网络原理课件第四章

第四章数据链路控制数据链路层定义和功能差错控制流量控制常用的数据链路层协议

为什么要设计数据链路层？在原始的物理传输线路上传输数据信号是有差错的，存在一定的误码率；设计数据链路层的目的就是如何在有差错的线路上，进行无差错传输。向网络层提供高质量的服务。从网络参考来看，物理层之上的各层都有改善数据传输质量的要求，数据链路层是重要的一层。4.1 定义和功能要解决的问题：如何在有差错的线路上，进行无差错传输。ISO关于数据链路层的定义：数据链路层的目的是为了提供功能上和规程上的方法，以便建立、维护和释放网络实体间的数据链路。数据链路：从数据发送点到数据接收点（点到点pointtopoint）所经过的传输途径。

虚拟数据通路，实际数据通路分组和帧的关系二、数据链路层基本功能数据链路控制规程为使数据能迅速、正确、有效地从发送点到达接收点所采用的控制方式。数据链路层协议应提供的最基本功能：数据在数据链路上的正常传输（建立、维护和释放）帧定界（帧同步）差错控制流量控制寻址数据链路层协议的位置帧分组帧分组数据链路连接数据链路层为网络层提供三种基本服务：无确认无连接服务

由上层完成差错控制，适合于误码率低、实时性要求高的场合，如大部分有线局域网。有确认无连接服务进行简单的差错控制。适用于不可靠的信道，如无线网。面向连接确认服务在发送前需要建立连接，保证了帧的正确按序传输，适合于可靠性要求较高的场合。适合于大多数广域网。应答方式正向应答:只对正确的信息应答。负向应答:只对错误的信息应答。双向应答:既对正确的信息应答，也对错误的信息应答。问题1：在数据链路层，最常采用哪种应答方式？问题2：在数据传输过程中，数据会出现哪些情况？正向应答工作方式A0D0D1A1D0D0A0D1A1D1启动计时器计时器超时启动计时器计时器超时D0A0D1A1D1A1(1)正常的数据传送 （2）数据帧丢失及出错（3）应答帧丢失4.2成帧（Framing）将比特流分成离散的帧，并计算每个帧的校验和。成帧方法：1）字符计数法在帧头中用一个域来表示整个帧的字符个数缺点：若计数出错，对本帧和后面的帧有影响。 因此很少采用。555343224521355成帧（2）2）带字符填充的首尾字符定界法用DLESTX标示帧的开始用DLEETX标示帧的结束用DLEDLE标示传送数据信息中的DLE例如：信息DLESTXADLEBDLEETX在网络中传送时表示为：DLESTXDLEDLESTXADLEDLEBDLEDLEETXDLEETX

缺点：局限于8位字符和ASCII字符传送，也不被普遍采用。成帧（3）3）带位填充的首尾标记定界法帧的起始和结束都用一个特殊的位串“01111110”，称为标记(flag)“0”比特插入删除技术，在传送的数据信息中每遇到5个连续的1在其后加0例如：0110111111011111001在网络中传送时表示为：01111110011011111010111110001011111104）物理层编码违例法只适用于物理层编码有冗余的网络，如曼彻斯特编码注意：在很多数据链路协议中，使用字符计数法和一种其它方法的组合。4.3差错控制差错出现的特点：随机，连续突发（burst）差错产生的原因信道的电气特性引起信号幅度、频率、相位的畸变；信号反射；串扰；闪电、大功率电机的启停等。

出错情况帧（包括发送帧和响应帧）出错帧（包括发送帧和响应帧）丢失差错控制的目的保证帧正确，按序送交上层。在接收方能够判断接收的数据是否正确，若错误还可能要恢复错误。差错控制的方法自动纠错机制检错反馈重发机制差错控制的方法纠错码和检错码码字codeword一个帧包括m个数据位，r个校验位，称为n

位码字（n=m+r）。

纠错码error-correctingcode加入了足够多的冗余位，使接收方不仅知道有差错发生，并知道哪些位发生差错。检错码error-detectingcode加入了冗余位，使接收方知道有差错发生，但不知道什么差错，然后请求重发。

海明定理海明距离两个编码的海明距离：两个编码不相同位的个数。编码方案的海明距离：编码方案中任两个编码海明距离的最小值。例：0000000000与0000011111的海明距离为5海明定理为检测d位错，编码方案的海明距离应至少为d+1；当发生d位错时，不会由一种合法编码变为另一种合法编码。为纠正d位错，编码方案的海明距离应至少为2d+1；当发生d位错时，出错编码仍然最接近于原始的正确编码。差错码举例奇偶校验码在数据后填加一个奇偶位（paritybit）例：使用偶校验（“1”的个数为偶数） 10110101 ——> 101101011 10110001 ——> 101100010若接收方收到的字节奇偶结果不正确，就可以知道传输中发生了错误。增加奇偶校验位后海明距离由1变为2，因此可以检查出一位二进制位的差错循环冗余码(CRC)循环冗余码（CRC码，多项式编码）110001，表示成多项式x5+x4+1生成多项式G(x)发方、收方事前约定；生成多项式的高位和低位必须为1生成多项式必须比传输信息对应的多项式短。CRC校验基本思想：CRC码（即校验和）加在帧尾，使带CRC码的帧的多项式能被G(x)除尽；接收方接收时，用G(x)去除它，若有余数，则传输出错。设G(x)为r阶，在帧的末尾加r个0，使帧为

m+r位，相应多项式为xrM(x)；按模2除法用对应于G(x)的位串去除对应于xrM(x)的位串；按模2减法从对应于xrM(x)的位串中减去余数（等于或小于r位），结果就是要传送的带校验和的多项式T(x)。CRC码计算算法CRC的检错能力发送：T(x)；接收：T(x)+E(x)；余数((T(x)+E(x))/G(x))=0+余数(E(x)/G(x))若余数(E(x)/G(x))=0，则差错不能发现；否则，可以发现。四个多项式已成为国际标准CRC-12 =x12+x11+x3+x2+x+1CRC-16 =x16+x15+x2+1CRC-CCITT =x16+x12+x5+1CRC-32=X32+X26+X23+X22+X16+X12+X11+X10+X8+X7+X5+X4+X2+X+1硬件实现CRC校验。循环冗余校验法CRC码计算算法检验和(checksum)算法检验字段初值置0；数据拆分成与检验字段等长的分片，不足部分补0；将所有分片逐位取反，并连续累加，丢弃最高进位；计算结果置入检验字段；接收段执行相同的过程，并将计算结果和传输过来的检验和进行比较以决定数据是否出现差错；适用于高层协议，如IP、TCP、UDP等；检验和算法举例待传输数据为：10010100,01110110,1100计算过程~(10010100)+~(01110110)=1111010011110100+~(11000000)=00110011带检验和的传输数据是10010100,01110110,1100001100114.4 流量控制假设单工传输发送方无休止工作（要发送的信息无限多）；接收方无休止工作（缓冲区无限大）；发送数据的速率低于接收数据的速率；通信线路（信道）不损坏或丢失信息帧（无错）。工作过程发送程序取数据，构成帧，发送帧；接收程序等待，接收帧，送数据给高层。单工停等协议（理想情况）增加约束条件：接收方不能无休止接收。例如：缓冲区数量有限，接收速率比发送速率低等。解决办法：

接收方每收到一个帧，给发送方回送应答。工作过程发送程序取数据，成帧，发送帧，等待响应帧；接收程序等待，接收帧，数据送高层，发送应答帧。单工停等协议（无错情况）（a）简单停等协议；（b）带流量控制停等协议增加约束条件：信道（线路）有差错，信息帧可能损坏或丢失。解决方法常使用正向应答+重发机制来解决差错控制。数据序号采用循环序号机制。应答帧的两种方式：单帧应答：应答序号为某一个正确帧的序号成批应答：应答序号为下一个期望接收的序号通常采用附载应答方式：将数据帧携带应答信息的通信方式称为附载应答。可以把应答帧的序号加在信息帧中一并发送，以提高效率。单工停等协议（有错情况）数据帧在链路上传输的可能情况从网络层取数，成帧发送帧帧到否应答到否超时否重复否正确否接收帧，送网络层发应答发送帧应答帧YNYNYNNY定时器丢弃丢弃NY有噪声信道的单工停等协议示意图停等协议效率连续ARQ协议工作原理连续停等协议是指不需要收到应答帧就可连续不断的发下面的帧出错后处理全部重发流水线协议当一帧出错时，需重发出错帧之后的所有帧；接收方的缓冲区数量只需要一个。选择重发流水线协议当一帧出错时，只重发出错帧；接收方的缓冲区数量足够多。连续ARQ协议的工作原理滑动窗口协议滑动窗口协议是对连续停等协议的改进，它能够控制已发送但未确认的数据帧的个数（滑动窗口的大小）。发送窗口窗口尺寸：允许连续发送未应答的帧的个数数据允许发送的条件：上界－下界<窗口尺寸窗口滑动的条件窗口上限移动：发送数据帧；窗口下限移动：收到应答帧滑动窗口协议（接收窗口）接收窗口窗口尺寸：允许连续接收未处理的帧的个数数据允许接收的条件：数据序号落在接收窗口中窗口滑动的条件发送应答帧后上下界同时移动窗口大小与序号关系出错全部重传WT>WR

，WR=1WT≤2n-1

选择性重传WT

=WR

WR≤2n-14.5 常用的数据链路层协议面向字符的链路层协议ISO的IS1745，基本型传输控制规程及其扩充部分（BM和XBM）IBM的二进制同步通信规程（BSC）DEC的数字数据通信报文协议（DDCMP）PPP—Point-to-PointProtocol，Internet的协议。4.5 常用的数据链路层协议面向比特的链路层协议IBM的SNA使用的数据链路协议SDLC（SynchronousDataLinkControlprotocol）；ANSI修改SDLC，提出ADCCP（AdvancedDataCommunicationControlProcedure）；ISO修改SDLC，提出HDLC（High-levelDataLinkControl）；CCITT修改HDLC，提出LAP（LinkAccessProcedure）作为X.25网络接口标准的一部分，后来改为LAPB。高级数据链路控制规程HDLCHDLC的组成帧结构（语法）规程元素（语法）规程类型（语义）使用HDLC的语法可以定义多种具有不同操作特点的链路层协议。HDLC的描述数据站：主站，次站，组合站链路构型：平衡型和非平衡型操作模式：正规响应模式，异步响应模式，异步平衡模式HDLC的帧结构定界符01111110空闲的点到点线路上连续传定界符，说明物理连接已经建立，能够建立数据链路。地址字段（Address）多终端线路，用来区分终端；点到点线路，有时用来区分命令和响应。若地址是接收该帧站的地址，则该帧是命令帧；若地址是发送该帧站的地址，则该帧是响应帧。HDLC的帧结构（续）控制字段（Control）8b：用作序号、确认和其它目的数据字段（Data）任意信息，任意长度（长度由上层控制）校验和（Checksum）CRC校验生成多项式：CRC-CCITT=x16+x12+x5+1HDLC帧的类型帧类型信息帧（Information）完成信息传送。监控帧（Supervisory）差错控制和流量控制。无序号帧（Unnumbered）链路控制管理。控制字段帧的类型及相应的信息用控制域的字段表示；信息帧序号（Seq）：滑动窗口技术，3位序号，发送窗口大小为7捎带确认（Next）：下一个希望接收到的帧探询/结束P/F位（Poll/Final）HDLC中的监控帧监控帧类型“0”表示确认帧RR（RECEIVEREADY），接收准备确认。类型“1”表示否定性确认帧REJ（REJECT），对应于出错全部重传类型“2”表示接收未准备好RNR（RECEIVENOTREADY）类型“3”表示选择拒绝SREJ（SELECTIVEREJECT），对应选择性重传HDLC和ADCCP允许选择拒绝，SDLC和LAPB不允许。HDLC中的无序号帧无序号帧可以用来传控制信息，也可在不可靠无连接服务中传数据。Type和Modifier联合表示不同类型的无序号帧；命令DISC（DISConnect）SNRM（SetNormalResponseMode）SARM（SetAsynchronousResponseMode）SABM（SetAsynchronousBalancedMode）HDLC和LAPB使用。FRMR（FRaMeReject）无序号确认UA（UnnumberedAcknowledgement）对控制帧进行确认，用于确认模式建立和接受拆除命令。UI（UnnumberedInformation）HDLC的功能组合三种站，两种构型，三种操作模式，以及规程元素中定义的各种帧的各种组合产生多种链路层协议。HDLC定义了选择构成链路层协议的良序结构：选择站构型——>基本操作模式——>基本帧种类——>12种任选功能——>得到协议X.25协议（自学）X.25协议分组级，PLP帧级，X.25LAP（LinkAccessProcedure），X.25LAPB（Balanced）物理级，X.21“X.25协议规程使用HDLC规程的原理和术语”X.25LAP：HDLC非平衡规程帧的基本清单+任选功能2、8、12，也可组成主站—次站式平衡规程。X.25LAPB：HDLC组合站平衡规程帧的基本清单+任选功能2、8、11、12。因此，X.25LAP、LAPB是HDLC的子集。X.25的帧格式与HDLC完全相同X.25链路级的命令和响应X.25的链路层协议LA