計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)-第3講-數(shù)據(jù)鏈路層

第3講數(shù)據(jù)鏈路層計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)教程11概述基本功能，服務(wù)2幀同步：字符計(jì)數(shù)法、字符填充首尾定界符法、比特填充首尾定界符法3流量控制停等協(xié)議、后退N幀ARQ協(xié)議、選擇重發(fā)ARQ協(xié)議、滑動(dòng)窗口協(xié)議23差錯(cuò)控制特性、檢錯(cuò)、糾錯(cuò)數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程、Internet數(shù)據(jù)鏈路控制協(xié)議PPP設(shè)備網(wǎng)橋、交換機(jī)4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5數(shù)據(jù)通信中的實(shí)際情況6/118

？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)？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？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？73.1數(shù)據(jù)鏈路層概述數(shù)據(jù)鏈路層在OSI模型中介于物理層和網(wǎng)絡(luò)層之間。將物理層提供的可能出錯(cuò)的物理連接改造成邏輯上無差錯(cuò)的數(shù)據(jù)鏈路。基本功能是向網(wǎng)絡(luò)層提供透明和可靠的數(shù)據(jù)傳送服務(wù)。透明：該層上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)內(nèi)容、格式和編碼么有限制，也沒有必要解釋信息結(jié)構(gòu)的意義?？煽浚翰粫?huì)發(fā)生丟失信息、干擾信息和順序錯(cuò)誤83.1數(shù)據(jù)鏈路層概述幀F(xiàn)rame：協(xié)議數(shù)據(jù)單元。鏈路Link：無源的點(diǎn)到點(diǎn)的物理線路，中間沒有任何交換節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)鏈路DataLink：物理線路+通信協(xié)議93.1.1數(shù)據(jù)鏈路層基本功能幀同步識(shí)別幀的開始與結(jié)束，識(shí)別新幀與重傳幀差錯(cuò)控制ErrorControl流量控制FlowControl鏈路管理LinkManagement建立、維持和釋放MAC尋址區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)與控制信息透明傳輸103.1.2數(shù)據(jù)鏈路層的服務(wù)無確認(rèn)的無連接服務(wù)UnacknowledgedConnectionlessService源計(jì)算機(jī)向目標(biāo)計(jì)算機(jī)發(fā)送獨(dú)立的幀，目標(biāo)計(jì)算機(jī)不對(duì)這些幀進(jìn)行確認(rèn)。事先不建立邏輯連接、時(shí)候不釋放。數(shù)據(jù)鏈路層不檢測(cè)、不回復(fù)丟失幀。錯(cuò)誤率低或者數(shù)據(jù)完整性要求不高下使用（語音數(shù)據(jù)）。高層可以進(jìn)行恢復(fù)。113.1.2數(shù)據(jù)鏈路層的服務(wù)有確認(rèn)的無連接服務(wù)AcknowledgedConnectionlessService源計(jì)算機(jī)向目標(biāo)計(jì)算機(jī)發(fā)送編號(hào)的幀，目標(biāo)計(jì)算機(jī)對(duì)這些幀進(jìn)行確認(rèn)。沒有收到確認(rèn)，則重發(fā)。適用于不可靠信道（無線通信系統(tǒng)）有確認(rèn)的有連接服務(wù)AcknowledgedConnection-OrientedService編號(hào)、確認(rèn)按正確順序接收。三個(gè)階段：鏈路建立、傳輸、釋放123.2幀同步功能從物理層傳送的比特流中識(shí)別出數(shù)據(jù)幀的開始與結(jié)束。字符計(jì)數(shù)法CharacterCountMethod面向字節(jié)的同步規(guī)程。幀頭部特定域指定該幀的字符數(shù)，特殊字符表示幀開始，專門字段標(biāo)明字符數(shù)。計(jì)數(shù)錯(cuò)，則傳輸錯(cuò)133.2幀同步功能字符填充首尾定界符法特殊字符表示幀開始和終止。為了防止數(shù)據(jù)和幀的首尾定界符混淆，采用插入特定字符的方式。標(biāo)志符出現(xiàn)在數(shù)據(jù)中時(shí)，仍然會(huì)出錯(cuò)。143.2幀同步功能比特填充首尾定界符法特殊比特組合表示幀開始和終止。數(shù)據(jù)幀的首尾有特殊位模式。如0111110幀內(nèi)部如果有連續(xù)5個(gè)1傳輸，就在這5個(gè)1后面加個(gè)0.要傳0110111111011111001實(shí)際01111100110111110101111100010111110153.3流量控制功能其他層也有此功能，控制的對(duì)象不同。數(shù)據(jù)鏈路層流量控制是相鄰兩節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)鏈路上的流量。主要因?yàn)槭瞻l(fā)速度不匹配。因此要向發(fā)送法反饋接受方的狀態(tài)。163.3.1停等協(xié)議Stop-and-Waite:發(fā)送方發(fā)出一幀，等待應(yīng)答信號(hào)到達(dá)后再發(fā)一幀。接收方每收到一幀送回一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，表示可以接受下一幀。如果無應(yīng)答，則一直等待。17重復(fù)幀問題：幀有編號(hào)，接收方發(fā)現(xiàn)有重復(fù)幀，則要發(fā)送確認(rèn)幀。幀編號(hào)問題：對(duì)于停等協(xié)議，一位就夠編號(hào)。18【例3-1】信道數(shù)據(jù)傳輸率為4kb/s，傳播延遲為20ms，幀長(zhǎng)在什么范圍使得停等協(xié)議的信道利用率達(dá)到50%以上？信道利用率=數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)延/（傳播時(shí)延+發(fā)送時(shí)延）19203.3.2后退N幀ARQ協(xié)議Go-Back-N連續(xù)發(fā)送若干幀，期間接收到了確認(rèn)幀，還可以繼續(xù)發(fā)。減少了等待時(shí)間，提高了信道吞吐率。窗口大小W<=2n-1213.3.2后退N幀ARQ協(xié)議22DATA13.3.3選擇重發(fā)SRQ協(xié)議SelectiveRepeatProtocol選擇性重發(fā)出錯(cuò)的幀。窗口大?。篧發(fā)=W收<=2k-1233.3.4滑動(dòng)窗口協(xié)議SlidingWindowProtocol允許連續(xù)發(fā)送多個(gè)幀而無需等待應(yīng)答。2425W<2a+1【例3-2】數(shù)據(jù)傳輸速率為50kb/s傳輸長(zhǎng)度為1kb的幀。確認(rèn)由數(shù)據(jù)幀捎帶。幀序號(hào)長(zhǎng)度為3,對(duì)于以下三種協(xié)議，最大信道利用率是多少？單向傳播延遲為270ms。解：一幀的發(fā)送時(shí)間1/50=0.02s，傳輸延遲0.27s則停止等待協(xié)議：發(fā)送數(shù)據(jù)+傳輸+發(fā)送數(shù)據(jù)（捎帶確認(rèn)）+傳輸=0.02+0.27+0.02+0.27=0.58s。發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間0.02*2,利用率=0.04/0.58=6.8%后退N滑動(dòng)：幀序號(hào)長(zhǎng)度為3b，發(fā)送窗口最大值=23-1=7，發(fā)送數(shù)據(jù)+傳輸+發(fā)送數(shù)據(jù)（捎帶確認(rèn)）+傳輸=0.02+0.27+0.02*6+0.02+0.27=0.7s。發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間0.02*8=0.16s利用率=0.16/0.7=22.86%選擇重發(fā)：發(fā)送窗口最大值23-1=4.發(fā)送數(shù)據(jù)+傳輸+發(fā)送數(shù)據(jù)（捎帶確認(rèn)）+傳輸=0.02+0.27+0.02*3+0.02+0.27=0.64s。發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間0.02*5=0.10s利用率=0.10/0.64=15.63%263.4差錯(cuò)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(hào)實(shí)際上是數(shù)據(jù)信號(hào)和噪聲信號(hào)的疊加。接收端在取樣時(shí)鐘作用下接收數(shù)據(jù)，并根據(jù)閾值電平判斷信號(hào)電平。如果噪聲對(duì)信號(hào)的影響非常大時(shí)，就會(huì)造成數(shù)據(jù)的傳輸錯(cuò)誤。我們把這種通過通信信道后接收的數(shù)據(jù)與發(fā)送的數(shù)據(jù)不一致的現(xiàn)象稱為傳輸差錯(cuò)。而分析差錯(cuò)產(chǎn)生的原因與差錯(cuò)類型，并加以檢查和糾正的方法稱為差錯(cuò)控制方法。27差錯(cuò)控制的基本方式--ARQ(1)自動(dòng)請(qǐng)求重發(fā)ARQ在接收端則根據(jù)編碼規(guī)則對(duì)收到的編碼信號(hào)進(jìn)行檢查，一旦檢測(cè)出(發(fā)現(xiàn))有錯(cuò)碼時(shí)，即向發(fā)信端發(fā)出詢問的信號(hào)，要求重發(fā)。發(fā)信端收到詢問信號(hào)時(shí)，立即重發(fā)已發(fā)生傳輸差錯(cuò)的那部分信息，直到正確收到為止。28差錯(cuò)控制的基本方式--FEC(2)前向糾錯(cuò)FEC

這種方式是發(fā)信端采用某種在解碼時(shí)能糾正一定程度傳輸差錯(cuò)的較復(fù)雜的編碼方法，使接收端在收到的信息碼中不僅能發(fā)現(xiàn)錯(cuò)碼，還能夠糾正錯(cuò)碼。采用前向糾錯(cuò)方式時(shí)，不需要反饋信道，也無需反復(fù)重發(fā)而延誤傳輸時(shí)間，對(duì)實(shí)時(shí)傳輸有利，但是糾錯(cuò)設(shè)備比較復(fù)雜。

293.4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)。30/118奇偶校驗(yàn)碼

奇偶校驗(yàn)碼是奇校驗(yàn)碼和偶校驗(yàn)碼的統(tǒng)稱，是一種最基本的檢錯(cuò)碼。它是由n-1位信息元和1位校驗(yàn)元組成。如果是奇校驗(yàn)碼，在附加上一個(gè)校驗(yàn)元以后，碼長(zhǎng)為n的碼字中“1”的個(gè)數(shù)為奇數(shù)個(gè)；如果是偶校驗(yàn)碼，在附加上一個(gè)校驗(yàn)元以后，碼長(zhǎng)為n的碼字中“1”的個(gè)數(shù)為偶數(shù)個(gè)。

31差錯(cuò)檢測(cè)編碼奇偶校驗(yàn)碼水平奇（偶）校驗(yàn)碼垂直奇（偶）校驗(yàn)碼水平垂直奇(偶)校驗(yàn)碼（方陣碼）32水平奇/偶校驗(yàn)碼水平奇/偶校驗(yàn)碼:其信息字段以字符為單位，校驗(yàn)字段僅含一個(gè)比特稱為校驗(yàn)比特或校驗(yàn)位,使用七單位的ASCII碼來構(gòu)造成八單位的檢錯(cuò)碼時(shí)若采用奇/偶校驗(yàn)，校驗(yàn)位的取值應(yīng)使整個(gè)碼字包括校驗(yàn)位中為1的比特個(gè)數(shù)為奇數(shù)或偶數(shù)。例：

信息字段

奇校驗(yàn)碼

偶校驗(yàn)碼

0110001

01100010

01100011編碼效率：Q/(Q+1)

(信息字段占Q個(gè)比特)應(yīng)用：通常在異步傳輸方式中采用偶校驗(yàn)，同步傳輸方式中采取奇校驗(yàn)若每個(gè)字符只采用一個(gè)奇偶校驗(yàn)位時(shí)，只能發(fā)現(xiàn)單個(gè)比特差錯(cuò)，如果有兩個(gè)或兩個(gè)以上比特出錯(cuò)，奇偶校驗(yàn)位無效；33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(gè)通信雙方共同約定的數(shù)據(jù)進(jìn)行除法運(yùn)算，并根據(jù)余數(shù)得出一個(gè)校驗(yàn)碼，然后將這個(gè)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)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(cuò)。34CRC原始信息M(x)：k位左移r位。除以r次生成多項(xiàng)式G(x)，得到余式R(x)。余式加上左移r位后的式子。35模2運(yùn)算模2加法這是一種二進(jìn)制的運(yùn)算，即兩個(gè)序列中對(duì)應(yīng)位，相加，不進(jìn)位，相同為0，不同為1。等同于異或運(yùn)算。模2除法與算術(shù)除法類似，但每一位除的結(jié)果不影響其它位，即不向上一位借位，所以實(shí)際上就是異或。36【例3-5】輸入多項(xiàng)式M(x)=x6+x5+x3+x+1，信息碼字為1101011，生成多項(xiàng)式為G(x)=x4+x2+x+1。試用模2除法求出傳送多項(xiàng)式R(x)及對(duì)應(yīng)的發(fā)送代碼。解：補(bǔ)0，G(x)最高四次，因此左移，后補(bǔ)4個(gè)0：11010110000模2除法：得到余數(shù)0100.相加的到：11010110100。對(duì)應(yīng)的多項(xiàng)式為：x10+x9+x7+x5+x4+x23738393.5數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議HDLC高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程：同步網(wǎng)上傳輸數(shù)據(jù)、面向比特的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。鏈路操作：主節(jié)點(diǎn)或者從節(jié)點(diǎn)，或者二者兼?zhèn)?。用于控制目的的?jié)點(diǎn)是主節(jié)點(diǎn)。主節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)組織數(shù)據(jù)流，對(duì)差錯(cuò)實(shí)施恢復(fù)。主節(jié)點(diǎn)發(fā)出的命令幀，從節(jié)點(diǎn)返回的成為響應(yīng)幀。401）正常響應(yīng)方式非平衡數(shù)據(jù)鏈路操作方式。用于面向終端的點(diǎn)到點(diǎn)或者一到多的鏈路。傳輸從主節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)，從節(jié)點(diǎn)收到命令幀后，響應(yīng)傳輸信息。主節(jié)點(diǎn)管理鏈路，輪詢、選擇從節(jié)點(diǎn)，控制超時(shí)、重發(fā)等恢復(fù)操作。2）異步響應(yīng)方式從節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)。從節(jié)點(diǎn)主動(dòng)發(fā)送給主節(jié)點(diǎn)。3）異步平衡方式允許任何節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)傳輸41HDLC的幀結(jié)構(gòu)比特888可變168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)間標(biāo)志字段F(Flag)：為6個(gè)連續(xù)1加上兩邊各一個(gè)0共8bit。固定格式—01111110，在接收端只要找到標(biāo)志字段就可確定一個(gè)幀的位置。作用—幀同步、傳輸數(shù)據(jù)的透明性（零比特插入與刪除）。地址字段：每個(gè)從節(jié)點(diǎn)和組合節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)唯一地址。全1位廣播地址?？刂谱侄危簶?gòu)成各種命令集響應(yīng)。表示是信息幀I、監(jiān)控幀S和無編號(hào)幀U的類型信息字段：二進(jìn)制比特串。大小一般1000-2000b

幀校驗(yàn)字段：16位CRC421）信息幀I有效信息或者數(shù)據(jù)控制字段中存放有幀序號(hào)。3b二進(jìn)制編碼。2）監(jiān)控幀S差錯(cuò)和流量控制固定6B大小四種編碼3）無編號(hào)幀U提供鏈路的建立、拆除以及多種控制43HDLC應(yīng)用特點(diǎn)應(yīng)用場(chǎng)合：點(diǎn)到點(diǎn)或者點(diǎn)到多點(diǎn)。半雙工或全雙工。同步傳輸。中高速傳輸。傳輸效率：連續(xù)發(fā)送。一次確認(rèn)多幀?？蓪ぶ?，可以同時(shí)選擇多個(gè)節(jié)點(diǎn)建立鏈路。傳輸效率較高?？煽啃裕篎CS，I幀順序標(biāo)號(hào)，可靠性比異步通信高。數(shù)據(jù)透明性：0比特插入法，透明傳輸。傳輸格式：統(tǒng)一幀格式。鏈路控制：各種控制字443.5.2PPP協(xié)議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)[RFC1661]。PPP協(xié)議有三個(gè)組成部分一個(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(LinkControlProtocol)。網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議NCP(NetworkControlProtocol)。

45/118PPP幀格式46PPP協(xié)議的幀格式PPP的幀格式和HDLC的相似。標(biāo)志字段F仍為0x7E（符號(hào)“0x”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）。PPP是面向字節(jié)的，所有的PPP

幀的長(zhǎng)度都是整數(shù)字節(jié)。47/118PPP鏈路工作過程483.6數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)備網(wǎng)橋：橋接器，工作在數(shù)據(jù)鏈路層，是連接2個(gè)局域網(wǎng)的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備?？梢詫⒁粋€(gè)較大的局域網(wǎng)分割成多個(gè)網(wǎng)絡(luò)。或者是將兩個(gè)以上的局域網(wǎng)互聯(lián)成一個(gè)邏輯上的局域網(wǎng)。從一個(gè)局域網(wǎng)接受MAC幀，拆封、校對(duì)、校驗(yàn)，再按照目標(biāo)局域網(wǎng)的格式封裝。具有緩存能力。49網(wǎng)橋的功能：幀的過濾和轉(zhuǎn)發(fā)緩沖管理協(xié)議轉(zhuǎn)換差錯(cuò)控制分層路徑選擇特