第四章 數(shù)據(jù)鏈路層

1、第四章 數(shù)據(jù)鏈路層 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理 ,自考,計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)(獨(dú)立本科段)課程代碼4741 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理 ,自考,計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)(獨(dú)立本科段)課程代碼4741 第四章 數(shù)據(jù)鏈路層一、學(xué)習(xí)目的與要求了解：面對(duì)字符型數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議實(shí)例-bsc 理解：數(shù)據(jù)鏈路層的基本概念 數(shù)據(jù)鏈路層的幀同步、差錯(cuò)掌握、流量掌握的功能 流量掌握的基本概念和基本協(xié)議 數(shù)據(jù)傳輸過程中差錯(cuò)山生的緣由與性質(zhì) 線路、鏈路、數(shù)據(jù)鏈路的概念 誤碼率的定義與差錯(cuò)掌握的方法 基本數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議 internet中的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議 把握：面對(duì)比特型數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議實(shí)例-hdlc 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理 ,自考,計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)(獨(dú)立本

2、科段)課程代碼4741 二、學(xué)習(xí)重點(diǎn)以及難點(diǎn)學(xué)習(xí)重點(diǎn)： 1、數(shù)據(jù)鏈路層的幀同步、差錯(cuò)掌握、流量掌握的功能 2、流量掌握的基本概念和基本協(xié)議 3、數(shù)據(jù)傳輸過程中差錯(cuò)產(chǎn)生的緣由與性質(zhì) 4、誤碼率的定義與差錯(cuò)掌握的方法 5、基本數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議 6、internet中的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議 學(xué)習(xí)難點(diǎn)： 1、面對(duì)字符型數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議實(shí)例-bsc 2、面對(duì)比特型數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議實(shí)例-hdlc 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理 ,自考,計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)(獨(dú)立本科段)課程代碼4741 三、教學(xué)方法和教具教學(xué)方法： 1、采納“問題牽引”的教學(xué)方法，在課堂上注意講、 學(xué)、做相結(jié)合，注意以同學(xué)為主體，與同學(xué)加 強(qiáng)互 動(dòng)，充分調(diào)動(dòng)同學(xué)的樂觀性，提

3、高同學(xué)的自學(xué)力量 2、加強(qiáng)實(shí)踐動(dòng)手力量培育，注意實(shí)踐、強(qiáng)化技能。 教 具： 黑板和投影儀 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理 ,自考,計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)(獨(dú)立本科段)課程代碼4741 四、課時(shí)支配4.1 數(shù)據(jù)鏈路層的功能 4.2 差錯(cuò)掌握 4.3 基本數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議 4.4 鏈路掌握規(guī)程 4.5 因特網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議 2課時(shí) 2課時(shí) 2課時(shí) 2課時(shí) 2課時(shí) 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理 ,自考,計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)(獨(dú)立本科段)課程代碼4741 五、引入新課本章介紹數(shù)據(jù)鏈路層功能與協(xié)議，其 功能是將物理層供應(yīng)的傳輸原始比特流的 連接改造成規(guī)律上無差錯(cuò)的數(shù)據(jù)傳輸鏈路， 以向網(wǎng)絡(luò)層供應(yīng)透亮、牢靠的數(shù)據(jù)傳輸服 務(wù)。介紹差錯(cuò)掌握方法和編碼，介紹

4、因特 網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議。 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理 ,自考,計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)(獨(dú)立本科段)課程代碼4741 第四章 數(shù)據(jù)鏈路層4.1 數(shù)據(jù)鏈路層的功能 4.2 差錯(cuò)掌握 4.3 基本數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議 4.4 鏈路掌握規(guī)程 4.5 因特網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議 2課時(shí) 2課時(shí) 2課時(shí) 2課時(shí) 2課時(shí) 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理 ,自考,計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)(獨(dú)立本科段)課程代碼4741 第四章 數(shù)據(jù)鏈路層 數(shù)據(jù)鏈路層是osi參考模型中的其次層,介乎于 物理層和網(wǎng)絡(luò)層供應(yīng)的服務(wù)的基礎(chǔ)上向網(wǎng)絡(luò)層提 供服務(wù)。數(shù)據(jù)鏈路層的作用是對(duì)物理層傳輸原始 比特流的功能的加強(qiáng)，將物理層供應(yīng)的可能出錯(cuò) 的物理連接改造成為規(guī)律上無差錯(cuò)的數(shù)據(jù)鏈路， 即使之對(duì)

5、網(wǎng)絡(luò)層表現(xiàn)為一條無差錯(cuò)的鏈路。數(shù)據(jù) 鏈路層的基本功能是向網(wǎng)絡(luò)層供應(yīng)透亮的和牢靠 的數(shù)據(jù)傳送服務(wù)。透亮性是指該層上傳輸?shù)臄?shù)據(jù) 的內(nèi)容、格式及編碼沒有限制，也沒有必要解釋 信息結(jié)構(gòu)的意義；牢靠的傳輸使用戶免去對(duì)丟失 信息、干擾信息及挨次不正確等的擔(dān)憂。 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理 ,自考,計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)(獨(dú)立本科段)課程代碼4741 4.1數(shù)據(jù)鏈路層的功能數(shù)據(jù)鏈路層最基本的服務(wù)是將源機(jī)網(wǎng)絡(luò)層來的 數(shù)據(jù)牢靠的傳輸?shù)较噜徆?jié)點(diǎn)的目標(biāo)機(jī)網(wǎng)絡(luò)層。為 達(dá)到這一目的，數(shù)據(jù)鏈路 層必需具備一系列相應(yīng) 的功能，它們主要有：如何將數(shù)據(jù)組合成數(shù)據(jù)塊， 在數(shù)據(jù)鏈路層中將這種數(shù)據(jù)塊稱為幀，幀是數(shù)據(jù) 鏈路層的傳送單位；如何掌握幀在物理信

6、道上的 傳輸，包括如何處理傳輸差錯(cuò)，如何調(diào)整發(fā)送速 率以使之與接收方相匹配；在兩個(gè)網(wǎng)路實(shí)體之間 供應(yīng)數(shù)據(jù)鏈路通路的建立、維持和釋放管理。 四個(gè)功能：幀同步、差錯(cuò)掌握、流量掌握、鏈路 管理 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理 ,自考,計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)(獨(dú)立本科段)課程代碼4741 4.1.1 幀同步功能 為了使傳輸中發(fā)生差錯(cuò)后只將出錯(cuò)的有限數(shù)據(jù) 進(jìn)行重發(fā),數(shù)據(jù)鏈路層將比特流組織成以幀為單位 傳送。幀的組織結(jié)構(gòu)必需設(shè)計(jì)成使接收方法能夠 明確的從物理層收到比特流中對(duì)其進(jìn)行識(shí)別，也 即能從比特流中區(qū)分出幀的起始與終止，這就是 幀同步要解決的問題。由于網(wǎng)絡(luò)傳輸中很難保證 計(jì)時(shí)的正確和全都，所以不能采納依靠時(shí)間間隔 關(guān)系來確定

7、一幀的起始與終止的方法。下面介紹 幾種常用的幀同步方法。 (1)、字節(jié)計(jì)數(shù)法 (2)、使用字符填充的首尾定界符法 (3)、使用比特填充的首尾定界符法 (4)、違法編碼法 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理 ,自考,計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)(獨(dú)立本科段)課程代碼4741 字節(jié)計(jì)數(shù)法這種幀同步方法以一個(gè)特別字符表征一幀的起始， 并以一個(gè)特地字段來標(biāo)明幀內(nèi)的字節(jié)數(shù)。接受方可 以通過對(duì)該特別字符的識(shí)別從比特流中區(qū)分出幀的 起始，并從特地字段中獲知該幀中隨后跟隨的數(shù)據(jù) 字節(jié)數(shù)，從而可確定出幀的終止位置。 面對(duì)字節(jié)計(jì)數(shù)的同步規(guī)程的典型實(shí)例是dec公司的 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信報(bào)協(xié)議ddcmp(digital datacommunications

8、 message protocol)。ddcmp 采納的幀格式如下： 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理 ,自考,計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)(獨(dú)立本科段)課程代碼4741 字節(jié)計(jì)數(shù)法 格式中掌握字符soh標(biāo)志數(shù)據(jù)幀的起始。count字段共有14 位，用以指示幀中數(shù)據(jù)段中數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，數(shù)據(jù)段最大長(zhǎng)度 為8(214-1)=131064位，長(zhǎng)度必需為字節(jié)(即8位)的整倍數(shù)， ddcmp協(xié)議就是靠這個(gè)字節(jié)計(jì)數(shù)來確定幀的終止位置的。 ddcmp幀格式中的ask、seg、addr及flag中的第2位。它 們的功能分別類似于本節(jié)稍后要具體介紹的hdlc中的n(s)、 n(s)、addr字段及p/f位。crc1、crc2分別對(duì)標(biāo)題部分和 數(shù)

9、據(jù)部分進(jìn)行雙重校驗(yàn)，強(qiáng)調(diào)標(biāo)題部分單獨(dú)校驗(yàn)的緣由是， 一旦標(biāo)題部分中的count字段出錯(cuò)，即失去了幀邊界劃分的 依據(jù)，將造成災(zāi)難性的后果。 由于采納字段計(jì)數(shù)方法來確定幀的終止邊界不會(huì)引起數(shù) 據(jù)及其它信息的混淆，因而不必采納任何措施便可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù) 的透亮性，即任何數(shù)據(jù)均可不受限制地傳輸。 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理 ,自考,計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)(獨(dú)立本科段)課程代碼4741 使用字符填充的首尾定界符法 該法用一些特定的字符來定界一幀的起始與 終止，本節(jié)稍后要介紹的bsc規(guī)程便是典型 例子。為了不使數(shù)據(jù)信息位中消失的與特定 字符相同的字符被誤判為幀的首尾定界符， 可以在這種數(shù)據(jù)字符前填充一個(gè)轉(zhuǎn)義控 制字 符(dle)以

10、示區(qū)分，從而達(dá)到數(shù)據(jù)的透亮性。 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理 ,自考,計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)(獨(dú)立本科段)課程代碼4741 使用比特填充的首尾定界符法 該法以一組特定的比特模式(如01111110)來標(biāo) 志一幀的起始與終止。本節(jié)稍后要具體介紹的 hdlc規(guī)程即采納該法。為了不使信息位中消失的 與該特定模式相像的比特串被誤判為幀的首尾標(biāo)志， 可以采納比特填充的方法。比如，采納特定模式 01111110,則對(duì)信息位中的任何連續(xù)消失的5個(gè) “1”,發(fā)送方自動(dòng)在其后插入一個(gè)“0”,而接受方 則做該過程的逆操作，即每收到連續(xù)5個(gè)“1”,則 自動(dòng)刪去其后所跟的“0”,以此恢復(fù)原始信息，實(shí) 現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐噶列?。比特填充很?jiǎn)單由硬

11、件來實(shí) 現(xiàn)，性能優(yōu)于字符填充方法。若hdlc幀的數(shù)據(jù)段中消失比特串“0111110011”,則比特填 充后的輸出為( ) 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理 ,自考,計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)(獨(dú)立本科段)課程代碼4741 違法編碼法 該法在物理層采納特定的比特編碼方法時(shí)采納。 例如，曼徹斯特編碼方法，是將數(shù)據(jù)比特“1”編 碼成“高-低”電平對(duì)，將數(shù)據(jù)比特“0”編碼成 “低-高”電平對(duì)。而“高-高”電平對(duì)和“低-低” 電平對(duì)在數(shù)據(jù)比特中是違法的?？梢越栌眠@些違 法編碼序列來定界幀的起始與終止。局域網(wǎng)ieee 802標(biāo)準(zhǔn)中就采納了這種方法。違法編碼法不需要 任何填充技術(shù)，便能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的透亮性，但它只 適用采納冗余編碼的特別編碼

12、環(huán)境。 由于字節(jié)計(jì)數(shù)法中count字段的脆弱性(其值 若有差錯(cuò)將導(dǎo)致災(zāi)難性后果)以及字符填充實(shí)現(xiàn)上 的簡(jiǎn)單性和不兼容性，目前較普遍使用的幀同步 法是比特填充法和違法編碼法。 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理 ,自考,計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)(獨(dú)立本科段)課程代碼4741 2.差錯(cuò)掌握功能 通信系統(tǒng)必需具備發(fā)覺(即檢測(cè))差錯(cuò)的力量，并實(shí)行 措施訂正之，使差錯(cuò)掌握在所能允許的盡可能小的范 圍內(nèi)，這就是差錯(cuò)掌握過程，也是數(shù)據(jù)鏈路層的主要 功能之一。 接收方通過對(duì)差錯(cuò)編碼(奇偶校驗(yàn)碼或crc碼)的 檢查，可以判定一幀在傳輸過程中是否發(fā)生了差錯(cuò)。 一旦發(fā)覺差錯(cuò)，一般可以采納反饋重發(fā)的方法來訂正。 這就要求接受方收完一幀后，向發(fā)送方

13、反饋一個(gè)接收 是否正確的信息，使發(fā)送方據(jù)此做出是否需要重新發(fā) 送的打算。發(fā)送方僅當(dāng)收到接收方以正確接收的反饋 信號(hào)后才能認(rèn)為該幀已經(jīng)正確發(fā)送完畢，否則需要重 發(fā)直至正確為止。 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理 ,自考,計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)(獨(dú)立本科段)課程代碼4741 2.差錯(cuò)掌握功能 物理信道的突發(fā)噪聲可能完全“沉沒”一幀，即使得整個(gè)數(shù)據(jù)幀 或反饋信息幀丟失，這將導(dǎo)致發(fā)送方永久收不到接受方發(fā)來的信 息，從而使傳輸過程停滯。為了避開消失這種狀況，通常引入計(jì) 時(shí)器(timer)來限定接收方發(fā)回方反饋消息的時(shí)間間隔，當(dāng)發(fā)送 方發(fā)送一幀的同時(shí)也啟動(dòng)計(jì)時(shí)器，若在限定時(shí)間間隔內(nèi)未能收到 接收方的反饋信息，即計(jì)時(shí)器超時(shí)(time

14、out),則可認(rèn)為傳出的 幀以 出錯(cuò)或丟失，就要重新發(fā)送。 由于同一幀數(shù)據(jù)可能被重復(fù)發(fā)送多次，就可能引起接收方多 次收到同一幀并將其遞交給網(wǎng)絡(luò)層的危急。為了防止防止發(fā)生這 種危急，可以采納對(duì)發(fā)送的幀編號(hào)的方法，即給予每幀一個(gè)序號(hào)， 從而使接收方能從該序號(hào)來區(qū)分是新發(fā)送來的幀還是已經(jīng)接受但 又重發(fā)來的幀，以此來確定要不要將接收到的幀遞交給網(wǎng)絡(luò)層。 數(shù)據(jù)鏈路層通過使用計(jì)數(shù)器和序號(hào)來保證每幀最終都能被正確地 遞交給目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)層一次。 有關(guān)差錯(cuò)掌握的具體內(nèi)容，將在本節(jié)稍后再做介紹。 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理 ,自考,計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)(獨(dú)立本科段)課程代碼4741 3.流量掌握功能 流量掌握并不是數(shù)據(jù)鏈路層特有的功能

15、，很多高層協(xié)議中也供應(yīng) 流量掌握功能，只不過流量掌握的對(duì)象不同而已。比如，對(duì)于數(shù) 據(jù)鏈路層來說，掌握的是相鄰兩節(jié)點(diǎn)這間數(shù)據(jù)鏈路上的流量，而 對(duì)于運(yùn)輸層來說，掌握的則是從源到最終目的之間端對(duì)端的流量。 由于收發(fā)雙方各自使用的設(shè)備工作速率和緩沖存儲(chǔ)空間的差 異，可能消失發(fā)送方發(fā)送力量大于接收方接收力量的現(xiàn)象，若此 時(shí)不對(duì)發(fā)送方的發(fā)送速率(也即鏈路上的信息流量)做適當(dāng)?shù)南?制，前面來不及接收的幀將被后面不斷發(fā)送來的幀“沉沒”,從 而造成幀的丟失而出錯(cuò)。由此可見，流量掌握實(shí)際上是對(duì)發(fā)送方 數(shù)據(jù)流量的掌握，使其發(fā)送速率不致超過接收方的速率。也即需 要有一些規(guī)章使得發(fā)送方知道在什么狀況下可以接著發(fā)送下一幀

16、， 而在什么狀況下必需暫停發(fā)送，以等待收到某種反饋信息后再繼 續(xù)發(fā)送。 兩種流量掌握方案:停止等待方案和滑動(dòng)窗口機(jī)制 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理 ,自考,計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)(獨(dú)立本科段)課程代碼4741 3.流量掌握功能 (1)停止等待方案 停止等待方案:發(fā)送方發(fā)出一幀之后,等待應(yīng)答信號(hào)到達(dá)之后發(fā)送下一幀;接受方每收到一幀后送回一個(gè)應(yīng)答信號(hào),表示情愿接 受下一幀,假如接受方不送回應(yīng)答,則發(fā)送方必需始終等待. (2)滑動(dòng)窗口機(jī)制 : 為了克服停止等待協(xié)議信道利用率低的問題，可以采納滑動(dòng)窗 口掌握方法。 當(dāng)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) 發(fā)送若干數(shù)據(jù)幀。由于在等待確認(rèn)時(shí)可以連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，削減了

17、 信道空閑時(shí)間，因而提高了整個(gè)通信過程的吞吐量。 “滑動(dòng)窗口”機(jī)制是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)幀傳輸掌握的規(guī)律過程，它要 求通信兩端節(jié)點(diǎn)設(shè)置發(fā)送存儲(chǔ)單元，用于保存已發(fā)送但尚未被確 認(rèn)的幀，這些幀對(duì)應(yīng)著一張連續(xù)序號(hào)列表，即發(fā)送窗口。接收方 則有一張接收序號(hào)列表，即接收窗口. 發(fā)送方每次發(fā)送一幀后，待確認(rèn)幀的數(shù)目增加1,每收到一個(gè)確 認(rèn)信息以后，待確認(rèn)幀的數(shù)目變削減1.當(dāng)待確認(rèn)幀的數(shù)目等于發(fā) 送窗口尺寸時(shí)，便停止發(fā)送新幀。 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理 ,自考,計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)(獨(dú)立本科段)課程代碼4741 4.鏈路管理功能 鏈路管理 功能主要用于面對(duì)連接的服務(wù)。在鏈路 兩端的節(jié)點(diǎn)要進(jìn)行通信前，必需首先確認(rèn)對(duì)方已 處于就緒狀態(tài)，并交換一些必要的信息以對(duì)幀序 號(hào)初始化，然后才能建立連接。在傳輸過程中則 要維持該連接。假如消失差錯(cuò)，需要重新初始化， 重新自動(dòng)建立連接。傳輸完畢后則要釋放連接。 數(shù)據(jù)鏈路層連接的建立，維持和釋放就稱做鏈路 管理。 在多個(gè)站點(diǎn)共享同一物理信道的狀況下(例 如在局域網(wǎng)中),如何在要求通信的站點(diǎn)間安排 和管理信道也屬于數(shù)據(jù)層鏈路管理的