计算机网络第4章：数据链路层

1、2本章学习要求：n理解：数据传输过程中理解：数据传输过程中差错产生的原因与性质差错产生的原因与性质n掌握：误码率的定义与差错控制方法掌握：误码率的定义与差错控制方法n掌握：数据链路层的基本概念掌握：数据链路层的基本概念n了解了解：面向字符型数据链路层协议实例：面向字符型数据链路层协议实例BSCn掌握：面向比特型数据链路层协议实例掌握：面向比特型数据链路层协议实例 HDLCn掌握：掌握：Internet中的数据链路层中的数据链路层PPP协议协议34.1 差错产生与差错控制方法4.1.1 为什么要设计数据链路层为什么要设计数据链路层n在原始物理传输线路上传输数据信号是有差错的；在原始物理传输线路上

2、传输数据信号是有差错的；n设计数据链路层的主要目的：设计数据链路层的主要目的： 将有差错的物理线路改进成逻辑上无差错的数据链路；将有差错的物理线路改进成逻辑上无差错的数据链路； 方法方法 差错检测差错检测 差错控制差错控制 流量控制流量控制n作用：改善数据传输质量，向网络层提供高质量的服务。作用：改善数据传输质量，向网络层提供高质量的服务。44.1.2 差错产生的原因和差错类型 n传输差错传输差错 通过通信信道后接收的数据与发送数据不一致的现象通过通信信道后接收的数据与发送数据不一致的现象;n差错控制差错控制 分析差错产生的原因与类型，检查是否出现差错以及如分析差错产生的原因与类型，检查是否出

3、现差错以及如 何纠正差错；何纠正差错；n通信信道的噪声分为两类：通信信道的噪声分为两类： 热噪声：由传输介质导体的电子热运动产生；热噪声：由传输介质导体的电子热运动产生； 特点：特点：时刻存在，幅度较小，强度与频率无关，但频谱很宽；时刻存在，幅度较小，强度与频率无关，但频谱很宽； 随机差错随机差错，出错的数据位不相邻，出错的数据位不相邻 ； 冲击噪声：由外界电磁干扰引起；冲击噪声：由外界电磁干扰引起； 特点：特点：幅度较大，是引起传输差错的幅度较大，是引起传输差错的主要原因主要原因； 突发差错突发差错，出错的数据位相邻；，出错的数据位相邻； 突发长度：引起突发差错的位长；突发长度：引起突发差错

4、的位长；n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。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。5传输差错产生过程6 4.1.3 误码率的定义 n误码率定义误码率定义：二进制比特在数据传输系统中被传错的概率，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：它在数值上近似等于： Pe = Ne /N其中，其中，N为传输的二进制比特总数为传输的二进制比特总数 Ne为被传错的比特数为被传错的比特数7正确理解误码率正确理解误码率n误码率应该是衡量数据传输系统误码率应该是衡量数据传输系统正常工作状态正常工作状态下下传输可靠性的参传输可靠性的参数；数；n对

5、于一个实际的数据传输系统，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，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；要根据实际传输要求提出误码率要求；n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；二进制比特来计算；n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。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。 84.1.4 检错码与纠错码（差错控制的

6、两种策略） 差错控制差错控制差错检测与校正（差错检测与校正（部分部分差错）差错）n纠错码纠错码： 每个传输的分组带上足够的冗余信息；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；接收端能发现并自动纠正传输差错； 看似优越，但实现困难，一般不采用。看似优越，但实现困难，一般不采用。n检错码检错码: : 分组仅包含足以使接收端发现差错的冗余信息；分组仅包含足以使接收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，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；并且自己不能纠正传输差错； 需要重传机制的辅助完成纠错，但工作原理简单，需要

7、重传机制的辅助完成纠错，但工作原理简单，实现容易，得到广泛使用。实现容易，得到广泛使用。 9常用的检错码n奇偶校验码奇偶校验码 垂直奇（偶）校验垂直奇（偶）校验 水平奇（偶）校验水平水平奇（偶）校验水平 水平垂直奇（偶）校验（方阵码）水平垂直奇（偶）校验（方阵码） n循环冗余编码循环冗余编码CRC 检错能力强、容易实现，目前应用最广的检错检错能力强、容易实现，目前应用最广的检错码编码方法之一码编码方法之一104.1.5 循环冗余编码工作原理 （又称多项式编码）（又称多项式编码）11多项式和二进制数的对应关系 nx x的最高幂次对应二进制数的最高位，以下各位对应的最高幂次对应二进制数的最高位，以

8、下各位对应多项式的各幂次，有此幂次项对应多项式的各幂次，有此幂次项对应1 1，无此幂次项对，无此幂次项对应应0 0。 n例如：例如： 多项式：多项式：x x4 4+x+x3 3+x+1 +x+1 对应对应 二进制数：二进制数：11011 11011 二进制数二进制数1111 1111 对应对应 多项式：多项式：x x3 3+x+x2 2+x+1+x+112 举例：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1 1 0 0 1 1 1 0 0 11 1 0 0 11 1 0 0 11 1 0 0 11 1 0 0 101 0 0 0 0

9、 11 1 0 0 1 1 0 0 0 01 1 0 0 1G(x)1 1 0 0 11 0 0 0 01 1 0 0 11 0 0 1R(x)1 0 0 0 0 1Q(x)f(x).xk发送数据比特序列为发送数据比特序列为110011110011（6 6比特），对应多项式为？比特），对应多项式为？生成多项式比特序列为生成多项式比特序列为1100111001（5 5比特，比特，k k4 4），对应），对应多项式为？多项式为？将发送数据多项式乘以将发送数据多项式乘以x x4 4，得到多项式？对应二进制序列？得到多项式？对应二进制序列？将所得乘积用生成多项式比将所得乘积用生成多项式比特序列去除，注

10、意按特序列去除，注意按模二算法模二算法计算计算，求得余数比特序列为？，求得余数比特序列为？将余数比特序列加到乘积中，将余数比特序列加到乘积中，得发送数据比特序列为？得发送数据比特序列为？若数据传输过程没有发生错若数据传输过程没有发生错误，接收端收到的带有误，接收端收到的带有CRCCRC校校验码的数据比特序列一定能被验码的数据比特序列一定能被相同的生成多项式整除。相同的生成多项式整除。13标准CRC生成多项式G（x）nCRC-12 G（x）= x12+x11+x3+x2+x+1nCRC-16 G（x）= x16+x15+x2+1nCRC-CCITT G（x）= x16+x12+x5+1nCRC-

11、32 G（x）= x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+ x10+x8+x7+x5+x4 + x2+x+1 G(x)多项式由协议规定，其结构及检错效果是经过严多项式由协议规定，其结构及检错效果是经过严格的数学分析与实验后确定的。格的数学分析与实验后确定的。14CRC校验码的检错能力nCRC校验码能检查出全部单个错；校验码能检查出全部单个错；nCRC校验码能检查出全部离散的二位错；校验码能检查出全部离散的二位错；nCRC校验码能检查出全部奇数个错；校验码能检查出全部奇数个错；nCRC校验码能检查出全部长度小于或等于校验码能检查出全部长度小于或等于K位的突发错；位的突发错；nCR

12、C校验码能以校验码能以1-（1/2）K-1的概率检查出长度为（的概率检查出长度为（K+1）位的突发错；位的突发错； 例如：假设例如：假设K=16，则该则该CRC校验码能全部检查出小于或等于校验码能全部检查出小于或等于16 位的所有的突发差错，并能以位的所有的突发差错，并能以1-（1/2）16-1=99.997的的概率检查出长度为概率检查出长度为17位的突发错，漏检概率为位的突发错，漏检概率为0.003%； 154.1.6 差错控制机制 反馈重发机制反馈重发机制 （ARQ）16反馈重发机制的分类 n 停止等待方式停止等待方式 接收端接收端发送端发送端ACKNAKACK1223122317连续工作

13、方式 n拉回方式拉回方式n选择重发方式选择重发方式 发送端发送端接收端接收端ACK0ACK1NAKACK2ACK3(a)ACK0ACK1NAKACK2ACK6(b)ACK3ACK4ACK5丢弃丢弃重传重传重传重传01234523456012345234560123452678901234526789发送端发送端接收端接收端丢弃丢弃184.2 数据链路层的基本概念4.2.1 物理线路与数据链路物理线路与数据链路n物理线路物理线路 数据链路数据链路194.2.2 数据链路控制功能 数据链路层协议数据链路层协议 为实现数据为实现数据链路控制功能链路控制功能而而 制定的规程或协议。制定的规程或协议。n

14、链路管理链路管理 n帧同步帧同步 n流量控制流量控制 n差错控制差错控制 n帧的透明传输帧的透明传输 n寻址寻址 204.2.3 数据链路层向网络层提供的服务 n所处位置：数据链路层是所处位置：数据链路层是OSI参考模型的第参考模型的第2层；层；n为下层：设立数据链路层的主要目的是将原始的、有差为下层：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；错的物理线路变为对网络层无差错的数据链路；n所具功能：为了实现这个目的，数据链路层必须实现链所具功能：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；路管理、帧传输、流量控制、差错控

15、制等功能；n为上层：数据链路层为网络层提供的服务主要表现在：为上层：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。的传输技术的差异性。214.3 面向字符型协议实例n什么是面向字符型协议什么是面向字符型协议? 将字符作为传输控制信息的基本单元将字符作为传输控制信息的基本单元n特点：特点：利用已定义好的一种标准字编码（如利用已定义好的一种标准字编码（如ASIIC码，码，EBCDIC码）的一码）的一个子集来执行通信控制功能。个子集来执行通信控制功能。nASIIC码：码： 格式字符：格式字符

16、： SOH（start of heading） STX（start of text） ETB（end of transmission block） ETX（end of text） 控制字符：控制字符： ACK（acknowledge） NAK（negative acknowledge） ENQ（enquire） EOT（end of transmission） SYN（synchrous） DLE（data link escape）n缺点：缺点： 使用不同字符集的两台计算机很难通信；使用不同字符集的两台计算机很难通信； 用户数据传输用户数据传输“透明性透明性”差。差。22n面向字符型面向字符

17、型BSC协议的数据报文格式：协议的数据报文格式：n转义字符的使用：转义字符的使用： 当正文字段中出现与控制字符相同编码时，发送硬件自动在当正文字段中出现与控制字符相同编码时，发送硬件自动在其后插入一个其后插入一个DLE字符。字符。23面向字符型面向字符型协议的执行协议的执行过程过程属于停止等待型协议属于停止等待型协议图中：图中：n虚线表示虚线表示协议控制信息交换协议控制信息交换n实线表示实线表示数据信息的交换数据信息的交换244.4 典型数据链路层协议分析 面向比特型4.4.1 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面向字符型数据链路层协议的缺点：n控制报文与数据报文格式

18、不一致；控制报文与数据报文格式不一致；n等待发送方式，传输效率低；等待发送方式，传输效率低；n只对数据部分进行差错控制，控制字符出错无法控制，可靠性差；只对数据部分进行差错控制，控制字符出错无法控制，可靠性差；n新功能对应增加新控制字符，功能扩展困难；新功能对应增加新控制字符，功能扩展困难；n传输透明性不好。传输透明性不好。面向比特型协议的设计目标面向比特型协议的设计目标：n以比特作为传输控制信息的基本单元；以比特作为传输控制信息的基本单元；n数据帧与控制帧格式相同；数据帧与控制帧格式相同；n传输透明性好；传输透明性好；n连续发送，传输效率高。连续发送，传输效率高。254.4.2 数据链路的配

19、置和数据传送方式数据链路的配置数据链路的配置n非平衡配置非平衡配置n平衡配置平衡配置 非平衡配置中的主站与从站非平衡配置中的主站与从站n主站：控制数据链路的工作过程。主站发出命令主站：控制数据链路的工作过程。主站发出命令 n从站：接受命令，发出响应，配合主站工作从站：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非平衡配置中的结构特点n点点- -点方式点方式n多点方式多点方式26数据链路的非平衡配置方式27非平衡配置两种数据传送方式正常响应模式（正常响应模式（normal response mode，NRM）n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；n从站只有在主

20、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（poll），），从站从站响应后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（asynchronous response mode，ARM）n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；n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；n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。28平衡配置方式 n链路两端的两个站都是复合站（链路两端的两个站都是复合站

21、（combined station）；）；n复合站同时具有主站与从站的功能；复合站同时具有主站与从站的功能；n每个复合站都可以发出命令与响应；每个复合站都可以发出命令与响应；n平衡配置结构中只有异步平衡模式（平衡配置结构中只有异步平衡模式（asynchronous balanced mode，ABM）；）；n异步平衡模式的每个复合站都可以平等地发起数据传输，异步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。而不需要得到对方复合站的许可。29数据链路的平衡配置方式304.4.3 HDLC的帧结构 nF（flag） ：固定格式固定格式 01111110 作用作用 帧同

22、步帧同步 传输数据的透明性（传输数据的透明性（零零比特插入与删除）比特插入与删除） nA（address） ：地址地址nC（control） ：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nI（information） ：网络层数据，网络层数据，Nmax = 256BnFCS（checksum） ：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)31零比特插入/删除工作过程32帧类型及控制字段的意义33帧类

23、型nI帧帧 ： N（S） 发送发送帧的顺序号帧的顺序号 N（R） 接收帧的顺序号接收帧的顺序号 P/F= Poll / Final， P=1 询问，询问，F=1 响应响应 P与与F成对出现成对出现nS帧帧 ：监控功能位监控功能位,对于接收到的以前各帧的监控，用于对于接收到的以前各帧的监控，用于表示接收状态，同时进行流量控制和差错控制。表示接收状态，同时进行流量控制和差错控制。 S = 00，RR（receive ready） S = 10，RNR（receive not ready） S = 01，RJE（reject） S = 11，SREJ（select reject） RR帧和帧和RNR

24、帧：帧：确认确认流量控制流量控制； RJE帧和帧和SREJ帧：帧：确认确认差错控制差错控制。nU帧帧 ：用于实现数据链路控制功能用于实现数据链路控制功能34U帧的格式与链路控制功能354.4.4 数据链路层的工作过程数据链路层的工作过程n简化的信息帧结构的表示方法简化的信息帧结构的表示方法n一个信息帧的表示一个信息帧的表示 I， N(S)=3， N(R)=4， P=136n无编号帧的表示方法无编号帧的表示方法 nSNRM帧与帧与UA帧结构的表示方法帧结构的表示方法 U ， SNRM ， P=1U ， UA ， F=1置异步响应模式：置异步响应模式：无编号确认：无编号确认：01111110A11

25、001001FCS0111111001111110A11001110FCS01111110置异步响应模式：置异步响应模式：无编号确认：无编号确认：置正常响应模式：置正常响应模式：无编号确认：无编号确认：无编号确认：无编号确认：置正常响应模式：置正常响应模式：37正常响应正常响应模式数据模式数据链路工作链路工作38讨论：数据链路层与物理层的关系394.5 Internet中的数据链路层 Internet中主要的数据链路层协议中主要的数据链路层协议nSLIP （Serial Line IP） 串行线路的串行线路的Internet数据链路层协议数据链路层协议nPPP （ Point-to-Point

26、 Protocol） 点对点协议点对点协议nSLIP与与PPP用于串行通信的拨号线路上，是目前家庭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计算机或公司用户通过ISP接到接到Internet主要的协议。主要的协议。 40PPP协议基本特点协议基本特点nPPP协议是协议是Internet标准，标准，RFC 1660、RFC 1661定定义了义了PPP协议与帧结构；协议与帧结构；nPPP协议处理了差错检测，支持面向字符型协议与面协议处理了差错检测，支持面向字符型协议与面向比特型协议向比特型协议,可以支持可以支持IP协议及其他一些网络层协议协议及其他一些网络层协议（例如（例如IPX协议

27、）；协议）；nPPP协议不仅在拨号电话线，并且在路由器协议不仅在拨号电话线，并且在路由器路由器路由器之间的专用线上广泛应用之间的专用线上广泛应用;nPPP协议是在大多数家庭协议是在大多数家庭个人计算机和个人计算机和ISP之间使用的之间使用的协议协议，它可以作为在高速广域网和社区宽带网协议族，它可以作为在高速广域网和社区宽带网协议族的一部分。的一部分。 41点对点点对点PPP链路通信过程链路通信过程建立数据链路建立数据链路PPP链路控制帧链路控制帧LCP选择和配置网络层协议选择和配置网络层协议PPP网络控制帧网络控制帧NCP网络层数据包在网络层数据包在PPP协议控制下传输协议控制下传输PPP信息

28、帧信息帧42PPP信息帧格式n 标志（标志（flag）：）：01111110n 地址地址（address）：值为值为“FF”（11111111），），表示网中所有的表示网中所有的站都接收该帧。站都接收该帧。n 控制控制（control）：值为值为“03”（00000011）n 协议（协议（protocol）：）：长度为长度为2字节，它标识出网络层协议数据域字节，它标识出网络层协议数据域的类型。的类型。 常用的网络层协议的类型主要有：常用的网络层协议的类型主要有： 0021HTCP/IP 0027HDEC 0023HOSI 002BHNovelln信息字段：信息字段：长度可变长度可变n帧校验字段帧校验字段43链路控制帧（LCP）与网络控制帧