第2章网络接口层.ppt

第1页,人民邮电出版社,第2章 网络接口层,第2页,2.1 物理层,2.1.1 数据传输介质 数据传输介质也称为数据传输媒体，它是数据信号在传输过程中的物理载体，起在物理上将网络中计算机相互连接起来的作用。 传输介质分可为两大类，一类是有线传输介质，另一类是无线传输介质。有线传输介质一般使用铜芯导线或光纤，它是一种导向型传输介质，信号以电磁波的形式在介质中传播。常用的有线传输介质有双绞线、同轴电缆和光缆。无线传输介质是空间，信号以电磁辐射的形式在空间中传播。,第3页,2.1 物理层,1. 同轴电缆 同轴电缆是一种以硬铜线为芯，外包保护套、屏蔽金属网和塑料绝缘层的传输介质。 广泛使用的同轴电缆有两种：一种是特征阻抗为75 ，直径为1cm的同轴电缆，一般叫粗同轴电缆（简称粗缆），主要用于有线电视系统中CATV信号的传输；另一种是特征阻抗为50 ，直径为0.5cm的同轴电缆，一般叫细同轴电缆（简称细缆），主要用于计算机网络中数字信号的传输。 同轴电缆的结构使其具有较高的带宽和抭噪性能，因此其优点是信号的传输距离较远，覆盖的地域范围较大，且技术非常成熟。其缺点是电缆较硬，折曲困难，重量重等。同轴电缆不适合用于楼宇内的结构化布线。,第4页,2.1 物理层,2. 双绞线 双绞线是一种使用最为广泛的信号传输介质，有无屏蔽双绞线（Unshielded Twisted-Pair, UTP）和屏蔽双绞线（Shielded Twisted-Pair, STP）两种。计算机网络中常用的是无屏蔽双绞线，它将两条铜芯直径为1mm左右，相互绝缘的导线绞合在一起形成。 EIA586（电子工业协会）标准将无屏蔽双绞线分为几类，3类双绞线每一对轻轻绞合在一起，一般在塑料保护套内有4对这样的双绞线，它的带宽为16MHz，用于10Mb/s的计算机网络布线中。4类双绞线的带宽为20MHz，双绞线每一对绞合较紧。5类和增强型5类（也称为超5类）双绞线每一对绞合得更紧，在较长的距离通信时，信号质量更好，是目前使用的主流双绞线，其带宽为100MHz，用于通信速率为100Mb/s的计算机网络布线中。6类双绞线的带宽为可达250 MHz。 无屏蔽双绞线使用RJ-45连接器（工程中常称为水晶头）将传输介质与计算机网卡、HUB等设备连接起来。 无屏蔽双绞线的优点是价格低廉、尺寸小、重量轻、易于安装和维护，因此它是目前局域网中最常用的传输介质，UTP非常适合于楼宇内部的结构化布线。无屏蔽双绞线的缺点是抗干扰能力较弱，传输距离比较短。,第5页,2.1 物理层,3. 光缆 光缆使用光导纤维（即光纤）作为传输介质，与前两种通信介质不同的是光纤传输的信号是用光表示的，而不是用电流来表示的。在光纤通信中，将要传输的信号转换为光脉冲进行通信，一般光脉冲出现表示“1”，不出现表示“0”。光纤由内向外分为核心、覆层和保护层3个部分。 核心部分是用极纯净的玻璃或塑料材料制成的光导纤维芯，覆层也是由极纯净的玻璃或塑料材料制成的，但它的折射率要比核心部分低。通信时光线在核心部分通过多次全反射达到传导光波的目的地。 光纤分为多模光纤和单模光纤两种。若有多条入射角不同的光线在同一条光纤内传输，这种光纤就是多模光纤。单模光纤的直径只有一个光波长（510µm），只能传导一路光波，这就是单模光纤的来由。利用光纤传输信号时，在发送方一般使用发光二极管或激光二极管将电信号转换为光信号，由光纤进行传输，在接收方由光电二极管将光信号转换为电信号。 光纤是目前使用的传输介质中数据传输速度最快的一种，它的主要优点是信号传输速率高、传输距离远、传输损耗低、抗干扰能力强等。另外，光纤在信号传输过程中，不会发生光波的散射，因而安全性高。但其缺点是价格相对较高，在安装过程中易折断，维护比较困难。目前光纤主要用于铺设骨干通信网络。,第6页,2.1 物理层,4. 无线传输 无线传输是计算机网络与无线通信技术相结合的产物，与有线传输方式相比，利用无线方式来构建家庭内部局域网络有着非常明显的优势。 第一，它不破坏家居装饰，没有复杂连线；第二，如果遇到线路故障，能够迅速确定问题的所在；第三，无论你家的结构是怎么样的，只要在无线覆盖的范围内都可以实现自由的漫游。常用的无线介质有微波、超短波、红外线以及激光等。 美国电气及电子工程师学会（IEEE）于1990年11月成立802.11委员会，着手制定无线局域网标准。802.11b是如今普及最广和应用最多的无线局域网中。802.11b工作在与无绳电话、微波炉等一样无需申请的2.4GHz频段，可以在相距50至100米的距离内实现设备间的通信。此外，基于802.11b的WLAN产品还具有抗障碍物能力强，可以在公众WLAN接入服务中使用，产品价格低等特点，也正是这些因素推动了无线局域网的发展。802.11b最大数据传输速率为11Mb/s。,第7页,2.1 物理层,2.1.2 数据传输方式 1. 模拟信号与数字信号 数据可分为模拟数据和数字数据。模拟数据是指在某个区间内产生的连续值，例如，声音、视频图像、温度和压力等都是连续变化的值。数字数据是指一些离散值，例如，文本信息和整数等。在数据被传送之前，要变成适合于传输的电磁信号，信号（Signal）是数据的电磁波表示形式，它可是模拟信号，也可以是数字信号。模拟信号是随时间连续变化的信号，这种信号的某种参量，如幅度、频率或相位等可以表示要传送的信息。 传统的电话机送话器输出的语音信号，电视摄像机产生的图像信号以及广播电视信号等都是模拟信号。数字信号是离散信号，如计算机通信所用的由二进制代码“0”和“1”组成的信号。模拟信号和数字信号的波形图如图2-6所示。,第8页,2.1 物理层,2.1.2 数据传输方式 1. 模拟信号与数字信号,第9页,2.1 物理层,2.1.2 数据传输方式 2. 通信系统模型 点到点的通信是通信系统的基础，这种通信系统的模型如图2-7所示。,第10页,2.1 物理层,2.1.2 数据传输方式 2. 通信系统模型 信道即信号的通道，它是任何通信系统中最基本的组成部分。信道的定义通常有两种，即狭义信道和广义信道。 所谓的狭义信道是指传输信号的物理传输介质。对信道的这种定义虽然直观，但从研究消息传输的观点来说，对信道的这种定义，其范围显得很狭窄，因而人们引入了范围扩大了的信道定义，即第二种信道定义广义信道。 所谓的广义信道是指通信信号经过的整个途径，它包括各种类型的传输介质和中间相关的通信设备等。对通信系统进行分析时常用的一种广义信道是调制信道。调制信道是从研究调制与解调角度定义的，其范围从调制器的输出端至解调器的输入端，由于在该信道中传输的是已被调制的信号，故称其为调制信道，如图2-8所示。另一种常用到的广义信道是编码信道，如图2-8所示。编码信道通常指由编码器的输出到解码器的输入之间的部分，实际的通信系统中并非要包括其所有环节，如下节所要讲的基带传输系统中就不包括调制与解调环节。,第11页,2.1 物理层,2.1.2 数据传输方式 2. 通信系统模型,第12页,2.1 物理层,2.1.2 数据传输方式 3. 数据传输方式 （1）模拟传输 模拟传输指信道中传输的为模拟信号。当传输的是模拟信号时，可以直接进行传输。当传输的是数字信号时，进入信道前要经过调制解调器调制，变换为模拟信号。如图2-9所示，其中（a）图为当信源为模拟数据时的模拟传输，（b）图为当信源为数字数据时的模拟传输。模拟传输的主要优点是信道的利用率较高，但是传输过程中信号会衰减，会受到噪声干扰，且信号放大时噪声也会同时被放大。,第13页,2.1 物理层,2.1.2 数据传输方式 3. 数据传输方式 （2）数字传输 数字传输指信道中传输的为数字信号。当传输的信号是数字信号时，可以直接进行传输。当传输的是模拟信号时，进入信道前要经过编码解码器编码，变换为数字信号。如图2-10所示，其中（a）图为当信源为数字数据时的数字传输，（b）图为当信源为模拟数据时的数字传输。数字传输的主要优点是数字信号只取离散值，在传输过程中即使受到噪声的干扰，只要没有畸变到不可辨识的程度，均可用信号再生的方法进行恢复，即信号传输不失真，误码率低等。但是传输数字信号比传输模拟信号所要求的频带要宽的多，因此数字传输的信道利用率较低。,第14页,2.1 物理层,2.1.2 数据传输方式 3. 数据传输方式 （2）数字传输,第15页,2.1 物理层,2.1.2 数据传输方式 4. 串行通信与并行通信 串行通信指数据流一位一位地传送，从发送端到接收端只要一根传输线即可，其优点是易于实现。并行通信是一次同时传送一个字节（字符），即8个码元。并行传送传输速率高，但传输设备要增加7倍，一般用于近距离范围内，要求快速传送的地方，如计算机与输出设备打印机的通信一般采用并行传送。串行传送虽然速率低，但节省设备，是目前主要采用的一种传输方式，特别是在远程通信中一般采用串行通信方式。 在串行通信中，收、发双方存在着如何保持比特与字符同步的问题，而在并行传输中，一次传送一个字符，因此收、发双方不存在字符同步问题。串行通信的发送端要将计算机中的字符进行并/串变换，在接收端再通过串/并变换，还原成计算机的字符结构。,第16页,2.1 物理层,2.1.2 数据传输方式 5. 数据通信方式 根据通信双方是否可以同时传输数据，可以分为单工、半双工与全双工通信三种通信方式： （1）单工通信方式。在单工信道上信息只能在一个方向传送。发送方不能接收，接受方不能发送。信道的全部带宽都用于由发送方到接收方的数据传送。无线电广播和电视广播都是单工传送的例子。 （2）半双工通信方式。在半双工信道上，通信双方可以交替发送和接收信息，但不能同时发送和接收。在一段时间内，信道的全部带宽用于一个方向上的信息传递。航空和航海无线电台以及对讲机等都用这种方式通信。这种方式要求通信双方都有发送和接收能力，又有双向传送信息的能力，因而比单工通信设备昂贵，但比全双工便宜。在要求不很高的场合，多采用这种通信方式。 （3）全双工通信方式。这是一种可同时进行信息的传递的通信方式。现代的电话通信都是采用这种方式。其要求通信双方都有发送和接收设备，而且要求信道能提供双向传输的双倍带宽，所以全双工通信设备较昂贵。,第17页,2.1 物理层,2.1.2 数据传输方式 5. 数据通信方式 在通信过程中，发送方和接收方必须在时间上保持步调一致，亦即同步，才能准确的传送信息。解决的方法时，要求接收端根据发送数据的起止时间和时钟频率，来校正自己的时间基准与时钟频率。这个过程叫位同步或码元同步。在传送由多个码元组成的字符以及由许多字符组成的数据块时，通信双方也要就信息的起止时间取得一致，这种同步作用有两种不同的方式，因而也就对应了两种不同的传输方式。,第18页,2.1 物理层,2.1.2 数据传输方式 5. 数据通信方式 （1）异步传输 异步传输即把各个字符分开传输，字符与字符之间插入同步信息。这种方式也叫起止式，即在组成一个字符的所有位前后分别插入起始位和终止位，如图2-11所示。,第19页,2.1 物理层,2.1.2 数据传输方式 5. 数据通信方式 （2）同步传输 异步传输不适合于传送大的数据块，例如磁盘文件。同步传输在传送连续的数据块时比异步传输更有效。按这种方式，发送方在发送数据之前先发送一串同步字符SYN（编码为0010110），接收方只要检测到两个以上的SYN字符，就可以确认已进入同步状态，准备接收数据，随后双方以同一频率工作，直到传送完指示数据结束的控制字符。这种方式仅在数据块前加入控制字符SYN，所以效率更高，但实现起来较复杂。在短距离高速数据传输中，多采用同步传输方式。,第20页,2.1 物理层,2.1.3 数据编码技术 数据编码是将数据表示成适当的信号形式，以便数据的传输和处理。在数据传输系统中，主要采用三种数据编码技术：数字数据的模拟信号编码、数字数据的数字信号编码和模拟数据的数字信号编码。 1. 数字数据的模拟信号编码 这种编码方式是将数字数据调制成模拟信号进行传输。通常采用三种模拟信号的载波特性(即振幅、频率和相位)之一来表示被调制的数字数据，并由此产生三种基本调制方式，如图2-12所示。,第21页,2.1 物理层,2.1.3 数据编码技术 （1）幅移键控法(ASK) 幅移键控法(Amplitude Shift Keying，ASK)是使用载波频率的两个不同振幅来表示二进制值，如图2-12（a）所示。在一般情况下，用振幅恒定载波的存在与否来表示两个二进制位。ASK方式编码的特点是效率较低，容易受增益变化的影响，抗干扰性较差。在音频电话线路上，一般只能达到1200 b/s的传输速率。 （2）频移键控法(FSK) 频移键控法 (Frequency Shift Keying，FSK)是使用载波频率附近的两个不同频率来表示两个二进制值，如图2-12（b）所示。FSK比ASK的编码效率高，不易受干扰的影响，抗干扰性较强。在音频电话线路上的传输速率可以大于1200 b/s。,第22页,2.1 物理层,2.1.3 数据编码技术 （3）相移键控法(PSK) 相移键控法(Phase Shift Keying，PSK)是使用载波信号的相位移动来表示二进制数据，如图2-12(c)所示。在PSK方式中，信号相位与前面信号序列同相位的信号表示0，信号相位与前面信号序列反相位的信号表示1。PSK方式也可以用于多相的调制，例如在四相调制中可把每个信号序列编码为两位。PSK方式具有很强的抗干扰能力，其编码效率比FSK还要高。在音频线路上，传输速率可达9600 b/s。,第23页,2.1 物理层,2.1.3 数据编码技术 2. 数字数据的数字信号编码 对于传输数字信号来说，最简单的信号编码方法是用信号的两个不同电压值来表示两个二进制数据。例如，用无电压来表示0，用恒定的正电压表示1；也可用正电压表示1，而用负电压表示0。然而，为了提高信号抗干扰能力，并且便于信号接收同步，通常采用更为有效的信号编码方法。常用的数字信号编码有不归零NRZ (Non Return to Zero)码、差分不归零DNRZ码、曼彻斯特(Manchester)码及差分曼彻斯特(Differential Manchester)码等。 （1）NRZ码 NRZ码是用信号的幅度来表示二进制数据的，通常用正电压表示数据“1”，用负电压表示数据“0”，并且在表示一个码元时，电压均无需回到零，故称不归零码，如图2-13(a)所示。NRZ码的特点是一种全宽码，即一位码元占一个单位脉冲的宽度。全宽码的优点：一是每个脉冲宽度越大，发送信号的能量就越大这对于提高接收端的信噪比有利；二是脉冲时间宽度与传输带宽成反比关系，即全宽码在信道上占用较窄的频带，并且在频谱中包含了码位的速度。,第24页,2.1 物理层,2.1.3 数据编码技术 2. 数字数据的数字信号编码 （2）DNRZ码 DNRZ码是一种NRZ码的改进形式，它是用信号的相位变化来表示二进制数据的，一个信号位的起始处有跳变表示数据“1”，而无跳变表示数据“0”，如图2-13(b)所示。DNRZ码不仅保持了全宽码的优点，同时提高了信号的抗干扰性和易同步性。 近年来，越来越多的高速网络系统采用了DNRZ码，成为主流的信号编码技术，在FDDI、100BASE-T及100VG-AnyLAN等高速网络中都采用了DNRZ编码。其原因是在高速网络中要求尽量降低信号的传输带宽，以利于提高传输的可靠性和降低对传输介质带宽的要求。而DNRZ编码中的码元速率与编码时钟速率相一致，具有很高的编码效率，符合高速网络对信号编码的要求。同时，为了解决数据流中连续出现0或1时所带来的信号编码问题，通常采用两级编码方案，第一级是预编码器，对数据流进行预编码，使编码后的数据流不会出现连续0或连续1，常用的预编码方法有4B5B、5B6B等；第二级是DNRZ编码，实现物理信号的传输。这种两级编码方案的编码效率可达到80%以上。例如，在4B5B编码中，每4位数据用5位编码来表示，即4位数据就会增加1位的编码开销，编码效率仍为80%。,第25页,2.1 物理层,2.1.3 数据编码技术 2. 数字数据的数字信号编码 （3）曼彻斯特码 在曼彻斯特码中，用一个信号码元中间电压跳变的相位不同来区分数据“1”和“0”，它用正的电压跳变表示“0”；用负的电压跳变表示“1”，如图2-13(c)所示。因此，这种编码也是一种相位码。由于电压跳变都发生在每一个码元的中间，接收端可以方便地利用它作为位同步时钟，因此这种编码也称为自同步码。10Mb/s 以太网(Ethernet)采用这种曼彻斯特码。,第26页,2.1 物理层,2.1.3 数据编码技术 2. 数字数据的数字信号编码 （4）差分曼彻斯特码 差分曼彻斯特码是一种曼彻斯特码的改进形式，其差别在于：每个码元的中间跳变只作为同步时钟信号；而数据“0”和“1”的取值是用信号位的起始处有无跳变来表示，若有跳变则为“0”；若无跳变则为“1”，如图2-13(d)所示。这种编码也是一种自同步编码。令牌环(Token-Ring)网采用这种差分曼彻斯特编码。 这两种曼彻斯特编码主要用于中速网络(Ethernet为10Mb/s；Token-Ring最高为16Mb/s)中，而高速网络并不采用曼彻斯特编码技术。其原因是它的信号速率为数据速率的两倍，即对于10Mb/s的数据速率，则编码后的信号速率为20Mb/s，编码的有效率为50%。对于100Mb/s的高速网络来说，200Mb/s的信号速率无论对传输介质的带宽要求，还是对传输可靠性的控制都未免太高了，将会增加信号传输技术的复杂性和实现成本，难以推广应用。因此，高速网络主要采用两级的DNRZ编码方案，而中速网络采用曼彻斯特编码方案，尽管它增加了传输所需的带宽，但在实现起来简单易行。,第27页,2.1 物理层,2.1.3 数据编码技术 3. 模拟数据的数字信号编码 在数字化的电话交换和传输系统中，需要将模拟的话音数据编码成数字信号后再进行传输。这里常用的编码技术是脉冲编码调制PCM(Pulse Code Modulation)技术。PCM编码是以采样定理为基础的，根据采样定理，如果在规定的时间间隔内使用信号最高频率的两倍或两倍以上的速率对该信号进行采样的话，这些数字化的采样值中则包含了不混叠而又便于分离的全部原始信号特征，利用低通滤波器可以不失真地从这些采样值中重新恢复出信号。 在信号源端，模拟信号经过滤波器和采样器处理后变换成脉冲调幅信号，然后送入量化器进行均匀分层量化，再经过编码器将量化后的脉冲信号表示成一组二进制码，并输出。在接收端，PCM解码器将接收信号进行解码，经过逆量化器和平滑滤波器就可建立重建信号。,第28页,2.1 物理层,2.1.4 信道复用技术 在一个网络系统中，线路容量或者介质带宽是非常宝贵的资源，必须尽量地提高介质利用率。在一般情况下，网络系统的介质带宽要大于传输单一信号所需的带宽。 为了有效地利用传输系统，可以采用多路复用(Multiplexing) 技术从空间和时间两个方面来解决多路信号同时复用单一介质的问题。多路复用技术主要有三种：频分多路复用FDM(Frequency Division Multiplexing)、时分多路复用TDM(Time Division Multiplexing)和光波分多路复用WDM（Wavelength Division Multiplexing）。,第29页,2.1 物理层,2.1.4 信道复用技术 1. 频分多路复用技术 在一般情况下，在物理信道能提供比单个原始信号宽得多的带宽，我们就可将该物理信道的总带宽分割成若干个和传输的单个信号带宽相同（或略为宽一点，以保证各路信号带宽不相互重叠）的子信道，每一个子信道传输一路信号，就可以达到同时在单一介质上传输多路给定信号的目的，这就是频分多路复用技术。 多路的原始信号在频分复用前，首先要通过频谱迁移技术，将各路信号的频谱迁移到物理信道频谱的不同段上，这可以通过频率调制时采用不同的载波来实现。图2.14给出了3路话频原始信号频分多路复用一带宽为12KHz（从60KHz72KHz）的物理信道的示意图。,第30页,2.1 物理层,2.1.4 信道复用技术 1. 频分多路复用技术,第31页,2.1 物理层,2.1.4 信道复用技术 1. 频分多路复用技术 在图2-14中，3路信号源输入到一个多路复用器中，这个多路复用器使用不同的频率来调制每一路信号，每一路信号具有一定的带宽，分别对应于3路信号带宽，形成3个子信道，每个子信道的带宽分配为6064KHz、6468KHz和6872KHz。为了防止各个信道之间的重叠干扰，相邻的信道之间要用保护带隔离开。当携带多路信号的载波通过传输介质传送到另一端的多路复用器后，再解调(还原)成各个单路信号，输出到各自对应的输出线上。显然，FDM是一种并行的多路复用技术，在空间上，将整个信道划分若干子信道，多路信号利用各个子信道进行同时传输，充分利用了传输介质的可用带宽。,第32页,2.1 物理层,2.1.4 信道复用技术 2. 时分多路复用技术 时分多路复用的基本前提是传输介质所能支持的位传输速率应大于多路数据传输所需的位传输速率总和。如果每路信号按时间先后轮流交替地使用单一信道，那么在宏观上多路数字信号便可以实现同时传输。各路信号可以按位、字节、块或帧等为单位交替地使用单一信道。如图2-15所示：,第33页,2.1 物理层,3. 光波分多路复用技术 光波分多路复用技术是在一根光纤中能同时传播多个光波信号的技术。光波分多路复用的原理是将一条单纤转换为多条“虚纤”，每条虚纤工作在不同的波长上。工作时，在发送端将不同波长的光信号组合起来，复用到一根光纤上，在接受端又将组合的光信号分开（解复用），并送入不同的终端。 综上所述，频分多路复用技术是按频率分割，在同一时刻能同时存在并传输多路信号，每路信号的频带不同；时分多路复用技术按时间分割，每一时隙内只有一路信号存在，多路信号分时轮换地在信道内传输；光波分多路复用技术按波长分割，在同一时刻能同时存在并传送多路信号，每路信号的波长不同，其实质也是频分多路复用。,第34页,2.2 数据链路层,2.2.1 数据链路层的概念 什么是数据链路？一般认为当需要在一条线路上传送数据时，除了必须要有一条物理线路外，还必须有一些必要的通信协议来控制这些数据的传输，这样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。 现在常用的方法是使用网络适配器（即网卡）来实现这些协议的硬件和软件，它包括了数据链路层和物理层这两层的功能。,第35页,2.2 数据链路层,2.2.1 数据链路层的概念 数据链路层从功能是来说可以将不可靠的物理链路变成可靠的数据链路，并提供流量控制和差错校验功能。具体地讲，数据链路层的主要功能有： （1）数据链路的建立和拆除：也就是在两个或多个网络实体间建立一条逻辑通道。发方网络层发出建立和拆除链路的请求指示，经数据链路层传递到收方的网络层，收方给出应答信号，再经链路层传递到发方，使发方网络层得知请求是否被成功执行。 （2）帧传输和帧同步：帧是具有一定长度和格式的信息块，是数据链路层的传输单位，一般由一些字段和标志组成。不同网络其帧格式或长度可以不同，但将位流组成帧的方法基本相同。常用的方法有：带填充字符的首尾界符法，带填充位的首尾标志法和物理层编码违例法等。这些方法都有一个共同的目的，就是如何使接收方能够准确地从收到的比特流中识别出帧的边界，取出帧来，即所谓的帧同步。,第36页,2.2 数据链路层,2.2.1 数据链路层的概念 （3）差错与流量控制：为保证发方发出的所有帧都能够正确有序地交付给收方的网络层，需要对帧的传输进行差错控制和流量控制，如发现错误，则必须纠错或重发。常用的差错控制方法采用自动重发请求（ARQ）技术和前向纠错技术（FEC）；常用的流量控制方法采用停止等待协议和滑动窗口协议。 （4）数据链路管理：数据链路的管理主要是提供各种服务质量参数，包括检测到不可纠正错误的平均时间、漏检差错率、传输延迟和吞吐量等，以及对异常情况的处理。 总之，数据链路层向网络层提供的服务可能是面向链接的，也可能是无确认无链接或有确认无链接的服务。这里介绍的数据链路层功能主要基于面向链接的服务。,第37页,2.2 数据链路层,2.2.2 数据链路的流量控制机制 所谓流量控制就是调整发送信息的速率，使接收方能够及时处理所接收到的数据。流量控制的目的是为了防止网络拥挤及死锁的出现而采取的一种措施。当发至某一接收方的信息速率超出该节点的处理或转换报文的能力时，就会出现拥挤现象。因此，防止拥挤问题就简化为一种能控制来自其他节点的信息速率的问题。流量控制的另一目的是使业务量均匀地分配给个网络节点。因此，即使在网络正常工作的情况下，流量控制也能减少信息的传递时延，并能防止网络的任何部分（相对于其余部分来说）处于过负荷状态。,第38页,2.2 数据链路层,2.2.2 数据链路的流量控制机制 1. 停止-等待流量控制机制 停止-等待协议（Stop and Wait）是数据链路层中最基本最简单的协议。数据链路层从网络层接收一个分组后，加上数据链路层帧头和帧尾，再把它经物理层发送出去，同时启动一个定时计数器，等待接收方发出的确认帧的到来。接收方链路层收到数据帧后，它必须首先发出一个确认帧ACK（认为所接收的数据正确无误）或否定性确认帧NAK（认为接收的数据有误）给发送方链路层，再对接收的帧做出处理。接收到的正确帧提交给网络层，接收到的错误帧被丢弃。发方如果在计时时间范围内得到的是ACK，则发送下一帧；如果收到的是NAK或者计时时间已到而没有收到ACK，则将重发刚才送出去的帧。为了避免在无错情况下一个帧被多次重发，还需要为发出的每一个帧编号，使得接收方能够识别所接收的帧是新帧还是重发的帧，从而保证每一个帧的正确性和惟一性。,第39页,实用的停止等待协议,时 间,A,B,送 主 机,ACK,送 主 机,ACK,(a) 正常情况,四种情况,第40页,连续 ARQ 协议,在发送完一个数据帧后，不是停下来等待确认帧，而是可以连续再发送若干个数据帧。 如果这时收到了接收端发来的确认帧，那么还可以接着发送数据帧。 由于减少了等待时间，整个通信的吞吐量就提高了。,第41页,连续 ARQ 协议的工作原理,ACK1 确认 DATA0,ACK2 确认 DATA1,DATA2 出错，丢弃,DATA3 不按序，丢弃，重传 ACK2,DATA4 不按序，丢弃，重传 ACK2,DATA5 不按序，丢弃，重传 ACK2,ACK3 确认 DATA2,ACK4 确认 DATA3,超 时 重 传 时 间,A,B,tout,送交主机,送交主机,?,第42页,2.2 数据链路层,2.2.2 数据链路的流量控制机制 2. 滑动窗口流量控制机制 发送端和接收端分别设定发送窗口和接收窗口 。 发送窗口用来对发送端进行流量控制。 发送窗口的大小 WT 代表在还没有收到对方确认信息的情况下发送端最多可以发送多少个数据帧。,第43页,0,1,2,3,4,5,6,7,0,1,2,发送窗口,WT,不允许发送这些帧,允许发送 5 个帧,(a),第44页,接收端设置接收窗口,在接收端只有当收到的数据帧的发送序号落入接收窗口内才允许将该数据帧收下。 若接收到的数据帧落在接收窗口之外，则一律将其丢弃。 在连续 ARQ 协议中，接收窗口的大小 WR = 1。 只有当收到的帧的序号与接收窗口一致时才能接收该帧。否则，就丢弃它。 每收到一个序号正确的帧，接收窗口就向前（即向右方）滑动一个帧的位置。同时发送对该帧的确认。,第45页,不允许接收这些帧,0,1,2,3,4,5,6,7,0,1,2,WR,准备接收 0 号帧,(a),第46页,滑动窗口的重要特性,只有在接收窗口向前滑动时（与此同时也发送了确认），发送窗口才有可能向前滑动。 收发两端的窗口按照以上规律不断地向前滑动，因此这种协议又称为滑动窗口协议。 当发送窗口和接收窗口的大小都等于 1时，就是停止等待协议。,第47页,选择重传 ARQ 协议,可加大接收窗口，先收下发送序号不连续但仍处在接收窗口中的那些数据帧。等到所缺序号的数据帧收到后再一并送交主机。 选择重传 ARQ 协议可避免重复传送那些本来已经正确到达接收端的数据帧。 但我们付出的代价是在接收端要设置具有相当容量的缓存空间。,第48页,2.2 数据链路层,2.2.3 差错控制 1. 差错产生的原因与差错类型 传输差错是指被传输的数据通过通信信道后，接收方收到的数据与发送者发出的数据不一致的现象。当数据从信源出发时，由于信道总是有一定的噪声存在，因此在到达信宿时，接收者收到的信号是正常信号（表示数据的信号）与噪声的叠加。如果噪声对信号叠加的结果在最后电平判决时出现错误，就会引起传输数据的错误。 信道噪声分为热噪声与冲击噪声两类。热噪声由传输介质导体的电子热运动产生。热噪声的特点是时刻存在，幅度较小，强度与频率无关，但频谱很宽，是一类随机噪声。冲击噪声由外界电磁干扰引起，与热噪声相比，冲击噪声幅度较大，是引起传输差错的主要原因。冲击噪声持续时间与数据传输中每比特的发送时间相比可能较长，因而冲击噪声引起相邻的多个数据位出错，所引起的传输差错为突发差错。通信过程中产生的传输差错由随机差错与突发差错共同构成。,第49页,2.2 数据链路层,2.2.3 差错控制 2. 差错检验与校正 （1）奇偶校验 奇偶校验也称为垂直冗余校验（VRC）,它是以字符为单位的校验方法。一个字符由8位组成，低7位是信息字符的ASCII码，最高位叫奇偶校验位。奇偶校验位放“1” 或放“0”的原则是：使整个编码中“1”的个数成为奇数或偶数，如果整个编码中,“1” 的个数为奇数则叫“奇校验”；“1” 的个数为偶数则叫“偶校验”。 校验的原理是：如果采用奇校验，发送端发送一个字符编码（含校验位共8位）中，“1”的个数一定为奇数个，在接收端对8个二进位中的“1”的个数进行统计，若统计“1”的个数为偶数个，则意味着传输过程中有1位(或奇数位)发生差错。事实上，在传输中偶然1位出错的机会最多，故奇偶校验法经常采用，但这种方法只能检查出错误而不能纠正错误。,第50页,2.2 数据链路层,2.2.3 差错控制 2. 差错检验与校正 （2）方块校验（水平垂直冗余校验LRC） 这种方法是在VRC校验的基础上，在一批字符传送之后，另外增加一个称为“方块校验字符”的检验字符，方块校验字符的编码方式是使所传输字符代码的每个纵向位代码中“1”的个数成为奇数（或偶数）。例如，表2-1是要传送6个字符代码及其奇偶校验位和方块校验字符的编码（其中每个字符和方块校验字符均采用奇校验）：,第51页,2.2 数据链路层,2.2.3 差错控制 2. 差错检验与校正 （3）循环冗余校验CRC（Cycle Redundancy Check） 循环冗余校验是一种较为复杂的校验方法，它不产生奇偶校验码，而是将整个数据块当成一个连续的二进制数据。从代数的角度可看成是一个报文码多项式。在发送时将报文码多项式用另一个多项式来除，这后一个多项式叫做生成多项式。 在报文发送时，将相除结果的余数作为校验码附在报文之后发送出去（校验位有16位）。接收时先对传送过来的码字用同一个生成多项式去除，若能除尽即余数为0,说明传输正确；若除不尽说明传输有差错，可要求发送方重新发送一次。采用CRC校验，能查出所有的单位错和双位错，以及所有具有奇数位的差错和所有长度小于16位的突发错误，能查出99%以上17位、18位或更长位的突发性错误。其误码率比方块码还可降低13个数量级，故得到了广泛采用。,第52页,2.2 数据链路层,2.2.3 点到点协议PPP 点到点协议（Point to Point, PPP）是目前Internet中使用最广泛的链路层通信协议，它为数据链路中直接连接的两个节点之间提供数据传输方式。PPP创建于1994年，在1995年开始流行，PPP使得TCP/IP可通过电话线实现，这样，家庭用户若想获得Internet访问就变得非常简单。下面简单介绍一下PPP协议的内容。 PPP协议的组成包括以下三个内容： （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。 PPP协议的帧格式如图2-15所示：,第53页,2.2 数据链路层,2.2.3 点到点协议PPP,第54页,2.2 数据链路层,2.2.3 点到点协议PPP 该协议分为三个部分，即协议首部、封装的数据部分和协议尾部。 协议首部的第1个字节为标志字段位F，其值为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）。 协议首部的第2个字节为地址字段A，一般置为0xFF。地址字段实际上并不起作用。 协议首部的第3个字节为控制字段C通常置为0x03，目前没有实际意义，今后协议扩展时可以该字段。 协议首部的第4和第5个字节为PPP协议字段，它指明信息部分所对应的数据类型，当协议字段为0x0021时，表示PPP帧的信息字段就是IP数据报；若为0xC021, 则信息字段是PPP链路控制数据；若为0x8021，则表示这是网络控制数据。 数据部分，其长度可变，默认长度为1500字节。一般封装的是IP数据报。 协议尾部的FCS默认长度为2个字节，表示差错校验的循环冗余校验码。当FCS检验到某帧差错时，便丢弃该帧。,第55页,2.3 局域网技术,2.3.1 局域网的组成 IEEE局域网标准委员会对局域网的定义为：“局域网络中的通信被限制在中等规模的地理范围内，例如一幢办公楼、一座工厂或一所学校；能够使用具有中等或较高数据速率的物理信道，且具有较低的误码率；局域网络是专用的，由单一组织机构所使用。”或者也可以更加简练地这样来描述：局域网是一种地理范围有限、互连设备有限的计算机网络 一个局域网的基本组成主要有：网络服务器、网络工作站、网络适配器和传输介质。这些设备在特定网络软件支持下完成特定的网络功能。,第56页,2.3 局域网技术,2.3.1 局域网的组成 （1）网络服务器 局域网的一个重要目的是实现资源共享。局域网的许多功能是通过网络服务器来实现的，同时网络服务器也是网络共享资源的管理中心，网络操作系统等软件也主要驻留在网络服务器上。网络服务器管理的常用共享设备有高速打印机、文件系统、数据库、电子邮件、贵重的外围设备等。网络服务器通常放在一个专门的网络节点上，该节点有固定地址，并为网络上的用户所共知，为他们提供服务。 （2）网络工作站 网络工作站是指连接到计算机网络上供用户使用的前端窗口，用户通过网络工作站来访问网络的共享资源。在局域网中，用户工作站一般采用微型计算机，如各种PC机。,第57页,2.3 局域网技术,2.3.1 局域网的组成 （3）网络适配器 网络适配器插在PC机扩展槽上，是局域网系统中的通信控制器或通信处理机。通过它可以将用户工作站连接到网络上，实现网络资源的共享。网卡与传输介质共同实现OSI参考模型中的物理层的全部功能和链路层的大部分功能。网卡的主要功能为： 实现传输介质的物理连接和电信号匹配；接收来自设备（服务器、工作站等）的数据。 在得到对介质发送权力之前，提供数据的缓冲。 实现局域网数据链路层的功能。 实现某些接口功能。,第58页,2.3 局域网技术,2.3.1 局域网的组成 （4）传输介质 局域网中的传输介质见2.1.1节。其中最常用的传输介质是双绞线，其次是同轴电缆和光纤。 （5）网络软件 网络软件包括网络协议软件、通信软