四，数据链路层

本章介绍的数据链路层分为：

• 点对点信道的数据链路层

• 广播信道的数据链路层 （局域网）

主要内容：

1，数据链路层的点对点信道和广播信道的特点，以及两种信道所使用的协议（PPP协议和CSMA/CD协议）
2，数据链路层的三个基本问题：封装成帧、透明传输和差错检测
3，以太网MAC层的硬件地址
4，适配器、转发器、集线器、网桥、以太网交换机的作用及使用场合

一，数据链路层的基本概念

1，概述

数据链路层：是OSI参考模型中的第二层,介乎于物理层和网络层之间，在物理层所提供的服务的基础上向网络层提供服务。数据链路层的作用是对物理层传输原始比特流的功能的加强。

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。

2 ， 数据链路层的简单模型

网络层协议数据单元是IP数据报（或简为数据报、分组或包）。数据链路层把网络层交下来的数据报构成帧发到链路上，以及把接收到的帧中的数据取出并上交给网络层。

3 链路 VS 数据链路

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。
一条链路只是一条通路的一个组成部分。

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。

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。

二，三个基本问题

• 帧定界

  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什么地方结束。

• 透明传输

  数据链路层传送的比特组合必须是不受限制 的。

• 差错检测

  数据链路层必须有差错检测功能。

1，帧定界（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。

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)。

发送方的数据链路层在帧的前后都各加入事先商定好的标记，使得接收方在收到这个帧后，能根据这种标记识别帧的开始和结束，以及帧里面装入的数据部分的准确位置。

首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界

首部和尾部作用：帧定界，其他一些控制信息。

发送帧时，是从帧首部开始发送。

各种数据链路层协议都对帧的首部和尾部都有明确规定。

为提高帧传送效率，应当使帧的数据部分长度尽可能地大于首部和尾部的长度，但每一种链路层协议都规定了帧数据部分长度上限。这种上限称为最大传送单元MTU（Maximum Transfer Unit）。

用控制字符进行帧定界的方法举例 ：

数据是由可打印ASCII码组成文本时，帧定界可使用特殊的帧定界符。

ASCII码有128个不同的ASCII码，其中可打印的有95个，不可打印的有33个。

ASCII控制字符SOH表示帧首部开始，EOT表示帧的结束。注意SOH的ASCII码为01，而EOT的ASCII码为04。EOT和SOH不是E、O、T和S、O、H字母组合。

帧定界作用：

1）异步传送时，可以确定一个帧的开始和结束。

2）同步传送时，发送方连续地发送数据帧。接收方借助于帧定界符从连续地比特流中找出每一帧的开始和结束位置。

3）短暂出故障情况下，又重新发送情况下，接收方根据帧定界符确定是否接收还是丢弃。

2，透明传输

1）问题

2）解决透明传输问题

用字节填充法解决透明传输的问题 ：

a，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)。

b，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。

c，如果转义字符也出现数据当中，那么应在转义字符前面插入一个转义字符。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。

3差错检测

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)。

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。

使用的检错技术为循环冗余检验CRC（Cyclic Redundancy Check）

CRC 码的基本思想：

a，在信息报文上加上一些检查位，构成一个特定的待传报文，使它能被一个事先约定的多项式（生成多项式）除尽。

b，接收方收到报文后，再用同样的生成多项式去除收到的报文多项式，可以除尽表示传输无误，否则不正确。

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。

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。

例：
现在 k = 6, M = 101001。
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。发送的数据是：2nM + R
即：101001001，共 (k + n) 位。

循环冗余检验的原理说明 ：

接收端对收到的每一帧进行 CRC 检验 ：

a，若得出的余数 R = 0，则判定这个帧没有差错，就接受(accept)。

b， 若余数 R  0，则判定这个帧有差错，就丢弃。

局限性：

这种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。

只要经过严格的挑选，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。

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 的惟一方法。

生成多项式的选择：

生成多项式应该满足以下要求：

a，任何一位发生错误都应使余数不为0

b，不同位发生错误应使余数不同

c，对余数继续作模2除运算应使余数循环

标准CRC生成多项式G（x）：

$CRC-4: G(X)=X^4+X+1$

$CRC-12: G(X)=X^{12}+X^{11}+X^3+X^2+X+1$

$CRC-ANSI: G(X)=X^{16}+X^{15}+X^2+X$

$CRC-CCITT V.41：G(X)= X^{16}+X^{12}+X^5+1$

$CRC-32: G(X)= X^{32}+X^{26}+X^{23}+X^{22}+X^{16}+X^{12}+X^{11}+X^{10}+X^8+X^7+X^5+X^4+X^2+X+1$

CRC校验可以100％地检测出长度小于等于n（n为G（x）的阶数）的突发错误。所以CRC的生成多项式的阶数越高，那么误判的概率就越小。

应当注意 :

仅用循环冗余检验 CRC 差错检测技术只能做到无差错接受(accept)。

“无差错接受”是指：“凡是接受的帧（即不包括丢弃的帧），我们都能以非常接近于 1 的概率认为这些帧在传输过程中没有产生差错”。

也就是说：“凡是接收端数据链路层接受的帧都没有传输差错”（有差错的帧就丢弃而不接受）。
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。

三，PPP协议

Internet中主要的数据链路层协议：

• SLIP （Serial Line IP）
  — 串行线路的Internet数据链路层协议，面向字符，RFC1055

• PPP （ Point-to-Point Protocol）
  — 点-点协议，面向字节，RFC1661

• 通信线路质量较差的年代：HDLC（高级数据链路控制）

1，PPP 协议的特点

PPP协议是IETF在1992年制定的。经过1993年和1994年的修订，现在的PPP协议在1994年就已称为因特网的正式标准。

用户使用拨号电话线接入因特网时，一般都是使用 PPP 协议。

PPP协议是目前广域网上应用最广泛的协议之一，它的优点在于简单、具备用户验证能力、可以解决IP分配等。

用户到 ISP 的链路使用 PPP 协议 ：

2，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 多种网络层协议 必须能够在同一条物理链路上同时支持多种网络层协议（如IP和IPX等）的运行。

• 多种类型链路 能够在多种链路上运行

• 差错检测 必须能够对接收方收到的帧进行检测，并立即丢弃有差错的帧。

• 检测连接状态 能够及时（不超过几分钟）检测出一条链路是处于正常工作状态，还是已经出了故障。

• 最大传送单元 必须对每一种类型的点对点链路设置MTU的标准默认值。

• 网络层地址协商

• 数据压缩协商

3，PPP 协议不需要的功能

• 纠错 ppp协议是不可靠传输协议

• 流量控制

• 序号

• 多点线路

• 半双工或单工链路

4，PPP协议的组成

（1）一个将IP数据报封装到串行链路的方法。PPP既支持异步链路(无奇偶检验的8比特数据)，也支持面向比特的同步链路。IP数据报在PPP帧中就是其信息部分。这个信息部分的长度受最大接收单元MRU (Maximum Receive Unit)的限制。MRU的默认值是1500字节。

（2）一个用来建立、配置和测试数据链路连接的链路控制协议LCP (Link Control Protocol)。通信的双方可协商一些选项。在[RFC 1661]中定义了11种类型的LCP分组。

（3）一套网络控制协议NCP (Network Control Protocol)，其中的每一个协议支持不同的网络层协议，如IP、OSI的网络层、DECnet以及AppleTalk等。

5，PPP协议的帧格式

PPP的帧格式和HDLC的相似，PPP不是面向比特而是面向字节的，因而所有的PPP帧的长度都是整数个字节。

1）各字段的含义

• 标志（flag）：01111110
• 地址（address）：为固定值 “FF”（11111111），点-点协议，地址无意义
• 控制（control）：为固定值“03”（00000011），无编号
• 数据（信息）字段：长度可变，不超过1500字节

• 协议字段定义参见RFC1700，它标识出网络层协议数据域的类型：

  • 0021：信息字段内容为IP数据报
  • C021：信息字段内容为PPP链路控制数据
  • 8021：信息字段内容为网络控制数据

2）字节填充

当PPP使用异步传输时，它把转义符定义为0x7E，并使用字节填充。

字节填充规则：

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。

例：
一个PPP帧的数据部分(用十六进制写出)是7D 5E FE 27 7D 5D 7D 5D 65 7D 5E。试问真正的数据是什么(用十六进制写出)?

答案： 7E FE 27 7D 7D 65 7E

3）零比特填充

当PPP用在同步传输链路（SONET/SDH）时，采用硬件来完成零比特填充(和HDLC的做法一样)。

零比特填充规则：

a，数据中某一段比特组合恰好出现和 F 字段一样的情况

b，发送端在 5 个连 1 之后填入 0 比特再发送出去

c，在接收端将 5 个连 1 之后的 0 比特删除，恢复原样

6，PPP协议的工作状态

PPP 协议的三个工作阶段：

1）LCP协商PPP参数，建立数据连接

2）用户验证，客户端会将自己的身份发送给远端的接入服务器。在认证完成之前，禁止从认证阶段前进到网络层协议阶段。如果认证失败，认证者应该跃迁到链路终止阶段。

3）调用网络层协议 ，认证阶段完成之后，PPP将调用在链路创建阶段（阶段1）选定的各种网络控制协议（NCP）。选定的NCP解决PPP链路之上的高层协议问题，例如，在该阶段IP控制协议（IPCP）可以向拨入用户分配动态地址。

PPP 协议的状态图 ：

6，PPP协议的应用

家庭拨号上网就是通过PPP在用户端和运营商的接入服务器之间建立通信链路。

目前，宽带接入正在成为取代拨号上网的趋势，在宽带接入技术日新月异的今天，PPP也衍生出新的应用。典型的应用是在ADSL接入方式当中，PPP与其他的协议共同派生出了符合宽带接入要求的新的协议，如PPPoE（PPP over Ethernet），PPPoA（PPP over ATM）。

四，HDLC协议

1、产生背景

对于有误码的物理链路，加上合适的控制规程，可以使通信变的可靠。

2，数据链路层协议分类

3，HDLC数据链路的配置

HDLC协议中定义了三种类型的站、两种链路结构和三种数据传送操作方式

1）三种类型栈

• 主站在通信过程中负责对数据链路实行全面的管理.包括发起传输,组织数据流,执行链路级差错控制与恢复等,主动发出的帧称为命令(Command).

• 次站则受控于主站,它只能按照主站的命令招待相应的操作,次站发出的帧称为响应(Response).接受命令，发出响应，配合主站工作

• 复合站是指具有主站和次站双重功能的站.两个复合站之间可以完全对等地进行通信,即:复合站具有平衡的链路控制能力.

2）两种链路结构

a，非平衡配置 点 - 点或点- 多点线路，支持全双工和半双工

b，平衡配置 仅点 - 点线路，支持全双工和半双工

3）三种数据传送方式

a，正常响应方式NRM：用于非平衡配置，数据传输由主站发起，从站只能响应主站的轮询

b，异步响应方式ARM：用于非平衡配置，从站可以主动发送响应帧，主站负责线路管理

c，异步平衡方式ABM：用于平衡配置，任一复合站都可以发起数据传输（每个复合站都可以平等地发起数据传输，而不需要得到对方复合站的许可）

4）HDLC的帧结构

• 标识字段F（flag） ：固定格式— 01111110 作用— 帧同步

• 数据传输的透明性：0 比特插入与删除

• 地址字段A（address）：非平衡方式，从站地址；平衡方式，响应站地址
  全1广播，全0无效，可以扩展

• 信息字段I（information）：网络层数据，Nmax = 256B

• 帧检验序列FCS ：校验A、C、I字段的数据，采用CRC-CCITT

  $G(X)= X^16+X^12+X^5+1$

• 控制字段C（control） ：帧的类型、帧的编号、命令与控制信息

5）对于控制字段C

I 信息帧

1， 序号N(S)和N(R)以3位表示，模8循环，N(R)表示准备接收的最低帧序号，确认序号在其前面的帧都已正确接收（捎带应答）

2， 扩展方式，序号N(S)和N(R)以7位表示，模128循环，用于卫星链路，此时控制字段占16位

S监督帧

U无编号帧

用于提供无连接数据传输的链路控制功能。如设置工作方式，拆除链路。它无N(S)和N(R)字段,而是用5bit(第3,4,6,7,8比特)来表示不同功能的无编号帧.理论上应有25=32种U帧，但实际上只定义了15种无编号帧.如DISC表示断开连接等。

P/F位