计算机网络-第3讲-数据链路层

第3讲数据链路层计算机网络基础教程11概述基本功能，服务2帧同步：字符计数法、字符填充首尾定界符法、比特填充首尾定界符法3流量控制停等协议、后退N帧ARQ协议、选择重发ARQ协议、滑动窗口协议23差错控制特性、检错、纠错数据链路层协议高级数据链路控制规程、Internet数据链路控制协议PPP设备网桥、交换机4数据链路概念的理解主机A数据缓冲区主机B高层缓冲区高层数据帧帧发送方接收方数据链路层：物理线路＋通信协议5数据通信中的实际情况6/118

？发送方：？接收方：？传输过程：！解决这些问题，是链路层的主要任务。！针对这些问题所制定的通信规程就是数据链路层的通信协议。以多快的速度发送数据帧，即每帧之间相隔多长时间？如何确认对方是否收到数据？在数据链路层上传输数据帧会出错吗？会丢失数据帧吗？是否接收到正确的数据帧？如何告诉发送方？能及时处理接收到的数据帧吗？73.1数据链路层概述数据链路层在OSI模型中介于物理层和网络层之间。将物理层提供的可能出错的物理连接改造成逻辑上无差错的数据链路。基本功能是向网络层提供透明和可靠的数据传送服务。透明：该层上传输的数据内容、格式和编码么有限制，也没有必要解释信息结构的意义。可靠：不会发生丢失信息、干扰信息和顺序错误83.1数据链路层概述帧Frame：协议数据单元。链路Link：无源的点到点的物理线路，中间没有任何交换节点。数据链路DataLink：物理线路+通信协议93.1.1数据链路层基本功能帧同步识别帧的开始与结束，识别新帧与重传帧差错控制ErrorControl流量控制FlowControl链路管理LinkManagement建立、维持和释放MAC寻址区分数据与控制信息透明传输103.1.2数据链路层的服务无确认的无连接服务UnacknowledgedConnectionlessService源计算机向目标计算机发送独立的帧，目标计算机不对这些帧进行确认。事先不建立逻辑连接、时候不释放。数据链路层不检测、不回复丢失帧。错误率低或者数据完整性要求不高下使用（语音数据）。高层可以进行恢复。113.1.2数据链路层的服务有确认的无连接服务AcknowledgedConnectionlessService源计算机向目标计算机发送编号的帧，目标计算机对这些帧进行确认。没有收到确认，则重发。适用于不可靠信道（无线通信系统）有确认的有连接服务AcknowledgedConnection-OrientedService编号、确认按正确顺序接收。三个阶段：链路建立、传输、释放123.2帧同步功能从物理层传送的比特流中识别出数据帧的开始与结束。字符计数法CharacterCountMethod面向字节的同步规程。帧头部特定域指定该帧的字符数，特殊字符表示帧开始，专门字段标明字符数。计数错，则传输错133.2帧同步功能字符填充首尾定界符法特殊字符表示帧开始和终止。为了防止数据和帧的首尾定界符混淆，采用插入特定字符的方式。标志符出现在数据中时，仍然会出错。143.2帧同步功能比特填充首尾定界符法特殊比特组合表示帧开始和终止。数据帧的首尾有特殊位模式。如0111110帧内部如果有连续5个1传输，就在这5个1后面加个0.要传0110111111011111001实际01111100110111110101111100010111110153.3流量控制功能其他层也有此功能，控制的对象不同。数据链路层流量控制是相邻两节点之间数据链路上的流量。主要因为收发速度不匹配。因此要向发送法反馈接受方的状态。163.3.1停等协议Stop-and-Waite:发送方发出一帧，等待应答信号到达后再发一帧。接收方每收到一帧送回一个应答信号，表示可以接受下一帧。如果无应答，则一直等待。17重复帧问题：帧有编号，接收方发现有重复帧，则要发送确认帧。帧编号问题：对于停等协议，一位就够编号。18【例3-1】信道数据传输率为4kb/s，传播延迟为20ms，帧长在什么范围使得停等协议的信道利用率达到50%以上？信道利用率=数据发送时延/（传播时延+发送时延）19203.3.2后退N帧ARQ协议Go-Back-N连续发送若干帧，期间接收到了确认帧，还可以继续发。减少了等待时间，提高了信道吞吐率。窗口大小W<=2n-1213.3.2后退N帧ARQ协议22DATA13.3.3选择重发SRQ协议SelectiveRepeatProtocol选择性重发出错的帧。窗口大小：W发=W收<=2k-1233.3.4滑动窗口协议SlidingWindowProtocol允许连续发送多个帧而无需等待应答。2425W<2a+1【例3-2】数据传输速率为50kb/s传输长度为1kb的帧。确认由数据帧捎带。帧序号长度为3,对于以下三种协议，最大信道利用率是多少？单向传播延迟为270ms。解：一帧的发送时间1/50=0.02s，传输延迟0.27s则停止等待协议：发送数据+传输+发送数据（捎带确认）+传输=0.02+0.27+0.02+0.27=0.58s。发送数据的时间0.02*2,利用率=0.04/0.58=6.8%后退N滑动：帧序号长度为3b，发送窗口最大值=23-1=7，发送数据+传输+发送数据（捎带确认）+传输=0.02+0.27+0.02*6+0.02+0.27=0.7s。发送数据的时间0.02*8=0.16s利用率=0.16/0.7=22.86%选择重发：发送窗口最大值23-1=4.发送数据+传输+发送数据（捎带确认）+传输=0.02+0.27+0.02*3+0.02+0.27=0.64s。发送数据的时间0.02*5=0.10s利用率=0.10/0.64=15.63%263.4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错误。我们把这种通过通信信道后接收的数据与发送的数据不一致的现象称为传输差错。而分析差错产生的原因与差错类型，并加以检查和纠正的方法称为差错控制方法。27差错控制的基本方式--ARQ(1)自动请求重发ARQ在接收端则根据编码规则对收到的编码信号进行检查，一旦检测出(发现)有错码时，即向发信端发出询问的信号，要求重发。发信端收到询问信号时，立即重发已发生传输差错的那部分信息，直到正确收到为止。28差错控制的基本方式--FEC(2)前向纠错FEC

这种方式是发信端采用某种在解码时能纠正一定程度传输差错的较复杂的编码方法，使接收端在收到的信息码中不仅能发现错码，还能够纠正错码。采用前向纠错方式时，不需要反馈信道，也无需反复重发而延误传输时间，对实时传输有利，但是纠错设备比较复杂。

293.4检错码与纠错码纠错码：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。检错码:

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，并且自己不能纠正传输差错。30/118奇偶校验码

奇偶校验码是奇校验码和偶校验码的统称，是一种最基本的检错码。它是由n-1位信息元和1位校验元组成。如果是奇校验码，在附加上一个校验元以后，码长为n的码字中“1”的个数为奇数个；如果是偶校验码，在附加上一个校验元以后，码长为n的码字中“1”的个数为偶数个。

31差错检测编码奇偶校验码水平奇（偶）校验码垂直奇（偶）校验码水平垂直奇(偶)校验码（方阵码）32水平奇/偶校验码水平奇/偶校验码:其信息字段以字符为单位，校验字段仅含一个比特称为校验比特或校验位,使用七单位的ASCII码来构造成八单位的检错码时若采用奇/偶校验，校验位的取值应使整个码字包括校验位中为1的比特个数为奇数或偶数。例：

信息字段

奇校验码

偶校验码

0110001

01100010

01100011编码效率：Q/(Q+1)

(信息字段占Q个比特)应用：通常在异步传输方式中采用偶校验，同步传输方式中采取奇校验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；33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。34CRC原始信息M(x)：k位左移r位。除以r次生成多项式G(x)，得到余式R(x)。余式加上左移r位后的式子。35模2运算模2加法这是一种二进制的运算，即两个序列中对应位，相加，不进位，相同为0，不同为1。等同于异或运算。模2除法与算术除法类似，但每一位除的结果不影响其它位，即不向上一位借位，所以实际上就是异或。36【例3-5】输入多项式M(x)=x6+x5+x3+x+1，信息码字为1101011，生成多项式为G(x)=x4+x2+x+1。试用模2除法求出传送多项式R(x)及对应的发送代码。解：补0，G(x)最高四次，因此左移，后补4个0：11010110000模2除法：得到余数0100.相加的到：11010110100。对应的多项式为：x10+x9+x7+x5+x4+x23738393.5数据链路层协议HDLC高级数据链路控制规程：同步网上传输数据、面向比特的数据链路层协议。链路操作：主节点或者从节点，或者二者兼备。用于控制目的的节点是主节点。主节点负责组织数据流，对差错实施恢复。主节点发出的命令帧，从节点返回的成为响应帧。401）正常响应方式非平衡数据链路操作方式。用于面向终端的点到点或者一到多的链路。传输从主节点启动，从节点收到命令帧后，响应传输信息。主节点管理链路，轮询、选择从节点，控制超时、重发等恢复操作。2）异步响应方式从节点启动。从节点主动发送给主节点。3）异步平衡方式允许任何节点启动传输41HDLC的帧结构比特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检验区间标志字段F(Flag)：为6个连续1加上两边各一个0共8bit。固定格式—01111110，在接收端只要找到标志字段就可确定一个帧的位置。作用—帧同步、传输数据的透明性（零比特插入与删除）。地址字段：每个从节点和组合节点都有一个唯一地址。全1位广播地址。控制字段：构成各种命令集响应。表示是信息帧I、监控帧S和无编号帧U的类型信息字段：二进制比特串。大小一般1000-2000b

帧校验字段：16位CRC421）信息帧I有效信息或者数据控制字段中存放有帧序号。3b二进制编码。2）监控帧S差错和流量控制固定6B大小四种编码3）无编号帧U提供链路的建立、拆除以及多种控制43HDLC应用特点应用场合：点到点或者点到多点。半双工或全双工。同步传输。中高速传输。传输效率：连续发送。一次确认多帧。可寻址，可以同时选择多个节点建立链路。传输效率较高。可靠性：FCS，I帧顺序标号，可靠性比异步通信高。数据透明性：0比特插入法，透明传输。传输格式：统一帧格式。链路控制：各种控制字443.5.2PPP协议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)。

45/118PPP帧格式46PPP协议的帧格式PPP的帧格式和HDLC的相似。标志字段F仍为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）。PPP是面向字节的，所有的PPP

帧的长度都是整数字节。47/118PPP链路工作过程483.6数据链路层设备网桥：桥接器，工作在数据链路层，是连接2个局域网的存储转发设备。可以将一个较大的局域网分割成多个网络。或者是将两个以上的局域网互联成一个逻辑上的局域网。从一个局域网接受MAC帧，拆封、校对、校验，再按照目标局域网的格式封装。具有缓存能力。49网桥的功能：帧的过滤和转发缓冲管理协议转换差错控制分层路径选择特