第4章：數(shù)據(jù)鏈路層

第4章數(shù)據(jù)鏈路層1本章學習要求：了解：數(shù)據(jù)傳輸過程中差錯產(chǎn)生的原因與性質(zhì)。掌握：誤碼率的定義與差錯控制方法。掌握：數(shù)據(jù)鏈路層的基本概念。了解：面向字符型數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議實例—BSC。掌握：面向比特型數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議實例—HDLC。掌握：Internet中的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。24.1差錯產(chǎn)生與差錯控制方法

4.1.1為什么要設計數(shù)據(jù)鏈路層

在原始物理傳輸線路上傳輸數(shù)據(jù)信號是有差錯的；設計數(shù)據(jù)鏈路層的主要目的：將有差錯的物理線路改進成無差錯的數(shù)據(jù)鏈路；方法—差錯檢測差錯控制流量控制作用：改善數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，向網(wǎng)絡層提供高質(zhì)量的服務。34.1.2差錯產(chǎn)生的原因和差錯類型

傳輸差錯—通過通信信道后接收的數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)不一致的現(xiàn)象;差錯控制—檢查是否出現(xiàn)差錯以及如何糾正差錯；通信信道的噪聲分為兩類：熱噪聲和沖擊噪聲；由熱噪聲引起的差錯是隨機差錯，或隨機錯；沖擊噪聲引起的差錯是突發(fā)差錯，或突發(fā)錯；引起突發(fā)差錯的位長稱為突發(fā)長度；在通信過程中產(chǎn)生的傳輸差錯，是由隨機差錯與突發(fā)差錯共同構(gòu)成的。4傳輸差錯

產(chǎn)生過程5

4.1.3誤碼率的定義

誤碼率定義：二進制比特在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中被傳錯的概率，它在數(shù)值上近似等于：

Pe=Ne/N其中，N為傳輸?shù)亩M制比特總數(shù)；

Ne為被傳錯的比特數(shù)。6討論誤碼率應該是衡量數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下傳輸可靠性的參數(shù)；對于一個實際的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，不能籠統(tǒng)地說誤碼率越低越好，要根據(jù)實際傳輸要求提出誤碼率要求；對于實際數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，如果傳輸?shù)牟皇嵌M制比特，要折合成二進制比特來計算；差錯的出現(xiàn)具有隨機性，在實際測量一個數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)時，只有被測量的傳輸二進制比特數(shù)越大，才會越接近于真正的誤碼率值。74.1.4檢錯碼與糾錯碼

糾錯碼：每個傳輸?shù)姆纸M帶上足夠的冗余信息；接收端能發(fā)現(xiàn)并自動糾正傳輸差錯。檢錯碼:分組僅包含足以使接收端發(fā)現(xiàn)差錯的冗余信息；接收端能發(fā)現(xiàn)出錯，但不能確定哪一比特是錯的，并且自己不能糾正傳輸差錯。8常用的檢錯碼奇偶校驗碼垂直奇（偶）校驗水平奇（偶）校驗水平垂直奇（偶）校驗（方陣碼）循環(huán)冗余編碼CRC

目前應用最廣的檢錯碼編碼方法之一94.1.6差錯控制機制

反饋重發(fā)機制

10反饋重發(fā)機制的分類

停止等待方式

11連續(xù)工作方式

拉回方式選擇重發(fā)方式

124.2數(shù)據(jù)鏈路層的基本概念

4.2.1物理線路與數(shù)據(jù)鏈路線路—鏈路物理線路—數(shù)據(jù)鏈路鏈路可以分為物理鏈路和邏輯鏈路。規(guī)程和協(xié)議同義。最重要的作用：通過一些數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，在不太可靠的物理鏈路上實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸。134.2.2數(shù)據(jù)鏈路控制

數(shù)據(jù)鏈路層的主要功能：鏈路管理幀同步流量控制差錯控制幀的透明傳輸尋址將數(shù)據(jù)和控制信息區(qū)分開數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議—為實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路控制功能而制定的規(guī)程或協(xié)議。144.2.3停止等待協(xié)議停止等待協(xié)議是最簡單的基本數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。４.2.3.1不需要數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸兩個假設：１.鏈路是理想的傳輸通信，所有的任何數(shù)據(jù)傳輸既不會出差錯也不會丟失。２.發(fā)送方以多快的速率發(fā)送數(shù)據(jù)，接受方都來得及接受，并及時上交主機。不可能實現(xiàn)15４.2.3.２具有最簡單流量控制的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議假設１還在成立由接收方控制發(fā)送方的數(shù)據(jù)流，是計算機網(wǎng)絡中流量控制的一個基本方法。具有最簡單流量控制的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的具體算法：假設１還在成立在發(fā)送接點：（１）從主機取一個數(shù)據(jù)幀；（２）將數(shù)據(jù)幀發(fā)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）若接受到接收點發(fā)送來的信息，則從主機取一個新的數(shù)據(jù)幀，然后轉(zhuǎn)到（2）。16４.2.3.２具有最簡單流量控制的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議在接收接點：（１）等待；（２）若收到由發(fā)送接點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)幀，就將其放在數(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；（４）在發(fā)送接點發(fā)一信息，表示數(shù)據(jù)幀已經(jīng)上交給主機；（５）轉(zhuǎn)到（1）；不可能實現(xiàn)17４.2.3.３實用的停止等待協(xié)議前面的兩個假設不在成立，及傳輸數(shù)據(jù)的信道不能保證使所有的數(shù)據(jù)不產(chǎn)生錯誤，并且還需要對數(shù)據(jù)的發(fā)送端進行流量控制。不出錯誤的時候處理方法：確認幀(ACK)和否認幀（NCK)錯誤的時候處理方法：在數(shù)據(jù)幀中加上了冗余檢驗(CRC)，并重發(fā)。超時計時器：重復幀:184.3連續(xù)ARQ協(xié)議4.3.1連續(xù)ARQ協(xié)議的工作原理：要點是在發(fā)送完一個數(shù)據(jù)幀后，不是停下來等待確認幀，而是可以連續(xù)再發(fā)送若干數(shù)據(jù)幀。如果這時收到了接收端發(fā)來的確認幀，那么還可以接著發(fā)送數(shù)據(jù)幀，這樣就減少了等待時間，整個通信的吞吐量就提高了。例如書上例子：P79這里注意兩點：（1）接收端只是按順序接收數(shù)據(jù)幀。（2）結(jié)點A在每發(fā)送完一個數(shù)據(jù)幀時都要設置超時計時器。連續(xù)ARQ協(xié)議又稱為Go-backe-NARQ意思就是當出差錯必須重時，要向回走N個幀，然后再開始重傳。特點：提高了連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)幀的效果，但是另一個方面，在重傳時又必須把原來已正確發(fā)送過的幀傳送，這樣又降低了數(shù)據(jù)幀傳送效率。194.3.2滑動窗口的概念4.3.2滑動窗口的概念連續(xù)ARQ協(xié)議的問題：連續(xù)ARQ協(xié)議中，應該將發(fā)送出去但沒有被確認的數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)幀數(shù)目加以限制，著就是滑動窗口要研究的內(nèi)容。在接收端和發(fā)送端分別設置發(fā)送窗口和接收窗口，來限制數(shù)據(jù)幀的數(shù)目。發(fā)送窗口：用來對發(fā)送端進行流量控制。發(fā)送窗口的大小表示在沒有收到對方確認信息的情況下發(fā)送端最多可以發(fā)送多少個數(shù)據(jù)幀。204.3.2滑動窗口的概念發(fā)送窗口的規(guī)則如下：（1）發(fā)送窗口內(nèi)的幀是允許發(fā)送的幀，而不需要考慮有沒有收到確認。（2）每發(fā)送完一幀，允許發(fā)送的幀就減少1，但是發(fā)送窗口的位置不變。（3）如所有允許發(fā)送的幀都發(fā)送完了，還在沒有收到任何的確認信息，那么就不能再發(fā)送任何幀了。而進入等待。（4）每收到一個幀的確認，發(fā)送窗口就向前滑動一個幀的位置。214.3.2滑動窗口的概念接收窗口：是為了控制可以接受那些數(shù)據(jù)幀而不是接收那些幀。在接收端只有當收到數(shù)據(jù)幀的發(fā)送序號落入接受窗口內(nèi)才能允許將該數(shù)據(jù)幀收下。接收窗口歸納如下：（1）只有當收到幀的序號與接收窗口一致時才能接收該數(shù)據(jù)幀。（2）每收到一個序號正確的幀，接收窗口就向前滑動一個幀的位置，并同時向發(fā)送端發(fā)送該幀的確認信息。224.3.3信道利用率數(shù)據(jù)幀必須包括一定的控制信息，所以連續(xù)不停地發(fā)送數(shù)據(jù)幀，信道的利用率不可能達到100%出錯時，數(shù)據(jù)幀不得不重傳將進一步降低信道的利用率。數(shù)據(jù)幀的長短就很重要，不能太長，也不能太短。因此要選擇一個最佳的數(shù)據(jù)幀的長度。在次幀下信道的利用率最高。234.4選擇重傳ARQ協(xié)議為了提高信道的利用率，可以設法只重傳出現(xiàn)差錯的數(shù)據(jù)幀或是計時器超時的數(shù)據(jù)幀，就必須增加接收窗口的大小，接收下發(fā)送序號不連續(xù)但仍在接收窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)幀，這就是選擇重傳ARQ協(xié)議。選擇重傳ARQ協(xié)議特點：P84244.5數(shù)據(jù)鏈路層向網(wǎng)絡層提供的服務

數(shù)據(jù)鏈路層服務的類型：面向連接確認服務（acknowledgedconnection-orientedservice）；

無連接確認服務（acknowladgedconnectionlessservice）；

無連接不確認服務（unacknowledgedconnectionlessservice）。

25實際數(shù)據(jù)路徑與虛擬數(shù)據(jù)路徑264.5面向字符型數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議實例：BSC

4.5.1數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的分類

274.5.2面向字符型協(xié)議實例：BSC

什么是面向字符型協(xié)議?以字符為控制傳輸信息的基本單元

ASIIC碼：格式字符：SOH（startofheading）STX（startoftext）ETB（endoftransmissionblock）ETX（endoftext）

控制字符：ACK（acknowledge）NAK（negativeacknowledge）ENQ（enquire）EOT（endoftransmission）SYN（synchrous）DLE（datalinkescape）28面向字符型BSC協(xié)議的數(shù)據(jù)報文格式29建立、維護與釋放數(shù)據(jù)鏈路流程圖304.6典型數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議分析—面向比特型

4.6.1HDLC產(chǎn)生的背景

面向字符型數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的缺點：報文格式不一樣；傳輸透明性不好；等待發(fā)送方式，傳輸效率低。面向比特型協(xié)議的設計目標：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。314.6.2數(shù)據(jù)鏈路的配置和數(shù)據(jù)傳送方式數(shù)據(jù)鏈路的配置非平衡配置:p85平衡配置:p85非平衡配置中的主站與從站主站：控制數(shù)據(jù)鏈路的工作過程。主站發(fā)出命令從站：接受命令，發(fā)出響應，配合主站工作非平衡配置中的結(jié)構(gòu)特點點-點方式多點方式32數(shù)據(jù)鏈路的非平衡配置方式33非平衡配置方式正常響應模式（normalresponsemode，NRM）主站可以隨時向從站傳輸數(shù)據(jù)幀；從站只有在主站向它發(fā)送命令幀進行探詢（poll），從站響應后才可以向主站發(fā)送數(shù)據(jù)幀。

異步響應模式（asynchronousresponsemode，ARM）主站和從站可以隨時相互傳輸數(shù)據(jù)幀；從站可以不需要等待主站發(fā)出探詢就可以發(fā)送數(shù)據(jù)；主站負責數(shù)據(jù)鏈路的初始化、鏈路的建立、釋放與差錯恢復等功能。34平衡配置方式

鏈路兩端的兩個站都是復合站（combinedstation）；復合站同時具有主站與從站的功能；每個復合站都可以發(fā)出命令與響應；平衡配置結(jié)構(gòu)中只有異步平衡模式（asynchronousbalancedmode，ABM）；異步平衡模式的每個復合站都可以平等地發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸，而不需要得到對方復合站的許可。35數(shù)據(jù)鏈路的平衡配置方式364.6.3HDLC的幀結(jié)構(gòu)

信息幀,監(jiān)督幀,無編號幀F(xiàn)（flag）：固定格式—01111110

作用—幀同步傳輸數(shù)據(jù)的透明性（零比特插入與刪除）A（address）：地址C（control）：幀的類型、幀的編號、命令與控制信息I（information）：網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)，Nmax=256BCRC（checksum）：校驗A、C、I字段的數(shù)據(jù)

G(X)=X16+X12+X5+137幀類型及控制字段的意義38幀類型I幀：

N（S）—發(fā)送幀的順序號

N（R）

—

接收幀的順序號

P/F=Poll/Final，P=1詢問，F(xiàn)=1響應

P與F成對出現(xiàn)S幀：監(jiān)控功能位

S=00，RR（receiveready）

S=01，RNR（receivenotready）S=10，RJE（reject）S=11，SREJ（selectreject）U幀：用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路控制功能39U幀的格式與鏈路控制功能404.6.4數(shù)據(jù)鏈路層的工作過程

簡化的信息幀結(jié)構(gòu)的表示方法一個信息幀的表示

41無編號幀的表示方法

SNRM幀與UA幀結(jié)構(gòu)的表示方法

42正常響應模式數(shù)據(jù)鏈路工作43討論：數(shù)據(jù)鏈路層

與物理層的關系444.7Internet中的數(shù)據(jù)鏈路層

4.7.1Internet中主要的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議SLIP（SerialLineIP）—串行線路的Internet數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議PPP（Point-to-PointProtocol）—點-點協(xié)議SLIP與PPP用于串行通信的撥號線路上，是目前家庭計算機或公司用戶通過ISP接到Internet主要的協(xié)議。454.7.2SLIP協(xié)議SLIP出現(xiàn)于20世紀80年代初，最早是在BSDUNIX4.2版操作系統(tǒng)上實現(xiàn)的;SLIP協(xié)議支持TCP/IP協(xié)議;對數(shù)據(jù)報進行了簡單的封裝，然后來用RS-232接口串行線路進行傳輸;SLIP通常也用來將遠程終端連接到UNIX主機，也可通過租用或撥號串行線路進行主機到路由器，以及路由器到路由器的通信。46典型的SLIP接入方式Internet的家庭或小型公司用戶通過調(diào)制解調(diào)器、電話網(wǎng)絡連接到ISP的調(diào)制解調(diào)器；ISP的調(diào)制解調(diào)器再通過它的路由器接入Internet；SLIP系統(tǒng)一般可以發(fā)送和接收1006B的IP數(shù)據(jù)報。47SLIP協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)RFC1055文件對SLIP幀格式進行了討論;SLIP幀頭與幀尾的“CO”，是協(xié)議使用的惟一的一個控制字符;CO的二進制編碼比特序列是10000110000000;CO的使用將影響SLIP幀數(shù)據(jù)的透明性;48

SLIP協(xié)議的缺點使用SLIP協(xié)議時，通信的雙方都必須知道對方的IP地址，因為SLIP協(xié)議沒有為它們提供相互交換地址信息的方法；沒有設置協(xié)議類型字段，不具備同時處理多種網(wǎng)絡層協(xié)議的能力；沒有校驗和字段，差錯控制功能由高層的協(xié)議承擔；SLIP協(xié)議并不是Internet的協(xié)議標準，因此不同版本的之間就會存在著差別，使得互連變得困難。494.7.3CSLIP協(xié)議SLIP協(xié)議通常運行于傳輸速率相對較低的串行線路上;在常用于Telnet之類的應用程序中，人們提出了一種壓縮的SLIP（CSLIP）協(xié)議;RFC1144對CSLIP進行了定義;Telnet是一種交互式的應用程序，每次常常只傳送幾個字節(jié)的信息，通信效率低。

50因特網(wǎng)的點對點的協(xié)議PPP早期使用的是簡單的面向字符協(xié)議SLIP，但是該協(xié)議的缺點很多，如：（1）SLIP沒有差錯檢測功能；（2）通信的每一方都必須事先知道對方的IP；（3）SLIP僅支持IP協(xié)議，不支持其他協(xié)議；（4）SLIP并沒有成為因特網(wǎng)的標準協(xié)議，存在很多互不兼容的版本，影響到了因特網(wǎng)的通信。為了克服SLIP的缺點，在1992年制定了PPP協(xié)議，并經(jīng)過修訂后得到廣泛的使用。51因特網(wǎng)的點對點的協(xié)議PPP下面我們就來學習點對點的協(xié)議（PPP協(xié)議）PPP協(xié)議有如下的三部分組成：（1）一個將IP數(shù)據(jù)報封裝到串行鏈路的方法；（2）一個用來建立、配置和測試數(shù)據(jù)鏈路連接的鏈路控制協(xié)議（LCP）（3）還有一套網(wǎng)絡控制協(xié)議（NCP）,其中的每一個協(xié)議都支持不同的網(wǎng)絡層協(xié)議。52因特網(wǎng)的點對點的協(xié)議PPPPPP協(xié)議不使用序號和確認機制的主要原因：（1）控制開銷。（2）數(shù)據(jù)鏈路層的可靠傳輸并不能保證網(wǎng)絡層的傳輸也是可靠的。（3）PPP協(xié)議在幀格式中有幀檢驗序列FCS字段。PPP協(xié)議使用的狀態(tài)：P91534.7.4PPP協(xié)議基本特點PPP協(xié)議是Intern