数据链路层(共48张PPT)

第6讲数据链路层（2）/31第1页，共48页。知识回顾数据链路层的功能帧定界差错检测循环冗余检码/31第2页，共48页。CRC工作原理/31第3页，共48页。举例CRC/31第4页，共48页。本讲内容及教学目标掌握PPP协议在数据链路层的工作原理了解面向比特的链路层协议HDLC的帧理解停止等待协议理想化的数据传输具有最简单流量控制的数据链路层协议实用的停止等待协议理解滑动窗口协议，实现流量控制了解传输层类似的流量控制功能/31第5页，共48页。数据链路层协议分类点到点线路广播线路局域网使用Internet中主要的数据链路层协议SLIP（SerialLineIP）—运行于传输速率相对较低的串行线路上;PPP（Point-to-PointProtocol）—点-点协议SLIP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。/31第6页，共48页。点对点协议PPP现在全世界使用得最多的数据链路层协议是点对点协议PPP(Point-to-PointProtocol)。用户使用拨号电话线接入因特网时，一般都是使用PPP协议。PPP协议不仅在拨号电话线，并且在路由器─路由器之间的专用线上广泛应用;PPP协议是在大多数家庭个人计算机和ISP之间使用的协议，它可以作为在高速广域网和社区宽带网协议族的一部分。/31第7页，共48页。用户到ISP的链路使用PPP协议用户至因特网已向因特网管理机构申请到一批IP地址ISP接入网PPP协议/31第8页，共48页。PPP协议应满足的需求简单——这是首要的要求封装成帧透明性多种网络层协议多种类型链路差错检测检测连接状态最大传送单元网络层地址协商数据压缩协商/31第9页，共48页。最大传送单元最大传输单元（MaximumTransmissionUnit，MTU）是指一种通信协议的某一层上面所能通过的最大数据报大小（以字节为单位）。因特网协议允许IP分片，这样就可以将数据报分成足够小的片段以通过那些最大传输单元小于该数据报原始大小的链路了。以太网中MTU为1500个字节。也就是IP层的数据报，传到以太网时，长度大于1500个字节就要进行分片处理。IP数据包可以达到64KB。分片过程发生在IP层，它使用的是将分组发送到链路上的网络接口的最大传输单元的值。原始分组的分片都被加上了标记，这样目的主机的IP层就能将分组重组成原始的数据报了。/31第10页，共48页。PPP协议不需要的功能纠错流量控制序号多点线路半双工或单工链路/31第11页，共48页。PPP协议的组成1992年制订了PPP协议。经过1993年和1994年的修订，现在的PPP协议已成为因特网的正式标准[RFC1661]。PPP协议有三个组成部分一个将IP数据报封装到串行链路的方法。链路控制协议LCP(LinkControlProtocol)。网络控制协议NCP(NetworkControlProtocol)。

/31第12页，共48页。PPP协议的帧格式(续)标志字段

F

=0x7E（符号“0x”表示后面的字符是用十六进制表示。十六进制的

7E

的二进制表示是01111110）。地址字段

A

只置为0xFF。地址字段实际上并不起作用。控制字段

C

通常置为0x03。PPP是面向字节的，所有的PPP

帧的长度都是整数字节。/31第13页，共48页。PPP协议的帧格式PPP有一个2个字节的协议字段。当协议字段为0x0021时，PPP帧的信息字段就是IP数据报。若为0xC021,则信息字段是PPP链路控制数据。若为0x8021，则表示这是网络控制数据。

IP数据报1211字节12不超过1500字节PPP帧先发送7EFF03FACFCSF7E协议信息部分首部尾部/31第14页，共48页。PPP协议透明传输问题当PPP用在同步传输链路时，协议规定采用硬件来完成比特填充。（发送方和接收方的时钟频率相同）当PPP用在异步传输时，就使用一种特殊的字节填充法。（发送方和接收方的时钟频率可以不同，但有同步信号）将信息字段中出现的每一个0x7E字节转变成为2字节序列(0x7D,0x5E)。若信息字段中出现一个0x7D的字节,则将其转变成为2字节序列(0x7D,0x5D)。若信息字段中出现ASCII码的控制字符（即数值小于0x20的字符），则在该字符前面要加入一个0x7D字节，同时将该字符的编码加以改变。PPP协议用在SONET/SDH链路时，是使用同步传输（一连串的比特连续传送）。这时PPP协议采用零比特填充方法来实现透明传输。/31第15页，共48页。01001111101000101001001111110001010010011111010001010信息字段中出现了和标志字段F完全一样的8比特组合发送端在5个连1之后填入0比特再发送出去在接收端把5个连1之后的0比特删除会被误认为是标志字段F发送端填入0比特接收端删除填入的0比特零比特填充/31第16页，共48页。不提供使用序号和确认

的可靠传输PPP协议之所以不使用序号和确认机制是出于以下的考虑：在数据链路层出现差错的概率不大时，使用比较简单的PPP协议较为合理。在因特网环境下，PPP的信息字段放入的数据是IP数据报。数据链路层的可靠传输并不能够保证网络层的传输也是可靠的。帧检验序列FCS字段可保证无差错接受。

/31第17页，共48页。控制字段C通常置为0x03。链路控制协议LCP(LinkControlProtocol)。后来ISO把SDLC修改后称为HDLC(High-levelDataLinkControl)，译为高级数据链路控制，作为国际标准ISO3309。PPP协议的工作状态而同一时刻，接收方收到并应答了m帧，显然l<=m<=n，等待确认的帧的数目不允许超过W，即n-l<=W，该W就是窗口。PPP协议的帧格式(续)允许连续发送的帧的数量称为发送窗口尺寸，表示为W。但在误码率高的情况下，会大大降低信道的利用率。选择重发协议中，发送和接收窗口的尺寸都大于1。发送端在5个连1之后Internet中主要的数据链路层协议标志字段F(Flag)为6个连续1加上两边各一个0共8bit。帧标志序列：01111110，作为起始和结束标志，在数据位有5个连续的1出现时，就插入1个0（位填充）PPP协议的工作状态当用户拨号接入ISP时，路由器的调制解调器对拨号做出确认，并建立一条物理连接。PC机向路由器发送一系列的LCP分组（封装成多个PPP帧）。这些分组及其响应选择一些PPP参数，和进行网络层配置，NCP给新接入的PC机分配一个临时的IP地址，使PC机成为因特网上的一个主机。通信完毕时，NCP释放网络层连接，收回原来分配出去的IP地址。接着，LCP释放数据链路层连接。最后释放的是物理层的连接。/31第18页，共48页。设备之间无链路链路静止链路建立鉴别网络层协议链路打开链路终止物理链路LCP链路已鉴别的LCP链路已鉴别的LCP链路和NCP链路物理层连接建立LCP配置协商鉴别成功或无需鉴别NCP配置协商链路故障或关闭请求LCP链路终止鉴别失败LCP配置协商失败链路管理/31第19页，共48页。HDLC协议概述HDLC是一个面向比特的链路控制规程。1974年，IBM公司推出了面向比特的规程SDLC(SynchronousDataLinkControl)。后来ISO把SDLC修改后称为HDLC(High-levelDataLinkControl)，译为高级数据链路控制，作为国际标准ISO3309。CCITT则将HDLC再修改后称为链路接入规程LAP(LinkAccessProcedure)。不久，HDLC的新版本又把LAP修改为LAPB，“B”表示平衡型(Balanced)，所以LAPB叫做链路接入规程(平衡型)。/31第20页，共48页。HDLC的帧结构标志字段F(Flag)为6个连续1加上两边各一个0共8bit。在接收端只要找到标志字段就可确定一个帧的位置。比特888可变168信息Info标志F标志F地址A控制C帧检验序列FCS透明传输区间FCS检验区间/31第21页，共48页。HDLC的帧格式帧标志序列：01111110，作为起始和结束标志，在数据位有5个连续的1出现时，就插入1个0（位填充）地址段：在命令帧中表示目的地址，在响应帧中表示源地址，全1为广播地址，全0为测试地址/31第22页，共48页。零比特填充法HDLC采用零比特填充法使一帧中两个F字段之间不会出现6个连续1。在发送端，当一串比特流数据中有5个连续1时，就立即填入一个0。在接收帧时，先找到F字段以确定帧的边界。接着再对比特流进行扫描。每当发现5个连续1时，就将其后的一个0删除，以还原成原来的比特流。/31第23页，共48页。一种无限制的单工协议完全理想的条件：数据单向传输，收发双方的网络层一直处于就绪状态，处理时间可忽略不计，接收缓冲空间无限大，信道不会损坏或丢失帧。发送端无限循环地重复三个动作：从网络层取分组。构造帧。发出帧。 无需任何差错控制和流量控制。接收端也是无限循环地重复三个动作：等待事件（唯一的未损坏帧的到达）发生。帧到达后，从硬件缓冲中取出新到的帧。将帧的数据部分传给网络层。 无需做其它任何处理。/31第24页，共48页。完全理想化的数据传输数据链路层主机A缓存主机B数据链路AP2AP1缓存发送方接收方帧高层帧/31第25页，共48页。完全理想化的数据传输——cont.完全理想化的数据传输基于两个假定假定1：链路是理想的传输信道，所传送的任何数据既不会出差错也不会丢失。假定2：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。假定2相当于认为：接收端向主机交付数据的速率永远不会低于发送端发送数据的速率。/31第26页，共48页。具有最简单流量控制的

数据链路层协议现在去掉上述的第二个假定，仍然保留第一个假定，即主机A向主机B传输数据的信道仍然是无差错的理想信道。然而现在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。由收方控制发方的数据流，是计算机网络中流量控制的一个基本方法。/31第27页，共48页。具有最简单流量控制的

数据链路层协议算法在发送结点：⑴从主机取一个数据帧。⑵将数据帧送到数据链路层的发送缓存。⑶将发送缓存中的数据帧发送出去。⑷等待。⑸若收到由接收结点发过来的信息(此信息的格式与内容可由双方事先商定好)，则从主机取一个新的数据帧，然后转到⑵。/31第28页，共48页。具有最简单流量控制的

数据链路层协议算法——cont.在接收结点：⑴等待。⑵若收到由发送结点发过来的数据帧，则将其放入数据链路层的接收缓存。⑶将接收缓存中的数据帧上交主机。⑷向发送结点发一信息，表示数据帧已经上交给主机。⑸转到⑴。/31第29页，共48页。两种情况的对比（传输均无差错）ABDATADATADATADATA送主机B送主机B送主机B送主机BABDATA送主机BDATA送主机B时间不需要流量控制需要流量控制/31第30页，共48页。实用的停止等待协议时间ABDATA0送主机ACKDATA1送主机ACK(a)正常情况ABDATA0DATA0送主机ACK(c)数据帧丢失重传tout丢失！ABDATA0送主机ACKDATA0丢弃ACK(d)确认帧丢失重传tout丢失！ABDATA0NAKDATA0送主机ACK(b)数据帧出错重传出错四种情况/31第31页，共48页。超时计时器的作用结点A发送完一个数据帧时，就启动一个超时计时器(timeouttimer)。计时器又称为定时器。若到了超时计时器所设置的重传时间tout而仍收不到结点B的任何确认帧，则结点A就重传前面所发送的这一数据帧。一般可将重传时间选为略大于“从发完数据帧到收到确认帧所需的平均时间”。/31第32页，共48页。解决重复帧的问题使每一个数据帧带上不同的发送序号。每发送一个新的数据帧就把它的发送序号加1。若结点B收到发送序号相同的数据帧，就表明出现了重复帧。这时应丢弃重复帧，因为已经收到过同样的数据帧并且也交给了主机B。但此时结点B还必须向A发送确认帧ACK，因为B已经知道A还没有收到上一次发过去的确认帧ACK。/31第33页，共48页。帧的编号问题任何一个编号系统的序号所占用的比特数一定是有限的。因此，经过一段时间后，发送序号就会重复。序号占用的比特数越少，数据传输的额外开销就越小。对于停止等待协议，由于每发送一个数据帧就停止等待，因此用一个比特来编号就够了。一个比特可表示0和1两种不同的序号。/31第34页，共48页。帧的发送序号数据帧中的发送序号N(S)以0和1交替的方式出现在数据帧中。每发一个新的数据帧，发送序号就和上次发送的不一样。用这样的方法就可以使收方能够区分开新的数据帧和重传的数据帧。/31第35页，共48页。停止等待协议与ARQ优点：比较简单。缺点：通信信道的利用率不高，也就是说，信道还远远没有被数据比特填满。可靠传输虽然物理层在传输比特时会出现差错，但由于数据链路层的停止等待协议采用了有效的检错重传机制，数据链路层对上面的网络层就可以提供可靠传输的服务。为了克服这一缺点，就产生了另外两种协议，即连续ARQ和选择重传ARQ。这将在后面进一步讨论。/31第36页，共48页。流量控制当发送端的发送速度大于接收端的接收速度，或发送端所在的网络传输速率大于接收端所在的网络传输速率时，就需要流量控制。窗口机制在任意时刻，发送方发出n帧，其中有l帧已得到确认。而同一时刻，接收方收到并应答了m帧，显然l<=m<=n，等待确认的帧的数目不允许超过W，即n-l<=W，该W就是窗口。ll+WWn发送方mm+W接收方/31第37页，共48页。滑动(slide)窗口协议滑动窗口协议是一种非常可靠、适用于各种条件的通用流量控制协议，特别是在效率、复杂性及对缓冲区的需求等方面可作灵活调配。主要的滑动窗口协议有出错全部重发协议和选择重发协议两种。实际上，有噪音信道的停-等协议就是滑动窗口协议的一个特例，将停-等协议中的帧序号从1位扩展到n位（范围为0~2n-1），收发双方维护的序号也变为一组序号表，分别称作发送窗口（sendingwindow）和接收窗口（receivingwindow）。/31第38页，共48页。发送窗口发送窗口就是发送端允许不等确认而连续发送的帧的序号表。允许连续发送的帧的数量称为发送窗口尺寸，表示为W。发送端必须有W个输出缓冲区来存放W个数据帧的副本以备数据帧的重发。当发送端收到发送窗口下沿帧的肯定确认时，将发送窗口整体向前滑动一个序号，并从输出缓冲区中将相应的数据帧副本删除。ll+WWj发送方/31第39页，共48页。接收窗口接收窗口是接收端允许接收的帧的序号表。允许接收的帧的数量称为接收窗口尺寸。同样接收端也必须设置相应数量的输入缓冲区来支持接收窗口。对接收端收到的帧的序号落在接收窗口外的帧被直接丢弃。只有落在接收窗口内的帧才会被接收端进行校验处理，若校验正确：当接收的帧不是接收窗口下沿帧时，必须暂存在输入缓冲区，不能交给网络层。当接收到接收窗口下沿帧时，会将其连同后面连续的若干个检验过的正确帧按顺序交给网络层，在发回确认帧的同时将接收窗口向前滑动相应的数量。ll+Wi接收方W/31第40页，共48页。滑动窗口示意图012345670123456701234567012345670123456701234567012345670123456701234567012345670123456701234567发送端接收端帧的序号由3位组成（0~7），发送窗口和接收窗口的尺寸都为3。/31第41页，共48页。停-等协议的窗口机制帧的序号由1位组成（0~1），发送窗口和接收窗口的尺寸都为1。010101010101010101010101发送端接收端/31第42页，共48页。数据的全双工传输在实际通信中，通常收发双方都相互发送数据。为了提高效率，可以将确认信息放在数据帧中作为一个控制字段连同数据一起发送给对方，这种方式称为捎带应答（piggybacking）。当一方收到对方的数据帧后：若正好也有数据需发给对方，则立即可使用捎带应答。若暂时没有数据需发给对方或数据还未准备好，则等待一定的时间，如果在该时间内准备好了数据，则可以使用捎带应答。如果未准备好，为了防止对方等待时间过长而超时重发，必须立即发送一个单独的确认帧。使用捎带应答就不可能对每一个帧都作确认，可以用对某一个帧的确认来代替对该帧之前的所有帧的确认。/31第43页，共48页。出错全部重发协议（go-back-n）出错全部重发协议中，发送窗口的尺寸是大于1，而接收窗口的尺寸则等于1。由于接收窗口的尺寸为1，接收端只能按顺序地接受数据帧，一旦某个帧出错或丢失，只能简单地丢弃该帧及其所有的后续帧（因为发送窗口的尺寸是大于1的），不作任何确认。发送端超时后需重发出错或丢失的帧及其后续所有的帧。发送端需要为每个待确认的帧都各自设置一个定时计数器。发送窗口的尺寸不能超过2n-1(这里的n为序号的编码位数)，否则会造成接收端无法分辨新、旧数据帧。出错全部重发协议只要求发送端保持一定数量的缓存来保存没有确认的数据帧，对接收端没有缓存的要求。但在误码率高的情况下，会大大降低信道的利用率。/31第44页，共48页。不久，HDLC的新版本又把LAP修改为LAPB，“B”表示平衡