第3章 数据链路层.ppt

第3章数据链路层 3 1差错产生与差错控制方法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 差错检测差错控制作用 改善数据传输质量 向网络层提供高质量的服务 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 传输差错产生过程 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 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 检错重发 在检错重发方式中 发射机发出可以检测错误的码 接收端译码后未发现错误 返回一个 确认 否则返回一个 否认 发送端重发该信息 常用的检错码 奇偶校验码垂直奇 偶 校验水平奇 偶 校验水平水平垂直奇 偶 校验 方阵码 循环冗余编码CRC目前应用最广的检错码编码方法之一 5 循环冗余检验原理设待传送的数据为M 用二进制的模2算术进行2n乘M运算 该运算相当于M后添n个0 用得到的新数除以事先选定好的数P P长度为 n 1 bit 得出的商为Q 余数R 再将R添加在M后面而发出去 即2nM R 以上运算称为循环冗余检验 在接收端计算 2nM R p 只要得出Q 余数 不为0就表示检测到了差错 例 M 1010001101n 5P 110101解 M 2n 1010001101 25 101000110100000 101000110100000 110101 得到余数R 01110 最后发送数据为101000110101110 3 2数据链路层的基本概念 1 链路与数据链路链路 Link 就是一条无源的点点的物理线路段 中间没有其它的交换结点 指物理上链路 数据链路指当需要在一条线路上传递数据时 除了必须有一条物理线路外 还必须有一些必要的规程来控制这些数据的传输 指逻辑上链路 2 主要功能链路管理帧同步流量控制差错控制将数据与控制信息分开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 3 3基本数据链路协议 1 理想化的数据传输完全理想化的数据传输基于以下两个假定 假定1 链路是理想的传输信道 所传数据不会出差错与丢失 假定2 不管发方以多快的速率发送数据 收方总是可及时收下 并上交主机 2 具有简单流量控制的数据链路层协议1 基本条件假定1成立 假定2去掉 也就是当收方链路层向主机交付数据的速率略低于发方发送数据速率时 收方的缓存区会逐渐堆积 最后造成缓存溢出而数据帧丢失 因此需要数据链路层协议进行流量控制 2 实现方法发方每发送一帧就暂停下来 收方收到数据帧后就交付给主机 然后发一信息给发方 表示接收任务已完成 这时发方才发送下一个帧 这样 收方接收缓存只要能容纳一个帧即可 DATA1 DATA2 送主机B 送主机B A B 3 3 1停止等待协议 对于实际信道 假定1 2都不可能成立 也就是说既需差错控制 也需要流量控制 1 基本原理停等协议是最简单 最基本的协议 发送方每发一个数据帧 都要停下来等待接收方的确认应答 在保证所发的数据帧不丢失以后 才继续发新的数据帧 接收方则要确认收到的数据帧没有误码 不重复 2 几种情况 A站 B站 DATA0 DATA1 B回 A发 A发 a 正常情况 t ACK A站 B站 DATA0 DATA0 A发 A重发 b 帧出错 t B回否认 出错 B回 ACK NAK A站 B站 DATA0 DATA0 ACK A发 超时重发 c 帧丢失 t B回 丢失 A站 B站 DATA0 DATA0 ACK A发 超时重发 d 应答帧丢失 t B回 重复丢弃 ACK 丢失 B回 3 定量分析 A B DATA0 DATA1 ACK tpr tT tout tf tp tpr ta 从图可知 tT为两个成功发送数据帧之间最小间隔 tT tf tout若出现差错 则成功发送1个帧的时间大于tT 设帧出差错概率为p 并假定ACK不出错 则帧重传次数为 M 1 p 正确传送一帧所花平均时间为 每秒成功发送的最大帧数为 数据帧实际到达率为 用tf归一化后得到的吞吐量为 3 4连续ARQ协议 DATA0 DATA1 DATA3 ACK1 ACK2 B A A发 t B回 1 工作原理 DATA2 DATA0 DATA1 DATA2 DATA3 DATA4 DATA5 DATA3 DATA4 DATA0 DATA1 DATA2 ACK3 NAK3 DATA4 DATA5 DATA3 DATA5 DATA4 DATA5 出错 丢弃 重发 发送方 接收方 帧破坏如果一帧损坏 从最近一次得到应答的数据帧开始都进行重发 退回N步协议 数据帧破坏 DATA0 DATA1 DATA2 DATA3 DATA4 DATA5 DATA2 DATA3 DATA0 DATA1 DATA3 DATA4 DATA5 DATA2 DATA4 DATA3 DATA4 丢失 丢弃 丢弃 退回N步协议 数据帧丢失 发送方 接收方 丢弃 超时 DATA0 DATA1 DATA2 DATA0 DATA1 DATA0 DATA1 NAK2 DATA0 DATA1 DATA2 DATA2 丢失 退回N步协议 应答帧丢失 发送方 DATA2 超时 接收方 2 定量分析 当不出现差错时 成功发送一帧的时间为tf 当出现差错时 设重传一帧时间为tT 此时正确传送一帧所花费时间为 此处 tT略大于tf tout 3 5滑动窗口的概念 1 发送窗口发送端允许连续发送帧的数目 也称为窗口尺寸WT 2 接收窗口接收端允许接收数据帧的数目WR 当WT WR 1时 滑动法就是停等协议 3 工作原理设发送序号用3bit来编码 即从0到7 假定WT 5 发送窗口规则如下 发送窗口WT 允许发送5个帧 不允许发送这些帧 WT 还允许发送4个帧 不允许发送这些帧 已发送 a b WT 已发送 不允许发送这些帧 WT 已发送 不允许发送这些帧 已发送且收到确认 c d 还允许发送3个帧 接收端只接收落入接收窗口内的帧 窗口外的帧一律丢弃 设WR 1 接收窗口规则如下 WT 准备接收0号帧 不允许接收这些帧 WT 不允许接收这些帧 已收到 a b 准备接收1号帧 不允许接收这些帧 已收到 准备接收3号帧 WT c 注意 1 当用n个比特进行编号时 若WR 1 则发送窗口的大小 2 接收端缓存按照先进先出队列 只有收到队列首帧的确认时 方可将队首的帧清除 3 6选择重传ARQ协议 在连续ARQ协议中 某帧出现差错时 重传该帧及以后正确的帧 发方积极 收方仍保守 为了进一步提高信道利用率 通过加大接收窗口 可设法只重传出现差错的数据帧或超时的数据帧 等到所缺序号的帧收到后再送交主机 这就是选择重传ARQ协议 DATA0 DATA1 DATA2 DATA3 DATA4 DATA5 DATA2 DATA0 DATA1 NAK2 DATA3 DATA4 DATA5 DATA2 发送方 接收方 DATA2 选择距绝 数据帧坏 重发 3 7高级数据链路控制协议HDLC 1 HDLC的帧结构HDLC帧结构如图所示 0111111088可变1601111110 数据链路层的数据传送是以帧为单位的 数据链路层在信息字段的头尾各加上24bit的控制信息 这样就构成了一个完整的帧 下面分别介绍控制信息各字段的意义 1 标志字段F标志字段F为6个连续 1 加上两端各一个 0 共8bit 主要解决帧同步 帧同步 就是从收到的比特流中正确无误地判断出一个帧从哪个比特开始以及到哪个比特结束 2 零比特填充法在发送端 当一串比特流尚未加上标志字段时 先扫描整个帧 只要发现有5个连续 1 则立即填入一个 0 在接收时 先找到F字段以确定帧的边界 接着对其比特流进行扫描 每当发现5个连续 1 时 就将5个连续 1 后的一个 0 删除 因此经过零比特填充后的数据 能保证不会出现6个连续 1 可以传送任意组合的帧 当连续传两个帧时 一帧的结束标志字段F可以兼作后一帧的起始标志字段 零比特的填充与删除 数据中某一段比特组合恰好出现和F字段一样的情况 01001111110001010 会被误认为是F字段 3 地址字段A非平衡式 主机与终端之间为主从关系 主机轮询各终端 终端被问到时才能响应 对称式 链路上每个物理站点都有两个逻辑站点 一个是主站点 一个是从站点平衡式 每个站都可随时主动发送数据 在点对点情况下 多使用平衡配置模式 响应 响应 命令 命令 命令 响应 响应 命令 响应 命令 响应 主站点 主站点 从站点 从站点 对称式 非平衡式 平衡式 复合站点 复合站点 地位字段A 为8个比特 在使用非平衡方式传送数据时 地址字段总是写人次站的地址 但在平衡方式时 地址字段总是填入应答站的地址 地址的扩充 一般以后面7位作为基本地址 其有效地址的数目为127 以第1位作为扩充位 当该扩充位为 0 时 表示下一地址字段后7位也为地址位 当该扩充位为 1 时 表示后面没有扩充地址 全 1 地址是广播方式 而全 0 地址是无效地址 4 帧校验序列FCSFCS长度为16bit 采用循环冗余校验码进行差错控制 5 信息字段I存放要传输的数据信息 6 控制字段C长度为8bit 帧中一个字节或两个字节的分段 用来进行流量管理 具体结构如下 0 P F 1 0 P F 1 1 P F N S N R N R N R Code Code 信息帧 监管帧 无序号帧 HDLC协议控制域 P F1有效 主站发送到从站点时 意味着查询 从站发送到主站时 意味着结束 2 HDLC帧类型 用来传输用户数据以及与用户数据有关的控制信息 用来传输控制信息 主要是数据链路层流量和错误控制信息 管理链路本身所需的信息 HDLC三种类型的帧 信息帧 I 帧 监管帧 S 帧 无序号帧 U 帧 标志 地址 控制 标志 FCS 信息 标志 地址 控制 标志 FCS 信息 标志 地址 控制 标志 FCS 从上层来的用户数据 管理网络所需的信息 可以有也可以无 信息帧 I 帧 监管帧 S 帧 无序号帧 HDLC帧类型 3 8因特网的点对点协议PPP 现在全世界使用得最多的数据链路层协议是点对点协议PPP Point to PointProtocol 用户使用拨号电话线接入因特网时 一般都是使用PPP协议 用户拨号入网的示意图 路由器 调制解调器 调制解调器 因特网服务提供者 ISP 用户家庭 拨号电话线 使用TCP IP的PPP连接 路由选择进程 至因特网 PC机 PPP协议 1992年制订了PPP协议 经过1993年和1994年的修订 现在的PPP协议已成为因特网的正式标准 RFC1661 PPP协议有三个组成部分一个将IP数据报封装到串行链路的方法 链路控制协议LCP LinkControlProtocol 网络控制协议NCP NetworkControlProtocol PPP协议的帧格式 PPP的帧格式和HDLC的相似 标志字段F仍为0 x7E 符号 0 x 表示后面的字符是用十六进制表示 十六进制的7E的二进制表示是01111110 地址字段A只置为0 xFF 地址字段实际上并不起作用 控制字段C通常置为0 x03 PPP是面向字节的 所有的PPP帧的长度都是整数字节 PPP协议的帧格式 PPP有一个2个字节的协议字段 当协议字段为0 x0021时 PPP帧的信息字段就是IP数据报 若为0 xC021 则信息字段是PPP链路控制数据 若为0 x8021 则表示这是网络控制数据 IP数据报 1 2 1 1 字节 1 2 不超过1500字节 PPP帧 先发送 7E FF 03 F A C FCS F 7E 协议 信息部分 首部 尾部 透明传输问题 当PPP用在同步传输链路时 协议规定采用硬件来完成比特填充 和HDLC的做法一样 当PPP用在异步传输时 就使用一种特殊的字符填充法 字符填充法 将信息字段中出现的每一个0 x7E字节转变成为2字节序列