[理学]第4章：数据链路层.ppt

第4章数据链路层 2 本章学习要求 了解 数据传输过程中差错产生的原因与性质掌握 误码率的定义与差错控制方法掌握 数据链路层的基本概念了解 面向字符型数据链路层协议实例 BSC掌握 面向比特型数据链路层协议实例 HDLC掌握 Internet中的数据链路层协议 3 4 1差错产生与差错控制方法 4 1 1为什么要设计数据链路层在原始物理传输线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 将有差错的物理线路改进成无差错的数据链路 方法 差错检测差错控制流量控制作用 改善数据传输质量 向网络层提供高质量的服务 4 4 1 2差错产生的原因和差错类型 传输差错 通过通信信道后接收的数据与发送数据不一致的现象 差错控制 检查是否出现差错以及如何纠正差错 通信信道的噪声分为两类 热噪声和冲击噪声 由热噪声引起的差错是随机差错 或随机错 冲击噪声引起的差错是突发差错 或突发错 引起突发差错的位长称为突发长度 在通信过程中产生的传输差错 是由随机差错与突发差错共同构成的 5 传输差错产生过程 6 4 1 3误码率的定义 误码率定义 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 7 讨论 误码率应该是衡量数据传输系统正常工作状态下传输可靠性的参数 对于一个实际的数据传输系统 不能笼统地说误码率越低越好 要根据实际传输要求提出误码率要求 差错的出现具有随机性 在实际测量一个数据传输系统时 只有被测量的传输二进制比特数越大 才会越接近于真正的误码率值 8 4 1 4检错码与纠错码 检错码 分组仅包含足以使接收端发现差错的冗余信息 接收端能发现出错 但不能确定哪一比特是错的 并且自己不能纠正传输差错 纠错码 每个传输的分组带上足够的冗余信息 接收端能发现并自动纠正传输差错 9 常用的检错码 奇偶校验码在数据后面加上一个奇偶位 使得码字中 1 的数目是偶数或奇数 循环冗余编码CRC目前应用最广的检错码编码方法之一 10 4 1 5循环冗余编码工作原理 11 循环冗余校验码 多项式编码 任何一个由二进制数位串组成的代码都可以与只含有0和1两个系数的多项式建立一一对应的关系 多项式以 为模式运算 进行异或操作 加法不进位 减法不借位 如 1001101111110000 11001010 101001100101000101010110 发送方和接收方商定一个生成多项式 X 校验和追加在帧的末尾 使该帧的多项式能被 X 除尽 当接收方收到帧 用G X 去除它 若有余数 则出错 12 举例 13 标准CRC生成多项式G x CRC 12G x x12 x11 x3 x2 x 1CRC 16G x x16 x15 x2 1CRC CCITTG x x16 x12 x5 1CRC 32G x x32 x26 x23 x22 x16 x12 x11 x10 x8 x7 x5 x4 x2 x 1 14 CRC校验码的检错能力 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位的突发错 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 15 16 17 18 19 20 21 22 4 1 6差错控制机制 反馈重发机制 23 反馈重发机制的分类 停止等待方式 24 连续工作方式 拉回方式选择重发方式 25 滑动窗口协议 滑动窗口技术被广泛使用 它将错误控制和流控制结合起来考虑允许连续发送多个帧 PDU 用于支持面向连接的服务 支持双工通信引入捎带确认的概念捎带技术原理 数据帧到达时接收过程延迟待发确认 把确认附加到下一个将发送的数据帧上传送 特点 能较好地利用有效的信道带宽 帧头部的ack字段花费小 增加了复杂性 与单独确认比 26 滑动窗口协议 所有滑动窗口协议 每个发帧包含一个序列号 其范围0 2n 1 发送过程始终保持一组序列号对应允许发帧 称这些帧落在发送窗口内 代表可以发送的帧 包括已经发送但未确认的帧 接收过程维持接收窗口 对应允许收帧 接收窗口始终保持初始大小 窗口外的帧一概丢弃 27 1位滑动窗口协议 使用停等协议发送过程发帧后 需等待已发帧的确认 才能发送下一帧 过程 28 4 2数据链路层的基本概念 4 2 1物理线路与数据链路线路 链路物理线路 数据链路 29 4 2 2数据链路控制 链路管理帧同步流量控制差错控制帧的透明传输寻址数据链路层协议 为实现数据链路控制功能而制定的规程或协议 30 4 2 3数据链路层向网络层提供的服务 数据链路层是OSI参考模型的第2层 设立数据链路层的主要目的是将原始的 有差错的物理线路变为对网络层无差错的数据链路 为了实现这个目的 数据链路层必须实现链路管理 帧传输 流量控制 差错控制等功能 数据链路层为网络层提供的服务主要表现在 正确传输网络层的用户数据 为网络层屏蔽物理层采用的传输技术的差异性 31 数据链路层提供的服务 数据链路层的服务是通过有无连接 有无确认来区分的无确认无连接的服务有确认无连接的服务有确认有连接的服务 32 确认和连接 确认 接收方在收到数据帧后 必须给发送方发回一个确认面向连接 发送方和接收方在传输数据之前必须建立一条数据链路 传输结束后必须释放该链路 33 无确认面向无连接的服务 无确认是指接收方在收到数据帧后 毋需发回一个确认无连接的服务是指在数据传输前毋需建立数据链路物理线路的连接并非意味着提供了有连接的服务无确认并非不可靠 其可靠性可由上层负责例如 局域网 共享信道不需要 也不允许建立连接信道较为理想 数据传输的误码率很低即使出错或丢失由上层负责恢复 34 有确认面向无连接的服务 使用前不建立连接 即不建立数据链路 但每帧传输必须得到确认这在信号传播延时较大 线路状态不一定很可靠的情况下是有效的例如 无线通信 如建立连接 则信道使用率很低然而 由于数据传输的误码率相对较高 所以确认是必要的 35 有确认的面向连接服务 使用前先建立连接 即先建立数据链路 并且每帧的传输必须得到确认有连接的服务必须在使用前先建立连接 即建立数据链路 然后使用 最后释放连接例如 电话 电话是一种实时的应用 如不是面向连接 则实时性难以得到保证电话是一对一的 双向的数据传输 36 4 3面向字符型协议实例 面向字符型协议以字符为控制传输信息的基本单元ASCII码 格式字符 SOH startofheading STX startoftext ETB endoftransmissionblock ETX endoftext 控制字符 ACK acknowledge NAK negativeacknowledge ENQ enquire 询问对方 并要求回答EOT endoftransmission SYN synchrous DLE datalinkescape 转义字符 37 面向字符型BSC协议的数据报文格式 38 建立 维护与释放数据链路流程图 39 4 4典型数据链路层协议分析 面向比特型 4 4 1HDLC产生的背景面向字符型数据链路层协议的缺点 控制报文与数据报文的格式不一样 停止等待发送方式 传输效率低 只对数据部分差错控制 控制字符出错无法控制 可靠性低 系统每增加一种功能需要设定一个新的控制字符 功能扩展困难 最早由IBMSNA提出SDLC SynchronousDataLinkControl ISO根据SDLC 提出了HDLC HighlevelDataLinkControl HDLC是面向bit的同步通信协议面向比特型协议的设计目标 以比特作为传输控制信息的基本单元 数据帧与控制帧格式相同 传输透明性好 连续发送 传输效率高 40 41 4 4 2数据链路的配置和数据传送方式 数据链路的配置非平衡配置平衡配置非平衡配置中的主站与从站主站 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 配合主站工作非平衡配置中的结构特点点 点方式多点方式 42 数据链路的非平衡配置方式 43 非平衡配置方式的两种数据传送方式 正常响应模式 normalresponsemode 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 从站响应后才可以向主站发送数据帧 异步响应模式 asynchronousresponsemode ARM 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 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 44 平衡配置方式 链路两端的两个站都是复合站 combinedstation 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 平衡配置结构中只有一种工作模式 异步平衡模式 asynchronousbalancedmode ABM 异步平衡模式的每个复合站都可以平等地发起数据传输 而不需要得到对方复合站的许可 45 数据链路的平衡配置方式 46 4 4 3HDLC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C control 帧的类型 帧的编号 命令与控制信息I information 网络层数据 Nmax 256BCRC checksum 校验A C I字段的数据G X X16 X12 X5 1 47 零比特插入 删除工作过程 48 帧类型及控制字段的意义 49 帧类型 I帧 N S 发送帧的顺序号N R 接收帧的顺序号P F Poll Final P 1询问 F 1响应P与F成对出现 50 S帧 监控功能位S 00 RR receiveready 接收准备好S 01 RNR receivenotready 接收未准备好S 10 RJE reject 拒绝接收S 11 SREJ selectreject 选择性拒收 51 U帧 用于实现数据链路控制功能 52 4 4 4数据链路层的工作过程简化的信息帧结构的表示方法一个信息帧的表示 53 无编号帧的表示方法SNRM帧与UA帧结构的表示方法 54 正常响应模式数据链路工作 55 讨论 数据链路层与物理层的关系 56 因特网模型1 因特网中的网络互联 其中的路由器之间是一根点对点的数据传输信道 4 5Internet中的数据链路层 57 因特网模型2 因特网中家庭用户的入网 家庭用户通过拨号与远程ISP联接后 采用点对点方式通信 58 Internet中主要的数据链路层协议SLIP SerialLineIP 串行线路的Internet数据链路层协议PPP Point to PointProtocol 点 点协议SLIP与PPP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 59 SLIP 串型线路IP SLIP 串型线路IP SerialLineIP 协议简单 无差错控制 只适用于IP 通信的每一方必须事先知道对方的IP地址 只支持低速的业务 19 2K 未成为标准 不详细介绍 60 PPP协议及其基本特点 PPP协议是Internet标准 RFC1660 RFC1661定义了PPP协议与帧结构 PPP协议处理了差错检测 支持面向字符型协议与面向比特型协议 可以支持IP协议及其他一些网络层协议 例如IPX协议 PPP协议不仅在拨号电话线 并且在路由器 路由器之间的专用线上广泛应用 连接时允许协商IP地址允许身份认证PPP协议是在大多数家庭个人计算机和ISP之间使用的协议 它可以作为在高速广域网和社区宽带网协议族的一部分 61 PPP的组成部分 PPP提供了串行点对点链路上传输数据报的方法 包括以下三个部分 串行链路上封装数据报的方法 既支持异步链路 也支持面向bit的同步链路扩展的链路控制协议 LinkControlProtocol LCP 用于建立 配置和测试数据链路的连接网络控制协议 NCP 簇 支持各种网络层协议 62 PPP信息帧格式 标志 flag 01111110地址 address 值为 FF 11111111 表示网中所有的站都接收该帧控制 control 值为 03 00000011 无序号帧 即毋需确认 协议 protocol 长度为2字节 它标识出网络层协议数据域的类型 常用的网络层协议的类型主要有 0021H TCP IP0023H OSI0027H DEC数据字段 长度可变 63 链路控制帧 LCP 与网络控制帧 NCP 链路控制帧 LCP 网络控制帧 NCP 64 PPP的链路控制协议LCP PPP的LCP LinkControlProtocol 提供了建立 配置 维护和终止点对点链接的方法LCP的过程按以下四个阶段进行 链路的建立和配置协调链路质量检测网络层协议配置阶段关闭链路