第4章：数据链路层PPT课件.ppt

第4章数据链路层 计算机网络 第4章数据链路层 1 可编辑 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 可编辑 3 本章知识点的组织结构 可编辑 4 本章主要内容 1 差错产生与差错控制方法2 数据链路层的基本概念3 面向字符型数据链路层协议实例4 面向比特型数据链路层协议实例5 Internet中的数据链路层6 流量控制 可编辑 5 4 1 1为什么要设计数据链路层4 1 2差错产生和差错类型4 1 3误码率的定义4 1 4检错码与纠错码4 1 5循环冗余编码4 1 6差错控制机制 4 1差错产生与差错控制方法 可编辑 6 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会有差错 普通线路不采用差错控制技术不能满足网络要求 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 流量控制等作用 改善数据传输质量 向网络层提供高质量的服务 可编辑 7 物理层 发送的数据分组 接收数据分组 D 与D可能不相同 未采用数据链路层的传输 可能会出现错误 可能会出现错误 可编辑 8 采用数据链路层的传输 数据链路层 物理层 发送的数据分组 正确接收数据分组 错误检测码ErrorDetectionCode 返回 可编辑 9 4 1 2差错产生和差错类型 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 由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 可编辑 10 传输差错产生过程 可编辑 11 差错举例 可编辑 12 Inasinglebiterror onlyonebitinthedataunithaschanged 单bit错 可编辑 13 Inamultiplebiterror twoormorebitsinthedataunithavechanged 多bit错 可编辑 14 Abursterrormeansthattwoormorebitsinthedataunithavechanged 长度为5的突发错 可编辑 15 数据通信应对差错的基本对策有三个方面 提高信道质量 使用高质量的信道使用中继器提高数据信号的健壮性纠错码 检错码 采用合适的差错控制协议通常采用检错码查出差错 再由合适的差错控制协议来补救 返回 可编辑 16 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 可编辑 17 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 对于实际数据传输系统 如果传输的不是二进制比特 要折合成二进制比特来计算 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 返回 可编辑 18 4 1 4检错码与纠错码 检错码 在传输的分组中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 但不能确定哪一个比特传输出错 并且自己不能纠正传输差错 目的 常用于决定是否重发 纠错码 在每个传输的分组带上足够多的冗余信息 以便在接收端能发现并自动纠正传输差错 可编辑 19 常用的简单检错码 奇偶校验码 定义 通过增加冗余位来使得码字中 1 的个数保持奇数或者偶数的编码方法 说明 编码规则是先将发送的信息分组 一般是按字符分组比较方便 即一个字符或若干个字符构成一组 分类 垂直奇偶校验水平奇偶校验水平垂直奇偶校验 可编辑 20 垂直奇偶校验 是将整个发送的信息块分成定长为p位的若干段 形成一列 每段之后按 1 的个数为奇数或偶数的规律增加1位奇偶校验冗余位ri 可编辑 21 运算规则 可编辑 22 例如发送ABCDE字符 则原始的二进制数据为 10000011000010100001110001001000101 1000001 第1个 第2个 第3个 第4个 第5个 1000010 1000011 1000100 1000101 奇校验 1 1 0 1 0 偶校验 字符 垂直奇校验 发送端的编码过程 可编辑 23 接收端得到ABCDE字符后的校验 10000011 第1个 第2个 第3个 第4个 第5个 10100101 10101110 10000001 10001010 奇校验 字符 垂直奇校验 接收端的校验过程 怎样校验 可编辑 24 通常 取一个字符的代码为一个信息位段 这种校验有时也称为字符奇偶校验 能力 检测出每列 段 中所有奇数 1 3 个错 但不能检测偶数个错 突发错误的漏检率为50 在发送和接收的过程中进行编码与解码 设置简单 用硬件或软件均可方便实现 垂直奇偶校验说明 可编辑 25 水平奇偶校验 水平奇偶校验 降低突发错误的漏检率 对各个信息段的相应位横向进行编码 产生一个奇偶校验冗余位 可编辑 26 运算规则 可编辑 27 例如发送ABCDE字符 则原始的二进制数据为 10000011000010100001110001001000101 1000001 第1个 第2个 第3个 第4个 第5个 1000010 1000011 1000100 1000101 校验码 字符 水平奇校验 发送端的编码过程 0 1 1 1 1 1 0 可编辑 28 1000001 第1个 第2个 第3个 第4个 第5个 0000010 1001010 1100101 1000101 校验码 字符 水平奇校验 接收端的校验过程 0111110 接收端得到ABCDE字符后的校验 可编辑 29 通常 若每个信息段就是一个字符 则列数就是要发送的字符数 能力 可以检测各段同一位上的奇数个错可以检测突发长度 p的突发差错漏检率相比垂直奇偶检验要低编码和检测相比垂直校验而言实现要复杂些 编码效率 无论硬件 软件方法都不能在发送过程中进行编码冗余位 而必须要等发送信息全部到齐后才能产生冗余位 故一定要有记忆存储器 因此 编码和检测实现要复杂一些 水平奇偶校验说明 可编辑 30 水平垂直奇偶校验 可编辑 31 可编辑 32 水平垂直奇偶校验能力检测出 3位或3位以下的错误 奇数位错突发长度 p 1的突发差错很大一部分偶数位错 差错分布以致于某一行或者某一列有奇数个差错部分纠错功能 可以纠正1比特错 信息块中恰好只有某一行和某一列有奇数位错时 可确定为该行和该列的交叉处纵向 横向 纵横奇偶校验 水平垂直奇偶校验说明 可编辑 33 4 1 5循环冗余编码 说明 奇偶校验码作为一种检错码虽然简单 但是漏检率太高 在计算机网络和数据库通信中 目前应用最广的检错码是一种漏检率低也便于实现的循环冗余编码CRC CyclicRedundancyCode 可编辑 34 CRC编码又称多项式编码 1 任何一个由二进制数位串组成的代码都可以和一个只含有0和1两个系数的多项式建立一一对应的关系 2 k位信息位对应于一个 k 1 次多项式K x 3 r位冗余位对应于一个 r 1 次多项式R x 4 信息位 冗余位 k r 对应于一个 n 1 次多项式T x xrK x R x 可编辑 35 6 如 代码1011011对应的多项式为 x6 x4 x3 x 1而多项式x5 x4 x2 x对应的代码为 110110 5 CRC编码在发送端编码和接收端校验时都使用事先约定的相同的生成多项式G x 可编辑 36 CRC校验的工作原理 K为生成多项式的最高幂的值 Q X 为多项式相除的商 R X 为多项式相除的余数 发送数据由原始数据和校验数据组成 可编辑 37 举例 实际的CRC校验码生成是采用二进制模二算法 即加法不进位 减法不借位 异或运算 可编辑 38 1 若发送数据比特序列为110011 6比特 2 生成多项式比特序列为11001 5比特 K 4 3 将发送数据比特序列乘以2k 那么产生的乘积为1100110000 相当于左移k位 可编辑 39 4 将乘积用生成多项式比特序列去除 按模二算法得 可编辑 40 5 将余数比特序列加到乘积中得 可编辑 41 6 如果在数据传输过程中没有发生传输错误 那么接收端接收到的带有CRC校验码的数据比特序列一定能被相同的生成多项式整除 即 可编辑 42 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 可编辑 43 CRC编 译码实例有一个 10 7 码 若待传输的信息序列为1001001 生成多项式为G x x3 x2 1 求CRC码的检验序列码 并验证收到的码字1001001111的正确性 可编辑 44 编码 信息序列1001001对应的码多项式为K x x6 x3 1 信息码左移10 7 3位得对应的代码为1001001000 生成多项式G x x3 x2 1对应的代码为1101 用1001001000除以1101得校验位 除法为模2运算 即异或运算 可编辑 45 可编辑 46 编码结果 得到检验序列111 因此传输的代码序列为1001001111 码多项式为T x 译码 如收到的代码为1001001111 则用其除以生成多项式对应的代码1101 得余数为0 读者自己验证 说明信息在传输过程中没错 将最后的r位校验位码 111 去掉 就得到信息码1001001 可编辑 47 译码并纠错 若收到的T x 代码为1001001101 按原过程计算 将其除以生成多项式对应的代码1101 得余数为10 如下页 这就说明传输有差错 差错e x x 其代码为10 将其纠正1001001101 10 1001001111 可编辑 48 可编辑 49 4 1 6差错控制机制 反馈重发机制 可编辑 50 反馈重发机制的分类 停止等待方式 数据数据数据数据 协议简单 系统通信效率低 可编辑 51 可编辑 52 可编辑 53 连续工作方式 拉回方式选择重发方式 注 连续发送若干帧 返回 可编辑 54 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 可编辑 55 4 2 2数据链路控制 主要功能如下 链路管理帧同步流量控制差错控制帧的透明传输寻址 可编辑 56 链路管理 数据链路的建立 维护和释放 帧的同步 接收方准确的确定帧的开始与结束 流量控制 接收方控制发送方发送数据的速率 差错控制 接收方能够发现传输错误 并能纠正错误 透明传输 当所传的数据中出现了控制字符时 必须采取措施 使接收方不至于将数据误认为是控制信息 寻址 在多个连接的情况下 要保证每一帧能传送到正确的目的结点 接收方也能知道发送方是哪个结点 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 可编辑 57 4 2 3数据链路层向网络层提供的服务 数据链路层服务的类型 面向连接确认服务 acknowledgedconnection orientedservice 无连接确认服务 acknowladgedconnectionlessservice 无连接不确认服务 unacknowledgedconnectionlessservice 可编辑 58 实际数据路径与虚拟数据路径 返回 可编辑 59 4 3面向字符型数据链路层协议实例 BSC4 3 1数据链路层协议的分类 可编辑 60 4 3 2面向字符型协议实例 BSC 什么是面向字符型协议 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 EOT endoftransmission SYN synchrous DLE datalinkescape 可编辑 61 面向字符型BSC协议的数据报文格式 缺点 1 使用不同字符集的两台机器很难利用此协议进行通信 2 控制字符的编码不能在用户数据字段中出现 正文开始 可编辑 62 数据报文 可编辑 63 控制报文 可编辑 64 面向字符型协议的特点 以字符作为传输信息的基本单位字符型协议采用特定的编码允许使用同步和异步传输方式多采用半双工通信方式校验多采用方阵码纠错采用等待发送的传输方式 可编辑 65 建立 维护与释放数据链路流程图 返回 可编辑 66 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 报文格式不一样 传输透明性不好 等待发送方式 传输效率低 协议只对数据部分进行差错控制 系统每增加一种功能就需要设定一个新的控制字符 可编辑 67 面向比特型协议的设计目标 无论信息报文还是监控报文均以帧作为传输单元 具有统一的帧格式 并用标志F 01111110 控制简单 报文数据和控制信息完全独立 除标志外 所有信息不受任何比特和字符宽度的限制 具有良好的透明性 报文的数据和控制信息都采用检错能力较强的循环冗余校验CRC 可靠性较好 在链路上传输信息采用连续发送 即发送一帧信息后 无需等待对方的应答就可以发送下一帧信息 传输效率高 可编辑 68 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 主站与每一个从站之间都要分别建立数据链路 可编辑 69 数据链路的非平衡配置方式 可编辑 70 非平衡配置方式 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 可编辑 71 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 可编辑 72 数据链路的平衡配置方式 可编辑 73 4 4 3HDLC的帧结构 F flag 固定格式 01111110作用 帧同步 帧的开始和结束传输数据的透明性 零比特插入与删除 A address 地址 应答 从站或复合站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 可编辑 74 零比特插入 删除工作过程 可编辑 75 帧类型及控制字段的意义 可编辑 76 帧类型 I帧 N S 当前发送帧的顺序号N R 已正确接收N R 号之前的帧 P F Poll Final P 1询问 F 1响应P与F成对出现S帧 监控功能位S 00 RR receiveready S 10 RNR receivenotready S 01 RJE reject S 11 SREJ selectreject U帧 用于实现数据链路控制功能 可编辑 77 可编辑 78 帧类型举例 例1 设HDLC某一帧的控制字段C为2CH 说明其意义 分析 2CH 00101100B 即I为0 N S 2 P 1 N R 4答 这一帧是信息帧 发送的是2号帧 希望对方发4号帧 询问对方发送信息 可简记为I 2 4 P 可编辑 79 帧类型举例 例2 次站向主站发送应答 已准备好接收 希望接收5号帧 是次站发出的最后一帧 试写出控制字段C的编码 答 C 10001101B 8DH 可编辑 80 U帧的格式与链路控制功能 可编辑 81 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 可编辑 82 无编号帧的表示方法SNRM帧与UA帧结构的表示方法 置正常响应模式 置正常响应模式 可编辑 83 正常响应模式数据链路工作 探询从站置正常响应模式 响应主站命令 探询发送数据 有数据可连续发送 但最后一帧的F应置为1表示结束 再一次探询 最后一帧F应置为1表示结束 释放连接 响应释放连接 链路建立 数据传输 释放链路 可编辑 84 两种协议的不同特性 可编辑 85 讨论 数据链路层与物理层的关系 返回 可编辑 86 4 5Internet中的数据链路层4 5 1Internet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 面向字符型协议 可编辑 87 4 5 2SLIP协议 SLIP出现于20世纪80年代初 最早是在BSDUNIX4 2版操作系统上实现的 SLIP协议支持TCP IP协议 对数据报进行了简单的封装 然后来用RS 232接口串行线路进行传输 SLIP通常也用来将远程终端连接到UNIX主机 也可通过租用或拨号串行线路进行主机到路由器 以及路由器到路由器的通信 可编辑 88 典型的SLIP接入方式 Internet的家庭或小型公司用户通过调制解调器 电话网络连接到ISP的调制解调器 ISP的调制解调器再通过它的路由器接入Internet SLIP系统一般可以发送和接收1006B的IP数据报 可编辑 89 SLIP协议的帧结构 RFC1055文件对SLIP帧格式进行了讨论 SLIP帧头与帧尾的 CO 是协议使用的惟一的一个控制字符 CO的二进制编码比特序列是100001100110000 CO的使用将影响SLIP帧数据的透明性 可编辑 90 SLIP协议的缺点 使用SLIP协议时 通信的双方都必须知道对方的IP地址 因为SLIP协议没有为它们提供相互交换地址信息的方法 没有设置协议类型字段 不具备同时处理多种网络层协议的能力 没有校验和字段 差错控制功能由高层的协议承担 SLIP协议并不是Internet的协议标准 因此不同版本的之间就会存在着差别 使得互连变得困难 可编辑 91 4 5 3CSLIP协议 SLIP协议通常运行于传输速率相对较低的串行