计算机网络多媒体技术与应用

第四章数据链路层本章内容本层的主要功能数据帧差错控制流量控制基本数据链路层协议Internet的点对点协议4.1数据链路层的基本概念基本概念链路(link)：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。是一条物理链路。数据链路(datalink）：当需要在一条线路上传送数据时,除了必须有一条物理线路外,还必须有一些必要的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,就构成了数据链路数据链路层最重要的作用是：通过一些数据链路层协议（即链路控制规程），在不太可靠的物理链路上实现可靠的数据传输。数据链路层的功能（1）为网络层提供服务传输差错处理流量控制数据链路层的功能（2）数据链路层的基本功能：链路管理数据链路的建立、维持和释放帧定界（帧同步）

帧定界是指收方能从收到的比特流中准确地区分出一帧的开始和结束流量控制发方发送数据的速率必须使收方来得及接收。差错控制前向纠错：收方收到有差错的数据帧时,能自动将差错改正过来。差错检测：收方检测出收到的帧有差错(但并不知是哪几个比特错了)时，就立即将它丢弃,但有两种选择：一种方法不进行任何处理(要处理也是由高层进行),另一种方法则是由数据链路层负责重传丢弃的帧。将数据和控制信息区分开透明传输寻址必须保证每一帧都能送到正确的目的站。(a)Virtualcommunication.(b)Actualcommunication.ServicesProvidedtoNetworkLayer数据链路协议的位置Placementofthedatalinkprotocol.成帧Acharacterstream.(a)Withouterrors.(b)Withoneerror.成帧成帧Bitstuffing(a)Theoriginaldata.(b)Thedataastheyappearontheline.(c)Thedataastheyarestoredinreceiver’smemoryafterdestuffing.4.2基本本数据链路层层协议完全理想化的的数据传输在这样理想化化的条件下,数据的传输输就非常简单单(不需要有有流量控制,也不需要有有差错控制)。具有最简单流流量控制的数数据链路层协协议若传输数据的的信道仍是无无差错的理想想信道，但不不能保证接收收端向主机交交付数据的速速率永远不低低于发送端发发送数据的速速率。实用的停止等等待协议对于实际传输输数据的信道道是不能保证证所传的数据据不产生差错错，且还需要要对数据的发发送端进行流流量控制。不出差错时，，接收方将收收到的正确帧帧交付给主机机，同时向发发方发一个确确认帧ACK（ACKnowledgement）。发方方主机收到ACK后才能能发送一个新新的数据帧。。传输过程中出出现差错：（1）数据帧帧出错：ACK,NAK（2）数据帧帧丢失：超时计时器Time-outer（3）确认帧帧丢失：重复帧、编号号发送序号编号号问题：对发发送的数据帧帧带上发送序序号，序号所所占用的比特特数的有限的的。经过一段段时间后，发发送序号就会会重复。序号号所占用的比比特数越少，，额外开销就就越小。对停止等待协协议，每发送送一帧就停止止等待，故用用一个比特来来编号就够了了。虽然物理层在在传输比特时时会出现差错错,但由于数数据链路层的的停止等待协协议采用了有有效的检错重重传机制,数数据链路层对对上面的网络络层就提供了了可靠传输的的服务。停止等待协议议中的几个重重要时间关系系在半双工通信信模型中结点点A向结点B发送数据帧帧。结点B只只发送确认帧帧而不发否认认帧和数据帧帧。设tf是一个数据帧帧的发送时间间，且帧的长长度是固定不不变。则数据据帧的发送时时间tf是数据帧的长长度lf(bit)与数据据发送送速率率C(bit)之比。。tf=lf/C（（s））数据帧帧沿链链路传传到结结点B还要要经历历一个个传播播时延延tp，它是是信号号(电电磁波波)在在物理理链路路上传传播所所造成成的时时延。。结点B收到到数据据帧要要花费费时间间进行行处理理,即即处理理时间间tpr。结点B接着着发送送确认认帧ACK,其其发送送时间间为tα设信道道的双双向传传播时时延都都是一一样的的，当当结点点A收收到确确认帧帧时，，确认认帧也也经历历了tp和tpr。从一个个数据据帧从从结点点A发发出到到结点点A收收到结结点B的确确认帧帧，（（即两两个成成功发发送的的数据据帧之之间的的最小小时间间间隔隔）tT=tf+tp+tpr+tα+tp+tpr设重传传时间间(作作用是是:数数据帧帧发送送完毕毕后若若经过过了这这样长长的时时间还还没有有收到到确认认帧,就重重传这这个数数据帧帧):tout=tp+tpr+tα+tp+tpr设上式式右端端的处处理时时间tpr和确认认帧的的发送送时间间tα都远小小于传传播时时延tp,就可可简单单地将将重传传时间间取为为两倍倍的传传播时时延,tout=2tp。两个发发送成成功的的数据据帧之之间的的最小小时间间间隔隔tT=tf+tout如遇发发生差差错，，则须须再重重传已已发送送过的的数据据帧，，直到到对方方成功功收到到为止止。成成功发发送一一个数数据帧帧所需需的时时间显显然要要超过过tT。停止等待待协议ARQ的的优点：：比较简简单；缺缺点：信信道利用用率不高高。尤其其当信道道引起的的传播时时延很大大时（如如卫星通通信），，也就是是说信道道还远远远没有被被数据比比特填满满。为克服这这一缺点点，产生生了另外外两种协协议：连连续ARQ和选选择重传传ARQ。4.3连续ARQ协议议连续ARQ协议议的工作作原理工作原理理的要点点：在发发送完一一个数据据帧后,不是停停下来等等待确认认帧,而而是可以以连续再再发送若若干个数数据帧。。如果这这时收到到了接收收端发来来的确认认帧,那那么还可可以接着着发送数数据帧。。由于减减少了等等待时间间,整个个通信的的吞吐量量就提高高了。结点A向向结点B每发送送完一数数据帧不不是停止止等待而而是继续续发后续续帧，且且每发完完一帧就就为该帧帧设置超超时计时时器。结结点B回回送的确确认帧不不仅要说说明是对对哪一帧帧进行确确认或否否认，而而且确认认帧本身身必须编编号。ACKn表示示对（n-1））号帧的的确认。。即已收收到了第第（n-1）号号帧，下下次期望望收到第第n号帧帧。几点注意意：（1）结结点B运运行的的协议是是在出现现差错时时不做任任何响应应,然后后就等待待发送端端超时重重传。（（另一种种是在出出现差错错时就向向结点A发送否否认帧,以便使使发送端端及早重重传出错错的帧。。）（2）接接收端只只按序接接收数据据帧。（3）ACK1表示确确认0号号帧DATA0,并期期望下次次收到1号帧，，依此类类推。（4）结结点A在在每发送送完一个个数据帧帧时都要要设置该该帧的超超时计时时器。如如果在所所设的超超时时间间tout内收到确确认帧,就立即即将超时时计时器器清零。。若在所所设置的的超时时时间tout到了而仍仍未收到到确认帧帧,就要要重传相相应的数数据帧(仍需重重新设置置超时计计时器)。连续ARQ又称称为Go-back-NARQ,意思是是当出现现差错必必须重传传时,要要向回走走N个帧帧,然后后再开始始重传。。连续ARQ协议议因连续续发送数数据帧而而提高了了信道的的利用率率,但在在重传时时又必须须把原来来己传送送正确的的数据帧帧进行重重传(仅仅因这些些数据帧帧的前面面有一个个数据帧帧出了错错),这这种做法法又使传传送效率率降低。。由此可可见,若若传输信信道的传传输质量量很差因因而误码码率较大大时,连连续ARQ协议议不一定定优于停停止等待待协议。。在连续续ARQ议议中,应当当将已已发送送出去去但未未被确确认的的数据据帧的的数目目加以以限制制。因因为：：(1)当未未被确确认的的数据据帧数数目太太多时时,只只要有有一帧帧出了了差错错,就就可能能有很很多的的数据据帧需需要重重传,这必必然就就白白白花费费较多多的时时间,增大大开销销。(2)为了了对所所发送送的大大量数数据帧帧进行行编号号,每每个数数据帧帧的发发送序序号也也要占占用较较多的的比特特数,这样样又增增加了了一些些不必必要开开销。。滑动窗窗口的的概念念滑动窗窗口在连续续ARQ协协议中中采用用与停停止等等待协协议同同样原原理的的循环环重复复使用用已收收到确确认的的那些些帧的的序号号。在在控制制信息息中用用有限限几个个比特特来编编号，，加入入适当当的控控制机机制，，来限限制已已发送送出去去但未未被确确认的的数据据帧的的数目目。在在发送送端和和接收收端分分别设设定所所谓发发送窗窗口和和接收收窗口口。发送窗窗口用用来对对发送送端进进行流流量控控制,而发发送窗窗口的的大小小WT代表在在还没没有收收到对对方确确认信信息的的情况况下发发送端端最多多可以以发送送多少少个数数据帧帧。滑动窗窗口的的概念念例：设设发送送序号号用3比特特编码码,即即可有有0~7个个不同同的序序号。。发送送窗口口WT=5,表示示在未未收到到对方方确认认信息息的情情况下下,发发送端端最多多可以以发送送出5个数数据帧帧。发送窗窗口的的规则则可如如图表表示。。（P80）为了减减少开开销,连续续ARQ协协议还还规定定接收收端不不一定定每收收到一一个正正确的的数据据帧就就必须须立即即发回回一个个确认认帧,而是是可以以在连连续收收到若若干个个正确确的数数据帧帧以后后,才才对最最后一一个数数据帧帧发确确认信信息,或者者可以以在当当自己己有数数据要要发送送时才才将对对以前前正确确收到到的帧帧加以以捎带带确认认。对某一一数据据帧的的确认认就表表明该该数据据帧和和这以以前所所有的的数据据帧均均己正正确无无误地地收到到了。。在接收收端设设置接接收窗窗口用用来控控制可可接收收哪些些数据据帧而而不可可接收收哪些些帧。。在接收收端只只有当当收到到的数数据帧帧的发发送序序号落落入接接收窗窗口内内才允允许将将该数数据帧帧收下下。若接收收到的的数据据帧落落在接接收窗窗口之之外,则一一律将将其丢丢弃。。下图中中，接接收窗窗口的的大小小WR=1。只有在在接收收窗口口向前前滑动动时(与此此同时时也发发送了了确认认〉,发送送窗口口才有有可能能向前前滑动动。发发送端端若没没有收收到该该确认认,发发送窗窗口就就不能能滑动动。当数据据帧的的发送送序号号所占占用的的比特特数一一定时时,发发送窗窗口的的最大大值是是多少少？例：设设用3比特特对数数据帧帧序号号编号号，发发送窗窗口最最大值值为8，即即WT=8，，发送送窗口口已满满，发发送暂暂停。。且8个数数据帧帧已正正确到到达接接收端端，并并对每每一个个数据据帧接接收端端都发发送出出确认认帧：：（1））所有有的确确认帧帧都正正确到到达了了发送送端，，故发发送端端又发发送8个新新的数数据帧帧,其其编号号是0~7。注注意：：序号号是循循环使使用的的，8个帧帧都是是新的的帧。。（2））所有有的确确认帧帧都丢丢失了了。经经过超超时计计时器器控制制的时时间后后,发发送端端重传传这8个旧旧的数数据帧帧,其其编号号仍为为0~7。。问题已已经十十分明明显了了。接接收端端第二二次收收到编编号为为0~7的的8个个数据据帧时时,无无法判判定:这是是8个个新的的数据据帧,或这这是8个旧旧的、、重传传的数数据帧帧。将发送送窗口口设置置为8显然然是不不行的的。当用n个比比特进进行编编号时时,若若接收收窗口口的大大小为为1,则只只有在在发送送窗口口的大大小WT≤2n-1时时,连连续ARQ协议议才能能正确确运行行。连续ARQ协议议所有有已发发送出出去的的但尚尚未被被确认认的数数据帧帧都必必须保保存在在发送送端的的缓存存中,以便便在出出差错错时进进行重重传。。这种种对已已发送送的数数据帧帧的保保存,是使使用一一个先先进先先出的的队列列。发发送端端每发发完一一个新新的数数据帧帧就将将该帧帧存入入这个个队列列。当当队列列长度度达到到发送送窗口口大小小WT时,即停止止再发送新新的数据帧帧。当按照协议议进行重传传（重传1帧或多帧帧)时,队队列并不发发生变化。。只有当收收到对应于于队首的帧帧的确认时时,才将队队首的数据据帧清除。。若队列变变空,则表表明全部已已发出的数数据帧均已已得到了确确认。4.4面向比特的的链路控制制规程HDLCIBM公司司在SNA的数据链链路层规程程采用了面面向比特的的规程SDLC（SynchronousDataLinkControl)，ISO将其修修改后称为为HDLC(High-levelDataLinkControl),CCITT将HDLC修改改后称为LAP（LinkAccessProce-dure），，后LAP又被修改改为LAPB（B-Balanced）。HDLC可可适用于链链路的两种种基本配置置：非平衡配置置与平衡配置HDLC的的帧结构数据链路层层要解决帧帧同步的问问题。帧同步就是从收到到的比特流流中正确地地判断出一一个帧从哪哪个比特开开始以及到到哪个比特特结束。各字段的意意义：标志字段F(F1ag)8bit：01111110作为一一个帧的边边界（帧的的开头和结结尾）。地址字段A，8bit：帧检验序列列字段FCS，16bit:采用的生成成多项式是是CRC-CCITT。所检检验的范围围是从地址址字段的第第1个比特特起,到信信息字段的的最末1个个比特为止止。控制字段C，8bit：HDLC的许多多重要功能能都靠控制制字段来实实现。分为为三大类,即信息帧帧（Information）、监督督帧（Supervisory）和无无编号帧（（Unnumbered）。。信息帧：C的第1比特为0，2~4比特为发发送序号N(S),表示当前发送的的信息帧的的序号；6~8比比特为接收收序号N(R)，表示本站所期望望收到的帧帧的发送序序号。5比特是是探询终止（（Poll/Final）监督帧：控制字段段的第1~2比特为为10,则则对应的帧帧即为监督督帧S，共共四种。由由3~4比比特的取值值决定。（（P87））所有的监督督帧都不包包含要传送送的数据信信息,因此此它只有48bit。监督帧帧不需要有有发送序号号N(S)。但监督督帧中的接接收序号N(R)却却是至关重重要的。无编号帧：控制字段的的第1~2比特为11。无编编号帧本身身不带编号号即无N（（S）和N（R）字字段。而是是用5bit来表示示不同功能能的无编号号帧。无编编号帧主要要起控制作作用，可在在需要时随随时发出。。4.6Internet的点点对点协议议PPP用户接入Internet一一般有两种种方法：①①使用拨号号电话线接接入；②②使用专线线接入。不不管用哪种种方法，在在传送数据据时都需要要有数据链链路层协议议。Point-to-pointProtocol是目目前全球使使用得最多多的数据链链路层协议议。PPP协议议的三个组组成部分：：一种成帧的的方法。可可分割出一一帧的结束束和下一帧帧的开始，，并支持错错误检测。。将IP数据据报封装到到串行链路路的方法。。PPP既既支持异步步链路(无无奇偶检验验的8比特特数据),也支持面面向比特的的同步链路路。IP数数据报在PPP帧中中就是其信信息部分。。这个信息息部分的长长度受最大接收单单元MRU(MaximumReceiveUnit)的限制。MRU的默默认值是1500字字节。一个链路控控制协议LCP(LinkControlProtocol)。用来建立立、配置和和测试数据据链路连接接的，通信信的双方可可协商一些些选项，以以及当线路路不再需要要时关闭线线路。一套网络控制协协议NCP(NetworkControlprotocol),其中的每每一个协议议支持不同同的网络层层协议,如如IP,OSI的网网络层,DECnet,以及及AppleTalk等。PPP协议议的帧格式式PPP的帧帧格式和HDLC的的相似，前前3个字段段和最后两两个字段和和HDLC的格式是是一样的。。PPP不是是面向比特特而是面向向字节的,所有的的PPP帧帧的长度都都是整数个个字节。首部：①标标志字段F：7E的二二进制表示示是01111110。②地址字段段A：只置为FF(即11111111)，表示所所有的站都都接收这个个帧。PPP只用于于点对点链链路,地址址字段实际际上并不起起作用。③控制字段段C：通常置为为03(即即000000100，这表表示PPP帧不使用用编号。PPP有一一个2个字字节的协议议字段。当当协议字段段为Ox0021,PPP帧的信息息字段是IP数据报报；为OxC021,则信息字字段是PPP链路路控制数据据,为Ox8021表示这是网络控制数数据。信息字段：不超过1500字字节。当出现和标标志字段一一样的比特特组合时，，当PPP用用在在同同步步传传输输链链路路时时采采用用硬硬件件来来完完成成比比特特填填充充（（与与HDLC一一样样））；；当用用在在异异步步传传输输时时，，使使用用一一种种特特殊殊的的字字符符填填充充法法,如如信信息息字字段段出出现现7E字字节节，，则则变变成成7D，，5E两两字字节节序序列列，，出出现现7D，，变变为为7D，，5D等等。。帧检检验验序序列列FCS字字段段：对对每每一一个个收收到到的的帧帧都都要要使使用用硬硬件件进进行行CRC检检验验。。若若发发现现有有差差错错，，则则丢丢弃弃该该帧帧。。PPP不不提提供供使使用用序序号号和和确确认认的的可可靠靠传传输输（（帧帧““无无差差错错””、、““不不丢丢失失””和和““不不重重复复””）），，是是因因为为：：（1））若若使使用用能能够够实实现现可可靠靠传传输输的的数数据据链链路路层层协协议议(如如HDLC),开开销销就就要要增增大大。。在数数据据链链路路层层出出现现差差错错的的概概率率不不大大时时,使使用用比比较较简简单单的的PPP协协议议较较为为合合理理。。（2））在在Internet环环境境下下,PPP的的信信息息字字段段放放入入的的数数据据是是IP数数据据报报。。数数据据链链路路层层的的可可靠靠传传输输并并不不能能够够保保证证网网络络层层的的传传输输也也是是可可靠靠的的。。（3））对对每每一一个个收收到到的的帧帧,PPP都都要要使使用用硬硬件件进进行行CRC检检验验。。若若发发现现有有差差错错,则则丢丢弃弃该该帧帧(一一定定不不能能把把有有差差错错的的帧帧交交付付给给上上一一层层））。。PPP协协议议可可保保证证无无差差错错接接受受。。在噪噪声声较较大大的的环环境境下下,如如无无线线网网络络,则则应应使使用用有有编编号号的的工工作作方方式式,提提供供可可靠靠传传输输服服务务。。PPP协协议的工工作状态态当用户拨拨号接入入ISP时,路路由器的的调制解解调器对对拨号做做出确认认,并建建立一条条物理连连接。PC机向向路由器器发送一一系列的的LCP分组(封装成成多个PPP帧帧)。这这些分组组及其响响应选择择了将要要使用的的一些PPP参参数。接着就进进行网络络层配置置,NCP（（networkcontrolprotocol）给新新接入的的PC机机分配一一个临时时的IP地址。。这样,PC机机就成为为Internet上上的一个个主机了了。当用户通通信完毕毕时,NCP释释放网络络层连接接,收回回原来分分配出去去的IP地址。。接着LCP释释放数数据链路路层连接接。最后后释放的的是物理理层的连连接。静止状态态：PPP链路路的起始始状态。。建立状态态：检测测到Modem的载波波信号，，并建立立物理连连接后。。协商：LCP协协商一些些配置选选项，包包括：最大帧长长、所用的鉴鉴别协议议的规约约，及不使用PPP帧帧中的地地址和控制字段段。即发送送LCP的配置置请求帧帧(configure-request)，其其协议字字段置为为LCP，信息息字段包包含特定定的配置置请求。。链路另一一端可发发送几种种响应：：①配置确认认帧（configure-ack）：所有选选项都接接受；②②配置否认认帧（configure-nac）：所有选选项都理理解但不不接受；；③配置拒绝绝帧（configure-reject）：选项有有的无法法识别或或不能接接受，需需要协商商鉴别状态态：协商商结束后后进入。。网络状态态：通信信双方鉴鉴别身份份成功后后进入PPP链链路的两两端互相相交换网网络层特特定的网网络控制制分组。。如运行行的是IP协议议,则使使用IP控制协协议IPCP（（IPControlProtocol)来对对PPP链路的的每一端端配置IP协议议模块(如分配配IP地地址)。。和LCP分组组封装成成PPP帧一样样,IPCP分组也也封装成成PPP帧(其其中的协协议字段段为Ox8201)在在PPP链路上上传送。。打开状态：：当网络层层配置完毕毕后,链路路就进入数数据通信。。两个PPP端点还可可发送回送送请求LCP分组和和回送应答答LCP分分组以检查查链路的状状态。终止状态：：数据传输输结束后，，链路一端端发出终止止请求LCP分组连连请求终止止连接，面面当收到对对方的的终终止确认LCP分组组后，进入入该状态。。当载波停止止后则回到到“静止状状态”9、静静夜夜四四无无邻邻，，荒荒居居旧旧业业贫贫。。。。12月月-2212月月-22Saturday,December31,202210、雨中黄黄叶树，，灯下白白头人。。。14:51:1014:51:1014:5112/31/20222:51:10PM11、以我独独沈久，，愧君相相见频。。。12月-2214:51:1014:51Dec-2231-Dec-2212、故人江海海别，几度度隔山川。。。14:51:1014:51:1014:51Saturday,December31,202213、乍乍见见翻翻疑疑梦梦，，相相悲悲各各问问年年。。。。12月月-2212月月-2214:51:1014:51:10December31,202214、他乡乡生白白发，，旧国国见青青山。。。31十十二二月20222:51:10下下午14:51:1012月月-2215、比不了了得就不不比，得得不到的的就不要要。。。十二月222:51下午午12月-2214:51December31,202216、行动出出成果，，工作出出财富。。。2022/12/3114:51:1014:51:1031December202217、做前，能够够环视四周；；做时，你只只能或者最好好沿着以脚为为起点的射线线向前。。2:51:10下午2:51下下午14:51:1012月-229、没有失败败，只有暂暂时停止成成功！。12月-2212月-22Saturday,December31,202210、很很多多事事情情努努力力了了未未必必有有结结果果，，但但是是不不努努力力却却什什么么改改变变也也没没有有。。。。14:51:1014:51:1014:5112/31/20222:51:10PM11、成功功就是是日复复一日日那一一点点点小小小努力力的积积累。。。12