03 数据链路层.pptx

第1页：第3章数据链路层章节封面

• 数据链路层信道有两种类型:
• 点对点信道:节点到节点的一对一通信方式
• 广播信道:使用共享的信道广播通信方式
• 点对点方式是传统网络模型考虑的方式
• 广播方式是局域网出现后的新方式

第2页：链路层的基本概念（1）

什么是数据链路？每次通信都需要经过建立通信连接和拆除通信连接两个过程。这种建立起来的数据收发关系就叫做数据链路。简单地讲，数据链路就是终端设备间的数据通道。在进行数据传输过程中，除了必须有一条物理链路连接外，还必须有一些必要的规程或协议来控制数据的传输，把实现这些数据传输规程的物理硬件和软件附加在物理链路上就构成了数据链路。

第3页：链路层的基本概念

• “链路”：物理链路和逻辑链路。物理链路就是用于连通物理设备的实际线路，而逻辑链路则在物理链路上附加必要的通信规程。
• 一条物理链路上，可以由多条逻辑链路共享，因而可以构成多条逻辑链路。

第4页：点对点通信方式及协议

• 链路层位于模型的第二层，其功能是：利用物理层在相邻节点之间传输比特流的功能，为网络层在相邻节点中传输数据帧。
• 利用意味着链路层不必考虑底层物理网络的组成情况，从链路层来看，相邻节点之间传输的是数据帧。

第5页：点对点通信方式及协议

具备封装帧,透明传输,差错检测等功能。数据链路层数据链路层数据包数据包物理层物理层数据帧数据帧网络层

第6页：点对点通信方式及协议

具备封装帧,透明传输,差错检测等功能。数据链路层数据链路层数据包数据包物理层物理层数据帧数据帧网络层物理层如果是中间节点下一个相邻节点之间的传输相邻节点之间的传输

第7页：PPP协议的帧格式

• PPP协议是点到点通信的典型协议，用来说明数据链路层的通信原理
• 数据链路层中数据传送的最小单元是帧，数据以帧的形式传送。
• 帧的概念：一种数据结构
• 物理层，比特流，一串“0”、“1”码
• 比特流用帧的格式进行组织
• 帧的格式：有很多不同的格式，PPP协议帧的格式标志地址控制数据校验码标志FACIFCSF协议P

第8页：F：帧首、帧尾标志，8比特，特定的组合

F

帧首、帧尾标志，8比特，特定的组合：01111110(7E)

A

地址字段，固定为FF，没有实际意义

C

控制字段，固定为03，没有实际意义

P

协议字段，表示I字段是数据包，还是用来建立、配置、测试数据链路的LCP控制数据，或是用于不同网络之间的不同协议信息交换的控制数据，总之，说明I字段的数据意义。

I

如果是来自网络层的数据包，进入数据帧时，需要特殊处理，以保证F标志唯一性PPP协议的帧格式

第9页：特殊处理：如果是同步传输

特殊处理

如果是同步传输，以比特流形式传输，如连续出现5个1，则插入一个0；如果是异步传输，以字节流形式传输，对原有的字节7E，变成7D5E,对原有的字节7D,变成7D5D,对原有的ASCII码控制字符，用7D加上适当变换字符值代替。

FCS

校验码，用于本帧检错。PPP协议发现错误帧，则丢弃该帧，但不会要求源端重传，重传要求由传输层或应用层提出。PPP协议只检错，不纠错。是不可靠传输。这是因为网络质量的提高，使错误发生率大幅降低，省略纠错可提高效率。PPP协议的帧格式

第10页：局域网概述

• 计算机局域网技术在计算机网络中占有非常重要的地位。
• 它具有覆盖的地理范围比较小、数据传输率高、传输延时短、误码率低、属于单一组织拥有等特点。
• 由局域网互连而成的广域网使得人们获取信息的范围更加广阔，得到的服务也日趋便捷。

第11页：局域网概述

局域网产生于二十世纪七十年代，由于微型计算机的发明和迅速流行、计算机应用的迅速普及与技术提高和计算机网络应用的不断深入和扩大，以及人们对信息交流、资源共享和高带宽的迫切需求等因素，直接推动着局域网的发展。

第12页：局域网的拓扑结构

局域网的拓扑结构主要有、环型和星型三种服务器工作站工作站工作站环型服务器工作站工作站工作站中心设备星型服务器工作站工作站工作站工作站总线型

第13页：三种拓扑结构的特点

总线型特征

在网中广播信息，每个工作站几乎可以同时收到每一条信息。总线型的优点是：价格低廉，用户入网灵活，一个站点失效不影响其它站点。

环型特点

信息在环中沿着每个节点单方向传输，数据传输时间确定。

星型特点

系统通过中心节点控制全局，方便了网络的维护和调试。缺点是中心节点失效会导致全网无法工作。

• 总线型、星型网常用于政府、公司、高校等办公环境，环型网常用于工业控制等企业中。

第14页：数据链路层的结构数据链路层逻辑链路控制

数据链路层的结构数据链路层逻辑链路控制(LLC)介质访问控制(MAC)ISO/OSI模型IEEE 802标准ISO/OSI模型数据链路层没有考虑到局域网的这些特点，后来颁布的IEEE 802标准，进行了补充，将数据链路层划分成LLC、MAC两个子层

第15页：局域网的体系结构

• IEEE802参考模型
• 在二十世纪八十年代初期，IEEE802委员会首先制定出局域网的体系结构，即著名的IEEE802参考模型。许多802标准现已成为ISO的国际标准。局域网802参考模型与OSI的模型对比图。应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层传输媒体物理层媒体接入控制MAC逻辑链路控制LLC应用SAPSAPOSI参考模型IEEE802参考模型数据链路层IEEE802参考模型的范围应用

第16页：逻辑链路控制LLC功能

• 为上层提供服务访问点(LLC SAP)
• 两端主机的两个进程利用两端的一对SAP进行通信
• SAP为进程提供网络通信服务
• 一台计算机有多个SAP，所以计算机上的多个进程可以同时进行网络通信。一个SAP一次只能为一个进程提供服务。

第17页：介质访问控制MAC功能

• 发送时，数据装配成帧；接收时，从帧中取出数据。
• 确定介质访问控制方式。

第18页：24位00.0c（12）

• 24位24位0000.0c12. 3456厂家代码序列号ROMRAMMAC地址
• MAC地址固化在网卡的ROM中，任何控制信号只能通过物理地址（硬件地址）找到有关设备
• 在数据帧中使用的地址，包括源地址、目的地址都是MAC地址

第19页：介质访问控制方式

广域网

站点数量庞大，一般用点--点传输方式：两个站点之间建立链路进行数据交换。

局域网

站点数量少，采用广播方式：源站点通过共享传输介质向所有其他站点发数据，只有目的站点接收该数据，其他站点不接收数据。

• 局域网所有站点都有权发送数据，但任一时刻只能有一个站点使用传输介质发送数据。介质访问控制进行公用传输介质管理，是局域网数据链路层的重要功能。

第20页：介质访问控制方式

主要有两种

竞争方式和令牌方式。

竞争方式

常用于总线型网络中。局域网中的每一个站点都有同等的权力使用传输总线，谁抢先占用传输总线，谁就可以发送数据，其他站点必须等待，直到总线空闲才能使用。

令牌方式

局域网中的站点必须持有令牌，才有权使用传输介质，发送数据。令牌：一种特殊的帧，在网络站点中循环游荡，欲发送数据的站点必须先捕捉令牌，不发送数据的站点则将其传给下一个站点。

第21页：介质访问控制方式

• 竞争方式的典型代表是CSMA/CD（载波监听多路访问/碰撞检测）介质访问控制方式
• 工作原理：
• 每个工作站都能探测到总线上是否有数据在传递。要发送数据时，若探测到总线中无数据在发送，就立即发出自己的数据，否则，边探测边等待。
• 一旦有了一个以上的节点同时发出数据（碰撞），转而发送一个强干扰信号，以强化碰撞，目的是让所有的节点都知道发生了碰撞。
• 而后退避一段时间，试着重发。
• 只要有信息在传递，每个工作站都能接收到数据帧，所有工作站对帧中的目的地址字段进行检查，若是发给自己的就接收该帧，否则就忽略该帧。

第22页：以太网及其标准

IEEE802.3标准：描述基于CSMA/CD总线的物理层和介质访问控制子层协议。该标准的基础是20世纪70年代美国施乐（Xeror）公司研制的以太网，经改进后以IEEE802.3标准公布。由于IEEE802.3标准是依以太网而制定的，因此IEEE802.3标准也称以太网标准。

第23页：以太网及其标准

• 1975年，施乐(Xerox)公司研制成功一种基带总线局域网，速度2.94Mb/s，命名为以太网(Ether)
• 1980年，DEC、Intel、Xerox联合提出10Mb/s以太网规约DIX V1
• 1980年又修改为第二版规约：DIX V2。是第一个局域网产品规约
• 1983年IEEE802委员会制定第一个IEEE以太网标准，编号为802.3,，它与DIX V2差别极小，DIXV2与802.3常常混用
• 严格地讲，以太网是指符合DIX V2标准的局域网。

第24页：以太网及其标准

• 以太网是广泛应用的三大局域网之一
• 以太网采用总线型、星型拓扑结构和CSMA/CD协议，具有组网简单、扩展容易、速度快、价格相对便宜的优点，是办公环境组建局域网的首选。缺点是如果网上用户太多，通信冲突加剧，网络速度将大幅度下降

第25页：IEEE 802.3标准（1）

• IEEE 802.3标准规定了下列以太网：10Base-5，10Base-2，10Base-T，10Base-F，10BROAD36等10：速度为10M/s Base：基带传输5，2，36：电缆的最大长度可达500米，200米，3600米。T：中心集线器F：光纤BROAD：宽带传输
• IEEE 802.3标准具体内容就是对这些网络技术参数的具体规定。

第26页：IEEE 802.3标准（2）

• 10Base-5粗同轴电缆以太网，最大长度500米，最大工作站数目100
• 10Base-2细同轴电缆以太网，最大长度200米，最大工作站数目30，价格低廉
• 10Base-T双绞线，采用中心集线器，工作站距集线器最大距离100米

第27页：IEEE 802.3标准（3）

• IEEE802.3标准对以太网所使用的帧结构也进行了规定
• 应用在以太网上的硬件设备必须按照上述格式处理数据帧。

第28页：令牌环网及其标准

• 最有影响的令牌环网是IBM公司的TokenRing。它于70年代研制成功。
• 令牌环网采用环型拓扑结构和令牌方式进行介质访问控制，具有节点访问延迟确定，速度快（16M/s)，大数据量传输环境下效率高等优点。缺点是维护复杂，设备成本高。
• 令牌环网的组建技术要求由IEEE 802.5标准规定，它是由IBM公司制定。

第29页：IEEE 802.5标准

• IEEE 802.5标准规定的拓扑结构和工作方式
• IEEE 802.5标准定义了25种介质访问控制帧

第30页：令牌总线网及其标准

• 令牌总线网（Token Bus），拓扑结构为总线型，介质访问控制采用令牌方式。
• 集中了以太网和令牌环网的优点，组网简单，延迟时间确定，大数据量传输时效率高。缺点，管理复杂。
• 令牌总线网由IEEE 802.4标准规定。

第31页：IEEE 802.4标准

• 令牌总线网工作原理：
• 网络上所有站点依次编号
• 令牌在网络中依编号在各站点中依次传递
• 持令牌的站点才能发数据

第32页：局域网扩展

• 一个单位往往拥有多个局域网，通常需要将这些局域网互连起来，以实现局域网间的通信。
• 常用的局域网扩展方式有集线器扩展、交换机扩展和网桥扩展。

第33页：集线器介绍

• 集线器是一种中心设备，是早期组建以太网的常用设备。
• 由集线器构成的局域网在物理结构上是星型结构，在逻辑上仍然是总线型结构。只是将总线隐藏在集线器内部。
• 集线器一个端口连接一台工作站或另一台集线器
• 在一个端口上发数据，所有的端口都能收到。
• 集线器的端口数有8，12，16，24不等。

第34页：用集线器扩展局域网

• 在办公环境下，工作站往往集中在几个办公室中。
• 在每个办公室中用一台集线器连接所有工作站，再将几台集线器连接起来就共成一个较大的局域网。
• 集线器局域网也存在一些缺陷：多个子级的局域网组成一个大的局域网，其冲突域也相应地扩大到了多个局域网中。在任意时刻仍然只能有一台主机发送数据。

第35页：局域网交换机介绍

• 局域网交换机是以太网中心连接设备，它也有若干个端口，节点通过传输介质接在端口上，组成局域网。整个网络构成一个星型结构。
• 它的工作原理类似于电话交换机，是在交换机中将一对欲通信的节点连接起来。
• 交换式局域网不再是“共享介质”工作方式，它可以实现多对数据并发，避免了碰撞，提高了网络的效率。

第36页：用交换机扩展局域网

一种组合方式

第37页：交换机实现虚拟局域网

不同地域的工作站由交换机连成一个网络

第38页：用网桥扩展局域网

• 网桥：扩展局域网的硬件设备，通常由一台专用计算机担任。
• 网桥把两段局域网连接起来，并把一段局域网上传输过来的正确无误的帧传输到另一段上。
• 网桥只在必要而且可行的情况下才转发帧。网桥连接的局域网可以并行工作。

第39页：网桥工作原理

• 网桥中设置了站表，记录工作站的对应端口
• 网桥检查每一个数据帧的目的地址，以过滤--转发的方式工作
• 过滤：目的工作站与源工作站在同一网络，丢弃帧
• 转发：目的工作站与源工作站不在同一网络，将帧发往目的工作站对应端口

第40页：几种常用的网桥

• 根据站表的形成方法可将网桥分成几类：
• 透明网桥
• 生成树网桥
• 源路由选择网桥

第41页：透明网桥

逆向学习

网桥在发送帧的同时，查看帧的源地址就可知道通过哪个端口可以查找源工作站，信息记录进站表

优点

自动化，勿需人工干预

缺点

若在拓扑结构中产生了回路，引发无限循环（广播风暴），导致网络中大量无效数据帧在网络中作传输，网络效率下降。

• 初始站表为空，网桥采用广播方法发送帧，即向帧来源以外的所有端口转发帧
• 网桥定期地扫描站表，清除时间早于当前时间若干分钟的全部表项，避免站表溢出

第42页：生成树网桥

• 网桥自动生成树结构，避免广播风暴。
• 生成树结构过程：
• 每个网桥首先假设自己是根网桥
• 每个网桥广播自己的产品序列号
• 每个网桥选择产品序列号最小的网桥作为根网桥
• 按照根网桥到每个网桥的最短路径构造生成树
• 按照树结构传送帧，即每个非根网桥将帧传送给根网桥，由根网桥按照树结构传送到目的网桥

第43页：源路由选择网桥

• 发送方事先掌握了发送路径
• 对于发送帧，在目的地址设置标记，并将发送路径加进此帧
• 网桥只处理设置了标记的帧，如果按照路径，此帧确实是发给自己的（路径上有本网桥的编号），则按照路径指示，将帧发往指定的端口；否则丢弃此帧。
• 发送方在发送数据前要广播一个小的发现帧，通过多个发现帧上记录的路径，选择一个最佳的路径，加进数据帧。
• 缺点：查找帧太多，降低了网络的效率。

第44页：高速局域网

• 新技术、新材料、新设备应用于经典局域网，出现了一些新型的高速局域网
• 常见的高速局域网有：快速以太网FDDI网络千兆位以太网

第45页：FDDI网络

拓扑结构

环状，双环，一个正向，一个反向。

传输介质

光纤。提高了信道带宽和传输速度和可靠性。

介质访问控制

多个令牌，多个工作站可同时发送数据。

容错

在线路或节点故障的情况下，自动利用双环构成新环路。

• 在令牌环网的基础上作了改进。
• 主要用于一些局域网络之间的主干网，不再是传统意义下的局域网络。

第46页：FDDI网络（2）

FDDI网络(2)

第47页：快速以太网

• 在经典以太网上作了改进，拓扑结构主要采用星型、树型，以发挥高速中心设备的优势
• 使用高速集线器、高速交换机、新型网卡设备将数据传输率从10M提高到100M。
• 使用多路电缆取代一路电缆。多路电缆含发数据专线、收数据专线（点-点方式），提高了速度。
• 管理软件、应用软件、数据格式均不变。
• 优点：网络升级简单。

第48页：千兆位以太网

• 在经典以太网上作了改进
• 新设备要求数据传输率达到1000M。
• 增加了光纤通道物理层协议，以更好地利用光纤。
• 引入了载波扩展、分组猝发技术。
• 增加点到点专线连接，降低了冲突发生概率。