第三章 數(shù)據(jù)鏈路層4

1、第第 3 章章 數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層3.1 數(shù)據(jù)鏈路層概述3.2 差錯控制技術(shù)3.3 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)3.4 局域網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)與介質(zhì)訪問技術(shù) 3.5 典型的局域網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及組網(wǎng)規(guī)范3.6 高速以太網(wǎng)3.7 虛擬局域網(wǎng)3.1 數(shù)據(jù)鏈路層概述數(shù)據(jù)鏈路層概述1、數(shù)據(jù)鏈路層的基本概念、數(shù)據(jù)鏈路層的基本概念n鏈路(link)： 一條無源的點到點的物理線路段，中間無任何交換結(jié)點。n數(shù)據(jù)鏈路(data link)： 通過通信協(xié)議來控制鏈路上數(shù)據(jù)的傳輸，鏈路數(shù)據(jù)鏈路n鏈路與數(shù)據(jù)鏈路的對應(yīng)關(guān)系： 采用復用技術(shù)時，一條鏈路上可以有多條數(shù)據(jù)鏈路。 2 2、數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的主要作用、數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的主要作用 利用物理層提供

2、的串行數(shù)據(jù)位流傳輸功能，在相鄰結(jié)點之間確保實現(xiàn)高可靠性的透明數(shù)據(jù)傳輸。 3、數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的內(nèi)容、數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的內(nèi)容 鏈路管理： 數(shù)據(jù)鏈路的建立、維持和釋放。幀管理： 按照特定的幀格式組幀，幀編號，幀發(fā)送，幀接收、幀排序、幀丟失管理、拆幀。差錯控制 幀在傳輸前進行差錯編碼，到達中繼結(jié)點和目標結(jié)點后要進行差錯檢測，發(fā)現(xiàn)出錯要進行糾錯，或進行反饋重傳透明傳輸 不管所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是否會出現(xiàn)與幀的開始和結(jié)束標識相同的位組合，都不會出現(xiàn)歧義理解，并能確保正常傳輸。流量控制 確保發(fā)送方的發(fā)送速度和接收方的接收速度匹配，不允許出現(xiàn)發(fā)送速度超過接收能力的現(xiàn)象，否則會丟失數(shù)據(jù)。3.2 差錯控制技術(shù)差錯控制技術(shù)3

3、.2.13.2.1差錯控制概述差錯控制概述1 1、差錯的產(chǎn)生、差錯的產(chǎn)生 任何一個數(shù)據(jù)通信/網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的傳輸介質(zhì)本身及所處的環(huán)境中，都不可避免地存在一定程度的電磁干擾，作用到數(shù)據(jù)傳輸信道上，就可能影響信號的狀態(tài)。結(jié)果將使信宿所接收到的數(shù)據(jù)和信源所發(fā)出的數(shù)據(jù)不一致，即造成傳送差錯，簡稱差錯。 2 2、差錯的分類、差錯的分類 隨機類n隨機干擾： 長期存在，微幅振蕩，波動時間很短，較大峰值很少。n隨機性差錯： 由隨機干擾而引起的差錯。n影響程度： 通過確保具有足夠的信/噪比值，引發(fā)的差錯很少。突發(fā)類n沖擊干擾： 一般由外界強電磁干擾引起，幅度較大，持續(xù)時間較長。n突發(fā)性錯誤： 由沖擊干擾引發(fā)的差錯。n

4、影響程度： 可能導致相鄰的多個數(shù)據(jù)位出錯，造成傳輸差錯的主要原因n突發(fā)長度： 連續(xù)出錯的位長 衡量突發(fā)性錯誤嚴重程度的指標。 突發(fā)長度和沖擊干擾的持續(xù)時間有關(guān)，還和傳輸速率有關(guān)3 3、差錯控制方式、差錯控制方式改善信道和相關(guān)設(shè)備： 通過增加屏蔽設(shè)施來改善信道質(zhì)量，選擇有效合理的調(diào)制方法來改進設(shè)備，等等?？梢越档透蓴_的影響，但不能完全消除干擾的影響。差錯控制編碼： 進一步的提高傳輸質(zhì)量，減少差錯。 4 4、差錯控制編碼過程：、差錯控制編碼過程： 通過給要傳送的數(shù)據(jù)碼元加上“冗余”的碼元，使這些冗余碼元和數(shù)據(jù)碼元之間建立一定的關(guān)系。然后把這些數(shù)據(jù)碼元和冗余碼遠一起送往信道進行傳輸，使當接收端查看收

5、到的數(shù)據(jù)碼元和冗余碼元，并檢查它們之間的關(guān)系時，可以發(fā)現(xiàn)差錯，甚至自動糾正差錯。 5 5、差錯控制編碼的分類：、差錯控制編碼的分類：n檢錯碼： 是指能夠自動發(fā)現(xiàn)差錯的編碼。n糾錯碼： 不僅能夠發(fā)現(xiàn)差錯而且還能糾正差錯的編碼。 3.2.2 差錯控制編碼差錯控制編碼1、奇偶校驗碼、奇偶校驗碼 n編碼過程：將要傳送的數(shù)據(jù)分組(以字符為單位)，并在每組數(shù)據(jù)之后附加一位校驗位，使得該組碼元中“1”(或“0”)的個數(shù)為偶然或奇數(shù)。如果編碼后使得該組碼元中“1”的個數(shù)為偶數(shù)，則稱之為偶校驗碼；反之，如果編碼后使得該組碼元中“1”的個數(shù)為奇數(shù)，則稱之為奇校驗碼。 n奇偶校驗的過程：在信息的接收端，按上述規(guī)則來

6、檢查所接收信息的各碼元，看其“1”的個數(shù)是否為偶數(shù)(偶校驗時)，或“1”的個數(shù)是否為奇數(shù)(奇校驗時)。如經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)接收信息中“1”的個數(shù)與編碼規(guī)則相符，即偶校驗時“1”的個數(shù)為偶數(shù)，奇校驗時“1”的個數(shù)為奇數(shù)，則認為數(shù)據(jù)在傳輸過程中未出現(xiàn)差錯。反之，如經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)接收信息中“1”的個數(shù)與編碼規(guī)則不符，即偶校驗時“1”的個數(shù)為奇數(shù)，奇校驗時“1”的個數(shù)為偶數(shù)，則認為數(shù)據(jù)在傳輸過程中出現(xiàn)了差錯。 n檢錯能力 可以發(fā)現(xiàn)奇數(shù)個位出錯的情況，而不能發(fā)現(xiàn)偶數(shù)個位出錯的情況。 n奇偶校驗的分類垂直(縱向)奇偶校驗 針對同一字符的不同位進行校驗的，所形成的校驗位是獨立的、離散的； 等同于一般意義上的奇偶校驗。水

7、平(橫向)奇偶校驗 針對一組字符中不同字符的相同位進行校驗，所形成的校驗位是連續(xù)的，并形成一個完整的校驗字符。 n檢錯能力： 不但可以檢測出組內(nèi)各字符同一位上的奇數(shù)個錯，而且還可以檢測出突發(fā)長度2m-1（m為字符所占用的數(shù)據(jù)位數(shù)）內(nèi)的所有突發(fā)錯誤。水平垂直(縱橫)奇偶校驗 垂直奇偶校驗位 r1 r2 r3 rn c m+1 km,1 km,2 km,3 km,n c m 水 數(shù) . . . . 平 據(jù) . . . . 校 位 . . . . 驗 （1m） k2,1 k2,2 k2,3 k2,n c 2 位 k1,1 k1,2 k1,3 k1,n c1 信息碼元（1n）水平垂直奇偶校驗碼數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

8、n檢錯能力： 能夠發(fā)現(xiàn)所有1位、2位、3位的錯誤，但對于4位以上的錯誤無法確定，因為可能有對稱抵消的情況。但可檢測突發(fā)長度2m-1的所有錯誤。 2、代碼和校驗、代碼和校驗 又稱群計數(shù)校驗n編碼方式： 在數(shù)據(jù)發(fā)送前，首先計算所要傳送的數(shù)據(jù)塊中“1”的個數(shù)，并對256取模，然后此結(jié)果也附加在所傳送的信息后面一起發(fā)送。n校驗過程： 接收端接收時，同樣計算代碼和并對256取模，然后與發(fā)送結(jié)果相比較，相同則認為正確；不同則認為傳輸過程中發(fā)生了差錯。n與奇偶校驗碼類似，可以認為上面的校驗方式為垂直群計數(shù)，還可以進行水平群計數(shù)。n檢錯能力：類似于奇偶校驗碼，該方法對“1”錯成“0”和“0”錯成“1”成對發(fā)生

9、的這類錯誤仍然檢測不出來，檢錯能力較低。3、海明碼、海明碼 糾錯碼。n編碼方式：略n糾錯能力：可以糾正一位差錯。4、循環(huán)冗余校驗碼、循環(huán)冗余校驗碼n特點： 利用循環(huán)碼的特點進行校驗。n校驗方式： 以二進制信息的多項式表示為基礎(chǔ)。n表示舉例： 對于一組二進制信息位來說，可以用對應(yīng)的系數(shù)為0或1的一個多項式來表示，如：10110101可以表示為：x7+x5+x4+x2+1。一般性的，對于n個信息位的一組代碼，有：P(x)=an-1xn+an-2xn-1+a2x2+a1x+a0n基本思想： 給信息報文加上一些校驗位，構(gòu)成一個特定的待傳報文，使它所對應(yīng)的多項式能被一個事先指定的多項式除盡，這個被指定的

10、多項式就叫做生成多項式G(x)。G(x)由發(fā)送方和接收方共同約定。接收方收到報文后，就用G(x)來檢查收到的報文可否被除盡?？梢猿M就表示傳輸無誤。否則就說明收到的報文不正確。 n編碼過程： 設(shè)M(x)為信息報文對應(yīng)的多項式，G(x)為生成多項式，T(x)表示附加了校驗位以后的實際傳輸報文的多項式。那么T(x)應(yīng)該被G(x)除盡，關(guān)鍵是如何得到T(x)，求T(x)的步驟如下：構(gòu)成多項式：xrM(x) 其中，r是G(x)的最高次冪數(shù)（決定校驗位的位數(shù)）。 設(shè)信息碼元m=101101101001，則對應(yīng)的多項式： M(x)=x11+x9+x8+x6+x5+x3+1 假定生成多項式：G(x)=x4+

11、x2+1。 xrM(x)= x4 (x11+x9+x8+x6+x5+x3+1)= x15+x13+x12+x10+x9+x7+ x4 對應(yīng)的信息碼元為：1011011010010000 即在信息報文低端附加r個0，使它包含m+r位。其中m是信息位的位數(shù)。此時， m=12 ， r=4。求G(x)去除 xrM(x)的余式R(x)：nR(x)= xrM(x)模G(x)=（x15+x13+x12+x10+x9+x7+ x4）模（x4+x2+1），余式為1。 等價于1011011010010000/10101，余數(shù)為0001構(gòu)成一個能被G(x)除盡的T(x) 從xrM(x)中減去R(x)一定能被G(x)

12、除盡。 T(x) = xrM(x)R(x) ，因為是模2運算，因此等價于： T(x) = xrM(x)R(x) 本例：T(x) = x4 (x11+x9+x8+x6+x5+x3+1)+1= x15+x13+x12+x10+x9+x7+ x4+1 對應(yīng)的信息位為：1011011010010001。n檢錯過程： 假定接收端收到的報文為T(x)，如果T(x)/G(x)無余式，則可認為傳輸無差錯，否則可認為有錯。n特點：檢錯可以用簡單的硬件電路快速實現(xiàn)。校驗?zāi)芰εcG(x)的構(gòu)成密切相關(guān)： G(x)的最高冪次決定了校驗位的位數(shù)，也決定了檢錯能力。因此，G(x)的校驗次數(shù)越高，檢錯能力就越強。G(x)一般

13、由國際標準化組織或有影響的廠商給出，典型為16位、32位和64位。nCRC檢錯能力： 可以檢測出所有的單比特、雙比特及奇數(shù)個錯誤，還可以檢測出任意長度小于或等于r的突發(fā)性錯誤，而當突發(fā)長度br時，檢測不出的突發(fā)錯誤占同樣長的突發(fā)錯誤總數(shù)的百分比(概率)為2-（r-1）。3.2.3 差錯控制方式差錯控制方式1、反饋重傳、反饋重傳(Automatic Repeat Request，ARQ)糾錯方式糾錯方式 發(fā)送端通過主信道發(fā)送能夠檢測錯誤的碼，接收端根據(jù)該碼的編碼原則，判別傳輸過程中是否出現(xiàn)了差錯，然后通過反饋信道把判別信號告訴發(fā)送端，發(fā)送端根據(jù)這些判別信號決定是繼續(xù)發(fā)送后續(xù)數(shù)據(jù)還是把接收端認為有

14、錯的數(shù)據(jù)重新編碼發(fā)送。n在ARQ方式中，還有兩種不同的實現(xiàn)方式。n發(fā)送等候(Stop and wait)方式： 發(fā)送端在發(fā)送完一組數(shù)據(jù)后，等待接收端通過反饋信道送回的判別信號，然后據(jù)此決定是繼續(xù)發(fā)送下一組信息(無錯時)，還是重發(fā)剛剛發(fā)過的一組數(shù)據(jù)(有錯時)，直到接收端認為正確接收為止，然后再繼續(xù)發(fā)送后續(xù)數(shù)據(jù)。 既可采用全雙工通信方式也可采用半雙工通信方式。n連續(xù)發(fā)送(Continuous)方式： 發(fā)送端在發(fā)完一組數(shù)據(jù)后，并不等待接收端送回的判決信號，而是立刻發(fā)送下一組數(shù)據(jù)，發(fā)送端在不斷發(fā)送的同時，也在不斷地接收檢查送回的判決信號，不斷的重發(fā)數(shù)據(jù)。但每送回一個否定判決信號NAK時，也必須告訴發(fā)送

15、端哪一組信息有錯。為此，應(yīng)將每組數(shù)據(jù)都進行編號，以使發(fā)送端在收到NAK之后，可以從有錯的那一組信息開始重發(fā)。 一般要求全雙工制式及相應(yīng)線路的支持。2、前向糾錯、前向糾錯( Forward error Correcting ，F(xiàn)EC)方式方式n工作過程： 發(fā)送端發(fā)送不僅能夠檢錯的碼，而且是能夠糾錯的碼，接收端在收到這些碼以后，通過譯碼器譯碼不僅能夠發(fā)現(xiàn)傳輸過程中出現(xiàn)的差錯，而且還能夠自動糾正傳輸差錯。n優(yōu)點： 不需反饋信道，宜于進行多播。n缺點： 譯碼過程和譯碼設(shè)備復雜，編碼效率低。3、混合糾錯、混合糾錯(Hybrid Error Correcting，HEC)方式方式 上述兩種方式的綜合。 與

16、前向糾錯方式相同，發(fā)送端發(fā)送的編碼不僅具有檢錯能力，而且還具有一定的糾錯能力。接收端在接收到發(fā)送端發(fā)送過來的數(shù)據(jù)后，首先檢查錯誤情況。如果錯誤較少，沒有超出編碼的糾錯能力，則采用前向糾錯方式進行糾錯；如果錯誤較多，超出了編碼的糾錯能力(但能檢測出來)，則接收端通過反饋信道，要求發(fā)送端重發(fā)有錯的信息，即采用反饋重傳(ARQ)方式。當然，如果沒有檢測出錯誤，則直接傳輸后續(xù)信息。IP 數(shù)據(jù)報1010 0110幀取出數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)層鏈路結(jié)點 A結(jié)點 B物理層IP 數(shù)據(jù)報1010 0110幀裝入幀結(jié)束符幀首部IP 數(shù)據(jù)報幀的數(shù)據(jù)部分幀尾部幀開始發(fā)送幀開始符3.3 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù) 3.3.1 幀的管理數(shù)據(jù)鏈

17、路層結(jié)點 A結(jié)點 B幀發(fā)送幀接收鏈路1、幀的標識、幀的標識(1)字節(jié)計數(shù)法 首先用一個特殊字符來表示一幀的開始，然后使用一個字段來標明本幀內(nèi)的字節(jié)數(shù)。(2)使用字符填充的首尾定界符方法 用一些特定的字符來定界一幀的開始和結(jié)束。(3)使用比特填充的首尾標志方法 用一組特定的比特模式(01111110)來標志一幀的開始和結(jié)束(4)違例編碼法 通過在物理層采用特定的比特編碼方法來解決。 如在曼徹斯特編碼方法中，將數(shù)據(jù)比特1編碼成“高一低”電平對，而將數(shù)據(jù)比特0編碼成“低一高”電平對?！案咭桓摺被颉暗鸵坏汀彪娖綄υ跀?shù)據(jù)比特的編碼中都是違例的?？梢越栌眠@些違例編碼的序列來定界幀的開始和結(jié)束。2、幀的丟失

18、管理、幀的丟失管理(1)丟失的原因： 傳輸環(huán)境中的沖擊噪聲完全可能使幀被破壞，即物理信道可能丟失幀，包括數(shù)據(jù)幀或控制幀。(2)丟失的后果： 發(fā)送方永遠接收不到有關(guān)接收方正確接收與否的反饋信息，而無限等待下去，造成通信死鎖。(3)解決方法： 引入計時器(timer)。 當發(fā)送方計時器超時(timeout)后還未收到幀確認信息，傳出的幀必定出錯或丟失，重新發(fā)送。3.3.2 透明傳輸透明傳輸1、問題的提出、問題的提出SOHEOT出現(xiàn)了“EOT”被接收端當作無效幀而丟棄被接收端誤認為是一個幀數(shù)據(jù)部分EOT完整的幀發(fā)送在前2、面向字符型傳輸控制規(guī)程的解決方法、面向字符型傳輸控制規(guī)程的解決方法n發(fā)送端的數(shù)

19、據(jù)鏈路層在數(shù)據(jù)中出現(xiàn)控制字符時即前面插入一個轉(zhuǎn)義字符“ESC”(其十六進制編碼是 1B)。n接收端的數(shù)據(jù)鏈路層在將數(shù)據(jù)送往網(wǎng)絡(luò)層之前刪除插入的轉(zhuǎn)義字符。n如果轉(zhuǎn)義字符也出現(xiàn)數(shù)據(jù)當中，那么應(yīng)在轉(zhuǎn)義字符前面再插入一個轉(zhuǎn)義字符。n當接收端收到連續(xù)的兩個轉(zhuǎn)義字符時，就刪除其中前面的一個。 SOHSOHEOTSOHESCESCEOTESCSOHESCESCESCSOH原始數(shù)據(jù)EOTEOT經(jīng)過字節(jié)填充后發(fā)送的數(shù)據(jù)字節(jié)填充字節(jié)填充字節(jié)填充字節(jié)填充發(fā)送在前幀開始符幀結(jié)束符SOH3、面向位的傳輸控制規(guī)程解決方法n0比特插入刪除技術(shù)3.3.3 流量控制流量控制1、停止等待、停止等待ARQ協(xié)議協(xié)議ENQACK(1) 允許發(fā)送方連續(xù)發(fā)送N幀，在此期間無需等待接收方的應(yīng)答確認。(2) 每幀給予一個幀序號標識（0 N-1）。(3) 接收方向發(fā)送方回送的確認應(yīng)答中，給出期望要接收的下一幀的幀序號值