計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)原理及應(yīng)用：第四章數(shù)據(jù)鏈路層

1、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用與技術(shù)具有五層協(xié)議的體系結(jié)構(gòu) OSITCP/IP五層協(xié)議的體系結(jié)構(gòu) 運(yùn)輸層 網(wǎng)絡(luò)層 數(shù)據(jù)鏈路層 物理層 表示層 會話層 應(yīng)用層 運(yùn)輸層 網(wǎng)絡(luò)層 數(shù)據(jù)鏈路層 物理層 應(yīng)用層 應(yīng)用層運(yùn)輸層網(wǎng)際層網(wǎng)絡(luò)接口層第 4 章 數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)4.1 數(shù)據(jù)鏈路層的設(shè)計(jì)問題4.2 差錯控制技術(shù)4.3 流量控制技術(shù)4.4 點(diǎn)對點(diǎn)協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層是OSI參考模型中的第二層,介乎于物理層和網(wǎng)絡(luò)層之間，在物理層所提供的服務(wù)的基礎(chǔ)上向網(wǎng)絡(luò)層提供服務(wù)。數(shù)據(jù)鏈路層的作用是對物理層傳輸原始比特流的功能的加強(qiáng)，將物理層提供的可能出錯的物理連接改造成為邏輯上無差錯的數(shù)據(jù)鏈路，即使之對網(wǎng)絡(luò)層表現(xiàn)為一條無差錯的鏈路

2、。數(shù)據(jù)鏈路層的信道類型數(shù)據(jù)鏈路層使用的信道主要有以下兩種類型：點(diǎn)對點(diǎn)信道。這種信道使用一對一的點(diǎn)對點(diǎn)通信方式（PPP）。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(fù)雜。廣播信道上連接的主機(jī)很多，因此必須使用專用的共享信道協(xié)議來協(xié)調(diào)這些主機(jī)的數(shù)據(jù)發(fā)送 4.1 數(shù)據(jù)鏈路層的設(shè)計(jì)問題 4.1.1 幾個主要概念 鏈路(link)是一條無源的點(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)。一條鏈路只是一條通路的一個組成部分。數(shù)據(jù)鏈路(data link) 除了物理線路外，還必須有通信協(xié)議來控制這些數(shù)據(jù)的傳輸。若把實(shí)現(xiàn)這些協(xié)議的硬件和軟件加到鏈路上，就構(gòu)成了數(shù)據(jù)鏈路?，F(xiàn)在最常用的方法是使用適

3、配器（即網(wǎng)卡）來實(shí)現(xiàn)這些協(xié)議的硬件和軟件。一般的適配器都包括了數(shù)據(jù)鏈路層和物理層這兩層的功能。 IP 數(shù)據(jù)報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1010 0110幀裝入數(shù)據(jù)鏈路層傳送的是幀數(shù)據(jù)鏈路層像個數(shù)字管道 常常在兩個對等的數(shù)據(jù)鏈路層之間畫出一個數(shù)字管道，而在這條數(shù)字管道上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單位是幀。早期的數(shù)據(jù)通信協(xié)議曾叫作通信規(guī)程(procedure)。因此在數(shù)據(jù)鏈路層，規(guī)程和協(xié)議是同義語。 結(jié)點(diǎn)結(jié)點(diǎn)幀幀4.1.2數(shù)據(jù)鏈路層的目的數(shù)據(jù)鏈路層在網(wǎng)絡(luò)實(shí)體間提供建立、維持和釋放數(shù)據(jù)鏈路連接以及傳輸數(shù)據(jù)鏈路服

4、務(wù)數(shù)據(jù)單元所需的功能和過程的手段，在物理連接上建立數(shù)據(jù)鏈路連接。數(shù)據(jù)鏈路層檢測和校正在物理層出現(xiàn)的錯誤，并能使網(wǎng)絡(luò)層控制物理層中的數(shù)據(jù)電路的互聯(lián)。4.1.3數(shù)據(jù)鏈路層的主要功能 (1) 鏈路管理：數(shù)據(jù)鏈路的建立、維持和釋放就叫做鏈路管理。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的兩個節(jié)點(diǎn)要進(jìn)行通信時，數(shù)據(jù)的發(fā)方必須確知收方是否已經(jīng)已經(jīng)處于準(zhǔn)備。為此，通信的雙方必須先要交換一些必要的信息。或者說是必須先建立一條數(shù)據(jù)鏈路。同樣地，在傳輸數(shù)據(jù)時要維持?jǐn)?shù)據(jù)鏈路，而在通信完畢時要釋放熟路鏈路。根據(jù)數(shù)據(jù)鏈路層向網(wǎng)絡(luò)層提供的服務(wù)可分為無應(yīng)答無連接服務(wù)、有應(yīng)答無連接服務(wù)和面向連接的服務(wù)三種。(2) 幀定界：是指收方應(yīng)當(dāng)能從收到的比特流中準(zhǔn)確

5、地區(qū)分出一幀的開始和結(jié)束在什么地方。幀定界也可稱為幀同步(3) 流量控制： 發(fā)方發(fā)送數(shù)據(jù)的速率必須使得收方來得及接收。當(dāng)收方來不及接收時，就必須及時控制發(fā)方發(fā)送數(shù)據(jù)的速率。采用接收方的接收能力來控制發(fā)送方的發(fā)送能力。(4) 差錯控制: 采用了編碼技術(shù)，編碼技術(shù)有兩大類。一類是前向糾錯:也就是收方收到有差錯的數(shù)據(jù)幀時，能夠自動將差錯改正過來。這種方法的開銷較大，不大適合于計(jì)算機(jī)通信。另一類是差錯檢測:也就是收方可以檢測出收到的數(shù)據(jù)幀有差錯（但并不知道出錯的確切位置）。當(dāng)檢測出有差錯的數(shù)據(jù)幀就立即將它丟棄。(5) 將數(shù)據(jù)和控制信息區(qū)分開 數(shù)據(jù)和控制信息處在同一幀中。為此一定要有相應(yīng)的措施使得收方能

6、夠?qū)⑺麄儏^(qū)分開來。(6) 透明傳輸 所謂透明傳輸就是不管所傳數(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)中的比特組合恰好出現(xiàn)了與某一控制信息完全一樣時，必須有可靠的措施，使得接收方不會將這種比特組合的數(shù)據(jù)誤認(rèn)為是某種控制信息。 (7) 尋址 必須保證每一幀都能送到正確的目的站，接收方也應(yīng)知道發(fā)送方是哪個站。4.2差錯控制技術(shù) 根據(jù)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型，當(dāng)數(shù)據(jù)從信源發(fā)出，經(jīng)過通信信道傳輸，由于信道總存在著一定的噪聲，數(shù)據(jù)到達(dá)信宿端后，接收的信號實(shí)際上是數(shù)據(jù)信號和噪聲信號的疊加。接收端在取樣時鐘作用下接收數(shù)據(jù)，并根據(jù)閾值電平判斷信號電平。如果噪聲對信號的影響非常大時，就會造成數(shù)據(jù)的傳輸

7、錯誤。 數(shù)據(jù)通信中的實(shí)際情況而造成差錯可能的原因包括：在數(shù)據(jù)通信中，信號在物理信道上的線路本身的電氣特性隨機(jī)產(chǎn)生的信號幅度、頻率、相位的畸形和衰減；電氣信號在線路上產(chǎn)生反射噪聲的回波效應(yīng)；相鄰線路之間的串線干擾；大氣中的閃電、電源開關(guān)的跳火、自然界磁場的變化以及電源的波動等外界因素。 差錯編碼差錯檢測編碼：奇偶校驗(yàn)碼；水平垂直奇偶校驗(yàn)碼；CRC循環(huán)冗余碼等；差錯糾錯編碼：漢明碼；卷積碼；奇偶校驗(yàn)碼采用奇偶校驗(yàn)法，在每個字符的數(shù)據(jù)位傳輸之前，先檢測并計(jì)算奇偶校驗(yàn)位，然后將其附加在后；根據(jù)采用的奇偶校驗(yàn)位是奇數(shù)還是偶數(shù)，推出一個字符包含“1”的數(shù)目，接收機(jī)重新計(jì)算收到字符的奇偶校驗(yàn)位，并確定該字符

8、是否出現(xiàn)傳輸差錯；若每個字符只采用一個奇偶校驗(yàn)位時，只能發(fā)現(xiàn)單個比特差錯，如果有兩個或兩個以上比特出錯，奇偶校驗(yàn)位無效；異步傳輸和面向字符的同步傳輸均采用奇偶校驗(yàn)技術(shù)；循環(huán)冗余碼CRCCRC是一種較為復(fù)雜的校驗(yàn)方法，它先將要發(fā)送的信息數(shù)據(jù)與一個通信雙方共同約定的數(shù)據(jù)(生成碼)進(jìn)行除法運(yùn)算，并根據(jù)余數(shù)得出一個校驗(yàn)碼，然后將這個校驗(yàn)碼附加在信息數(shù)據(jù)幀之后發(fā)送出去。接收端接收數(shù)據(jù)后，將包括校驗(yàn)碼在內(nèi)的數(shù)據(jù)幀再與約定的數(shù)據(jù)（生成碼）進(jìn)行除法運(yùn)算，若余數(shù)為“0”，就表示接收的數(shù)據(jù)正確，若余數(shù)不為“0”，則表明數(shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^程中出錯。冗余碼生成碼CRC碼產(chǎn)生過程（1）將數(shù)據(jù)M變?yōu)槎囗?xiàng)式M(x)。如M為11

9、01，多項(xiàng)式M(x)=x3+x2+1。（2）將M左移n位，得到M(x).xn；（3）用模2除法得到R(x)（采用異或運(yùn)算：相同為0，相異為1）。R(x)=M(x).xn/P(x);（4）T(x)= M(x).xn+R(x);（5）接收方T(x)/ P(x)，若除數(shù)為0，表示無錯碼，去掉T(x)后的n位校驗(yàn)位。題：要發(fā)送的信息碼是1010001101，求生成碼、冗余碼和發(fā)送碼則有nbit的R；待求？P為n+1bit，可求求P常用的方法：假設(shè)以CRC-16方法求的P=11000000000000101M左移16位對P的余數(shù)是R= 1000111100101101發(fā)送碼：10100 01101 10

10、00111100101101101000110100000000,00000,000,11000000000000101 11000110100001010 11000000000000101 11010000111100000 11000000000000101 10000111100101000 11000000000000101 1000111100101101傳送的數(shù)據(jù)為： 10100 01101 1000111100101101但另一端收到后：則校驗(yàn)101000110110001111,00101,101 11000000000000101 11000110110000101 110

11、00000000000101 11011000000000101 11000000000000101 11000000000000101 11000000000000101 0 題1：已知要發(fā)送的信息碼M：10111010 生成碼P：按照CRC-16：X16+X15+X2+1求的。求：生成碼P和冗余碼R。題2.已知接收碼T：1100111001，生成碼P：11001，求：碼字的正確性。若正確，則指出冗余碼和信息碼。 4.3 流量控制技術(shù)流量控制就是為了確保發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)不會超出接收端接收數(shù)據(jù)能力的一種技術(shù)。停止等待協(xié)議在停止等待ARQ(Automatic Repeat reQuest-自動重

12、傳請求 )方式中，發(fā)送端在發(fā)送完一個數(shù)據(jù)幀后，要等待接收端返回的應(yīng)答信息，若應(yīng)答為確認(rèn)信息（ACK）時，發(fā)送端才可以繼續(xù)發(fā)送下一個數(shù)據(jù)幀；若應(yīng)答為不確認(rèn)幀（NAK）時，發(fā)送端需要重發(fā)這個數(shù)據(jù)幀。停止等待ARQ協(xié)議非常簡單，由于是一種半雙工的協(xié)議，因此系統(tǒng)的通信效率低。連續(xù)ARQ協(xié)議工作原理發(fā)送方發(fā)完一幀后，不必停下來等待對方的應(yīng)答，可以連續(xù)發(fā)送若干幀；如果在發(fā)送過程中收到接收方的肯定應(yīng)答，可以繼續(xù)發(fā)送；若收到對其中某一幀的否認(rèn)幀，則使用某種ARQ方式重發(fā)數(shù)據(jù)；優(yōu)點(diǎn)連續(xù)發(fā)送提高了信道利用率；連續(xù)ARQ協(xié)議包括選擇ARQGo-Back-N ARQARQ選擇ARQ與Go-Back-N的比較采用選擇A

13、RQ方式時，由于接收到的數(shù)據(jù)幀有可能是亂序的，因此，接收端必須提供足夠的緩存先將每個數(shù)據(jù)幀保存下來，然后對數(shù)據(jù)幀重新排序。但由于該方式僅重發(fā)出錯的數(shù)據(jù)幀，因此，信道利用率高。對于Go-Back-N方式，接收到的數(shù)據(jù)幀是按順序排列的，因而接收端不需要太多的緩存，但由于發(fā)送端要將出錯數(shù)據(jù)之后的已發(fā)送數(shù)據(jù)幀重新發(fā)送，致使信道利用率相對較低。4.4點(diǎn)對點(diǎn)（PPP）協(xié)議 4.1.1PPP協(xié)議的作用PPP協(xié)議的作用是在兩個節(jié)點(diǎn)設(shè)備的數(shù)據(jù)鏈路層實(shí)體之間傳送網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU（例如IP數(shù)據(jù)報）。這兩個節(jié)點(diǎn)設(shè)備之間必須沒有其他的中間設(shè)備。我們常見的PPP應(yīng)用場合是調(diào)制解調(diào)器通過撥號或?qū)＞€方式將用戶計(jì)算機(jī)接

14、入ISP網(wǎng)絡(luò)，即用戶計(jì)算機(jī)與ISP服務(wù)器連接。另一個PPP應(yīng)用領(lǐng)域是局域網(wǎng)之間的互聯(lián)。 PPP的作用如圖4.8所示。Modem之間、路由器之間的鏈路(1)PSTN【公共交換電話網(wǎng)絡(luò) 】：對應(yīng)的Modem就是我們早期撥號上網(wǎng)使用的Modem。(2)ISDN【綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng) 】：對應(yīng)的Modem就是ISDN Modem。(3)ADSL【ADSL （Asymmetric Digital Subscriber Line ，非對稱數(shù)字用戶環(huán)路）是一種新的數(shù)據(jù)傳輸方式。它因?yàn)樯闲泻拖滦袔挷粚ΨQ，因此稱為非對稱數(shù)字用戶線環(huán)路 】：對應(yīng)的Modem就是ADSL Modem。(4)DDN【數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng) 】：此時不再使用撥號方式的Modem，而是采用同步的專線設(shè)備，雙方一直保持連接。這種方式多用于局域網(wǎng)之間的互聯(lián)，或者把局域網(wǎng)接入Internet。4.4.2 PPP協(xié)議的組成部分封裝規(guī)范：由于PPP協(xié)議面向多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，換句話說，PPP的PDU要能夠封裝多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的PDU，因此，PPP定義了封裝了多種網(wǎng)絡(luò)