Ch3数据链路层-1.ppt

第3章 数据链路层-1,3.1 帧定界 3.2 检错编码 3.3 可靠传输协议 *3.4 HDLC协议 *3.5 PPP协议 3.6 交换 3.7 虚电路和数据报 3.8 网络性能 3.9 广域网实例,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段，中间没有任何其他的交换结点。 一条链路只是一条通路的一个组成部分。 数据链路(data link) 除了物理线路外，还必须有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。 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。 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。,数据链路层像个数字管道,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。 是有格式的0/1序列，例如： 01111110 00111010100011010101010101110101 01111110,结点,结点,帧,帧,帧,数据链路层的主要功能,(1) 链路管理 (2) 帧定界 (3) 流量控制 (4) 差错控制 (5) 将数据和控制信息区分开 (6) 透明传输 (7) 寻址,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( 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,R1,R2,R3,H1,H2,仅从数据链路层观察帧的流动,3.1 帧定界,3.1.1 带字符填充帧定界法 二进制同步通信协议BISYNC 3.1.2 带比特填充帧定界法 HDLC,带字符填充帧定界法,DLE Data Link Escape STX Start of TeXt ETX End of TeXt,带比特填充帧定界法-零比特填充法,HDLC 采用零比特填充法使一帧中两个 F 字段之间不会出现 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。,01111110,零比特的填充与删除,数据中某一段比特组合恰好 出现和 F 字段一样的情况,0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 0,会被误认为是 F 字段,在接收端将 5 个连 1 之后 的 0 比特删除，恢复原样,在此位置删除填入的 0 比特,0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0,3.2 检错编码,*3.2.1 CRC 3.2.2 校验和,3.2.1 CRC,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。 假设待传送的数据 M = 1010001101（共k bit）。我们在M的后面再添加供差错检测用的 n bit 冗余码一起发送。,M,CRC,1101010110 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,设 n = 5, P = 110101，模 2 运算的结果是：商 Q = 1101010110， 余数R = 01110。 将余数 R 作为冗余码添加在数据 M 的后面发送出去，即发送的数据是101000110101110，或 2nM + R。,3.2.2 校验和,IP/ICMP/IGMP/TCP/UDP等协议的校验和算法都是相同的，算法如下： 在发送数据时，为了计算IP数据包的校验和。应该按如下步骤： （1）把IP数据包的校验和字段置为0； （2）把首部看成以16位为单位的数字组成，依次进行二进制反码求和； （3）把得到的结果存入校验和字段中。,在接收数据时，计算数据包的校验和相对简单，按如下步骤： （1）把首部看成以16位为单位的数字组成，依次进行二进制反码求和，包括校验和字段； （2）检查计算出的校验和的结果是否等于零； （3）如果等于零，校验是和正确。否则，校验和就是错误的，协议栈要抛弃这个数据包。,校验和实例,3.3 可靠传输协议,3.3.1 停等协议 3.3.2 后退N帧协议 3.3.3 选择重传协议,在大多数数据链路层协议中，Frame的可靠传输是通过“确认”和“超时重传”机制来实现的,采用“确认”和“超时重传”机制来实现的协议称为自动重发请求（ARQ, automatic repeat request）协议差错控制、流量控制,3.3.1 停等协议,思想 发送方的发送一帧后就停止下来，等待接收方返回的确认帧。 如果经过一段时间后发送方还没有收到确认帧，则发送方定时器超时，并重传该帧。,发送缓冲区 1 接收缓冲区 1,1,1,D1,停等协议4种不同的情况,停止等待协议中数据帧和确认帧的发送时间关系,A,B,DATA,DATA,ACK,传播时延 tp,处理时间 tpr,确认帧发送时间 ta,传播时延 tp,处理时间 tpr,时间,两个成功发送的 数据帧之间的 最小时间间隔,数据帧的 发送时间,tf,设置的 重传时间,tout,停止等待协议 ARQ 的优缺点,优点：比较简单 。 缺点：通信信道的利用率不高，也就是说，信道还远远没有被数据比特填满。 为了克服这一缺点，就产生了另外两种协议，即连续 ARQ 和选择重传 ARQ。这将在后面进一步讨论。,3.3.2 后退N帧协议,GBN, Go-Back-N protocol 发送缓冲区2n1 接收缓冲区=1,1,1,D1,2,n,发送方看到的序号,滑动窗口的概念,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 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。,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),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。,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),举例,3.3.3 选择重传协议,选择重传协议（SR, Selective Repeat） 发送缓冲区2n-11 接收缓冲区2n-11,1,1,D1,2,n,2,n,Dn,发送方和接收方看到的序号,举例,信道利用率,由于每个数据帧都必须包括一定的控制信息(如帧的序号、地址、同步信息以及其他的一些控制信息)，所以即使连续不停地发送数据帧，信道利用率(即扣除全部的控制信息后的数据率与信道容量之比)也不可能达到 100 %。 当出现差错时(这是不可避免的)，数据帧的不断重传将进一步使信道利用率降低。,最佳帧长,若数据帧的帧长取得很短，那么控制信息在每一帧中所占的比例就增大，因而额外开销增大，这就导致信道利用率的下降。 若帧长取得太长，则数据帧在传输过程中出错的概率就增大，于是重传次数将增大，这也会使信道利用率下降。 由此可见，存在一个最佳帧长，在此帧长下信道的利用率最高。,1974年，IBM 公司推出了面向比特的规程SDLC (Synchronous Data Link Control)。 后来 ISO 把 SDLC 修改后称为 HDLC (High-level Data Link Control)，译为高级数据链路控制，作为国际标准ISO 3309。 CCITT 则将 HDLC 再修改后称为链路接入规程 LAP (Link Access Procedure)。不久，HDLC 的新版本又把 LAP 修改为 LAPB，“B”表示平衡型(Balanced)，所以 LAPB 叫做链路接入规程(平衡型)。,* 3.4 HDLC协议,HDLC产生及变种,SDLC,IBM,同步数据链路控制,ADCCP,ANSI,美国国家标准化协会,高级数据通信控制,HDLC,ISO,LAP,CCITT,国际电报电话咨询委员会,链路访问过程,LAPB,LAPD,LLC,PPP,X.25,ISDN,局域网,Internet,ITU,国际电联,3.4.1 HDLC帧格式,标志字段 F (Flag) 为 6 个连续 1 加上两边各一个 0 共 8 bit。在接收端只要找到标志字段就可确定一个帧的位置。,比特,8,8,8,可变,16,8,信息 Info,标志 F,标志 F,地址 A,控制 C,帧检验序列 FCS,透明传输区间,FCS 检验区间,其他字段,地址字段 A 是 8 bit。 可以表示256个地址 地址字段的首位为“1”时，表示地址字段只用8bits 地址字段的首位为“0”时，表示本字节后面的1个字节是扩展地址字段,比特,8,8,8,可变,16,8,信息 Info,标志 F,标志 F,地址 A,控制 C,帧检验序列 FCS,透明传输区间,FCS 检验区间,3.4.2 HDLC帧控制字段,控制字段 C 共 8 bit，是最复杂的字段。 控制字段用于构成各种命令及响应，以便对链路进行监视与控制 HDLC 的许多重要功能都靠控制字段来实现 信息帧I（Information Frame） 监控帧S（Supervisor Frame） 无编号帧U（Unnumbered Frame）,比特,8,8,8,可变,16,8,信息 Info,标志 F,标志 F,地址 A,控制 C,帧检验序列 FCS,透明传输区间,FCS 检验区间,信息帧控制字段格式,发送序号,应答序号,（Poll/Final）轮询/终止,5位为轮询位，当为1时，要求被轮询的从站给出响应 ；0，表示没有意义,监控帧控制字段格式,第5位为轮询/终止位，当为1时，表示接收方确认结束。,1,0,无编号帧控制字段格式,无编号帧，提供对链路的建立、拆除以及多种控制功能，用34678这五个M位来定义，可以定义32种附加的命令或应答功能。,信息字段I（Information）。可以是任意的二进制比特串，长度未作限制；目前多用10002000bits 帧检验序列 FCS 字段共 16 bit。所检验的范围是从地址字段的第一个比特起，到信息字段的最末一个比特为止。 帧检验序列的生成多项式一般采用CRC-CCITT,比特,8,8,8,可变,16,8,信息 Info,标志 F,标志 F,地址 A,控制 C,帧检验序列 FCS,透明传输区间,FCS 检验区间,HDLC,基本工作模式 站点类型 主站从站混合站(primarysecondarycombined) 系统配置模型 非平衡对称平衡 unbalancedsymmetricalbalanced 通信模式 一般响应模式异步响应模式异步平衡模式 NRM(Normal response mode) ARM(Asynchronous response mode) ABM(Asynchronous balanced mode),HDLC Unbalanced（固定主从站）,NRM (Normal Response Mode) 主站点名，从站响应 ARM (Asynchronous Response M) 一般：主站点名，从站响应 特殊紧急：从站主动发送（仍是响应）,主站,从站,command,response,response,HDLC Symmetrical,对称 站点同为主、从复合 站点角色按信道分，一信道做主站，一信道做从站 每条信道以主从方式通信,command,response,command,response,primary,secondary,secondary,primary,HDLC Balanced （都可做主从站）,HDLC ABM(Asynchronous Balanced M) 站点地位相等，任意一方都可以发起通信 一信道，两角色（与对称区别） 仅定义了两点通信，非多点通信（与LAN区别）,command/response,command/response,combined station,combined station,*3.5 PPP协议,3.5.1 PPP组成 3.5.2 PPP帧格式 3.5.3 PPP链路建立 3.5.4 PPP认证 3.5.4 PPP应用,PPP 协议的工作原理,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。 功能丰富，支持多种网络层协议、多种压缩方式、多种身份认证方式、动态地址分配等 RFC 1661/1662/1663,LAN,LAN,PSTN,R,R,LAN,R,LAN,LAN,R,R,X.25,LAN,LAN,R,R,Internet,Router,背景 分散的网络之间的互联 大量主机连接Internet,LAN,LAN,PSTN,R,R,PSTN,AR,Internet,Access Router,拨号访问服务器RAS,环境特点： 点到点信道 线路质量较差 需要用户身份认证,用户拨号入网的示意图,路由器,调制解调器,调制解调器,因特网服务提供者(ISP),用户家庭,拨号电话线,使用 TCP/IP 的 PPP 连接,路由选择 进程,至 因 特 网,PC 机,点到点通信 面向字符同步 字符填充： 数据中的每个特殊字符前均填充转义符 适应异步传输方式 以字符为单位传输数据，字符间有不确定延时 适应较差的线路质量 也适应同步传输方式 可支持多种网络层协议 在协议字段中申明 适应多种网络,3.5.1 PPP组成,认证协议,用于协商PPP链路上运行的网络协议以及网络层协议的配置,链路的创建、维护或终止,PPP 的帧格式和 HDLC 的相似。 标志字段 F 仍为 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）。 地址字段 A 只置为 0xFF。地址字段实际上并不起作用。 控制字段 C 通常置为 0x03。 PPP 是面向字节的，所有的 PPP 帧的长度都是整数字节。,3.5.2 PPP帧格式,PPP 有一个 2 个字节的协议字段。 当协议字段为 0x0021 时，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。,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,不同类型的载荷,0x0021载荷字段是IP数据报 0xC021载荷字段是链路控制协议LCP报文 0x8021载荷字段是网络控制协议NCP报文 0xC023载荷字段是安全性认证PAP 0xC025载荷字段是链路质量报告LQR报文 0xC223载荷字段是安全性认证CHAP,3.5.3 PPP链路建立,(1),(2),(3),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。,PPP 协议的状态图,建立,失败,失败,NCP 配置,鉴别成功,通信 结束,载波 停止,检测到 载波,双方协商 一些选项,鉴别,网络,打开,终止,静止,PPP的工作流程,IP,一个IP分组需要传输,触发PPP层启动连接过程,LCP,LCP协议完成连接建立过程,LCP,LCP,LCP,IPCP协议进一步完成网络层协议协商，如获得IP地址,IPCP,IPCP,要IP地址,IP地址,PAP或CHAP协议完成用户身份认证,用户名,口令,正确,当以上过程都成功完成后，IP分组封装在PPP帧中传输到对方,PPP,注意：IP无连接协议使用提供面向连接服务的PPP的过程,3.5.4 PPP认证,口令认证协议PAP（Password Authentication Protocol） 两次握手 口令明码传送 挑战握手认证协议CHAP（Challenge-Handshake Authentication Protocol） 三次握手 口令不传送，用户名加密传送,PAP口令认证 口令在网络上传输 CHAP挑战式握手认证,客户,服务器,用户名,口令,正确,1、服务器分配一个挑战号,用户名,口令,2、客户按照实现预定的方法 根据挑战号及口令计算出结果,3、服务器比较自己计算的结果 及客户的结果，判断用户是否 合法,口令不在网络上传输， 随机分配的挑战号，防止黑客猜测口令,计算,计算 比较,3.6 交换,交换（switching）的概念最早来自于电话系统。 交换技术最早用于广域网，广域网就是由计算机、传输介质以及交换机组成的。 分为电路交换、报文交换和分组交换,3.6.1 电路交换,网络为每次通信会话建立、保持和终止一条专用物理电路。 传统电话服务PSTN和窄带综合业务数字网（Narrow band ISDN）是采用电路交换技术。 优点 传输时延小 传输信道是独占的 电路是“透明”的,3.6.2 分组交换,分组交换（packet switching）是一种存储/转发（store-and-forward）交换方式。 存储转发就是交换机先将数据存储起来，待处理后在适当时候转发出去。 报文交换 不对用户数据进行划分 分组交换 将用户数据划分成一个个分组（packet）,电路交换、报文交换和分组交换,3.7 虚电路和数据报,3.7.1 数据报 3.7.2 虚电路 3.7.3 两者比较,网络层为接在网络上的主机所提供的服务可以有两大类： 无连接的网络服务（数据报服务） 面向连接的网络服务（虚电路服务）。,3.7.1 数据报,数据报（datagram） 无连接方式 每个报文携带目的节点完整的地址信息，网络中交换机接收到数据报时都能根据数据报中目的节点地址来决定如何到达目的节点。,提供数据报服务的特点,H1,H5,H2,H4,H3,A,C,D,B,H6,E,分组交换网,H1 向 H5 发送分组,H2 向 H6 发送分组,路径可能变化,网络随时接受主机发送的分组（即数据报） 网络为每个分组独立地选择路由。,提供数据报服务的特点,H1,H5,H2,H4,H3,A,C,D,B,H6,E,分组交换网,网络尽最大努力地将分组交付给目的主机， 但网络对源主机没有任何承诺。,提供数据报服务的特点,H1,H5,H2,H4,H3,A,C,D,B,H6,E,分组交换网,网络不保证所传送的分组不丢失 也不保证按源主机发送分组的先后顺序 以及在时限内必须将分组交付给目的主机,提供数据报服务的特点,H1,H5,H2,H4,H3,A,C,D,B,H6,E,分组交换网,当网络发生拥塞时 网络中的结点可根据情况将一些分组丢弃,实例,交换机2的转发表,3.7.2虚电路,虚电路VC（Virtual Circuit） 采用虚电路方式提供面向连接的网络方式，这意味着源节点和目的节点在进行数据传输之前必须建立连接，即建立一条虚电路。,三个过程,建立虚电路 PVC（Permanent Virtual Circuit） SVC（Switched Virtual Circuit） 信令协议 数据传输 删除虚电路,提供虚电路服务的特点,H1,H5,H2,H4,H3,A,C,D,B,H6,E,分组交换网,H1 要和 H5 通信,主机 H1 先向主机 H5 发出一个特定格式的控制信息分组， 要求进行通信，同时寻找一条合适路由。若主机 H5 同意 通信就发回响应，然后双方就建立了虚电路。,提供虚电路服务的特点,H1,H5,H2,H4,H3,A,C,D,B,H6,E,分组交换网,同理，主机 H2 和主机 H6 通信之前，也要建立虚电路。,提供虚电路服务的特点,H1,H5,H2,H4,H3,A,C,D,B,H6,E,分组交换网,在虚电路建立后，网络向用户提供的服务就好像在 两个主机之间建立了一对穿过网络的数字管道。 所有发送的分组都按顺序进入管道，然后按照 先进先出的原则沿着此管道传送到目的站主机。,提供虚电路服务的特点,H1,H5,H2,H4,H3,A,C,D,B,H6,E,分组交换网,到达目的站的分组顺序就与发送时的顺序一致， 因此网络提供虚电路服务对通信的 服务质量 QoS (Quality of Service)有较好的保证。,实例,交换机虚电路表,两种服务的思路来源不同,虚电路服务的思路来源于传统的电信网。 电信网负责保证可靠通信的一切措施，因此电信网的结点交换机复杂而昂贵。 数据报服务力求使网络生存性好和使对网络的控制功能分散，因而只能要求网络提供尽最大努力的服务。 可靠通信由用户终端中的软件（即TCP）来保证。,数据报服务和虚电路服务 优缺点的归纳,对比的方面 虚电路服务 数据报服务 思路 可靠通信应当 可靠通信应当 由网络来保证 由用户主机来保证 连接的建立 必须有 不要 目的站地址 仅在连接建立阶段 每个分组都有 使用，每个分组使 目的站的全地址 用短的虚电路号,数据报服务和虚电路服务 优缺点的归纳,对比的方面 虚电路服务 数据报服务 分组的转发 属于同一条虚电路 每个分组独立选择 的分组均按照同一 路由进行转发 路由进行转发 当结点出 所有通过出故障的 故障结点可能丢失 故障时 结点的虚电路 分组，一些路由 均不能工作 可能会发生变化,数据报服务和虚电路服务 优缺点的归纳,对比的方面 虚电路服务 数据报服务 分组的顺序 总是按发送顺序 到达目的站时不一定 到达目的站 按发送顺序 端到端的 可以由分组交换网 由用户主机负责 差错处理和 负责也可以由用户 流量控制 主机负责,3.8 网络性能,3.8.1 带宽 模拟带宽（Hz） 数字带宽（bps） 3.8.2 吞吐量 实际发送速度,3.8.3 时延,处理时延 排队时延 传输时延 传播时延,*3.9 广域网实例,3.9.1 PSTN 3.9.2 N-ISDN 3.9.3 POS和10G以太网,3.9.1 PSTN,功能 是以电路交换技术为基础的用于传输模拟话音的通信网络。 组成 本地回路模拟线路 干线数字化（同步TDM复用） 电话交换机程控交换机 数据通信 两台计算机想通过PSTN进行通信时，必须引入Modem,3.9.2 N-ISDN,N-ISDN是自70年代发展起来的一种新兴技术。提供从用户终端到用户终端的全数字连接。 ISDN即可以提供拨号服务，也可以提供专线服务。 中国电信早年推出“一线通”宽带业务就是指“N-ISDN”业务。,N-ISDN接口,N-ISDN接口 基本速率接口BRI（Basic Rate Interface） 基群速率接口PRI（Primary Rate Interface） BRI接口 2BD，速率为144Kbps。 PRI接口 北美地区，23BD，速率为1.544Mbps。 中国和欧洲地区，30BD，速率为2.048Mbps。,3.9.3 POS和10G以太网,POS（Packet-over-SONET/SDH）是目前基于SONET/SDH线路用于构造大规模IP高速网络的重要技术。SONET/SDH高带宽容量和链路的有效利用是高性能路由器偏爱POS接口的重要原因。 10G以太网可以作为城域网和广域网组网技术，因此，目前大部分高性能路由器支持10G以太网接口。,小结,数据链路层 功能 协议、方法 概念 实例,