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计算机网络 第4章数据链路层 4 1数据链路层的基本概念 1 4 2停止等待协议 2 3 4 本章主要内容 4 3连续ARQ协议 4 4选择重传ARQ协议 5 6 4 5HDLC 4 6PPP 数据链路层简称为链路层本章主要研究直接相连的两台计算机间的数据链路层进可靠 有效通信的协议 第6章网络互连 4 1数据链路层的基本概念4 1 1链路4 1 2数据链路层提供的基本服务和功能4 1 3数据链路连接与物理连接的区别 1 4 1数据链路层的基本概念 远程网的路由器之间通常由点到点租用线路连接 下图显示了在两个路由器之间的数据流 链路就是一条无源的点到点的物理线路段 中间没有任何交换节点 指数据链路层和以上层的交换 也称为物理链路 4 1 1链路 结点 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 1 0 0 结点 数据链路 数据链路 数据链路 链路 异步传输和同步传输既与物理层有关 利用来决定每个比特的起始和结束 又与数据链路层有关 收方应当能从收到的比特流中准确地区分出一帧的开始和结束在什么地方 称为帧同步 又称成帧 1 异步传输和同步传输 异步传输的原理是 在一定的比特数目内 时钟漂移的程度是有限的 接收方可以在偏移积累到采样发生错误之前正确地接收若干个比特 2 异步传输 1 2 3 4 5 6 7 1 标记状态 低电压 数据位 开启位 数据流 注 停止位 可以是1位 1 5位 2位 可以是第8位或奇偶位 图4 3异步传输的启停位组帧格式 同步传输以一种连续的流方式传送比特块 数据链路帧 而不使用起始位和停止位把每个字节编码成1个帧 该数据块在长度上可以是多个比特 3 同步传输 数据虚通路与实际传输路径数据链路层为网络层提供的基本服务是 将源机器网络层的数据传给目的机器的网络层 如图4 5 a 所示 4 1 2链路层提供的服务和功能 4 3 2 1 主机1 主机2 虚拟数据通路 1 2 3 4 a 4 3 2 1 主机1 主机2 实际数据通路 1 2 3 4 b 图4 5 a 虚拟通信过程 b 实际通信过程 数据链路层一般提供以下3种基本服务 基本服务 1 无确认的无连接服务 2 有确认的无连接服务 3 有确认的面向连接服务 l 链路管理数据链路的建立 维持和释放称为链路管理 2 帧同步帧同步是指收方应当能从到达的比特流中准确地区分出一帧的开始和结束 帧同步又称为成帧 数据链路层的功能 考察以下4种方法 字符计数法带字符填充的首尾界符法带位填充的首尾标志法物理层编码违例法 5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 8 0 1 2 3 4 5 6 8 7 8 9 0 1 2 3 第一帧5个字符 第二帧5个字符 第四帧8个字符 字符计数 5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 8 0 1 2 3 4 5 6 8 7 8 9 0 1 2 3 出错 第一帧 第二帧错误的 现在的一个字符计数 一个字符流 a 无差错 b 有差错 1 字符计数法 a b 2 带字符填充的首尾界符法 a 字符填充前的数据流 b 经数据链路层填充后的数据流 c 去掉填充字符后的数据流 A a b c STX DLE DLE B DLE ETX A STX DLE DLE DLE B DLE ETX i填充的DLE A STX DLE DLE B DLE ETX 在最大帧长范围内 该技术允许数据帧包含任意个数的比特 其排列模式也不受限制 每一帧使用一个特殊的位模式例如01111110 作为开始和结束标志 flag 字节 3 带位填充的首尾标志法 当发送方的数据链路层在数据中遇到5个连续的1时 就自动在其后插入一个0 接收方看到5个连续的1后面跟着一个0时 自动将此0删去 称为位填充 bitstuffing 技术 如下图 a 011011111111111111110010 b 011011111011111011111010010 a 011011111111111111110010 填充的位 a 原始数据 b 传送中的数据 c 去掉填充位后接收方存储器中的数据 在物理线路编码 将数据用电信号的波形表示出来 方案中采用冗余技术的网络 可以采用这种成帧方法 很多数据链路协议为提高可靠性 采用字符计数与其它方法相结合的策略 当一个帧到达时 其计数字段被用来确定帧尾 只有当帧界定符出现在帧尾 且校验和正确时 该帧才会被接受为有效帧 否则 将继续扫描输入流直到下一个界定符 4 物理层编码违例法 计算机通信要求有极低的比特差错率 为此 广泛采用编码技术 一类是前向纠错 采用纠错码 另一类是检错重发方法 采用检错码 计算机通信中常用检错重发方法 3 差错控制 设M为待传送的数据1010001101 共nbit 设长度为k 1bit的数G 110101 k 5 用2k乘M 这相当于在M后面添加k个0 即2kM为1000 这是n kbit的数 循环冗余码CRC的计算 模2运算 1000除以G 模2运算 的结果 1101010110 Q商除数G 1101011000 2kM被除数11010111101111010111101011010111111011010110110011010111001011010101110 R余数 商Q 1101010110 余数R 01110 将余数R作为冗余码添加在数据M的后面发送 即发送的循环冗余码是1110 即2kM R 由于2kM QG R 则2kM R QG可见 当循环冗余码无差错地传送到接收方时 该码字应当能被G整除 如果不能被G整除 就说明出现了差错 检错原理 CRC ITU TCRC 16CRC 12 以下三个生成多项式已成为国际标准 待编码的n位信息码组1100 即待传送的数据 用多项式M x 表示 M x x3 x2 生成多项式G x x3 x 1 k 3 将M x x3 x6 x5除以G x 采用多项式的概念后 循环冗余码CRC的计算可用多项式运算的方法进行 得到余式R x x 其码多项式为m x M x x3 R x x6 x5 x与上述码多项式对应的循环冗余码 即发送的码字 m 1100010 多项式运算 G x x3 x 1 k 3 控制链路上的数据流量 保证发送与接收速度匹配 防止出现发送速度超过接收能力的现象 以免丢失数据 大多数流量控制方法都需要启用反馈机制 使发方直接或是间接地获得收方指示的发送时机 在未得到允许前 禁止发出帧 4 流量控制 数据和控制信息在同一信道中传送 许多情况下共处同一帧中 因此一定要有相应的措施使收方能够将它们区分开来 5 将数据和控制信息区分开 在多点连接和局域网的情况下 必须保证每一帧都能送到正确的目的站 收方也应当知道发方是哪一个站 6 寻址 当位于链路两端结点的包交换机 路由器或结点交换机 处于关闭状态时 就称连接这两个结点的物理媒体即通信线路 处于静止状态 见下图 4 1 3数据链路连接与物理连接的区别 4 2停止等待协议4 2 1数据链路协议基础4 2 2停止等待协议的算法 2 发送方每发送一个数据帧 就停下来等待确认信息 在确定的时间段内收到肯定应答 就发下一帧 否则重发 即为停止等待 stop and wait 协议 4 2停止等待协议 4 2 1数据链路协议基础 图4 10两台主机经链路通信的简化模型 为集中考虑数据链路层本身 在图4 10的简化模型中 将数据链路层以上各层用一个主机代替 而把物理层简单地看成一条链路 为解决计算机内部数据的并行传输 例如以字节为单位 与物理链路串行比特流传送的矛盾 在收发双方的数据链路层分别设置发送缓冲区和接收缓冲区 若采用全双工通信 则每一方均设置发送缓冲区和接收缓冲区 此外 缓冲区在差错重发 窗口流控等方面还可发挥作用 4 2 2停止等待协议的算法 图4 11是停止等待协议的模型 HOSTL层的用户 HOSTL层的用户 N S N S L层实体 L层实体 V S V R 仅当接收方正确收到数据帧 一切正常无误 将该帧数据部分递交给主机 而且发回的ACK被发送方正确接收后 发送方才能更新V S 为1 V S mod2 这就意味着 发送缓冲区中保留的副本已可以清除了 可以为主机发送新的一帧 可见 收到ACK 就表明收发双方一切正常 协议可以向前推进了 接收方 发送方收到NAK NegativeACK 就必须重传发送缓冲区中保留的副本 并等待回应 若定时器超时 则重发该帧 发送方 4 3连续ARQ协议4 3 1连续ARQ协议的工作原理4 3 2滑动窗口控制 3 停止等待协议使发送方能自动完成对出错帧的重传 称这种差错控制机制为ARQ AutomaticRepeatreQuest 可译为自动请求重传或自动重发请求 停止等待协议在等待期间 收发双方之间的信道 或链路 处于空闲状态 为提高信道利用率 可让发送方发完一帧后 不必等待ACK的到来 直接传送下一帧 为此 帧的顺序号要用多个比特 才能使发送方连续发出的若干帧都能分配到不同的顺序号 称这种协议为连续ARQ协议 4 3连续ARQ协议 4 3 1连续ARQ协议的工作原理 0 1 2 3 4 5 6 7 3 4 5 6 7 8 0 1 2 3 4 5 6 7 3 4 5 6 7 Tout超时间隔 重发3号帧 t ACK0 ACK1 ACK2 ACK3 ACK4 ACK5 ACK6 正确的帧送主机并发回ACK 3号帧出错 丢弃 丢弃这些帧不发任何回应 正确的帧送主机并发回ACK 1 在发送方 4 3 2滑动窗口控制 a 0 1 2 3 4 5 6 7 0 7 发送窗口WT 发送窗口后沿 发送窗口前沿 允许发0到2号帧 0 1 2 3 4 5 6 7 0 WR 发送窗口后沿 发送窗口前沿 准备收0帧 b 0 1 2 3 4 5 6 7 0 7 WT 允许发1到3号帧 0 1 2 3 4 5 6 7 0 WR 准备收1帧 c 0 1 2 3 4 5 6 7 0 7 WT 允许发3到5号帧 0 1 2 3 4 5 6 7 0 WR 准备收3帧 窗口前移1帧 收到0帧的确认 已收到的确认帧 已收到的0至2号帧 发送窗口WT的变化 2 在接收方图 a 指明接收窗口为0号帧 即可接收0号帧 收到0号帧后 接收窗口前移一帧 如图 b 所示 即准备接收1号帧 并发送对0号帧的确认 图 c 显示 已收到2号帧后 接收窗口的位置 a 0 1 2 3 4 5 6 7 0 7 发送窗口WT 发送窗口后沿 发送窗口前沿 允许发0到2号帧 0 1 2 3 4 5 6 7 0 WR 发送窗口后沿 发送窗口前沿 准备收0帧 b 0 1 2 3 4 5 6 7 0 7 WT 允许发1到3号帧 0 1 2 3 4 5 6 7 0 WR 准备收1帧 c 0 1 2 3 4 5 6 7 0 7 WT 允许发3到5号帧 0 1 2 3 4 5 6 7 0 WR 准备收3帧 窗口前移1帧 收到0帧的确认 已收到的确认帧 已收到的0至2号帧 发送窗口WT的变化 接收窗口WR的变化 图4 15用另一种图示方法对停等协议中发送方和接收方的滑动窗口状态变化过程进行了描述 其中WT WR 1 a 初始时 b 第一个帧发出后 c 第一个帧收到后 d 第一个确认收到后 4 4选择重传ARQ协议 0 1 2 3 4 5 6 7 3 4 5 8 9 10 0 1 2 3 4 5 6 7 3 4 5 8 9 Tout 重发3号帧 t ACK0 ACK1 ACK2 ACK7 ACK8 正确的帧送主机并发回ACK 3号帧出错 丢弃 数据链路层缓存的帧 正确的帧送主机并发回ACK 丢弃的重发帧 收下3号帧 将3至7号帧一并送主机 4 5HDLC4 5 1HDLC的产生4 5 2HDLC的基本工作方式4 5 3HDLC的主要内容 5 IBM公司于1974年推出的系统网络体系结构SNA 其数据链路层就采用了面向比特的规程SDLC ANSI修改SDLC后作为美国国家标准 并命名为ADCCP ISO则把SDLC修改为HDLC 作为国际标准ISO 4 5 1HDLC的产生 HDLC定义了三种类型的链路层实体 即站点 主站 次站 复合站 4 5 2HDLC的基本工作方式 HDLC根据站点类型和线路连接方式的不同 定义了两种链路配置 非平衡型链路由主站p primarystation 和次站s secondarystation 构成 正常响应方式 NormalResponseMode NRM 异步响应方式 AsynchronousResponseMode ARM 异步平衡方式 AsynchronousBalancedMode ABM HDLC定义了三种数据传送方式 4 5 3 1HDLC的帧结构HDLC的帧结构如图4 18所示 4 5 3HDLC的主要内容 图4 18HDLC的帧结构 2HDLC的命令和响应见表4 1 3HDLC的规程类型 HDLC的三种数据传送方式NRM ARM和ABM分别对应的三种规程类型 非平衡正常类型 UNC 非平衡异步类型 UAC 和平衡异步类型 BAC 定义了各自的基本命令和响应集 作为它们必须实现的功能 1 UNC 非平衡正常类型 的数据传输 2 BAC 平衡异步类型 的数据传输 4 6PPP4 6 1Internet中的数据链路层协议4 6 2PPP简介 6 4 6 1Internet中常用的数据链路层协议TCP IP协议族的标准虽然没有规定应该使用何种数据链路层协议 但PPP Point to PointProtocol 点对点协议 和SLIP SerialLineInternetProtocol 串行线路网际协议 却在Internet中得到了广泛的应用 SLIP是在早期使用的一个简单的面向字符的协议 主要用于低速 不超过9 2kb s 交互性业务 功能较差 已逐渐被PPP协议取代 4 6PPP 一般情况下 家庭个人用户使用拨号电话线接入Internet 用户较多的单位则采用专线接入 用户拨号入网的方法如图4 23所示 1用户接入Internet的方法 在多厂商网络产品混用的Internet中 PPP通常是路由器间点对点网络连接 例如通过E1链路 的主要选择 如图示 2Internet中路由器间的点对点连接 图4 24Internet中路由器间的点对点连接 PPP由三部分组成 帧格式 链路控制协议LCP网络控制协议NCP 4 6 2PPP简介 PPP既支持异步链路 无奇偶校验的8比特数据 也支持面向比特的同步链路 PPP的帧格式和HDLC的相似 见图4 25 但PPP不是面向比特的 因而所有的PPP帧的长度都是整数个字节 1PPP的帧格式 图4 25PPP的帧格式 图4 18HDLC的帧结构 标志7E 1字节 1字节 1字节 2字节 最长1500字节 2字节