计算机通信技术第11章

1、第11章 数据链路控制规程11. 1 数据链路控制规程的基本概念链路：是指一条无源的点到点的物理线路，中间没有任何其它的交换结点。 一条链路只是一条通路的一个组成部分，基于物理层的协议，可以把链路通过接口串联起来建立物理线路。但仅仅有物理线路还不能进行数据传输，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。第11章 数据链路控制规程11. 1 数据链路控制规程的基本概念 设计数据链路控制规程的主要目的是将有差错的物理线路改进成无差错的数据链路。其作用是改善数据的传输质量，向网络层提供高质量的服务。 全理想化的数据传输基于两个假设： 链路是理想的

2、传输信道，所传送的任何数据既不会出差错也不会丢失，发送方发送的数据全部正确到达接收方。 不管发方以多快的速率发送数据，收方总是来得及收下，并及时上交主机。第11章 数据链路控制规程 11. 1 数据链路控制规程的基本概念 在实际应用中，由于设备本身的性能以及外界存在的各种干扰，完全理想化的数据传输无法实现，这就需要在数据的传输过程中加入相应的控制手段。 保留上述的第一个假设，去掉第二个假设。即传输数据的信道仍然是无差错的理想信道。但不能保证接收端向主机交付数据的速率永远不低于发送端发送数据的速率。为了保证数据的正确接收，这时通信网络中就会采用由接收方控制发送方数据流量的办法来解决这一问题。第1

3、1章 数据链路控制规程 实际的链路上不但会出现流量控制问题，还会发生差错，也会有数据帧丢失的情况发生。现在将上述的第一个假设和第二个假设都去掉，即传输数据的信道是有差错的信道，并且不能保证接收端向主机交付数据的速率永远不低于发送端发送数据的速率。第11章 数据链路控制规程 在讨论了实际链路中的数据链路控制问题后，我们发现数据链路控制规程必须包含以下一些基本的功能： 把用户（网络层）的数据分割成块，组织成帧，而且帧的开头和结尾都要有明确的标志。比特流成帧看似简单实则很难，尤其是帧的定界。成帧方法有四种：字符计数法，在帧头部使用一个字段来标明帧内字符数；带字符填充的首尾界符法，该方法可以绕过出错后

4、再同步的问题，而是每一帧以ASCII字符序列DLE STX开头，以DLE ETX结束。目的机器一旦丢失帧边界，只须查找开头和结束字符即可；带位填充的首尾标志法，使用位填充技术，两帧间的边界就可通过位模式唯一识别；物理层编码违例法。第11章 数据链路控制规程 提供识别和寻址某个发送端或接收端的手段，而该发送端或接收端可能是多点连接设备中的一个。 提供差错控制机制，保证所有的帧最终都能按照正确的顺序交付给目的主机的网络层。为保证可靠传送，要求接收方发送确认消息，表示此帧正确到达或出现了差错需要重传。第11章 数据链路控制规程 提供流量控制手段，使发送端发送数据帧的速率不会大于接收端接收数据帧的能力

5、。 规定出现异常情况时的处理机制，否则当计算机出现异常而无法处理，会造成死锁现象，导致整个系统受到影响。 要解决通信线路的连接问题，通过统一的标准接口解决不同类型的节点和不同类型操作系统之间的通信问题。第11章 数据链路控制规程 11.2 流量控制 在实际通信条件下，数字终端设备与数字传输设备传输速率之间存在很大差异，这样数据在传送与接收过程当中很可能出现收方来不及接收的情况，这时就需要对发送方进行控制，避免数据丢失。使接收端向主机交付数据的速率不低于发送端发送数据速率的方法，就称作流量控制。第11章 数据链路控制规程 11.2.1 停-等协议 一般情况下，数据的传输受到信道可靠性和系统收发能

6、力这两个因素的影响，理想情况是无需任何协议，信道无差错，不丢失，无需检错重发，缓冲区无穷大，无需流量控制。但在一般条件下，上述情况难以保证。为了防止数据的丢失或错误，最简单而又最基本的一个数据链路层流量控制协议是停止等待(Stop-and-wait)协议，即停-等协议 。 原理 ：当发送实体发送一帧后，协议要求发送方必须停止发送并等待，直到接收到接收方发回来的确认短帧后，才能接着发送下一帧，如图11-2所示即是一个停-等协议的传输模型。第11章 数据链路控制规程数学算法：ACKn表示“第n1号帧已经收到，现在期望接收第n号帧”。例如ACK1表示“0号帧已收到，现在期望接收的下一帧是1号帧”，A

7、CK0 表示“1号帧已收到，现在期望接收的下一帧是0号帧”， V(S)表示发送状态变量。 发送节点的工作步骤为：(1) 从主机取一个数据帧，送交发送缓存。(2) V(S)0。 (3) N(S)V(S)。(4) 将发送缓存中的数据帧发送出去。 (5) 设置超时计时器。(6) 等待（等待以下(7)和(8)这两个事件中最先出现的一个）。(7) 收到确认帧 ACKn，若 n = 1 V(s)，则：从主机取一个新的数据帧，放入发送缓存；V(S)1 V(S)，转到 (3)。否则，丢弃这个确认帧，转到(6)。 (8) 若超时计时器时间到，则转到(4)。第11章 数据链路控制规程 在接收节点(1) V(R)0

8、。(2) 等待。(3) 收到一个数据帧；若 N(S) = V(R)，则执 行(4)；否则丢弃此数据帧，然后转到(6)。(4) 将收到的数据帧中的数据部分送交上层 软件（也就是数据链路层模型中的主机）。(5) V(R)1 V(R)。(6) nV(R)；发送确认帧ACKn，转到(2)。 第11章 数据链路控制规程11.2.2 滑动窗口协议 在停止等待协议中，一次只允许发送一个帧，因而传送数据的效率不高。如果允许一次传送多个帧，就可以大大提高传送的效率，而滑动窗口(Sliding window)协议就是一个可以一次传送多个帧的流量控制协议。在滑动窗口协议中，发送方在收到应答消息前可以发送若干帧，这意

9、味着链路上可能同时承载了几个数据帧，从而充分有效的使用了链路的资源。窗口机制 滑动窗口是指在任意时刻，发送方和接收方都要创建的额外缓冲区，发送方维持一个连续的允许发送的帧序号，称为发送窗口。同时，接收方也维持了一个连续的允许接收的帧序号，称为接收窗口。第11章 数据链路控制规程 图11-4所示为滑动窗口的原理，帧顺序号为0-7。图11-4（a）表示发送方窗口，其中的方框内容表示发送方可以发送7帧，序号从6开始，每发送一帧，窗口左边界向里收缩，每收到一个确认，窗口向右滑动。图11-4（b）表示接收方窗口，接收方窗口不是表示包含有7帧，而是包含有7个空间来接收帧。随着数据帧的到来，接收窗口向右收缩

10、，窗口不断缩小，而每发送一个相应的应答消息后窗口就会向右扩展。第11章 数据链路控制规程 图11-5表示了一个通过滑动窗口机制连续发送数据的过程。第11章 数据链路控制规程 连续自动重传请求协议 在连续自动重传请求协议（后退n协议）协议中，其发送窗口的大小为k，接收窗口仍是1。其原理如图11-6所示。在该图中，接收端只按序号接收数据帧。虽然在有差错的2号帧之后又收到了正确的 3个数据帧，但接收端都必须将这些帧丢弃，因为在这些帧前面有一个2号帧还没有收到。第11章 数据链路控制规程 选择重传自动重传请求协议 当接收方发现某帧出错后，其后继续送来正确的帧虽然不能立即递交给接收方的高层，但接收方仍可

11、收下来，存放在一个缓冲区中，同时要求发送方重新传送出错的那一帧。一旦收到重新传来的帧后，就可以将存于缓冲区中的其余帧一并按正确的顺序递交高层，这样可以减少重传的数据帧数。图11-6中所示的2号帧出错的问题在选择重传协议下可由图11-7表示，这时只需要将出错的2号帧重新传输即可。第11章 数据链路控制规程 显然，选择重传自动重传请求协议可避免重复传送那些本来已经正确到达接收端的数据帧，减少了浪费，但付出的代价是需要在接收端设置具有相当容量的缓存空间。对于选择重传自动重传请求协议，若用n比特进行编号，则接收窗口的最大值受 (11.1) 式的约束： (11.1) 第11章 数据链路控制规程窗口尺寸的

12、确定 滑动窗口协议中发送端和接收端分别设定发送窗口和接收窗口。发送窗口用来对发送端进行流量控制，发送窗口的大小WT代表在还没有收到对方确认信息的情况下发送端最多可以发送多少个数据帧。在接收端，只有当收到数据帧的序号落入接收窗口内时才允许将该数据帧收下。若接收到的数据帧落在接收窗口之外，则一律将其丢弃。每收到一个序号正确的帧，接收窗口就向前（即向右方）滑动一个帧的位置。同时发送对该帧的确认。滑动窗口的重要特性表现在只有在接收窗口向前滑动时（与此同时也发送了确认），发送窗口才有可能向前滑动。第11章 数据链路控制规程 一般情况下，窗口大小与信道的关系可以描述为：如果信道的延迟大，则等待时间长，多开

13、窗为宜，如果信道的噪声大，则易出错，导致重传，少开窗为宜。 数据链路控制技术除了完成流量控制外，另一项重要的功能是实现通信双方的同步。同步的相关概念在2.1.3节已经做过介绍，所以下边主要讲述数据链路层的有关规程。第11章 数据链路控制规程11.3 面向字符的数据传输控制规程11.3.1 BSC的基本概念和控制字符 BSC是第一个支持多点共享线路和点到点结构的通用数据链路控制规程。作为一种半双工规程，其链路可以建立在交换或专用线路上。该规程的主要目的是将远程处理终端和视频显示终端连接到主机上。 通常的链路层协议由链路建立、数据传输和链路拆除三部分组成。为实现链路管理及同步等功能，除了正常传输数

14、据块和报文外，还需要一些控制字符。第11章 数据链路控制规程 BSC协议使用的主要传输控制字符如下： 标题开始(Start of Head, SOH)：用于表示报文的标题信息或报头的开始。 正文开始(Start of TEXT, STX)：标志标题信息的结束和报文文本的开始。 正文结束(End of Text, ETX)：标志报文文本的结束。 传输结束(End of Transmission, EOT)：用以表示一个或多个文本块的结束，并拆除链路。 询问(Enquire, ENQ)：用以请求远程站给出响应，响应可能包括站的身份或状态。 确认(Acknowledge, ACK)：由接收方发出一个

15、肯定确认，作为对正确接收来自发送方的报文的响应。 第11章 数据链路控制规程 数据链转义 (Data Link Escape, DLE)：用以修改紧跟其后的有限个字符的意义。用于在BSC中实现透明方式的数据传输，或者当10个传输控制字符不够用时提供新的转义传输控制字符。 否认(Negative Acknowledge, NAK)：由接收方发出的否定确认，作为对未正确接收来自发送方的响应。 同步字符(Synchronous, SYN)：在同步协议中，用以实现节点之间的字符同步，或用于在列数据传输时保持该同步。组传输结束(End of Transmission Block, ETB)：用以表示当报

16、文分成多个数据块时，一个数据块的结束。它由发送端发出，后边紧跟组校验码（Block Check Character, BCC）。第11章 数据链路控制规程11.3.2 BSC的帧结构 BSC 协议将在链路上传输的信息分为数据帧和监控帧。数据帧：它由数据文本和控制字符组成。数据文本是要传送的有用数据信息，而控制字符是与文本传送及处理有关的辅助信息。 BSC协议的数据帧格式主要有5种，如图11-8所示 第11章 数据链路控制规程第11章 数据链路控制规程控制帧：一个设备用来向另一个设备发送命令或索取信息的消息，控制帧又分为正向控制帧和反向控制帧两种。 正向控制帧：与信息报文的传送方向一致，主要用于

17、通信双方的呼叫应答，以确保信息报文的正常可靠传输。 反向控制帧：与信息报文的传送方向相反，主要用于对查询的应答和数据链路的控制。 图11-9为BSC控制帧的基本格式，它包含控制字符但 不携带数据。第11章 数据链路控制规程11.4 面向比特的数据传输控制规程 HDLC是面向比特的数据链路控制协议的典型代表，该协议不依赖于任何一种字符编码集，数据报文可透明传输。HDLC协议的接收端可以通过搜索一个特定的比特串“01111110”来确定帧的开头和结束，这个特定比特串被称为标志符（界符）。11.4.1 HDLC的基本概念 基本概念 主站、次站和组合站 HDLC规程涉及三种类型的站，即主站、次站和组合

18、站。主站的主要功能是发送命令(包括数据信息)帧、接收响应帧，并负责对整个链路的控制，如系统的初启、流程的控制、差错检测和恢复等。第11章 数据链路控制规程 次站的主要功能是接收由主站发来的命令帧，向主站发送响应帧，并且配合主站参与差错恢复等链路控制。组合站的主要功能是既能发送、又能接收命令帧和响应帧，并负责整个链路的控制。均衡型和非均衡型链路结构 非均衡型是由一个主站和一个或多个次站组成。前者称点一点式，由一个主站和一个次站组成。后者称多点式，由一个主站和若干个次站组成，如图11-10(a)、(b)所示。第11章 数据链路控制规程 均衡型也可分成两种，第一种是链路两端的站点均由主站和次站叠合而

19、成，是一个对称型系统：第二种是通信双方的站点均由组合站构成，是一个平衡系统。如图11-11（c）、（d）所示。第11章 数据链路控制规程三种数据操作方式 (a)正常响应方式(NRM) 正常响应方式适用于非均衡多点链路结构，其特点是仅当次站被主站探询之后才能传输信息帧和有关帧。次站是由主站发送SNRM命令而置于此方式的。(b)异步响应方式(ARM)异步响应方式适用于非均衡的点点结构或者均衡的对称结构。次站由主站发送SARM命令变为此方式。处在此方式时，次站可不经主站探询就发送信息帧和有关帧。(c)异步平衡方式(ABM) 异步平衡方式适用于通信双方均为组合站的平衡系统，使链路两端的组合站具有同等的

20、能力。第11章 数据链路控制规程11.4.2 HDLC的帧结构HDLC的帧格式 HDLC在链路上以帧作为传输信息的基本单位，无论是信息报文还是监控报文都必须符合帧的格式。HDLC的帧格式如图11-12所示：第11章 数据链路控制规程控制字段的格式 地址字段后面的控制字段一般为8位，某些情况下可以扩充为16位。紧接着是任意长度的数据。在帧尾标志前面的是16位的CRC冗余校验码，对从地址开始直至数据字段的内容进行校验。 控制字段的第1位或第1、2位用来区分三种不同类型的帧：信息帧（又称I-帧）、监控帧（S-帧）和无编号帧（U-帧），如图11-14所示。第11章 数据链路控制规程 11.4.3 HD

21、LC的运行 HDLC规程实现一次通信操作，与基本型规程相似，也需经过五个阶段，其中阶段(1)和阶段(5)不属于HDLC的范围。它由“置方式命令一UA响应的成功交互作用来建立链路，使两个站半双工或全双工传输数据。当传输数据完成后，双方又以“DISC命令UA响应”握手来完成拆除链路。拆链成功后，两个站处于静止等待状态。 数据链路的建立任何一方都可以通过置位模式命令来请求数据链路的建立。 数据传送 当数据链路建立好之后，双方都可以通过I帧开始发送用户数据，帧的序号从0开始。 拆链 连接中的任何一方的HDLC模块都可以启动拆链操作，HDLC通过发送一个断链（DISC）帧宣布连接中止。对方必须用UA作回

22、答，表示接受拆链 。 第11章 数据链路控制规程 11.4.4 BSC和HDLC特点的比较首先，BSC和HDLC两者都只用于同步传输，并且HDLC和BSC同样都适用于点到点或点到多点式的结构。但HDLC适用于半双工或全双工，而BSC则更适用于半双工方式。其次，从传输效率来看。通常BSC用于低、中速传输，而HDLC则常用于中、高速传输。从传输可靠性来看。HDLD的传输可靠性要比BSC高。从数据透明性来看。HDLC对传输信息的比特组合方式无任何限制，而BSC用DLE字符填充法来实现数据的透明传输，处理起来比较复杂。从信息传输的格式来看。HDLC实施起来更方便。第11章 数据链路控制规程11.5 其

23、它数据链路控制规程 11.5.1 LAPB协议 LAPB（平衡链路接入协议）是由ITU-T发布的，作为X.25分组交换网络接口标准的一部分。它是HDLC的子集，只提供了异步平衡模式（ABM）下的HDLC。它的设计是针对用户系统和分组交换网络节点之间的点对点连接的。第11章 数据链路控制规程11.5.2 LAPD协议 LAPD（D信道链路接入协议）是由ITU-T发布的，作为ISDN（综合业务数字网）的规范集的一部分。LAPD提供了通过D信道的数据链路控制，D信道是用户与ISDN接口的逻辑信道。第11章 数据链路控制规程LAPD与HDLC之间的主要区别：（1）与LAPB一样，LAPD只限于ABM（

24、2）LAPD永远使用7bit序号，不允许使用3bit序号。（3）LAPD中的FCS总是16bit的CRC（4）LAPD的地址段是16bit字段，并且它实际上是由两个子地址组成：一个用于标志接口的用户端上多个可能的设备中的某一个，而另一个地址用于标识接口的用户端上多个可能的LAPD逻辑用户中的某一个。第11章 数据链路控制规程11.5.3 帧中继 帧中继（Frame Relay）是一种用于连接计算机系统的面向分组的通信方法。它主要用在公共或专用网上的局域网互联以及广域网连接，它工作在OSI模型第二层上、用简化的方法传送和交换数据帧的一种技术。 帧中继定义的数据链路控制协议是LAPF（帧模式承载业

25、务的链路接入规程）。实际上分为两个规程：一个是控制规程，它的功能与HDLC相似；另一个是核心规程，它是控制规程的一个子集。LAPF控制永远使用7bit序号，不使用3bit序号。LAPF控制的FCS总是16bit的CRC。最后，LAPF控制的地址字段的长度为两个、三个或四个8位组，分别包含了10bit，16bit或32bit的DLCI（数据链路连接标志符）。DLCI标志的是源系统与目的系统之间的逻辑连接。另外，地址字段还含有一些控制比特，它们对实现流量控制的目标很有帮助。第11章 数据链路控制规程 LAPF核心与LAPF控制一样是由同样的标志字段、地址字段及FCS字段组成。不同之处在于LAPF核心中没有控制字段。因此，无法进行流量及差错的控制，同时它也实现了更为流水化的操作过程。其格式如图11-17所示。 第11章 数据链路控制规程11.5.4 ATM ATM（异步传递方式），它与帧中继一样，ATM的设计目标是要提供通过高速网络的流水化数据传送能力。与帧中继不同的是ATM不是基于HDLC的。相反，ATM是基于一种称为信元的全