计算机网络—第3章 数据链路层
第3章数据链路层-1
g1
g2
gr-1
R0
R1
Rr-1
信息输入端
图3.5 CRC码的编码电路
码字输出端 输出开关
3.2 差错检测与校正（续）
常用的检错码 ----循环冗余码
大于r+1的突发错误
• 若具体取r=16，则能检测出所有双错、奇数位错、突 发长度小于等于16的突发错以及1-2-15（约为99.997%） 的突发长度为17的突发错和1-2-16（约为99.998%）的
突发长度大于等于18的突发错
3.2 差错检测与校正（续）
常用的检错码 ----循环冗余码
除以G（x）的运算易于用移位寄存器和半 加器来实现
3.2 差错检测与校正（续）
传输差错的特性
➢ 噪声分类：
• 信道所固有的，持续存在的随机热噪声 • 由于外界特定的短暂原因所造成的冲击噪声
➢ 噪声比较：
• 随机错通常较少 • 冲击噪声的幅度可以相当大 ，它是传输中产生差错
的重要原因
3.2 差错检测与校正（续）
传输差错的特性
➢ 衡量一个信道质量的重要参数是误码率：
*是要求同学了解的，这些内容在本电子教案中并未讲解而是要求同学自己阅读教材。
3.1 数据链路层的功能
➢ 基本功能：
• 将物理层提供的原始的传送比特流的可能出错的物理连 接改造成为逻辑上无差错的数据链路
• 最基本的服务就是将源机器网络层来的数据可靠地传输 到相邻节点的目标机网络层
• 要完成许多特定的功能 ☆ 主要有如何将比特组合成帧（frame）； ☆ 处理传输中出现的差错； ☆ 调节发送方的发送速率不至于使较慢的接收方不能 承受，以及数据链路层连接的建立、维持和释放， 称之为链路管理。
计算机网络课后习题答案(第三章)
计算机网络课后习题答案（第三章）(2009-12-14 18:16:22)转载▼标签：课程-计算机教育第三章数据链路层3-01 数据链路(即逻辑链路)与链路(即物理链路)有何区别? “电路接通了”与”数据链路接通了”的区别何在?答：数据链路与链路的区别在于数据链路出链路外，还必须有一些必要的规程来控制数据的传输，因此，数据链路比链路多了实现通信规程所需要的硬件和软件。
“电路接通了”表示链路两端的结点交换机已经开机，物理连接已经能够传送比特流了，但是，数据传输并不可靠，在物理连接基础上，再建立数据链路连接，才是“数据链路接通了”，此后，由于数据链路连接具有检测、确认和重传功能，才使不太可靠的物理链路变成可靠的数据链路，进行可靠的数据传输当数据链路断开连接时，物理电路连接不一定跟着断开连接。
3-02 数据链路层中的链路控制包括哪些功能?试讨论数据链路层做成可靠的链路层有哪些优点和缺点.答：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寻址可靠的链路层的优点和缺点取决于所应用的环境：对于干扰严重的信道，可靠的链路层可以将重传范围约束在局部链路，防止全网络的传输效率受损；对于优质信道，采用可靠的链路层会增大资源开销，影响传输效率。
3-03 网络适配器的作用是什么?网络适配器工作在哪一层?答：适配器（即网卡）来实现数据链路层和物理层这两层的协议的硬件和软件网络适配器工作在TCP/IP协议中的网络接口层（OSI中的数据链里层和物理层）3-04 数据链路层的三个基本问题(帧定界、透明传输和差错检测)为什么都必须加以解决？答：帧定界是分组交换的必然要求透明传输避免消息符号与帧定界符号相混淆差错检测防止合差错的无效数据帧浪费后续路由上的传输和处理资源3-05 如果在数据链路层不进行帧定界，会发生什么问题？答：无法区分分组与分组无法确定分组的控制域和数据域无法将差错更正的范围限定在确切的局部3-06 PPP协议的主要特点是什么？为什么PPP不使用帧的编号？PPP适用于什么情况？为什么PPP协议不能使数据链路层实现可靠传输？答：简单，提供不可靠的数据报服务，检错，无纠错不使用序号和确认机制地址字段A 只置为0xFF。
《计算机网络（第7版）谢希仁著》第三章数据链路层要点及习题总结
《计算机⽹络（第7版）谢希仁著》第三章数据链路层要点及习题总结1.数据链路层的三个基本问题：封装成帧，透明传输，差错检测2.点对点信道的数据链路层 （1）链路和数据链路 链路（物理链路）：链路（link）就是从⼀个结点到相邻结点的⼀段物理线路（有线或⽆线〉，⽽中间没有任何其他的交换结点 数据链路（逻辑链路）：为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，换⽽⾔之，数据链路=链路+通信协议 （2）早期的数据通信协议叫通信规程 （3）数据链路层的协议数据单元-------帧 （4）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，这样就构成了⼀个帧。
⼀个帧的帧长等于帧的数据部分长度加上帧⾸部和帧尾部的长度。
⾸部和尾部的⼀个重要作⽤就是进⾏帧定界（即确定帧的界限），为了提⾼帧的传输效率，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。
但是，每⼀种链路层协议都规定了所能传送的帧的数据部分长度上限⼀⼀最⼤传送单元 MTU (Maximum Transfer Unit），当数据是由可打印的 ASCII 码组成的⽂本⽂件时，帧定界可以使⽤特殊的帧定界符（如SOH和EOT）。
SOH：Start Of Header EOT：End Of Transmission （5）透明传输：所传输的数据中的任何 8 ⽐特的组合⼀定不允许和⽤作帧定界的控制字符的⽐特编码⼀样，⽆论什么样的⽐特组合的数据，都能够按照原样没有差错地通过这个数据链路层。
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，⼆进制是 00011011 ）。
⽽在接收端的数据链路层在把数据送往⽹络层之前删除这个插⼊的转义字符。
这种⽅法称为字节填充或字符填充。
如果转义字符也出现在数据当中，那么解决⽅法仍然是在转义字符的前⾯插⼊⼀个转义字符。
计算机网络第五版课件(谢希仁编著)第三章 数据链路层
Note
Byte stuffing is the process of adding 1 extra byte whenever there is a flag or escape character in the text.
课件制作人：谢希仁
Figure 11.2 Byte stuffing and unstuffing
计算机网络（第 5 版）
第 3 章 数据链路层
课件制作人：谢希仁
第 3 章 数据链路层
3.1 使用点对点信道的数据链路层 3.1.1 数据链路和帧 3.1.2 三个基本问题 3.2 点对点协议 PPP 3.2.1 PPP 协议的特点 3.2.2 PPP 协议的帧格式 3.2.3 PPP 协议的工作状态
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
课件制作人：谢希仁
3.1 使用点对点信道的数据链路层
3.1.1 数据链路和帧
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。
被接收端 被接收端当作无效帧而丢弃 误认为是一个帧 如果数据中的某个字节的二进制代码恰好和SOH或EOT控制 字符一样，则数据链路层会错误地找到帧的边界，只把部分 帧手下，剩下的丢弃。
以上的传输就不是透明传输，需要解决
课件制作人：谢希仁
解决透明传输问题
计算机网络 第三章 数据链路层
3.4 使用广播信道的以太网 3.4.1 使用集线器的星形拓扑 3.4.2 以太网的 MAC 层
第 3 章 数据链路层（续）
3.5 扩展的以太网 3.5.1 在物理层扩展以太网 3.5.2 在数据链路层扩展以太网
数据链路层像个数字管道
常常在两个对等的数据链路层之间画出 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
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。
3.1.2 三个基本问题
(1) 封装成帧 (2) 透明传输 (3) 差错控制
计算机网络
第 3 章 数据链路层
第 3 章 数据链路层
3.1 使用点对点信道的数据链路层 3.1.1 数据链路和帧 3.1.2 三个基本问题
3.2 点对点协议 PPP 3.2.1 PPP 协议的主要特点 3.2.2 PPP 协议的帧格式 3.2.3 PPP 协议的工作状态
第 3 章 数据链路层（续）
逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control) 子层
媒体接入控制 MAC (Medium Access Control) 子层。
与接入到传输媒体有关的内容都放在 MAC 子层，而 LLC 子层则与传输媒体无关， 不管采用何种协议的局域网对 LLC 子层 来说都是透明的
零比特填充
PPP 协议用在 SONET/SDH 链路时，是使用同步 传输（一连串的比特连续传送）。这时 PPP 协 议采用零比特填充方法来实现透明传输。
在发送端，只要发现有 5 个连续 1，则立即填 入一个 0。接收端对帧中的比特流进行扫描。每 当发现 5 个连续1时，就把这 5 个连续 1 后的 一个 0 删除，
第三章数据链路层
定义：在星形拓扑中， 每个设备只与中心控 制器有点到点专用链 路。设备并不互相连 接。中心控制器通常 为集线器Hub。 HUB是一个共享设备，主要提供信号放大和中转 的功能，它把一个端口接收的所有信号向所有端 口分发出去。一些集线器在分发之前将弱信号加 强后重新发出，一些集线器则排列信号的时序以 提供所有端口间的同步数据通信。
连接中设备间相互关系：
对等式：设备平等地共享链路。如环形、 网状拓扑。
主从式：由一个设备控制通话而其他设备 必须通过它进行传输。如星形、树形拓扑。 总线式拓扑适合于任意一种模式。
1、Mesh Topology（网状拓扑） 定义：在网状拓扑中，设备之间实现点对点连接， 每条链路只承载所连接的两站点之 间的通信流量。
CRC是基于二进制除法的。 定义
CRC是通过在数据单元末尾附加一串循环冗余码 或循环冗余校验余数使得整个数据单元可被另一个预 定二进制数(生成函数)所整除。在传输终点，用同一 个数去除输入的数据单元。如果此时不产生余数，则 认为数据单元完全正确，接受该数据单元。有余数则 意味着该数据单元在传输过程中被破坏而拒绝该数据 单元。
余数为0， 所以码字正确。
② 因生成码共5位，所以： 冗余码有4பைடு நூலகம்，为1001 ；
信息码是：110011。
注意：
循环冗余校验CRC只能做到差错检测而不能进行 差错纠错。 循环冗余校验CRC只能做到无差错接受，即“凡 是接收端数据链路层接受的帧，都以非常接近于1的 概率认为这些帧在传输过程中没有产生差错”。 但要使传输到接收端的帧无差错、无丢失、无重 复，按发送顺序接受，就必须加上确认和重传机制。
到达接收方的数据单元首先是数据，然后是 CRC码，接收方将整个数据串(数据+CRC码)当作 一个整体去除以用来产生CRC码的同一个除数。 如果数据串无差错到达接收方，则产生余数0， 数据单元将通过校验；如果在传输中数据单元被改 变，则除法将产生非零余数，数据单元将不能通过 校验。
数据通信与计算机网络第五版（习题答案）——第三章数据链路层
数据通信与计算机网络第五版第三章数据链路层3-1 数据链路（即逻辑链路）与链路（即物理链路）有何区别？“电路接通了”与“数据链路接通了”的区别何在？解答：所谓链路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。
数据链路则是另一个概念。
这是因为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（这将在后面几节讨论）。
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。
这样的数据链路就不再是简单的物理链路而是个逻辑链路了。
“电路接通了”仅仅是物理线路接通了通信双方可以在上面发送和接收0/1比特了，而“数据链路接通了”表明在该物理线路接通的基础上通信双方的数据链路层协议实体已达成了一致并做好了在该链路上发送和接收数据帧的准备（可能互相要协商某些数据链路层参数）。
3-2 数据链路层包括哪些主要功能？试讨论数据链路层做成可靠的链路层有哪些优点和缺点。
解答：数据链路层的链路控制的主要功能包括：封装成帧、透明传输和差错检测，可选功能包括可靠传输、流量控制等。
在数据链路层实现可靠传输的优点是通过点到点的差错检测和重传能及时纠正相邻结点间传输数据的差错。
若在数据链路层不实现可靠传输由高层如运输层通过端到端的差错检测和重传来纠正这些差错会产生很大的重传时延。
但是在数据链路层实现可靠传输并不能保证端到端数据传输的可靠，如由于网络拥塞导致路由器丢弃分组等。
因此，即使数据链路层是可靠的，在高层如运输层仍然有必要实现端到端可靠传输。
如果相邻结点间传输数据的差错率非常低，则在数据链路层重复实现可靠传输就会给各结点增加过多不必要的负担。
3-3 网络适配器的作用是什么？网络适配器工作在哪一层？解答：网络适配器的作用就是实现数据链路层和物理层的功能。
适配器接收和发送各种帧时不使用计算机的CPU 。
计算机网络课后习题答案解析(第三章)
计算机网络课后习题答案（第三章）(2009-12-14 18:16:22)转载▼标签：课程-计算机教育第三章数据链路层3-01 数据链路(即逻辑链路)与链路(即物理链路)有何区别? “电路接通了”与”数据链路接通了”的区别何在?答：数据链路与链路的区别在于数据链路出链路外，还必须有一些必要的规程来控制数据的传输，因此，数据链路比链路多了实现通信规程所需要的硬件和软件。
“电路接通了”表示链路两端的结点交换机已经开机，物理连接已经能够传送比特流了，但是，数据传输并不可靠，在物理连接基础上，再建立数据链路连接，才是“数据链路接通了”，此后，由于数据链路连接具有检测、确认和重传功能，才使不太可靠的物理链路变成可靠的数据链路，进行可靠的数据传输当数据链路断开连接时，物理电路连接不一定跟着断开连接。
3-02 数据链路层中的链路控制包括哪些功能?试讨论数据链路层做成可靠的链路层有哪些优点和缺点.答：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寻址可靠的链路层的优点和缺点取决于所应用的环境：对于干扰严重的信道，可靠的链路层可以将重传范围约束在局部链路，防止全网络的传输效率受损；对于优质信道，采用可靠的链路层会增大资源开销，影响传输效率。
3-03 网络适配器的作用是什么?网络适配器工作在哪一层?答：适配器（即网卡）来实现数据链路层和物理层这两层的协议的硬件和软件网络适配器工作在TCP/IP协议中的网络接口层（OSI中的数据链里层和物理层）3-04 数据链路层的三个基本问题(帧定界、透明传输和差错检测)为什么都必须加以解决？答：帧定界是分组交换的必然要求透明传输避免消息符号与帧定界符号相混淆差错检测防止合差错的无效数据帧浪费后续路由上的传输和处理资源3-05 如果在数据链路层不进行帧定界，会发生什么问题？答：无法区分分组与分组无法确定分组的控制域和数据域无法将差错更正的范围限定在确切的局部3-06 PPP协议的主要特点是什么？为什么PPP不使用帧的编号？PPP适用于什么情况？为什么PPP协议不能使数据链路层实现可靠传输？答：简单，提供不可靠的数据报服务，检错，无纠错不使用序号和确认机制地址字段A 只置为0xFF。
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数据链路层的简单模型
主机 H1 向 H2 发送数据
路由器 R1 电话网 局域网 路由器 R2 广域网 路由器 R3 局域网 H2 应用层 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 运输层 网络层 链路层 物理层 主机 H2
从层次上来看数据的流动
仅从数据链路层观察帧的流动
用控制字符进行帧定界的方法举例
帧开始符
SOH SOH
帧结束符 装在帧中的数据部分 帧
EOT EOT
发送在前 帧尾部
第3章 数据链路层—曹来成
10
3.1.2.2 透明传输
出现了“EOT” 完整的帧 发送 在前 数据部分
SOH SOH EOT EOT EOT
解决透明传输问题
字节填充(byte stuffing)或字符填充(character stuffing) ① 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)。 ② 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。
(a) 接收 帧
结点 B
3.1.2.1 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。 • 首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定 界。 IP 数据报 帧开始 帧结束
开始 发送 帧首部 帧的数据部分 MTU 数据链路层的帧长
2011/8/23 第3章 数据链路层—曹来成 9 2011/8/23
工作原理：
多项式除法，将余式作为冗余信息传 送。
2011/8/23 第3章 数据链路层—曹来成 19 2011/8/23 第3章 数据链路层—曹来成 20
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 H1 应用层 运输层 网络层 链路层 物理层 主机 H2 主机 H1
2011/8/23 第3章 数据链路层—曹来成 6
3.1 使用点对点信道的数据链路层 3.2 点对点协议PPP 3.3 使用广播信道的数据链路层 3.4 使用广播信道的以太网 3.5 扩展的以太网 3.6 高速以太网 3.7 虚拟局域网的工作原理
2011/8/23 第3章 数据链路层—曹来成 5
1
数据链路层传送的是帧
2011/8/23 第3章 数据链路层—曹来成 12
被接收端 误认为是一个帧
被接收端当作无效帧而丢弃
2011/8/23
第3章 数据链路层—曹来成
11
2
③ 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。 ④ 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。
SOH SOH
数据链路层使用的信道主要有两种类型：
① 点对点信道： • 这种信道使用一对一的点对点通信方式。 ② 广播信道： • 这种信道使用一对多的广播通信方式。 • 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。
2011/8/23 第3章 数据链路层—曹来成 2
数据链路层的简单模型
2011/8/23
第3章 数据链路层—曹来成
3
2011/8/23
第3章 数据链路层—曹来成
4
内
5 应用层 4 运输层 3 网络层 2 数据链路层 1 物理层
容
3.1 使用点对点信道的数据链路层 3.1.1 数据链路和帧
• 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。 • 数据链路(data link)：把实现控制数据传输的 通信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：是使用适配器（即网卡）来 实现这些协议的硬件和软件。
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Байду номын сангаас
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第3章 数据链路层—曹来成
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1. 差错的衡量 差错由误码率来衡量：
• 误码率定义： 二进制比特在数据传输系统中被传错的概 率，它在数值上近似等于：
2. 差错校验
发送端 对传送的数据信息加上与其满足一定关系的 冗余码，形成一个加强的、符合一定规律 冗余码，形成一个加强的、符合一定规律 的发送序列。 接收端 利用相同的规律进行检查从而发现错误，所 加入的冗余码称校验码 。 加入的冗余码称校验码。
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第3章 数据链路层—曹来成
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3.1.2.3 差错检测
在原始物理传输线路上传输数据信号是有差 错的。 物理信道中存在各类噪声，噪声会引起数据 传输中的错误。 热噪声→随机差错(传输媒体的电子热运动 产生)。 冲击噪声→突发差错(电磁干扰等)。
2011/8/23 第3章 数据链路层—曹来成 15 2011/8/23
用字节填充法解决透明传输的问题
帧开始符
SOH SOH EOT
原始数据
SOH ESC SOH SOH
帧结束符
EOT EOT
字节填充
ESC EOT
字节填充
ESC SOH
字节填充
ESC ESC
字节填充
ESC SOH SOH EOT EOT
发送 在前
经过字节填充后发送的数据
2011/8/23
第3章 数据链路层—曹来成
结点 A 网络层 数据 链路层 物理层 帧
1010… …0110
3.1.2 三个基本问题
结点 B IP IP 数据报 数据报 取出
IP IP 数据报 数据报 装入 帧
1. 封装成帧 2. 透明传输 3. 差错控制
1010… …0110
链路 结点 A 数据 链路层 发送 帧 链路 (b)
2011/8/23 第3章 数据链路层—曹来成 7 2011/8/23 第3章 数据链路层—曹来成 8
2011/8/23 第3章 数据链路层—曹来成 18
Pe = Ne/N
其中，N为传输的二进制比特总数。 Ne为被传错的比特数。
误码率越低，信道的传输质量越高。
2011/8/23 第3章 数据链路层—曹来成 17
3
循环冗余校验的原理
CRC的工作原理 CRC的工作原理
循环冗余校验
英文全称为Cyclic Redundancy Check , 简称CRC。