个节点也许不能听到其他节点传输,碰撞:整个分组传输时间被浪费,节点的空间设置,注意:距离与传播时延在决定碰撞概率岁的作用,空间,数据链路层与局域网,30,CSM

15、A/CD(碰撞检测),CSMA/CD:载波侦听,如同在CSMA在短时间内检测到碰撞碰撞的传输流产，减少信道浪费碰撞检测:在有线的LAN中容易:测量信号强度，比较传输的和接收的信号在无线LAN中困难：传输中接收方切断人类类比:礼貌的交谈者,数据链路层与局域网,31,CSMA/CD 碰撞检测,a=/T0,a越小，网络性能越好,空间,数据链路层与局域网,32,“轮流”MAC协议,信道划分 MAC协议:在高负载时高效、公平地共享信道低负载时低效：信道访问中延时，当1个活跃节点时，甚至仅有分配了 1/N 带宽!随机访问 MAC协议低负载是有效：单个节点能够全面利用信道高负载：碰撞开销“轮流”协议兼有这方

16、面的优点!,数据链路层与局域网,33,“轮流”MAC协议,轮询:主节点“邀请”从节点依次传输关注问题:轮询开销时延单点故障(主节点),令牌传递:控制令牌从一个节点顺序地传递到下一个.令牌报文关注问题:令牌开销 时延单点故障(令牌),数据链路层与局域网,34,MAC协议小结,对共享媒体你需要做些什么?信道划分,通过时间、频率或编码时分,频分随机划分(动态的),ALOHA,S-ALOHA,CSMA,CSMA/CD载波侦听:在某些技术(有线)中容易，在另一些(无线)中困难CSMA/CD 用在以太网中CSMA/CA 用在 802.11中轮流从中心站点轮询，令牌传递,数据链路层与局域网,35,LAN技术

17、,数据链路层前面讲过:服务,差错检测/纠正,多路访问 下面:LAN技术编制以太网集线器,交换机PPP,数据链路层与局域网,36,第5章 链路层,5.1 概述与服务5.2 差错检测和纠错 5.3多路访问协议5.4 链路层编址,5.5 以太网5.6 集线器和交换机5.7 PPP5.8 链路虚拟化:ATM和MPLS,数据链路层与局域网,37,地址转换问题,两台机器A和B,它们IP地址分别是IA、IB，物理地址分别是PA和PB高层程序仅希望与IP地址交往，而实际通信必须使用物理地址,IP4,IA,PA,HA4,HA3,HA2,HA5,PB,IP5,A,B,IP2,R1,R2,以太网 2,以太网 1,F

18、DDI 网,IP 层上的互联网,IP 数据报,MAC 帧,IB,IP3,MAC 帧,MAC 帧,问题：A如何从B的IP地址得到它的物理地址PB？,数据链路层与局域网,38,MAC地址和ARP,32-bit IP地址:网络层地址用于使数据报到达目的IP子网MAC(或LAN 或物理或以太网)地址:用于使数据报从一个接口到达另一个物理连接的接口(同一个网络内)48 bit MAC地址(对多数LAN)烧在了适配器ROM中,数据链路层与局域网,39,LAN 编制和ARP,在LAN中的每块适配器具有独特的LAN地址,广播地址=FF-FF-FF-FF-FF-FF,=适配器,数据链路层与局域网,40,LAN地

19、址(续),MAC地址分配由IEEE管理制造商购买部分MAV地址空间(确保惟一性)类比:(a)MAC地址：像居民身份证号(b)IP地址:像邮政地址 MAC 扁平地址 可移动性 能够将LAN卡从一个LAN移动到另一个去IP层次地址不可移动 取决于节点联系的子网,数据链路层与局域网,41,ARP:地址解析协议,LAN上的每个IP节点(主机、路由器)都有ARP表ARP表:对美协LAN节点的IP/MAC地址映射 TTL(寿命):地址映射将被忘记的时间长度(通常20分钟),1A-2F-BB-76-09-AD,58-23-D7-FA-20-B0,0C-C4-11-6F-E3-98,71-65-F7-2B-0

20、8-53,LAN,数据链路层与局域网,42,ARP协议:相同的LAN(网络),A要向B发送数据报,并且B的MAC地址不在A的ARP表中.A广播ARP 请求分组,包含B的IP地址 目的地MAC地址=FF-FF-FF-FF-FF-FF在 LAN上的所有机器接收ARP请求B接收ARP分组，用它的MAC地址回答 A帧发送到A的MAC地址(单播),A在它的ARP表中缓存(保存)IP到MAC的地址对，直到信息变得超时软状态:信息超时除非被更新ARP是“即插即用”:节点创建它们的ARP表无需网络管理员干预,数据链路层与局域网,43,选路到另一个LAN,目的:从A到B经R发送数据报 假定A知道B的IP地址在路

21、由器R中有两个ARP表,每张表对应一个IP网络(LAN)In ARP table at source,find MAC address E6-E9-00-17-BB-4B,etc,A,R,B,数据链路层与局域网,44,A生成具有源A、目的地B的数据报A使用ARP从得到R的MAC地址 A生成以R的MAC地址作为目的地的链路层帧,帧包含A-to-B IP 数据报A的适配器发送帧B的适配器接收帧R从以太网帧取出IP数据报，看到它目的地是BR使用ARP得到B的MAC地址R生成包含A-to-B IP数据报的帧向B发送,A,R,B,数据链路层与局域网,45,第5章 链路层,5.1 概述与服务5.2 差错检

22、测和纠错 5.3多路访问协议5.4 链路层编址,5.5 以太网5.6 集线器和交换机5.7 PPP5.8 链路虚拟化:ATM和MPLS,数据链路层与局域网,46,以太网,“占支配性的”有线LAN技术:100Mbs网卡低于$20!首先广泛使用的LAN技术比令牌LAN和ATM更便宜跟上了速率的竞赛:10 Mbps 10 Gbps,Metcalfe的以太网草图,数据链路层与局域网,47,星型拓扑,直到20世纪90年代总线拓扑流行目前星型拓扑流行连接的选择:集线器或交换机(详情见后),数据链路层与局域网,48,以太网帧结构,发送适配器在以太网帧(或其他网络层协议分组)中封装IP数据报前导码:模式为10

23、101010 的7个字节，后跟模式为 10101011 的一个字节用于同步接收方，发送方时钟速率,数据链路层与局域网,49,以太网帧结构(续),地址:6字节如果适配器接收具有匹配的目的地址或广播地址(如ARP分组)的帧,它将帧中的数据提交给网络层协议否则,适配器丢弃帧类型:指示较高层协议(大多数为IP但也可以支持其他类型如 Novell IPX和AppleTalk)CRC:在接收方核对，如果检测到差错，该帧就被丢弃,数据链路层与局域网,50,不可靠,无连接服务,无连接:在发送和接收适配器之间没有握手不可靠:接收适配器不向发送适配器发送应答或否定应答传送给网络层的数据报流可能有间隙如果应用程序使

24、用TCP,间隙将能弥补否则，应用程序将看到该间隙,数据链路层与局域网,51,以太网使用CSMA/CD,无时隙如果适配器感知到某些其他适配器正在传输，它不传输，即载波侦听当传输适配器感知另一个适配器正在传输，就中止,即碰撞检测,在尝试重传之前，适配器等待一段随机的时间,即随机访问,数据链路层与局域网,52,以太网CSMA/CD算法,1.适配器从网络层接收数据报并生成帧2.如果适配器感知信道空闲，它开始传输帧.如果它感知信道忙，等待信道空闲再传输3.如果适配器传输整个帧而不检测另一个传输，该适配器已经处理完帧!,4.如果适配器传输过程中检测到另一次传输,中止并发送强化冲突信号5.中止后,适配器进入

25、指数回退:在第m次碰撞后,适配器随机地从0,1,2,2m-1选择一个K值。适配器等待K512 比特时间并返回到第二步,数据链路层与局域网,53,以太网的CSMA/CD(续),强化冲突信号:确保所有的其他传输方都知道碰撞;48 bit比特时间:对10 Mbps 以太网是 0.1 s;对K=1023,等待时间约为50 msec,指数回退:目标：估计当前负载，适应重传尝试重负载:随机等待将更长首次碰撞:从0,1 中 选择K；时延是K 512 bit 传输时间第二次碰撞后:从0,1,2,3选择 K 10次碰撞后,从0,1,2,3,4,1023 选择K,观看/操作Web网站上的Java小程序:高度推荐!

26、,数据链路层与局域网,54,CSMA/CD效率,Tprop=LAN中的2站点之间的最大传播时间ttrans=传输最长帧的时间随着tprop 趋于0,效率趋于1随着ttrans 趋于无穷大，效率趋于1比ALOHA好得多,而且分布、简单且便宜,效率 随着 a=tprop/ttrans as ttrans,数据链路层与局域网,55,10BaseT和100BaseT,10/100 Mbps速率;后来被称为“快速以太网”T 表示双绞线(Twisted Pair)节点连接到一台集线器:“星型拓扑”;在节点和集线器之间的最大距离为100,数据链路层与局域网,56,集线器,集线器基本上是物理层中继器:来自一条

27、链路的比特从其他所有链路出去以相同的速率无帧缓存在集线器中无CSMA/CD:适配器检测碰撞提供网络管理功能,数据链路层与局域网,57,曼彻斯特编码,用于10BaseT每个比特具有一个跃迁允许发送和接收节点中的时钟互相同步节点之间的集中式、全局时钟没有必要!这是物理层事情!,数据链路层与局域网,58,Gbit以太网,使用标准以太网帧格式允许点对点链路和共享的广播信道在共享模式中,使用CSMA/CD;在需要高效率的节点之间采用近距离使用集线器,这里称为“缓存分配器”1 Gbps全双工技术用于 点对点链路现在已达10Gbps!a=tprop/ttrans as ttrans,数据链路层与局域网,59

28、,第5章 链路层,5.1 概述与服务5.2 差错检测和纠错 5.3多路访问协议5.4 链路层编址,5.5 以太网5.6 集线器和交换机5.7 PPP5.8 链路虚拟化:ATM和MPLS,数据链路层与局域网,60,用集线器互联,主干集线器互联LAN网段扩展节点之间的最大距离但单独段碰撞域成为一个大的碰撞域不能互联10BaseT和100BaseT,集线器,集线器,集线器,集线器,数据链路层与局域网,61,交换机,链路层设备存储并转发以太网帧检查帧首部并基于MAC目的地址选择性地转发 帧当帧 在网段上转发时，使用CSMA/CD 访问网段透明主机不知道交换机的存在即插即用,自学习交换机不必配置,数据链

29、路层与局域网,62,转发,怎样决定向哪个LAN段上转发帧呢?看起来像选路问题.,1,2,3,数据链路层与局域网,63,自学习,一个交换机具有一个交换机表交换机表中的项:(MAC地址,接口,时戳)表中的陈旧项丢弃(TTL能够为 60分)交换机知道通过哪个接口能够到达哪台主机当帧收到,交换机“得知”发送方的位置:入LAN 段在交换机中记录了发送方/位置对,数据链路层与局域网,64,过滤/转发,当交换机 收到1帧:使用MAC目的地址索引交换机表if 找到目的地项then if 目的地位于帧到达的段 then 丢弃帧 else 在指示的接口转发该帧 else 洪泛,向所有接口(除了该帧到达的)转发该帧

30、,数据链路层与局域网,65,交换机例子,假定C向D发送帧,交换机从C接收帧注意到交换机表中C位于接口1因为D不在表中,交换机将向接口2和3转发帧D接收帧,集线器,集线器,集线器,交换机,A,B,C,D,E,F,G,H,I,地址,接口,ABEG,1123,1,2,3,数据链路层与局域网,66,交换机例子,假定D回答C的帧,交换机从D接收帧注意到在交换机表中D位于接口 2因为C在表中,交换机仅向接口1转发帧C接收帧,集线器,集线器,集线器,交换机,A,B,C,D,E,F,G,H,I,地址,接口,ABEGC,11231,数据链路层与局域网,67,交换机:流量隔离,交换机安装将子网分割成LAN段交换机

31、过滤分组:相同LAN段的帧通常不在其他ALN段上转发段成为分离的碰撞域,碰撞域,碰撞域,碰撞域,数据链路层与局域网,68,交换机:专门的访问,交换机具有许多接口主机到交换机有直接的连接无碰撞;全双工交换机:A到A同时和B到B，无碰撞,交换机,A,A,B,B,C,C,数据链路层与局域网,69,交换机的其他信息,直通交换:帧从输入端口到输出端口无需先收集整个帧少量地减少了时延共享/专用的结合,10/100/1000 Mbps接口,数据链路层与局域网,70,机构网络,集线器,集线器,集线器,交换机,到外部网络,路由器,IP 子网相同的广播域,邮件服务器,Web服务器,数据链路层与局域网,71,交换机

32、 vs.路由器,两者都是存储转发设备路由器:网络层设备(检查网络层首部)交换机是链路层设备路由器维护选路表，实现选路算法交换机维护交换机表,实现过滤、学习算法,数据链路层与局域网,72,对比小结,集线器 路由器 交换机流量隔离 no yes yes即插即用 yes no yes优化选路 no yes no直通 no no yes隔离广播 no yes no,数据链路层与局域网,73,第5章 链路层,5.1 概述与服务5.2 差错检测和纠错 5.3多路访问协议5.4 链路层编址,5.5 以太网5.6 集线器和交换机5.7 PPP5.8 链路虚拟化:ATM和MPLS,数据链路层与局域网,74,点对

33、点链路层控制,一个发送方、一个接收方、一段链路：比广播链路容易处理:无媒体访问控制不需要明确的MAC编制如拨号链路、ISDN链路流行的点对点DLC协议:PPP(point-to-point协议)HDLC:高级数据链路控制(数据链路过去被认为位于协议栈的“高层”!,数据链路层与局域网,75,PPP 设计要求RFC 1557,分组成帧:在数据链路帧中封装网络层数据报在相同时间承载任何网络层协议(不止是IP)的网络层数据向上分解的能力比特透明性:在数据字段必须承载任何比特模式差错检测(不纠正)连接活跃性:对网络层检测、通知链路故障网络层地址协商:端点能学习/配置每个其他网络地址,数据链路层与局域网,

34、76,PPP不要求,无纠错/恢复无流量控制允许失序交付不必支持多点链路(如轮询),差错恢复,流量控制,数据重排序所有都移交到较高层!,数据链路层与局域网,77,PPP数据帧,标志:定界符(成帧)地址:不起作用(仅是一个选项)控制:不起作用;以后可能多控制字段协议:该帧交付的高层协议(如 PPP-LCP,IP,IPCP等),数据链路层与局域网,78,PPP数据帧,信息:高层承载的数据校验:对差错检测的冗余循环校验,数据链路层与局域网,79,比特填充,“数据透明性”要求:数据字段必须允许包括标志模式问题:收到的是数据还是标志？发送方:增加(“填充”)额外的 字节 在每个 数据字节接收方:在一排中出

35、现01111101 01111110:丢弃第一个字节,继续数据接收单个01111110:标志字节,数据链路层与局域网,80,比特填充,flag bytepatternin datato send,在传输数据中标志字节模式加上填充字节,数据链路层与局域网,81,PPP数据控制协议,在交换网络层数据前，数据链路对等方必须配置PPP链路(最大的帧 长度，鉴别)得知/配置网络 层信息对IP:承载IP控制协议(IPCP)报文(协议字段:8021)以配置/得知IP地址,数据链路层与局域网,82,第5章 链路层,5.1 概述与服务5.2 差错检测和纠错 5.3多路访问协议5.4 链路层编址,5.5 以太网5

36、.6 集线器和交换机5.7 PPP5.8 链路虚拟化:ATM和MPLS,数据链路层与局域网,83,网络的虚拟化,资源的虚拟化:在系统工程中一种强有力的抽象:计算例子：虚拟内存，虚拟设备虚拟机器:如 java1960s/70s 的IBM VM操作系统层次抽象：不必关心较低层的细节，仅抽象地处理较低层,数据链路层与局域网,84,因特网:虚拟化的网络,1974:多个不连接的网络ARPAnet电缆上传数据的网络分组卫星网络(Aloha)分组无线电网络,不同的方面:编制规则分组格式差错恢复选路,ARPAnet,卫星网络,“对分组网络互联的协议,V.Cerf,R.Kahn,IEEE Transaction

37、s on Communications,May,1974,pp.637-648.,数据链路层与局域网,85,因特网:虚拟化的网络,ARPAnet,卫星网络,网关,网际层(IP):编址:互联网络看起来像单个、统一的实体，尽管下面的本地网络是异构的网络的网络,网关:“在本地的分组格式中嵌入互联网分组或提取分组”(在互联网级)选路到下一个网关,数据链路层与局域网,86,Cerf 和Kahn的因特网体系结构,什么是虚拟化?两层编址:互联网和本地网络网络层(IP)使得互联网层的一切都是同类的下面的本地网络技术电缆卫星56K电话调制解调器今天:ATM,MPLS 在互联网层“不可见”.对IP看起来像链路层技

38、术!,数据链路层与局域网,87,ATM和MPLS,ATM,MPLS凭本身的头衔分割了网络不同于因特网的服务模型，编址和选路因特网视为连接IP路由器的逻辑链路就像拨号链路实际上是分离网络(电话网)的部分ATM,MPSL:凭本身的头衔的技术特性,数据链路层与局域网,88,异步传递方式:ATM,1990s/00高速的标准(155Mbps to 622 Mbps 及更高)宽带综合业务数字网 体系结构目标：综合的、承载话音、视频和数据的端到端传输满足话音、视频的定时/QoS要求(对比因特网尽力而为模型)“下一代”电话：扎根在电话界的技术使用虚电路分组交换机(固定长度分组，称为“信元”),数据链路层与局域

39、网,89,ATM体系结构,适配层:仅在ATM网络的边缘数据分段/重装大致类比于因特网运输层ATM层:“网络层”信元交换机,选路物理层,数据链路层与局域网,90,ATM:网络或链路层?,印象:端到端传输:“ATM从桌面到桌面”ATM是一种网络技术事实:用于连接IP主干路由器“在ATM上传IP”ATM作为交换的 链路层,连接IP路由器,ATM网络,IP网络,数据链路层与局域网,91,ATM 适配层(AAL),ATM 适配层(AAL):“适配”较高层(IP或 纯粹的ATM 应用程序)到下面的ATM层AAL仅存在端系统中，不在交换机中AAL层段(首部/尾部字段,数据)根据多个ATM单元分段类比:在多个

40、IP分组中的TCP 段,数据链路层与局域网,92,ATM 适配层(AAL)(续),AAL层的不同版本，取决于ATM服务类型:AAL1:对CBR(恒定比特率)服务,如电路仿真AAL2:对VBR(可变比特率)服务,如MPEG视频AAL5:对数据(如IP数据报),AAL PDU,ATM 信元,用户数据,汇聚子层,SAR子层,数据链路层与局域网,93,ATM层,服务:跨越ATM网络传输信元类似于IP网络层与IP网络层非常不同的服务,网络体系结构因特网ATMATMATMATM,服务模型尽力而为CBRVBRABRUBR,带宽无恒速确保速率确保最小无,丢包无是是无无,顺序无是是是是,定时无是是无无,拥塞反馈

41、无(由丢包推断)无拥塞无拥塞是无,确保?,数据链路层与局域网,94,ATM层:虚电路,VC传送:信元由从源到目的地VC承载在数据能够流动之前，建立呼叫，然后拆链每个分组携带VC标识符(不是目的地在源到目的地路径上的每台 交换机为每条经过的连接维持“状态”链路、交换机资源(带宽、缓存)可能被分配给VC:得到电路类似的性能永久VC(PVCs)长期连接通常：IP路由器之间的“永久”路由交换VC(SVC)在每呼叫基础上动态地建立,数据链路层与局域网,95,ATM 物理层,物理媒体相关(PMD)子层SONET/SDH:传输帧结构(像一个携带比特的容器);比特同步；带宽划分(TDM);几种速率:OC3=1

42、55.52 Mbps;OC12=622.08 Mbps;OC48=2.45 Gbps,OC192=9.6 GbpsTI/T3:传输帧结构(旧的电话层次结构):1.5 Mbps/45 Mbps无结构的:正如信元(忙/闲),数据链路层与局域网,96,IP-Over-ATM,经典IP 3个“网络”(如LAN 段)MAC(802.3)和IP 地址,ATM上传IP用ATM网络代替“网络”(如LAN段)ATM地址,IP地址,ATMnetwork,以太网LAN,以太网LAN,数据链路层与局域网,97,IP-Over-ATM,AALATMphy,物理,以太网,IP,数据链路层与局域网,98,在ATM上传输IP

43、的网络的数据报历程,在源主机:IP地址和ATM目的地址间的IP层映射(使用ARP)将数据报传递到AAL5AAL5封装数据、端信元，传递到ATM层ATM网络:沿着VC将信元移动到目的地在目的主机:AAL5重装信元为初始的数据报如果CRC OK,数据报传递给IP,数据链路层与局域网,99,IP交换技术,动机：IP和ATM两种技术的结合，以更高的速率转发IP数据报Ipsilon公司将IP和硬件交换机结合起来，实现IP交换技术其他公司有一系列设计和名字，如tag 交换机ing、layer 3 交换机ing和label 交换机ing IETF进行了标准化工作称之为MPLS(Multi-协议 Label

44、交换机ing),数据链路层与局域网,100,IP交换如何工作？,两个一般性答案目标是优化IP选路以跨越ATM结构发送数据报修改交换硬件，对IP流量进行优化重新设计交换硬件，或使用较大信元或允许变长帧，以减小首部开销硬件能解析IP首部，提取所需的域，能更快地转发数据报,一次路由，多次交换,数据链路层与局域网,101,多协议标签交换(MPLS),初始目标：通过使用固定长度的标签(代替IP地址)进行转发，以加速IP转发借用了虚电路(VC)方法的思想但IP数据报仍保持IP地址!,PPP或以太网 首部,IP首部,链路层帧的其余部分,MPLS 首部,标签,Exp,S,TTL,20,3,1,5,数据链路层与

45、局域网,102,MPLS使能路由器,又称为标签交换路由器仅基于标签值向出接口转发分组(不检查IP地址)MPLS转发表不同于IP转发表需要信令协议 来建立转发RSVP-TE转发可能沿着仅IP不被允许的路径(如源特定选路)!MPLS用于流量工程必须与仅IP路由器合作,数据链路层与局域网,103,R1,R2,D,R3,R4,R5,0,1,0,0,A,R6,6-A 0,10 6 A 1,12 9 D 0,入 出 出标签 标签 目的 接口,10 A 0,12 D 0,1,8 6 A 0,0,8 A 1,MPLS转发表,入 出 出标签 标签 目的 接口,入 出 出标签 标签 目的 接口,入 出 出标签 标签 目的 接口,数据链路层与局域网,104,第5章 小结,支撑数据链路层服务的原则:差错检测,纠正共享广播信道:多路访问链路层编址各种链路层技术的实例和实现以太网交换机d LANSPPP虚拟网络作为链路层:ATM,MPLS,