计算机网络第四章

1、本章学习要求：理理解：数据传输过程中解：数据传输过程中差错产生的原因与性质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：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掌握：数据链路层的基本概念了解了解：面向字符型数据链路层协议实例：面向字符型数据链路层协议实例BSCBSC掌握：面向比特型数据链路层协议实例掌握：面向比特型数据链路层协议实例 HDLCHDLC掌握：掌握：InternetInternet中的数据链路层中的数据链路层PPPPPP协议协议计算机网络第计算机网络第4章章 数据链路层数据链路层24.1 差错产生与差错控制方法4.1.1 4.1.1 为什么要设计数据链路层为

2、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在原始物理传输线路上传输数据信号是有差错的( (误码率误码率) )；设计数据链路层的设计数据链路层的主要目的主要目的： 将有差错的物理线路改进成逻辑上无差错的数据链路；将有差错的物理线路改进成逻辑上无差错的数据链路； 方法方法 差错检测差错检测 差错控制差错控制 流量控制流量控制作用：改善数据传输质量，向网络层提供高质量的服务。作用：改善数据传输质量，向网络层提供高质量的服务。计算机网络第计算机网络第4章章 数据链路层数据链路层34.1.2 差错产生的原因和差错类型 传输差错传输差错 通过通信信道后接收的数据与发送数据通过通信信道后

3、接收的数据与发送数据 不一致的现象不一致的现象; ;差错控制差错控制 检查是否出现差错以及如何纠正差错；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：通信信道的噪声分为两类：热噪声和冲击噪声热噪声和冲击噪声；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；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；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。差错共同构成的。计算机网络第计算机网络第4章章

4、数据链路层数据链路层4传输差错产生过程计算机网络第计算机网络第4章章 数据链路层数据链路层5 4.1.3 误码率的定义 误码率定义误码率定义：二进制比特在数据传输系统中被传错的概率，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：它在数值上近似等于： P Pe e = N = Ne e/N/N其中，其中，N N为传输的二进制比特总数为传输的二进制比特总数 N Ne e为被传错的比特数为被传错的比特数计算机网络第计算机网络第4章章 数据链路层数据链路层6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误码率应该是衡量数据传输系统正常工作状态下传输可可靠性靠性的参数；的参数；对于一个

5、实际的数据传输系统，不能笼统地说误码率越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；如果传低越好，要根据实际传输要求提出误码率要求；如果传输的不是二进制比特，要折合成二进制比特来计算；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。于真正的误码率值。 计算机网络第计算机网络第4章章 数据链路层数据链路层74.1.4 检错码与纠错码 纠错码纠错码

6、： 每个传输的分组带上足够的冗余信息；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。接收端能发现并自动纠正传输差错。检错码检错码: : 分组仅包含足以使接收端发现差错的冗余信息；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，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。并且自己不能纠正传输差错。 计算机网络第计算机网络第4章章 数据链路层数据链路层8常用的检错码奇偶校验码奇偶校验码 垂直奇（偶）校验垂直奇（偶）校验 水平奇（偶）校验水平奇（偶）校验 水平垂直奇（偶）校验（方阵码）水平垂直奇（偶）校验（方阵码

7、） 方法简单，检错能力差，用于通信要求较低的方法简单，检错能力差，用于通信要求较低的环境。环境。 循环冗余编码循环冗余编码CRCCRC 目前应用最广的检错码编码方法之一，目前应用最广的检错码编码方法之一，具有检具有检错能力强、实现容易的特点。错能力强、实现容易的特点。计算机网络第计算机网络第4章章 数据链路层数据链路层9奇偶校验码是一种通过增加冗余位使得码字中“1”的个数恒为奇数或偶数的编码方法；奇校验加上校验位后，编码中1的个数为奇数个；偶校验加上校验位后，编码中1的个数为偶数个。将要发送的整个信息块分为定长p位的若干段（如q段）。 I11 I1q r1 . Ip1 Ipq rp k1 kq

8、发送信号发送信号水平校验位水平校验位垂直校验位垂直校验位计算机网络第计算机网络第4章章 数据链路层数据链路层104.1.5 循环冗余编码工作原理 计算机网络第计算机网络第4章章 数据链路层数据链路层11* *G(x)G(x)为收发双方预为收发双方预先约定的先约定的多项式多项式；* *k k为生成多项式的为生成多项式的最高幂的值；最高幂的值；* *对于二进制乘法对于二进制乘法f(x)f(x)* *x xk k的意义是将的意义是将发送数据比特序列发送数据比特序列左移左移k k位用来放入余位用来放入余数。数。 举例：计算机网络第计算机网络第4章章 数据链路层数据链路层121 1 0 0 1 1发送数

9、据比特序列CRC校验码比特序列1 0 0 1带CRC校验码的发送数据比特序列1 1 0 0 1 1 1 0 0 11 1 0 0 11 1 0 0 11 1 0 0 11 1 0 0 101 0 0 0 0 11 1 0 0 1 1 0 0 0 01 1 0 0 1G(x)1 1 0 0 11 0 0 0 01 1 0 0 11 0 0 1R(x)1 0 0 0 0 1Q(x)f(x).xk* *注意：采用注意：采用二进制模二二进制模二运算运算（减法（减法不错位、加不错位、加法不进位）法不进位）。f(x)=x5+x4+x+1G(x)=x4+x3+1标准标准CRCCRC生成多项式生成多项式G G

10、（x x）：已列入国际标准已列入国际标准CRC-12CRC-12 G G（x x）= x= x1212+x+x1111+x+x3 3+x+x2 2+x+1+x+1CRC-16CRC-16 G G（x x）= x= x1616+x+x1515+x+x2 2+1+1CRC-CCITTCRC-CCITT G G（x x）= x= x1616+x+x1212+x+x5 5+1+1CRC-32CRC-32 G G（x x）= = x x3232+x+x2626+x+x2323+x+x2222+x+x1616+x+x1212+x+x1111+ + x x1010+x+x8 8+x+x7 7+x+x5 5+

11、x+x4 4 + + x x2 2+x+1+x+1 计算机网络第计算机网络第4章章 数据链路层数据链路层13CRC校验码的检错能力CRCCRC校验码能检查出全部单个错；校验码能检查出全部单个错；CRCCRC校验码能检查出全部离散的二位错；校验码能检查出全部离散的二位错；CRCCRC校验码能检查出全部奇数个错；校验码能检查出全部奇数个错；CRCCRC校验码能检查出全部长度小于或等于校验码能检查出全部长度小于或等于K K位的突发错；位的突发错；CRCCRC校验码能以校验码能以1-1-（1/21/2）K-1K-1 的概率检查出长度为的概率检查出长度为（K+1K+1）位的突发错；位的突发错；如果如果K

12、=16K=16，则该则该CRCCRC校验码能全部检查出小于或等于校验码能全部检查出小于或等于16 16 位的位的所有的突发差错，并能以所有的突发差错，并能以1-1-（1/21/2）16-1 16-1 =99.997=99.997的概率检查的概率检查出长度为出长度为1717位的突发错，漏检概率为位的突发错，漏检概率为0.003%0.003%； 计算机网络第计算机网络第4章章 数据链路层数据链路层144.1.6 差错控制机制 反馈重发机制反馈重发机制 计算机网络第计算机网络第4章章 数据链路层数据链路层15反馈重发机制的分类 停止等待方式：停止等待方式：协议简单，但通信效率低。协议简单，但通信效率

13、低。 计算机网络第计算机网络第4章章 数据链路层数据链路层16接接收收端端发发送送端端ACKNAKACK12231223连续工作方式连续工作方式 拉回方式拉回方式选择重发方式选择重发方式 计算机网络第计算机网络第4章章 数据链路层数据链路层17发送端发送端接收端接收端ACK0ACK1NAKACK2ACK3(a)ACK0ACK1NAKACK2ACK6(b)ACK3ACK4ACK5丢弃丢弃重传重传重传重传01234523456012345234560123452678901234526789发送端发送端接收端接收端丢弃丢弃4.2 数据链路层的基本概念4.2.1 4.2.1 物理线路与数据链路物理线

14、路与数据链路链路链路 ：点对点线路段：点对点线路段 ，中间没有交换结点，中间没有交换结点 物理线物理线路路数据链路：实现相关协议或规程的硬件、软件及物理线数据链路：实现相关协议或规程的硬件、软件及物理线路。路。计算机网络第计算机网络第4章章 数据链路层数据链路层184.2.2 数据链路层的主要功能 链路管理：链路管理：数据链路的建立、维持、释放。数据链路的建立、维持、释放。帧同步：帧同步：接收方应能从收到的比特流中正确判断出一帧的接收方应能从收到的比特流中正确判断出一帧的开始与结束位。开始与结束位。 流量控制：流量控制：控制发送方的数据发送速率。控制发送方的数据发送速率。差错控制：差错控制：使

15、接收端能够发现并用反馈重发纠正传输错误。使接收端能够发现并用反馈重发纠正传输错误。帧的透明传输：帧的透明传输：可以传输任意比特流的数据。可以传输任意比特流的数据。寻址寻址：应保证每一帧能传送到正确的目的结点。应保证每一帧能传送到正确的目的结点。数据链路层协议数据链路层协议 为实现数据链路控制功能而制定的为实现数据链路控制功能而制定的 规程或协议。规程或协议。计算机网络第计算机网络第4章章 数据链路层数据链路层194.2.3 数据链路层向网络层提供的服务 数据链路层是数据链路层是OSIOSI参考模型的第参考模型的第2 2层；层；设立数据链路层的设立数据链路层的主要目的主要目的是将原始的、有差是将

16、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；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，数据链路层为了实现这个目的，数据链路层必须实现必须实现链路链路管理、帧传输、流量控制、差错控制等功能；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数据链路层为网络层提供的服务服务主要表现在：主要表现在：正确传输网络层的用户数据，为网络层屏蔽物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。理层采用的传输技术的差异性。计算机网络第计算机网络第4章章 数据链路层数据链路层204.3 面向字符型数据链路层协议实例计算机网络第计算机网络第4章章 数据

17、链路层数据链路层21数据链路层协议可分为两类数据链路层协议可分为两类面向字符型面向字符型面向比特性面向比特性最早出现的数据链路层协议是面向字符型的协议最早出现的数据链路层协议是面向字符型的协议（如（如IBMIBM公司的二进制同步通信公司的二进制同步通信BSCBSC协议）。它利协议）。它利用已定义好的一种标准字编码（如用已定义好的一种标准字编码（如ASCIIASCII码）的一码）的一个子集来进行通信控制功能。个子集来进行通信控制功能。面向字符型协议的两个缺点面向字符型协议的两个缺点使用不同字符集的两台计算机很难进行通信；使用不同字符集的两台计算机很难进行通信；控制字符集的编码不能在用户数据字段中

18、出现。控制字符集的编码不能在用户数据字段中出现。面向字符型协议实例：面向字符型协议实例：BSCBSC计算机网络第计算机网络第4章章 数据链路层数据链路层22什么是面向字符型协议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以字符为控制传输信息的基本单元 ASIICASIIC码：码：用以下用以下1010个字符完成通信控制。个字符完成通信控制。 格式字符：格式字符：SOHSOH（start of headingstart of heading 报头开始报头开始） STX STX（start of textstart of text 正文开始正文开始） ETB ETB（end of tr

19、ansmission blockend of transmission block 正正文信息组结束文信息组结束） ETX ETX（end of textend of text 正文结束正文结束） 控制字符：控制字符：ACKACK（acknowledgeacknowledge 肯定应答肯定应答） NAK NAK（negative acknowledgenegative acknowledge 否定应否定应答答） ENQ ENQ（enquireenquire 询问对方，并要求回答询问对方，并要求回答） EOT EOT（end of transmissionend of transmission

20、传输结束传输结束） SYN SYN（synchroussynchrous 同步同步） DLE DLE（data link escapedata link escape 转义字符转义字符）- -解决透明传输问题解决透明传输问题面向字符型面向字符型BSCBSC协议的数据报文格式：协议的数据报文格式：计算机网络第计算机网络第4章章 数据链路层数据链路层23建立、维护建立、维护与释放数据与释放数据链路流程图链路流程图计算机网络第计算机网络第4章章 数据链路层数据链路层24面向字符型协议的实现流程：面向字符型协议的实现流程：属于停止等待型数据链路层协议。属于停止等待型数据链路层协议。4.4 典型数据链路

21、层协议分析 面向比特型4.4.1 4.4.1 HDLCHDLC产生的背景产生的背景 面向字符型数据链路层协议的缺点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致；控制报文与数据报文的格式不一致；增加新功能需要定义新的控制字符，功能扩展困难；增加新功能需要定义新的控制字符，功能扩展困难；协议只对数据部分进行差错控制，可靠性差；协议只对数据部分进行差错控制，可靠性差；采用停止等待发送方式，传输效率低。采用停止等待发送方式，传输效率低。面向比特型协议的设计目标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；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；数据帧与

22、控制帧格式相同；传输透明性好；传输透明性好；连续发送，传输效率高。连续发送，传输效率高。计算机网络第计算机网络第4章章 数据链路层数据链路层254.4.2 数据链路的配置和数据传送方式数据链路的配置数据链路的配置非平衡配置非平衡配置平衡配置平衡配置非平衡配置中的主站与从站：非平衡配置中的主站与从站：根据在通信过程中的地位，根据在通信过程中的地位，将一组结点分为主站与从站。将一组结点分为主站与从站。主站：控制数据链路的工作过程，发出命令主站：控制数据链路的工作过程，发出命令 。从站：接受命令，发出响应，配合主站工作。从站：接受命令，发出响应，配合主站工作。非平衡配置的两种类型非平衡配置的两种类型

23、点点- -点方式点方式多点方式：多点方式：主站与每个从站之间都要分别建立数据链路。主站与每个从站之间都要分别建立数据链路。计算机网络第计算机网络第4章章 数据链路层数据链路层26数据链路的非平衡配置方式计算机网络第计算机网络第4章章 数据链路层数据链路层27非平衡配置的两种数据传送方式正常响应模式（正常响应模式（normal response modenormal response mode，NRMNRM）主站可以随时向从站传输数据帧；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探询（从站只有在主站向它发送命令帧探询（pollpoll），），从站从站响应后才可以向主站发送数据帧。

24、响应后才可以向主站发送数据帧。 异步响应模式（异步响应模式（asynchronous response modeasynchronous response mode，ARMARM）主站和从站可以随时相互传输数据帧；主站和从站可以随时相互传输数据帧；从站不需要等待主站发出探询就可以发送数据帧；从站不需要等待主站发出探询就可以发送数据帧；主站负责数据链路的初始化、链路的建立、释放与差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。错恢复等功能。计算机网络第计算机网络第4章章 数据链路层数据链路层28平衡配置方式 链路两端的两个站都是复合站（链路两端的两个站都是复合站（combined

25、combined stationstation）；）；复合站同时具有主站与从站的功能；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；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平衡配置结构中只有异步平衡模式（asynchronous balanced modeasynchronous balanced mode，ABMABM）；）；异步平衡模式的每个复合站都可以平等地发起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。数据传输，而不需要得到对方复合站的许可。计算机网络第计算机网络第4章章 数据链路层数据链路层29数据链路的平衡

26、配置方式计算机网络第计算机网络第4章章 数据链路层数据链路层304.4.3 HDLC的帧结构 F F（flagflag） ：固定格式固定格式 0111111001111110 作用作用 帧同步帧同步 传输数据的透明性（传输数据的透明性（零零比特插比特插入与删除）入与删除） A A（addressaddress）：）：地址地址( (首位为首位为1 1地址字段为地址字段为8 8位，首位为位，首位为0 0地地址字段为址字段为1616位，全位，全1 1 为广播地址为广播地址) )C C（controlcontrol）：）：帧的类型、帧的编号、命令与控制信息帧的类型、帧的编号、命令与控制信息I I（in

27、formationinformation）：）：网络层数据，网络层数据，N Nmaxmax = 256B = 256BFCSFCS：采用采用CRCCRC校验方法，校验校验方法，校验A A、C C、I I 字段的数据字段的数据 CRC-CCITT: CRC-CCITT: G(X)= XG(X)= X1616+X+X1212+X+X5 5+1+1计算机网络第计算机网络第4章章 数据链路层数据链路层31标志字段F(8位)地址字段A(8/16位)控制字段C(8/16位)信息字段I(长度可变)帧校验字段FCS(16/32位)标志字段F(8位)零比特插入/删除工作过程计算机网络第计算机网络第4章章 数据链

28、路层数据链路层32帧类型及控制字段的意义计算机网络第计算机网络第4章章 数据链路层数据链路层33帧类型I I帧：帧：N N（S S） 当前当前发送信息发送信息帧的序号帧的序号 N N（R R） 接收帧的序号，已正确接收接收帧的序号，已正确接收N(R)-1N(R)-1及及以前的帧以前的帧 P/F= Poll / FinalP/F= Poll / Final（探询探询/ /终止），终止），P/F=0P/F=0该位无意义该位无意义 P/F=1P/F=1主站发出探询后，从站才能向主站发主站发出探询后，从站才能向主站发送信息帧送信息帧S S帧：帧：监控帧的功能，依据监控帧的功能，依据b2b2，b3b3的

29、取值有的取值有4 4种情况种情况 00 00：RRRR（receive ready receive ready 接收准备就绪接收准备就绪） 0101：RNRRNR（receive not ready receive not ready 未准备好接未准备好接收收） 10 10：REJREJ（reject reject 拒绝拒绝） 11 11：SREJSREJ（select reject select reject 选择拒绝选择拒绝） 前三种用于连续前三种用于连续ARQARQ，最后一种用于选择重传最后一种用于选择重传ARQARQ。U U帧：帧：用于实现数据链路控制功能用于实现数据链路控制功能计算机

30、网络第计算机网络第4章章 数据链路层数据链路层34U帧的格式与链路控制功能计算机网络第计算机网络第4章章 数据链路层数据链路层354.4.4 4.4.4 数据链路层的工作过程数据链路层的工作过程简化的信息帧结构的表示方法简化的信息帧结构的表示方法一个信息帧的表示：一个信息帧的表示：发送发送3 3号帧号帧, ,希望接收希望接收4 4号帧，探寻位号帧，探寻位P=1P=1计算机网络第计算机网络第4章章 数据链路层数据链路层36I， N(S)=3， N(R)=4， P=1无编号帧的表示方法无编号帧的表示方法 注：置正常响应模式帧（注：置正常响应模式帧（SNRMSNRM）与无编号确认帧（）与无编号确认帧

31、（UAUA）成对出现。）成对出现。SNRMSNRM帧与帧与UAUA帧结构的表示方法帧结构的表示方法 计算机网络第计算机网络第4章章 数据链路层数据链路层37U ， SNRM ， P=1U ， UA ， F=1置正常响应模式：置正常响应模式：无编号确认：无编号确认：01111110A11001001FCS0111111001111110A11001110FCS01111110置正常响应模式：置正常响应模式：无编号确认：无编号确认：正常响应正常响应模式数据模式数据工作过程工作过程计算机网络第计算机网络第4章章 数据链路层数据链路层38讨论：数据链路层与物理层的关系计算机网络第计算机网络第4章章 数

32、据链路层数据链路层394.5 Internet中的数据链路层 InternetInternet中主要的数据链路层协议中主要的数据链路层协议SLIP SLIP （Serial Serial Line Line IPIP） 串行线路串行线路IPIP协议协议PPP PPP （ Point-to-Point Protocol Point-to-Point Protocol） 点对点协议点对点协议SLIPSLIP与与PPPPPP用于串行通信的拨号线路上，是目前家庭计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算机或公司用户通过ISPISP接到接到InternetInternet主要的协议。主

33、要的协议。SLIPSLIP对数据报进行简单封装，然后用对数据报进行简单封装，然后用RS-232RS-232接口串行接口串行线路进行传输。线路进行传输。PPPPPP是是SLIPSLIP的新版本，使用的新版本，使用HDLCHDLC帧格式。帧格式。计算机网络第计算机网络第4章章 数据链路层数据链路层40PPP协议基本特点PPPPPP协议是协议是InternetInternet标准，标准，RFC 1660RFC 1660、RFC 1661RFC 1661定义了定义了PPPPPP协议与帧结构；协议与帧结构；PPPPPP协议处理了差错检测，支持面向字符型协议与面向协议处理了差错检测，支持面向字符型协议与面

34、向比特型协议比特型协议, ,可以支持可以支持IPIP协议及其他一些网络层协议协议及其他一些网络层协议（例如（例如IPXIPX协议）；协议）；PPPPPP协议不仅用于拨号电话线，并且在路由器协议不仅用于拨号电话线，并且在路由器路由器路由器之间的专用线上广泛应用；之间的专用线上广泛应用；PPPPPP协议是在大多数家庭个人计算机和协议是在大多数家庭个人计算机和ISPISP之间使用的之间使用的协议，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；的一部分；PPPPPP的的3 3种类型：种类型：PPPPPP信息帧、信息帧、PPPPPP链路控制链路控制LCPLCP帧和帧和PPPPPP网络控制网络控制NCPNCP帧。帧。 计算机网络第计算机网络第4章章 数据链路层数据链路层41PPP信息帧格式 标志（标志（flag