第4章：數(shù)據(jù)鏈路層

第4章數(shù)據(jù)鏈路層1本章學(xué)習(xí)要求：了解：數(shù)據(jù)傳輸過程中差錯(cuò)產(chǎn)生的原因與性質(zhì)。掌握：誤碼率的定義與差錯(cuò)控制方法。掌握：數(shù)據(jù)鏈路層的基本概念。了解：面向字符型數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議實(shí)例—BSC。掌握：面向比特型數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議實(shí)例—HDLC。掌握：Internet中的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。24.1差錯(cuò)產(chǎn)生與差錯(cuò)控制方法

4.1.1為什么要設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)鏈路層

在原始物理傳輸線路上傳輸數(shù)據(jù)信號是有差錯(cuò)的；設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)鏈路層的主要目的：將有差錯(cuò)的物理線路改進(jìn)成無差錯(cuò)的數(shù)據(jù)鏈路；方法—差錯(cuò)檢測差錯(cuò)控制流量控制作用：改善數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，向網(wǎng)絡(luò)層提供高質(zhì)量的服務(wù)。34.1.2差錯(cuò)產(chǎn)生的原因和差錯(cuò)類型

傳輸差錯(cuò)—通過通信信道后接收的數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)不一致的現(xiàn)象;差錯(cuò)控制—檢查是否出現(xiàn)差錯(cuò)以及如何糾正差錯(cuò)；通信信道的噪聲分為兩類：熱噪聲和沖擊噪聲；由熱噪聲引起的差錯(cuò)是隨機(jī)差錯(cuò)，或隨機(jī)錯(cuò)；沖擊噪聲引起的差錯(cuò)是突發(fā)差錯(cuò)，或突發(fā)錯(cuò)；引起突發(fā)差錯(cuò)的位長稱為突發(fā)長度；在通信過程中產(chǎn)生的傳輸差錯(cuò)，是由隨機(jī)差錯(cuò)與突發(fā)差錯(cuò)共同構(gòu)成的。4傳輸差錯(cuò)

產(chǎn)生過程5

4.1.3誤碼率的定義

誤碼率定義：二進(jìn)制比特在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中被傳錯(cuò)的概率，它在數(shù)值上近似等于：

Pe=Ne/N其中，N為傳輸?shù)亩M(jìn)制比特總數(shù)；

Ne為被傳錯(cuò)的比特?cái)?shù)。6討論誤碼率應(yīng)該是衡量數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下傳輸可靠性的參數(shù)；對于一個(gè)實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，不能籠統(tǒng)地說誤碼率越低越好，要根據(jù)實(shí)際傳輸要求提出誤碼率要求；對于實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，如果傳輸?shù)牟皇嵌M(jìn)制比特，要折合成二進(jìn)制比特來計(jì)算；差錯(cuò)的出現(xiàn)具有隨機(jī)性，在實(shí)際測量一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)時(shí)，只有被測量的傳輸二進(jìn)制比特?cái)?shù)越大，才會(huì)越接近于真正的誤碼率值。74.1.4檢錯(cuò)碼與糾錯(cuò)碼

糾錯(cuò)碼：每個(gè)傳輸?shù)姆纸M帶上足夠的冗余信息；接收端能發(fā)現(xiàn)并自動(dòng)糾正傳輸差錯(cuò)。檢錯(cuò)碼:分組僅包含足以使接收端發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)的冗余信息；接收端能發(fā)現(xiàn)出錯(cuò)，但不能確定哪一比特是錯(cuò)的，并且自己不能糾正傳輸差錯(cuò)。8常用的檢錯(cuò)碼奇偶校驗(yàn)碼垂直奇（偶）校驗(yàn)水平奇（偶）校驗(yàn)水平垂直奇（偶）校驗(yàn)（方陣碼）循環(huán)冗余編碼CRC

目前應(yīng)用最廣的檢錯(cuò)碼編碼方法之一94.1.6差錯(cuò)控制機(jī)制

反饋重發(fā)機(jī)制

10反饋重發(fā)機(jī)制的分類

停止等待方式

11連續(xù)工作方式

拉回方式選擇重發(fā)方式

124.2數(shù)據(jù)鏈路層的基本概念

4.2.1物理線路與數(shù)據(jù)鏈路線路—鏈路物理線路—數(shù)據(jù)鏈路鏈路可以分為物理鏈路和邏輯鏈路。規(guī)程和協(xié)議同義。最重要的作用：通過一些數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，在不太可靠的物理鏈路上實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸。134.2.2數(shù)據(jù)鏈路控制

數(shù)據(jù)鏈路層的主要功能：鏈路管理幀同步流量控制差錯(cuò)控制幀的透明傳輸尋址將數(shù)據(jù)和控制信息區(qū)分開數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議—為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路控制功能而制定的規(guī)程或協(xié)議。144.2.3停止等待協(xié)議停止等待協(xié)議是最簡單的基本數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。４.2.3.1不需要數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸兩個(gè)假設(shè)：１.鏈路是理想的傳輸通信，所有的任何數(shù)據(jù)傳輸既不會(huì)出差錯(cuò)也不會(huì)丟失。２.發(fā)送方以多快的速率發(fā)送數(shù)據(jù)，接受方都來得及接受，并及時(shí)上交主機(jī)。不可能實(shí)現(xiàn)15４.2.3.２具有最簡單流量控制的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議假設(shè)１還在成立由接收方控制發(fā)送方的數(shù)據(jù)流，是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中流量控制的一個(gè)基本方法。具有最簡單流量控制的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的具體算法：假設(shè)１還在成立在發(fā)送接點(diǎn)：（１）從主機(jī)取一個(gè)數(shù)據(jù)幀；（２）將數(shù)據(jù)幀發(fā)送到數(shù)據(jù)鏈路層的發(fā)送緩存；（３）將發(fā)送緩存中的數(shù)據(jù)幀發(fā)送出去；（４）等待；（５）若接受到接收點(diǎn)發(fā)送來的信息，則從主機(jī)取一個(gè)新的數(shù)據(jù)幀，然后轉(zhuǎn)到（2）。16４.2.3.２具有最簡單流量控制的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議在接收接點(diǎn)：（１）等待；（２）若收到由發(fā)送接點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)幀，就將其放在數(shù)據(jù)鏈路層的接收緩存；（３）將接收緩存中的數(shù)據(jù)幀上交主機(jī)；（４）在發(fā)送接點(diǎn)發(fā)一信息，表示數(shù)據(jù)幀已經(jīng)上交給主機(jī)；（５）轉(zhuǎn)到（1）；不可能實(shí)現(xiàn)17４.2.3.３實(shí)用的停止等待協(xié)議前面的兩個(gè)假設(shè)不在成立，及傳輸數(shù)據(jù)的信道不能保證使所有的數(shù)據(jù)不產(chǎn)生錯(cuò)誤，并且還需要對數(shù)據(jù)的發(fā)送端進(jìn)行流量控制。不出錯(cuò)誤的時(shí)候處理方法：確認(rèn)幀(ACK)和否認(rèn)幀（NCK)錯(cuò)誤的時(shí)候處理方法：在數(shù)據(jù)幀中加上了冗余檢驗(yàn)(CRC)，并重發(fā)。超時(shí)計(jì)時(shí)器：重復(fù)幀:184.3連續(xù)ARQ協(xié)議4.3.1連續(xù)ARQ協(xié)議的工作原理：要點(diǎn)是在發(fā)送完一個(gè)數(shù)據(jù)幀后，不是停下來等待確認(rèn)幀，而是可以連續(xù)再發(fā)送若干數(shù)據(jù)幀。如果這時(shí)收到了接收端發(fā)來的確認(rèn)幀，那么還可以接著發(fā)送數(shù)據(jù)幀，這樣就減少了等待時(shí)間，整個(gè)通信的吞吐量就提高了。例如書上例子：P79這里注意兩點(diǎn)：（1）接收端只是按順序接收數(shù)據(jù)幀。（2）結(jié)點(diǎn)A在每發(fā)送完一個(gè)數(shù)據(jù)幀時(shí)都要設(shè)置超時(shí)計(jì)時(shí)器。連續(xù)ARQ協(xié)議又稱為Go-backe-NARQ意思就是當(dāng)出差錯(cuò)必須重時(shí)，要向回走N個(gè)幀，然后再開始重傳。特點(diǎn)：提高了連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)幀的效果，但是另一個(gè)方面，在重傳時(shí)又必須把原來已正確發(fā)送過的幀傳送，這樣又降低了數(shù)據(jù)幀傳送效率。194.3.2滑動(dòng)窗口的概念4.3.2滑動(dòng)窗口的概念連續(xù)ARQ協(xié)議的問題：連續(xù)ARQ協(xié)議中，應(yīng)該將發(fā)送出去但沒有被確認(rèn)的數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)幀數(shù)目加以限制，著就是滑動(dòng)窗口要研究的內(nèi)容。在接收端和發(fā)送端分別設(shè)置發(fā)送窗口和接收窗口，來限制數(shù)據(jù)幀的數(shù)目。發(fā)送窗口：用來對發(fā)送端進(jìn)行流量控制。發(fā)送窗口的大小表示在沒有收到對方確認(rèn)信息的情況下發(fā)送端最多可以發(fā)送多少個(gè)數(shù)據(jù)幀。204.3.2滑動(dòng)窗口的概念發(fā)送窗口的規(guī)則如下：（1）發(fā)送窗口內(nèi)的幀是允許發(fā)送的幀，而不需要考慮有沒有收到確認(rèn)。（2）每發(fā)送完一幀，允許發(fā)送的幀就減少1，但是發(fā)送窗口的位置不變。（3）如所有允許發(fā)送的幀都發(fā)送完了，還在沒有收到任何的確認(rèn)信息，那么就不能再發(fā)送任何幀了。而進(jìn)入等待。（4）每收到一個(gè)幀的確認(rèn)，發(fā)送窗口就向前滑動(dòng)一個(gè)幀的位置。214.3.2滑動(dòng)窗口的概念接收窗口：是為了控制可以接受那些數(shù)據(jù)幀而不是接收那些幀。在接收端只有當(dāng)收到數(shù)據(jù)幀的發(fā)送序號落入接受窗口內(nèi)才能允許將該數(shù)據(jù)幀收下。接收窗口歸納如下：（1）只有當(dāng)收到幀的序號與接收窗口一致時(shí)才能接收該數(shù)據(jù)幀。（2）每收到一個(gè)序號正確的幀，接收窗口就向前滑動(dòng)一個(gè)幀的位置，并同時(shí)向發(fā)送端發(fā)送該幀的確認(rèn)信息。224.3.3信道利用率數(shù)據(jù)幀必須包括一定的控制信息，所以連續(xù)不停地發(fā)送數(shù)據(jù)幀，信道的利用率不可能達(dá)到100%出錯(cuò)時(shí)，數(shù)據(jù)幀不得不重傳將進(jìn)一步降低信道的利用率。數(shù)據(jù)幀的長短就很重要，不能太長，也不能太短。因此要選擇一個(gè)最佳的數(shù)據(jù)幀的長度。在次幀下信道的利用率最高。234.4選擇重傳ARQ協(xié)議為了提高信道的利用率，可以設(shè)法只重傳出現(xiàn)差錯(cuò)的數(shù)據(jù)幀或是計(jì)時(shí)器超時(shí)的數(shù)據(jù)幀，就必須增加接收窗口的大小，接收下發(fā)送序號不連續(xù)但仍在接收窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)幀，這就是選擇重傳ARQ協(xié)議。選擇重傳ARQ協(xié)議特點(diǎn)：P84244.5數(shù)據(jù)鏈路層向網(wǎng)絡(luò)層提供的服務(wù)

數(shù)據(jù)鏈路層服務(wù)的類型：面向連接確認(rèn)服務(wù)（acknowledgedconnection-orientedservice）；

無連接確認(rèn)服務(wù)（acknowladgedconnectionlessservice）；

無連接不確認(rèn)服務(wù)（unacknowledgedconnectionlessservice）。

25實(shí)際數(shù)據(jù)路徑與虛擬數(shù)據(jù)路徑264.5面向字符型數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議實(shí)例：BSC

4.5.1數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的分類

274.5.2面向字符型協(xié)議實(shí)例：BSC

什么是面向字符型協(xié)議?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）28面向字符型BSC協(xié)議的數(shù)據(jù)報(bào)文格式29建立、維護(hù)與釋放數(shù)據(jù)鏈路流程圖304.6典型數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議分析—面向比特型

4.6.1HDLC產(chǎn)生的背景

面向字符型數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的缺點(diǎn)：報(bào)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(xié)議的設(shè)計(jì)目標(biāo)：以比特作為傳輸控制信息的基本單元；數(shù)據(jù)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。314.6.2數(shù)據(jù)鏈路的配置和數(shù)據(jù)傳送方式數(shù)據(jù)鏈路的配置非平衡配置:p85平衡配置:p85非平衡配置中的主站與從站主站：控制數(shù)據(jù)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(yīng)，配合主站工作非平衡配置中的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)點(diǎn)-點(diǎn)方式多點(diǎn)方式32數(shù)據(jù)鏈路的非平衡配置方式33非平衡配置方式正常響應(yīng)模式（normalresponsemode，NRM）主站可以隨時(shí)向從站傳輸數(shù)據(jù)幀；從站只有在主站向它發(fā)送命令幀進(jìn)行探詢（poll），從站響應(yīng)后才可以向主站發(fā)送數(shù)據(jù)幀。

異步響應(yīng)模式（asynchronousresponsemode，ARM）主站和從站可以隨時(shí)相互傳輸數(shù)據(jù)幀；從站可以不需要等待主站發(fā)出探詢就可以發(fā)送數(shù)據(jù)；主站負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)鏈路的初始化、鏈路的建立、釋放與差錯(cuò)恢復(fù)等功能。34平衡配置方式

鏈路兩端的兩個(gè)站都是復(fù)合站（combinedstation）；復(fù)合站同時(shí)具有主站與從站的功能；每個(gè)復(fù)合站都可以發(fā)出命令與響應(yīng)；平衡配置結(jié)構(gòu)中只有異步平衡模式（asynchronousbalancedmode，ABM）；異步平衡模式的每個(gè)復(fù)合站都可以平等地發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸，而不需要得到對方復(fù)合站的許可。35數(shù)據(jù)鏈路的平衡配置方式364.6.3HDLC的幀結(jié)構(gòu)

信息幀,監(jiān)督幀,無編號幀F(xiàn)（flag）：固定格式—01111110

作用—幀同步傳輸數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)，Nmax=256BCRC（checksum）：校驗(yàn)A、C、I字段的數(shù)據(jù)

G(X)=X16+X12+X5+137幀類型及控制字段的意義38幀類型I幀：

N（S）—發(fā)送幀的順序號

N（R）

—

接收幀的順序號

P/F=Poll/Final，P=1詢問，F(xiàn)=1響應(yīng)

P與F成對出現(xiàn)S幀：監(jiān)控功能位

S=00，RR（receiveready）

S=01，RNR（receivenotready）S=10，RJE（reject）S=11，SREJ（selectreject）U幀：用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路控制功能39U幀的格式與鏈路控制功能404.6.4數(shù)據(jù)鏈路層的工作過程

簡化的信息幀結(jié)構(gòu)的表示方法一個(gè)信息幀的表示

41無編號幀的表示方法

SNRM幀與UA幀結(jié)構(gòu)的表示方法

42正常響應(yīng)模式數(shù)據(jù)鏈路工作43討論：數(shù)據(jù)鏈路層

與物理層的關(guān)系444.7Internet中的數(shù)據(jù)鏈路層

4.7.1Internet中主要的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議SLIP（SerialLineIP）—串行線路的Internet數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議PPP（Point-to-PointProtocol）—點(diǎn)-點(diǎn)協(xié)議SLIP與PPP用于串行通信的撥號線路上，是目前家庭計(jì)算機(jī)或公司用戶通過ISP接到Internet主要的協(xié)議。454.7.2SLIP協(xié)議SLIP出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代初，最早是在BSDUNIX4.2版操作系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)的;SLIP協(xié)議支持TCP/IP協(xié)議;對數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行了簡單的封裝，然后來用RS-232接口串行線路進(jìn)行傳輸;SLIP通常也用來將遠(yuǎn)程終端連接到UNIX主機(jī)，也可通過租用或撥號串行線路進(jìn)行主機(jī)到路由器，以及路由器到路由器的通信。46典型的SLIP接入方式Internet的家庭或小型公司用戶通過調(diào)制解調(diào)器、電話網(wǎng)絡(luò)連接到ISP的調(diào)制解調(diào)器；ISP的調(diào)制解調(diào)器再通過它的路由器接入Internet；SLIP系統(tǒng)一般可以發(fā)送和接收1006B的IP數(shù)據(jù)報(bào)。47SLIP協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)RFC1055文件對SLIP幀格式進(jìn)行了討論;SLIP幀頭與幀尾的“CO”，是協(xié)議使用的惟一的一個(gè)控制字符;CO的二進(jìn)制編碼比特序列是10000110000000;CO的使用將影響SLIP幀數(shù)據(jù)的透明性;48

SLIP協(xié)議的缺點(diǎn)使用SLIP協(xié)議時(shí)，通信的雙方都必須知道對方的IP地址，因?yàn)镾LIP協(xié)議沒有為它們提供相互交換地址信息的方法；沒有設(shè)置協(xié)議類型字段，不具備同時(shí)處理多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的能力；沒有校驗(yàn)和字段，差錯(cuò)控制功能由高層的協(xié)議承擔(dān)；SLIP協(xié)議并不是Internet的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，因此不同版本的之間就會(huì)存在著差別，使得互連變得困難。494.7.3CSLIP協(xié)議SLIP協(xié)議通常運(yùn)行于傳輸速率相對較低的串行線路上;在常用于Telnet之類的應(yīng)用程序中，人們提出了一種壓縮的SLIP（CSLIP）協(xié)議;RFC1144對CSLIP進(jìn)行了定義;Telnet是一種交互式的應(yīng)用程序，每次常常只傳送幾個(gè)字節(jié)的信息，通信效率低。

50因特網(wǎng)的點(diǎn)對點(diǎn)的協(xié)議PPP早期使用的是簡單的面向字符協(xié)議SLIP，但是該協(xié)議的缺點(diǎn)很多，如：（1）SLIP沒有差錯(cuò)檢測功能；（2）通信的每一方都必須事先知道對方的IP；（3）SLIP僅支持IP協(xié)議，不支持其他協(xié)議；（4）SLIP并沒有成為因特網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，存在很多互不兼容的版本，影響到了因特網(wǎng)的通信。為了克服SLIP的缺點(diǎn)，在1992年制定了PPP協(xié)議，并經(jīng)過修訂后得到廣泛的使用。51因特網(wǎng)的點(diǎn)對點(diǎn)的協(xié)議PPP下面我們就來學(xué)習(xí)點(diǎn)對點(diǎn)的協(xié)議（PPP協(xié)議）PPP協(xié)議有如下的三部分組成：（1）一個(gè)將IP數(shù)據(jù)報(bào)封裝到串行鏈路的方法；（2）一個(gè)用來建立、配置和測試數(shù)據(jù)鏈路連接的鏈路控制協(xié)議（LCP）（3）還有一套網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議（NCP）,其中的每一個(gè)協(xié)議都支持不同的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。52因特網(wǎng)的點(diǎn)對點(diǎn)的協(xié)議PPPPPP協(xié)議不使用序號和確認(rèn)機(jī)制的主要原因：（1）控制開銷。（2）數(shù)據(jù)鏈路層的可靠傳輸并不能保證網(wǎng)絡(luò)層的傳輸也是可靠的。（3）PPP協(xié)議在幀格式中有幀檢驗(yàn)序列FCS字段。PPP協(xié)議使用的狀態(tài)：P91534.7.4PPP協(xié)議基本特點(diǎn)PPP協(xié)議是Intern