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数据链路层

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一、使用点对点信道的数据链路层

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。

数据链路层的简单模型

1.1 数据链路和帧

1、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，又称物理链路。

• 一条链路只是一条通路的一个组成部分。

2、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，又称逻辑链路。

• 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。

3、早期的数据通信协议曾叫做通信规程 (procedure)。因此在数据链路层，规程和协议是同义语。

4、数据链路层传送的是帧

5、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。
• 数据链路层不必考虑物理层如何实现比特传输的细节。甚至还可以更简单地设想好像是沿着两个数据链路层之间的水平方向把帧直接发送到对方。

1.2 三个基本问题

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。

  

• 用控制字符进行帧定界的方法举例 : 当数据是由可打印的 ASCII 码组成的文本文件时，帧定界可以使用特殊的帧定界符。

• 控制字符 SOH (Start Of Header) 放在一帧的最前面，表示帧的首部开始。另一个控制字符 EOT (End Of Transmission) 表示帧的结束。

  

透明传输

• 如果数据中的某个字节的二进制代码恰好和 SOH 或 EOT 一样，数据链路层就会错误地“找到帧的边界”。

  

• 解决透明传输问题

  • 解决方法：字节填充 (byte stuffing) 或字符填充 (character stuffing)。

  • 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)。

  • 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在数据当中，那么应在转义字符前面插入一个转义字符 ESC。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。

    

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。

  • 任何一个K位的帧看成是一个$K+1$次的多项式$M(X)$
    如: $101001$ 看成是 $x^5+x^3+x^0$

    • 设定一个生成多项式 $G(X)$,为n阶，$k>n$
      如设 $n=3$，$G(x)=x^3+x^2+x$, 除数 $P=1101$
    • $X^{n}M(X)/G(X)=Q(X)+R(X)/G(X)$ ,其中$Q(X)$为商，$R(X)$为校验码。
      将CRC码接在帧后一起发送,即发送的数据为 $X^{n}M(X)+R(X)$

  • 冗余码的计算

    • 用二进制的模2运算：即是异或运算 - 加法不进位，减法不借位

      
      • 进行$2^n$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，即余数是n位。
        将余数R作为冗余码拼接在数据M后面发送出去。
      

• 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。

      

二、点对点协议 PPP

2.1 PPP 协议的特点

• 对于点对点的链路，目前使用得最广泛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互联网时，用户计算机和ISP进行通信时所使用的数据链路层协议就是PPP协议。

• PPP协议在1994年就已成为互联网的正式标准。

• 用户到 ISP 的链路使用 PPP 协议

  

• 用户拨号入网的示意图

  

• PPP 协议应满足的需求

  简单 —— 这是首要的要求。

  封装成帧 —— 必须规定特殊的字符作为帧定界符。

  透明性 —— 必须保证数据传输的透明性。

  多种网络层协议 —— 能够在同一条物理链路上同时支持多种网络层协议。

  多种类型链路 —— 能够在多种类型的链路上运行。

  差错检测 —— 能够对接收端收到的帧进行检测，并立即丢弃有差错的帧。

  检测连接状态 —— 能够及时自动检测出链路是否处于正常工作状态。

  最大传送单元 —— 必须对每一种类型的点对点链路设置最大传送单元 MTU 的标准默认值，促进各种实现之间的互操作性。

  网络层地址协商 —— 必须提供一种机制使通信的两个网络层实体能够通过协商知道或能够配置彼此的网络层地址。数据压缩协商 —— 必须提供一种方法来协商使用数据压缩算法。

• 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 协议有三个组成部分

  (1) 一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法。

  (2) 链路控制协议 LCP (Link Control Protocol)。

  (3) 网络控制协议 NCP (Network Control Protocol)。

2.2 PPP 协议的帧格式

• PPP帧的首部和尾部分别为4个字段和2个字段。

• 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。

  

  PPP 有一个 2 个字节的协议字段。

  • 其值若为 0x0021，则信息字段就是 IP 数据报。
  • 若为 0x8021，则信息字段是网络控制数据。
  • 若为 0xC021，则信息字段是 PPP 链路控制数据。
  • 若为 0xC023，则信息字段是鉴别数据。

• 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。

    • 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。

  • 零比特填充

    • PPP协议用在SONET/SDH链路时，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。
      在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。

      

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，并进行网络层配置,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。

• 可见，PPP协议已不是纯粹的数据链路层的协议，它还包含了物理层和网络层的内容。

  

三、使用广播信道的数据链路层

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

  地理范围和站点数目均有限

• 局域网具有如下主要优点：
  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、可用性和生存性。

• 局域网的主要技术要素

  • 网络拓扑结构

    

    DIX Ethernet V2 是世界上第一个局域网产品（以太网）的规约。

    IEEE 802.3 是第一个 IEEE 的以太网标准。

    DIX Ethernet V2 标准与 IEEE 的 802.3 标准只有很小的差别，因此可以将 802.3 局域网简称为“以太网”。

    严格说来，“以太网”应当是指符合 DIX Ethernet V2 标准的局域网 。

  • 计算机通过适配器和局域网进行通信

    

    网络接口板又称为通信适配器 (adapter) 或网络接口卡 NIC (Network Interface Card)，或“网卡”。

    适配器的重要功能：

    • 进行串行/并行转换。
    • 对数据进行缓存。
    • 在计算机的操作系统安装设备驱动程序。
    • 实现以太网协议。

  • 以太网

    • 最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。当初认为这样的连接方法既简单又可靠，因为总线上没有有源器件。

      

    • 以太网提供的服务

      • 以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。
      • 当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，其他什么也不做。差错的纠正由高层来决定。

    • 以太网采取了两种重要的措施

      • (1) 采用较为灵活的无连接的工作方式不必先建立连接就可以直接发送数据。对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。
      • (2) 以太网发送的数据都使用曼彻斯特 (Manchester) 编码

3.2 CSMA/CD 协议

• CSMA/CD 含义：载波监听多点接入 / 碰撞检测 (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) 。

• “多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。

• “载波监听”是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。 “载波监听”就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号。

• 碰撞检测

  • “碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大（互相叠加）。当一个站收到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞。所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。

  • 为什么要进行碰撞检测？由于电磁波在总线上的传播速率是有限的，当某个站监听到总线是空闲时，也可能总线并非真正是空闲的。A 向 B 发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到 B。 （传输有时延） B 若在 A 发送的信息到达 B 之前发送自己的帧 (因为这时 B 的载波监听检测不到 A 所发送的信息)，则必然要在某个时间和 A 发送的帧发生碰撞。碰撞的结果是两个帧都变得无用。所以需要在发送期间进行碰撞检测，以检测冲突。

  • 信号传播时延对载波监听的影响

    

    • 征用期：以太网的端到端往返时延 2τ 称为争用期，或碰撞窗口。

      • 10 Mbit/s 以太网取 51.2 μs 为争用期的长度。对于 10 Mbit/s 以太网，在争用期内可发送 512 bit，即 64 字节。
      • 意味着：以太网在发送数据时，若前 64 字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突

    • **最短有效帧长 **

      • 如果发生冲突，就一定是在发送的前 64 字节之内。
      • 由于一检测到冲突就立即中止发送，这时已经发送出去的数据一定小于 64 字节。
      • 以太网规定了最短有效帧长为 64 字节，凡长度小于 64 字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。

    • 强化碰撞

      • 当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时：

        (1) 立即停止发送数据；

        (2) 再继续发送若干比特的人为干扰信号 (jamming signal)，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。 （32比特或48比特)

    • 帧间最小间隔

      • 帧间最小间隔为 9.6 μs，相当于 96 bit 的发送时间。一个站在检测到总线开始空闲后，还要等待 9.6 μs 才能再次发送数据。这样做是为了使刚刚收到数据帧的站的接收缓存来得及清理，做好接收下一帧的准备。

        

    • 二进制指数类型退避算法

      

    • 冲突后的等待时间

      

• CSMA/CD 重要特性

  • 使用 CSMA/CD 协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信（半双工通信）。
  • 每个站在发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。
  • 这种发送的不确定性使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率。

• CSMA/CD协议的要点

  (1) 准备发送。但在发送之前，必须先检测信道。

  (2) 检测信道。若检测到信道忙，则应不停地检测，一直等待信道转为空闲。若检测到信道空闲，并在 96 比特时间内信道保持空闲（保证了帧间最小间隔），就发送这个帧。

  (3) 检查碰撞。在发送过程中仍不停地检测信道，即网络适配器要边发送边监听。这里只有两种可能性：

  ​ ① 发送成功：在争用期内一直未检测到碰撞。这个帧肯定能够发送成功。发送完毕后，其他什么也不做。 然后回到 (1)。

  ​ ② 发送失败：在争用期内检测到碰撞。这时立即停止发送数据，并按规定发送人为干扰信号。适配器接着 就执行指数退避算法，等待 r 倍 512 比特时间后，返回到步骤 (2)，继续检测信道。但若重传达 16 次仍 不能成功，则停止重传而向上报错。

3.3 使用集线器的星形拓扑

传统以太网最初是使用粗同轴电缆，后来演进到使用比较便宜的细同轴电缆，最后发展为使用更便宜和更灵活的双绞线。采用双绞线的以太网采用星形拓扑，在星形的中心则增加了一种可靠性非常高的设备，叫做集线器 (hub)。

• 星形以太网 10BASE-T

  
  • 1990 年，IEEE 制定出星形以太网 10BASE-T 的标准 802.3i。
  • 使用无屏蔽双绞线，采用星形拓扑。
  • 每个站需要用两对双绞线，分别用于发送和接收。
  • 双绞线的两端使用 RJ-45 插头。
  • 集线器使用了大规模集成电路芯片，因此集线器的可靠性提高。
  • 10BASE-T 的通信距离稍短，每个站到集线器的距离不超过 100 m。

• 10BASE-T 以太网在局域网中的统治地位

  • 这种 10 Mbit/s 速率的无屏蔽双绞线星形网的出现，既降低了成本，又提高了可靠性。 具有很高的性价比。
  • 10BASE-T 双绞线以太网的出现，是局域网发展史上的一个非常重要的里程碑，从此以太网的拓扑就从总线形变为更加方便的星形网络，而以太网也就在局域网中占据了统治地位。

• 集线器的一些特点

  • (1) 集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线的工作，因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行。
  • (2) 使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各工作站使用的还是 CSMA/CD 协议，并共享逻辑上的总线。
  • (3) 集线器很像一个多接口的转发器，工作在物理层。
  • (4) 集线器采用了专门的芯片，进行自适应串音回波抵消，减少了近端串音。

• 具有三个接口的集线器

  

3.4 以太网的信道利用率

多个站在以太网上同时工作就可能会发生碰撞。当发生碰撞时，信道资源实际上是被浪费了。因此，以太网总的信道利用率并不能达到 100%。假设 是以太网单程端到端传播时延。则争用期长度为 $2\tau$，即端到端传播时延的两倍。设帧长为 L (bit)，数据发送速率为 C (bit/s)，则帧的发送时间为 $T_0=L/C(s)$。

一个站在发送帧时出现了碰撞。经过一个争用期 $2\tau$ 后，可能又出现了碰撞。这样经过若干个争用期后，一个站发送成功了。假定发送帧需要的时间是 $T_0$。

注意到，成功发送一个帧需要占用信道的时间是 $T_0+\tau$，比这个帧的发送时间要多一个单程端到端时延 $\tau$。这是因为当一个站发送完最后一个比特时，这个比特还要在以太网上传播。在最极端的情况下，发送站在传输媒体的一端，而比特在媒体上传输到另一端所需的时间是 $\tau$ 。

参数 α 与利用率

要提高以太网的信道利用率，就必须减小 $\tau$ 与 $T_0$ 之比。在以太网中定义了参数 $\alpha$，它是以太网单程端到端时延 $\tau$ 与帧的发送时间 $T_0$ 之比：

• $\alpha \to 0$，表示一发生碰撞就立即可以检测出来， 并立即停止发送，因而信道利用率很高。
• $\alpha$ 越大，表明争用期所占的比例增大，每发生一次碰撞就浪费许多信道资源，使得信道利用率明显降低。

为提高利用率，以太网的参数 $\alpha$ 的值应当尽可能小些。

对以太网参数 $\alpha$ 的要求

• 当数据率一定时，以太网的连线的距离受到限制，否则 $\tau$ 的数值会太大。（D小， $\alpha$小）
• 以太网的帧长不能太短，否则 $T_0$ 的值会太小，使 $\alpha$ 值太大。 （L要大一些， $\alpha$小)

信道利用率的最大值 Smax

在理想化的情况下，以太网上的各站发送数据都不会产生碰撞（这显然已经不是 CSMA/CD，而是需要使用一种特殊的调度方法），即总线一旦空闲就有某一个站立即发送数据。发送一帧占用线路的时间是 T0 + ，而帧本身的发送时间是 T0。于是我们可计算出理想情况下的极限信道利用率 Smax 为:

只有当参数 a 远小于 1 才能得到尽可能高的极限信道利用率。据统计，当以太网的利用率达到 30%时就已经处于重载的情况。很多的网络容量被网上的碰撞消耗掉了。

3.5 以太网的 MAC 层

MAC 层的硬件地址

• 在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或 MAC 地址。

• 802 标准所说的“地址”严格地讲应当是每一个站的“名字”或标识符。

• 48 位的 MAC 地址

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  • IEEE 802 标准规定 MAC 地址字段可采用 6 字节 ( 48位) 或 2 字节 ( 16 位) 这两种中的一种。
  • IEEE 的注册管理机构 RA 负责向厂家分配地址字段 6 个字节中的前三个字节 (即高位 24 位)，称为组织唯一标识符。
  • 地址字段 6 个字节中的后三个字节 (即低位 24 位) 由厂家自行指派，称为扩展唯一标识符，必须保证生产出的适配器没有重复地址。
  • 一个地址块可以生成 224 个不同的地址。这种 48 位地址称为 MAC-48，它的通用名称是 EUI-48。
  • 生产适配器时，6 字节的 MAC 地址已被固化在适配器的 ROM，因此，MAC 地址也叫做硬件地址 (hardware address)或物理地址。
  • “MAC地址”实际上就是适配器地址或适配器标识符.如 一台主机网卡的mac地址为00-3e-01-23-4e-3c

• 单站地址，组地址，广播地址

  • IEEE 规定目的地址字段的第一字节的最低位为 I/G 位。I/G 表示 Individual / Group。

    当 I/G位 = 0 时，地址字段表示一个单站地址。

    当 I/G位 = 1 时，表示组地址，用来进行多播（以前曾译为组播）。此时，IEEE 只分配地址字段前三个字节中的 23 位。

  • 所有 48 位都为 1 时，为广播地址。只能作为目的地址使用。

• 目的MAC地址

  • 单播 (unicast) 帧（一对一） 例如目的地址 第一个字节
  • 广播 (broadcast) 帧（一对全体） 48位均为1
  • 多播 (multicast) 帧（一对多） 例如目的地址 第一个字节

• 适配器检查 MAC 地址

  • 适配器从网络上每收到一个 MAC 帧就首先用硬件检查 MAC 帧中的 MAC 地址。

    如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他的处理。

    否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。

  • 所有的适配器都至少能够识别前两种帧，即能够识别单播地址和广播地址。有的适配器可用编程方法识别多播地址。

  • 只有目的地址才能使用广播地址和多播地址。

  • 以混杂方式 (promiscuous mode) 工作的以太网适配器只要“听到”有帧在以太网上传输就都接收下来。

MAC 帧的格式

常用的以太网 MAC 帧格式有两种标准 ：

• DIX Ethernet V2 标准
• IEEE 的 802.3 标准

最常用的 MAC 帧是以太网 V2 的格式。

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无效的 MAC 帧

• 帧的长度不是整数个字节；
• 用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错；
• 数据字段的长度不在 46 ~ 1500 字节之间。（有效的 MAC 帧长度为 64 ~ 1518 字节之间）。
• 对于检查出的无效 MAC 帧就简单地丢弃，以太网不负责重传丢弃的帧。

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