计算机网络基础 课件 4.2 数据链路层相关技术

所属专业：视觉传播设计与制作所属课程：《广告摄像》所属单元：《产品短视频的拍摄》

计算机网络基础第四章数据链路层与局域网组网物联网工程学院(信息安全学院)总目录Contents1.数据链路层的作用2.数据链路层相关技术3.局域网4.以太网5.虚拟局域网6.无线局域网7.PPP协议2.数据链路层相关技术1）帧同步技术2）链路管理技术3）差错控制技术4）流量控制技术5）反馈重发机制帧同步指的是接收方能从接收到的二进制比特流中区分出帧的起始与结束。数据链路层以帧为单位进行数据传输，目的就是为了在出错时候就只要重传错误的帧，而不必将全部数据重传，从而提高传输效率。帧有具体的格式，帧中除了传输的数据意外，还包括校验数据，用来检查帧在传输过程是否产生错误。帧同步技术目的MAC地址源MAC地址类型前导字符IP头部TCP头部数据帧校验以太网数据帧格式帧同步的方法有：字节计数法使用字符填充的首尾定界符法使用比特填充的首尾标志法违法编码法这是一种以一个特殊字符表示一帧的起始并以一个专门字段来标明帧内字节数的帧同步方法。接收方可以通过对该特殊字符的识别从比特流中区分出帧的起始并从专门字段中获知该帧中随后跟随的数据字节数，从而可确定出帧的终止位置。面向字节计数的同步规程的典型代表是DEC公司的数字数据通信报文协议DDCMP帧同步技术字节计数法该法用一些特定的字符来定界一帧的起始与终止，一般是0x7E（二进制为01111110），为了不使数据信息位中出现的与特定字符（0x7E）相同的字符被误判为帧的首尾定界符，可以在这种数据字符中填充一个转义控制字符以示区别（因为0x7E=01111110，字符填充是在这两个字节中，填充进0xD5。变为（0x7D,0x5E）的组合0111110110011110），从而达到数据的透明性。但这种方法使用起来比较麻烦，而且所用的特定字符过分依赖于所采用的字符编码集，兼容性比较差。帧同步技术使用字符填充的首尾定界符法该法以一组特定的比特组合来标志一帧的起始与终止。当信息数据位中出现相同的比特组合时采用零比特填充，从而达到数据的透明性。假设特定的比特组合是01111110，带有连续的6个1，因此发送端发送帧数据时，每当发现有连续的5个1，立即填充一个0发送。即01111110变成011111010进行传输。接收端对帧中的比特流扫描，每当发现5个连续的1，就把后面的1个0删除。HDLC就是采用该方法进行帧同步的。帧同步技术使用比特填充的首尾标志法该法在物理层采用特定的比特编码方法时采用。例如，一种被称作曼彻斯特编码的方法，是将数据比特“1”编码成“高－低”电平对，而将数据比特“0”编码成“低－高”电平对。而“高－高”电平对和“低－低”电平对在数据比特中是违法的，可以借用这些违法编码序列来定界帧的起始与终止。局域网IEEE802标准中就采用了这种方法。违法编码法不需要任何填充技术，便能实现数据的透明性，但它只适用于采用冗余编码的特殊编码环境。帧同步技术违法编码法高电平低电平10链路管理功能主要用于面向连接的服务。当链路两端的节点要进行通信前，必须首先确认对方已处于就绪状态，并交换一些必要的信息以对帧序号初始化，然后才能建立连接，在传输过程中则要能维持该连接。链路管理技术建立物理连接比特流传输建立物理连接时间建立数据链路传输帧释放数据链路物理层数据链路层探寻确认探寻确认1帧1帧数据传输过程中由于收发双方各自使用的设备工作速率和缓冲存储的空间的差异，可能出现发送方发送能力大于接收方接收能力的现象（比如发送方每秒发送100个数据帧，而接收方每秒只能处理50个数据帧），如若此时不对发送方的发送速率（也即链路上的信息流量）作适当的限制，前面来不及接收的帧将被后面不断发送来的帧“淹没”，从而造成帧的丢失而出错。数据链路层流量控制的主要方法有两种：停-等流量控制和滑动窗口流量控制。流量控制技术停-等流量控制：发送方发送一个帧，接受方接收处理完之后必须发回一个对于这个帧的确认表示自己同意接收下一个帧；发送方收到这个确认之后，才能发送下一个帧。流量控制技术发送方接收方发送第一个数据帧发送第一个数据帧确认发送第二个数据帧发送第二个数据帧确认滑动窗口流量控制：滑动窗口可以看成是与缓冲区对应的一组序号，与发送缓冲区对应的是发送窗口，与接收缓冲区对应的是接收窗口。流量控制技术接收到确认后，窗口的上限就前移一格。21345发送方发送缓冲区12345

1234512345发送一帧后，窗口的下限就前移一格。已发送的帧可发送的帧已接收确认未确认发送窗口发出确认后，窗口的上限就前移一格。21345接收方接收缓冲区12345

1234512345接收到一帧后，窗口的下限就前移一格。已接收的帧可接收的帧已发确认接收窗口数据链路层通过在数据帧中加入校验码来检查数据在传输过程中是否发送错误，从而具有检错能力。常见的差错控制技术：奇偶校验码，CRC循环冗余码差错控制技术奇偶校验码：是一种通过增加冗余位使得码字中“１”的个数为奇数或偶数的编码方法，它是一种检错码。增加的冗余位又叫校验位，一般情况下，校验位是加在原始数据字节的最高位或最低位。把信源编码后的信息数据流分成等长分组，在每一信息分组之后加入一位校验码元作为奇偶校验位，如果总码长n中的“1”的个数为偶数，则为偶校验码。否则为奇校验码。奇偶校验只能检测出奇数位错，对偶数位错则无能为力。差错控制技术垂直奇偶校验、水平奇偶校验和水平垂直奇偶校验差错控制技术0111001001010101010111010101信息组信息位水平奇校验水平偶校验“1”的个数为偶数个，所以奇校验码为1，偶校验码为010“1”的个数为奇数个，所以奇校验码为0，偶校验码为1011010校验位0111001001010101010111010101信息组信息位垂直奇校验垂直偶校验01101101010010垂直校验位0111001001010101010111010101信息组10110101101水平校验位CRC循环冗余码：循环冗余校验码由两部分组成，前一部分是k+1个比特的待发送信息，后一部分是r个比特的冗余码。由于前一部分是实际要传输的内容，因此是固定不变的，CRC码的产生关键在于后一部分冗余码的计算。CRC计算中主要用到两个多项式：K(x)和G(x)。其中，K(x)是一个k阶多项式，其系数是待发送的k+1个比特序列；G(x)是一个r阶的生成多项式，由发收双方预先约定。差错控制技术任何一个待发送的二进制比特流都可以看成是某个一元多项式中各项系数的组合，如1011011可以看成是一元多项式1*X6+0*X5+1*X4+1*X3+0*X2+1*X1+1*X0，即：X6+X4+X3+X1+X0，同理多项式X5+X3+X2+X1+X0对应的代码为101111。CRC工作原理是：将要发送的数据比特序列当做一个多项式K（x）的系数，在发送端用收发双方约定的生成多项式G（x）去除，求得一个余数多项式，并附加在发送数据多项式之后发送到接收端。接收端收到数据后，除以多项式G（x），如果得到结果为0，则数据传输无差错，若不为0，则传输出错，请求重发。差错控制技术发送端接收端发送数据K（x）生成多项式G（x）接收数据K’（x）生成多项式G（x）利用除法运算求出校验字段数据字段校验字段利用除法求余数余数为0，未出错余数不为0，出错CRC编码校验过程：差错控制技术（1）发送方和接收方事先约定一个生成多项式G(x)。（2）发送端根据生成多项式G(x)去计算要附加在信息帧尾部的冗余位。计算校验和的算法如下：假设信息帧的比特数为k位，对应的多项式为K(x)，G(x)为r阶。在信息帧的低位端加上r个0，此时信息帧的比特数变为k+r位，对应的多项式为K(x)·xr。按模2除法，用对应于G(x)的比特串去除对应于xrK(x)的比特串，从而得到一个小于等于r位的余数。这个余数便可作为校验和。（3）将校验和附加在k位信息帧尾部，组成一个新的帧，由发送端发送给接收端。CRC编码举例差错控制技术例：CRC实例。假设要发送的信息帧数据比特序列为110011，双方约定的生成多项式为G（x）=X4+X3+X0。发送端发送数据计算方法：信息帧的多项式为K（x）=X5+X4+X1+X0。由生成多项式G（x）=X4+X3+X0可知阶数r为4，生成多项式的比特序列为11001。此时利用公式xr.K(x)，即信息帧的数据比特序列乘以x4，则信息帧的多项式变为X9+X8+X5+X4，即信息帧的比特序列变为1100110000。将乘积用多项式比特序列去除，按模2运算，求出余数为：模2除法（二进制除法）：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，所以实际上就是二进制异或。二进制异或规则（记忆方法：同为0异为1）差错控制技术模2除法具有的特性：（1）当最后余数的位数小于除数位数时，除法停止。（2）当被除数的位数小于除数位数时，则商为0，被除数就是余数。（3）只要被除数或部分余数的位数与除数一样多，且最高位1，不管其他位是什么数，皆可商1。（4）位数足够商1，同等位数使用“异或”运算求余。CRC编码举例差错控制技术110011000011001K(x)•xr1000011100110000110011001余数生成多项式G（x）通过上一步计算可知余数为1001，也就是校验码，将校验码加在信息帧的后面即发送数据为1100111001。接收端接收数据计算方法如果在数据的传输过程中没有发生错误，那么接收端收到的带有CRC校验码的数据比特序列一定能被相同的生成多项式整除，即110011100111001接收到的数据1000011100111001110010余数生成多项式G（x）差错控制技术CRC具有较强的检错能力，可以检测出所有的奇数位错、双比特错、小于等于校验和长度的突发错。CRC中生成多项式G(x)的选择是非常重要的。目前广泛使用的生成多项式主要有以下几种：CRC-16G（x）=X16+X15+X2+1CRC-CCITTG（x）=X16+X12+X5+1CRC-32G（x）=X32+X26+X23+X22+X16+X12+X11+Xl0+X8+X7+X5+X4+X2+X+1反馈重发的机制：当接收方检出错误的帧时，首先将该帧丢弃，然后接收方给发送方反馈信息请求对方重发相应的帧。反馈重发也被称为自动请求重传（AutomaticRepeatRequest，简称ARQ）。ARQ通过使用确认和超时这两个机制，在不可靠服务的基础上实现可靠的信息传输。如果发送方在发送后一段时间之内没有收到确认帧，它通常会重新发送。ARQ包括停止等待ARQ协议和连续ARQ协议。反馈重传机制停止等待ARQ协议在停止-等待方式中，发送方每发送一帧后就等待应答，只有接收到一个应答（ACK）后，才发送下一个帧，直到发送方发送一个传输结束帧。若未收到应答发送方就重发该帧。反馈重发机制发送端时间接收端数据帧DATA0接收端接收并返回确认帧确认帧ACK数据帧DATA1接收端接收并返回确认帧确认帧ACK帧传输正常情况帧破坏造成数据重传时间数据帧DATA0出错接收端出错并返回否认帧否认帧NAK重新发送数据数据帧DATA0确认帧ACK发送端接收端停止等待ARQ协议在停止-等待方式中，发送方每发送一帧后就等待应答，只有接收到一个应答（ACK）后，才发送下一个帧，直到发送方发送一个传输结束帧。若未收到应答发送方就重发该帧。反馈重发机制确认帧丢失情况数据帧DATA0数据帧DATA0丢弃重复帧，返回确认帧确认帧ACK超时丢失重传确认帧ACK丢弃帧丢失情况发送端接收端数据帧DATA0数据帧DATA0接收端接收并返回确认帧确认帧ACK超时丢失重传连续ARQ协议连续ARQ协议的特点是发送端在发送一个帧后，不是停下来等待确认帧的到来，而是可以连续再发送多个帧，帧的个数取决于发送方的发送能力和接