计算机网络原理及应用：第四章数据链路层

1、计算机网络应用与技术具有五层协议的体系结构 OSITCP/IP五层协议的体系结构 运输层 网络层 数据链路层 物理层 表示层 会话层 应用层 运输层 网络层 数据链路层 物理层 应用层 应用层运输层网际层网络接口层第 4 章 数据链路层技术4.1 数据链路层的设计问题4.2 差错控制技术4.3 流量控制技术4.4 点对点协议数据链路层数据链路层是OSI参考模型中的第二层,介乎于物理层和网络层之间，在物理层所提供的服务的基础上向网络层提供服务。数据链路层的作用是对物理层传输原始比特流的功能的加强，将物理层提供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，即使之对网络层表现为一条无差错的链路

2、。数据链路层的信道类型数据链路层使用的信道主要有以下两种类型：点对点信道。这种信道使用一对一的点对点通信方式（PPP）。广播信道。这种信道使用一对多的广播通信方式，因此过程比较复杂。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 4.1 数据链路层的设计问题 4.1.1 几个主要概念 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。现在最常用的方法是使用适

3、配器（即网卡）来实现这些协议的硬件和软件。一般的适配器都包括了数据链路层和物理层这两层的功能。 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物理层数据链路层结点 A结点 B帧(a)(b)发送帧接收链路IP 数据报1010 0110帧装入数据链路层传送的是帧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。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。 结点结点帧帧4.1.2数据链路层的目的数据链路层在网络实体间提供建立、维持和释放数据链路连接以及传输数据链路服

4、务数据单元所需的功能和过程的手段，在物理连接上建立数据链路连接。数据链路层检测和校正在物理层出现的错误，并能使网络层控制物理层中的数据电路的互联。4.1.3数据链路层的主要功能 (1) 链路管理：数据链路的建立、维持和释放就叫做链路管理。当网络中的两个节点要进行通信时，数据的发方必须确知收方是否已经已经处于准备。为此，通信的双方必须先要交换一些必要的信息。或者说是必须先建立一条数据链路。同样地，在传输数据时要维持数据链路，而在通信完毕时要释放熟路链路。根据数据链路层向网络层提供的服务可分为无应答无连接服务、有应答无连接服务和面向连接的服务三种。(2) 帧定界：是指收方应当能从收到的比特流中准确

5、地区分出一帧的开始和结束在什么地方。帧定界也可称为帧同步(3) 流量控制： 发方发送数据的速率必须使得收方来得及接收。当收方来不及接收时，就必须及时控制发方发送数据的速率。采用接收方的接收能力来控制发送方的发送能力。(4) 差错控制: 采用了编码技术，编码技术有两大类。一类是前向纠错:也就是收方收到有差错的数据帧时，能够自动将差错改正过来。这种方法的开销较大，不大适合于计算机通信。另一类是差错检测:也就是收方可以检测出收到的数据帧有差错（但并不知道出错的确切位置）。当检测出有差错的数据帧就立即将它丢弃。(5) 将数据和控制信息区分开 数据和控制信息处在同一帧中。为此一定要有相应的措施使得收方能

6、够将他们区分开来。(6) 透明传输 所谓透明传输就是不管所传数据是什么样的比特组合，都应当能够在链路上传送。当所传数据中的比特组合恰好出现了与某一控制信息完全一样时，必须有可靠的措施，使得接收方不会将这种比特组合的数据误认为是某种控制信息。 (7) 寻址 必须保证每一帧都能送到正确的目的站，接收方也应知道发送方是哪个站。4.2差错控制技术 根据数据通信系统的模型，当数据从信源发出，经过通信信道传输，由于信道总存在着一定的噪声，数据到达信宿端后，接收的信号实际上是数据信号和噪声信号的叠加。接收端在取样时钟作用下接收数据，并根据阈值电平判断信号电平。如果噪声对信号的影响非常大时，就会造成数据的传输

7、错误。 数据通信中的实际情况而造成差错可能的原因包括：在数据通信中，信号在物理信道上的线路本身的电气特性随机产生的信号幅度、频率、相位的畸形和衰减；电气信号在线路上产生反射噪声的回波效应；相邻线路之间的串线干扰；大气中的闪电、电源开关的跳火、自然界磁场的变化以及电源的波动等外界因素。 差错编码差错检测编码：奇偶校验码；水平垂直奇偶校验码；CRC循环冗余码等；差错纠错编码：汉明码；卷积码；奇偶校验码采用奇偶校验法，在每个字符的数据位传输之前，先检测并计算奇偶校验位，然后将其附加在后；根据采用的奇偶校验位是奇数还是偶数，推出一个字符包含“1”的数目，接收机重新计算收到字符的奇偶校验位，并确定该字符

8、是否出现传输差错；若每个字符只采用一个奇偶校验位时，只能发现单个比特差错，如果有两个或两个以上比特出错，奇偶校验位无效；异步传输和面向字符的同步传输均采用奇偶校验技术；循环冗余码CRCCRC是一种较为复杂的校验方法，它先将要发送的信息数据与一个通信双方共同约定的数据(生成码)进行除法运算，并根据余数得出一个校验码，然后将这个校验码附加在信息数据帧之后发送出去。接收端接收数据后，将包括校验码在内的数据帧再与约定的数据（生成码）进行除法运算，若余数为“0”，就表示接收的数据正确，若余数不为“0”，则表明数据在传输的过程中出错。冗余码生成码CRC码产生过程（1）将数据M变为多项式M(x)。如M为11

9、01，多项式M(x)=x3+x2+1。（2）将M左移n位，得到M(x).xn；（3）用模2除法得到R(x)（采用异或运算：相同为0，相异为1）。R(x)=M(x).xn/P(x);（4）T(x)= M(x).xn+R(x);（5）接收方T(x)/ P(x)，若除数为0，表示无错码，去掉T(x)后的n位校验位。题：要发送的信息码是1010001101，求生成码、冗余码和发送码则有nbit的R；待求？P为n+1bit，可求求P常用的方法：假设以CRC-16方法求的P=11000000000000101M左移16位对P的余数是R= 1000111100101101发送码：10100 01101 10

10、00111100101101101000110100000000,00000,000,11000000000000101 11000110100001010 11000000000000101 11010000111100000 11000000000000101 10000111100101000 11000000000000101 1000111100101101传送的数据为： 10100 01101 1000111100101101但另一端收到后：则校验101000110110001111,00101,101 11000000000000101 11000110110000101 110

11、00000000000101 11011000000000101 11000000000000101 11000000000000101 11000000000000101 0 题1：已知要发送的信息码M：10111010 生成码P：按照CRC-16：X16+X15+X2+1求的。求：生成码P和冗余码R。题2.已知接收码T：1100111001，生成码P：11001，求：码字的正确性。若正确，则指出冗余码和信息码。 4.3 流量控制技术流量控制就是为了确保发送端发送的数据不会超出接收端接收数据能力的一种技术。停止等待协议在停止等待ARQ(Automatic Repeat reQuest-自动重

12、传请求 )方式中，发送端在发送完一个数据帧后，要等待接收端返回的应答信息，若应答为确认信息（ACK）时，发送端才可以继续发送下一个数据帧；若应答为不确认帧（NAK）时，发送端需要重发这个数据帧。停止等待ARQ协议非常简单，由于是一种半双工的协议，因此系统的通信效率低。连续ARQ协议工作原理发送方发完一帧后，不必停下来等待对方的应答，可以连续发送若干帧；如果在发送过程中收到接收方的肯定应答，可以继续发送；若收到对其中某一帧的否认帧，则使用某种ARQ方式重发数据；优点连续发送提高了信道利用率；连续ARQ协议包括选择ARQGo-Back-N ARQARQ选择ARQ与Go-Back-N的比较采用选择A

13、RQ方式时，由于接收到的数据帧有可能是乱序的，因此，接收端必须提供足够的缓存先将每个数据帧保存下来，然后对数据帧重新排序。但由于该方式仅重发出错的数据帧，因此，信道利用率高。对于Go-Back-N方式，接收到的数据帧是按顺序排列的，因而接收端不需要太多的缓存，但由于发送端要将出错数据之后的已发送数据帧重新发送，致使信道利用率相对较低。4.4点对点（PPP）协议 4.1.1PPP协议的作用PPP协议的作用是在两个节点设备的数据链路层实体之间传送网络层协议数据单元PDU（例如IP数据报）。这两个节点设备之间必须没有其他的中间设备。我们常见的PPP应用场合是调制解调器通过拨号或专线方式将用户计算机接

14、入ISP网络，即用户计算机与ISP服务器连接。另一个PPP应用领域是局域网之间的互联。 PPP的作用如图4.8所示。Modem之间、路由器之间的链路(1)PSTN【公共交换电话网络 】：对应的Modem就是我们早期拨号上网使用的Modem。(2)ISDN【综合业务数字网 】：对应的Modem就是ISDN Modem。(3)ADSL【ADSL （Asymmetric Digital Subscriber Line ，非对称数字用户环路）是一种新的数据传输方式。它因为上行和下行带宽不对称，因此称为非对称数字用户线环路 】：对应的Modem就是ADSL Modem。(4)DDN【数字数据网 】：此时不再使用拨号方式的Modem，而是采用同步的专线设备，双方一直保持连接。这种方式多用于局域网之间的互联，或者把局域网接入Internet。4.4.2 PPP协议的组成部分封装规范：由于PPP协议面向多种网络层协议，换句话说，PPP的PDU要能够封装多种网络层协议的PDU，因此，PPP定义了封装了多种网络