数据链路层的功能与服务.ppt

课程负责人：甘卫民 链路与数据链路 数据链路层的功能与服务 (1) 封装成帧(透明传输) (2) 可靠性的保障 (3) 差错控制 (4) 流量控制 (5) 链路管理 习题 重点： 了解数据链路层信道的类型；数据在链路层的流动 ； 熟悉数据链路层的功能与服务； 难点： 掌握封装帧的原理、差错控制编码(奇偶校验码、 CRC)； IP 数据报 1010 0110 帧 取出 数据 链路层 网络层 链路 结点 A结点 B 物理层 数据 链路层 结点 A结点 B 帧 发送 帧 接收 数据链路 IP 数据报 1010 0110 帧 装入 n常常在两个对等的数据链路层之间画出一个数字管道（数据 链路），而在这条数字管道上传输的数据单位是帧。 讨论1：数据链路层中基本概念 5 讨论1：数据链路层中基本概念（续） n链路(link) 一条无源的点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换 结点。 一条链路只是一条通路的一个组成部分 1.1 链路与数据链路 n数据链路(data link) 除了物理线路外，还必须有通信协议来控制这些数据的传输 。若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链 路。 数据链路=链路+协议实现 现在最常用的方法是使用适配器（即网卡）来实现这些协议 的硬件和软件。 一般的适配器都包括了数据链路层和物理层这两层的功能。 6 数据链路层的简单模型 局域网广域网 主机 H1 主机 H2 路由器 R1 路由器 R2 路由器 R3 电话网 局域网 主机 H1 向 H2 发送数据 链路层 应用层 运输层 网络层 物理层 链路层 应用层 运输层 网络层 物理层 链路层 网络层 物理层 链路层 网络层 物理层 链路层 网络层 物理层 R1R2R3 H1H2 从层次上来看数据的流动 7 1.2 数据链路层的服务 n数据链路层实现在同一链路两端相邻设备之间帧的传输，为网络 层提供数据包的搬运服务 n要解决在易受到干扰的物理层的原始比特流传输的服务基础上， 向网络层提供可靠的、无差错的、透明的、面向帧的传输服务。 v点对点信道 这种信道使用一对一的点对点通 信方式。 点对点信道 AB p 信道主要有以下两种类型： 广播信道 CBED A n广播信道 这种信道使用一对多的广播通信 方式，因此过程比较复杂。广播信道上连接的 主机很多，因此必须使用专用的共享信道协议 来协调这些主机的数据发送。 不同的信道，服务使用的控制实现方法有所差异 1.2 数据链路层的服务(续) 9 n要解决的几个基本问题 ？ (1) 封装成帧(透明传输) (2) 可靠性的保障 (3) 差错控制 (4) 流量控制 (5) 链路管理 1.2 数据链路层的服务(续) (1) 封装成帧帧(透明传输传输 ) v封装成帧(framing)就是在一段数据的前后分别添 加首部和尾部，构成了一个帧。确定帧的界限。 v首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界。 IP 数据报 MTU 数据链路层的帧长 开始 发送 帧结束 帧首部帧的数据部分帧尾部 帧开始 11 四种成帧方法: (1) 封装成帧(续) n字节计数法(Character count) n字符填充法(Flag bytes with byte stuffing) n比特填充法(Starting and ending flags, with bit stuffing) n违例编码法(Physical layer coding violations) 字符填充法 用特殊的控制字符进行帧定界，以解决当传输错误时，重新接收方 重新和发送方同步，找到帧的边界。 n成帧原理 帧开始符 （00000001） 帧结束符 （00000100） SOH 装在帧中的数据部分 EOT 帧 发送在前 13 待解决的问题：如何进行透明传输？ SOHEOT 出现了“EOT” 被接收端当作无效帧而丢弃被接收端 误认为是一个帧 数据部分 EOT 完整的帧 发送 在前 n问题分析 字符填充法(续) 14 解决透明传输问题传输问题 v发送端的数据链路层在数据中出现控制字符“SOH”或 “EOT”的前面插入一个转义字符“ESC”(其十六进制编 码是 1B，即00010000)。 v接收端的数据链路层在将数据送往网络层之前删除插入 的转义字符。 v如果转义字符也出现数据当中，那么应在转义字符前面 插入一个转义字符。当接收端收到连续的两个转义字符 时，就删除其中前面的一个。 解决方法：转义字符填充法 SOH SOHEOTSOHESC ESC EOTESC SOHESC ESCESC SOH 原始数据 EOT EOT 经过字节填充后发送的数据 字节填充字节填充字节填充字节填充 发送 在前 帧开始符帧结束符 用字符填充法解决透明传输传输 的问题问题 SOH 16 n问题分析(续) 优点： 可以解决当错误发生时，重新同步帧的边界 缺点： 依赖于字符的编码方式(ASCII) 不是所有字符都采用ASCII编码方式，如：UNICODE 采用16位编码 字符填充法(续) 比特填充法 (1) 封装成帧(续) n成帧原理 通过在帧头和帧尾分别添加具有特殊比特流模式（01111110）的标识 符，来标示帧的定界。 帧头数据载荷信息帧尾0111111001111110 原始数据 帧的定界符帧的定界符 发送 在前 18 待解决的问题：如何进行透明传输？ 01111110 出现了标识符 被接收端 误认为是一个帧 数据部分 完整的帧 发送 在前 n问题分析 比特填充法(续) 0111111001111110 n发送端，只要在数据部分发现有 5 个连续 1，则立即填入一个 0 。 n接收端对帧中的比特流进行扫描。每当发现 5 个连续1时，就把 这 5 个连续 1 后的一个 0 删除。 解决透明传输问题 解决方法：零比特填充法 原始数据部分 A01111110B 填充后的数据部分 A011111010B A01111100BA011111000B A01111101BA011111001B 20 n问题分析(续) 比特填充法优点： 适应于任何数据形式的比特流的传输 适应于任意编码方式的字符传输 比特填充法应用举例： HDLC 、PPP 比特填充法(续) n要解决的几个基本问题问题 ？ (1) 封装成帧(透明传输) (2) 可靠性的保障 (3) 差错控制 (4) 流量控制 (5) 链路管理 1.2 数据链路层的服务(续) 22 (2) 可靠性的保障 IP 数据报 1010 0110 帧 取出 数据 链路层 网络层 链路 结点 A结点 B 物理层 IP 数据报 1010 0110 帧 装入 数据链路层要将网络层的数据报封装在帧中，实现透明传输。 传输是否可靠？是否需要可靠保障？如何保障？ 23 (2) 可靠性的保障(续) n三种类型的传输可靠性服务 n不同的协议和系统中对数据链路层的传输可靠性服 务的定义是不同点。 无确认无连接的服务 有确认无连接的服务 有确认面向连接的服务 24 无确认无连接的服务 1.源端和目的端的数据链路层在传输帧之前不需要建立逻辑上 连接。（无连接） 2.每个帧在数据链路层协议的控制下从源端到目的端进行独立 传输。（独立传输） 3.目的端收到帧后，不需要通过反馈信息告诉源端，该帧是否 正确接收 （无确认） 4.帧在传输时如果因为噪音干扰而丢失，没有任何机制来检测 帧丢失，也没有任何机制实施帧的重新传输。 （无重传） n 基本思想 适应于质量较好、差错率降低的信道传输，将少许差错情况 的检测交给高层协议实现。 适应于实时性要求较高的场合。如：音频的传输 n 适应场合 25 有确认无连接的服务 1.源端和目的端的数据链路层在传输帧之前不需要建立逻辑上 连接。（无连接） 2.每个帧在数据链路层协议的控制下从源端到目的端进行独立 传输。（独立传输） 3.目的端收到帧后，需要通过反馈确认信息告诉源端数据链路 层，该帧正确接收。（有确认） 4.发送方对每个传输的帧进行编码 （帧编号） 5.帧在传输时丢失，源端可以通过超时机制，重新传输丢失的 帧。（超时重传） n 基本思想 l 适应于信道质量较差的不可靠信道 如：无线信道 n 适应场合 26 有确认面向连接的服务 源端和目的端的数据链路层在传输帧之前需要首先建立逻辑上连接。（ 有连接） 每个帧在数据链路层协议的控制下，沿着建立好的链路，从源端到目的 端进行独立传输。（独立传输） 发送方对每个传输的帧进行编号，目的端收到帧后，需要通过反馈确认 信息告诉源端数据链路层，相应编号的帧被正确接收；所有传输中的帧 要求按序到达目的端，且只被正确接收一次.（有确认，帧编号） 帧在传输时丢失，源端可以通过超时机制，重新传输丢失的帧。（超时 重传） 数据传输完毕，需要释放逻辑连接。（释放连接） n 基本思想 适应于传输要求可靠性较高的场合 n 适应场合 27 n要解决的几个基本问题问题 ？ (1) 封装成帧(透明传输) (2) 可靠性的保障 (3) 差错控制 (4) 流量控制 (5) 链路管理 1.2 数据链路层的服务(续) 28 n 误比特率与信噪比有很大的关系。 n 在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特 总数的比率称为误 比特率 BER 。 误比特率= 传输错误的比特位总数 实际传输的比特位总数 n 因为物理层存在噪音干扰（随机噪音和突发噪音），在传输中的 比特位可能会产生差错：1 可能会变成 0 而 0 也可能变成 1。 (3) 差错错控制 29 n 为了保证数据传输的可靠性，在计算机网络传输数据时，必须采用各种 差错控制措施。 (3)差错控制(续) 检错 纠错 差错控制措施 差错控制的基本思想 n 发送方按照一定算法为每一个传输的帧增加一定的冗余位（差错控制码 、校验和字段、帧检验序列） n 接收方按照相同算法进行检查（重新计算该冗余位，并判断计算结果和 实际接收的冗余位是否相等，相等表示检查结果正确，不相等表示检查结果 错误） 30 (3)差错控制(续) 差错检测 (检错码) 差错纠正 (纠错码) 接收，反馈确认信息检查正确 检查错误 帧丢失 差错控制的基本思想(续) 进行纠正，接收 超时重传 接收，反馈确认信息检查正确 检查错误 帧丢失 丢弃，并反馈否定帧 丢弃，超时重传 超时重传 差错检测 (检错码) 差错纠正 (纠错码) 差错控制的基本思想(续) (3)差错控制(续) 应用于高可靠性的信道传输，如：光 纤传输 应用于不可靠性的信道传输，如：无 线传输 ARQ,自动请求重传(Automatic request for repeat) FEC,前向纠错(forward error correction) 32 (3)差错控制(续) 码字(Codeword)的概念 k位 r位 n位码字（ n = k + r ） 数据位冗余（校验）位 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 11 0 1 0 1 编码效率: R= K n K K+r = 33 常用的简单差错控制编码 n奇偶校验码(parity checking code) n循环冗余码(CRC) (3)差错控制(续) n正反码 n海明码 34 通过增加冗余位来使得码字中”1”的个数保持奇数或偶数的 编码方法。 垂直奇/偶校验码 水平奇/偶校验码 水平垂直奇/偶校验码 奇偶校验码 n 分类: n 思想: 奇偶校验码 35 垂直奇/偶校验码 n 思想： 将整个发送的 信息块分为定 长为p位（一般 p=7）的若干段 （设为q段）, 每段后面按“1” 的个数为奇或 偶数的规律加 上一位奇偶位( 冗余位)。 36 偶校验 奇校验 37 例如:要发送的信息是 1100101 0100011 1011011 0101010 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 0 偶校验11 1 + 采用偶校验方式,实际发送: 11001010 01000111 10110111 01010101 发 送 顺 序 偶校验思想:添 加1位使得每列 中”1”的个数为 偶数个 38 例如:要发送的信息是 1100101 0100011 1011011 0101010 采用奇校验方式,实际发送: 11001011 01000110 10110110 01010100 奇校验1 00 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 + 发 送 顺 序 奇校验思想:添加 1位使得每列中”1” 的个数为奇数个 39 垂直奇/偶校验码的特点: 编码效率 R=P/(P+1) 只能检测每列奇数个错误,不能检测每列偶数个错误,检测效率 50% 发送方可以边发送边生成冗余位,接收方可以边接收边检测 40 水平奇/偶校验码 思想:添加1位使得 每行中”1”的个数 为奇/偶数个 41 例如:要发送的信息是 1100101 0100011 1011011 0101010 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 + 采用偶校验方式,实际发送: 1100101 0100011 1011011 0101010 0110111 发 送 顺 序 偶校验 0 1 1 0 1 1 1 42 水平奇/偶校验码的特点: 编码效率 R=q/(q+1) 只能检测每行奇数个错误,不能检测每行偶数个错误,检测效率 50% 可以检测出突发长度p的错误,漏检率小于垂直奇/偶校验方式 发送方和接收方需要使用记忆寄存器 43 水平垂直奇/偶校验码 思想:一般采用偶教 验，同时在每行和 每列上添加1位使得 每行和每列中”1”的 个数为偶数个 44 例如:要发送的信息是 1100101 0100011 1011011 0101010 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 偶 采用偶校验方式,实际发送: 11001010 01000111 10110111 01010101 01101111 发 送 顺 序 偶0 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 45 水平奇/偶校验码的特点: 编码效率 R=pq/(p+1)(q+1) 只能检测每行和每列奇数个错误 能检测出所有3位和3位以下的错误 能检测出大多数偶数位错误 可以检测出突发长度p+1的错误 具有1位纠错能力,但也可能误纠 发送方和接收方需要使用记忆寄存器 46 任意一个由二进制位串组成的码串都可以唯一的和一个系数仅为0 和1的多项式一一对应。 n 算法理论思想基础 假设二进制串： bm bm-1 bm-2 b2 b1 b0, 其中bi0，1 M(x)=bmxm+bm-1xm-1+b2x2+b1x+b0 循环冗余码(CRC) 47 例1： M(x)=x8+x7+x4+x2+1 110010101 例2： M(x)=x8+x6+x5+x4+x2+x101110110 48 选择一个生成多项式G(x) G(x)=grxr+gr-1xr-1+g2x2+g1 x+g0 其中：gi0，1 进行多项式除法运算 xrM(x) G(x) 商多项式 余多项式 Q(x) R(x) 其中R(x)=ar-1xr-1+ ar-2xr-2+ +a1x+a0 ai0，1 循环环冗余检验检验 的原理 v 在数据链路层传送的帧中，广泛使用了循环冗余检验 CRC 的检错技术。 v 在发送端，先把数据划分为组。假定每组 k 个比特。 v 假设待传送的一组数据 M = 101001（现在 k = 6）。我 们在 M 的后面再添加供差错检测 用的 n 位冗余码一起发 送。 冗余码码的计计算 v 用二进制的模 2 运算进行 2n 乘 M 的运算，这相当于在 M 后面添加 n 个 0。 v 得到的 (k + n) 位的数除以事先选定好的长度为 (n + 1) 位 的除数 P，得出商是 Q 而余数是 R，余数 R 比除数 P 少1 位，即 R 是 n 位。 冗余码码的计计算举举例 v现在 k = 6, M = 101001。 v设 n = 3, 除数 P = 1101， v被除数是 2nM = 101001000。 v模 2 运算的结果是：商 Q = 110101， 余数 R = 001。 v把余数 R 作为冗余码码添加在数据 M 的后面发送 出去。发送的数据是：2nM + R 即：101001001，共 (k + n) 位。 循环环冗余检验检验 的原理说说明 110101 Q (商) P (除数) 1101 101001000 2nM (被除数) 1101 1110 1101 0111 0000 1110 1101 0110 0000 1100 1101 001 R (余数)，作为 FCS 53 CRC练习 练习1.假设发送方待发的信息比特为:1001101011,选择的生成多项式 为G(x)=X4+X2+X+1,请问发送方实际发送的数据是什么?CRC码? 练习2.假设接收方接到如下比特流为:100011001011,校验时选择的 生成多项式为G(x)=X5+X3+X+1,请问接收到的比特流是否正确? 答案:10011010111111 答案:有误,因