2.1-第章 数据链路层ppt课件

1、Copyright kevin 2010 第第4章章 数据链路层数据链路层 主讲教师：陈盈主讲教师：陈盈电子邮箱：电子邮箱：ychen222163台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件本章学习要求本章学习要求u理解：数据传输过程中差错产生的原因与性质。u掌握：误码率的定义与差错控制方法。u掌握：数据链路层的基本概念。u理解：面向字符型数据链路层协议实例BSC。u掌握：面向比特型数据链路层协议实例 HDLC。u掌握：Internet中的数据链路层协议。台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件4.1 差错产生与差错控制方法差错产生与差错控制方法4.1.

2、1 为什么要设计数据链路层为什么要设计数据链路层u在原始物理传输线路上传输数据信号是有差错的；u设计数据链路层的主要目的：将有差错的物理线路改进成无差错的数据链路；u 方法：差错检测u 差错控制u 流量控制u作用：为相邻节点提高数据传输质量，向网络层提供高质量的服务，传输数据单元为帧。台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件4.1.2 差错产生的原因和差错类型差错产生的原因和差错类型 u传输差错 通过通信信道后接收的数据与发送数据不一致的现象，简称为差错;u差错控制 检查是否出现差错以及如何纠正差错；u通信信道的噪声分为两类：热噪声和冲击噪声；u由热噪声引起的差错是随机差

3、错，或随机错；u冲击噪声引起的差错是突发差错，或突发错；u引起突发差错的位长称为突发长度；u在通信过程中产生的传输差错，是由随机差错与突发差错共同构成的。台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件传输传输过失过失产生产生过程过程信源通信信道信宿数据噪声数据+噪声(a)001100111100011111000011000100010110011001010传输数据数据信号波形噪声数据信号与噪声信号叠加后的波形采样时间接收数据原始数据出错的位(b)台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件 4.1.3 误码率的定义误码率的定义误码率定义：二进制比特在数据传

4、输系统中被传错的概率，它在数值上近似等于： 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。台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件讨讨 论论u误码率应该是衡量数据传输系统正常工作状态下传输可靠性的参数；u对于一个实际的数据传输系统，不能笼统地说误码率越低越好，要根据实际传输要求提出误码率要求；u对于实际数据传输系统，如果传输的不是二进制比特，要折合成二进制比特来计算；u差错的出现具有随机性，在实际测量一个数据传输系统时，只有被测量的传输二进制比特数越大，才会越接近于真正的误码率值。 台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件

5、4.1.4 差错控制差错控制 差错控制就是要保证所有的帧最终都能按顺序正确传送到相邻目的节点的网络层。数据在传输过程中会出现差错，需要对数据进行差错控制。具体做法：在原二进制代码长度的基础上增加其位长度，且对增加长度前的数据按一定规律进行变换，以形成含冗余长度的新码，称为差错编码。台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件一、一、 检错码与纠错码检错码与纠错码 一般上，增加的位长度冗余度越大，对应差错编码的纠错能力就越强，但花费的处理和传输时间也越长。差错编码通常有两类：纠错码：每个传输的分组带上足够的冗余信息； 接收端能发现并自动纠正传输差错。检错码:分组仅包含足以使接收

6、端发现差错的冗余信息；接收端能发现出错，但不能确定哪一比特是错的，并且自己不能纠正传输差错。 台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件二、常用的检错码二、常用的检错码1.奇偶校验码在数据块后加一位校验位，使该数据连校验位在内“1的个数恒为偶数个则称为偶校验；假设“1个数恒为奇数个则称为奇校验。设b0-bm-1是在同一组的数据，bm为校验位，那么：偶校验位：bm=b0 b1 bm-1奇校验位：bm=b0 b1 bm-1 1例：10010111 偶校验位：bm=1 奇校验位：bm=0台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件2.循环冗余码循环冗余码CRC码

7、）码） 在发送端产生一个循环冗余码，附加在信息位后面一起发送到接收端，接收端收到的信息按发送端形成的循环冗余码同样的算法进行校验，若有错，需重发。 台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件循环冗余编码工作原理循环冗余编码工作原理 发送方接收方发送数据 f(x)生成多项式 G(x)f(x)xk.G(x)=Q(x)+R(x)G(x)实际发送: f(x)xk.+R(x)数据字段校验字段f(x)xk.R(x)发送数据 f (x)生成多项式 G(x)R(x)=R(x) 接收正确R(x)=R(x) 接收出错发送f(x)xk.G(x)=Q(x)+R(x)G(x)台州学院计算机系Copy

8、right kevin 2010 课件 举举 例例1 1 0 0 1 1发送数据比特序列CRC校验码比特序列1 0 0 1带CRC校验码的发送数据比特序列f(x)台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件验验 证证整除！表明没有错整除！表明没有错误。误。台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件标准标准CRC生成多项式生成多项式Gx）uCRC-12 Gx）= x12+x11+x3+x2+x+1u （1100000001111）uCRC-16 Gx）= x16+x15+x2+1u （11000000000000101）uCRC-CCITT Gx）= x16

9、+x12+x5+1uCRC-32 Gx）=x32+x26+x23+x22+x16+x12+ux11+ x10+x8+x7+x5+x4 + x2+x+1 台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件CRC校验码的检错能力校验码的检错能力uCRC校验码能检查出全部单个错；uCRC校验码能检查出全部离散的二位错；uCRC校验码能检查出全部奇数个错；uCRC校验码能检查出全部长度小于或等于K位的突发错；uCRC校验码能以1-（1/2K-1的概率检查出长度为K+1位的突发错；u如果K=16，则该CRC校验码能全部检查出小于或等于16 位的所有的突发差错，并能以1-（1/216-1=99

10、.997的概率检查出长度为17位的突发错，漏检概率为0.003%； 台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件1.1.反馈重发机制反馈重发机制在数据链路层，大多数情况都是采用检错码。为了向发送方在数据链路层，大多数情况都是采用检错码。为了向发送方报告数据的接收情况，接收方使用应答来进行信息反馈。报告数据的接收情况，接收方使用应答来进行信息反馈。发送数据发送数据监控信道监控信道监控信道监控信道应答应答发发收收收收发发4.1.6 差错控制机制差错控制机制 台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件 1.反馈重发机制反馈重发机制 信源校验码编码器存储器发送装置

11、传输信道接收装置发发送送端端校验码译码器接接收收端端信宿反馈信号控制器反馈信号控制器台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件重发：当发送方接收到否定的回答，表明数据发送错误，则需重发错误帧；超时重发：如果数据帧或应答帧在传输过程中丢失，则发送方收不到应答，即超过接收应答的规定时间，此时也需重发帧；帧重复：若数据帧被正确接收，而应答帧被丢失，这种情况接收方会收到两个相同的帧，这种现象称为帧重复。解决办法，对帧进行编号，接收到相同编号的帧放弃。反馈重发策略反馈重发策略 台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件2.反馈重发机制的分类反馈重发机制的分类 停止

12、等待方式停止等待方式 接接收收端端发发送送端端ACKNAKACK12231223台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件连续工作方式连续工作方式 u拉回方式拉回方式u选择重发方式选择重发方式 发发送送端端接接收收端端ACK0ACK1NAKACK2ACK3(a)ACK0ACK1NAKACK2ACK6(b)ACK3ACK4ACK5丢丢弃弃重重传传重重传传01234523456012345234560123452678901234526789发发送送端端接接收收端端丢丢弃弃台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件4.2 数据链路层的基本概念数据链路层的基本

13、概念4.2.1 物理线路与数据链路物理线路与数据链路线路 链路物理线路 数据链路物理线路物理线路+ +链路协议链路协议= =数据链路数据链路台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件4.2.2 数据链路控制数据链路控制 数据链路层协议 为实现数据链路控制功能而制定的规程或协议。数据链路层功能链路管理：数据链路的建立、维持、释放。 帧同步：从收到的比特流中准确地区分帧的边界。 流量控制：收发双方速度保持协调。差错控制：差错检查和差错纠正。帧的透明传输：接收方能正确区分控制信息还是数据。寻址 ：能正确传输到目的节点。台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件

14、4.2.3 数据链路层向网络层提供的服务数据链路层向网络层提供的服务 数据链路层是OSI参考模型的第2层；设立数据链路层的主要目的是将原始的、有差错的物理线路变为对网络层无差错的数据链路；为了实现这个目的，数据链路层必须实现链路管理、帧传输、流量控制、差错控制等功能；数据链路层为网络层提供的服务主要表现在：正确传输网络层的用户数据，为网络层屏蔽物理层采用的传输技术的差异性。台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件4.3 数据链路层协议的分类数据链路层协议的分类u面向字符型方式面向字符型方式u面向比特型方式面向比特型方式台州学院计算机系Copyright kevin 201

15、0 课件一、面向字符型的方式一、面向字符型的方式面向字符型的同步传输帧格式如下:帧起始字符帧起始字符帧终止字符帧终止字符帧内容帧内容这种方法使用特殊的这种方法使用特殊的“ASCII“ASCII字符对字符对作为帧的作为帧的起始与终止定界符，由于帧同步信息、帧内容、起始与终止定界符，由于帧同步信息、帧内容、帧终止信息都是以字符形式表示，所以称为帧终止信息都是以字符形式表示，所以称为“面面向字符型的同步传输向字符型的同步传输”。台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件举举 例例例如：采用ASCII字符对DLE STX表示帧的开始，DLE ETX表示帧的结束。若要发送AB两个字符

16、，则发送信息应表示成：DLE STXDLE STX A A B B DLE ETX DLE ETX 由于面向字符方式的帧使用特定的字符来控制帧的传输，由于面向字符方式的帧使用特定的字符来控制帧的传输，对采用的字符编码集依赖比较大，因而兼容性差。对采用的字符编码集依赖比较大，因而兼容性差。台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件若当数据中恰好出现DLE STX 或DLE ETX时，则应在DLE前再插入一个DLE，如下图所示： 发送前数据：DLE STX A DLE ETX B发送时数据：DLE STX DLE DLE STX A DLE DLE ETX B DLE ETX接

17、收后数据：DLE STX A DLE ETX B传输起止字符处理传输起止字符处理台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件二、面向比特位的方式二、面向比特位的方式使用一个特殊的比特数据作为帧的起始与终止定界符，由于帧起始信息、帧内容、帧终止信息都是以比特形式表示，所以称为“面向比特位的同步传输”。任意长度的比特串任意长度的比特串帧起始字符帧起始字符帧终止字符帧终止字符帧内容帧内容01111110011111100111111001111110由于面向比特位的同步传输的基本单位是比特，因而可由于面向比特位的同步传输的基本单位是比特，因而可以用来传输任意长度的二进制比特串，通用

18、性强。以用来传输任意长度的二进制比特串，通用性强。台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件为了防止在传输过程中，帧内容与帧起止标志具有相同的比特，发送方边发送边检查数据，每连续发送5个1后，自动在其后插入一个0；而接收端则逆操作。如下图所示：发送前数据：0110111111100011111010发送时数据：01111110 0110111110110001111 10010 01111110接收后数据：0110111111100011111010传输起止定界符处理传输起止定界符处理台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件4.4 面向字符型数据链路层

19、协议实例面向字符型数据链路层协议实例:BSCASIIC码控制字符 SOHstart of heading） STXstart of text） ETBend of transmission block） ETXend of text） ACKacknowledge） NAKnegative acknowledge） ENQenquire） EOTend of transmission） SYNsynchrous） DLEdata link escape）台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件面向字符型面向字符型BSC协议的数据帧格式协议的数据帧格式SYNSYNSOH报头

20、STX正文ETB/ETXBCC报文开始同步字符用户定义报头结束分组结束报文结束校验字段正文字段台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件建立、维护与释放数据链路流程图建立、维护与释放数据链路流程图台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件4.5 高级数据链路层协议实例高级数据链路层协议实例面向比特型面向比特型 4.5.1 HDLC产生的背景产生的背景 面向字符型数据链路层协议的缺点：报文格式不一样；传输透明性不好；等待发送方式，传输效率低。台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件4.5.2 数据链路的配置和数据传送方式数据链路的配置

21、和数据传送方式数据链路的配置非平衡配置平衡配置非平衡配置中的主站与从站主站：控制数据链路的工作过程。主站发出命令 从站：接受命令，发出响应，配合主站工作非平衡配置中的结构特点点-点方式多点方式台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件数据链路的非平衡配置方式数据链路的非平衡配置方式台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件非平衡配置方式非平衡配置方式正常响应模式正常响应模式NRMNRM）主站可以随时向从站传输数据帧；主站可以随时向从站传输数据帧；从站只有在主站向它发送命令帧进行探询从站只有在主站向它发送命令帧进行探询pollpoll），从站），从站响应后

22、才可以向主站发送数据帧。响应后才可以向主站发送数据帧。 异步响应模式异步响应模式ARMARM）主站和从站可以随时相互传输数据帧；主站和从站可以随时相互传输数据帧；从站可以不需要等待主站发出探询就可以发送数据；从站可以不需要等待主站发出探询就可以发送数据；主站负责数据链路的初始化、链路的建立、释放与差错恢主站负责数据链路的初始化、链路的建立、释放与差错恢复等功能。复等功能。台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件平衡配置方式平衡配置方式 u链路两端的两个站都是复合站；u复合站同时具有主站与从站的功能；u每个复合站都可以发出命令与响应；u平衡配置结构中只有异步平衡模式；u异步

23、平衡模式的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。台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件数据链路的平衡配置方式数据链路的平衡配置方式台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件4.5.3 HDLC的帧结构的帧结构 Fflag） ：固定格式：固定格式 01111110 ；作用；作用 帧同步；帧同步； 传输数据的透明性零比特插入与删除）传输数据的透明性零比特插入与删除） Aaddress） ：地址数据链路层地址）：地址数据链路层地址） Ccontrol） ：帧的类型、帧的编号、命令与控制信息：帧的类型、帧的编号、命令与控制信息 I

24、information） ：网络层数据，：网络层数据，Nmax = 256B CRCchecksum） ：校验：校验A、C、I字段的数据字段的数据 G(X)= X16+X12+X5+1标志字段F(8位)地址字段A(8/16位)控制字段C(8/16位)信息字段I(长度可变)帧校验字段FCS(16/32位)标志字段F(8位)台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件零比特插入零比特插入/删除工作过程删除工作过程台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件帧类型及控制字段的意义帧类型及控制字段的意义标志字段F（8 位 ）地址字段A（8 /16位 ）控制字段C（8

25、 位 ）信息字段I(长度可变)帧校验字段F C S（1 6/32位 ）标志字段F(8位)0N(S)P/FN(R)1 0监控P/FN(R)1 1未分配P/F未分配信息帧( I ) ：信息帧( I ) ：监控帧( S ) ：监控帧( S ) ：无编号帧无编号帧(U)：(U)：b0b4b7b1b2b3b5b6台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件帧类型帧类型uI帧 ： NS） 发送帧的顺序号u NR） 接收帧的顺序号u P/F= Poll / Final， P=1 询问，F=1 响应u P与F成对出现uS帧 ：监控功能位(起确认、流量控制等作用)u S = 00，RRrece

26、ive ready）u S = 01，RNRreceive not ready）u S = 10，RJEreject）u S = 11，SREJselect reject）uU帧 ：用于实现数据链路控制功能台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件U帧的格式与链路控制功能帧的格式与链路控制功能MP/FM1 1A01111110FCS01111110110000000111100000100011010001UACMADSARMSNRMSABMDISC命令响应置异步响应置正常响应置异步平衡响应拆链无编号确认命令拒绝建立主从的点-点结构建立主从的多点结构建立复合站的平衡结构结束

27、已建立的数据链路从站响应主站的命令从站报告帧传输异常台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件4.5.4 数据链路层的工作过程数据链路层的工作过程u简化的信息帧结构的表示方法u一个信息帧的表示 IN(S)N(R)P/FData高层数据探询/终止位接收帧序号发送帧序号I帧标志I， N(S)=3， N(R)=4， P=1台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件u无编号帧的表示方法 uSNRM帧与UA帧结构的表示方法 U ， SNRM ， P=1U ， UA ， F=1置置异异步步响响应应模模式式：无无编编号号确确认认：01111110A11001001FC

28、S0111111001111110A11001110FCS01111110置置异异步步响响应应模模式式：无无编编号号确确认认：台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件正常响应模式数据链路工作正常响应模式数据链路工作台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件讨论：数据链讨论：数据链路层与物理层路层与物理层的关系的关系台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件4.6 Internet中的数据链路层中的数据链路层 4.6.1 Internet中主要的数据链路层协议中主要的数据链路层协议uSLIP （Serial Line IP）:串行线路

29、的Internet数据链路层协议 。uPPP （ Point-to-Point Protocol）：点-点协议。uSLIP与PPP用于串行通信的拨号线路上，是目前家庭计算机或公司用户通过ISP接到Internet主要的协议。 台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件4.6.2 SLIP协议协议uSLIP出现于20世纪80年代初;uSLIP协议支持TCP/IP协议;u对数据报进行了简单的封装，然后用RS-232接口串行线路进行传输;uSLIP通常也用来将远程终端连接到UNIX主机，也可通过租用或拨号串行线路进行主机到路由器，以及路由器到路由器的通信。台州学院计算机系Copy

30、right kevin 2010 课件典型的典型的SLIP接入方式接入方式uInternet的家庭或小型公司用户通过调制解调器、电话网络连接到ISP的调制解调器；uISP的调制解调器再通过它的路由器接入Internet；uSLIP系统一般可以发送和接收1006B的IP数据报。台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件SLIP协议的帧结构协议的帧结构uRFC 1055文件对SLIP帧格式进行了讨论;uSLIP帧头与帧尾的“C0”，是协议使用的惟一的一个控制字符;uC0的二进制编码比特序列是1000011 0000000;uC0的使用将影响SLIP帧数据的透明性; IP数据包E

31、ndEndIP数据包C0C0C0在数据传送中以“DB”“DC”表示DB在数据传送中以“DB”“DD”表示台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件SLIP协议的缺点协议的缺点u使用SLIP协议时，通信的双方都必须知道对方的IP地址，因为SLIP协议没有为它们提供相互交换地址信息的方法；u没有设置协议类型字段，不具备同时处理多种网络层协议的能力；u没有校验和字段，差错控制功能由高层的协议承担；uSLIP协议并不是Internet的协议标准，因此不同版本的之间就会存在着差别，使得互连变得困难。台州学院计算机系Copyright kevin 2010 课件4.6.3 CSLIP协议协议uSLIP协议通常运行于传输速率相对较低的串行线路上;u在常用于Telnet之类的应用程序中，人们提出了一种压缩的SLIPCSLIP ）协议;uRFC 1144对CSLIP进行了定义;uTelnet是一种交互式的应用程序，每次常常只传送几个字节的信息，通信效率低。 IP报头(20位)TCP报头(20位)数据压缩TCP/IP报头(3到5位)数据S SL LI IP P帧帧：C CS SL LI IP P帧帧：台州学院计算机系Copy