计算机网络第四版第4章

•总线拓扑结构中所需要的电缆长度是最小的，由
于总线的负载能力是一定的，因此总线长度有一 定限制，一条总线只能连接一定数量的节点。在 总线两端连接的器件称为端结器或终结器(其中一 端接地)，主要与总线进行阻抗匹配，最大限度吸 收传送端部的能量，避免信号反射回总线产生不 必要的干扰。
•总线布局的特点是：结构简单灵活，便于扩充，
•数据链路层的协议数据单元——帧。 •数据链路层的任务就是把网络层交下来
的数据发送到链路上，以及把接收到的帧 中的数据取出并上交给网络层。在因特网 中，网络层协议数据单元就是IP数据报 （或简称为数据报、分组或包）。
数据链路层最主要的功能可归结为以 下几点。
（1）结点A的数据链路层把网络层 交下来的IP数据报封装成帧。 （2）结点A把封装好的帧发送给结 点B的数据链路层。
差错控制的问题
图4-3
数据链路层的通信模型
4.1.2
链路和数据链路
所谓链路 (link) 就是从一个结点到 相邻结点的一段物理线路，而中间没有任 何其他的交换结点。在进行数据通信时， 两个计算机之间的通信路径往往要经过许 多段这样的链路。可见，链路只是一条路 径的组成部分。
数据链路 (data link) 则是另一个概 念。当需要在一条线路上传送数据时，除 了必须有一条物理线路外，还必须有一些 必要的通信协议来控制这些数据的传输。 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。最常用的方法是 使用网络适配器（拨号上网使用拨号适配 器，通过以太网上网使用局域网适配器） 来实现这些协议的硬件和软件。
网络层 链路层
R3
网络层 链路层
运输层
网络层 链路层 物理层
物理层
物理层
物理层
物理层
数据链路层的简单模型
主机 H1 向 H2 发送数据
主机 H1 电话网 H1 应用层
路由器 R1
局域网
路由器 R2
广域网
路由器 R3 局域网
主机 H2
仅从数据链路层观察帧的流动
R1
网络层 链路层
H2 应用层
运输层
网络层 链路层
2．数据链路层传送的数据的比特组 合必须是不受限制的。数据链路层 协议不能禁止传送某种特殊的比特 组合。这就是透明传输问题。 3．数据链路层必须有差错检测功能。
4.2.1
帧定界
帧定界 (framing) 就是确定帧的 界限。每一种链路层协议都规定 了帧的数据部分的长度上限—— 最大传送单元MTU (Maximum Transfer Unit)。
（3）若结点B的数据链路层收到的帧 无差错，则从收到的帧中提取出IP数 据报上交给上面的网络层；否则丢弃 这个帧。
（1）结点A的数据链路层把网络层交下来 的IP数据报封装成帧。 （2）结点A把封装好的帧发送给结点B的数 据链路层。
成帧和帧定界的问题
（3）若结点B的数据链路层收到的帧无差 错，则从收到的帧中提取出IP数据报上交给 上面的网络层；否则丢弃这个帧。
数据中出现的控制字符 SOH EOT ESC
经字节插入后发送时的字符 ESC x ESC y ESC z
上面的控制字符“ESC”叫做转义符 (escape character)，
帧开始符 原始数据 SOH SOH ESC 字节插入 EOT 字节插入 ESC SOH 字节插入
帧结束符
EOT EOT 字节插入
设备少，价格低，安装使用方便，某个站点失效 不会影响到其他站点。
环型结构 (Token-Ring)
节点与链路构成了一个闭合环，每个节点只与相邻的两个 节点相连。 每个节点必须将信息转发给下一个相邻的节点。 优点：简单、易于实现，传输延时确定 。
缺点：维护与管理复杂
环形拓扑结构网也称令牌环网。环形网中各节点首尾相连 形成—个闭合的环，各个节点通过环路接口连在一条闭合 环形路上，环路上任何节点均可以发送“令牌”，请求同 其他站点通信。如果请求通信被批准，便可以向环路发送 信息，由于环型线路是公用的，发出的信息在环中的数据 沿着一个方向绕环路逐站传输。一个节点发出的信息肯定 会穿越环中所有的环路接口。在信息流的目的地址与环上 其他某节点地址相符的情况下，节点的环路接口便接收该 信息，然后信息继续流向下一环路接口，最终流回到发送 该信息的环路接口节点。
点对点信道
在点对点信道的计算机网络中，每条物 理线路介质仅仅连接一对对等实体，不涉 及第三方。在某一个时间片内，点对点网 络只有两个设备进行通信，独享整个信道 带宽，不存在冲突问题。
广播式信道
如果有多个结点共享一条通信信道，一 个结点发送信号，全网结点都会收到信息， 这种信道就是广播信道，采用的网络传输 技术就只能是广播方式，这样的网络就叫 广播式网络。
SOH SOH
ESC
z
ESC
y
ESC
z
ESC
x
EOT EOT
经过字节插入后发送的数据 发送 在前
图4-7
用字节插入法解决透明传输的问题
HDLC的帧结构
常见的网络拓扑结构
常见的网络拓朴结构 •星型 •总线型 •树型 •环型 •网状型
星型 (Ethernet)
Hub/Switch
网络由各节点以中央节点为中心相连接，各节点与中央节 点以点对点方式连接。 节点之间的数据通信要通过中央节点 优点：结构简单，管理方便，可扩充性强，组网容易。
缺点：中心节点成为全网可靠性的关键
第4章 数据链路层
4.1
数据链路层的基本概念
4.2
三个基本问题
点对点协议PPP
4.3
4.4
HDLC协议
引言、计算机网络的拓扑结构
网络拓扑结构是指网络电缆的物理连接等物 理布局特征，抽象地来讨论网络系统中各个端点 相互连接的方法、形式与几何形状，可表示出网 终服务器、工作站、网络设备的网络配置和相互 之间的连接。 计算机网络拓扑结构可根据其通信子网中通 信信道的类型分为点对点连接信道拓扑结构与广 播信道拓扑结构两类。
4.1 数据链路层的基本概念 4.1.1 数据链路层的简单模型
4.1.1数据链路层的简单模型
主机 H1 向 H2 发送数据
主机 H1 电话网 H1 应用层
路由器 R1
局域网
路由器 R2
广域网
路由器 R3 局域网
主机 H2
从层次上来看数据的流动
R1
网络层 链路层
H2 应用层
运输层
网络层 链路层
R2
•中央节点执行集中式通信控制策略，因此 中央节点相当复杂，负担较重，容易形成 系统的瓶颈。如果中心节点出现故障，将 会导致整个网络瘫痪。 •一般情况下，星形拓扑结构网络上的计 算机之间是通过集线器或交换机来相互通 信的，若采用的是集线器,此时网络的逻辑 拓扑结构为总线型.
总线型 (Ethernet)
End Of Transmission ,一 般为04
图4-5
用控制字符进行帧定界的方法举例
பைடு நூலகம் 4.2.2
透明传输
不是“透明传输”的情况
图4-6
数据部分恰好出现与EOT一样的代码
解决透明传输问题的方法： １、采用转义字符－－每当在数据中出现 字符“SOH”或“EOT”时就将其转换为另 一个字符，而这个字符是不会被错误解释 为控制字符的。这种方法称为字节插入 (byte stuffing)。 ２、比特插入
星形拓扑结构是目前局域网最常见的方式。 星形拓扑结构有中央节点及中心节点，它与 周围各个节点连接，各节点与中央节点通过 点对点方式连接，周围节点呈辐射状排列在 中心节点周围。任意两个站点所进行的通信， 都必须通过中央节点转接路由。中央节点的 主要功能为：为通信的节点设备建立物理连 接；在通信过程中，维持这一通道；在通信 失败或通信成功结束时，拆除通道。
(3)数据链路层对发送数据帧的速率必须进 行流量控制，以免数据丢失 （4) 数据链路层通过尾部控制信息(DT)进 行差错控制，检测出错或重复的数据帧， 并对错误的帧进行纠错或重发
4.2数据链路层的三个基本问题
数据链路层协议有许多种，但有三个 基本问题则是共同的。以下是这三个基本 问题。
1．数据链路层的发送方应当让接收 方的数据链路层知道，所发送的帧 是从什么地方开始到从什么地方结 束。这就是帧定界问题。
R2
网络层 链路层
R3
网络层 链路层
运输层
网络层 链路层
物理层
物理层
物理层
物理层
物理层
H1 应用层 运输层 网络层 链路层 物理层 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
图4-2
只考虑数据在数据链路层的流动
也有人采用另外的术语。这就是把链 路分为物理链路和逻辑链路。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。
对数据链路层理解
(1)以帧为数据单位 (2)数据帧在不同的网络中传输时，数据链路层要在数据帧中的 头部加入一个控制信息(DH)，其中包含了源节点和目的节点的 地址，这个地址也被称为物理地址（如下图所示）：
主环+备用环（同一时刻只有一个环在使用）
优点：在单环之上增加了高度的可靠性。
缺点：维护与管理复杂，投资大
扩展星型----树型
星型结构的重复( 中央星型拓朴上的节点是另一个 星型拓朴的中心节点). 减少了链路与设备的投资 优点：在星型的优点之外，更富于层次，从而可 隔离某些网络流量
从实质上说，树形结构是星形结构的拓展，在一 个结构复杂的网络中，星形网的分层罗列也就构 成了树形网络结构。从原理上说，树形结构又是 总线型结构的延伸。它是在总线网上进行分层分 支。树形网是种分层广播式网，任何一个节点发 送的信息，其它节点都能接收。其联系固定，结 构对称，具有一定容错能力，一个分支和节点的 故障不影响另一分支节点的工作，无须对原网络 做任何改动就可以很容易的扩充工作站。但线路 利用率不如总线形结构高。一些较大型的局域网、 园区网、校园网，无一不是树形结构的杰作。
所有节点直接连到一条物理链路上，除此之外节点间不存 在任何其他连接。 每一个节点可以收到来自其他任何节点所发送的信息 优点：简单、易于实现 缺点：可靠性和灵活性差 、传输延时不确定
用一条单根主干线缆作为传输介质，所有的站点通过 相应的硬件接口直接连接到传输总线上，这种布局方式被 称为总线型拓扑。 在总线结构中，所有的节点共享一条数据通道，任何一 个节点发出的信息都可以沿着总线向两个方向传输扩散， 总线上传输信息通常多以基带形式串行传递，每个节点上 的网络接口板硬件均具有收、发功能，接收器负责接收总 线上的串行信息并转换成并行信息送到工作节点上；发送 器是将并行信息转换成串行信息后广播发送到总线上，总 线上发送信息的目的地址与某节点的接口地址相符合时， 该节点的接收器便接收信息。
环形网的特点是： •信息在网络中沿固定方向流动，两个节点间仅 有一条物理链路，大大简化了路径选择的控制， 使传输机制比较简单。 •当某个节点发生故障时，可以自动旁路，可靠 性较高，抗故障性能好； •由于信息是串行穿过多个节点环路接口，当节 点过多时，影响传输效率，使网络传输响应时间 变长。但当网络节点确定时，其延时是固定的， 实时性强，能够提供优先权服务； •由于环路封闭故扩充不方便，因此当网络中的 任意一个节点或一条传输介质出现故障都将导致 整个网络故障，而且故障难以检测。
帧开始 帧首部 帧首部
IP 数据报 IP 数据报 帧的数据部分 帧的数据部分 ≤ MTU 数据链路层的帧长
帧结束 帧尾部 帧尾部
从这里开始发送
图4-4
用帧首部和帧尾部进行帧定界
帧开始符 SOH SOH 装在帧中的数据部分 装在帧中的数据部分 帧 发送在前
帧结束符 EOT EOT
Start Of Header ,一般 为01
网状结构 （广域网）
又称无规则型。结点间 的连接是任意的，不存 在规律。 数据的传输有赖于所采 用的网络设备 优点：多条链路提供了 冗余连接 缺点：结构复杂
完全网状结构
每一个节点均与其他每一个节点直接相连。 数据的传输有赖于所采用的网络设备 优点：多条链路提供了冗余连接 缺点：链路随着节点数目的增加呈指数增长。
环形网曾经是局域网常用拓扑结构之一， 其主要优点是延时的可控制性。适用于对 时间要求较苛刻的信息采集、信息处理系 统和工厂自动化系统。而且，当网络负载 较大时，环形网的传输效率要比总线型以 太网优秀。其缺点是单个环网的结点数有 限，控制电路较复杂，通信令牌容易丢失。
双环 (FDDI)
两个非相连的独立同心环