第十章 数据链路层

1、1,第十章 数据链路层,何小其,本章主要内容,10.1 差错控制 10.2 数据链路协议 10.3 X.25链路访问规程 10.4 数据链路层协议性能分析,数据链路层,数据链路层控制协议的目的是和物理层服务一起提供无差错的通信链路。 数据链路层基本结构： （1）将输入比特流分割成帧，每一帧的开头和结尾必须清楚标识，以便帧同步。 （2）提供识别和寻址的手段，以辨别发端地址。 （3）提供检错技术、启动恢复和纠错的机制，以保持报文的高度完整性。,数据链路层协议功能体系： 帧控制：用界定字符或标记来界定帧的开头和结尾。 差错控制：提供错误检测，确认已正确接收的帧及处理未正确接收帧重传请求。 初始化控制

2、：保证数据链路动态建立。 链路管理功能：通过控制传送方向来控制链路，建立和终止逻辑连接。 透明：链路控制与被传送信息无关。 流量控制：通过收发双方协调，控制数据链路上的比特流。 异常恢复控制：控制异常事件的恢复过程。,10.1 差错控制,10.1.1 自动重复请求协议 10.1.2 连续ARQ,数据通信的差错控制有两种基本类型：自动重发请求（ARQ）和前向纠错（FEC）。 ARQ过程简单、控制可靠，在数据通信中得到广泛应用，其效率与信息差错和信息往返掉头时延有关。 FEC使用纠错码，译码困难，成本较高。适用于无返回信道或由于某种原因不宜重传的通信系统，如卫星系统和空间通信等。,10.1.1 自

3、动重复请求协议,ARQ分为停-等协议和连续ARQ协议。 停-等协议：发送端发出一信息帧，等待接收端返回正确接收的确认（ACK）信号。只有收到这一确认，才能发送下一帧。 停-等协议的缺点是发送方要停下来等待ACK返回确认后再继续发送，造成信道浪费。,信道实际利用率计算 设信道容量是B b/s，帧长度为L b/s，信号在信道中往返传播时延为2R，并假定返回的确认帧很短，不占用信道时间，在一个收发周期中实际用于发送时间是L/B，而空等待时间为2R，因此信道实际利用率为：,停-等协议不适合传播时延长的高速信道。 若信道存在差错而收不到ACK需超时重传，同时为了有效的数据传送，必须加上帧头，信道有效利用

4、率还会进一步下降。,10.1.2 连续ARQ,连续ARQ基本原理是发端连续不断地发送信息帧，不等确认。无差错情况下，发送端的利用率可达100%。但错误恢复的复杂性增加。 连续ARQ两种常用错误恢复技术：返回N和选择性重传。,返回N协议 （1）发送端连续发送含顺序序号的帧，并启动相应的定时器；接收端收妥每一帧都要确认答复（ACK）。 （2）如发送方在定时器超时未收到某帧ACK，或超时前收到否定的确认（NAK），发送方要返回到该帧并重发该帧及以后的所有已发的帧。,选择性重传只重传那些丢失的或没有被确认的信息帧。 选择重传协议在某帧出错时减少了后面所有帧都要重传的浪费，但对接收方提出了更高要求。 接

5、收方要求有一足够大的缓冲区，用于保存未按顺序正确传送的帧。这个范围叫接收窗口，选择重传时接收窗口大于1。而返回N协议正是接收窗口等于1的特殊情况。,若帧序号位数为m，对于返回N协议，必须使发送窗口2m-1。 对于选择重传，必须使接收窗口发送窗口2m-1，才能保证在最坏的情况下也不致于发送错误。,10.2 数据链路协议,10.2.1 HDLC概述 10.2.2 HDLC帧格式 10.2.3 HDLC联机运行实例,10.2.1 HDLC概述,数据链路协议分为两类：面向字符协议和面向比特协议。 面向字符协议通过特殊的字符来判断数据块的起始和终止。 面向比特协议通过特殊的比特序列来判断数据块的边界。,

6、面向比特的协议有： （1）IBM的SDLC规程 （2）ANSI 的ADCCP （3）ISO的HDLC （4）CCITT的LAPB. HDLC协议适用于点对点、点对多点、半双工和全双工、交换型和非交换型传输线路上运行。,HDLC的三种类型工作站： （1）主站 控制链路的连接，发送命令并接收响应。 （2）从站 接收命令并发送响应。 （3）复合站 兼有主站和从站的功能。 HDLC链路结构包括非平衡型和平衡型 （1）非平衡型 点对点运行时主站与一个从站相连，多点共享运行时主站与多个从站相连。 （2）平衡型 点对点运行时复合站与另一个复合站连接。,HDLC数据传输方式： 正常响应方式（NRM） 一种非平

7、衡方式，适合轮询和多点共享运行。一个主站和数个从站相连时，只有当从站得到主站许可（轮询）后才发送信息。 异步响应方式（ARM） 一种非平衡方式。在从站开始传送（响应）之前不需要得到主站的许可。因此，每次只能启动一个从站，而另外的从站处于脱机（断开）状态。 异步平衡方式（ABM） 两个逻辑上平等的站的平衡数据传输方式。,10.2.2 HDLC帧格式,标志（F） 01111110 地址段（A） 包含站（主站或从站）地址。 控制字段（C） 表示命令和响应的类别及功能。 信息（info） 帧内容 FCS 帧校验字段,控制字段（C） 控制字段定义了三种帧的类型： （1）信息帧（简称I帧） 用于数据传输，

8、数据255字节，而且可由任何码或数组组成。 （2）监控帧（S帧） 用于控制数据流。 （3）无编号帧（U帧） 用于提供附加的控制功能。,（1）信息（I）帧 信息帧既有N(S)又有N(R)。 N(S)为当前发送帧的编号，具有命令的含义； N(R)用于确认收妥对方的N(S)等于N(R)值以前的各信息帧，并期待接收第N(R)帧具有应答的意义。 在常规操作中， N(S)和N(R)按模8 记数，因此连续发送或接收的最大帧数为7。,（2）监控（S）帧 S帧有两位S比特，它定义了四种应答： （1）接收就绪RR; （2）接收未就绪RNR； （3）拒绝接收REJ; （4）选择拒绝接收SREJ.,RR帧确认I帧已从

9、别的站收到，并且表示做好了接收准备。 RNR用于表示工作处于一种暂时繁忙的状态，并确认I帧已从其他站收到。 REJ帧用于请求重传，从在编号中选定的点开始重传所有I帧。 SREJ用于请求重传某一个被选定的I帧。 S帧有接收顺序号N(R)，无发送顺序号N(S)。,（3）无编号（U）帧 无编号帧没有帧顺序编号，参见表10.3。它有5位修饰比特（M比特）用于定义各种无编号的命令和响应。,无编号帧的一些命令 非扩充编号方式设置命令： 设置正常响应模式（SNRM）， 设置异步响应模式（SARM）， 设置异步平衡模式（SABM）。 扩充编号方式设置命令： 设置扩充正常响应模式（SNRME）， 设置扩充异步响

10、应模式（SARME）， 设置扩充异步平衡模式（SABRE）。,断开命令：用于终止已建立的各种方式； 无编号确认UA ：作为对设置方式和断开命令的应答。 帧拒绝命令FRMR ：既可作为命令，也可作为应答。 无编号探询命令UP ：可同时探询多个站址； 无编号信息帧UI ：可作命令也可作应签，允许发送不受 I帧限制的数据。,置初始化方式命令SIM ：用于对链路重新初始化。 重置命令RSET ：在数据传输过程中，组合站用它重新初始 化一个方向的链路数据流。 交换标志命令XID ：也可作为应答，它包含有信息字段，用 于两站间交换标志和工作站特征。 RD：从站对主站DISC命令的应答响应。 断连方式应答D

11、M ：作为对各种设置方式命令的否定应答。,10.2.3 HDLC联机运行实例,例10-1 链路建立和序号应用。 例10-2 错误恢复（SREJ，返回N协议，超时）的图解。,10.3 X.25链路访问规程,10.3.1 X.25概述 10.3.2 X.25和HDLC比较,10.3.1 X.25概述,X.25 全称：在公用数据网上以分组的方式进行操作的数据终端设备（DTE）和数据电路设备（DCE）之间的接口。 X.25指定了OSI模型的第一、二、三层。 X.25物理层适合双工、点对点同步电路。 X.21协议为DTE和网络之间的物理传输路径，V.24作为物理接口。 X.25链路层协议为平衡链路存取规

12、则（LAP-B）,HDLC的一个子集。 网络层为最高层，它指定了控制信息和用户数据构成分组的方法。,10.3.2 X.25和HDLC比较,一、地址编码不同 单链路工作方式： 地址A，表示DTE地址，为11000000 （最左边为最低位） ；地址B，表示DCE设备，为10000000（最左边为最低位）。 多链路操作方式： 由DCE发往DTE的命令帧，多链路操作含有地址C（DTE地址）； 由DTE发往DCE的命令帧，多链路操作含有地址D（DCE地址）； 由DCE发往DTE的响应帧，多链路操作含有地址D（DCE地址） ； 由DTE发往DCE的响应帧，多链路操作含有地址C（DTE地址） ； C为11

13、110 000，D为11 100 000 （最左边为最低位）,二、P/F必须成对出现 与HDLC不同，X.25每个帧控制字段必须包含P/F位。在命令帧中P/F位为P位；在响应帧中称为F位。P=1表示接收方尽快对本命令做出响应。F=1表示对上一个P=1的命令帧的响应。 三、X.25链路级命令与响应类型比HDLC少,10.4 数据链路层协议性能分析,10.4.1 停-等协议性能 10.4.2 返回N协议性能 10.4.3 X.25链路级（HDLC,LAPB）性能,10.4.1 停-等协议性能,假定数据帧长度、传播时延及接收机应答处理时延为常数，求单向最大吞吐量。,上式中，第一项 为无误码成功发送所

14、需时间。不成功 传送 次，且第 次成功的概率为 ， 所花去的时间为 。第二项的物理意义为 均值。上述 表达式中，忽略了B至A的ACK可能出现的误码， 由于ACK帧一般为6个字节，远短于数据帧，误码概率很小。,10.4.2 返回N协议性能,一、返回N协议吞吐量,此时停-等协议和返回N协议 相同， 其物理意义是明显的，即当等待时间 可忽略，等待与连续传送没有区别。,例10-3,对停-等协议,对返回N协议 ，两者相 差近4倍。 越大，返回N协议性能改善也越大。,二、返回N协议最佳帧长度,数据帧由网络层的数据分组和控制信息分组组成， 其中控制信息（附加开销）占用比特长度一定。当数据 长度太短，用户信息（分组）相对于控制信息长