第三章 数据链路层4

1、第第 3 章章 数据链路层数据链路层3.1 数据链路层概述3.2 差错控制技术3.3 数据传输技术3.4 局域网的体系结构与介质访问技术 3.5 典型的局域网络设备及组网规范3.6 高速以太网3.7 虚拟局域网3.1 数据链路层概述数据链路层概述1、数据链路层的基本概念、数据链路层的基本概念n链路(link)： 一条无源的点到点的物理线路段，中间无任何交换结点。n数据链路(data link)： 通过通信协议来控制链路上数据的传输，链路数据链路n链路与数据链路的对应关系： 采用复用技术时，一条链路上可以有多条数据链路。 2 2、数据链路层协议的主要作用、数据链路层协议的主要作用 利用物理层提供

2、的串行数据位流传输功能，在相邻结点之间确保实现高可靠性的透明数据传输。 3、数据链路层协议的内容、数据链路层协议的内容 链路管理： 数据链路的建立、维持和释放。帧管理： 按照特定的帧格式组帧，帧编号，帧发送，帧接收、帧排序、帧丢失管理、拆帧。差错控制 帧在传输前进行差错编码，到达中继结点和目标结点后要进行差错检测，发现出错要进行纠错，或进行反馈重传透明传输 不管所传输的数据是否会出现与帧的开始和结束标识相同的位组合，都不会出现歧义理解，并能确保正常传输。流量控制 确保发送方的发送速度和接收方的接收速度匹配，不允许出现发送速度超过接收能力的现象，否则会丢失数据。3.2 差错控制技术差错控制技术3

3、.2.13.2.1差错控制概述差错控制概述1 1、差错的产生、差错的产生 任何一个数据通信/网络系统的传输介质本身及所处的环境中，都不可避免地存在一定程度的电磁干扰，作用到数据传输信道上，就可能影响信号的状态。结果将使信宿所接收到的数据和信源所发出的数据不一致，即造成传送差错，简称差错。 2 2、差错的分类、差错的分类 随机类n随机干扰： 长期存在，微幅振荡，波动时间很短，较大峰值很少。n随机性差错： 由随机干扰而引起的差错。n影响程度： 通过确保具有足够的信/噪比值，引发的差错很少。突发类n冲击干扰： 一般由外界强电磁干扰引起，幅度较大，持续时间较长。n突发性错误： 由冲击干扰引发的差错。n

4、影响程度： 可能导致相邻的多个数据位出错，造成传输差错的主要原因n突发长度： 连续出错的位长 衡量突发性错误严重程度的指标。 突发长度和冲击干扰的持续时间有关，还和传输速率有关3 3、差错控制方式、差错控制方式改善信道和相关设备： 通过增加屏蔽设施来改善信道质量，选择有效合理的调制方法来改进设备，等等。可以降低干扰的影响，但不能完全消除干扰的影响。差错控制编码： 进一步的提高传输质量，减少差错。 4 4、差错控制编码过程：、差错控制编码过程： 通过给要传送的数据码元加上“冗余”的码元，使这些冗余码元和数据码元之间建立一定的关系。然后把这些数据码元和冗余码远一起送往信道进行传输，使当接收端查看收

5、到的数据码元和冗余码元，并检查它们之间的关系时，可以发现差错，甚至自动纠正差错。 5 5、差错控制编码的分类：、差错控制编码的分类：n检错码： 是指能够自动发现差错的编码。n纠错码： 不仅能够发现差错而且还能纠正差错的编码。 3.2.2 差错控制编码差错控制编码1、奇偶校验码、奇偶校验码 n编码过程：将要传送的数据分组(以字符为单位)，并在每组数据之后附加一位校验位，使得该组码元中“1”(或“0”)的个数为偶然或奇数。如果编码后使得该组码元中“1”的个数为偶数，则称之为偶校验码；反之，如果编码后使得该组码元中“1”的个数为奇数，则称之为奇校验码。 n奇偶校验的过程：在信息的接收端，按上述规则来

6、检查所接收信息的各码元，看其“1”的个数是否为偶数(偶校验时)，或“1”的个数是否为奇数(奇校验时)。如经检查发现接收信息中“1”的个数与编码规则相符，即偶校验时“1”的个数为偶数，奇校验时“1”的个数为奇数，则认为数据在传输过程中未出现差错。反之，如经检查发现接收信息中“1”的个数与编码规则不符，即偶校验时“1”的个数为奇数，奇校验时“1”的个数为偶数，则认为数据在传输过程中出现了差错。 n检错能力 可以发现奇数个位出错的情况，而不能发现偶数个位出错的情况。 n奇偶校验的分类垂直(纵向)奇偶校验 针对同一字符的不同位进行校验的，所形成的校验位是独立的、离散的； 等同于一般意义上的奇偶校验。水

7、平(横向)奇偶校验 针对一组字符中不同字符的相同位进行校验，所形成的校验位是连续的，并形成一个完整的校验字符。 n检错能力： 不但可以检测出组内各字符同一位上的奇数个错，而且还可以检测出突发长度2m-1（m为字符所占用的数据位数）内的所有突发错误。水平垂直(纵横)奇偶校验 垂直奇偶校验位 r1 r2 r3 rn c m+1 km,1 km,2 km,3 km,n c m 水 数 . . . . 平 据 . . . . 校 位 . . . . 验 （1m） k2,1 k2,2 k2,3 k2,n c 2 位 k1,1 k1,2 k1,3 k1,n c1 信息码元（1n）水平垂直奇偶校验码数据结构

8、n检错能力： 能够发现所有1位、2位、3位的错误，但对于4位以上的错误无法确定，因为可能有对称抵消的情况。但可检测突发长度2m-1的所有错误。 2、代码和校验、代码和校验 又称群计数校验n编码方式： 在数据发送前，首先计算所要传送的数据块中“1”的个数，并对256取模，然后此结果也附加在所传送的信息后面一起发送。n校验过程： 接收端接收时，同样计算代码和并对256取模，然后与发送结果相比较，相同则认为正确；不同则认为传输过程中发生了差错。n与奇偶校验码类似，可以认为上面的校验方式为垂直群计数，还可以进行水平群计数。n检错能力：类似于奇偶校验码，该方法对“1”错成“0”和“0”错成“1”成对发生

9、的这类错误仍然检测不出来，检错能力较低。3、海明码、海明码 纠错码。n编码方式：略n纠错能力：可以纠正一位差错。4、循环冗余校验码、循环冗余校验码n特点： 利用循环码的特点进行校验。n校验方式： 以二进制信息的多项式表示为基础。n表示举例： 对于一组二进制信息位来说，可以用对应的系数为0或1的一个多项式来表示，如：10110101可以表示为：x7+x5+x4+x2+1。一般性的，对于n个信息位的一组代码，有：P(x)=an-1xn+an-2xn-1+a2x2+a1x+a0n基本思想： 给信息报文加上一些校验位，构成一个特定的待传报文，使它所对应的多项式能被一个事先指定的多项式除尽，这个被指定的

10、多项式就叫做生成多项式G(x)。G(x)由发送方和接收方共同约定。接收方收到报文后，就用G(x)来检查收到的报文可否被除尽。可以除尽就表示传输无误。否则就说明收到的报文不正确。 n编码过程： 设M(x)为信息报文对应的多项式，G(x)为生成多项式，T(x)表示附加了校验位以后的实际传输报文的多项式。那么T(x)应该被G(x)除尽，关键是如何得到T(x)，求T(x)的步骤如下：构成多项式：xrM(x) 其中，r是G(x)的最高次幂数（决定校验位的位数）。 设信息码元m=101101101001，则对应的多项式： M(x)=x11+x9+x8+x6+x5+x3+1 假定生成多项式：G(x)=x4+

11、x2+1。 xrM(x)= x4 (x11+x9+x8+x6+x5+x3+1)= x15+x13+x12+x10+x9+x7+ x4 对应的信息码元为：1011011010010000 即在信息报文低端附加r个0，使它包含m+r位。其中m是信息位的位数。此时， m=12 ， r=4。求G(x)去除 xrM(x)的余式R(x)：nR(x)= xrM(x)模G(x)=（x15+x13+x12+x10+x9+x7+ x4）模（x4+x2+1），余式为1。 等价于1011011010010000/10101，余数为0001构成一个能被G(x)除尽的T(x) 从xrM(x)中减去R(x)一定能被G(x)

12、除尽。 T(x) = xrM(x)R(x) ，因为是模2运算，因此等价于： T(x) = xrM(x)R(x) 本例：T(x) = x4 (x11+x9+x8+x6+x5+x3+1)+1= x15+x13+x12+x10+x9+x7+ x4+1 对应的信息位为：1011011010010001。n检错过程： 假定接收端收到的报文为T(x)，如果T(x)/G(x)无余式，则可认为传输无差错，否则可认为有错。n特点：检错可以用简单的硬件电路快速实现。校验能力与G(x)的构成密切相关： G(x)的最高幂次决定了校验位的位数，也决定了检错能力。因此，G(x)的校验次数越高，检错能力就越强。G(x)一般

13、由国际标准化组织或有影响的厂商给出，典型为16位、32位和64位。nCRC检错能力： 可以检测出所有的单比特、双比特及奇数个错误，还可以检测出任意长度小于或等于r的突发性错误，而当突发长度br时，检测不出的突发错误占同样长的突发错误总数的百分比(概率)为2-（r-1）。3.2.3 差错控制方式差错控制方式1、反馈重传、反馈重传(Automatic Repeat Request，ARQ)纠错方式纠错方式 发送端通过主信道发送能够检测错误的码，接收端根据该码的编码原则，判别传输过程中是否出现了差错，然后通过反馈信道把判别信号告诉发送端，发送端根据这些判别信号决定是继续发送后续数据还是把接收端认为有

14、错的数据重新编码发送。n在ARQ方式中，还有两种不同的实现方式。n发送等候(Stop and wait)方式： 发送端在发送完一组数据后，等待接收端通过反馈信道送回的判别信号，然后据此决定是继续发送下一组信息(无错时)，还是重发刚刚发过的一组数据(有错时)，直到接收端认为正确接收为止，然后再继续发送后续数据。 既可采用全双工通信方式也可采用半双工通信方式。n连续发送(Continuous)方式： 发送端在发完一组数据后，并不等待接收端送回的判决信号，而是立刻发送下一组数据，发送端在不断发送的同时，也在不断地接收检查送回的判决信号，不断的重发数据。但每送回一个否定判决信号NAK时，也必须告诉发送

15、端哪一组信息有错。为此，应将每组数据都进行编号，以使发送端在收到NAK之后，可以从有错的那一组信息开始重发。 一般要求全双工制式及相应线路的支持。2、前向纠错、前向纠错( Forward error Correcting ，FEC)方式方式n工作过程： 发送端发送不仅能够检错的码，而且是能够纠错的码，接收端在收到这些码以后，通过译码器译码不仅能够发现传输过程中出现的差错，而且还能够自动纠正传输差错。n优点： 不需反馈信道，宜于进行多播。n缺点： 译码过程和译码设备复杂，编码效率低。3、混合纠错、混合纠错(Hybrid Error Correcting，HEC)方式方式 上述两种方式的综合。 与

16、前向纠错方式相同，发送端发送的编码不仅具有检错能力，而且还具有一定的纠错能力。接收端在接收到发送端发送过来的数据后，首先检查错误情况。如果错误较少，没有超出编码的纠错能力，则采用前向纠错方式进行纠错；如果错误较多，超出了编码的纠错能力(但能检测出来)，则接收端通过反馈信道，要求发送端重发有错的信息，即采用反馈重传(ARQ)方式。当然，如果没有检测出错误，则直接传输后续信息。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IP 数据报1010 0110帧装入帧结束符帧首部IP 数据报帧的数据部分帧尾部帧开始发送帧开始符3.3 数据传输技术 3.3.1 帧的管理数据链

17、路层结点 A结点 B帧发送帧接收链路1、帧的标识、帧的标识(1)字节计数法 首先用一个特殊字符来表示一帧的开始，然后使用一个字段来标明本帧内的字节数。(2)使用字符填充的首尾定界符方法 用一些特定的字符来定界一帧的开始和结束。(3)使用比特填充的首尾标志方法 用一组特定的比特模式(01111110)来标志一帧的开始和结束(4)违例编码法 通过在物理层采用特定的比特编码方法来解决。 如在曼彻斯特编码方法中，将数据比特1编码成“高一低”电平对，而将数据比特0编码成“低一高”电平对。“高一高”或“低一低”电平对在数据比特的编码中都是违例的。可以借用这些违例编码的序列来定界帧的开始和结束。2、帧的丢失

18、管理、帧的丢失管理(1)丢失的原因： 传输环境中的冲击噪声完全可能使帧被破坏，即物理信道可能丢失帧，包括数据帧或控制帧。(2)丢失的后果： 发送方永远接收不到有关接收方正确接收与否的反馈信息，而无限等待下去，造成通信死锁。(3)解决方法： 引入计时器(timer)。 当发送方计时器超时(timeout)后还未收到帧确认信息，传出的帧必定出错或丢失，重新发送。3.3.2 透明传输透明传输1、问题的提出、问题的提出SOHEOT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EOT完整的帧发送在前2、面向字符型传输控制规程的解决方法、面向字符型传输控制规程的解决方法n发送端的数

19、据链路层在数据中出现控制字符时即前面插入一个转义字符“ESC”(其十六进制编码是 1B)。n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。n如果转义字符也出现数据当中，那么应在转义字符前面再插入一个转义字符。n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。 SOHSOHEOTSOHESCESCEOTESCSOHESCESCESCSOH原始数据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SOH3、面向位的传输控制规程解决方法n0比特插入删除技术3.3.3 流量控制流量控制1、停止等待、停止等待ARQ协议协议ENQACK(1) 允许发送方连续发送N帧，在此期间无需等待接收方的应答确认。(2) 每帧给予一个帧序号标识（0 N-1）。(3) 接收方向发送方回送的确认应答中，给出期望要接收的下一帧的帧序号值