計算機網絡-數據鏈路層

數據鏈路層數據鏈路層使用的信道主要有以下兩種類型：點對點信道。這種信道使用一對一的點對點通信方式。廣播信道。這種信道使用一對多的廣播通信方式，因此過程比較復雜。廣播信道上連接的主機很多，因此必須使用專用的共享信道協議來協調這些主機的數據發(fā)數據鏈路層的簡單模型局域網廣域網主機

H1主機

H2路由器

R1路由器

R2路由器

R3電話網局域網主機

H1

向

H2

發(fā)送數據鏈路層應用層運輸層網絡層物理層鏈路層應用層運輸層網絡層物理層鏈路層網絡層物理層鏈路層網絡層物理層鏈路層網絡層物理層R1R2R3H1H2從層次上來看數據的流動數據鏈路層的簡單模型(續(xù)）局域網廣域網主機

H1主機

H2路由器

R1路由器

R2路由器

R3電話網局域網主機

H1

向

H2

發(fā)送數據鏈路層應用層運輸層網絡層物理層鏈路層應用層運輸層網絡層物理層鏈路層網絡層物理層鏈路層網絡層物理層鏈路層網絡層物理層R1R2R3H1H2僅從數據鏈路層觀察幀的流動理解：數據傳輸過程中差錯產生的原因與性質掌握：誤碼率的定義與差錯控制方法掌握：數據鏈路層的基本概念了解：面向字符型數據鏈路層協議實例—BSC掌握：面向比特型數據鏈路層協議實例—HDLC掌握：Internet中的數據鏈路層協議ppp數據鏈路層學習目的數據鏈路層數據鏈路層基本概念成幀差錯控制流量控制數據鏈路層協議數據鏈路層協議實例數據鏈路：數據鏈路層實體的連接叫數據鏈路。多個數據鏈路復用一條物理連接。幀：數據鏈路層的分組鏈路層工作的前提：物理層必須導通數據鏈路層基本概念為什么要設置數據鏈路層在原始物理傳輸線路上傳輸數據信號是有差錯的；設計數據鏈路層的主要目的：將有差錯的物理線路改進成無差錯的數據鏈路；方法—差錯檢測差錯控制流量控制作用：改善數據傳輸質量，向網絡層提供高質量的服務。數據鏈路層協議—為實現數據鏈路控制功能而制定的規(guī)程或協議。數據鏈路層基本概念功能建立、維護、拆除數據鏈路組幀、同步差錯控制流量控制透明傳輸尋址（多點鏈路）總之解決相鄰兩點的傳輸問題數據鏈路層基本概念“l(fā)ink”DL協議的一般特性面向字符的協議特性：用控制字符實現控制，報文里出現與控制字符相同的字符加轉義字符DLE。面向字符的協議有：BSC（IBMBinarySynchronousCommunication）二進制同步通信規(guī)程、SLIP（SerialLineInternetProtocol）串行線路接口協議。面向比特協議特性：采用統(tǒng)一幀格式，用特殊二進制串做幀開始和結束的標志。面向比特的協議有：HDLC（HighLevelDataLinkControl）高級數據鏈路控制協議、PPP（Peer-PeerProtocol）端對端協議。數據鏈路層基本概念其他特性：

通信方式：全雙工、半雙工

發(fā)送方式：停等方式、連續(xù)方式

同步方式：同步NOR正常響應主次站應答工作異步異步平衡方式ABM非正常響應各自自主發(fā)送異步響應方式ARM主次可互換的應答方式

傳輸代碼：比特、ASCII、EBCD

差錯控制：BCC面向字符CRC面向比特

傳輸協議：ARQ、連續(xù)ARQ、選擇ARQ

速率、幀長數據鏈路層基本概念數據鏈路層向網絡層提供的服務面向連接確認服務（acknowledgedconnection-orientedservice）無連接確認服務（acknowladgedconnectionlessservice）

無連接不確認服務（unacknowledgedconnectionlessservice）

數據鏈路層基本概念實際數據路徑與虛擬數據路徑數據鏈路層數據鏈路層基本概念成幀差錯控制流量控制數據鏈路層協議數據鏈路層協議實例（1）字符記數法

在幀頭部使用一個字段表示幀內字符數。目標機接收到該幀時，根據字段提供的字節(jié)數，可以知道幀的結束位置。問題：計數字段出錯，收方無法判斷幀結束位置。失去同步。目標機無法知道下一幀位置。即使知道出錯也無法說明重新發(fā)送應該跳回多少字符。很少使用或與其它方法合用。成幀成幀（2）帶填充字符首尾界符法

每一幀開始用幀開始字符STX標記，幀尾部用幀結束字符ETX標記。透明傳輸：數據傳輸中，如果幀的首尾定界符出現在信息位，采用在信息位的定界符前面填充一個轉義字符DLE來區(qū)分。接收：單獨的控制字符是標記，和DLE成對出現的控制字符是數據本身。成幀發(fā)送前：發(fā)送序列：成幀問題：依賴8位字符，特別是ASCII碼STX:StartofTextETX:EndofTextDLE:DataLinkEscape（3）帶填充位的首尾標志法使用特殊位模式“01111110”作為幀的開始和結束標志。透明傳輸：信息位中出現和開始標志相同的串，在5個連續(xù)的“1”后自動插入一個“0”。接收：自動刪除5個連續(xù)“1”后的“0”。成幀發(fā)送前：發(fā)送碼：成幀（4）物理層編碼違例法在物理層編碼中有冗余的網絡。如曼碼的1：高-低0：低-高，則用高-高或低-低電平表示幀邊界。很多數據鏈路層協議使用字符記數和其它方法結合來提高可靠性。幀到達時，用記數字段確定幀尾，只有當幀結束標志出現在幀尾并且檢驗和正確的時候，才接受幀。否則繼續(xù)掃描到下一個定界符。成幀數據鏈路層數據鏈路層基本概念成幀差錯控制流量控制數據鏈路層協議數據鏈路層協議實例差錯控制（1）差錯產生的原因和差錯類型傳輸差錯—通過通信信道后接收的數據與發(fā)送數據不一致的現象差錯控制—檢查是否出現差錯以及如何糾正差錯差錯原因—

噪聲、畸變、串音回聲、衰減、PCM失去同步

差錯分類—

突發(fā)錯（連續(xù)錯）、隨機錯（單個錯）噪聲分為兩類：熱噪聲和沖擊噪聲由熱噪聲引起的差錯是隨機差錯，或隨機錯；沖擊噪聲引起的差錯是突發(fā)差錯，或突發(fā)錯；引起突發(fā)差錯的位長稱為突發(fā)長度在通信過程中產生的傳輸差錯，是由隨機差錯與突發(fā)差錯共同構成的。差錯控制差錯產生的原因和差錯類型差錯分類—

突發(fā)錯（連續(xù)錯）、隨機錯（單個錯）誤碼率—

二進制比特在數據傳輸系統(tǒng)中被傳錯的概率比較：有利面，計算機數據成塊傳送，設塊大小1000位，差錯率0.001，如果是單個錯，每個塊都會有誤碼，如果是100位集中的誤碼串，每100塊平均只有一個或兩個塊受到影響。不利面，突發(fā)錯更難檢測和糾正傳輸差錯

產生過程差錯控制（2）糾錯和檢錯的概念糾錯碼每個傳輸的分組帶上足夠的冗余信息；接收端能發(fā)現并自動糾正傳輸差錯。檢錯碼分組僅包含足以使接收端發(fā)現差錯的冗余信息；接收端能發(fā)現出錯，但不能確定哪一比特是錯的，并且自己不能糾正傳輸差錯。

差錯控制常用的檢錯碼奇偶校驗碼垂直奇（偶）校驗水平奇（偶）校驗水平水平垂直奇（偶）校驗（方陣碼BCC）循環(huán)冗余編碼CRC國際標準：CRC-12=x12+x11+x8+x2+x+1CRC-16=x16+x15+x2+1CRC-CCITT=x16+x12+x5+1CRC-32=x32+x26+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x5+x2+x+1

目前應用最廣的檢錯碼編碼方法之一循環(huán)冗余編碼工作原理循環(huán)冗余編碼工作原理循環(huán)冗余編碼工作原理用收到的數據（帶校驗碼）除以同一個生成多項式，整除則無差錯（余數為0）

舉例：

發(fā)送傳輸接收CRC校驗碼的檢錯能力CRC校驗碼能檢查出全部單個錯；CRC校驗碼能檢查出全部離散的二位錯；CRC校驗碼能檢查出全部奇數個錯；CRC校驗碼能檢查出全部長度小于或等于K位的突發(fā)錯；CRC校驗碼能以[1-（1/2）K-1]的概率檢查出長度為（K+1）位的突發(fā)錯；如果K=16，則該CRC校驗碼能全部檢查出小于或等于16位的所有的突發(fā)差錯，并能以99.997％的概率檢查出長度為17位的突發(fā)錯，漏檢概率為0.003%；

差錯控制CRC內容組成原理課上有詳細的介紹，要求掌握以下重點：二進制串的多項式表示模2運算方法生成多項式概念發(fā)送和接收方的運算差錯控制（3）差錯控制方法

①反饋收方向數據發(fā)送方提供有關收方情況的反饋信息。典型方法：收方發(fā)回確認幀表示某幀正確到達收方發(fā)回否認幀表示發(fā)生了錯誤。相應幀必須重發(fā)。差錯控制（3）差錯控制方法

②計時器方法

發(fā)方發(fā)出一幀后，開始計時，超時重發(fā)。數據幀丟失，收方沒有收到數據，當然不會采取任何動作，只有發(fā)送方控制重發(fā)。超時的定時，至少2倍于傳播時延（保證應答信息能夠返回）③幀編號確認幀丟失，發(fā)方超時重發(fā)，收方收到重復幀，需要區(qū)別是否是重復幀。差錯控制數據鏈路層數據鏈路層基本概念成幀差錯控制流量控制數據鏈路層協議數據鏈路層協議實例

流量控制是保證發(fā)送實體不會因過量的數據而把接收實體沖垮的技術。解決發(fā)送方發(fā)送能力比接收方接收能力大的問題，需要流量控制機制來限制發(fā)方所發(fā)出的數據流量不要超過接收方的處理速度。需要反饋機制，使發(fā)方能夠知道接收方是否能接收到?；镜牟呗允怯山邮辗娇刂瓢l(fā)送速度。流量控制（1）停等協議ARQ（AutomaticRequestRepeat）

前提a.物理信道不可靠b.收端能力不足處理：數據幀內加校驗碼，供收方判斷是否正確接收一幀。收方根據接收是否錯發(fā)送確認幀ACK和否認幀NAK（NegativeAcknowledgement）。收到重復幀要發(fā)確認幀特點：接收緩沖區(qū)一個幀大小，發(fā)送緩沖區(qū)一個幀大小，每發(fā)送一幀設置一個計時器，幀編號使用1個比特。幀中包含發(fā)送序號N（S）。半雙工方式。數據鏈路層協議停止等待協議

(a)無差錯情況A發(fā)送M1確認M1B發(fā)送M2發(fā)送M3確認M2確認M3A發(fā)送M1B超時重傳M1發(fā)送M2確認M1丟棄有差錯的報文(b)數據幀出錯、丟失超時重傳ttttA發(fā)送M1B超時重傳M1發(fā)送M2丟棄重復的M1重傳確認M1(a)確認丟失確認M1A發(fā)送M1B超時重傳M1發(fā)送M2丟棄重復的M1重傳確認M1(b)確認遲到確認M1收下遲到的確認但什么也不做tttt停止等待協議

請注意在發(fā)送完一個分組后，必須暫時保留已發(fā)送的分組的副本。分組和確認分組都必須進行編號。超時計時器的重傳時間應當比數據在分組傳輸的平均往返時間更長一些。重復幀要發(fā)確認停止等待協議

可靠通信的實現使用上述的確認和重傳機制，我們就可以在不可靠的傳輸網絡上實現可靠的通信。這種可靠傳輸協議常稱為自動重傳請求ARQ(AutomaticRepeatreQuest)。ARQ表明重傳的請求是自動進行的。接收方不需要請求發(fā)送方重傳某個出錯的分組。停止等待協議

信道利用率停止等待協議的優(yōu)點是簡單，但缺點是信道利用率太低。TDRTTATD+RTT+TAB分組確認tt分組確認停止等待協議

信道的利用率U

停止等待協議

（2）連續(xù)ARQ協議（后退ARQ協議、拉回）停等ARQ協議信道利用率低，雙工信道也只能用半雙工方式通信，發(fā)送方發(fā)送一幀后總要停下來等待確認幀。第一種改進考慮增加發(fā)送方的發(fā)送緩存，連續(xù)發(fā)送多幀?？刂铺攸c：發(fā)方發(fā)完一幀后不停止，連續(xù)發(fā)送后續(xù)幀收方按順序接收數據幀，對每一幀發(fā)確認幀或否認幀數據幀出錯或超時，發(fā)方從出錯幀開始重發(fā)，收方收到重復幀，丟棄，發(fā)確認幀收方收到失序幀，丟棄，引起發(fā)方超時重發(fā)分析：連續(xù)發(fā)送，效率提高；出錯重傳，降低效率；發(fā)送端增加緩存開銷；適用質量好的信道。質量差的信道不一定優(yōu)于ARQ協議。適用衛(wèi)星通信（傳播時延很大，等待時間很長）。數據鏈路層協議（3）選擇ARQ協議連續(xù)ARQ收方失序，會丟棄很多正確的幀，發(fā)送方卻把它們反復地重新傳送。第二種改進再考慮增加接收方的接收緩存，暫存失序但正確的數據幀，只重傳出錯或超時的數據幀。等所缺的幀收到后再上交?？刂铺攸c：連續(xù)發(fā)送，出錯或超時只重傳相關幀。收方丟棄重復幀，發(fā)確認；緩存失序幀。分析：效率高，協議復雜，空間開銷增大。數據鏈路層協議連續(xù)工作方式

后退方式選擇重發(fā)方式（4）滑動窗口機制：對ARQ協議進行量化、實現。協議中可連續(xù)發(fā)送和暫時接收，但能力有限原因：幀編號占用幀格式的空間，通常是有限比特循環(huán)編號重傳幀數受緩存能力的限制（重傳幀數×幀長=緩存開銷）一幀出錯，重傳幀數太多會增加開銷（時間和空間）引入滑動窗口，將差錯控制和流量控制合二為一數據鏈路層協議發(fā)送窗口：是發(fā)送方保持的連續(xù)序號表，發(fā)送窗口大小WT表示在沒有收到確認信息的情況下，發(fā)送端最多可以連續(xù)發(fā)送多少個幀。發(fā)送窗口控制那些幀允許發(fā)送。接收窗口：是接收方保持的連續(xù)序號表，對應于允許接收的幀。窗口大小WR表示可以接收多少幀。收到窗口以外的幀全部丟棄。發(fā)送窗口控制：設發(fā)送窗口上界表示窗口后沿，下界表示窗口前沿，則前沿到后沿之間是已經發(fā)送但還沒有收到確認的幀。規(guī)則：新幀產生（N層）到達，窗口上界加1（<WT）確認幀到達，窗口下界加1（移動窗口）窗口已達最大值WT（上界-下界）發(fā)送端進入等待狀態(tài)，直到有緩沖區(qū)可用（收到確認為止）數據鏈路層協議ARQ協議窗口示意

123456789101112(a)發(fā)送方維持發(fā)送窗口（發(fā)送窗口是5）發(fā)送窗口(b)收到一個確認后發(fā)送窗口向前滑動向前123456789101112發(fā)送窗口接收窗口控制：每一個接收的幀設一個緩沖區(qū)，數目=WR規(guī)則：收到幀在窗口內，收下，如果序號=窗口下界，發(fā)確認，移動窗口，直到應該收到的幀編號成為窗口下界收到幀在窗口外，丟棄。協議與WT和WR的關系數據鏈路層協議數據鏈路層協議滑窗協議工作示意——ARQ關于滑窗協議的重要結論：（1）對于后退N協議，必須使發(fā)送窗口WT<=2n-1n為幀序號的比特數（2）對于選擇重發(fā)協議，必須使發(fā)送窗口WT<=2n-1n為幀序號的比特數數據鏈路層協議數據鏈路層數據鏈路層基本概念成幀差錯控制流量控制數據鏈路層協議數據鏈路層協議實例數據鏈路層協議實例數據鏈路層協議的分類（1）面向字符型協議實例：BSC以字符為控制傳輸信息的基本單元

ASIIC碼：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）數據鏈路層協議實例面向字符型BSC協議的數據報文格式建立、維護與釋放數據鏈路流程圖（2）面向比特型協議實例：HDLC面向字符型數據鏈路層協議的缺點：報文格式不一樣；傳輸透明性不好；等待發(fā)送方式，傳輸效率低。面向比特型協議的設計目標：以比特作為傳輸控制信息的基本單元；數據幀與控制幀格式相同；傳輸透明性好；連續(xù)發(fā)送，傳輸效率高。HDLC（HighLevelDataLinkControl）高級數字鏈路控制協議，由IBMSNA體系結構的數據鏈路層協議SDLC（同步數據鏈路控制）而來，大而全，實際數據鏈路層實現都是HDLC的一個子集。如：LAP（ARM異步響應模式）X.25DL層協議LAPB平衡型x.25DL層協議LAP-D（FR鏈路規(guī)程）數據鏈路層協議實例①數據鏈路的配置和數據傳送方式數據鏈路的配置非平衡配置平衡配置非平衡配置中的主站與從站主站：控制數據鏈路的工作過程。主站發(fā)出命令從站：接受命令，發(fā)出響應，配合主站工作非平衡配置中的結構特點點-點方式多點方式數據鏈路層協議實例數據鏈路的非平衡配置方式數據鏈路的平衡配置方式非平衡配置方式正常響應模式（normalresponsemode，NRM）主站可以隨時向從站傳輸數據幀；從站只有在主站向它發(fā)送命令幀進行探詢（poll），從站響應后才可以向主站發(fā)送數據幀。

異步響應模式（asynchronousresponsemode，ARM）主站和從站可以隨時相互傳輸數據幀；從站可以不需要等待主站發(fā)出探詢就可以發(fā)送數據；主站負責數據鏈路的初始化、鏈路的建立、釋放與差錯恢復等功能。數據鏈路層協議實例平衡配置方式鏈路兩端的兩個站都是復合站（combinedstation）復合站同時具有主站與從站的功能每個復合站都可以發(fā)出命令與響應平衡配置結構中只有異步平衡模式（asynchronousbalancedmode，ABM）異步平衡模式的每個復合站都可以平等地發(fā)起數據傳輸，而不需要得到對方復合站的許可。數據鏈路層協議實例②HDLC規(guī)程特點面向比特：傳輸的基本單位是比特透明：填充比特方式通信方式：ABM、ARM、NRM差錯校驗：CRC協議：連續(xù)ARQ、選擇ARQ（多次連續(xù)發(fā)送，一次響應，幀格式使額外開銷的比特最少）多種鏈路：點-點、點-多點主次站、同等站傳輸方式：全雙工、半雙工數據鏈路層協議實例③幀格式

特點：信息幀和控制幀格式統(tǒng)一F（flag）：固定格式—01111110作用—幀同步傳輸數據的透明性（零比特插入與刪除）A（address）：地址C（control）：幀的類型、幀的編號、命令與控制信息I（information）：網絡層數據，Nmax=256BCRC（checksum）：校驗A、C、I字段的數據G(X)=X16+X12+X5+1數據鏈路層協議實例幀類型及控制字段的意義數據鏈路層協議實例幀類型信息幀Information

N(S)：發(fā)送序號N(R)：接收序號，希望收到的幀編號N(R)-1之前的幀已收到（捎帶、集中確認）P/F：詢問終止位Poll/Final，P與F成對出現P=1詢問，要求盡快響應F=1響應，表示響應完成（最后、結束幀）表示：I，N(S)，N(R)，P/F數據鏈路層協議實例幀類型監(jiān)督幀SupervisoryN(R)：接收序號，希望收到的幀編號，N(R)-1之前的幀已收到S：監(jiān)督幀分類

00，RR（receiveready）接收就緒01，RNR（receivenotready）接收未就緒10，RJE（reject）拒絕11，SREJ（selectreject）選擇拒絕P/F：0：沒意義1：NRM中主站P=1，次站可發(fā)送信息，并用F=1表示最后一幀ARM和ABM中，發(fā)站P=1，要求盡快響應，對方回答時F置1表示例：RR，N(R)，P/F數據鏈路層協議實例幀類型無編號幀Unnumbered命令幀，鏈路控制和管理修飾位M：5比特，共32種編碼，HDLC目前只定義了15種編碼，表示命令。P/F：1：命令0：應答表示：SNRM，P/F命令集：SNRM建立NRM方式SABM建立ABM方式SARM建立ARM方式UA無編號認可（命令應答、響應，控制幀響應）DISC斷鏈命令DIN拒絕建鏈（DM）SNRME建立擴充NRM方式（7位幀編碼，C段2字節(jié)）SABMESARME數據鏈路層協議實例④規(guī)程正常響應模式NRM數據鏈路工作討論：數據鏈路層

與物理層的關系（3）Internet中主要的數據鏈路層協議SLIP（SerialLineIP）—串行線路的Internet數據鏈路層協議PPP（Point-to-PointProtocol）—點-點協議SLIP與PPP用于串行通信的撥號線路上，是目前家庭計算機或公司用戶通過ISP接到Internet主要的協議。數據鏈路層協議實例數據鏈路層協議實例連接Internet的家庭個人計算機PPP協議基本特點PPP協議是Internet標準，RFC1660、RFC1661定義了PPP協議與幀結構；PPP協議處理了差錯檢測，支持面向字符型協議與面向比特型協議,可以支持IP協議及其他一些網絡層協議（例如IPX協議）；PPP協議不僅在撥號電話線，并且在路由器─路由器之間的專用線上廣泛應用;PPP協議是在大多數家庭個人計算機和ISP之間使用的協議，它可以作為在高速廣域網和社區(qū)寬帶網協議族的一部分。

數據鏈路層協議實例PPP協議應滿足的需求

簡單——這是首要的要求封裝成幀透明性多種網絡層協議多種類型鏈路差錯檢測檢測連接狀態(tài)最大傳送單元網絡層地址協商數據壓縮協商數據鏈路層協議實例PPP協議不需要的功能糾錯流量控制序號多點線路半雙工或單工鏈路數據鏈路層協議實例PPP功能封裝：

成幀的方法可清楚地區(qū)分幀的結束和下一幀的起始，幀格式還處理差錯檢測。鏈路控制協議（LCP）：

用于啟動線路、測試、任選功能的協商以及關閉連接。鏈路管理、認證。網絡控制協議（NCP）：

一族網絡控制協議（NCP）來處理點對點連接可能產生的問題。如基于電路交換的點對點連接（比如撥號模式服務），分配和管理IP地址。每一個協議管理著各自的網絡層協議的特殊需求。

配置：

PPP鏈路很容易配置。標準的默認值處理全部的配置。執(zhí)行者可以對默認配置進行改進，它被自動的通知給其對等單元而無需操作員的干涉。操作員可以明確的為鏈路設定選項，以便其正常工作。

數據鏈路層協議實例PPP協議的幀格式PPP有一個2個字節(jié)的協議字段。當協議字段為0x0021時，PPP幀的信息字段就是IP數據報。若為0xC021,則信息字段是PPP鏈路控制數據。若為0x8021，則表示這是網絡控制數據。

IP數據報1211字節(jié)12不超過1500字節(jié)PPP幀先發(fā)送7EFF03FACFCSF7E協議信息部分首部尾部標志字段

F

=0x7E（符號“0x”表示后面的字符是用十六進制表示。十六進制的

7E

的二進制表示是01111110）。地址字段

A

只置為0xFF。地址字段實際上并不起作用?？刂谱侄?/p>

C

通常置為0x03。PPP是面向字節(jié)的，所有的PPP

幀的長度都是整數字節(jié)。IP數據報1211字節(jié)12不超過1500字節(jié)PPP幀先發(fā)送7EFF03FACFCSF