第5章_數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)

1、第五章第五章數(shù)數(shù) 據(jù)據(jù) 鏈鏈 路路 層層技術(shù)技術(shù)5 數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層 本章內(nèi)容 數(shù)據(jù)鏈路層功能 數(shù)據(jù)鏈路控制（流量控制和差錯(cuò)控制） HDLC和PPP協(xié)議5-1數(shù)據(jù)鏈路層功能數(shù)據(jù)鏈路層功能 數(shù)據(jù)鏈路層位于OSI模型的第二層，數(shù)據(jù)鏈路層的主要作用是把從網(wǎng)絡(luò)層接收到的數(shù)據(jù)分割成可以被物理層傳輸?shù)膸?，?shù)據(jù)鏈路層直接控制著網(wǎng)絡(luò)層與物理層的通信。數(shù)據(jù)鏈路層的功能數(shù)據(jù)鏈路層的功能 在OSI參考模型中，數(shù)據(jù)鏈路層介于物理層和網(wǎng)絡(luò)層之間，它的基本功能是在物理層提供服務(wù)的基礎(chǔ)上向網(wǎng)絡(luò)層提供服務(wù)。 即在物理層提供物理連接和透明傳輸比特流的基礎(chǔ)上，將物理層提供的不可靠的物理鏈路變成邏輯上無差錯(cuò)的數(shù)據(jù)鏈路，為網(wǎng)絡(luò)層

2、的分組（Packet）傳輸提供服務(wù)。 數(shù)據(jù)鏈路層的簡(jiǎn)單模型局域網(wǎng)廣域網(wǎng)主機(jī) H1主機(jī) H2路由器 R1路由器 R2路由器 R3電話網(wǎng)局域網(wǎng)主機(jī) H1 向 H2 發(fā)送數(shù)據(jù)鏈路層應(yīng)用層運(yùn)輸層網(wǎng)絡(luò)層物理層鏈路層應(yīng)用層運(yùn)輸層網(wǎng)絡(luò)層物理層鏈路層網(wǎng)絡(luò)層物理層鏈路層網(wǎng)絡(luò)層物理層鏈路層網(wǎng)絡(luò)層物理層R1R2R3H1H2從層次上來看數(shù)據(jù)的流動(dòng)數(shù)據(jù)鏈路層的簡(jiǎn)單模型局域網(wǎng)廣域網(wǎng)主機(jī) H1主機(jī) H2路由器 R1路由器 R2路由器 R3電話網(wǎng)局域網(wǎng)主機(jī) H1 向 H2 發(fā)送數(shù)據(jù)鏈路層應(yīng)用層運(yùn)輸層網(wǎng)絡(luò)層物理層鏈路層應(yīng)用層運(yùn)輸層網(wǎng)絡(luò)層物理層鏈路層網(wǎng)絡(luò)層物理層鏈路層網(wǎng)絡(luò)層物理層鏈路層網(wǎng)絡(luò)層物理層R1R2R3H1H2僅從數(shù)據(jù)鏈路

3、層觀察幀的流動(dòng)數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層IP 數(shù)據(jù)報(bào)1010 0110幀取出數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)層鏈路結(jié)點(diǎn) A結(jié)點(diǎn) B物理層數(shù)據(jù)鏈路層結(jié)點(diǎn) A結(jié)點(diǎn) B幀(a)(b)發(fā)送幀接收鏈路IP 數(shù)據(jù)報(bào)1010 0110幀裝入數(shù)據(jù)鏈路層傳送的是幀數(shù)據(jù)鏈路層的功能數(shù)據(jù)鏈路層的功能 數(shù)據(jù)鏈路管理 裝幀與幀同步 差錯(cuò)控制 流量控制 透明傳輸 尋址 1、數(shù)據(jù)鏈路管理、數(shù)據(jù)鏈路管理 當(dāng)鏈路兩端的結(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信時(shí)，必須首先建立一條數(shù)據(jù)鏈路。在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)要維持?jǐn)?shù)據(jù)鏈路，而在通信結(jié)束后要釋放鏈路。 數(shù)據(jù)鏈路的建立、維持和釋放叫作數(shù)據(jù)鏈路管理。 數(shù)據(jù)鏈路從結(jié)構(gòu)和操作方式上被分為點(diǎn)點(diǎn)式鏈路和多點(diǎn)式鏈路，其中點(diǎn)點(diǎn)式鏈路又可以分為非平衡點(diǎn)點(diǎn)式

4、鏈路和平衡點(diǎn)點(diǎn)式鏈路 數(shù)據(jù)鏈路的基本結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)鏈路的基本結(jié)構(gòu) 2、裝幀與幀同步、裝幀與幀同步 在數(shù)據(jù)鏈路層傳輸?shù)膮f(xié)議數(shù)據(jù)單元是幀。 幀是數(shù)據(jù)鏈路層按照具體協(xié)議要求由比特流裝配而成的。這樣，數(shù)據(jù)是一幀一幀地傳送的，當(dāng)出現(xiàn)差錯(cuò)時(shí)，就可以只將有差錯(cuò)的幀重傳一次，而避免將全部數(shù)據(jù)進(jìn)行重傳。 成幀包括幀的定界、同步以及透明傳輸。 幀同步是為了使接受方能夠從收到的比特流中準(zhǔn)確區(qū)別出一幀的開始和結(jié)束。 幀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須要有幀首和幀尾的標(biāo)識(shí)方法，以標(biāo)識(shí)幀的開始和結(jié)束，還要包括校驗(yàn)信息和幀序號(hào)，以便檢測(cè)出傳輸中出現(xiàn)的差錯(cuò)和保持幀傳輸?shù)挠行蛐?。裝幀裝幀 封裝成幀(framing)就是在一段數(shù)據(jù)的前后分別添加首部和尾

5、部，然后就構(gòu)成了一個(gè)幀。確定幀的界限。 首部和尾部的一個(gè)重要作用就是進(jìn)行幀定界。 幀結(jié)束幀首部IP 數(shù)據(jù)報(bào)幀的數(shù)據(jù)部分幀尾部 MTU數(shù)據(jù)鏈路層的幀長(zhǎng)開始發(fā)送幀開始用控制字符進(jìn)行幀定界的方法舉例SOH裝在幀中的數(shù)據(jù)部分幀幀開始符幀結(jié)束符發(fā)送在前EOT透明傳輸SOHEOT出現(xiàn)了“EOT”被接收端當(dāng)作無效幀而丟棄被接收端誤認(rèn)為是一個(gè)幀數(shù)據(jù)部分EOT完整的幀發(fā)送在前解決透明傳輸問題 發(fā)送端的數(shù)據(jù)鏈路層在數(shù)據(jù)中出現(xiàn)控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入一個(gè)轉(zhuǎn)義字符“ESC”(其十六進(jìn)制編碼是 1B)。 字節(jié)填充字節(jié)填充(byte stuffing)或字符填充字符填充(character stuffin

6、g)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。 如果轉(zhuǎn)義字符也出現(xiàn)數(shù)據(jù)當(dāng)中，那么應(yīng)在轉(zhuǎn)義字符前面插入一個(gè)轉(zhuǎn)義字符。當(dāng)接收端收到連續(xù)的兩個(gè)轉(zhuǎn)義字符時(shí)，就刪除其中前面的一個(gè)。 用字節(jié)填充法解決透明傳輸?shù)膯栴}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、差錯(cuò)控制、差錯(cuò)控制 差錯(cuò)控制是數(shù)據(jù)鏈路層的主要功能之一，但不是數(shù)據(jù)鏈路層所特有的功能。在網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層也都有差錯(cuò)控制能力，只是差錯(cuò)控制的對(duì)象不同。 數(shù)據(jù)鏈路層的差錯(cuò)控制是保證相鄰結(jié)點(diǎn)之間的傳輸

7、差錯(cuò)控制在所允許的最小范圍內(nèi)。 3、差錯(cuò)控制、差錯(cuò)控制 在傳輸過程中可能會(huì)產(chǎn)生比特差錯(cuò)比特差錯(cuò)：1 可能會(huì)變成 0 而 0 也可能變成 1。 在一段時(shí)間內(nèi)，傳輸錯(cuò)誤的比特占所傳輸比特總數(shù)的比率稱為誤碼率誤碼率 BER (Bit Error Rate)。 誤碼率與信噪比有很大的關(guān)系。 為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，在?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，必須采用各種差錯(cuò)檢測(cè)措施。 循環(huán)冗余檢驗(yàn)的原理 在數(shù)據(jù)鏈路層傳送的幀中，廣泛使用了循循環(huán)冗余檢驗(yàn)環(huán)冗余檢驗(yàn) CRC 的檢錯(cuò)技術(shù)。 在發(fā)送端，先把數(shù)據(jù)劃分為組。假定每組 k 個(gè)比特。 假設(shè)待傳送的一組數(shù)據(jù) M = 101001（現(xiàn)在 k = 6）。我們?cè)?M 的后面再

8、添加供差錯(cuò)檢測(cè)用的 n 位冗余碼冗余碼一起發(fā)送。 冗余碼的計(jì)算 用二進(jìn)制的模 2 運(yùn)算進(jìn)行 2n 乘 M 的運(yùn)算，這相當(dāng)于在 M 后面添加 n 個(gè) 0。 得到的 (k + n) 位的數(shù)除以事先選定好的長(zhǎng)度為 (n + 1) 位的除數(shù)除數(shù) P，得出商商是 Q 而余余數(shù)數(shù)是 R，余數(shù) R 比除數(shù) P 少1 位，即 R 是 n 位。 冗余碼的計(jì)算舉例 現(xiàn)在 k = 6, M = 101001。 設(shè) n = 3, 除數(shù)除數(shù) P = 1101， 被除數(shù)是 2nM = 101001000。 模 2 運(yùn)算的結(jié)果是：商商 Q = 110101， 余數(shù)余數(shù) R = 001。 把余數(shù) R 作為冗余碼冗余碼添加在數(shù)

9、據(jù) M 的后面發(fā)送出去。發(fā)送的數(shù)據(jù)是：2nM + R 即：101001001，共 (k + n) 位。 110101 Q (商) P (除數(shù)) 1101 101001000 2nM (被除數(shù)) 1101 1110 1101 0111 0000 1110 1101 0110 0000 1100 1101 001 R (余數(shù))，作為 FCS 循環(huán)冗余檢驗(yàn)的原理說明 幀檢驗(yàn)序列 FCS 在數(shù)據(jù)后面添加上的冗余碼稱為幀檢驗(yàn)幀檢驗(yàn)序列序列 FCS (Frame Check Sequence)。 循環(huán)冗余檢驗(yàn) CRC 和幀檢驗(yàn)序列 FCS并不等同。 CRC 是一種常用的檢錯(cuò)方法，而 FCS 是添加在數(shù)據(jù)后

10、面的冗余碼。 FCS 可以用 CRC 這種方法得出，但 CRC 并非用來獲得 FCS 的唯一方法。 接收端對(duì)收到的每一幀進(jìn)行 CRC 檢驗(yàn) (1) 若得出的余數(shù) R = 0，則判定這個(gè)幀沒有差錯(cuò)，就接受接受(accept)。 (2) 若余數(shù) R 0，則判定這個(gè)幀有差錯(cuò)，就丟丟棄棄。 但這種檢測(cè)方法并不能確定究竟是哪一個(gè)或哪幾個(gè)比特出現(xiàn)了差錯(cuò)。 只要經(jīng)過嚴(yán)格的挑選，并使用位數(shù)足夠多的除數(shù) P，那么出現(xiàn)檢測(cè)不到的差錯(cuò)的概率就很小很小。 應(yīng)當(dāng)注意 僅用循環(huán)冗余檢驗(yàn) CRC 差錯(cuò)檢測(cè)技術(shù)只能做到無差錯(cuò)接受接受(accept)。 “無差錯(cuò)接受”是指：“凡是接受的幀（即不不包括丟棄的幀包括丟棄的幀），我們

11、都能以非常接近于 1 的概率認(rèn)為這些幀在傳輸過程中沒有產(chǎn)生差錯(cuò)”。 也就是說：“凡是接收端數(shù)據(jù)鏈路層接受的幀都沒有傳輸差錯(cuò)”（有差錯(cuò)的幀就丟棄而不接受）。 要做到“可靠傳輸可靠傳輸”（即發(fā)送什么就收到什么）就必須再加上確認(rèn)確認(rèn)和重傳重傳機(jī)制。 4、流量控制、流量控制 流量控制也不是數(shù)據(jù)鏈路層所特有的功能，在其它高層協(xié)議中也有流量控制功能。 數(shù)據(jù)鏈路層的流量控制是相鄰結(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)鏈路的流量控制。相鄰結(jié)點(diǎn)的收發(fā)雙方會(huì)由于設(shè)備工作速率、緩沖區(qū)空間等差異，會(huì)出現(xiàn)發(fā)送方的發(fā)送速率大于接收方的接收速率現(xiàn)象。此時(shí)若不進(jìn)行發(fā)送方速率控制就會(huì)造成幀丟失。 數(shù)據(jù)鏈路層的流量控制實(shí)際上是對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)流量的控制，使發(fā)

12、送方的發(fā)送速率不至于超過接收方的接收能力，達(dá)到收發(fā)雙方速率匹配。 5、尋址、尋址 在點(diǎn)點(diǎn)式的鏈路上不存在尋址問題。 在多點(diǎn)連接的情況下，發(fā)送方必須保證每幀能正確地傳送到接收方，而接收方也應(yīng)知道發(fā)送方的地址。5-2 數(shù)據(jù)鏈路控制數(shù)據(jù)鏈路控制 數(shù)據(jù)鏈路的管理主要是提供各種服務(wù)質(zhì)量參數(shù)，包括檢測(cè)到不可糾正錯(cuò)誤的平均時(shí)間、漏檢差錯(cuò)率、傳輸延遲和吞吐量等，以及對(duì)異常情況的處理。 常用的差錯(cuò)控制方法采用自動(dòng)重發(fā)請(qǐng)求（ARQ）技術(shù)和前向糾錯(cuò)技術(shù)（FEC）； 常用的流量控制方法采用停等協(xié)議和滑動(dòng)窗口協(xié)議。 在一些鏈路控制規(guī)程中，差錯(cuò)控制和流量控制是分開考慮和分別采取措施的，但是在更多的一些鏈路控制規(guī)程中，兩者

13、是綜合考慮合并解決的。 1、停等協(xié)議、停等協(xié)議 停待協(xié)議（Stop and Wait）是最基本最簡(jiǎn)單的流量控制協(xié)議。 它的工作原理是這樣的：發(fā)送方發(fā)出一幀，然后等待應(yīng)答信號(hào)到達(dá)后再發(fā)送下一幀；接收方每收到一幀后送回一個(gè)應(yīng)答信號(hào)（ACK），表示愿意接受下一幀，如果接收方不送回應(yīng)答，則發(fā)送方必須等待。 在源和目標(biāo)之間的數(shù)據(jù)流動(dòng)是由接受方來控制的。 停等協(xié)議的信道利用率停等協(xié)議的信道利用率 發(fā)送一幀的時(shí)間為：fpFAttT 2線路的利用率為：fpftttE2停等協(xié)議的信道利用率我們定義atp/ tf ，則121aE停等協(xié)議的信道利用率停等協(xié)議的信道利用率 停等協(xié)議的信道利用率： 由于a是線路傳播延遲

14、和一個(gè)幀時(shí)的比，故而在線路長(zhǎng)度一定和幀長(zhǎng)固定的情況下a是常數(shù)。又由于線路傳播延遲是線路長(zhǎng)度d和信號(hào)傳播速度v的比值，而一幀時(shí)是幀長(zhǎng)L和數(shù)據(jù)速率R的比，因而有： 121aELvRdRLvda/ a可理解為鏈路比特長(zhǎng)和幀長(zhǎng)的比，叫做鏈路的幀計(jì)數(shù)長(zhǎng)度。 2、滑動(dòng)窗口協(xié)議、滑動(dòng)窗口協(xié)議 在停等協(xié)議中，發(fā)送端一次只允許發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀，然后等待對(duì)方響應(yīng)，才可以繼續(xù)發(fā)送。顯然這樣的鏈路利用率不高，尤其是當(dāng)鏈路過長(zhǎng)時(shí)，利用率顯著下降。 為了提高信道的有效利用率，滑動(dòng)窗口協(xié)議對(duì)此作出了改進(jìn)。滑動(dòng)窗口協(xié)議采用的是不等待確認(rèn)幀返回就連續(xù)發(fā)送多個(gè)幀的方案?；瑒?dòng)窗口滑動(dòng)窗口 由于允許連續(xù)發(fā)送多個(gè)未被確認(rèn)的幀 ，幀號(hào)就需

15、采用多位二進(jìn)制才能加以區(qū)分。因?yàn)榉脖话l(fā)出去且尚未被確認(rèn)的幀都可能出錯(cuò)或丟失而要求重發(fā)，因而這些幀都要保留下來。這就要求發(fā)送方有較大的發(fā)送緩沖區(qū)保留可能要求重發(fā)的未被確認(rèn)的幀。 發(fā)送窗口就是指示發(fā)送方已發(fā)送但尚未確認(rèn)的幀序號(hào)隊(duì)列的界，其上、下界分別稱為發(fā)送窗口的上、下沿，上、下沿的步距稱為窗口尺寸。 滑動(dòng)窗口協(xié)議圖例滑動(dòng)窗口協(xié)議圖例 假設(shè)發(fā)送窗口尺寸為2，接收窗口尺寸為13、差錯(cuò)控制、差錯(cuò)控制 差錯(cuò)控制是檢測(cè)和糾正傳輸錯(cuò)誤的機(jī)制。前面我們假定沒有傳輸錯(cuò)誤，實(shí)際情況不可能是這樣，在數(shù)據(jù)傳輸過程中有的幀可能丟失，有的幀可能包含錯(cuò)誤的比特，這樣的幀經(jīng)接收器校驗(yàn)后會(huì)被拒絕。 通常應(yīng)付傳輸差錯(cuò)的辦法如下： 肯定應(yīng)答 否定應(yīng)答重發(fā) 超時(shí)重發(fā)Automatic Repeat reQuest 肯定應(yīng)答、否定應(yīng)答重發(fā)、超時(shí)重發(fā)這種技術(shù)的主要思想是利用差錯(cuò)檢測(cè)技術(shù)自動(dòng)的對(duì)丟失幀和錯(cuò)誤幀請(qǐng)求重發(fā)，稱之為自動(dòng)請(qǐng)求重發(fā)ARQ技術(shù)。 結(jié)合流控技術(shù)，可以組成三種形式的ARQ協(xié)議。 停等ARQ 后退N幀ARQ 選擇重發(fā)ARQ。停等停等ARQ協(xié)議協(xié)議 停等ARQ協(xié)議是停等流控技術(shù)和自動(dòng)請(qǐng)求重發(fā)技術(shù)的結(jié)合。 根據(jù)停等ARQ協(xié)議，發(fā)送站在發(fā)出一個(gè)幀后必須等待應(yīng)答信號(hào)，收到肯定應(yīng)答信號(hào)ACK后繼續(xù)發(fā)送下一幀；收