第5讲局域网的数据链路层精品PPT课件
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本科网络课程讲义：LAN
静态分配：如传统的FDM或TDM，如果有N个用户，把 带宽或时间分成N份，每个用户静态地占用一个。缺点 是不能有效地处理突发数据，有的用户无通信量时白白 浪费资源。
动态分配：异步时分多路复用。分为两种：
随机访问（争用，contention）：只要有数据，就可直接发送，发生冲 突后再采取措施解决冲突。适用于负载轻的网络，负载重时效率低。
有源网络
分散控制
常采用令牌方 式控制媒体访 问
单个节点的故 障有可能波及 全网
Ring network
8
总线型（Bus）
通信网络只是传 输媒体
成本低
无源网络
分散控制
常采用CSMA/CD 或Token方式进 行媒体访问控制
广播型网络
对于共享媒体型网络，网络的拓扑结构和 媒体访问控制协议很重要。设计一个好的 媒体访问控制协议有三个基本要求：简单、 有效的通道利用率、对用户的公平合理。
22
二进制倒计数协议
每个站点的地址用等长的二进制数表示。每个要发送数据的站 点先广播发送它们的二进制地址（按高位到低位的顺序）。这 些地址在信道上被按位相加（逻辑或）。各站点在发送 地址时监听信道，当 发现自己地址中的某 个“0”在信道上变为 “1”时，即退出竞争。 最后参与竞争的地址 最高的站点获得发送 权。发送结束后，重 新进入下一轮竞争。
15
争用协议二：CSMA协议
载波侦听多路访问（Carrier Sense Multiple Access） 协议中，各站点不是随意发送数据帧，而是先要 监听一下信道，根据信道的状态来调整自己的动 作，只有发现信道空闲后再可发送数据。即“讲 前先听”
常见的四种CSMA协议：
1-坚持式CSMA（1-persistent CSMA） 非坚持式CSMA（non-persistent）
动态分配：异步时分多路复用。分为两种：
随机访问（争用，contention）：只要有数据，就可直接发送，发生冲 突后再采取措施解决冲突。适用于负载轻的网络，负载重时效率低。
有源网络
分散控制
常采用令牌方 式控制媒体访 问
单个节点的故 障有可能波及 全网
Ring network
8
总线型（Bus）
通信网络只是传 输媒体
成本低
无源网络
分散控制
常采用CSMA/CD 或Token方式进 行媒体访问控制
广播型网络
对于共享媒体型网络，网络的拓扑结构和 媒体访问控制协议很重要。设计一个好的 媒体访问控制协议有三个基本要求：简单、 有效的通道利用率、对用户的公平合理。
22
二进制倒计数协议
每个站点的地址用等长的二进制数表示。每个要发送数据的站 点先广播发送它们的二进制地址（按高位到低位的顺序）。这 些地址在信道上被按位相加（逻辑或）。各站点在发送 地址时监听信道，当 发现自己地址中的某 个“0”在信道上变为 “1”时，即退出竞争。 最后参与竞争的地址 最高的站点获得发送 权。发送结束后，重 新进入下一轮竞争。
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争用协议二：CSMA协议
载波侦听多路访问（Carrier Sense Multiple Access） 协议中，各站点不是随意发送数据帧，而是先要 监听一下信道，根据信道的状态来调整自己的动 作，只有发现信道空闲后再可发送数据。即“讲 前先听”
常见的四种CSMA协议：
1-坚持式CSMA（1-persistent CSMA） 非坚持式CSMA（non-persistent）
计算机网络技术-数据链路层概述PPT课件
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。
30 / 88
LCP 配置 LCP 链路 协商失败
终止
链路终止
鉴别失败
链路故障或 关闭请求
链路静止
设备之间无链路
物理层连接建立
链路建立
物理链路
LCP 配置协商
鉴别
LCP 链路
帧开始符
SOH
EOT
原始数据
SOH
ESC
帧结束符
SOH
EOT
字节填充
字节填充
字节填充
字节填充
SOH
发送 在前
ESC EOT
ESC SOH
ESC ESC
ESC SOH
EOT
经过字节填充后发送的数据
20
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)。
CPU 和 存储器
并行 通信
适配器 （网卡）
至局域网 串行通信
生成发送的数据 把帧发送到局域网 处理收到的数据 从局域网接收帧
39 / 88
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。
匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号）
匹配电阻
A 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。
23 / 88
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)。
30 / 88
LCP 配置 LCP 链路 协商失败
终止
链路终止
鉴别失败
链路故障或 关闭请求
链路静止
设备之间无链路
物理层连接建立
链路建立
物理链路
LCP 配置协商
鉴别
LCP 链路
帧开始符
SOH
EOT
原始数据
SOH
ESC
帧结束符
SOH
EOT
字节填充
字节填充
字节填充
字节填充
SOH
发送 在前
ESC EOT
ESC SOH
ESC ESC
ESC SOH
EOT
经过字节填充后发送的数据
20
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)。
CPU 和 存储器
并行 通信
适配器 （网卡）
至局域网 串行通信
生成发送的数据 把帧发送到局域网 处理收到的数据 从局域网接收帧
39 / 88
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。
匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号）
匹配电阻
A 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。
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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)。
网络 数据链路层.ppt
H2 网络层分组 T2
物理层
应用层
运输层
网络层分组
网络层
H2 网络层分组 T2
数据链 路层
物理层
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
数据链路层的透明传输
不管数据链路层所传输的数据是什么样的比特组合， 都应该能够在链路上传输，也就是说链路层协议不 能禁止传输某种特殊的比特组合。这就是透明传输 问题。
当数据中包含了用作帧定界的字符，或有确定含义 的控制字符时，协议要有相应的措施，使接收方能 够辨认出其是数据还是定界符或控制信息。
CRC-CCITT P(x)=x16+x12+x5+1
CRC-16
P(x)=x16+x15+x2+1
CRC-12
P(x)=x12+x11+x3+x2+x+1
CRC-32 P(x)=x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+ x5+x4+x2+x+1
这4段不同的链路层可能采用不同的数据 链路层协议。
概述
对于主机只有一个网络接口，所以只有一个数
据这链三路段层链协路议可，能而采路用由了器不则同有的多链个路网层络协接议口，，
应用层 不因同此的封接装口时接首不部同和的尾网部络可，能所个以不路相由同器。的如不同 应用层
《局域网的体系结构》PPT课件教学教材
PHY
LLC MAC PMI MII PMD MDI medium
LLC：逻辑链路控制子层 MAC：介质访问控制子层 PMI：物理介质无关子层
Physical Medium Independent sublayer PMD：物理介质相关子层
Physical Medium Dependent sublayer MII：介质无关接口
逐层加封
数据沿物理通信的方向逐层向下传递并逐层加封头部， 直到通过物理介质传输到对端系统
逐层拆封则反之
实通信
逐层加封到由物理介质传输到对端系统再逐层拆封的 机制
虚拟通信
各层交换的PDU
9
3.2.5 逐层封装：图
ES
用户数据
ES
A
AH UD
A
P
PH
A-PDU
P
S
SH
P-PDU
S
T
TH
S-PDU
Medium
Medium
18
3.3.4 802中继系统参考模型
802网络中继系统（桥）参考模型
摘自：Fig4 - IEEE std 802 - 2001
End Station LLC
MAC
Bridge
Relay
MAC
MAC
End Station
MAC
LLC
Service
user
MAC
MAC Sublayer
IEEE 802-2001、ITU-T Y.2001，等等
数据单元的基本类型
协议数据单元PDU：用于对等实体之间的协议交互 服务数据单元SDU：用于相邻实体之间的原语交互
接口数据单元
新版标准（ISO 7498.1-1994）中已经取消 IDU：只有本地含义
LLC MAC PMI MII PMD MDI medium
LLC：逻辑链路控制子层 MAC：介质访问控制子层 PMI：物理介质无关子层
Physical Medium Independent sublayer PMD：物理介质相关子层
Physical Medium Dependent sublayer MII：介质无关接口
逐层加封
数据沿物理通信的方向逐层向下传递并逐层加封头部， 直到通过物理介质传输到对端系统
逐层拆封则反之
实通信
逐层加封到由物理介质传输到对端系统再逐层拆封的 机制
虚拟通信
各层交换的PDU
9
3.2.5 逐层封装：图
ES
用户数据
ES
A
AH UD
A
P
PH
A-PDU
P
S
SH
P-PDU
S
T
TH
S-PDU
Medium
Medium
18
3.3.4 802中继系统参考模型
802网络中继系统（桥）参考模型
摘自：Fig4 - IEEE std 802 - 2001
End Station LLC
MAC
Bridge
Relay
MAC
MAC
End Station
MAC
LLC
Service
user
MAC
MAC Sublayer
IEEE 802-2001、ITU-T Y.2001，等等
数据单元的基本类型
协议数据单元PDU：用于对等实体之间的协议交互 服务数据单元SDU：用于相邻实体之间的原语交互
接口数据单元
新版标准（ISO 7498.1-1994）中已经取消 IDU：只有本地含义
第5章链路层和局域网讲述介绍
5.3 多址访问协议
统计时分复用 STDM
用户
统计时分复用
A B C a b b c c d a t ①
t ② a b b c c d a t t ③ t
#1
④
#2
#3
D
3 个 STDM 帧
2018年10月14日
20
第五章 链路层和局域网
5.3 多址访问协议
信道划分协议
FDMA(Frequence Division Multiple Access)
信道按频谱分成若干频段 每个节点分配固定频段 在频段不用时该部分信道被闲置和浪费
frequency bands
2018年10月14日
21
第五章 链路层和局域网
5.3 多址访问协议
随机访问协议
当节点有数据发送时
以信道全部速率R传输 没有主节点起协调作用
两个或多个节点传送时——碰撞 随机访问协议解决
流量控制
2018年10月14日
第五章 链路层和局域网
5.1 数据链路层 : 概述和服务
链路层提供的服务
差错检测
信号衰减和电磁干扰噪声导致出错 接收方检测到错误存在：
给发送方发送信号要求重传或丢弃该数据帧
差错纠正
接收方检测和纠正帧中错误，不用重传 半双工时，链路两端的节点都能传输分组，但不能同 时传输
理想的多址访问协议需满足：
假定：信道为速率为R b/s的广播信道 当只有一个节点有数据发送时，该节点的吞吐 量为R 当M个节点有数据发送时，每个节点吞吐量为 R/M 分散
计算机网络局域网技术与数据链路层协议研究课件
交换机还可以支持虚拟局域网（VLAN）等功能，以增强网络的
03
安全性和管理性。
05
数据链路层协议应用场景
企业网络
9字
企业网络是数据链路层协议 的主要应用场景之一。
9字
企业网络通常需要支持多种 业务和应用，如文件传输、 电子邮件、办公自动化等， 因此需要数据链路层协议提 供高效的传输服务。
9字
在企业网络中，数据链路层 协议用于确保数据的可靠传 输和错误控制，同时提供流 量控制和数据封装等功能。
TCP/IP协议族
一种常用的网络协议，包括传输控制 协议（TCP）和互联网协议（IP）。
局域网传输介质
有线传输介质
同轴电缆、双绞线、光纤等。
无线传输介质
无线电波、微波、红外线等。
局域网连接方式
点对点连接
两台计算机直接通过电缆或光纤连接 。
广播式连接
多台计算机共享同一传输介质，通过 划分不同的IP子网实现通信。
计算机网络局域网技术与数据 链路层协议研究课件
CONTENTS
• 计算机网络概述 • 局域网技术 • 数据链路层协议 • 数据链路层设备 • 数据链路层协议应用场景 • 数据链路层协议发展趋势与挑
战
01
计算机网络概述
计算机网络定义与功能
总结词
计算机网络是利用通信设备和线路将地理位置分散的、功能独立的多个计算机系统连接起来，以实现资源共享和 信息传递的系统。
安全性趋势
随着网络安全威胁的增加，数据链路层协议对安 全性的要求越来越高。协议设计者正致力于开发 具有更强安全防护功能的数据链路层协议，以保 护数据传输过程中的机密性和完整性。
高效性趋势
为了满足日益增长的网络流量需求，数据链路层 协议正在追求更高的传输效率和可靠性。例如， 采用更先进的错误检测和纠正技术、优化流量控 制机制等。
《局域网体系结构》PPT课件
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2021/3/20
• 802.1(A) —概述、体系结构。 • 802.1(B) —寻址、网络管理、网间互连及高层接口。 • 802.2 —逻辑链路控制(LLC)。这是高层协议与任何一种局域网MAC子层的接口。 • 802.3 —CSMA/CD。定义CSMA/CD总线网的MAC子层和物理层的规范。 • 802.4 —令牌总线网(Token Bus)。定义令牌传递总线网的MAC子层和物理层的
16位（局域）和48位（全域）：第二位来区分0／1
MAC地址是IEEE管理，一个制造商从IEEE获得唯一的地址块，这个获得的 地址块又被称为一个组织的OUI（Organizationally Unique Identifier）,获得这个地址可以为16777216个设备分配地址。
MAC地址后48bit,通常被表示为12bit的点分十六进制数。前六位代表某 个制造商，后六位由制造商自己决定。
➢ 拓扑结构：点到点链路连接，构成闭合 环➢ 传输媒体：STP、光纤，速率4/16Mbps； ➢ 最多站点数：250个， 信号采用曼彻斯特编码
3.3 决定局域网的主要技术
拓扑结构（逻辑、物理） 总线型、星型、环型、树型
介质访问方法 按协议实现信道共享: CSMA/CD和Token-passing
传输介质与信号传输形式 双绞线、同轴电缆、光纤、电磁波、 基带、宽带
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3.3.1 LAN典型拓扑结构
总线型: 所有结点都直接连接到共享信道 星型 : 所有结点都连接到中央结点 环型 : 结点通过点到点链路与相邻结点连接
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3、MAC与LLC 关系：
（1）半双工模式下采用的是CSMA/CD的访问方式 （2）全双工模式下则可直接收发，不管线路的忙闲状态。半
第5讲数据链路层-PPT精品
局域网
H1
应用层 运输层 网络层 链路层 物理层
仅从数据链路层观察帧的流动
R1 网络层 链路层 物理层
R2 网络层 链路层 物理层
R3 网络层 链路层 物理层
H2
应用层 运输层 网络层 链路层 物理层
河海大学电子信息工程系
4
4.2 数据链路层需要解决的问题
1）为网络层提供服务 2）成帧（framing） 3）差错控制（error control） 4）流量控制（flow control）
河海大学电子信息工程系
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纠错码的能力（1）
•纠错码的能力 •Hamming距离为2d+1的纠错编码，只能纠正 d位数据错误。 •判断：出现d位错误的概率大于d+1位错误。
•纠错码的功能 •在接收方发现并纠正差错数据帧。
纠错码的能力（2）
例：
Hamming距离=5的4个有效码字
0000000000, 0000011111, 1111100000, 1111111111
数据位 检验位
1 0 0 1 1 01 1 1 11011 1111
010001000
传输差错
传输差错
传输差错
只能检测奇数位数据错误。
河海大学电子信息工程系
25
检错码的能力（2）
检错码的能力
Hamming距离为d+1的检错编码，只能检测出 d位数据错误。
检错码的功能
通过检验位判断接收的数据帧是否出错。
问题
控制字符的数值错误造成发送与接收不同步
河海大学电子信息工程系
12
字符流举例
帧头：说明帧的字符数
待发送数据 5 1 2 3 4 5 0 1 2 3 8 0 1 2 3 4 5 6 5 0 1 2 3
相关主题
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收发器
中继器
Vampire tap
BNC端子
AUI 电缆
两站点间最小距离 2.5米
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网络最大跨度 2.5公里
NIC
12
10Base-T网络
• 采用无屏蔽双绞线介质（UTP）实现10Mbps传输速率。
• 以Hub （集线器）为中心节点。Hub－多端口转发器。
• 拓扑结构为星形，逻辑上仍然是总线形。
NIC
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13
10Base-F网络
• 使用光纤进行长距离连接，例如建筑物间连接。
• 使用的连接器和终止器的费用昂贵，抗干扰性很好。 • 星形拓扑结构 • 最常见的布线标准：
10BaseFL - 异步点到点链路，链路最长2 km。
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14
802.3帧格式
7
1
2/6
PA SFD 4 字节
SA
LEN LLC PDU Pad FCS
校验区间 64-1518 字节
PA： 前同步码 - 10101010序列，用于使接收方与发送方同步 SFD： 帧首定界 – 10101011,标志有效帧的开始 DA： 目的MAC地址； SA： 源MAC地址 LEN： 数据长度（数据部分的字节数）（0-1500B） LLC PDU+pad -- 最少46字节, 最多1500字节 Pad：填充字段，保证有效帧从目的地址到校验和的长度不少于
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5
LLC操作类型
• 类型1操作：为无连接操作，在LLC之间交换PDU时
不需要建立数据链路连接，其所传输的PDU既不被确 认，也没有流量控制和差错恢复；
• 类型2操作：在两LLC间交换带信息的PDU之前，先
建立逻辑链路连接，正常的通信包括源LLC向目标 LLC传送带有信息的PDU，接收返回的确认PDU。
✓ LLC子层功能：向高层提供SAP，建立/释放逻辑连接 ，差错控制，帧序号处理，提供某些网络层功能。 LLC层与传输介质无关。
12.10.2020
1
802.2 LLC
802.3
802.4
802.5
802.6
CSMA/CD Token Bus Token Ring DQDB
FDDI
数据链路层 物理层
粗同轴 细同轴
10 Base 5
双绞线
数据率（Mbps） 基带或宽带
MMF（多模光纤）
Base，Broad
双绞线 MMF/SMF 屏蔽短双绞线/MMF/SMF
段最大长度（百米）或 介质类型（T，F，X）
双绞线
Ethernet组网方法 • 10Base2网络
• 10Base5网络
• 细/粗电缆混合网络
• 10Base-T网络
• 10Base-T与同轴电缆网络兼容的组网
12.10.2020
• 10Base-F网络
10
10Base2网络
细缆
• 细同轴电缆(50 )，可靠性稍差 • BNC T型接头连接 • 总线型拓扑 • 用于办公室LAN
BNC 接头
NIC
每段最大长度 185m 每段最多站点数 30
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4
LLC向高层提供的服务
• 面向连接的服务（类型2）
- 两个LLC用户之间的连接是通过LLC服务访问点之间的点点式连 接；
- 提供按顺序传送、流控和差错控制 - LLC提供的面向连接的服务是一种虚电路服务；
• 不确认无连接服务（类型1）
- 双方通信前无需建立逻辑链路； - 所传输的数据没有流量控制和出错控制恢复机制； - 支持点－点，点－多点及广播等工作方式。
• 转发器/中继器的作用：将信号放大并整形后再转发，消除
信号传输的失真和衰减。
• 转发器/中继器/HUB——物理层设备(工作在物理层)。
• 用于小型LAN。
HUB与网卡之间最大距离100m；
HUB
HUB与HUB之间最大距离100m； 网络站点的最大距离2800m；
最多250个工作站数。
段最大长度 100m
为了使数据链路层更好适应多种局域网标准，将数据
链路层分为两个子层：逻辑链路控制子层LLC和介质 访问控制子层MAC。
OSI
网络层
IEEE 802
SAP
（） （） （）
逻辑链路控制 LLC
数据链路层 物理层
介质访问控制 MAC 物理层
✓ MAC子层功能：成帧/拆帧， 实现、维护MAC协议， 位差错检测，寻址。
802.1 802.2 802.3 802.4 802.5 802.6 FDDI
概述、体系结构、网络互连
LLC CSMA/CD Token Bus Token Ring 分布队列双总线DQDB --MAN标准 光纤分布数据接口FDDI
LLC帧和 MAC帧的
关系
12.10.2020
3
逻辑链路控制子层 LLC帧(第九章)
Bus
802.5 Token Ring
802.6 802.8 DQDB FDDI
……
MAC PHY
物理层
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8
IEEE802.3——以太网
•传统以太网Ethernet • 802.3 —— 同轴电缆Ethernet • 802.3a —— 细缆Ethernet • 802.3i —— 双绞线 • 802.3j —— 光纤
包括： 1)确定网络中每个站点能够将信息送 到通信介质上去的时刻；
2)如何对公用通信介质的存取和利用
加以控制。
7
不同网络连接方式的MAC协议
IE
EE
80
802.1B 寻址，网间互连及网络管理
2
802.1A
体
802.2 LLC
LLC
系
结 构
体
数据链路层
系
结 构
802.3 CSMA/CD
802.4 Token
•快速以太网FE • 802.3u —— 双绞线，光纤
•千兆以太网GE • 802.3z —— 屏蔽短双绞线、光纤 • 802.3ab —— 双绞线
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9
传输介质 10Base5
10Base2 10BaseT 10BaseF 100BaseT 100BaseF 1000BaseX 1000BaseT
12.10.2020
6
介质访问控制子 层MAC(第五章) 针对广播网络
• 通信子网结构： 点到点连接的网络 广播信道的网络：广播网络中任何站点在任何时候都有可能 通过公共信道与网络中另一个站点进行通 信。但是任何一部分物理信道在一个时间 段内只能被一个站点占用来传送信息。
12.10.2020
介质访问控制协议：将传输介质的信道有 效地分配给网上各站 点的用户的方法。
中继器
两站点间最短距离 0.5 m
12.10.2020
网络最大跨度 925 m
网络最多5个段
11
10Base5网络
• 粗同轴电缆(50 ) ，可靠性好，抗干扰能
力强
• 收发器 : 发送/接收, 冲突检测, 电气隔离
• AUI : 访问单元接口
• 总线型拓扑
• 用于网络骨干连接
粗缆
最大段长度 500米 每段最多站点数 100