本章教学内容： 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

计算机工程学院伍俊明 1

本章教学内容： 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 其他类型的高速局域网或接口

第 3 章数据链路层


本章重点数据链路层的基本功能差错控制 CSMA/CD 协议局域网扩展方法



思考题：数据链路层位于 OSI/RM 的第几层？它的主要

功能是什么 ? 物理层完成数据的比特流传输，那么链路层如

何组装或识别数据帧的？物理介质在传输数据时是否会产生误码现象？

如何发现和解决误码问题 ? 你听说或了解哪些局域网协议？就你所知，局

域网扩展的常用设备有哪些方法？



第 3 章数据链路层数据链路层使用的信道点对点信道广播信道

数据链路层需要解决的主要问题数据成帧透明传输流量控制差错控制链路管理


第 3 章数据链路层数据链路层的地位

主机 H1 向主机 H2 发送数据的过程

局域网广域网主机 H1 主机 H2

路由器 R1 路由器 R2

路由器 R3

电话网局域网

链路层

应用层运输层网络层

物理层链路层


物理层链路层网络层



物理层

R1 R2 R3

H1 H2从层次上来看数据的流动



局域网广域网主机 H1 主机 H2

路由器 R1 路由器 R2

路由器 R3

电话网局域网

链路层


物理层链路层





物理层

R1 R2 R3

H1 H2仅从数据链路层观察帧的流动

帧帧帧帧

数据链路层的数据流动主机 H1 向主机 H2 发送数据的过程


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：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。数据链路：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——物理链路 + 网络适配器。网络适配器：用来实现这些协议的硬件和软件，一

般都包括了数据链路层和物理层两层的功能。数据帧：链路层使用的协议数据单元


3.1 使用点对点信道的数据链路层数据链路层的通信模型

结点 A 结点 B帧帧

IP 数据报IP 数据报

1010… …0110

帧取出数据

链路层

网络层

链路

结点 A 结点 B

物理层


1010… …0110

帧装入

数据链路层

发送接收

链路


3.1 使用点对点信道的数据链路层数据链路层的通信模型（ 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。（ 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。


3.1 使用点对点信道的数据链路层

3.1.2 数据链路层的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从什么地方结束。透明传输：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。差错检测：数据链路层必须有差错检测功能


3.1 使用点对点信道的数据链路层（ 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) 。

帧结束

帧首部帧首部


帧的数据部分帧的数据部分帧尾部帧尾部

MTU

数据链路层的帧长

开始发送

帧开始


3.1 使用点对点信道的数据链路层用控制字符进行帧定界

SOHSOH 装在帧中的数据部分装在帧中的数据部分

帧

帧开始符帧结束符

发送在前

EOTEOT

SOH （ 01H ）： Start Of HeaderEOT （ 04H ）： End Of Transmission


3.1 使用点对点信道的数据链路层帧定界的方法字符计数法：在帧头中用一个域来表示整个帧的字

符个数。缺点：若计数出错，对本帧和后面的帧有影响。

5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 8 0 1 2 3 4 5 6 8 7 8 9 0 1 2 3

字符计数

帧 1# 帧 2# 帧 3# 帧 4#

5 1 2 3 4 7 6 7 8 9 8 0 1 2 3 4 5 6 8 7 8 9 0 1 2 3

帧 1# 帧 2# 一个字符计数

无差错

有差错


3.1 使用点对点信道的数据链路层帧定界的方法带字符填充的首尾字符定界法

起始字符 DLE STX ，结束字符 DLE ETX

字符填充：发送方在每个 DLE 字符数据前插入一个DLE

缺点：局限于 8 位字符和 ASCII 字符传送。A DLE B

DLE STX A DLE B DLE ETXDLE

填充的DLEDLE STX A DLE B DLE ETX

发送数据填充数据

接收数据


3.1 使用点对点信道的数据链路层带位填充的首尾标记定界法帧的起始和结束都用一个特殊的位串“ 0111111

0” 位填充：成帧时，数据中每连续 5 个 1 后插入 1

个 0（ a) 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0

（ b) 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 1 0

填充的位

（ c) 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0

原始数据

线上数据

接收后数据


3.1 使用点对点信道的数据链路层(2) 透明传输

数据中出现“ SOH” 和“ EOT”等控制符，怎么办？—转义，字节填充，位填充

SOHSOH EOT

出现了“ EOT”

被接收端当作无效帧而丢弃被接收端误认为是一个帧

数据部分

EOTEOT

完整的帧发送在前


3.1 使用点对点信道的数据链路层用字节填充法解决透明传输问题

SOHSOH

SOHSOH EOT SOHSOHESC

ESC EOT ESC SOH ESC ESC ESC SOHSOH

原始数据

EOTEOT

EOTEOT

经过字节填充后发送的数据

字节填充字节填充字节填充字节填充

发送在前

帧开始符帧结束符

SOH


3.1 使用点对点信道的数据链路层（ 3 ）差错检测

误码率：在一定的时间内，传输错误的比特占所传输的比特总数的比率称为误码率 BER (Bit Error Rate)为进行检测错误常添加冗余码，构成帧检验序列FCS（ Frame Check Sequence）。差错处理的两种策略使用纠错码：发送方在每个数据块中加入足够的冗余信息，使得接收方能够判断接收到的数据是否有错，并能纠正错误。

使用检错码：发送方在每个数据块中加入足够的冗余信息，使得接收方能够判断接收到的数据是否有错，但不能判断哪里有错。——循环冗余检验码 CRC


3.1 使用点对点信道的数据链路层循环冗余码 CRC 应用举例原始数据： 1101011011 （ m=10, M(x) ）生成多项式： 10011 ，即 G(x) = x4 + x +

1 （ r=4 ）以 2为模的除法：求余数 [11010110110000 / 10011 ]= 1110 发送帧 11010110111110 （以 2为模的减法）接收方检测：余数 [ 11010110111110 / 10011 ] = 0——正确！

加 r=4 个 0


3.1 使用点对点信道的数据链路层CRC 码的计算与发送序列

110101101100001100001010

除数 G(x)100111001110011

1011010011

1010010011

余数 1110

被除数 M(x) X

r

10011

发送序列： 11010110111110


3.1 使用点对点信道的数据链路层接收方检测所收到的数据正确性

110000101010011 11010110111110 10011 10011 10011 10111 10011 10011 10011 0

除数 G(x) 被除数 T(x)

余数正确！


3.1 使用点对点信道的数据链路层接收方检测到余数为 0 ，不一定没有出现差错！因为存在某种非常特殊的比特差错组合，非常碰巧地使余数 R=0 。国际标准中的 G(x) CRC-12=x12+x11+x3+x2+x1+1 CRC16= x16+x15+x2+1 CRC-CCITT=x16+x12+x5+1 CRC-32=X32+X26+X23+X22+X16+X12

+X11+X10+X8+X7+X5+X4+X2+X+1


3.1 使用点对点信道的数据链路层CRC只能实现无差错接受，不能使数据链路层变成具有“可靠传输”的功能。要把数据链路层做成是可靠传输的，必须在CRC 检错的基础上，增加了确认和重传机制。——在高质量通信系统中效率降低！因特网上，如果在数据链路层传输数据时出现了差错，并且需要进行改正的话，改正差错的任务就由运输层的 TCP 协议来完成。实践证明，这样做可以使整个通信效率大大提高。


补充 1 ：基本链路层协议——停止等待协议

自动重复请求（ ARQ ）是应用最广泛的一种差错控制技术，它包括对无错接收的 PDU 的肯定确认和对未确认的 PDU的自动重传。ARQ 是以下列条件为前提的：一个单独的发送端向一个单独的接收端发送信息接收端能够向发送端返回确认。信息帧和确认帧都包含检错码。发生了错误的信息帧和确认帧将被忽略和丢弃。

ARQ 主要有三个标准的版本。停止等待式 ARQ 连续 ARQ 选择重传 ARQ



一、完全理想化的数据通信——无需停等无限制的单工通信两个主机通信时，发送方进程将应用数据从高层逐层向下传，

接收方从低层逐层向上传。发送方和接收方分别设有发送缓存和接收缓存。

完全理想化的数据传输，有两个假设链路永远不会出错；接收方的缓存无限大

AP1主机A

缓存

AP1主机B

缓存帧帧

数据链路

数据链路层

高层



二、具有简单流量控制的数据链路层协议条件假设：链路永远不会出错；接收方的缓存是有限的

流量控制：为了使接收方的接收缓存在任何情况下都不会溢出，发送方每发一个帧就暂停下来，等待接收方接收完毕并传来确认帧后再发送下一帧。——接收方控制发送方的数据流是网络中流量控制有一个基本方法。

发送方 0 1 2 3

0 1 2 3接收方

ACK ACK ACK



三、实用的停止等待协议实际假设：接收方的接收缓存是有限的传输信道存在噪音，可能会产生误码

流量控制：发送方每发送一个数据帧后就暂停，并等待接收方发来的确认帧 ACK 。差错控制：如果数据传输过程中可能产生差错，接收方会因此发来否认帧 NAK ，因此发送方在未收到确认帧之前需在缓存中保存所有已发送的数据帧。

接收方每收到一个数据帧时需进行差错检验，如无错则发送一个确认帧 ACK ；如发现有错则发送一个否认帧NAK ，通知发送方重新发送。



数据帧在链路上传输的几种情形

Data 0

ACK

Data 1

ACK

正常情况

Data 0

NAK

Data 0

ACK

数据帧出错

出错Data 0

Data 0

ACK

数据帧丢失

丢失

Tout

Data 0

Data 0

ACK

确认帧丢失

Tout ACK

丢失

时间



新问题：如通信线路质量太差，或受到严重干扰，数据帧会

出错，怎么办？——使用确认帧。数据帧可能会丢失，确认帧也会出错划丢失，怎么办？——超时重传。超时值时间略大于从发完数据帧到收到确认帧所需的平均时间。

若确认帧丢失，发送方在超时时限内未收到确认帧，将会重发数据帧，接收方就会收到两个相同的数据帧，出现重复帧现象，怎么办？——给帧加上编号以进行区分。



差错控制需要解决的问题保证不丢帧保证不乱序

差错控制手段接收方回送确认控制帧用计时器确定帧丢失情况用帧的编号识别重复帧情况

差错出现的特点：随机，连续突发（ burst ）—— CRC



数据帧和确认帧的发送时间关系A B

DATA

DATA

ACK

传播时延 tp

处理时间 tpr确认帧发送时间 ta传播时延 tp处理时间 tpr

tT

时间

两个成功发送的数据帧之间的最小时间间隔

数据帧的发送时间 tf

设置的重传时间

tout

tout = tp + tpr+ ta + tp + tpr≥2 tp



简单单工 / 半双工协议比较协议 1完成数据链路层协议的基本功能

发送方将网络层的分组封装成帧，交物理层发送；接收方从物理层的接收帧抽取分组，交网络层。

协议 2增添流量控制功能发送方收到确认帧后才允许发送下一帧；接收方收到数据帧后回送确认帧。

协议 3增添检错重传功能发送方定义帧序列号，启动计时器，超时重传接收方定义帧序列号期望值，将匹配帧交网络层


补充 2 ：连续 ARQ 协议——滑动窗口协议

滑动窗口协议对停止等待协议的改进：单工全双工：数据双向传输的需求（ AB）

停止等待协议：两条单工信道：反向传输流量小，浪费滑动窗口协议：一条双工信道实现数据的双向传输

发送方式停止等待协议：发送一帧，等待确认，再发送下一帧，效率低滑动窗口协议：一次连续发送多个数据帧

确认方式捎带确认停止等待协议： AB， B 回送确认帧（ AB），造成控制帧的流量滑动窗口协议： AB， B 将确认信息写入它将向 A 发送的帧的ACK字段，在 BA 中夹带确认信息 AB



一、连续 ARQ 协议连续 ARQ 协议的工作原理发送方可以连续发送若干个数据帧，无需停下来等待确认帧就可发送下一帧。

被发送出去尚未被确认的帧可能会因为出错或丢失而要求重发，因此，发送方要有较大的发送缓冲区保留这些帧的副本。为了区分不同的帧，每个帧都有一个唯一的 n 位的序号，从 0到某个最大值 2n – 1当发送方收到对某数据帧的确认帧后便可从缓冲区中删除之，接着可以发送新的数据帧。发送方一次可发送的最大数据帧的数目称为发送窗口。发送窗口保持着一个序号表，对应于发送方允许连续发送的帧。

接收方只按序地接收数据帧，并对接收的每个数据帧进行差错检测。如果发现错误，立即反馈发送方要求重发。



连续 ARQ 协议的工作原理

DATA0DATA1DATA2DATA3DATA4DATA5

重传 DATA2重传 DATA3

ACK1

ACK2

ACK1 确认 DATA0

ACK2 确认 DATA1DATA2 出错，丢弃

DATA3 不按序 ,丢弃 ,重传 ACK2



ACK3ACK3 确认 DATA2

ACK4 确认 DATA3ACK4重传 DATA5

重传 DATA4

超时重传时间

A B

tout

送交主机

送交主机…

??

ACK2

ACK2

ACK2



连续 ARQ 中的“ Go-Back-N 差错处理”

1 2 3 4 5 2 3 40 5 6

Data

AC

K1

AC

K2

主机 A

出错

主机 B

送主机丢弃送主机A

CK

3A

CK

4

Tout重传

时间

1 2 3 4 5 2 3 40 5 6

AC

K2

AC

K2

AC

K5

AC

K2

AC

K2



连续 ARQ 中的“选择重传”差错处理方案——只对编号最高的正确的帧确认

1 2 3 4 5 2 6 70 8 9

Data

AC

K1

AC

K2

发送方

接收方

出错

送高层暂存不提交将 2~5 帧依次提交高层

AC

K6

Tout重传

时间

AC

K7

AC

K8

1 2 3 4 5 2 6 70 8 9



二、滑动窗口协议连续 ARQ 协议要解决的两个问题当未被确认的数据帧的数目太多，只要有一帧出错，就可能很多的帧都需重传，这就会白费时间，增加开销

为对所发出的帧进行编号，每个帧的发送序号也占用一定的比特数，增加不必要的开销

解决方案——设置发送窗口和接收窗口发送窗口用来对发送方进行流量控制，发送窗口的大小WT代表在没有收到对方确认的情况下发送方最多可以发送的帧的数目

接收窗口用来控制可以接收哪些帧而不可以接收哪些帧。接收方只有在收到的帧的发送序号在其接收窗口 WR内是才允许收下。接收方允许接收的最大帧的数目称为接收窗口的大小。



0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2

不允许发送这些帧

WT

已发送

(c)

0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2不允许发送这些帧还允许发送

3 个帧

WT

已发送已发送并已收到确认

(d)

0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2

WT

不允许发送这些帧允许发送 5 个帧

(a)发送窗口 WT=5

0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2不允许发送这些帧还允许发送 4 个帧已发送

(b)

WT



不允许接收这些帧

0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2

WR

准备接收 0 号帧

(a)


0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2

WR

准备接收 1 号帧

已收到

(b)


0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2

WR

准备接收 4 号帧已收到

(c)

接收窗口 WR=1



滑动窗口协议的得名：收发双方的窗口都是有规律地向前滑动，因此称之为滑动窗口协议。停止等待协议：发送窗口和接收窗口大小都为 1；退后 N 帧：发送窗口大于 1，接收窗口等于 1；选择重传协议：发送窗口和接收窗口都大于 1退后 N 帧协议发送方连续发送至发送窗口满接收窗口为 1，对丢弃帧不确认发送方超时重传，从未被确认帧开始选择重传协议接收窗口存储差错帧后继的所有正确帧发送方只重传差错帧；接收方接收到正确的重传帧后，按正确顺序将分组提交网络层


3.2 点对点协议 PPP3.2.1 PPP 协议的特点

对于点对点的链路，点对点协议 PPP (Point-to-Point Protocol) 是目前使用得最广泛的数据链路层协议。

用

户

至因特网接入网

PPP 协议

已向因特网管理机构申请到一批 IP 地址

ISP


3.2 点对点协议 PPP1 、 PPP 协议应满足的需求简单——不易出错，互操作性提高封装成帧透明性多种网络层协议（ IP 、 IPX等）多种类型链路差错检测：能够对接收方收到的帧进行检测，并立即丢弃有差错的帧。连接的活跃度：及时检测出一条链路是否正常最大传送单元：至少 1500 字节网络层地址协商数据压缩协商


3.2 点对点协议 PPP

2 、 PPP 协议不需要的功能（ 1 ）纠错 (error correction) ——PPP 协议

是不可靠传输协议。（ 2 ）流量控制（ 3 ）序号（ 4 ）多点线路（ 5 ）半双工或单工链路


3.2 点对点协议 PPP

3 、 PPP 协议组成（ 1 ）一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法。（ 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 。

（ 3 ）一套网络控制协议 NCP ，其中的每一个协议支持不同的网络层协议。


3.2 点对点协议 PPP3.2.2 PPP 协议的帧格式1、各字段的意义

IP 数据报

1 21 1字节 1 2不超过 1500 字节PPP 帧

先发送

7E FF 03F A C FCS F

7E协议信息部分

首部尾部

PPP 有一个 2 个字节的协议字段。当协议字段为 0x0021 时， PPP 帧的信息字段就是 IP 数据报。若为 0xC021, 则信息字段是 PPP 链路控制数据。若为 0x8021 ，则表示这是网络控制数据。


3.2 点对点协议 PPP2、字节填充——透明传输

当信息字段中出现与标志字段相同的数据 0x7E 时，必须进行字节填充，实现转义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。


3.2 点对点协议 PPP零比特填充：当 PPP 协议用在 SONET/SDH 链路时，使用同步传输，为实现透明传输采用零比特填充——数据发送时每 5 个“ 1” 后填入 1 个“ 0”

0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0

0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 0

0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0

信息字段中出现了和标志字段 F 完全一样

的 8 比特组合

发送端在 5 个连 1 之后填入 0 比特再发送出去

在接收端把 5 个连 1之后的 0 比特删除

会被误认为是标志字段 F

发送端填入 0 比特

接收端删除填入的 0 比特


3.2 点对点协议 PPP3.2.3 PPP 协议的工作状态

当用户拨号接入 ISP 时，路由器的调制解调器对拨号做出确认，并建立一条物理连接。PC 机向路由器发送一系列的 LCP 分组（封装成多个 PPP 帧），以建立 LCP连接。这些分组及其响应选择一些 PPP 参数，和进行网络层配置， NCP 给新接入的 PC 机分配一个临时的 IP 地址，使 PC 机成为因特网上的一个主机。通信完毕时， NCP 释放网络层连接，收回原来分配出去的 IP 地址。接着， LCP 释放数据链路层连接。最后释放的是物理层的连接。


3.2.3 PPP 协议的工作状态

设备之间无链路设备之间无链路链路静止链路静止

链路建立链路建立

鉴别鉴别

网络层协议网络层协议

链路打开链路打开

链路终止链路终止

物理链路物理链路

LCP 链路LCP 链路

已鉴别的 LCP 链路已鉴别的 LCP 链路

已鉴别的 LCP 链路和 NCP 链路

已鉴别的 LCP 链路和 NCP 链路

物理层连接建立

LCP 配置协商

鉴别成功或无需鉴别

NCP 配置协商

链路故障或关闭请求

LCP 链路终止

鉴别失败

LCP 配置协商失败


3.3 使用广播信道的数据链路层3.3.1 局域网的数据链路层

局域网的特点：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。局域网的主要优点具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网。

局域网上的主机可共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源。

便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活调整和改变。

提高了系统的可靠性、可用性和残存性。


3.3 使用广播信道的数据链路层决定局域网特性的主要技术有 3 个方面：用以传输数据的传输介质：双绞线、同轴电缆、光纤、

无线介质；用以连接各种设备的拓扑结构；用以共享资源的介质访问控制方法。

这 3 种技术在很大程度上决定了传输数据的类型、网络的响应时间、吞吐量和利用率，以及网络应用等各种网络特性。其中最重要的是介质访问控制方法，它对网络特性具有十分重要的影响。


3.3 使用广播信道的数据链路层局域网的拓扑结构分类

匹配电阻

交换机

干线耦合器

总线网星形网

树形网环形网


3.3 使用广播信道的数据链路层媒体共享技术静态划分信道

频分复用时分复用波分复用码分复用

动态媒体接入控制（多点接入）随机接入受控接入，如多点线路探询 (polling) ，或轮询。


3.3 使用广播信道的数据链路层局域网参考模型：一般都采用 IEEE 制订的 802 标准体系IEEE 802 标准只定义了物理层和数据链路层两层，并根据 LAN 的特点，把数据链路层分成逻辑链路控制 LLC 子层和介质访问控制 MAC 子层；还加强了数据链路层的功能，把网络层中的寻址、排序、流控和差错控制等功能放在 LLC 子层来实现。

物理层数据链路层

物理层

网络层传输层高层

介质访问控制层逻辑链路控制层


3.3 使用广播信道的数据链路层局域网对 LLC 层是透明的

局域网

网络层

物理层

站点 1

网络层

物理层

逻辑链路控制 LLC LLC

媒体接入控制 MAC MAC

数据链路层

站点 2

LLC LLC 子层看不见子层看不见下面的局域网下面的局域网


3.3 使用广播信道的数据链路层802 协议族

802.1

802.2

802.3 802.4 802.20

体系结构及网络互联

逻辑链路控制

介质访问控制

物理层

现在活跃的工作组有： 802.1,802.3,802.11,802.15,802.16,802.17,802.20


3.3 使用广播信道的数据链路层（ 1 ）以太网的两个标准

DIX V2 1975年美国施乐（ Xerox ）公司研制成功的一种

基带总线局域网，数据率 2.94Mb/s 。 1980年， DEC公司、 Intel公司和 Xerox公司联

合提出了 10 Mb/s 以太网的第一个版本 DIX V1 1982年，该版本又修改为 DIX Ethernet V2 。

IEEE 802.3 1983年， IEEE 制订了第一个以太网标准 802.3 ，

数据率为 10 Mb/s ，它与 DIX V2版本差别很小。


3.3 使用广播信道的数据链路层（ 2 ）网卡的作用——通信适配器，网络接口卡

装有处理器和存储器功能：串行 /并行转换：网卡和局域网之间的通信通过电缆或双绞线以串行传输方式进行。

对数据进行缓存：网络上的数据率与计算机总线的数据率不同。

实现以太网协议安装设备驱动程序收发数据


3.3 使用广播信道的数据链路层计算机通过适配器和局域网通信

硬件地址硬件地址

至局域网适配器（网卡）

适配器（网卡）串行通信

CPU 和存储器

CPU 和存储器

生成发送的数据处理收到的数据

把帧发送到局域网从局域网接收帧

计算机

IP 地址IP 地址

并行通信


3.3 使用广播信道的数据链路层3.3.2 CSMA/CD 协议

最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。当初认为这样的连接方法既简单又可靠，因为总线上没有有源器件。

B 向 D发送数据

C D A E

匹配电阻（用来吸收总线上传播的信号）匹配电阻

不接受不接受不接受接受B

目的地为 D ，只有 D 接受数据


3.3 使用广播信道的数据链路层为了通信的简便，以太网的两个重要措施采用无连接方式——数据帧不编号、不确认

服务不可靠，尽最大努力的交付对差错帧由高层决定是否需要重传

数据使用曼彻斯特编码

基带数字信号

曼彻斯特编码

码元 1 11 110 0 0 0 0

出现电平转换


3.3 使用广播信道的数据链路层使用载波监听多点接入 /碰撞检测 CSMA/CD 协议多点接入：多个用户共用一条线路载波侦听：每一站点在发送数据之前，先检测总线上是否

有其它计算机发送数据。如果有，则暂不发送，以免冲突。碰撞检测：计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小，检测有无冲突发生。

当几个站点同时发送数据时，电压信号叠加就会超过门限值，说明发生冲突；如发现冲突，则停止发送，发出瞬间干扰信号，以通知其它站点，然后等待一段随机时间后再次发送。


3.3 使用广播信道的数据链路层传播时延对载波监听的影响

1 kmA B

t

碰撞碰撞

t = 2

A 检测到发生碰撞

t =

B 发送数据

B 检测到发生碰撞

t =

t = 0

单程端到端传播时延记为


3.3 使用广播信道的数据链路层传播时延对载波监听的影响

t = B 检测到信道空闲发送数据t = / 2发生碰撞A

B

A B

A B

t = 0 A 检测到信道空闲发送数据

A B

t = B 检测到发生碰撞停止发送STOP

t = 2 A 检测到发生碰撞

STOP

A

B


3.3 使用广播信道的数据链路层争用期（碰撞窗口）： 2 发送站经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。

二进制指数退避算法：发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟（退避）一个随机时间才能再发送数据。确定基本退避时间，一般是取为争用期 2 。定义重传次数 k ， k 10 ，即 k = Min[ 重传次数 , 10] 从整数集合 [0,1,…, (2k 1)] 中随机地取出一个数，记

为 r 。重传所需的时延就是 r 倍的基本退避时间 2r 。当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层

报告。


3.3 使用广播信道的数据链路层以太网的争用期为 51.2 s 。对于 10 Mb/s 以太网，在争用期内可发送 512 bit ，即

64 字节。以太网在发送数据时，若前 64 字节没有发生冲突，则

后续的数据就不会发生冲突。最短帧长为 64 字节。以太网规定帧间最小间隙为 9.6 s 。强化干扰：立即停止发送数据；再继续发送若干比特的人为干扰信号 (jamming signal) ，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。


3.4 使用广播信道的以太网传统以太网可使用的传输媒体有四种：铜缆（粗缆或细缆）铜线（双绞线）光缆以太网有四种不同的物理层。

10BASE5粗缆

10BASE5粗缆

10BASE2细缆

10BASE2细缆

10BASE-T双绞线

10BASE-T双绞线

10BASE-F光缆

10BASE-F光缆

以太网媒体接入控制 MAC以太网媒体接入控制 MAC


3.4 使用广播信道的以太网传统以太网可使用的四种传输媒体

Base ：表示基带信号 10 ：表示数据率为 10Mb/s 5 或 2 ：表示每一段线缆长度（为 100米的倍数） T 或 F ：表示双绞线或光纤

名称电缆最大区间长度节点数 /段优点

10Base5 粗同轴电缆 500m 100 用于主干很好

10Base2 细同轴电缆 200m 30 最便宜的系统

10Base-T 双绞线 100m 1024 易于维护

10Base-F 光纤 2000m 1024 最适于楼间使用


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

传统以太网后来采用双绞线 +集线器 Hub 10Base-T ：无屏蔽双绞线 Hub ：使用大规模集成电路芯片，高可靠性

表面上看是星型网，实际上仍是共享总线结构，使用 CSMA/CD 协议集线器有多个接口，通过 RJ-45 插头连接计算机集线器工作在物理层堆叠式集线器可由 4~8 个集线器堆叠起来使用


3.4 使用广播信道的以太网使用集线器的双绞线以太网

集线器

两对双绞线

站点

RJ-45 插头

集线器

网卡工作站

网卡工作站

网卡工作站

双绞线

具有三个接口的集线器


3.4 使用广播信道的以太网3.4.2 以太网的信道利用率例： 10Mb/s 以太网同时有 10 个站工作和，每个站的平均速率≤ 1Mb/s ，因为存在碰撞现象。一个帧可能要经过多次碰撞后才能成功发送。

帧帧长为 L (bit) ，数据发送速率为 C (b/s) ，发送时间为 T0 = L/C (s) 。提高信道利用率，需减少 τ 与 T0之比 α,极限信道利用率 Smax 。

0Ta

发送成功争用期争用期争用期

τ2 τ2 τ2 T0τ

t

占用期发生碰撞

发送一帧所需的平均时间

…

aT

TS

1

1

0

0max


3.4 使用广播信道的以太网3.4.3 以太网的 MAC 层（ 1 ） MAC 层的硬件地址

在在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或 MAC 地址。 802 标准所说的“地址”严格地讲应当是每一个站的“名字”或标识符。局域网 MAC 地址共 6 个字节（ 48 位）前三字节（即高 24 位）由网卡厂商申购，由 IEEE 的注册管理机构 RA 分配。

后三个字节 (即低位 24 位 )由厂家自行指派，称为扩展标识符，必须保证生产出的适配器没有重复地址。

“MAC 地址”实际上就是适配器地址或适配器标识符 EUI-48 。


第 1

最高位最先发送

最低位最高位最低位最后发送

00110101 01111011 00010010 00000000 00000000 00000001

最低位最先发送

最高位最低位最高位最后发送

机构唯一标志符 OUI 扩展标志符

高位在前

低位在前

十六进制表示的 EUI-48 地址： AC-DE-48-00-00-80

二进制表示的 EUI-48 地址：

第 1 字节第 6 字节

I/G 位： 0单个站地址， 1

为组地址

I/G 比特0本地管理1 全球管理

字节顺序第 2 第 3 第 4 第 5 第 6

第 1字节顺序第 2 第 3 第 4 第 5 第 6

10101100 11011110 01001000 00000000 00000000 10000000802.5802.6

802.3802.4

G/L 比特


3.4 使用广播信道的以太网

路由器1A-24-F6-54-1B-0E 00-00-A2-A4-2C-02

20-60-8C-C7-75-2A 08-00-20-47-1F-E4 20-60-8C-11-D2-F6

路由器由于同时连接到两个网络上，因此它有两块网卡和两个硬件地址。


3.4 使用广播信道的以太网适配器检查MAC 地址适配器从网络上每收到一个 MAC 帧就首先

用硬件检查 MAC 帧中的 MAC 地址 .如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他的处理。否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。

“发往本站的帧”包括以下三种帧：单播 (unicast) 帧（一对一）广播 (broadcast) 帧（一对全体）多播 (multicast) 帧（一对多）


3.4 使用广播信道的以太网（ 2 ）以太网 MAC 帧的格式

以太网的 MAC 帧格式有两种标准 DIX Ethernet V2 标准 IEEE 的 802.3 标准

最常用的 MAC 帧是以太网 V2 的格式。


以太网 MAC 帧物理层

MAC 层

10101010101010 10101010101010101011

前同步码帧开始定界符

7 字节 1 字节

…

8 字节

插入

IP 层

目的地址源地址类型数据 FCS

6 6 2 4字节 46 ~ 1500


MAC MAC 帧帧

以太网的 MAC 帧格式


MAC 帧物理层

MAC 层

IP 层


6 6 2 4字节 46 ~ 1500


以太网 V2 的 MAC 帧格式

目的地址字段 6 字节


MAC 帧物理层

MAC 层

IP 层


6 6 2 4字节 46 ~ 1500



源地址字段 6 字节


MAC 帧物理层

MAC 层

IP 层


6 6 2 4字节 46 ~ 1500



类型字段 2 字节

类型字段用来标志上一层使用的是什么协议，以便把收到的 MAC 帧的数据上交给上一层的这个协议。


MAC 帧物理层

MAC 层

IP 层


6 6 2 4字节 46 ~ 1500



数据字段 46 ~ 1500 字节

数据字段的正式名称是 MAC 客户数据字段最小长度 64 字节 18 字节的首部和尾部 = 数据字段的最小长度


MAC 帧物理层

MAC 层

IP 层


6 6 2 4字节 46 ~ 1500



FCS 字段 4 字节

当传输媒体的误码率为 1108 时，MAC 子层可使未检测到的差错小于 11014 。

当数据字段的长度小于 46 字节时，应在数据字段的后面加入整数字节的填充字段，以保证以太网的 MAC 帧长不小于 64 字节。


MAC 帧物理层

MAC 层

IP 层


6 6 2 4字节 46 ~ 1500



10101010101010 10101010101010101011

前同步码帧开始定界符

7 字节 1 字节

…

8 字节

插入

在帧的前面插入的 8 字节中的第一个字段共 7 个字节，是前同步码，用来迅速实现 MAC 帧的比特同步。第二个字段是帧开始定界符，表示后面的信息就是 MAC 帧。

为了达到比特同步，在传输媒体上实际传送的要比 MAC 帧还多 8 个字节


数据字段的长度与长度字段的值不一致；帧的长度不是整数个字节；用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错；数据字段的长度不在 46 ~ 1500 字节之间。有效的 MAC 帧长度为 64 ~ 1518 字节之间。对于检查出的无效 MAC 帧就简单地丢弃。以太网不负责重传丢弃的帧。

无效的 MAC 帧


3.5 扩展的以太网3.5.1 在物理层扩展以太网光纤 +光纤调制解调器方案主机使用光纤和一对光纤调制解调器连接到集线器光纤调制解调器实现电信号与光信号的转换主机可连接到几公里距离的集线器

以太网集线器

光纤

光纤调制解调器

光纤调制解调器


3.5 扩展的以太网用多个集线器可以连成更大的以太网例：某大学的三个系各自建有一个局域网

三个独立的碰撞域

一系二系三系

碰撞域碰撞域碰撞域


3.5 扩展的以太网用集线器组建更大的局域网

一系三系二系

主干集线器

一个更大的碰撞域

碰撞域


3.5 扩展的以太网用集线器扩展局域网的优缺点优点

使原来属于不同碰撞域的局域网上的计算机能够进行跨碰撞域的通信。扩大了局域网覆盖的地理范围。

缺点碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。如果不同的碰撞域使用不同的数据率，那么就不能用集线器将它们互连起来。


3.5.2 在数据链路层扩展以太网——网桥

（ 1 ）网桥的内部结构网桥根据 MAC 帧的目的地址对帧进行转发；具有过滤帧的功能。

站表

接口管理软件

网桥协议实体

缓存缓存接口 1接口 1 接口 2接口 2

① ② ③

网段 B网段 A

1

1

12

①

③

⑤ 2

②

④

⑥ 2

站地址接口网桥

网桥

④ ⑤ ⑥

接口 1 接口 2

1 2


3.5.2 在数据链路层扩展以太网——网桥• 网桥是通过内部的端口管理软件和网桥协议实体完成工作的。

网桥从端口上收到数据帧时，先暂存于缓存中；如帧无差错，欲发送的目的站MAC 地址在另一网段，则通过查找转发表，将该帧转到另一端口；若有错，则丢弃。如目的站与源站在同一网段，则不转发。

• 使用网桥的优点：过滤通信量。同一网段中通信无需转发。扩大了物理范围，增加局域网中工作站的最大数目。提高了可靠性。一般发生故障时只影响个别网段。可互连不同物理层、不同MAC 层和不同速率的局域网。

• 使用网桥的缺点：增加了时延，一方面因为网桥需要缓存和查转发表，另一方面不同的 MAC子层的网段桥接在一起时，帧的转发必须修改帧部分内容。MAC子层无流量控制功能，重负荷时容易导致缓存溢出。对于用户数多、通信量大的局域网会引发广播风暴。



网桥使各网段成为隔离开的碰撞域

B2B1碰撞域碰撞域碰撞域

A B C D E F



用户层IP

MAC

站 1

用户层IP

MAC

站 2

物理层

网桥 1 网桥 2

A B

用户数据

IP-H

MAC-H MAC-T

DL-H DL-T

物理层DL

RMAC

物理层物理层DLRMAC

物理层物理层LAN LAN

两个网桥之间还可使用一段点到点链路

网桥不改变它转发的帧的源地址网桥不改变它转发的帧的源地址



连接不同的局域网主机 A

分组

分组

分组

分组

802.3

802.3

分组802.3

分组802.3 分组802.4

分组802.3 分组802.4

分组

主机 B

分组

分组

分组

分组

802.4

802.4

分组802.4

网络LLC

MAC

物理



（ 2 ）透明网桥透明网桥是一种即插即用设备，无需人工配置就能工作，其标准是 IEEE802.1D 。网桥应当按照以下自学习算法处理收到的帧和建立转发表若从 A 发出的帧从接口 x 进入了某网桥，那么从这个接口出发沿

相反方向一定可把一个帧传送到 A 。网桥每收到一个帧，就记下其源地址和进入网桥的接口，作为转发

表中的一个项目。在建立转发表时是把帧首部中的源地址写在“地址”这一栏的下面。在转发帧时，则是根据收到的帧首部中的目的地址来转发的。这时

就把在“地址”栏下面已经记下的源地址当作目的地址，而把记下的进入接口当作转发接口。



转发表的建立过程举例

地址接口

B2B1

A B C D E F

1 2 1 2

地址接口

… …

……B 1B → A

A → B A 1

F → C F 2

A → B A 1

F → C F 2



网桥的自学习和转发帧的步骤归纳网桥收到一帧后先进行自学习。查找转发表中与收到帧

的源地址有无相匹配的项目。如没有，就在转发表中增加一个项目（源地址、进入的接口和时间）。如有，则把原有的项目进行更新。

转发帧。查找转发表中与收到帧的目的地址有无相匹配的项目。

如没有，则向所有其他接口（但进入网桥的接口除外）进行转发——洪泛。如有，则按转发表中给出的接口进行转发。若转发表中给出的接口就是该帧进入网桥的接口，则应丢弃这个帧（因为这时不需要经过网桥进行转发）。


3.5.2 在数据链路层扩展以太网——网桥透明网桥使用了生成树算法在任何两个站之间只有一条路径。每隔一段时间还要对生成树的拓扑进行更新。

局域网 2

局域网 1

网桥 2网桥 1

A

F

不停地兜圈子

A 发出的帧

F1

网桥 1 转发的帧

F2网桥 2 转发的帧

网络资源白白消耗了



（ 3 ）源路由网桥透明网桥容易安装，但网络资源的利用不充分。源路由 (source route) 网桥在发送帧时将详细的路由信息放在帧的首部中。源站以广播方式向欲通信的目的站发送一个发现帧，每个发现帧都记录所经过的路由。发现帧到达目的站时，目的站将应答帧沿各自的路由返回源站。源站在得知这些路由后，从所有可能的路由中选择出一个最佳路由。凡从该源站向该目的站发送的帧的首部，都必须携带源站所确定的这一路由信息。



（ 4 ）多接口网桥——以太网交换机以太网交换机实质上是一个多接口网桥。交换机的多对接口通信时，可无碰撞地传输数据。有些交换机采用直通（ cut-through ）的交换方式。

一系三系二系 10BASE-T

至因特网100 Mb/s

100 Mb/s

100 Mb/s万维网服务器

电子邮件服务器

以太网交换机

路由器



（ 5 ）虚拟局域网 VLAN

虚拟局域网 VLAN 是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组。这些网段具有某些共同的需求。每一个 VLAN 的帧都有一个明确的标识符，指明发送这个帧的工作站是属于哪一个 VLAN 。

虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务，而并不是一种新型局域网。


以太网交换机

A4

B1

以太网交换机

VLAN3

C3

B3

VLAN1 VLAN2

C1

A2

A1

A3

C2B2以太网交换机

以太网交换机

三个虚拟局域网 VLAN1, VLAN2

和 VLAN3 的构成


以太网交换机

A4

B1

以太网交换机

VLAN3

C3

B3

VLAN1 VLAN2

C1

A2

A1

A3


以太网交换机


和 VLAN3 的构成当 B1 向 VLAN2 工作组内成员发送数据时，工作站 B2 和 B3 将会收到广播的信息。


以太网交换机

A4

B1

以太网交换机

VLAN3

C3

B3

VLAN1 VLAN2

C1

A2

A1

A3


以太网交换机


和 VLAN3 的构成 B1 发送数据时，工作站 A1, A2 和 C1

都不会收到 B1 发出的广播信息。


以太网交换机

A4

B1

以太网交换机

VLAN3

C3

B3

VLAN1 VLAN2

C1

A2

A1

A3


以太网交换机


和 VLAN3 的构成虚拟局域网限制了接收广播信息的工作站数，使得网络

不会因传播过多的广播信息 ( 即“广播风暴” )而引起性能恶化。



虚拟局域网使用的以太网帧格式虚拟局域网协议允许在以太网的帧格式中插入一个

4 字节的标识符，称为 VLAN 标记 (tag) ，用来指明发送该帧的工作站属于哪一个虚拟局域网。

802.3MAC 帧

字节 6 6 2 46 ~ 1500 4

MAC 帧目地地址源地址长度 /类型数据 FCS

长度 /类型 = 802.1Q 标记类型标记控制信息1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 VID

2 字节 2 字节

插入 4 字节的 VLAN 标记

插入 4 字节的 VLAN 标记

4

用户优先级 CFI


3.6 高速以太网3.6.1 100Base-T 以太网—— IEEE 802.3u

100 Mb/s 的以太网称为高速以太网。在双绞线上传送 100 Mb/s 基带信号的星型拓扑以太网，仍使用 IEEE 802.3 的 CSMA/CD 协议。可在全双工方式下工作而无冲突发生。因此，不使用 CSMA/CD 协议。MAC 帧格式仍然是 802.3 标准规定的。保持最短帧长不变，但将一个网段的最大电缆长度减小到 100 m 。帧间时间间隔从原来的 9.6 s 改为现在的 0.96 s 。物理层标准： 100Base-Tx, 100Base-Fx, 100Base-T4


3.6 高速以太网3.6.2 吉比特以太网允许在 1 Gb/s 下全双工和半双工两种方式工作。使用 802.3 协议规定的帧格式。在半双工方式下使用 CSMA/CD 协议（全双工方式不需要使用 CSMA/CD 协议）。与 10BASE-T 和 100BASE-T 技术向后兼容。 1000BASE-X :802.3z 基于光纤通道的物理层：

1000BASE-SX SX 表示短波长1000BASE-LX LX 表示长波长1000BASE-CX CX 表示铜线

1000BASE-T ： 802.3ab 使用 4对 5 类线 UTP ，传输距离 100m

全双式方式时，不使用载波延伸和分组突发。


3.6 高速以太网吉比特以太网的组建案例

1 Gb/s 链路

吉比特交换集线器

百兆比特或吉比特集线器

100 Mb/s 链路中央服务器


3.6 高速以太网3.6.3 10吉比特以太网——万兆以太网

2002年 6月， IEEE802.3ae委员会制订了万兆以太网标准。万兆以太网的帧格式与 10Mb/s 、 100Mb/s 和 1Gb/s 完全相同，并保留了 802.3 标准规定的最帧长和最大帧长，以便能和已有的以太网兼容与升级。万兆以太网只使用光纤作为传输媒体，使用长距离（超过40Km ）的光收发器与单模光纤接口，可在广域网和城域网范围内工作。如使用多模光纤，传输距离为 65——300m 。万兆以太网只工作在全双工方式下，不存在争用问题，也不使用 CSMA/CD 协议。


3.6 高速以太网万兆以太网使用自己物理层标准，共有两种：局域网物理层 LAN PHY ，数据率精确为 10Gb/s ；可选的广域网物理层 WAN

PHY ，以便和所谓的“ Gb/s” 的 SONET/SDH （实际为9.58464Gb/s ）相连接。

万兆以太网的工作范围从局域网扩展到广域网，实现端到端的以太网传输，好处如下：以太网是成熟的技术，需在更大的范围内试验。以太网的互操作性好以太网的价格低廉，能适应多种传输媒体端到端的以太网使用的帧的格式全部是以太网的格式，

无需转换就可互连。


3.6 高速以太网3.6.4 使用高速以太网进行宽带接入

以太网已成功地把速率提高到 1 ~ 10 Gb/s ，所覆盖的地理范围也扩展到了城域网和广域网，因此现在人们使用以太网进行宽带接入。以太网接入的重要特点是它可提供双向的宽带通信，并且可根据用户对带宽的需求灵活地进行带宽升级。采用以太网接入可实现端到端的以太网传输，中间不需要再进行帧格式的转换。这就提高了数据的传输效率和降低了传输的成本。


3.6 高速以太网

100 M

10 M

10 M

100 M

吉比特以太网

光结点汇接点

1 Gb/s

1 Gb/s

高速汇接点 GigaPoP

•以太网接入举例：光纤到大楼 FTTB


补充面向比特的链路层控制协议 HDLC

（ 1 ） HDLC 协议概述1974 年 IBM 提出 SDLC ，经 ISO修改为 HDLCHDLC 的三个目标保证发射的数位流具有透明性；确定发送帧的格式及帧内段的含义；实现链路上站之间的协调，保证有序交换。

HDLC 数据站：由计算机和终端组成，负责发送和接收帧。主站（ primary station ）：主要功能是发送命令（包括数

据），接收响应，负责整个链路的控制（如系统的初始、流控、差错恢复等）；

次站（ secondary station ）：主要功能是接收命令，发送响应，配合主站完成链路的控制；

复合站（ combined station ）：同时具有主、次站功能，既发送又接收命令和响应，并负责整个链路的控制。



HDLC 适用的数据链路构型非平衡型

点 — 点式多点式

平衡型主站 -次站式

组合站 - 组合站式组合站组合站组合站组合站

主站主站主站主站

次站次站

次站次站

逻辑通道逻辑通道

主站主站次站次站主站主站次站次站

次站次站次站次站



HDLC 的基本操作模式正规响应模式 NRM （ Normal Response Mode ）：适用于点—点式和多点式两种非平衡构型。只有当主站向次站发出探询后，次站才能获得传输帧的许可。传输期间，次站占用信道。响应信息可以由一个或多个帧组成，若信息由多个帧组成，则应指出哪一个是最后一帧。

异步响应模式 ARM （ Asynchronous Response Mode ）：适用于点—点式非平衡构型和主站—次站式平衡构型。主、次站发现信道空闲时，可以随时传输帧（数据帧或控制信息帧），不必等待主站的探询。

异步平衡模式 ABM （ Asynchronous Balanced Mode ）：适用于通信双方都是组合站的平衡构型，也采用异步响应，双方具有同等能力，不必等待对方许可才发送数据。



（ 2 ） HDLC 的帧结构

比特 8 8 16 8

信息 Info

标志 F

标志 F

地址 A

控制 C

帧检验序列 FCS

透明传输区间FCS 检验区间

1 2 3 4 5 6 7 8

0 N （ S ） P/F N （ R ） 1 0 类别码 SS P/F N （ R ） 1 1 类别码 MM P/F 类别码MMM

信息帧（ I 帧）

监控帧（ S 帧）

无编号帧（ U 帧）

8



帧结构定界符 ----零比特填充法

01111110空闲的点到点线路上连续传定界符发送时，数据中每连续 5个“ 1”后自动插入 1个“ 0”

地址域（ Address ）：可多于一个字节多终端线路，用来区分终端（广播地址）；点到点线路，有时用来区分命令和响应。–非平衡方式时，地址字段是次站地址；–平衡方式时，地址字段是确认站地址。

全 1地址是广播地址，全 0 是无效地址。地址可以扩展，通过地址字段的比特 1位表示， 0 表示下一地址字段的后 7位是地址， 1 表示此字段是最后一个字段。

比特 8 8 16 8

信息 Info

标志 F

标志 F

地址 A

控制 C

帧检验序列 FCS

8



帧结构帧类型

信息帧：用于数据传输，还可以同时用来对已收到的数据进行确认和执行轮询等功能。监控帧：用于数据流控制，帧本身不包含数据，但可执行对信息帧确认、请求重发信息帧和请求暂停发送信息帧等功能。无序号帧：主要用于控制链路本身，它不使用发送或接收帧序号。某些无编号帧可以包含数据。

数据域（ Data ）任意信息，任意长度（上层协议 SDU有上限）

校验和（ Checksum ）CRC校验生成多项式： CRC-CCITT

比特 8 8 16 8

信息 Info

标志 F

标志 F

地址 A

控制 C

帧检验序列 FCS

8



控制域

1 2 3 4 5 6 7 8

0 N （ S ） P/F N （ R ） 1 0 类别码 SS P/F N （ R ） 1 1 类别码 MM P/F 类别码MMM


监控帧（ S 帧）




控制域序号（ Seq）：使用滑动窗口技术， 3位序号，发送窗口大小为 7——N（ S）

捎带确认（ Next）：捎带第一个未收到的帧序号，而不是最后一个已收到的帧序号—— N（ R）

探询 /结束 P/F位（ Poll/Final）命令帧置“ P”，响应帧置“ F”。有些协议， P/F位用来强迫对方机器立刻发控制帧；多终端系统中，计算机置“ P”，允许终端发送数据；终端发向计算机的帧中，最后一个帧置为“ F”，其它置为“ P”。


信息帧 (I 帧 ) ：信息帧用于传送有效信息或数据I 帧以控制字段第一位为 “ 0”来标志。信息帧控制字段中的 N(S)用于存放发送帧序号，以使发送方不必等待确认而连续发送多帧。N(R)用于存放接收方下一个预期要接收的帧的序号，如 N(R)=5，即表示希望下次接收 5号帧，换言之，5号帧前的各帧接收方都已正确接收到。这样，可在信息帧中捎带确认信息。N(S)和 N(R)均为 3位二进制编码，可取值 0～ 7。探询 P/终止 F 位：主站发出的命令帧中若 P=1表示要求对方立即发送响应。对方的确认帧中若 F=1表示要发送的数据已经发送完毕。

1 2 3 4 5 6 7 8

0 N （ S ） P/F N （ R ）



监控帧 (S 帧 ) ：监控帧用于差错控制和流量控制。 “00”表示确认帧 RR：接收就绪，被发送站用来表示它已作好接收信息帧的准备。还可以用其中的 N(R)段来确认 N(R)-1以前的各帧。

“01”表示否定性确认帧 REJ：否认并请求重发从N(R)开始的全部信息帧，而对序号为 N(R)-1及以前的帧进行肯定确认。使用 REJ帧可以实现我们在前面讨论过的回退 N 式 ARQ功能。。

“10”表示接收未准备好 RNR：表示暂不能够接收数据帧，但确认 N(R)-1前的各帧。

“11”表示选择拒绝 SREJ：只否认 N(R)中指定的帧，并请求重发该帧，但确认 N(R) -1 前的各帧。使用 SREJ帧可以实现我们在前面讨论过的选择性拒绝 ARQ功能。

1 0 类别码 SS P/F N （ R ）

监控帧（ S 帧） 1 2 3 4 5 6 7 8


无编号帧（ U 帧）：不包含编号N(S) 和 N(R) 而得名，简称 U 帧。 U 帧用于提供对链路的建立、拆除以及多种控制功能，目前只定义了 15 种无编号帧。 DISC ：断连。当一个主站或复合站要关断链路时，它就发送一个DISC命令。它所期待的回答是 UA 。

SNRM ：置通常响应方式。该方式禁止次站发送任何未经邀请的帧。这就意味着主站控制了链路上的全部信息流。

SARM （ Set Asynchronous Response Mode ） SABM ：置异步平衡方式。在这种方式中，通信双方都处于同等的

地位，不要轮询就可以发送，因为每个站都是一个复合站。 FRMR：帧拒绝，允许接收方通知发送方，接收方收到了一个不能理解或违犯协议规则的帧。校验和正确，语义错误

*UA：无编号肯定确认。 *DM：断连方式，可用来报告一个站处于逻辑上断连的状态，也可

用来表示一个站对置方式命令所要求的动作不能够或不愿意执行。 *FRMR：帧拒绝，允许接收方通知发送方，接收方收到了一个不能

理解或违犯协议规则的帧。

1 2 3 4 5 6 7 8

1 1 类别码 MM P/F 类别码MMM



HDLC 实例在示例中我们采用下列格式描述被传输的帧：

地址 . 帧名 .N （ S ） . P/F. N(R) P F P 和分别表示 P 位置成 1 和 0 ， F 和分别表示 F 位置成 1 和

0 ；在帧中不使用的段用“一”表示， N （ R ）不存在则以空白表示。

示例 1 ：通常响应方式，半双工数据流


P F

主站 A

次站 B 次站 C

主站 A 次站 B 和 C

B*SNRM—P——><——B*UA—F

C*SNRM—P——><——C*UA—F

B*RR—P(0)——><——B*I (0) (0)F<——B*I (1) (0)F<——B*I (2) (0)F<——B*I (3)F(0)

B*RR— (4)——>PC*I(0)—P(0)——>

<——C*RR — F(1)



首先，主站 A 发送带有次站地址并且将 P 位置 1 的SNRM命令帧， B站和 C站用将 F 位置 1 的 UA 帧响应，从而建立了 A 和 B 、 C 间的链路。

接着， A站轮询 B站， B站的响应是连续发送四个 I帧，并将第四个帧的 F 位置 1 ，从而又将发送权归还A 。


补充： 802.4 标准和 802.5 标准

补充 1 ：令牌总线网与 IEEE802.4 标准物理上是总线型，逻辑上是环型的，最长等待时间可知令牌作为特殊的控制帧，由高地址传向低地址获得令牌的站点可在规定时间内发送数据帧，并将令牌

向下传递A B C D

E F GAGCDFEB


补充： 802.4 标准和 802.5 标准

传输介质： 75宽带同轴电缆（单 /双缆）或光纤令牌总线 MAC子层协议当环初始化时，站按地址从高至低插入环中。令牌也按地址从高到低传送。每当站得到令牌，它可以在规定长度的时间内传输帧，然后必须将令牌往下传。如果帧比较短，则可以连续地传 n 个帧。如果一个站没有数据，它收到令牌后立即往下传。

令牌总线为数据定义了优先级 0、 2、 4 和 6 ，最低为 0 ，最高为 6 。可以将站想象成内部分为 4 个子站，对应 4 个优先级。当信息从站的上层进入 MAC子层时，先检查数据的优先权，然后按 6级子站 4级子站 2级子站 0级子站的顺序，送到 4 个子站中。站中的各个子站分别管理它自己的帧发送队列。


补充： 802.4 标准和 802.5 标准

802.4 帧结构

帧控制字段用于区分数据帧与控制帧。数据帧中该字段带有优先级别，或指示标志控制帧中该字段说明帧的类型：令牌帧、维护帧

目的地址源地址数据校验和字节≥ 1 1 1 2 或 6 2 或 6 0-8192 4 1

帧控制开始界符先导字段


补充： 802.4 标准和 802.5 标准

补充 2 ：令牌环 Token Ring 网与 IEEE 802.5技术产生原因环实际上并不是一个广播介质，而是不同的点到

点链路组成的环，点到点链路有很多技术优势；各个站点是公平的，获得信道的时间有上限，避免冲突发生；

IBM选择 Token Ring作为它的 LAN技术。


补充： 802.4 标准和 802.5 标准

环接口站

无向环延迟环路输入

环路输出

1比特延迟

侦听方式发送模式


补充： 802.4 标准和 802.5 标准

基本思想：环 LAN由若干转发器 (也称环接口）构成，每个转发器经单向传输

链路与另外两个转发器相连，以形成一个封闭路径，数据从一个转发器到下一个转发器逐个比特地依次传送，每个转发器重新产生并重新传输每一比特，所以称作转发器

令牌（ Token ）是一种特殊的比特组合模式，总绕环运行。当所有站点空闲时产生；当一个站要发送帧时，需要抓住令牌，并将其移出环。

环本身必须有足够的时延容纳一个完整的令牌，时延由两部分组成：每站的 1 比特延迟和信号传播延迟。对于短环，必要时需要插入人工延迟。

环接口的操作模式：侦听模式和传输模式确认：帧内一个比特域，初值为 0 ，目的站收到后，将其变为 1 ；对

广播的确认比较复杂。


补充： 802.4 标准和 802.5 标准

令牌环的工作过程当网络初始化时 , 由指定的站点生成令牌；令牌沿着网络环单向逐站传送；只有当空令牌传到某站点 , 该站点才可发送数据；数据沿着网络环单向逐站传送；数据经过目的站时，目的站接收（复制）并确认，

数据继续单向逐站传送；数据经过源站时，源站收回（不再传送）；源站交出令牌（传送给下以站）。

特点：没有冲突发生；重负载下，效率接近 100% 。


补充： 802.4 标准和 802.5 标准

侦听方式的任务（环接口与主机是断开的）转发环路比特流– 引入了 1 比特的传输延迟；– 先收下一个比特然后再转发一个比特。– 转发时，对信号进行放大和整形。

侦听两种特殊的比特组合– 侦听本站地址。一旦发现有本站地址，就立即将环

路的比特流输入到主机，同时，环接口继续转发；– 侦听令牌。一旦发现令牌，就立即截获，然后，改变工作状态－发送方式，将数据帧发送出去。


补充： 802.4 标准和 802.5 标准

令牌环维护采用准集中式管理– 设有一个监控站进行管理，若它失效，由竞争选举另一个站作为监控站；

监控站的任务环的初始化，产生令牌；保证令牌不丢失；（通过超时计时器）收回无效令牌帧；产生新的令牌；消除无限循环帧；（若差错引起帧内的源地址改变，使它可能成为无站收回的数据帧）

处理环断开情况；清除坏帧，检查无主帧。令牌持有时间，一般为 10毫秒；


补充： 802.4 标准和 802.5 标准

令牌环MAC子层协议

SD AC ED 1 1 1

令牌

SD AC FC 目的地址源地址数据校验和 ED FS 字节 1 1 1 2 或 6 2 或 6 无限制 4 1 1

数据帧

帧控制访问控制开始界符

结束界符帧状态


补充： 802.4 标准和 802.5 标准

令牌环网的工作原理协议基本操作：无信息传输时， 3 字节的令牌在环上循环；有信息

要发送时，站获得令牌，并将第二个字节的某一位由 0 变成 1 ，将令牌的前两个字节变成帧的起始序列，然后输出帧的其它部分；

开始定界符 SD 和结束定界符 ED 标志着帧的开始和结束，使用差分曼彻斯特编码模式（ HH 和 LL ，物理层编码违例法）；

访问控制域 AC 包括令牌位、监视位、优先级位和保留位；帧控制域 FC 用于将数据帧和控制帧区别开来和进行环的维护；帧状态字节 FS 用于报告帧的传送情况，包括地址位 A 和拷贝位

C ，帧经过目的站， A置为“ 1” ，帧被接收， C置为“ 1” 。 A 、 C 位提供了自动确认。为增加可靠性， A 、 C 在 FS 中出现两次。

A = 0 ， C = 0 ，目的站不存在或未加电；A = 1 ， C = 0 ，目的站存在但帧未被接收；A = 1 ， C = 1 ，目的站存在且帧被复制。

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本章教学内容： 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