第3章 数据链路层和物理层复习提纲

数据链路层的基本概念
• 数据链路层的特点
– – – – – – 需要链路管理 帧定界 流量控制 差错控制 将数据和控制信息区分开 透明传输
数据链路层的基本原理 － 基本模 型
主机 H1 向 H2 发送数据
主机 H1 电话网 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 路由器 R1 局域网 路由器 R2 广域网 路由器 R3 局域网 H2 应用层 运输层 网络层 链路层 物理层 主机 H2
• 红外通信 • 激光/蓝牙通信
<手机/笔记本> <手机/笔记本>
数据链路层的基本概念
• 链路(link)：一个结点到相邻结点的一段物理线路段， 中间没有任何其他的交换结点。 <物理链路>
注意：一条链路只是一条通路（路径）的一个组成部分。
• 数据链路(data link)：除物理线路外，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。<逻辑链 路> • 现在最常用的方法是使用网络适配器（网卡）来实现 这些协议的硬件和软件。 • 一般的网络适配器都包括了数据链路层和物理层这两 层的功能。
冗余码的计算举例
• 现在 k = 6, M = 101001。 • 假设 n = 3, 除数 P = 1101，被除数是 2nM = 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。 所以最后发送的数据是：2nM + R，即：101001001， 共 (k + n) 位。
点对点信道的数据链路层
• 三个基本问题
– 封装成帧 – 透明传输 – 差错控制
点对点信道的数据链路层－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。
帧开始 IP 数据报 帧的数据部分 MTU 数据链路层的帧长 帧结束 帧尾部
数据链路层的基本概念－流量控制
• 如何解决重复帧问题
– 使每一个数据帧带上不同的发送序号。每发送一个 新的数据帧就把它的发送序号加 1。 – 若结点 B 收到发送序号相同的数据帧，就表明出 现了重复帧。这时应丢弃重复帧，因为已经收到过 同样的数据帧并且也交给了主机 B。 – 但此时结点 B 还必须向 A 发送确认帧 ACK，因为 B 已经知道 A 还没有收到上一次发过去的确认帧 ACK。
循环冗余检验的原理说明
110101 ← Q (商) P (除数) → 1101 101001000 ← 2nM (被除ห้องสมุดไป่ตู้) 1101 1110 1101 0111 0000 1110 1101 0110 0000 1100 1101 001 ← R (余数)，作为 FCS
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。
仅从数据链路层观察帧的流动
数据链路层的基本原理－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
接收端对收到的每一帧进行 CRC 检 验
• 把收到的每一个帧都除以同样的除数P(模2运算)， 然后检验余数，若余数 R = 0，则判定这个帧没有 差错，就接受(accept)。若余数 R 0，则判定这个 帧有差错，就丢弃。 • CRC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。 • 国际标准：
同轴电缆
绝缘保护套层
外导体屏蔽层
绝缘层
内导体
导向的传输媒体（介质）- 光缆 （光纤）
• 利用光线在光纤中的折射原理（全反射现象）
包层 纤 芯 折射角 包层 （低折射率的媒体） 纤芯 （高折射率的媒体） 入射角 包层 （低折射率的媒体）
导向的传输媒体（介质）- 光缆 （光纤）
• 光纤的工作原理
低折射率 (包层) 高折射率 (纤芯)
物理层的基本概念
• 物理层的基本作用是：要尽可能屏蔽掉传输媒体 （介质）的差异，使物理层上面的数据链路层只 需考虑完成本层的协议和服务而不用考虑网络的 具体传输媒体（介质）是什么。 物理层的主要任务是：利用某种传输介质和通信 技术，以通信接口规程（物理层协议）实现并约 束二进制比特流的传输。 物理层对下列特性进行了描述和规范（书36）
无屏蔽双绞线 UTP
屏蔽双绞线 STP
聚氯乙烯 套层
绝缘层
铜线
聚氯乙烯 屏蔽层 铜线 绝缘层 套层
导向的传输媒体（介质）- 同轴电 缆
• 同轴电缆 (Coaxial Cable)是局域网中应用较为广泛 的一种传输介质。它由内、外两个导体组成，内导 体是单股或多股线，呈圆柱形的外导体通常由编织 线组成并围裹着内导体，内外导体之间使用等间距 的固体绝缘材料来分隔，外导体用塑料外罩保护起 来。
数据链路层的基本概念
• 常常在两个对等的数据链路层之间划出一个数字管道， 而在这条数字管道上传输的数据单位是帧。
结点
帧
帧
结点
• 数据链路层的目的：在两相邻设备（网络节点或端系 统）之间，为多对用户的数据流提供可靠的、 以 ‘帧’为基础的、复用物理层（的二进制位流的）传 输能力的服务。 • 早期的数据通信协议曾叫作通信规程(procedure)。因 此在数据链路层，规程和协议是同义语。
光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射
多模光纤与单模光纤
多模光纤
输入脉冲
输出脉冲
输入脉冲
单模光纤
输出脉冲
非导向的传输媒体（介质）
• 无线电波传输所使用的频段很广。<收音机> • 短波通信（高频通信）主要是靠电离层的反射，但短 波信道的通信质量较差。<对讲机> • 微波通信在空间主要是直线传播。
– 地面微波接力通信（天线塔，50～100km） • 可传输电话、电报、图像、数据 <长途电话> – 卫星通信（人造同步卫星/低轨道卫星） • 一般等距离放置3颗相隔120度的卫星，即可实现全球通信 <GPS/无线移动通信>
从层次上来看数据的流动
数据链路层的基本原理 － 基本模 型
主机 H1 向 H2 发送数据
主机 H1 电话网 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 路由器 R1 局域网 路由器 R2 广域网 路由器 R3 局域网 H2 应用层 运输层 网络层 链路层 物理层 主机 H2
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) 位的数除以事先双方选定好的长度为 (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。 • 模2运算－加法不进位、减法不借位
数据链路层的基本概念－流量控制
• 虽然物理层在传输比特时会出现差错，但由于数据链 路层的ARQ停止等待协议采用了有效的检错重传机制， 数据链路层对上面的网络层就可以提供可靠传输的服 务。 • 超时计时器的作用 – 结点A发送完一个数据帧时，就启动一个超时计时 器(timeout timer)；又称为定时器。 – 若到了超时计时器所设置的重传时间 tout而仍收不 到结点 B 的任何确认帧，则结点 A 就重传前面所 发送的这一数据帧。
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。 < 共k +n位>
用字节填充法解决透明传输的问题
帧开始符
SOH EOT
原始数据
SOH ESC SOH
帧结束符
EOT
字节填充
SOH ESC EOT
字节填充
ESC SOH
字节填充
ESC ESC
字节填充
ESC SOH EOT
发送 在前
经过字节填充后发送的数据
点对点信道的数据链路层－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。
复习提纲（第三章）
• 物理层的基本作用、基本任务、四个基本特性 • 物理层下的传输媒体（介质） – 导向传输媒体（双绞线、同轴电缆、光缆） – 非导向传输媒体（无线电、短波、微波等） • 链路、数据链路的概念 • 数据链路层的目的、特点、基本模型 • 数据链路层的信道通信方式（本章以点对点通信为 主） • 停止等待协议（ARQ协议）的差错重传机制 • 透明传输的概念和解决方法 • CRC检验的基本原理和计算方法 • PPP点对点协议的组成和工作过程
导向的传输媒体（介质）- 双绞线
• 双绞线有多种类型，不同类型的双绞线所提供的带宽各不相同。 例如，在局域网中所使用的双绞线有无屏蔽双绞线 UTP(Unshielded Twisted Pair) 和屏蔽双绞线STP(Shielded Twisted Pair)两类。每一类中又分为若干等级，比如UTP分为 3 类UTP、4 类UTP和 5 类UTP，它们的传输带宽分别为 16 MHz、20 MHz和 100 MHz。
数据链路层的基本概念－流量控制
• 实用的停止等待协议ARQ
A B
A B 出错 送 主 机 送 主 机 tout 重 传 送 主 机 (b) 数据帧出错 重 传 送 主 机 (c) 数据帧丢失 A B 丢 失 ！ A B
tout 重 传
丢 失 ！
送 主 机 丢 弃
时 间
(a) 正常情况
(d) 确认帧丢失
开始 发送 帧首部
用控制字符进行帧定界的方法举例
帧开始符(16进制01)
SOH
帧结束符(16进制04)
EOT
装在帧中的数据部分 帧
发送在前
点对点信道的数据链路层－透明传输
• 当传送的帧是由文本文件（键盘输入的ASCII码）组 成的帧时，其数据部分不会出现SOH和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，因为这样的传输就是透 明传输。 • 当传送的帧的数据部分是非ASCII码（程序或图像 等），情况就不同了，如果数据中的某个字节的二进 制编码正好和SOH或EOT一样，则数据链路层会错误 地“找到帧的边界”，把部分帧收下（误认为是完整 帧），而把剩下的那部分数据丢弃（这部分找不到帧 边界控制字符SOH）。
点对点信道的数据链路层－透明传输
出现了“EOT” 完整的帧 发送 在前 数据部分
SOH EOT EOT
被接收端 误认为是一个帧
被接收端当作无效帧而丢弃
解决透明传输问题
• 字节填充(byte stuffing)或字符填充(character stuffing)的方法 — 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数据当中，那么应在转义字符 前面再插入一个转义字符。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。
1. 2. 3. 4. 机械特性 – 接线器形状、大小、排列等 电气特性 – 电缆线路上的电压变化范围 功能特性 – 某一电平的电压的表示含义 规程特性 – 各种可能事件的出现顺序
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导向的传输媒体（介质）
• 双绞线 – 屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair) – 无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair) • 同轴电缆 – 50 同轴电缆 – 75 同轴电缆 • 光缆（光纤）