浙江廣播電視大學(xué)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)

第3章數(shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層的基本概念，據(jù)鏈路層協(xié)議的工作原理：停止等待協(xié)議，連續(xù)ARQ協(xié)議，滑動(dòng)窗口，選擇ARQ協(xié)議，Internet中的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。數(shù)據(jù)鏈路層的基本概念。數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的工作原理。滑動(dòng)窗口原理。

Internet中的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議?；緝?nèi)容重點(diǎn)掌握3.1數(shù)據(jù)鏈路概念的理解主機(jī)A數(shù)據(jù)緩沖區(qū)主機(jī)B高層緩沖區(qū)高層數(shù)據(jù)幀幀發(fā)送方接收方數(shù)據(jù)鏈路層：物理線路＋通信協(xié)議

？發(fā)送方：？接收方：？傳輸過程：！解決這些問題，是鏈路層的主要任務(wù)。！針對(duì)這些問題所制定的通信規(guī)程就是數(shù)據(jù)鏈路層的通信協(xié)議。以多快的速度發(fā)送數(shù)據(jù)幀，即每幀之間相隔多長(zhǎng)時(shí)間？如何確認(rèn)對(duì)方是否收到數(shù)據(jù)？是否接收到正確的數(shù)據(jù)幀？如何告訴發(fā)送方？能及時(shí)處理接收到的數(shù)據(jù)幀嗎？在數(shù)據(jù)鏈路層上傳輸數(shù)據(jù)幀會(huì)出錯(cuò)嗎？會(huì)丟失數(shù)據(jù)幀嗎？3.2停止等待ARQ協(xié)議3.2.1完全理想化的數(shù)據(jù)傳輸接收方的速度永遠(yuǎn)不會(huì)低于發(fā)送方的速度；在鏈路上傳送數(shù)據(jù)幀不會(huì)出錯(cuò)，也不會(huì)丟失。這時(shí)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議非常簡(jiǎn)單：只要控制發(fā)送方把數(shù)據(jù)幀從緩沖區(qū)發(fā)送到數(shù)據(jù)鏈路上；接收方把數(shù)據(jù)幀從鏈路上接收到緩沖區(qū)，并上交給主機(jī)。假設(shè)協(xié)議3.2.2具有簡(jiǎn)單的流量控制DATA0ACKACKACKDATA2DATA1假設(shè)：鏈路是理想化的，所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不會(huì)出錯(cuò)也不會(huì)丟失。協(xié)議算法協(xié)議思想：協(xié)調(diào)、控制接收方、發(fā)送方的速度。等待；將收到的數(shù)據(jù)幀上交主機(jī)；發(fā)送應(yīng)答信息；轉(zhuǎn)到第一步發(fā)出一幀；等待；直到收到ACK才發(fā)送下一幀發(fā)送方接收方3.2.3停止等待ARQ協(xié)議（1）接近實(shí)際情形的假設(shè)：1）信道不理想，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可能會(huì)出錯(cuò)，也可能會(huì)丟失。2）雙方的速度不一致，需要對(duì)發(fā)送端進(jìn)行流量控制。DATA0ACKACKACKDATA2DATA1出錯(cuò)a)正常情況b)數(shù)據(jù)幀出錯(cuò)送主機(jī)AB送主機(jī)送主機(jī)DATA0ACKNAKACKDATA1DATA1送主機(jī)AB送主機(jī)重傳DATA0ACKACKDATA1DATA1丟失DATA0ACKACKACKDATA1DATA1丟失c)數(shù)據(jù)幀丟失d)應(yīng)答幀丟失送主機(jī)送主機(jī)丟棄送主機(jī)送主機(jī)AABBtouttout(1)從主機(jī)取一個(gè)數(shù)據(jù)幀。(2)V(S)<-O。{發(fā)送狀態(tài)變量初始化}(3)N(S)<-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)重發(fā)時(shí)間tout}(6)等待。{等待以下3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；

V(S)<-[1-V(S)]；{更新發(fā)送狀態(tài)變量，變?yōu)橄乱粋€(gè)序號(hào)}轉(zhuǎn)(3)。(8)若收到否認(rèn)幀NAK，則轉(zhuǎn)(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)(4)。{重發(fā)數(shù)據(jù)幀}(1)V(R)<-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)送序號(hào)}(2)等待。(3)當(dāng)收到一個(gè)數(shù)據(jù)幀，就檢查有無產(chǎn)生傳輸差錯(cuò)(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)＝V(R)，則執(zhí)行后續(xù)算法；

{收到發(fā)送序號(hào)正確的數(shù)據(jù)幀}

否則丟棄此數(shù)據(jù)幀，然后轉(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)V(R)<-［l—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，并轉(zhuǎn)到(2)。特別提示：在收發(fā)兩端各設(shè)置一個(gè)本地狀態(tài)變量(僅占1個(gè)比特)。發(fā)送節(jié)點(diǎn)接收節(jié)點(diǎn)（2）停止等待協(xié)議的算法（3）停止等待協(xié)議的性能分析DATAACK：一數(shù)據(jù)幀的發(fā)送時(shí)間：電信號(hào)傳播所需要的時(shí)延：收到數(shù)據(jù)幀或確認(rèn)的處理時(shí)間：應(yīng)答幀的發(fā)送時(shí)間：兩個(gè)數(shù)據(jù)幀之間的最小時(shí)間間隔：超時(shí)定時(shí)時(shí)間

ABDATA符號(hào)定義

忽略和，則有，在連續(xù)發(fā)送情況下，若不發(fā)生錯(cuò)誤，成功傳送一幀需要的時(shí)間為，

若應(yīng)答幀不出錯(cuò)，發(fā)送幀丟失和出錯(cuò)的概率為，重發(fā)次數(shù)不限，則有正確傳送一幀需要的平均時(shí)間為，

性能分析故鏈路最大吞吐量為:設(shè)發(fā)送端幀到達(dá)率為λ，則應(yīng)有

定義歸一化吞吐量ρ，

ρ=這里，為歸一化時(shí)間,顯然，

α>1λ結(jié)論：停止等待協(xié)議實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但距離遠(yuǎn)時(shí)信道利用率低。3.3連續(xù)ARQ協(xié)議提示停止等待ARQ協(xié)議的信道利用率不高。解決思路允許發(fā)送方不等確認(rèn)幀返回就連續(xù)發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)幀——連續(xù)ARQ協(xié)議的基本思想。3.3.1連續(xù)ARQ協(xié)議的基本原理允許發(fā)送方不等確認(rèn)幀返回就連續(xù)發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)幀。接收端只按序接收數(shù)據(jù)幀，不按序號(hào)到來的幀被丟棄。確認(rèn)幀中包含著期望下次收到的幀的序號(hào)。在發(fā)送端發(fā)送完一幀后都要設(shè)置該幀的超時(shí)計(jì)時(shí)器。允許多少幀？這要引入一定的技術(shù)（算法）加以控制3.3.2回退N式ARQ協(xié)議——連續(xù)ARQ協(xié)議允許發(fā)送方不等確認(rèn)幀返回就連續(xù)發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)幀，這些被發(fā)出去而尚未被確認(rèn)的數(shù)據(jù)幀在發(fā)送緩沖區(qū)有保留副本，當(dāng)發(fā)送方發(fā)現(xiàn)前面某一數(shù)據(jù)幀未收到確認(rèn)信息而計(jì)時(shí)器已經(jīng)超時(shí)后，就會(huì)重發(fā)該幀以及隨后的N個(gè)數(shù)據(jù)幀，這種ARQ稱作回退N式ARQ協(xié)議（go-back-NARQ）。0123452345ACK0ACK1NAK2ACK2ACK3丟棄（1）工作原理（2）回退N式ARQ協(xié)議的性能分析設(shè)誤幀率為p，則有，這里故最大吞吐量為，歸一化吞吐量：可見，當(dāng)?shù)扔?時(shí)，停止等待ARQ與連續(xù)ARQ性能相同。連續(xù)ARQ協(xié)議一方面因連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)幀而提高了效率，另一方面，在重傳時(shí)又必須把原來已正確傳送過的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行重傳，這種做法又使傳送效率降低。若傳輸信道的傳輸質(zhì)量很差因而誤碼率較大時(shí)，連續(xù)ARQ協(xié)議不一定優(yōu)于停止等待協(xié)議。3.3.3滑動(dòng)窗口——發(fā)送方和接收方通過滑動(dòng)窗口機(jī)制實(shí)現(xiàn)流量控制。發(fā)送窗口：用來對(duì)發(fā)送端進(jìn)行流量控制，它的大小代表在沒有收到對(duì)方的確認(rèn)幀的情況下發(fā)送端最多可以發(fā)送的數(shù)據(jù)幀數(shù)。概念接收窗口：用來控制接收端可以接收哪些數(shù)據(jù)幀。只有發(fā)送序號(hào)落入接收窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)幀才可以收下。滑動(dòng)窗口的工作原理發(fā)送窗口WT=5接收窗口WR=1發(fā)出幀0,1,2,3,400001111422223333444555566667777HHHHHHTT接收到ACK0,發(fā)出幀5接收到幀0，發(fā)出ACK0初始狀態(tài)0011223344556677T初始狀態(tài)TTT接收到幀1發(fā)出ACK1WT=5WR=100001111422223333444555566667777HHHT0011223344556677T等待ACK1幀1的定時(shí)器超時(shí)，重發(fā)幀1接收到ACK1接收到幀3,還沒有收到幀2接收到重傳的幀1接收到幀2THTHTHT3.4選擇重傳ARQ協(xié)議

GO-BACK-N可能將已正確傳送到目的方的幀再重傳一遍，這顯然是一種浪費(fèi)。另一種效率更高的策略是當(dāng)接收方發(fā)現(xiàn)某幀出錯(cuò)后，其后繼續(xù)送來的正確的幀雖然不能立即遞交給接收方的高層，但接收方仍可收下來，存放在緩沖區(qū)中，同時(shí)要求發(fā)送方重新傳送出錯(cuò)的那一幀。一旦收到重新傳來的幀后，就可以和已存于緩沖區(qū)中的其余幀一并按正確的順序遞交高層。這種方法稱為選擇重發(fā)，其工作過程如圖所示。圖中2號(hào)幀的否認(rèn)返回信息NAK2要求發(fā)送方選擇重發(fā)2號(hào)幀。顯然，選擇重發(fā)減少了浪費(fèi)，但要求接收方有足夠大的緩沖區(qū)空間。選擇重發(fā)ARQ原理示意3.5Internet的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議TCP/IP體系結(jié)構(gòu)中的網(wǎng)絡(luò)接口層含蓋了OSI體系中的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，該層包含了網(wǎng)絡(luò)的各種邏輯鏈路控制和媒體接入?yún)f(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)間的物理連接。因此，Internet中沒有分別定義數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的協(xié)議，只是將它們集成到物理網(wǎng)卡上。

3.5.1用戶接入Internet的方法一種是使用撥號(hào)電話線接入，另一種是使用專線接入。

PC機(jī)ModemPSTNInternet撥號(hào)電話線接入方法ModemPool使用TCP/IP的客戶進(jìn)程

路由選擇進(jìn)程PC機(jī)專線設(shè)備Internet專線接入方法：如xDSL、DDN、X.25專線設(shè)備ISP網(wǎng)絡(luò)專線3.5.2點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議PPP（Point-to-PointProtocol）

有三個(gè)組成部分：（1）一個(gè)將IP數(shù)據(jù)報(bào)封裝到串行鏈路的方法。PPP既支持異步鏈路（無奇偶校驗(yàn)的8比特?cái)?shù)據(jù)），也支持面向比特的同步鏈路。（2）一個(gè)用來建立、配置和測(cè)試數(shù)據(jù)鏈路的鏈路控制協(xié)議LCP（LinkControlProtocol）。通信的雙方可協(xié)商一些選項(xiàng)。（3）一套網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議NCP（NetworkControlProtocol），支持不同的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，如IP，OSI的網(wǎng)絡(luò)層，DECnet，以及AppleTalk等。3.5.3PPP協(xié)議的幀格式F7EAFFC03協(xié)議F7EFCS信息部分IP數(shù)據(jù)報(bào)F是標(biāo)志字段，1字節(jié)，固定為0x7E，首尾各有一個(gè)。A是地址字段，1字節(jié)，固定為0xFF。C是控制字段，1字節(jié)，固定為0x03。協(xié)議字段，2字節(jié)，當(dāng)協(xié)議字段值為0x0021時(shí)，表示信息字段就是IP數(shù)據(jù)報(bào)；為0xC021時(shí)，表示信息字段是鏈路控制數(shù)據(jù)；為0x8021時(shí)，表示信息字段是網(wǎng)絡(luò)控制數(shù)據(jù)。FCS是幀校驗(yàn)序列字段，2字節(jié)，當(dāng)信息字段中出現(xiàn)和標(biāo)志字段一樣的數(shù)據(jù)（0x7E）時(shí)，就要將該字節(jié)轉(zhuǎn)變?yōu)?字節(jié)序列（0x7D,0x5E）；若信息中出現(xiàn)一個(gè)0x7D字節(jié)，則將其轉(zhuǎn)變?yōu)?字節(jié)序列（0x7D,0x5D）。

首部尾部字節(jié)數(shù)111212不超過1500字節(jié)PPP幀3.5.4PPP協(xié)議的工作狀態(tài)當(dāng)用戶撥號(hào)接入ISP時(shí)，路由器的Modem對(duì)撥號(hào)作出應(yīng)答，并建立一條物理連接。這時(shí)，