计算机网络原理笔记 第三章 数据链路层（一）

计算网络原理 第三章 数据链路层

数据链路层（一）

3.1 使用点对点信道的数据链路层

3.1.1 数据链路层和帧

数据发送模型
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数据链路层的信道类型
数据链路层使用的信道主要有以下两种类型：

  • 点对点信道。这种信道使用一对一的点对点通信方式。
  • 广播信道。这种信道使用一对多的广播通信方式，因此过程比较复杂。广播信道上连接的主机很多，因此必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机的数据发送。

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链路与数据链路

  • **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。

帧

  • 数据链路层传送的是帧
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3.1.2 三个基本问题

1.封装成帧

  • 封装成帧(framing) 就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部，然后就构成了一个帧。确定帧的界限。

  • 首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界。
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  • 用控制字符进行帧定界的方法举例

试想：帧还未发送完，发送端出了问题，只能重发该帧。接收端却收到了前面的“半截子帧”，它会抛弃吗？为什么？

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2.透明传输

  • 若传输的数据是ASCII码中“可打印字符(共95个)“集时，一切正常。

  • 若传输的数据不是仅由”可打印字符”组成时，就会出问题，如下
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用字节填充法解决透明传输问题

  • 发送端的数据链路层在数据中出现控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入一个转义字符“ESC”(其十六进制编码是 1B)。

  • 字节填充(byte stuffing)或字符填充(character stuffing)——接收端的数据链路层在将数据送往网络层之前删除插入的转义字符。

  • 如果转义字符也出现数据当中，那么应在转义字符前面插入一个转义字符。当接收端收到连续的两个转义字符时，就删除其中前面的一个。

  • 当传送的帧是用文本文件组成的帧时（文本文件中的字都是从键盘上输入的），其数据部分显然不会出现像SOH或EOT这样的帧定界控制字符。可见不管从键盘上输入什么字符都可以放在这样的帧中传输过去，因此这样的传输就是透明传输。
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3.差错控制

  • 在传输过程中可能会产生比特差错：1 可能会变成 0 而 0 也可能变成 1。

  • 在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比率称为误码率 BER (Bit Error Rate)。

  • 误码率与信噪比有很大的关系。

  • 为了保证数据传输的可靠性，在计算机网络传输数据时，必须采用各种差错检测措施。

循环冗余检验的原理

  • 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。

  • 在发送端，先把数据划分为组。假定每组 k 个比特。

  • 假设待传送的一组数据 M = 101001（现在 k = 6）。我们在 M 的后面再添加供差错检测用的 n 位冗余码一起发送。

冗余码的计算

  • 用二进制的模 2 运算进行 2n 乘 M 的运算，这相当于在 M 后面添加 n 个 0。

  • 得到的 (k + n) 位的数除以事先选定好的长度为 (n + 1) 位的除数 P，得出商是 Q 而余数是 R，余数 R 比除数 P 少1 位，即 R 是 n 位。

冗余码的计算举例

现在 k = 6, M = 101001。
设 n = 3, 除数 P = 1101，
被除数是 2n**M = 101001000。
模 2 运算的结果是：商 Q = 110101，
余数 R = 001。
把余数 R 作为冗余码添加在数据 M 的后面发送出去。发送的数据是：2n**M + R
即：101001001，共 (k + n) 位。

循环冗余检验的原理说明
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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 的唯一方法。

接收端对收到的每一帧进行 CRC 检验

  • (1) 若得出的余数 R = 0，则判定这个帧没有差错，就接受(accept)。

  • (2) 若余数 R ≠ 0，则判定这个帧有差错，就丢弃。

  • 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。
    只要经过严格的挑选，并使用位数足够多的除数 P，那么出现检测不到的差错的概率就很小很小。

补零位数比除数位数少一

异或运算
1+1=0 1+0=0 0+1=0 0+0=0

除数由两台计算机数据链路层协议决定

小结：CRC差错检测技术
仅用循环冗余检验 CRC 差错检测技术只能做到无差错接受(accept)。

  • “无差错接受”是指：“凡是接受的帧（即不包括丢弃的帧），我们都能以非常接近于 1 的概率认为这些帧在传输过程中没有产生差错”。也就是说：“凡是接收端数据链路层接受的帧都没有传输差错”（有差错的帧就丢弃而不接受）。

  • 要做到“可靠传输”（即发送什么就收到什么）就必须再加上确认和重传机制。

    • 考虑：帧重复、帧丢失、帧乱序的情况

可以说“CRC是一种无比特差错，而不是无传输差错的检测机制”
OSI/RM模型的观点:数据链路层要做成无传输差错的!但这种理念目前不被接受。

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数据链路层的信道类型

•数据链路层使用的信道主要有以下两种类型：

  • 点对点信道。 这种信道使用一对一的点对点通信方式。

  • 广播信道。 这种信道使用一对多的广播通信方式，因此过程比较复杂。广播信道上连接的主机很多，因此必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机的数据发。

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3.2 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。

    用户到 ISP 的链路使用 PPP 协议
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3.2.1 PPP协议的特点

PPP 协议应满足的需求

  • 简单——这是首要的要求
  • 封装成帧
  • 透明性
  • 多种网络层协议
  • 多种类型链路
  • 差错检测
  • 检测连接状态
  • 最大传送单元
  • 网络层地址协商
  • 数据压缩协商

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PPP 协议不需要的功能

  • 纠错
  • 流量控制
  • 序号
  • 多点线路
  • 半双工或单工链路

PPP 协议的组成

  • 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]。
    • 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)。

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3.2.2 PPP协议的帧格式

  • 标志字段 F = 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。
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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，就使用一种特殊的 字符填充法 。

字符填充

  • 将信息字段中出现的每一个 0x7E 字节转变成为 2 字节序列(0x7D, 0x5E)。

  • 若信息字段中出现一个 0x7D 的字节, 则将其转变成为 2 字节序列(0x7D, 0x5D)。

  • 若信息字段中出现 ASCII 码的控制字符（即数值小于 0x20 的字符），则在该字符前面要加入一个 0x7D 字节，同时将该字符的编码加以改变。

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零比特填充

  • PPP 协议用在 SONET/SDH 链路时，是使用同步传输（一连串的比特连续传送）。这时 PPP 协议采用零比特填充方法来实现透明传输。

  • 在发送端，只要发现有 5 个连续 1，则立即填入一个 0。接收端对帧中的比特流进行扫描。每当发现 5 个连续1时，就把这 5 个连续 1 后的一个 0 删除。
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    不提供使用序号和确认 的可靠传输

  • PPP 协议之所以不使用序号和确认机制是出于以下的考虑：

    • 在数据链路层出现差错的概率不大时，使用比较简单的 PPP 协议较为合理。

    • 在因特网环境下，PPP 的信息字段放入的数据是 IP 数据报。数据链路层的可靠传输并不能够保证网络层的传输也是可靠的。

    • 帧检验序列 FCS 字段可保证无差错接受。
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3.2.3 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。
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3.3 使用广播信道的数据链路层(局域网)

3.3.1 局域网的数据链路层

局域网最主要的特点是：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。

局域网具有如下的一些主要优点：

  • 具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网。局域网上的主机可共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源。

  • 便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活调整和改变。

  • 提高了系统的可靠性、可用性和残存性。
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媒体共享技术

静态划分信道

  • 频分复用
  • 时分复用
  • 波分复用
  • 码分复用

动态媒体接入控制（多点接入）

  • 随机接入
  • 受控接入 ，如多点线路探询(polling)，或轮询。
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