第4章：数据链路层

第4章数据链路层1本章学习要求：了解：数据传输过程中差错产生的原因与性质。掌握：误码率的定义与差错控制方法。掌握：数据链路层的基本概念。了解：面向字符型数据链路层协议实例—BSC。掌握：面向比特型数据链路层协议实例—HDLC。掌握：Internet中的数据链路层协议。24.1差错产生与差错控制方法

4.1.1为什么要设计数据链路层

在原始物理传输线路上传输数据信号是有差错的；设计数据链路层的主要目的：将有差错的物理线路改进成无差错的数据链路；方法—差错检测差错控制流量控制作用：改善数据传输质量，向网络层提供高质量的服务。34.1.2差错产生的原因和差错类型

传输差错—通过通信信道后接收的数据与发送数据不一致的现象;差错控制—检查是否出现差错以及如何纠正差错；通信信道的噪声分为两类：热噪声和冲击噪声；由热噪声引起的差错是随机差错，或随机错；冲击噪声引起的差错是突发差错，或突发错；引起突发差错的位长称为突发长度；在通信过程中产生的传输差错，是由随机差错与突发差错共同构成的。4传输差错

产生过程5

4.1.3误码率的定义

误码率定义：二进制比特在数据传输系统中被传错的概率，它在数值上近似等于：

Pe=Ne/N其中，N为传输的二进制比特总数；

Ne为被传错的比特数。6讨论误码率应该是衡量数据传输系统正常工作状态下传输可靠性的参数；对于一个实际的数据传输系统，不能笼统地说误码率越低越好，要根据实际传输要求提出误码率要求；对于实际数据传输系统，如果传输的不是二进制比特，要折合成二进制比特来计算；差错的出现具有随机性，在实际测量一个数据传输系统时，只有被测量的传输二进制比特数越大，才会越接近于真正的误码率值。74.1.4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。8常用的检错码奇偶校验码垂直奇（偶）校验水平奇（偶）校验水平垂直奇（偶）校验（方阵码）循环冗余编码CRC

目前应用最广的检错码编码方法之一94.1.6差错控制机制

反馈重发机制

10反馈重发机制的分类

停止等待方式

11连续工作方式

拉回方式选择重发方式

124.2数据链路层的基本概念

4.2.1物理线路与数据链路线路—链路物理线路—数据链路链路可以分为物理链路和逻辑链路。规程和协议同义。最重要的作用：通过一些数据链路层协议，在不太可靠的物理链路上实现可靠的数据传输。134.2.2数据链路控制

数据链路层的主要功能：链路管理帧同步流量控制差错控制帧的透明传输寻址将数据和控制信息区分开数据链路层协议—为实现数据链路控制功能而制定的规程或协议。144.2.3停止等待协议停止等待协议是最简单的基本数据链路层协议。４.2.3.1不需要数据链路层协议的数据传输两个假设：１.链路是理想的传输通信，所有的任何数据传输既不会出差错也不会丢失。２.发送方以多快的速率发送数据，接受方都来得及接受，并及时上交主机。不可能实现15４.2.3.２具有最简单流量控制的数据链路层协议假设１还在成立由接收方控制发送方的数据流，是计算机网络中流量控制的一个基本方法。具有最简单流量控制的数据链路层协议的具体算法：假设１还在成立在发送接点：（１）从主机取一个数据帧；（２）将数据帧发送到数据链路层的发送缓存；（３）将发送缓存中的数据帧发送出去；（４）等待；（５）若接受到接收点发送来的信息，则从主机取一个新的数据帧，然后转到（2）。16４.2.3.２具有最简单流量控制的数据链路层协议在接收接点：（１）等待；（２）若收到由发送接点发送过来的数据帧，就将其放在数据链路层的接收缓存；（３）将接收缓存中的数据帧上交主机；（４）在发送接点发一信息，表示数据帧已经上交给主机；（５）转到（1）；不可能实现17４.2.3.３实用的停止等待协议前面的两个假设不在成立，及传输数据的信道不能保证使所有的数据不产生错误，并且还需要对数据的发送端进行流量控制。不出错误的时候处理方法：确认帧(ACK)和否认帧（NCK)错误的时候处理方法：在数据帧中加上了冗余检验(CRC)，并重发。超时计时器：重复帧:184.3连续ARQ协议4.3.1连续ARQ协议的工作原理：要点是在发送完一个数据帧后，不是停下来等待确认帧，而是可以连续再发送若干数据帧。如果这时收到了接收端发来的确认帧，那么还可以接着发送数据帧，这样就减少了等待时间，整个通信的吞吐量就提高了。例如书上例子：P79这里注意两点：（1）接收端只是按顺序接收数据帧。（2）结点A在每发送完一个数据帧时都要设置超时计时器。连续ARQ协议又称为Go-backe-NARQ意思就是当出差错必须重时，要向回走N个帧，然后再开始重传。特点：提高了连续发送数据帧的效果，但是另一个方面，在重传时又必须把原来已正确发送过的帧传送，这样又降低了数据帧传送效率。194.3.2滑动窗口的概念4.3.2滑动窗口的概念连续ARQ协议的问题：连续ARQ协议中，应该将发送出去但没有被确认的数据帧的数据帧数目加以限制，着就是滑动窗口要研究的内容。在接收端和发送端分别设置发送窗口和接收窗口，来限制数据帧的数目。发送窗口：用来对发送端进行流量控制。发送窗口的大小表示在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。204.3.2滑动窗口的概念发送窗口的规则如下：（1）发送窗口内的帧是允许发送的帧，而不需要考虑有没有收到确认。（2）每发送完一帧，允许发送的帧就减少1，但是发送窗口的位置不变。（3）如所有允许发送的帧都发送完了，还在没有收到任何的确认信息，那么就不能再发送任何帧了。而进入等待。（4）每收到一个帧的确认，发送窗口就向前滑动一个帧的位置。214.3.2滑动窗口的概念接收窗口：是为了控制可以接受那些数据帧而不是接收那些帧。在接收端只有当收到数据帧的发送序号落入接受窗口内才能允许将该数据帧收下。接收窗口归纳如下：（1）只有当收到帧的序号与接收窗口一致时才能接收该数据帧。（2）每收到一个序号正确的帧，接收窗口就向前滑动一个帧的位置，并同时向发送端发送该帧的确认信息。224.3.3信道利用率数据帧必须包括一定的控制信息，所以连续不停地发送数据帧，信道的利用率不可能达到100%出错时，数据帧不得不重传将进一步降低信道的利用率。数据帧的长短就很重要，不能太长，也不能太短。因此要选择一个最佳的数据帧的长度。在次帧下信道的利用率最高。234.4选择重传ARQ协议为了提高信道的利用率，可以设法只重传出现差错的数据帧或是计时器超时的数据帧，就必须增加接收窗口的大小，接收下发送序号不连续但仍在接收窗口内的数据帧，这就是选择重传ARQ协议。选择重传ARQ协议特点：P84244.5数据链路层向网络层提供的服务

数据链路层服务的类型：面向连接确认服务（acknowledgedconnection-orientedservice）；

无连接确认服务（acknowladgedconnectionlessservice）；

无连接不确认服务（unacknowledgedconnectionlessservice）。

25实际数据路径与虚拟数据路径264.5面向字符型数据链路层协议实例：BSC

4.5.1数据链路层协议的分类

274.5.2面向字符型协议实例：BSC

什么是面向字符型协议?以字符为控制传输信息的基本单元

ASIIC码：格式字符：SOH（startofheading）STX（startoftext）ETB（endoftransmissionblock）ETX（endoftext）

控制字符：ACK（acknowledge）NAK（negativeacknowledge）ENQ（enquire）EOT（endoftransmission）SYN（synchrous）DLE（datalinkescape）28面向字符型BSC协议的数据报文格式29建立、维护与释放数据链路流程图304.6典型数据链路层协议分析—面向比特型

4.6.1HDLC产生的背景

面向字符型数据链路层协议的缺点：报文格式不一样；传输透明性不好；等待发送方式，传输效率低。面向比特型协议的设计目标：以比特作为传输控制信息的基本单元；数据帧与控制帧格式相同；传输透明性好；连续发送，传输效率高。314.6.2数据链路的配置和数据传送方式数据链路的配置非平衡配置:p85平衡配置:p85非平衡配置中的主站与从站主站：控制数据链路的工作过程。主站发出命令从站：接受命令，发出响应，配合主站工作非平衡配置中的结构特点点-点方式多点方式32数据链路的非平衡配置方式33非平衡配置方式正常响应模式（normalresponsemode，NRM）主站可以随时向从站传输数据帧；从站只有在主站向它发送命令帧进行探询（poll），从站响应后才可以向主站发送数据帧。

异步响应模式（asynchronousresponsemode，ARM）主站和从站可以随时相互传输数据帧；从站可以不需要等待主站发出探询就可以发送数据；主站负责数据链路的初始化、链路的建立、释放与差错恢复等功能。34平衡配置方式

链路两端的两个站都是复合站（combinedstation）；复合站同时具有主站与从站的功能；每个复合站都可以发出命令与响应；平衡配置结构中只有异步平衡模式（asynchronousbalancedmode，ABM）；异步平衡模式的每个复合站都可以平等地发起数据传输，而不需要得到对方复合站的许可。35数据链路的平衡配置方式364.6.3HDLC的帧结构

信息帧,监督帧,无编号帧F（flag）：固定格式—01111110

作用—帧同步传输数据的透明性（零比特插入与删除）A（address）：地址C（control）：帧的类型、帧的编号、命令与控制信息I（information）：网络层数据，Nmax=256BCRC（checksum）：校验A、C、I字段的数据

G(X)=X16+X12+X5+137帧类型及控制字段的意义38帧类型I帧：

N（S）—发送帧的顺序号

N（R）

—

接收帧的顺序号

P/F=Poll/Final，P=1询问，F=1响应

P与F成对出现S帧：监控功能位

S=00，RR（receiveready）

S=01，RNR（receivenotready）S=10，RJE（reject）S=11，SREJ（selectreject）U帧：用于实现数据链路控制功能39U帧的格式与链路控制功能404.6.4数据链路层的工作过程

简化的信息帧结构的表示方法一个信息帧的表示

41无编号帧的表示方法

SNRM帧与UA帧结构的表示方法

42正常响应模式数据链路工作43讨论：数据链路层

与物理层的关系444.7Internet中的数据链路层

4.7.1Internet中主要的数据链路层协议SLIP（SerialLineIP）—串行线路的Internet数据链路层协议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。454.7.2SLIP协议SLIP出现于20世纪80年代初，最早是在BSDUNIX4.2版操作系统上实现的;SLIP协议支持TCP/IP协议;对数据报进行了简单的封装，然后来用RS-232接口串行线路进行传输;SLIP通常也用来将远程终端连接到UNIX主机，也可通过租用或拨号串行线路进行主机到路由器，以及路由器到路由器的通信。46典型的SLIP接入方式Internet的家庭或小型公司用户通过调制解调器、电话网络连接到ISP的调制解调器；ISP的调制解调器再通过它的路由器接入Internet；SLIP系统一般可以发送和接收1006B的IP数据报。47SLIP协议的帧结构RFC1055文件对SLIP帧格式进行了讨论;SLIP帧头与帧尾的“CO”，是协议使用的惟一的一个控制字符;CO的二进制编码比特序列是10000110000000;CO的使用将影响SLIP帧数据的透明性;48

SLIP协议的缺点使用SLIP协议时，通信的双方都必须知道对方的IP地址，因为SLIP协议没有为它们提供相互交换地址信息的方法；没有设置协议类型字段，不具备同时处理多种网络层协议的能力；没有校验和字段，差错控制功能由高层的协议承担；SLIP协议并不是Internet的协议标准，因此不同版本的之间就会存在着差别，使得互连变得困难。494.7.3CSLIP协议SLIP协议通常运行于传输速率相对较低的串行线路上;在常用于Telnet之类的应用程序中，人们提出了一种压缩的SLIP（CSLIP）协议;RFC1144对CSLIP进行了定义;Telnet是一种交互式的应用程序，每次常常只传送几个字节的信息，通信效率低。

50因特网的点对点的协议PPP早期使用的是简单的面向字符协议SLIP，但是该协议的缺点很多，如：（1）SLIP没有差错检测功能；（2）通信的每一方都必须事先知道对方的IP；（3）SLIP仅支持IP协议，不支持其他协议；（4）SLIP并没有成为因特网的标准协议，存在很多互不兼容的版本，影响到了因特网的通信。为了克服SLIP的缺点，在1992年制定了PPP协议，并经过修订后得到广泛的使用。51因特网的点对点的协议PPP下面我们就来学习点对点的协议（PPP协议）PPP协议有如下的三部分组成：（1）一个将IP数据报封装到串行链路的方法；（2）一个用来建立、配置和测试数据链路连接的链路控制协议（LCP）（3）还有一套网络控制协议（NCP）,其中的每一个协议都支持不同的网络层协议。52因特网的点对点的协议PPPPPP协议不使用序号和确认机制的主要原因：（1）控制开销。（2）数据链路层的可靠传输并不能保证网络层的传输也是可靠的。（3）PPP协议在帧格式中有帧检验序列FCS字段。PPP协议使用的状态：P91534.7.4PPP协议基本特点PPP协议是Intern