[工学]第3章-1：广域网的数据链路层.ppt

第3章 广域网的数据 链路层 -解决一条链路的可靠通信问题,2,本章学习要求：,了解：数据链路层的基本概念 了解：帧定界的两种方法 掌握: 两种基本的差错检测方法-奇偶校验和CRC校验 掌握: 可靠传输协议-GBN协议和SR协议 了解: 两个广域网常用的数据链路层协议-HDLC和PPP协议 掌握: 电路交换和分组交换技术 掌握: 分组交换网络的两种组网方式：虚电路和数据报 了解: 各种广域网技术及特点,3,3.0 数据链路层的基本概念 1.物理链路与数据链路,物理链路:就是一条点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换结点。 数据链路(逻辑链路):实现通信协议的硬件和软件加到物理线路上,构成了数据链路,4,为什么要设计数据链路层？,在原始物理链路上传输数据信号是有差错的； 设计数据链路层的主要目的： 将有差错的物理链路改进成无差错的数据链路； 改善数据传输质量，向网络层提供高质量的服务。 方法:差错检测、差错控制、流量控制,5,2 数据链路控制的具体功能,链路管理：数据链路的建立、维持、释放 帧定界：接收方应当能够从收到的比特流中识别一帧的起始与结束 帧的透明传输 差错检测 差错控制 流量控制 寻址,6,3.1 帧定界,1.什么是帧定界？,接收方能够从收到的比特流中识别一帧的 起始与结束,2.帧定界分类：,字符填充帧定界法:每个帧以DLE STX开头,以DLE ETX结束 比特填充帧定界法；,7,比特填充帧定界法： -适用于面向比特的链路层协议,用一组比特作为帧的起始和结束，如01111110 利用“0比特插入法”来解决数据传输透明性问题 0比特插入法: 发送方在发送信息数据时，在连续的5个1后插入1个0；接收方在接收到连续的5个1后若跟1个0时，删除0； -p67,8,噪声引起数据通信差错,3.2差错检测,噪声无时不在,9,一、两种主要差错： 随机差错：随机热噪声引起 随机热噪声是由传输介质中的电子热运动引起的，是信道固有的、持续存在的 幅度较小，频谱较宽 突发差错：冲击噪声引起 冲击热噪声是由外界某种原因突发产生的热噪声，由外界电磁干扰等引起，具有突发性； 噪声幅度较大，造成多个比特的差错，是传输中产生差错的主要原因 突发差错并不意味着所有的位都是错误的，它只意味着至少第一位和最后一位是错误的 突发长度：突发差错发生的第一个码元到有错的最后一个码元间所有码元的个数。,10,二、误码率： 二进制比特在数据传输系统中被传错的概率，它在数值上近似等于： Pe = Ne/N 其中，N为传输的二进制比特总数； Ne为被传错的比特数。 电话线路：4800-9600b/s传输速率时，平均误码率为0.01-0.0001之间,11,三、差错检测编码： 两种处理错误的策略 两种差错控制编码:纠错码、检错码,介绍原理,纠错码： 接收端能发现并自动纠正传输差错。 冗余信息多，一般应用于错误发生频繁的信道上 检错码： 接收端能发现出错，不能纠正传输差错。 冗余信息少，一般用于可靠性高的信道上,12,编码的性能指标,包含信息位和冗余位的单元被称为码字， 其中信息位k位，冗余位r位 编码效率R：码字中信息位所占的比例 R=k/(k+r) 漏检率：信息位出错但是接收者漏检的概率,13,四、常用的检错码,奇偶校验码：简单,检错能力较差 循环冗余校验码（CRC） :有线链路数据链路层应用最普遍最有效的检错码,14,五、奇偶校验码,1.垂直奇（偶）校验 2.水平奇（偶）校验 3.水平垂直奇（偶）校验（方阵码）,15,奇偶校验码,1.什么是奇偶性？ 一个二进制码字，如果它的码元有奇数个1就称为具有奇性；有偶数个1称为具有偶性； 2.什么是奇偶校验？ 给每一个码字加上一个校验位，使它具有奇性或偶性, 就是奇校验或偶校验。,16,垂直奇偶校验码,发送的信息块分成定长为p位的若干段（列）。 每段增加一个奇（偶）校验冗余位ri ：,数据的排放是先从上到下第一列，再第二列,17,垂直奇偶校验码,编码效率:p/p+1 能力： 检测出每列（段）中所有奇数个错； 突发错误的漏检率为50%。,18,水平奇偶校验码,对各个信息段的相应位横向进行编码 编码效率:q/q+1 能力：,各段同一位上的奇数个错 长度小于等于p的突发差错,19,20,水平垂直奇偶校验码,编码效率：pq/(1+p)(1+q),21,六、循环冗余校验码(CRC),预备知识: 1.模二运算: 加法不进位,减法不借位; 加法和减法都等价于异或运算。 1011 1011 1011 + 0101 - 0101 XOR 0101 1110 1110 1110 2.比特序列乘以2的k次幂,就是将比特 序列左移k个位置,其后逐位填零,22,循环冗余校验码(CRC),基本原理: 已知：一个被传输数据块DATA, k位长, 已知数P, n+1位长 发送方要产生一个n位长的检错码.把检 错码加到数据DATA后面,组成一个包含有k+n 位的发送帧T，使T能被已知数P整除. 发送帧T. 当接收方把接收到的帧T除以P，若能 整除，则认为无差错；否则，认为出错。,23,循环冗余检错码的计算,已知：被传输数据块DATA,包含有k位；P是发送方和接受方均已知的除数,它的第一位和最后一位必须是1，共n+1位 计算DATA的CRC码： 1.将DATA乘以2的n次幂,即将DATA左移n位添零得到DATA0；(除数P是n+1位) 2.用DATA0除以P，采用模二运算，得到的n位余数R就是DATA的CRC码 3.最终传送的数据DATAT=DATA0+R,它必被P整除,24,检验差错: 收到DATAT=DATA0+ R 如果DATAT采用模二运算仍然能够被P 整除,则认为没有发生传输差错,25,举例: 发送110011,除数P为11001,26,已知:发送1010001101(10位),p=110101(6位),计算CRC校验码,并验证传输结果是否出错,得到的n位余数R，不足n位在左边补零,27,CRC中除数的生成多项式描述法,常用生成多项式G(x)来描述除数P，生成多 项式G(x)与已知除数P的关系是： 将除数P看成是只有0和1两个系数的一个多项式的系数序列。n位除数P对应一个n-1次多项式。 对应关系如：已知除数P为“1010001”，则生成多项式G（x）描述为6次多项式:x6+x4+1,28,CRC漏检的情况,如果接收到的帧包含位错，但能被P整除，那么所发生的位错就没有被检测出来。选择恰当P或生成多项式G(x)可以减少这种漏检的可能性！,29,标准CRC生成多项式G（x）,CRC-12 G（x）= x12+x11+x3+x2+x+1 对应于已知除数P是：1100000001111 CRC-16 G（x）= x16+x15+x2+1 对应于已知除数P是：10000000000000101 CRC-CCITT G（x）= x16+x12+x5+1 CRC-32 G（x）= x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+ x10 +x8+x7+x5+x4 + x2+x+1,30,CRC校验码的检错能力:K为生成多项式的最高次数,CRC校验码能检查出全部单个错； CRC校验码能检查出全部离散的二位错； CRC校验码能检查出全部奇数个错； CRC校验码能检查出全部长度小于或等于K位突发错； CRC校验码能以1-（1/2）K-1的概率检查出长度为（K+1）位的突发错； 如果K=16，则该CRC校验码能全部检查出小于或等于16 位的所有的突发差错，并能以1-（1/2）16-1=99.997的概 率检查出长度为17位的突发错，漏检概率为0.003%；,课后练习99页6题,31,练习,为了进行差错控制，必须对传送的数据帧进行校验。在局域网中广泛使用的校验方法是 (1) 校验。CRC16标准规定的生成多项式为G(x)=X16+X15+X2+l，它产生的校验码是 (2)位，接收端发现错误后采取的措施是(3)。如果CRC的生成多项式为G(X)=X4+X+1，信息码字为10110，则计算出的CRC校验码是(4)。 (1)A奇偶 B海明 C格雷 D循环冗余 (2)A2 B4 C16 D32 (3)A. 自动纠错 B报告上层协议 C自动请求重发 D重新生成原始数据 (4)A0100 B1010 C0111 D1111,32,3.3 可靠传输协议,使用确认和超时重传机制的可靠传输协议称为自动重发请求ARQ协议(Automatic Repeat Request) ARQ协议分为停-等ARQ和连续ARQ,连续ARQ分为后退N ARQ和选择重传ARQ P71,33,关于滑动窗口大小的选择,假设序号字段占用k比特，则帧的序号范围 是0，2k-1 ，结论： 后退N帧协议：发送窗口和接收窗口的最大尺寸为2k-1 选择重传协议：发送窗口和接收窗口的最大尺寸为2k-1,34,练习,若采用后退N帧ARQ协议进行流量控制，帧编号为7位，则发送窗口的最大长度为 。 A. 7 B. 8 C. 127 D. 128,35,3.4数据链路层协议举例,3.4.1 面向字符型的二进制同步通信BSC 3.4.2 高级数据链路控制HDLC 3.4.3 点对点协议PPP,36,3.4.1面向字符型数据链路层协议：BSC (Binary Synchronous Communication),面向字符型协议 利用已定义好的一种标准字编码(如ASCII码、EBCDIC码等)的一个子集执行通信控制功能。,37,ASCII码的字符子集,格式字符： SOH（start of heading）：报头开始 STX（start of text）：正文开始 ETB（end of transmission block）：正文信息组结束 ETX（end of text）：正文结束 控制字符： ACK（acknowledge）：肯定应答 NAK（negative acknowledge）：否定应答 ENQ（enquire）：询问对方，并要求回答 EOT（end of transmission）：传输结束 SYN（synchrous）：同步 DLE（data link escape）：转义字符,38,39,面向字符型BSC协议的数据报文格式,SOH（start of heading）：报头开始 STX（start of text）：正文开始 ETB（end of transmission block）：正文信息组结束 ETX（end of text）：正文结束 SYN（synchrous）：同步,40,面向字符型数据链路层协议的缺点：,使用不同字符集的系统之间难以通信； 数据传输的透明性较差（控制字符可能出现在数据正文） 增加功能需要增加新的控制字符,扩展困难 通信双方采用停等方法，传输效率低。 协议不对控制字段进行差错控制，可靠性差,41,HDLC协议与PPP协议,点对点通信情况:路由器-路由器点到点互联,42,3.4.2面向比特型数据链路层协议实例 高级数据链路控制HDLC,是面向比特的协议，不依赖任何字符集； 采用0比特插入法，传输透明性好，易于实现； 数据帧与控制帧格式相同； 支持全双工，可以连续发送，传输效率高； 协议对控制信息和数据信息都进行CRC校验； 用序列号标识帧，进行可靠传输；,一、HDLC的优点：,43,二 HDLC数据链路的配置和数据传输模式,1.数据链路的配置 非平衡配置:主站与从站 主站：控制数据链路的工作过程。主站发出命令 从站：接受命令，发出响应，配合主站工作 平衡配置:复合站 链路两端的两个站都是复合站 复合站同时具有主站与从站的功能； 每个复合站都可以发出命令与响应；,44,数据链路的非平衡配置方式,多点方式,45,2.数据传输模式：一个HDLC链路上可能有两台或多台主机通信，相互之间的关系 非平衡配置的数据传输模式 平衡配置的数据传输模式：异步平衡模式 （常用）,正常响应模式,异步响应模式,46,非平衡配置的数据传输模式,正常响应模式（normal response mode，NRM） 主站可以随时向从站传输数据帧； 从站只有在主站向它发送命令帧进行探询（poll），从站才可以向主站发送数据帧。 异步响应模式（asynchronous response mode，ARM） 主站负责数据链路的初始化、链路的建立、释放与差错恢复等功能。 主站和从站可以随时相互传输数据帧； 从站可以不需要等待主站发出探询就可以发送数据；,47,异步平衡模式(asynchronous balanced mode，ABM) 每个站都是复合站，具有主站和从站功能； 每个复合站都可以平等地发起数据传输并进行数据接收，而不需要得到对方复合站的许可。,平衡配置的数据传输模式,48,三 HDLC的帧结构,F（flag） ：固定格式 01111110 作用 帧同步 传输数据的透明性（零比特插入与删除） A（address） ：地址。命令帧中的地址字段填写对方节点的地址，响应帧中的地址字段填写本节点的地址 C（control） ：帧的类型与意义 I（information） ：网络层数据 FCS（checksum） ：校验A、C、I字段的数据 CRC校验采用CRC-CCITT G（x）= x16+x12+x5+1,如果正文中有标志字段数据怎样区分,49,帧类型及控制字段的意义,50,1.信息帧 I帧-传送有效信息或数据,N（S） 发送帧的顺序号 N（R） 期望接收帧的顺序号（捎带确认） P/F= Poll / Final: P=1 探询; F=1 传输结束标志,51,2.监控帧 S帧（不携带信息）用于差错控制和流量控制 Type与 N（R）搭配-P80 Type = 00，RR（receive ready）：接受就绪，请求发送下一帧 Type = 10，RNR（receive not ready）：请求暂停发送数据帧（流量控制） Type = 01，REJ（reject）(GBN)：请求重新发送编号为N(R)之后的所 有帧 Type = 11，SREJ（selective reject）（SR）：请求重发制定帧 P/F= Poll / Final: P=1 探询; F=1 此次发送结束,52,3.无编号帧U帧 ：用于实现数据链路控制功能,P/F= Poll / Final: P=1 命令; F=1 此次传输结束,53,举例：主站向从站发送SNRM帧，从站响应,54,四 数据链路层的工作过程,简化的信息帧结构的表示方法 信息帧的表示 无编号帧的表示方法,55,正常响应模式数据链路的工作过程,捎带确认,56,HDLC协议,HDLC是思科的私有协议，是思科路由器在同步串行链路上的默认封装方式。 不同厂家的路由器在串行接口上需要封装PPP协议。,57,3.4.3 PPP协议,PPP （ Point-to-Point Protocol） 点到点协议，用于串行通信的拨号线路上，是目前家庭计算机或公司用户通过ISP接到Internet主要的协议;同时也用于路由器到路由器的通信。