6第六章計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信.ppt

1、第六章 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信,一、緒論,計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)利用通信電纜將分散在各地的自治的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接在一起，在通信協(xié)議的支持下，實(shí)現(xiàn)資源共享。,1、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生背景 是 20 世紀(jì) 60 年代美蘇冷戰(zhàn)時(shí)期的產(chǎn)物； 60 年代初，美國國防部領(lǐng)導(dǎo)的遠(yuǎn)景研究規(guī)劃局提出要研制一種生存性很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)； 傳統(tǒng)的電路交換的電信網(wǎng)有一個(gè)缺點(diǎn)：正在通信的電路中有一個(gè)交換機(jī)或有一條鏈路被炸毀，則整個(gè)通信電路就要中斷； 如要改用其他迂回電路，必須重新?lián)芴?hào)建立連接，延時(shí)較長。,新型計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn) 網(wǎng)絡(luò)用于計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳送； 網(wǎng)絡(luò)能夠連接不同類型的計(jì)算機(jī)，不局限于單一類型的計(jì)算機(jī)； 所有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)都同等重要，因而大大提高

2、網(wǎng)絡(luò)的生存性； 計(jì)算機(jī)在進(jìn)行通信時(shí)，必須有冗余的路由； 網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)盡可能地簡(jiǎn)單，同時(shí)還能夠非?？煽康貍魉蛿?shù)據(jù)。,2、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展 （1）電路交換：把一條信號(hào)線轉(zhuǎn)接到另一條信號(hào)線，使它們連通起來，動(dòng)態(tài)分配傳輸線路資源。,結(jié)點(diǎn)增多時(shí),優(yōu)點(diǎn)： 通信線路為通信雙方專用，傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)延?。?通信雙方之間的物理通路建立后可以隨時(shí)通信，實(shí)時(shí)性強(qiáng)； 雙方通信時(shí)按發(fā)送順序傳送數(shù)據(jù)，不存在失序問題； 電路交換既適用于傳輸模擬信號(hào)，也適用于傳輸數(shù)字信號(hào)； 電路交換的交換的交換設(shè)備（交換機(jī)等）及控制均較簡(jiǎn)單。,缺點(diǎn)： 電路交換的平均連接建立時(shí)間對(duì)計(jì)算機(jī)通信來說嫌長； 電路交換連接建立后，物理通路被通信雙方獨(dú)占

3、，即使線路空閑，也不能供其他用戶使用，信道利用低； 電路交換時(shí)，數(shù)據(jù)直達(dá)，不同類型、不同規(guī)格、不同速率的終端很難相互進(jìn)行通信，也難以在通信過程中進(jìn)行差錯(cuò)控制。,（2）報(bào)文交換： 20 世紀(jì) 40 年代，電報(bào)通信采用了報(bào)文交換，以報(bào)文為數(shù)據(jù)交換的單位，報(bào)文攜帶有目標(biāo)地址、源地址等信息，在結(jié)點(diǎn)交換機(jī)采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的傳輸方式。 優(yōu)點(diǎn)： 報(bào)文交換不需要預(yù)先建立專用通信線路，不存在連接建立時(shí)延； 由于采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的傳輸方式，使之具有下列優(yōu)點(diǎn)：,便于設(shè)置代碼檢驗(yàn)和數(shù)據(jù)重發(fā)設(shè)施，交換結(jié)點(diǎn)還具有路徑選擇，某條傳輸線路故障時(shí)，可重新選擇其它線路傳輸數(shù)據(jù)，提高了傳輸?shù)目煽啃裕?在存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)中容易實(shí)現(xiàn)代碼轉(zhuǎn)換和速率匹配

4、，便于類型、規(guī)格和速度不同的計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行通信； 提供多目標(biāo)服務(wù)，一個(gè)報(bào)文可同時(shí)發(fā)送到多個(gè)目的地址； 允許建立數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)高的報(bào)文優(yōu)先轉(zhuǎn)換。 通信雙方不是固定占有一條通信線路，而是在不同的時(shí)間段、部分占有物理線路，提高了通信線路的利用率。,缺點(diǎn)： 數(shù)據(jù)進(jìn)入交換結(jié)點(diǎn)后要經(jīng)歷存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)過程，從而引起轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延（包括接收?qǐng)?bào)文、檢驗(yàn)正確性、排隊(duì)、發(fā)送時(shí)間等），網(wǎng)絡(luò)的通信量愈大，造成的時(shí)延就愈大，因此報(bào)文交換的實(shí)時(shí)性差，不適合傳送實(shí)時(shí)或交互式業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)； 報(bào)文交換只適用于數(shù)字信號(hào)； 報(bào)文長度沒有限制，而每個(gè)中間結(jié)點(diǎn)都要完整地接收整個(gè)報(bào)文，當(dāng)輸出線路不空閑時(shí)，還可能要存儲(chǔ)幾個(gè)完整報(bào)文等待轉(zhuǎn)發(fā)，要

5、求網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)結(jié)點(diǎn)有較大的緩沖區(qū)。為了降低成本，減少結(jié)點(diǎn)的緩沖存儲(chǔ)器的容量，有時(shí)要把等待轉(zhuǎn)發(fā)的報(bào)文存在磁盤上，進(jìn)一步增加了傳送時(shí)延。,（3）分組交換： 分組交換也采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)傳輸方式，但將報(bào)文先分割為若干個(gè)較短的分組，然后逐個(gè)發(fā)送分組（攜帶源、目的地址和編號(hào)信息）。 分組交換除了具有報(bào)文交換的優(yōu)點(diǎn)外，還具有以下優(yōu)點(diǎn)： 加速了數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸。分組是逐個(gè)傳輸，可以使后一個(gè)分組的存儲(chǔ)操作與前一個(gè)分組的轉(zhuǎn)發(fā)操作并行，減少了報(bào)文的傳輸時(shí)間。此外，傳輸分組所需的緩沖區(qū)比報(bào)文小得多；,簡(jiǎn)化了存儲(chǔ)管理。分組的長度固定，緩沖區(qū)的大小也固定，交換結(jié)點(diǎn)中存儲(chǔ)器的管理比較容易； 減少了出錯(cuò)機(jī)率和重發(fā)數(shù)據(jù)量。分組較短

6、，出錯(cuò)機(jī)率減少，每次重發(fā)的數(shù)據(jù)量大大減少，提高了可靠性，減少了傳輸時(shí)延； 分組短小，更適用于采用優(yōu)先級(jí)策略，及時(shí)傳送一些緊急數(shù)據(jù)，對(duì)于計(jì)算機(jī)間的突發(fā)式數(shù)據(jù)通信，分組交換更合適,缺點(diǎn)： 盡管分組交換比報(bào)文交換的傳輸時(shí)延少，但仍存在存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延，而且其結(jié)點(diǎn)交換機(jī)必須具有更強(qiáng)的處理能力； 分組交換與報(bào)文交換一樣，每個(gè)分組都要加上源、目的地址和分組編號(hào)等信息，使傳送的信息量大約增大5%10%，一定程度上降低了通信效率，增加了處理的時(shí)間，使控制復(fù)雜，時(shí)延增加； 當(dāng)分組交換采用數(shù)據(jù)報(bào)服務(wù)時(shí)，可能出現(xiàn)失序、丟失或重復(fù)分組，分組到達(dá)目的結(jié)點(diǎn)時(shí)，要對(duì)分組按編號(hào)進(jìn)行排序等工作,三種交換方式的比較,A B C D,

7、A B C D,報(bào)文交換,分組交換,t,（4） 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展的三個(gè)階段： 第一階段： ARPA 研究多種網(wǎng)絡(luò)互連的技術(shù)，產(chǎn)生第一個(gè)分組交換網(wǎng) ARPANET； 1983 年 TCP/IP 協(xié)議成為標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議； 19831984 年，形成了因特網(wǎng) Internet。 第二階段： 1986 年，NSF 建立了國家科學(xué)基金網(wǎng) NSFNET，它是一個(gè)三級(jí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)：主干網(wǎng)、地區(qū)網(wǎng)、校園網(wǎng) 1991 年，美國政府決定將因特網(wǎng)的主干網(wǎng)轉(zhuǎn)交給私人公司來經(jīng)營，并開始對(duì)接入因特網(wǎng)的單位收費(fèi)。,1993 年因特網(wǎng)主干網(wǎng)的速率提高到 45 Mb/s（T3 速率） 第三階段： 從1993年開始，NSFNET逐漸被若

8、干個(gè)商用的 ISP 網(wǎng)絡(luò)所代替； 1994 年開始創(chuàng)建了 4 個(gè)網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn) NAP分別由 4 個(gè)電信公司經(jīng)營。 NAP 就是用來交換因特網(wǎng)上流量的結(jié)點(diǎn)。在NAP 中安裝有性能很好的交換設(shè)施。 從 1994 年到現(xiàn)在，因特網(wǎng)逐漸演變成多級(jí)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò),（5） 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的分類 1）按交換功能分類 2）按作用范圍進(jìn)行分類 電路交換 廣域網(wǎng) WAN (Wide Area Network) 報(bào)文交換 局域網(wǎng) LAN (Local Area Network) 分組交換 城域網(wǎng) MAN (Metropolitan Area Network) 混合交換 接入網(wǎng) AN (Access Network),城域網(wǎng),城

9、域網(wǎng),接入網(wǎng),接入網(wǎng),接入網(wǎng),接入網(wǎng),接入網(wǎng),接入網(wǎng),廣域網(wǎng),局域網(wǎng),局域網(wǎng),校園網(wǎng),企業(yè)網(wǎng),二、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu),相互通信的兩個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)必須高度協(xié)調(diào)工作才行，而這種“協(xié)調(diào)”是相當(dāng)復(fù)雜的工作；,“分層”可將龐大而復(fù)雜的問題，轉(zhuǎn)化為若干較小的局部問題，而這些較小的局部問題就比較易于研究和處理；,為進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)交換而建立的規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)或約定即網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(network protocol)，簡(jiǎn)稱為協(xié)議，包括如下要素： （1）語法：數(shù)據(jù)與控制信息的結(jié)構(gòu)或格式 。 （2）語義：需要發(fā)出何種控制信息，完成何種動(dòng)作以及做出何種響應(yīng)。 （3）同步：事件實(shí)現(xiàn)順序的詳細(xì)說明。,劃分層次的概念舉例,計(jì)算機(jī) 1

10、 向計(jì)算機(jī) 2 通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送文件，可以將要做的工作進(jìn)行如下的劃分； 第一類工作與傳送文件直接有關(guān)： 確信對(duì)方已做好接收和存儲(chǔ)文件的準(zhǔn)備。 雙方協(xié)調(diào)好一致的文件格式。 兩個(gè)計(jì)算機(jī)將文件傳送模塊作為最高的一層 ，剩下的工作由下面的模塊負(fù)責(zé)。,再設(shè)計(jì)一個(gè)通信服務(wù)模塊,文件傳送模塊,計(jì)算機(jī) 1,計(jì)算機(jī) 2,文件傳送模塊,只看這兩個(gè)通信服務(wù)模塊 好像可直接把文件 可靠地傳送到對(duì)方,把文件交給下層模塊 進(jìn)行發(fā)送,把收到的文件交給 上層模塊,通信服務(wù)模塊,通信服務(wù)模塊,再設(shè)計(jì)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接入模塊,文件傳送模塊,計(jì)算機(jī) 1,計(jì)算機(jī) 2,文件傳送模塊,通信服務(wù)模塊,通信服務(wù)模塊,網(wǎng)絡(luò)接入模塊,網(wǎng)絡(luò)接入模塊,通信網(wǎng)絡(luò)

11、,網(wǎng)絡(luò) 接口,網(wǎng)絡(luò) 接口,網(wǎng)絡(luò)接入模塊負(fù)責(zé)做與網(wǎng)絡(luò)接口細(xì)節(jié)有關(guān)的工作 例如，規(guī)定傳輸?shù)膸袷?，幀的最大長度等。,分層的優(yōu)點(diǎn)： 各層之間獨(dú)立； 靈活性好； 結(jié)構(gòu)上可分割開； 易于實(shí)現(xiàn)和維護(hù)； 能促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化工作。 層數(shù)的選擇： 層數(shù)太少，會(huì)使每一層的協(xié)議太復(fù)雜； 層數(shù)太多，在描述和綜合各層功能的系統(tǒng)工程任務(wù)時(shí)遇到較多的困難。,1、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu),計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)(architecture)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的各層及其協(xié)議的集合； 體系結(jié)構(gòu)就是這個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及其部件所應(yīng)完成的功能的精確定義； 實(shí)現(xiàn)(implementation)是遵循這種體系結(jié)構(gòu)的前提下用何種硬件或軟件完成這些功能的問題； 體系

12、結(jié)構(gòu)是抽象的，而實(shí)現(xiàn)則是具體的，是真正在運(yùn)行的計(jì)算機(jī)硬件和軟件。,（1）OSI七層參考模型,數(shù)據(jù)鏈路層,5 會(huì)話層,4 傳輸層,3 網(wǎng)絡(luò)層,2 數(shù)據(jù)鏈路層,1 物理層,6 表示層,7 應(yīng)用層,數(shù)據(jù)鏈路層,5 應(yīng)用層,4 傳輸層,3 網(wǎng)絡(luò)層,2 數(shù)據(jù)鏈路層,1 物理層,計(jì)算機(jī)1向2發(fā)送數(shù)據(jù),5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,計(jì)算機(jī) 1,AP2,AP1,計(jì)算機(jī) 2,應(yīng) 用 程 序 數(shù) 據(jù),5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,計(jì)算機(jī) 1,AP2,AP1,計(jì)算機(jī) 2,應(yīng) 用 程 序 數(shù) 據(jù),應(yīng) 用 程 序 數(shù) 據(jù),應(yīng)用層 PDU 再傳送到傳輸層，加上傳輸層首部，成為傳輸層報(bào)文,5,4,3,2

13、,1,5,4,3,2,1,計(jì)算機(jī) 1,AP2,AP1,計(jì)算機(jī) 2,應(yīng) 用 程 序 數(shù) 據(jù),應(yīng) 用 程 序 數(shù) 據(jù),傳輸層報(bào)文再傳送到網(wǎng)絡(luò)層，加上網(wǎng)絡(luò)層首部，成為 IP 數(shù)據(jù)報(bào)（或分組）,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,計(jì)算機(jī) 1,AP2,AP1,計(jì)算機(jī) 2,應(yīng) 用 程 序 數(shù) 據(jù),應(yīng) 用 程 序 數(shù) 據(jù),IP 數(shù)據(jù)報(bào)再傳送到數(shù)據(jù)鏈路層，加上鏈路層首部和尾部，成為數(shù)據(jù)鏈路層幀,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,計(jì)算機(jī) 1,AP2,AP1,計(jì)算機(jī) 2,應(yīng) 用 程 序 數(shù) 據(jù),應(yīng) 用 程 序 數(shù) 據(jù),數(shù)據(jù)鏈路層幀再傳送到物理層，最下面的物理層把比特流傳送到物理媒體,1010011010

14、0101 比 特 流 110101110101,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,計(jì)算機(jī) 1,AP2,AP1,計(jì)算機(jī) 2,計(jì)算機(jī) 2 的物理層收到比特流后交給數(shù)據(jù)鏈路層,10100110100101 比 特 流 110101110101,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,計(jì)算機(jī) 1,AP2,AP1,計(jì)算機(jī) 2,數(shù)據(jù)鏈路層剝?nèi)撞亢蛶膊亢?把幀的數(shù)據(jù)部分交給網(wǎng)絡(luò)層,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,計(jì)算機(jī) 1,AP2,AP1,計(jì)算機(jī) 2,網(wǎng)絡(luò)層剝?nèi)シ纸M首部后把分組的數(shù)據(jù)部分交給傳輸層,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,計(jì)算機(jī) 1,AP2,AP1,計(jì)算機(jī) 2,傳輸層剝?nèi)?/p>

15、報(bào)文首部后把報(bào)文的數(shù)據(jù)部分交給應(yīng)用層,應(yīng) 用 程 序 數(shù) 據(jù),5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,計(jì)算機(jī) 1,AP2,AP1,計(jì)算機(jī) 2,應(yīng)用層剝?nèi)?yīng)用層 PDU 首部后把應(yīng)用程序數(shù)據(jù)交給應(yīng)用進(jìn)程,5,4,3,2,1,5,4,3,2,1,計(jì)算機(jī) 1,AP2,AP1,計(jì)算機(jī) 2,AP2收到 AP1 發(fā)來的應(yīng)用程序數(shù)據(jù)！,2、實(shí)體、協(xié)議、服務(wù)和服務(wù)訪問點(diǎn),實(shí)體(entity) 表示任何可發(fā)送或接收信息的硬件或軟件進(jìn)程； 協(xié)議是控制兩個(gè)對(duì)等實(shí)體進(jìn)行通信的規(guī)則的集合； 在協(xié)議的控制下，兩個(gè)對(duì)等實(shí)體間的通信使得本層能夠向上一層提供服務(wù)； 要實(shí)現(xiàn)本層協(xié)議，還需要使用下層所提供的服務(wù)； 本層的服務(wù)用戶只

16、能看見服務(wù)而無法看見下面的協(xié)議； 下面的協(xié)議對(duì)上面的服務(wù)用戶是透明的；,協(xié)議是“水平的”，即協(xié)議是控制對(duì)等實(shí)體之間通信的規(guī)則； 服務(wù)是“垂直的”，即服務(wù)是由下層向上層通過層間接口提供的； 同一系統(tǒng)相鄰兩層的實(shí)體進(jìn)行交互的地方，稱為服務(wù)訪問點(diǎn) SAP (Service Access Point)。,協(xié)議必須將各種不利的條件事先都估計(jì)到，而不能假定一切情況都是很理想和很順利的。 必須非常仔細(xì)地檢查所設(shè)計(jì)協(xié)議能否應(yīng)付所有的不利情況。 應(yīng)當(dāng)注意：事實(shí)上難免有極個(gè)別的不利情況在設(shè)計(jì)協(xié)議時(shí)并沒有預(yù)計(jì)到。在出現(xiàn)這種情況時(shí)，協(xié)議就會(huì)失敗。因此實(shí)際上協(xié)議往往只能應(yīng)付絕大多數(shù)的不利情況。 協(xié)議的例子：白軍、蘭軍問

17、題,3、OSI 與 TCP/IP體系結(jié)構(gòu)的比較,應(yīng)用層,傳輸層,網(wǎng)絡(luò)層,表示層,會(huì)話層,數(shù)據(jù)鏈路層,物理層,7 6 5 4 3 2 1,OSI 的體系結(jié)構(gòu),應(yīng)用層,網(wǎng)絡(luò)接口層,網(wǎng)際層 IP,(各種應(yīng)用層協(xié)議如 TELNET, FTP, SMTP 等),傳輸層(TCP 或 UDP),TCP/IP 的體系結(jié)構(gòu),無連接分組交付服務(wù),傳輸服務(wù) (可靠或不可靠),TCP/IP 的三個(gè)服務(wù)層次,TCP/IP 四層協(xié)議網(wǎng)絡(luò),應(yīng)用層 傳輸層 網(wǎng)際層 網(wǎng)絡(luò) 接口層,主機(jī)A,主機(jī)B,路由器,網(wǎng)絡(luò) 2,網(wǎng)絡(luò) 1,應(yīng)用層 傳輸層 網(wǎng)際層 網(wǎng)絡(luò) 接口層,網(wǎng)際層 網(wǎng)絡(luò) 接口層,4 3 2 1,沙漏計(jì)時(shí)器形狀的TCP/IP

18、協(xié)議族,HTTP,SMTP,DNS,RTP,TCP,UDP,IP,網(wǎng)際層,網(wǎng)絡(luò)接口層,傳輸層,應(yīng)用層,網(wǎng)絡(luò)接口 1,網(wǎng)絡(luò)接口 2,網(wǎng)絡(luò)接口 3,Everything over IP IP 可為各式各樣的應(yīng)用程序提供服務(wù),IP over Everything IP 可應(yīng)用到各式各樣的網(wǎng)絡(luò)上,4、 TCP/IP應(yīng)用層的客戶-服務(wù)器方式,在 TCP/IP 的應(yīng)用層協(xié)議使用的是 客戶-服務(wù)器方式 客戶(client)和服務(wù)器(server)都是指通信中所涉及的兩個(gè)應(yīng)用進(jìn)程； 客戶-服務(wù)器方式所描述的是進(jìn)程之間服務(wù)和被服務(wù)的關(guān)系，客戶是服務(wù)請(qǐng)求方，服務(wù)器是服務(wù)提供方； 計(jì)算機(jī)的進(jìn)程(process)就是

19、運(yùn)行著的計(jì)算機(jī)程序，為解決具體應(yīng)用問題而彼此通信的進(jìn)程稱為“應(yīng)用進(jìn)程”； 應(yīng)用層的具體內(nèi)容就是規(guī)定應(yīng)用進(jìn)程在通信時(shí)所遵循的協(xié)議。,客戶軟件的特點(diǎn) 在進(jìn)行通信時(shí)臨時(shí)成為客戶，同時(shí)可在本地進(jìn)行其他計(jì)算； 被用戶調(diào)用并在用戶計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，在打算通信時(shí)主動(dòng)向遠(yuǎn)地服務(wù)器發(fā)起通信； 可與多個(gè)服務(wù)器進(jìn)行通信； 不需要特殊的硬件和很復(fù)雜的操作系統(tǒng)； 服務(wù)器軟件的特點(diǎn) 專門用來提供某種服務(wù)的程序，可同時(shí)處理多個(gè)遠(yuǎn)地或本地客戶的請(qǐng)求； 在共享計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)即自動(dòng)調(diào)用并一直不斷地運(yùn)行著； 被動(dòng)等待并接受來自多個(gè)客戶的通信請(qǐng)求； 一般需要強(qiáng)大的硬件和高級(jí)的操作系統(tǒng)支持；,三、數(shù)據(jù)鏈路層,1、數(shù)據(jù)鏈路層的基

20、本概念 鏈路(link)： 一條無源的點(diǎn)到點(diǎn)的物理線路段，中間沒有任何其他的交換結(jié)點(diǎn)。是物理概念 數(shù)據(jù)鏈路(data link)： 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議+鏈路 ，是邏輯概念 數(shù)據(jù)鏈路層類似數(shù)字管道： 在兩個(gè)對(duì)等的數(shù)據(jù)鏈路層之間的連線稱為數(shù)字管道，其上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單位是幀。,數(shù)據(jù)鏈路層的模型,主機(jī)A,主機(jī)B,結(jié)點(diǎn)A,結(jié)點(diǎn),結(jié)點(diǎn)B,傳輸層協(xié)議,數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議,數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議,數(shù)據(jù)虛通路,數(shù)據(jù)虛通路,數(shù)據(jù)實(shí)通路,數(shù)據(jù)實(shí)通路,數(shù)據(jù)鏈路/邏輯鏈路 = （物理）鏈路 + 通信規(guī)程,數(shù)據(jù)鏈路層提供的數(shù)字信道,物理層提供的無源點(diǎn)到點(diǎn)物理線路段,數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議,數(shù)據(jù)鏈路層向網(wǎng)絡(luò)層提供的服務(wù), 基本服務(wù)： 將源結(jié)

21、點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)可靠地傳輸?shù)较噜彽?目的結(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)層 三種服務(wù)： 1. 無確認(rèn)的無連接服務(wù)：目的結(jié)點(diǎn)不作確認(rèn)，差錯(cuò)由上層負(fù)責(zé) 2. 有確認(rèn)的無連接服務(wù)：目的結(jié)點(diǎn)對(duì)收到的幀要作確認(rèn)，發(fā)送 結(jié)點(diǎn)可以知道已發(fā)出的幀是否安全到達(dá)目的結(jié)點(diǎn)；誤幀重傳 3. 面向連接服務(wù)：可靠地傳送數(shù)據(jù)的服務(wù)，即提供在網(wǎng)絡(luò)實(shí)體間 建立、維持和釋放數(shù)據(jù)鏈路的功能 服務(wù)原語： 連接建立階段： DL-CONNECT.request, DL-CONNECT.indication, DL-CONNECT.response, DL-CONNECT.confirm 維持階段： DL-DATA.request, DL-DATA.indica

22、tion 釋放階段： DL-DISCONNECT.request, DL-DISCONNECT.indication,2、數(shù)據(jù)鏈路層的主要功能 (1) 鏈路管理 (2) 幀定界 (3) 流量控制 (4) 差錯(cuò)控制 (5) 將數(shù)據(jù)和控制信息區(qū)分開 (6) 透明傳輸 所謂透明傳輸就是不管所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是什么樣的比特組合，都應(yīng)當(dāng)能夠在鏈路上傳送。當(dāng)所傳數(shù)據(jù)中的比特組合恰巧出現(xiàn)了與某一個(gè)控制信息完全一樣時(shí)，必須有可靠的措施，使收方不會(huì)將這種比特組合的數(shù)據(jù)誤認(rèn)為是某種控制信息。只要能做到這點(diǎn)，使數(shù)據(jù)鏈路層的傳輸就被稱為是透明的。 (7) 尋址,3、停止等待協(xié)議 完全理想化的數(shù)據(jù)傳輸所基于的兩個(gè)假定： 假定

23、 1： 鏈路是理想的傳輸信道，所傳送的任何數(shù)據(jù)既不會(huì)出差錯(cuò)也不會(huì)丟失。 假定 2： 不管發(fā)方以多快的速率發(fā)送數(shù)據(jù)，收方總是來得及收下，并及時(shí)上交主機(jī)。 這個(gè)假定就相當(dāng)于認(rèn)為：接收端向主機(jī)交付數(shù)據(jù)的速率永遠(yuǎn)不會(huì)低于發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)的速率。,（1）具有最簡(jiǎn)單流量控制的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議 保留第一個(gè)假定，即信道是無差錯(cuò)的理想信道； 去掉第二個(gè)假定，由收方控制發(fā)方的數(shù)據(jù)流，這是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中流量控制的一個(gè)基本方法。 發(fā)送方： 1) 從主機(jī)取一個(gè)數(shù)據(jù)幀； 2) 將數(shù)據(jù)幀送到數(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) 若收到由接收結(jié)點(diǎn)發(fā)過來的信息，則從主機(jī)取一個(gè)新的數(shù)據(jù)幀，然

24、后轉(zhuǎn)到(2)；,接收方： 1) 等待； 2) 若收到由發(fā)送結(jié)點(diǎn)發(fā)過來的數(shù)據(jù)幀，則將其放入數(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) 向發(fā)送結(jié)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)；,（2）實(shí)現(xiàn)可靠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)鏈路層協(xié)議 發(fā)送方：超時(shí)、錯(cuò)誤重傳 發(fā)送完一個(gè)數(shù)據(jù)幀時(shí)，就啟動(dòng)一個(gè)超時(shí)計(jì)時(shí)器； 若到了超時(shí)計(jì)時(shí)器所設(shè)置的重傳時(shí)間 tout而仍收不到確認(rèn)幀，或收到否認(rèn)幀（幀CRC檢驗(yàn)），則重傳前面所發(fā)送的數(shù)據(jù)幀。 一般重傳時(shí)間略大于“從發(fā)完數(shù)據(jù)幀到收到確認(rèn)幀所需的平均時(shí)間”。 接收方：解決重復(fù)幀問題 使每一個(gè)數(shù)據(jù)幀帶上不同的發(fā)送序號(hào)。每發(fā)送一個(gè)新的數(shù)據(jù)幀就把它的發(fā)送

25、序號(hào)加 1； 收到序號(hào)相同的數(shù)據(jù)幀，就表明出現(xiàn)了重復(fù)幀，應(yīng)丟棄； 但此時(shí) 還必須 發(fā)送確認(rèn)幀 ACK，因?yàn)榘l(fā)送方?jīng)]有收到上一次發(fā)過去的確認(rèn)幀 ACK。,幀的編號(hào)問題： 任何一個(gè)編號(hào)系統(tǒng)的序號(hào)所占用的比特?cái)?shù)一定是有限的。因此，經(jīng)過一段時(shí)間后，發(fā)送序號(hào)就會(huì)重復(fù)； 對(duì)于停止等待協(xié)議，由于每發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀就停止等待，因此用一個(gè)比特來對(duì)幀編號(hào)即可。 數(shù)據(jù)幀中的發(fā)送序號(hào) N(S) 以 0 和 1 交替的方式出現(xiàn)在數(shù)據(jù)幀中； 每發(fā)一個(gè)新的數(shù)據(jù)幀，發(fā)送序號(hào)就和上次發(fā)送的不一樣。用這樣的方法就可以使收方能夠區(qū)分開新的數(shù)據(jù)幀和重傳的數(shù)據(jù)幀了。,（3）停止等待協(xié)議算法 確認(rèn)幀帶有序號(hào)n。 按照習(xí)慣的表示法，ACKn

26、 表示“第n1號(hào)幀已經(jīng)收到，現(xiàn)在期望接收第 n 號(hào)幀”。 ACK1 表示“0 號(hào)幀已收到，現(xiàn)在期望接收的下一幀是 1 號(hào)幀”； ACK0 表示“1 號(hào)幀已收到，現(xiàn)在期望接收的下一幀是 0 號(hào)幀”。,發(fā)送方： (1) 從主機(jī)取一個(gè)數(shù)據(jù)幀(2) V(S)取0 發(fā)送狀態(tài)變量初始化 (3) 令N(S)等于V(S)； 將發(fā)送狀態(tài)變量的數(shù)值寫入發(fā)送序號(hào) 將數(shù)據(jù)幀送交發(fā)送緩沖區(qū)(4) 將發(fā)送緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)幀發(fā)送出去(5) 設(shè)置超時(shí)定時(shí)器 選擇適當(dāng)?shù)某瑫r(shí)時(shí)間t (6) 等待 等待以下三個(gè)事件中最先出現(xiàn)的一個(gè) (7) 若收到確認(rèn)幀ACK，則 從主機(jī)取一個(gè)新的數(shù)據(jù)幀；令V(S)等于1-V(S)； 更新發(fā)送狀態(tài)變量

27、,變?yōu)橄乱粋€(gè)序號(hào) 轉(zhuǎn)到（3）(8) 若接收到否認(rèn)幀NAK，則轉(zhuǎn)到（4） 重發(fā)數(shù)據(jù)幀 (9) 若超時(shí)定時(shí)器時(shí)間到，則轉(zhuǎn)到（4） 重發(fā)數(shù)據(jù)幀,接收方： (1) V(R)取0 接收狀態(tài)變量初始化，其數(shù)值等于欲接收的數(shù)據(jù)幀的發(fā)序號(hào) (2) 等待(3) 當(dāng)收到一個(gè)數(shù)據(jù)幀，就檢查有無傳輸差錯(cuò)產(chǎn)生（如用CRC）。若檢查結(jié)果正確無誤，則執(zhí)行后續(xù)算法；否則轉(zhuǎn)到(8)(4) 若N(S)等于V(R),則執(zhí)行后續(xù)算法； 否則轉(zhuǎn)到(7)(5) 將收到的數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)部分送交主機(jī)(6) 令V(R)等于1-V(R) 更新接收狀態(tài)變量，準(zhǔn)備接收下一個(gè) 數(shù)據(jù)幀 (7) 發(fā)送確認(rèn)幀ACK，并轉(zhuǎn)到（2）(8) 發(fā)送否認(rèn)幀NAK，并

28、轉(zhuǎn)到（2）,要點(diǎn)： 發(fā)送方只有收到序號(hào)正確的確認(rèn)幀 ACKn 后，才更新發(fā)送狀態(tài)變量 V(S)一次，并發(fā)送新的數(shù)據(jù)幀。 接收方接收到數(shù)據(jù)幀時(shí)，就要將發(fā)送序號(hào) N(S) 與本地的接收狀態(tài)變量 V(R) 相比較。 若二者相等就表明是新的數(shù)據(jù)幀，就收下，并發(fā)送確認(rèn)； 否則為重復(fù)幀，就必須丟棄。但這時(shí)仍須向發(fā)送端發(fā)送確認(rèn)幀 ACKn，而接收狀態(tài)變量 V(R) 和確認(rèn)序號(hào) n 都不變； 連續(xù)出現(xiàn)相同發(fā)送序號(hào)的數(shù)據(jù)幀，表明發(fā)送端進(jìn)行了超時(shí)重傳。連續(xù)出現(xiàn)相同序號(hào)的確認(rèn)幀，表明接收端收到了重復(fù)幀。 發(fā)送端在發(fā)送完數(shù)據(jù)幀時(shí)，必須在其發(fā)送緩存中暫時(shí)保留這個(gè)數(shù)據(jù)幀的副本。這樣才能在出差錯(cuò)時(shí)進(jìn)行重傳。只有確認(rèn)對(duì)方已經(jīng)

29、收到這個(gè)數(shù)據(jù)幀時(shí)，才可以清除這個(gè)副本。 實(shí)用的 CRC 檢驗(yàn)器由硬件完成；CRC 檢驗(yàn)器能夠自動(dòng)丟棄檢測(cè)到的出錯(cuò)幀。因此所謂的“丟棄出錯(cuò)幀”，對(duì)上層軟件或用戶來說都是透明的。 發(fā)送端對(duì)出錯(cuò)的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行重傳是自動(dòng)進(jìn)行的，因而這種差錯(cuò)控制體制常簡(jiǎn)稱為 ARQ (Automatic Repeat reQuest)，直譯是自動(dòng)重發(fā)請(qǐng)求，但意思是自動(dòng)請(qǐng)求重發(fā)。,（4）停止等待協(xié)議的定量分析 設(shè) tf 是一個(gè)數(shù)據(jù)幀的發(fā)送時(shí)間，且數(shù)據(jù)幀的長度是固定不變的。顯然，數(shù)據(jù)幀的發(fā)送時(shí)間 tf 是數(shù)據(jù)幀的長度 lf (bit)與數(shù)據(jù)的發(fā)送速率 C (bit/s)之比，即 tf = lf /C = lf /C (s)

30、發(fā)送時(shí)間 tf 也就是數(shù)據(jù)幀的發(fā)送時(shí)延； 數(shù)據(jù)幀沿鏈路傳到結(jié)點(diǎn)B還要經(jīng)歷一個(gè)傳播時(shí)延 tp； 接收方 收到數(shù)據(jù)幀要花費(fèi)時(shí)間進(jìn)行處理，稱為處理時(shí)間 tpr； 發(fā)送確認(rèn)幀 ACK 的發(fā)送時(shí)間為 ta。,A,B,DATA,DATA,ACK,傳播時(shí)延 tp,處理時(shí)間 tpr,確認(rèn)幀發(fā)送時(shí)間 ta,傳播時(shí)延 tp,處理時(shí)間 tpr,時(shí)間,兩個(gè)成功發(fā)送的 數(shù)據(jù)幀之間的 最小時(shí)間間隔,數(shù)據(jù)幀的 發(fā)送時(shí)間,tf,設(shè)置的 重傳時(shí)間,tout,重傳時(shí)間的設(shè)定,重傳時(shí)間的作用是：數(shù)據(jù)幀發(fā)送完畢后若經(jīng)過了這樣長的時(shí)間還沒有收到確認(rèn)幀，就重傳這個(gè)數(shù)據(jù)幀。 為方便起見，設(shè)重傳時(shí)間為 tout = tp + tpr+ ta

31、 + tp + tpr 設(shè)上式右端的處理時(shí)間 tpr 和確認(rèn)幀的發(fā)送時(shí)間 ta 都遠(yuǎn)小于傳播時(shí)延 tp，因此可將重傳時(shí)間取為兩倍的傳播時(shí)延，即 tout = 2tp,兩個(gè)發(fā)送成功的數(shù)據(jù)幀之間的最小時(shí)間間隔是 tT = tf + tout = tf + 2tp 設(shè)數(shù)據(jù)幀出現(xiàn)差錯(cuò)(包括幀丟失)的概率為 p，但假設(shè)確認(rèn)幀不會(huì)出現(xiàn)差錯(cuò)。 設(shè)正確傳送一個(gè)數(shù)據(jù)幀所需的平均時(shí)間 tav tav = tT ( 1 + 一個(gè)幀的平均重傳次數(shù)) 一幀的平均重傳次數(shù) = 1 P重傳次數(shù)為 1 + 2 P重傳次數(shù)為 2 + 3 P重傳次數(shù)為 3 + = 1 P第 1 次發(fā)送出錯(cuò) P第 2 次發(fā)送成功 + 2 P第 1

32、, 2 次發(fā)送出錯(cuò) P第 3 次發(fā)送成功 + 3 P第 1, 2, 3 次發(fā)送出錯(cuò) P第 4 次發(fā)送成功 + = p(1 p) + 2p2(1 p) + 3p3(1 p) + 這里 PX 是出現(xiàn)事件 X 的概率。,得出正確傳送一個(gè)數(shù)據(jù)幀所需的平均時(shí)間： tav=tT+(1-p)iipitT=tT/(1-p) 當(dāng)傳輸差錯(cuò)率增大時(shí)，tav 也隨之增大。當(dāng)無差錯(cuò)時(shí)，p = 0, tav = tT； 每秒成功發(fā)送的最大幀數(shù)就是鏈路的最大吞吐量 max，顯然， max = 1/tav = (1 p) / tT,（5）停止等待協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單 ； 缺點(diǎn)：通信信道的利用率不高，也就是說，信道還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒

33、有被數(shù)據(jù)比特填滿； 為了克服這一缺點(diǎn)，就產(chǎn)生了另外兩種協(xié)議，即連續(xù) ARQ 和選擇重傳 ARQ；,4、連續(xù)ARQ協(xié)議 （1） 工作原理 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，而是連續(xù)再發(fā)送若干個(gè)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； 由于減少了等待時(shí)間，整個(gè)通信的吞吐量就提高了；,ACK1 確認(rèn) DATA0,ACK2 確認(rèn) DATA1,DATA2 出錯(cuò)，丟棄,DATA3 不按序，丟棄，重傳 ACK2,DATA4 不按序，丟棄，重傳 ACK2,DATA5 不按序，丟棄，重傳 ACK2,ACK3 確認(rèn) DATA2,ACK4 確認(rèn) DATA3,超 時(shí) 重 傳 時(shí)

34、 間,A,B,tout,送交主機(jī),送交主機(jī),?,（2）要點(diǎn) 接收端只按序接收數(shù)據(jù)幀：如：在有差錯(cuò)的 2號(hào)幀之后收到正確的 3 個(gè)數(shù)據(jù)幀，接收端也將這些幀丟棄，并重復(fù)發(fā)送已發(fā)送過的最后一個(gè)確認(rèn)幀（防止確認(rèn)幀丟失）。 ACK1 表示確認(rèn) 0 號(hào)幀 DATA0，并期望收到 1 號(hào)幀；ACK2 表示確認(rèn) 1 號(hào)幀 DATA1，并期望收到 2 號(hào)幀，等等； 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)置該幀的超時(shí)計(jì)時(shí)器， 在超時(shí)時(shí)間內(nèi)收到確認(rèn)幀，將超時(shí)計(jì)時(shí)器清零； 若在超時(shí)時(shí)間內(nèi)未收到確認(rèn)幀，就要重傳相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀（仍需重新設(shè)置超時(shí)計(jì)時(shí)器）。 例如：在等不到 2 號(hào)幀的確認(rèn)而重傳 2 號(hào)數(shù)據(jù)幀時(shí)，雖然已經(jīng)發(fā)完了

35、 5 號(hào)幀，但仍將 2號(hào)幀及其以后的各幀全部進(jìn)行重傳。連續(xù) ARQ 又稱為Go-back-N ARQ，意思是當(dāng)出現(xiàn)差錯(cuò)必須重傳時(shí)，要回走 N 個(gè)幀，然后再開始重傳。,（3）滑動(dòng)窗口 發(fā)送端和接收端分別設(shè)定發(fā)送窗口和接收窗口 。 發(fā)送窗口用來對(duì)發(fā)送端進(jìn)行流量控制。 發(fā)送窗口的大小 WT 代表在還沒有收到對(duì)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。,接收端設(shè)置接收窗口 為了控制哪些數(shù)據(jù)幀可以接收而哪些幀不可以接收，在接收端只有當(dāng)收到的數(shù)據(jù)幀的發(fā)送序號(hào)落入接收窗口內(nèi)才允許將該數(shù)據(jù)幀收下； 若接收到的數(shù)據(jù)幀落在接收窗口之外，則一律將其丟棄； 在連續(xù) ARQ 協(xié)議中，接收窗口的大小 WR = 1

36、。 只有當(dāng)收到的幀的序號(hào)與接收窗口一致時(shí)才能接收該幀。否則，就丟棄它。 每收到一個(gè)序號(hào)正確的幀，接收窗口就向前（即向右方）滑動(dòng)一個(gè)幀的位置。同時(shí)發(fā)送對(duì)該幀的確認(rèn)。,不允許接收這些幀,0,1,2,3,4,5,6,7,0,1,2,WR,準(zhǔn)備接收 0 號(hào)幀,(a),滑動(dòng)窗口的重要特性 只有在接收窗口向前滑動(dòng)時(shí)（與此同時(shí)也發(fā)送了確認(rèn)），發(fā)送窗口才有可能向前滑動(dòng)； 收發(fā)兩端的窗口按照以上規(guī)律不斷地向前滑動(dòng)，因此這種協(xié)議又稱為滑動(dòng)窗口協(xié)議； 當(dāng)發(fā)送窗口和接收窗口的大小都等于 1時(shí)，就是停止等待協(xié)議； 當(dāng)用 n 個(gè)比特進(jìn)行編號(hào)時(shí)，若接收窗口的大小為 1，則只有在發(fā)送窗口的大小 WT 2n 1時(shí)，連續(xù) ARQ

37、 協(xié)議才能正確運(yùn)行。例如，當(dāng)采用 3 bit 編碼時(shí)，發(fā)送窗口的最大值是 7 而不是 8。,信道利用率,由于每個(gè)數(shù)據(jù)幀都必須包括一定的控制信息(如幀的序號(hào)、地址、同步信息以及其他的一些控制信息)，所以即使連續(xù)不停地發(fā)送數(shù)據(jù)幀，信道利用率(即扣除全部的控制信息后的數(shù)據(jù)率與信道容量之比)也不可能達(dá)到 100 %； 當(dāng)出現(xiàn)差錯(cuò)時(shí)(這是不可避免的)，數(shù)據(jù)幀的不斷重傳將進(jìn)一步使信道利用率降低； 若數(shù)據(jù)幀的幀長取得很短，那么控制信息在每一幀中所占的比例就增大，因而額外開銷增大，這就導(dǎo)致信道利用率的下降； 若幀長取得太長，則數(shù)據(jù)幀在傳輸過程中出錯(cuò)的概率就增大，重傳次數(shù)將增大，也會(huì)使信道利用率下降； 由此可見

38、，存在一個(gè)最佳幀長，在此幀長下信道的利用率最高。,5、選擇重傳 ARQ 協(xié)議 為了進(jìn)一步提高信道的利用率，可以設(shè)法只重傳出現(xiàn)差錯(cuò)的數(shù)據(jù)幀或者是定時(shí)器超時(shí)的數(shù)據(jù)幀。此時(shí)必須加大接收窗口，以便先收下發(fā)送序號(hào)不連續(xù)但仍處在接收窗口中的那些數(shù)據(jù)幀。等到所缺序號(hào)的數(shù)據(jù)幀收到之后再一并送交主機(jī)。這就是選擇重傳ARQ協(xié)議 選擇重傳 ARQ 協(xié)議可避免重復(fù)傳送那些本來已經(jīng)正確到達(dá)接收端的數(shù)據(jù)幀； 但我們付出的代價(jià)是在接收端要設(shè)置具有相當(dāng)容量的緩存空間； 對(duì)于選擇重傳 ARQ 協(xié)議，若用 n 比特進(jìn)行編號(hào)，則接收窗口的最大值受下式的約束 WR 2n/2,6、 面向比特的鏈路控制協(xié)議 HDLC,HDLC產(chǎn)生的背景

39、：1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。2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。,（1）HDLC 協(xié)議概述,1974年，IBM 公司推出了面向比特的規(guī)程SDLC (Synchronous Data Link Control)。 隨后， ISO 把 SDLC 修改后稱為 HDLC (High-level Data Link Control)，譯為高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制，作為國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 3309。 CCITT 則將 HDLC 再修改后稱為鏈路接入規(guī)程

40、LAP (Link Access Procedure)。不久，HDLC 的新版本又把 LAP 修改為 LAPB，“B”表示平衡型(Balanced)，所以 LAPB 叫做鏈路接入規(guī)程(平衡型)。,站的類型 （1）主站（Primary Station）：指負(fù)責(zé)控制鏈路運(yùn)行的站。它發(fā)出命令幀，接收響應(yīng)幀。 （2）次站（Secondary Station）：在主站控制下運(yùn)行，配合主站參與控制的站。它接收主站發(fā)來的命令幀，向主站發(fā)回響應(yīng)幀。 （3）復(fù)合站（Combined Station）：兼有主站與次站的功能。可以發(fā)出命令幀，也可以接收命令幀；既可接收響應(yīng)幀又可以發(fā)出響應(yīng)幀，對(duì)鏈路實(shí)行控制。,鏈路的

41、結(jié)構(gòu) HDLC有三種鏈路結(jié)構(gòu)形式： （a）為非平衡配置的點(diǎn)-點(diǎn)式鏈路結(jié)構(gòu)； （b）為非平衡配置的點(diǎn)-多點(diǎn)式結(jié)構(gòu)，一個(gè)主站，多個(gè)次站； （c）為平衡配置點(diǎn)-點(diǎn)式結(jié)構(gòu)，兩端都是復(fù)合站，左右平衡。,主站,次站,命令,響應(yīng),（a）,命令,響應(yīng),（b）,復(fù)合站,命令,響應(yīng),（c）,主站,次站,次站,復(fù)合站,（2） HDLC 的幀結(jié)構(gòu),1）標(biāo)志字段 F (Flag) ： 6 個(gè)連續(xù) 1 加上兩邊各一個(gè) 0 共 8 bit。在接收端只要找到標(biāo)志字段就可確定一個(gè)幀的位置。,比特,8,8,8,可變,16,8,信息 Info,標(biāo)志 F,標(biāo)志 F,地址 A,控制 C,幀檢驗(yàn)序列 FCS,透明傳輸區(qū)間,FCS 檢驗(yàn)區(qū)

42、間,零比特填充法,HDLC 采用零比特填充法使一幀中兩個(gè) F 字段之間不會(huì)出現(xiàn) 6 個(gè)連續(xù) 1。 在發(fā)送端，當(dāng)一串比特流數(shù)據(jù)中有 5 個(gè)連續(xù) 1 時(shí)，就立即填入一個(gè) 0。 在接收幀時(shí)，先找到 F 字段以確定幀的邊界。接著再對(duì)比特流進(jìn)行掃描。每當(dāng)發(fā)現(xiàn) 5 個(gè)連續(xù) 1 時(shí)，就將其后的一個(gè) 0 刪除，以還原成原來的比特流。,數(shù)據(jù)中某一段比特組合恰好 出現(xiàn)和 F 字段一樣的情況,0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 0,會(huì)被誤認(rèn)為是 F 字段,透明傳輸,采用零比特填充法就可傳送任意組合的比特流，或者說，就可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層的透明傳輸。 當(dāng)連續(xù)傳輸兩個(gè)幀時(shí)，前一個(gè)幀的結(jié)束標(biāo)志字段

43、 F 可以兼作后一幀的起始標(biāo)志字段。 當(dāng)暫時(shí)沒有信息傳送時(shí)，可以連續(xù)發(fā)送標(biāo)志字段，使收端可以一直和發(fā)端保持同步。,2） 地址段（A） 對(duì)于命令幀，（A）段應(yīng)當(dāng)填寫接收該命令幀的次站或者復(fù)合站的地址； 對(duì)于響應(yīng)幀，（A）段應(yīng)當(dāng)填寫發(fā)送該響應(yīng)幀的次站或者復(fù)合站地址； 當(dāng)多個(gè)次站共用同一地址標(biāo)識(shí)，這同一地址被稱為組地址； 若主站發(fā)出幀的（A）段填寫了全1，則稱為廣播地址，主站用廣播地址發(fā)送的幀將被鏈路上所有的次站接收。 HDLC協(xié)議規(guī)定還可以使用擴(kuò)展地址：當(dāng)一個(gè)8位地址的最低位為1時(shí)，表示整個(gè)地址段結(jié)束，當(dāng)8位地址的最低位為0時(shí)，表示地址段未完待續(xù)。 3）控制段（C）：是各段中最復(fù)雜的一段。HDLC

44、協(xié)議的命令、響應(yīng)及其它重要功能都是依靠（C）控制段實(shí)現(xiàn)的。通常（C）段為8位，在需要時(shí)可擴(kuò)展為16位。,4 ）信息段（I）：僅在信息幀及某些無編號(hào)幀出現(xiàn)。該段可包含任意長度的比特序列，HDLC協(xié)議未對(duì)長度作規(guī)定，但一般某種具體實(shí)現(xiàn)都會(huì)把長度限定在一個(gè)最大值之下。（I）段位數(shù)必須為8位的整數(shù)倍。 5 ）幀校驗(yàn)序列（FCS）：為幀提供了除首尾標(biāo)志之外的全幀比特的CRC-16校驗(yàn)。生成多項(xiàng)式為 G（x）=x16+x12+x5+1 在幀長度很長，對(duì)可靠性要求較高的場(chǎng)合，應(yīng)選用CRC-32檢驗(yàn)碼。,（3） HDLC 的幀結(jié)構(gòu) 1）幀的分類,2）信息幀：當(dāng)控制段（C）b1位為0時(shí)，對(duì)應(yīng)的幀為信息幀 信息段

45、（I）中放著用戶數(shù)據(jù) 控制段N（S）（b2b3b4）表示該信息幀的序號(hào) N（R）（b6b7b8）表示期待接收的下一幀的序號(hào)?？刂贫卧O(shè)置N（R），使得信息幀可兼作對(duì)所接收數(shù)據(jù)的響應(yīng)，有利于全雙工通信 信息幀控制段P/F（b5）位稱為探詢/結(jié)束位。在正常響應(yīng)方式，主站發(fā)出命令幀中若P=1，則表示主站用探詢命令要求次站發(fā)送數(shù)據(jù)，次站則用信息幀作為響應(yīng)幀，當(dāng)信息幀有好幾個(gè)時(shí)，前面幾個(gè)的F=0，而最后一個(gè)響應(yīng)幀的F=1以表示幀結(jié)束。,3）監(jiān)督幀（S幀）：當(dāng)控制段（C）b1b2=10時(shí)，其對(duì)應(yīng)的幀稱為監(jiān)督幀 監(jiān)督幀沒有信息段（I），只用來進(jìn)行流控制及差錯(cuò)控制； 監(jiān)督幀共有4種，由S= b3b4位的取值決定

46、：,監(jiān)督幀也可以作為命令幀使用，這時(shí)要由P/F位配合 RR幀（REJ，SREJ）的P/F位置1，表示主站探詢次站，允許次站發(fā)送數(shù)據(jù)； 主站（復(fù)合站）可以用RNR幀令P/F=1來要求次站（復(fù)合站）處于接收狀態(tài)。如果該站可以接收信息幀，則用RR幀P/F=1作為響應(yīng)；如果該站很忙，無法接收信息幀，則用RNR幀的P/F=1響應(yīng)。,4）無編號(hào)幀（U幀）：b1b2=11，對(duì)應(yīng)的幀稱為無編號(hào)幀。無編號(hào)幀的控制段（C）中不帶N（S），N（R）這樣的編號(hào)。U幀中M=b3b4b6b7b8，不同取值可得到32種幀，其中20種已經(jīng)作了定義，可以分為以下四類： 模式設(shè)定命令與響應(yīng) 信息傳送命令與響應(yīng) 恢復(fù)命令與響應(yīng) 其

47、它命令與響應(yīng),7、 因特網(wǎng)中的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議 PPP（1）PPP 協(xié)議的工作原理,現(xiàn)在全世界使用得最多的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議 PPP (Point-to-Point Protocol)。 用戶使用撥號(hào)電話線接入因特網(wǎng)時(shí)，一般都是使用 PPP 協(xié)議。,用戶撥號(hào)入網(wǎng)的示意圖,路由器,調(diào)制解調(diào)器,調(diào)制解調(diào)器,因特網(wǎng)服務(wù)提供者(ISP),用戶家庭,撥號(hào)電話線,使用 TCP/IP 的 PPP 連接,路由選擇 進(jìn)程,至 因 特 網(wǎng),PC 機(jī),1992 年制訂了 PPP 協(xié)議。經(jīng)過 1993 年和 1994 年的修訂，現(xiàn)在的 PPP 協(xié)議已成為因特網(wǎng)的正式標(biāo)準(zhǔn)RFC 1661。 PPP協(xié)議

48、有三個(gè)組成部分 類似HDLC成幀，一個(gè)將 IP 數(shù)據(jù)報(bào)封裝到串行鏈路的方法。 鏈路控制協(xié)議 LCP (Link Control Protocol)。 網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議 NCP (Network Control Protocol)。,PPP 的幀格式和 HDLC 的相似。 標(biāo)志字段 F 仍為 0 x7E （符號(hào)“0 x”表示后面的字符是用十六進(jìn)制表示。十六進(jìn)制的 7E 的二進(jìn)制表示是 01111110）。 地址字段 A 只置為 0 xFF。地址字段實(shí)際上并不起作用。 控制字段 C 通常置為 0 x03。 PPP 是面向字節(jié)的，所有的 PPP 幀的長度都是整數(shù)字節(jié)。,（2）PPP 協(xié)議的幀格式,PPP

49、 協(xié)議的幀格式,PPP 有一個(gè) 2 個(gè)字節(jié)的協(xié)議字段。 當(dāng)協(xié)議字段為 0 x0021 時(shí)，PPP 幀的信息字段就是IP 數(shù)據(jù)報(bào)。 若為 0 xC021, 則信息字段是 PPP 鏈路控制數(shù)據(jù)。 若為 0 x8021，則表示這是網(wǎng)絡(luò)控制數(shù)據(jù)。,IP 數(shù)據(jù)報(bào),1,2,1,1,字節(jié),1,2,不超過 1500 字節(jié),PPP 幀,先發(fā)送,7E,FF,03,F,A,C,FCS,F,7E,協(xié)議,信 息 部 分,首部,尾部,當(dāng) PPP 用在同步傳輸鏈路時(shí)，協(xié)議規(guī)定采用硬件來完成比特填充（和 HDLC 的做法一樣）。 當(dāng) PPP 用在異步傳輸時(shí)，就使用一種特殊的字符填充法： 將信息字段中出現(xiàn)的每一個(gè) 0 x7E

50、字節(jié)轉(zhuǎn)變成為 2 字節(jié)序列(0 x7D, 0 x5E)。 若信息字段中出現(xiàn)一個(gè) 0 x7D 的字節(jié), 則將其轉(zhuǎn)變成為 2 字節(jié)序列(0 x7D, 0 x5D)。 若信息字段中出現(xiàn) ASCII 碼的控制字符（即數(shù)值小于 0 x20 的字符），則在該字符前面要加入一個(gè) 0 x7D 字節(jié)，同時(shí)將該字符的編碼加以改變。,（3）透明傳輸問題,PPP 協(xié)議之所以不使用序號(hào)和確認(rèn)機(jī)制是出于以下的考慮： 在數(shù)據(jù)鏈路層出現(xiàn)差錯(cuò)的概率不大時(shí)，使用比較簡(jiǎn)單的 PPP 協(xié)議較為合理。 在因特網(wǎng)環(huán)境下，PPP 的信息字段放入的數(shù)據(jù)是 IP 數(shù)據(jù)報(bào)。數(shù)據(jù)鏈路層的可靠傳輸并不能夠保證網(wǎng)絡(luò)層的傳輸也是可靠的。 幀檢驗(yàn)序列 F

51、CS 字段可保證無差錯(cuò)接受。,（4）不提供使用序號(hào)和確認(rèn)的可靠傳輸機(jī)制,當(dāng)用戶撥號(hào)接入 ISP 時(shí)，路由器的調(diào)制解調(diào)器對(duì)撥號(hào)做出確認(rèn)，并建立一條物理連接。 PC 機(jī)向路由器發(fā)送一系列的 LCP 分組（封裝成多個(gè) PPP 幀）。 這些分組及其響應(yīng)選擇一些 PPP 參數(shù)，和進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)層配置，NCP 給新接入的 PC機(jī)分配一個(gè)臨時(shí)的 IP 地址，使 PC 機(jī)成為因特網(wǎng)上的一個(gè)主機(jī)。 通信完畢時(shí)，NCP 釋放網(wǎng)絡(luò)層連接，收回原來分配出去的 IP 地址。接著，LCP 釋放數(shù)據(jù)鏈路層連接。最后釋放的是物理層的連接。,（5）PPP 協(xié)議的工作狀態(tài),PPP 協(xié)議的狀態(tài)圖,建立,失敗,失敗,NCP 配置,鑒別成功

52、,通信 結(jié)束,載波 停止,檢測(cè)到 載波,雙方協(xié)商 一些選項(xiàng),鑒別,網(wǎng)絡(luò),打開,終止,靜止,四、網(wǎng)絡(luò)層,網(wǎng)絡(luò)層的功能主要包括： 實(shí)現(xiàn)報(bào)文與報(bào)文分組的交換 支持不同網(wǎng)絡(luò)的互連并向傳輸層提供透明的數(shù)據(jù)傳輸 在一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，兩個(gè)要通信的端點(diǎn)間有多種可能的連結(jié)，網(wǎng)絡(luò)層通過路徑選擇找到合適的網(wǎng)絡(luò)連結(jié)，并采用虛電路或數(shù)據(jù)報(bào)方式實(shí)現(xiàn)報(bào)文分組的傳送。,1、路由器在網(wǎng)際互連中的作用,（1） 路由器的構(gòu)成 當(dāng)主機(jī) A 要向另一個(gè)主機(jī) B 發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)，先要檢查目的主機(jī) B 是否與源主機(jī) A 連接在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上。 如果是，就將數(shù)據(jù)報(bào)直接交付給目的主機(jī) B 而不需要通過路由器。 但如果目的主機(jī)與源主機(jī) A 不是連接

53、在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上，則應(yīng)將數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送給本網(wǎng)絡(luò)上的某個(gè)路由器，由該路由器按照轉(zhuǎn)發(fā)表指出的路由將數(shù)據(jù)報(bào)轉(zhuǎn)發(fā)給下一個(gè)路由器。這就叫作間接交付。,直接交付和間接交付,間接交付,間接交付,間接交付,A,B,C,直接交付,直接交付,直接交付不需要使用路由器 但間接交付就必須使用路由器,典型的路由器的結(jié)構(gòu),路由 選擇,路由選擇處理機(jī),路由選擇協(xié)議,路由表,3,輸入端口,3,交換結(jié)構(gòu),輸入端口,輸出端口,分組 轉(zhuǎn)發(fā),轉(zhuǎn)發(fā)表,分組處理,輸出端口,1,1,1,3,3,1,2,2,2,2,3網(wǎng)絡(luò)層 2數(shù)據(jù)鏈路層 1物理層,“轉(zhuǎn)發(fā)”和“路由選擇”的區(qū)別,“轉(zhuǎn)發(fā)”(forwarding)就是路由器根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)表將用戶的 IP

54、數(shù)據(jù)報(bào)從合適的端口轉(zhuǎn)發(fā)出去。 “路由選擇”(routing)則是按照分布式算法，根據(jù)從各相鄰路由器得到的關(guān)于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓闆r，動(dòng)態(tài)地改變所選擇的路由。 路由表是根據(jù)路由選擇算法得出的。而轉(zhuǎn)發(fā)表是從路由表得出的。 在討論路由選擇的原理時(shí)，往往不去區(qū)分轉(zhuǎn)發(fā)表和路由表的區(qū)別，,輸入端口對(duì)線路上收到的分組的處理,數(shù)據(jù)鏈路層剝?nèi)撞亢臀膊亢螅瑢⒎纸M送到網(wǎng)絡(luò)層的隊(duì)列中排隊(duì)等待處理。這會(huì)產(chǎn)生一定的時(shí)延。,物理層處理,數(shù)據(jù)鏈路層 處理,網(wǎng)絡(luò)層處理 分組排隊(duì),交 換 結(jié) 構(gòu),輸入端口的處理,從 線 路 接 收 分 組,查表和轉(zhuǎn)發(fā),輸出端口將交換結(jié)構(gòu)傳送來的分組發(fā)送到線路,把交換結(jié)構(gòu)傳送過來的分組先進(jìn)行緩存。

55、數(shù)據(jù)鏈路層處理模塊將分組加上鏈路層的首部和尾部，交給物理層后發(fā)送到外部線路。,物理層處理,數(shù)據(jù)鏈路層 處理,網(wǎng)絡(luò)層處理 分組排隊(duì),輸出端口的處理,向 線 路 發(fā) 送 分 組,緩存管理,交 換 結(jié) 構(gòu),分組丟棄,若路由器處理分組的速率趕不上分組進(jìn)入隊(duì)列的速率，則隊(duì)列的存儲(chǔ)空間最終必定減少到零，這就使后面再進(jìn)入隊(duì)列的分組由于沒有存儲(chǔ)空間而只能被丟棄。 路由器中的輸入或輸出隊(duì)列產(chǎn)生溢出是造成分組丟失的重要原因。,（2）交換結(jié)構(gòu),I1,I3,I2,I1,I3,I2,O1,O3,(a) 通過存儲(chǔ)器,(c) 通過互連網(wǎng)絡(luò),(b) 通過總線,互連網(wǎng)絡(luò),（2）交換結(jié)構(gòu),互連在一起的網(wǎng)絡(luò)要進(jìn)行通信，會(huì)遇到許多問

56、題需要解決，如： 不同的尋址方案 不同的最大分組長度 不同的網(wǎng)絡(luò)接入機(jī)制 不同的超時(shí)控制 不同的差錯(cuò)恢復(fù)方法 不同的狀態(tài)報(bào)告方法 不同的路由選擇技術(shù) 不同的用戶接入控制 不同的服務(wù)（面向連接服務(wù)和無連接服務(wù)） 不同的管理與控制方式,中間設(shè)備又稱為中間系統(tǒng)或中繼(relay)系統(tǒng)。 物理層中繼系統(tǒng)：轉(zhuǎn)發(fā)器(repeater)。 數(shù)據(jù)鏈路層中繼系統(tǒng)：網(wǎng)橋或橋接器(bridge)。 網(wǎng)絡(luò)層中繼系統(tǒng)：路由器(router)。 網(wǎng)橋和路由器的混合物：橋路器(brouter)。 網(wǎng)絡(luò)層以上的中繼系統(tǒng)：網(wǎng)關(guān)(gateway)。,網(wǎng)絡(luò)互相連接起來要使用一些中間設(shè)備,當(dāng)中繼系統(tǒng)是轉(zhuǎn)發(fā)器或網(wǎng)橋時(shí)，一般并不稱之為網(wǎng)絡(luò)互連，因?yàn)檫@僅僅是把一個(gè)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)大了，而這仍然是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。 網(wǎng)關(guān)由于比較復(fù)雜，目前使用得較少。 互聯(lián)網(wǎng)都是指用路由器進(jìn)行互連的網(wǎng)絡(luò)。 由于歷史的原因，許多有關(guān) TCP/IP 的文獻(xiàn)將網(wǎng)絡(luò)層使用的路由器稱為網(wǎng)關(guān)。為區(qū)別起見，稱做IP網(wǎng)關(guān)。,網(wǎng)絡(luò)互連使用路由器,互連網(wǎng)絡(luò)與虛擬互連網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò),(a) 互連網(wǎng)絡(luò),(b) 虛擬互連網(wǎng)絡(luò),路由器,虛擬互連網(wǎng)絡(luò) （IP 網(wǎng)）,虛擬互連網(wǎng)絡(luò)的意義,所謂虛擬互連網(wǎng)絡(luò)也就是邏輯互連網(wǎng)絡(luò)，它的意思就是互連起來的各種物理網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性本來是客觀存在的，但是我們利用 IP 協(xié)議就可以使