第十章 数据链路层

1、1第十章第十章 数据链路层数据链路层何小其何小其本章主要内容本章主要内容n10.1 10.1 差错控制差错控制n10.2 10.2 数据链路协议数据链路协议n10.3 X.2510.3 X.25链路访问规程链路访问规程n10.4 10.4 数据链路层协议性能分析数据链路层协议性能分析数据链路层数据链路层n数据链路层控制协议的目的是和物理层服数据链路层控制协议的目的是和物理层服务一起提供无差错的通信链路。务一起提供无差错的通信链路。n数据链路层基本结构：数据链路层基本结构：（1 1）将输入比特流分割成帧，每一帧的开头和）将输入比特流分割成帧，每一帧的开头和结尾必须清楚标识，以便帧同步。结尾必须清

2、楚标识，以便帧同步。（2 2）提供识别和寻址的手段，以辨别发端地址。）提供识别和寻址的手段，以辨别发端地址。（3 3）提供检错技术、启动恢复和纠错的机制，）提供检错技术、启动恢复和纠错的机制，以保持报文的高度完整性。以保持报文的高度完整性。n数据链路层协议功能体系：数据链路层协议功能体系：帧控制帧控制：用界定字符或标记来界定帧的开头和结尾。：用界定字符或标记来界定帧的开头和结尾。 差错控制差错控制：提供错误检测，确认已正确接收的帧及处：提供错误检测，确认已正确接收的帧及处理未正确接收帧重传请求。理未正确接收帧重传请求。初始化控制初始化控制：保证数据链路动态建立。：保证数据链路动态建立。链路管理

3、功能链路管理功能：通过控制传送方向来控制链路，建立：通过控制传送方向来控制链路，建立和终止逻辑连接。和终止逻辑连接。透明透明：链路控制与被传送信息无关。：链路控制与被传送信息无关。流量控制流量控制：通过收发双方协调，控制数据链路上的比：通过收发双方协调，控制数据链路上的比特流。特流。异常恢复控制异常恢复控制：控制异常事件的恢复过程。：控制异常事件的恢复过程。10.1 10.1 差错控制差错控制n10.1.1 10.1.1 自动重复请求协议自动重复请求协议n10.1.2 10.1.2 连续连续ARQARQn数据通信的差错控制有两种基本类型：数据通信的差错控制有两种基本类型：自自动重发请求（动重发

4、请求（ARQARQ）和和前向纠错（前向纠错（FECFEC）。nARQARQ过程简单、控制可靠，在数据通信中得过程简单、控制可靠，在数据通信中得到广泛应用，其效率与信息差错和信息往到广泛应用，其效率与信息差错和信息往返掉头时延有关。返掉头时延有关。nFECFEC使用纠错码，译码困难，成本较高。适使用纠错码，译码困难，成本较高。适用于无返回信道或由于某种原因不宜重传用于无返回信道或由于某种原因不宜重传的通信系统，如卫星系统和空间通信等。的通信系统，如卫星系统和空间通信等。10.1.1 10.1.1 自动重复请求协议自动重复请求协议nARQARQ分为分为停停- -等协议等协议和和连续连续ARQARQ

5、协议协议。n停停- -等协议：发送端发出一信息帧，等待接等协议：发送端发出一信息帧，等待接收端返回正确接收的确认（收端返回正确接收的确认（ACKACK）信号。只）信号。只有收到这一确认，才能发送下一帧。有收到这一确认，才能发送下一帧。n停停- -等协议的缺点是发送方要停下来等待等协议的缺点是发送方要停下来等待ACKACK返回确认后再继续发送，造成信道浪费。返回确认后再继续发送，造成信道浪费。n信道实际利用率计算信道实际利用率计算设信道容量是设信道容量是B B b/sb/s，帧长度为，帧长度为L L b/sb/s，信号，信号在信道中往返传播时延为在信道中往返传播时延为2R2R，并假定返回的确，并

6、假定返回的确认帧很短，不占用信道时间，在一个收发周期认帧很短，不占用信道时间，在一个收发周期中实际用于发送时间是中实际用于发送时间是L/BL/B，而空等待时间为，而空等待时间为2R2R，因此信道实际利用率为：因此信道实际利用率为：RBLLRBLBL22/n停停- -等协议不适合传播等协议不适合传播时延长的高速信道。时延长的高速信道。n若信道存在差错而收若信道存在差错而收不到不到ACKACK需超时重传，需超时重传，同时为了有效的数据同时为了有效的数据传送，必须加上帧头，传送，必须加上帧头，信道有效利用率还会信道有效利用率还会进一步下降。进一步下降。10.1.2 10.1.2 连续连续ARQARQ

7、n连续连续ARQARQ基本原理是发端连续不断地发送信基本原理是发端连续不断地发送信息帧，不等确认。无差错情况下，发送端息帧，不等确认。无差错情况下，发送端的利用率可达的利用率可达100%100%。但错误恢复的复杂性。但错误恢复的复杂性增加。增加。n连续连续ARQARQ两种常用错误恢复技术：两种常用错误恢复技术：返回返回N N和和选择性重传选择性重传。n返回返回N N协议协议（1 1）发送端连续发送含顺序序号的帧，并启动）发送端连续发送含顺序序号的帧，并启动相应的定时器；接收端收妥每一帧都要确认答复相应的定时器；接收端收妥每一帧都要确认答复（ACKACK）。）。（2 2）如发送方在定时器超时未收

8、到某帧）如发送方在定时器超时未收到某帧ACKACK，或，或超时前收到否定的确认（超时前收到否定的确认（NAKNAK），发送方要返回），发送方要返回到该帧并重发该帧及以后的所有已发的帧。到该帧并重发该帧及以后的所有已发的帧。n选择性重传只重传那些丢失的或没有被确选择性重传只重传那些丢失的或没有被确认的信息帧。认的信息帧。n选择重传协议在某帧出错时减少了后面所选择重传协议在某帧出错时减少了后面所有帧都要重传的浪费，但对接收方提出了有帧都要重传的浪费，但对接收方提出了更高要求。更高要求。n接收方要求有一足够大的缓冲区，用于保接收方要求有一足够大的缓冲区，用于保存未按顺序正确传送的帧。这个范围叫接存未

9、按顺序正确传送的帧。这个范围叫接收窗口，选择重传时接收窗口大于收窗口，选择重传时接收窗口大于1。而返。而返回回N协议正是接收窗口等于协议正是接收窗口等于1的特殊情况。的特殊情况。n若帧序号位数为若帧序号位数为m m，对，对于返回于返回N N协议，必须使协议，必须使发送窗口发送窗口22m m-1-1。n对于选择重传，必须对于选择重传，必须使接收窗口使接收窗口发送窗发送窗口口22m m-1-1，才能保证，才能保证在最坏的情况下也不在最坏的情况下也不致于发送错误。致于发送错误。10.2 10.2 数据链路协议数据链路协议n10.2.1 HDLC10.2.1 HDLC概述概述n10.2.2 HDLC1

10、0.2.2 HDLC帧格式帧格式n10.2.3 HDLC10.2.3 HDLC联机运行实例联机运行实例10.2.1 HDLC10.2.1 HDLC概述概述n数据链路协议分为两类：面向字符协议和数据链路协议分为两类：面向字符协议和面向比特协议。面向比特协议。n面向字符协议通过特殊的字符来判断数据面向字符协议通过特殊的字符来判断数据块的起始和终止。块的起始和终止。n面向比特协议通过特殊的比特序列来判断面向比特协议通过特殊的比特序列来判断数据块的边界。数据块的边界。n面向比特的协议有：面向比特的协议有：（1 1）IBMIBM的的SDLCSDLC规程规程（2 2）ANSI ANSI 的的ADCCPAD

11、CCP（3 3）ISOISO的的HDLCHDLC（4 4）CCITTCCITT的的LAPB.LAPB.nHDLCHDLC协议适用于点对点、点对多点、半双协议适用于点对点、点对多点、半双工和全双工、交换型和非交换型传输线路工和全双工、交换型和非交换型传输线路上运行。上运行。nHDLCHDLC的三种类型工作站：的三种类型工作站：（1 1）主站主站 控制链路的连接，发送命令并接收响应。控制链路的连接，发送命令并接收响应。（2 2）从站从站 接收命令并发送响应。接收命令并发送响应。（3 3）复合站复合站 兼有主站和从站的功能。兼有主站和从站的功能。nHDLCHDLC链路结构包括链路结构包括非平衡型非平

12、衡型和和平衡型平衡型（1 1）非平衡型非平衡型 点对点运行时主站与一个从站点对点运行时主站与一个从站相连，多点共享运行时主站与多个从站相连。相连，多点共享运行时主站与多个从站相连。（2 2）平衡型平衡型 点对点运行时复合站与另一个复合点对点运行时复合站与另一个复合站连接。站连接。nHDLCHDLC数据传输方式：数据传输方式：u正常响应方式（正常响应方式（NRMNRM）一种非平衡方式，适合轮询和多点共享运行。一个主一种非平衡方式，适合轮询和多点共享运行。一个主站和数个从站相连时，只有当从站得到主站许可（轮站和数个从站相连时，只有当从站得到主站许可（轮询）后才发送信息。询）后才发送信息。u异步响应

13、方式（异步响应方式（ARMARM）一种非平衡方式。在从站开始传送（响应）之前不需一种非平衡方式。在从站开始传送（响应）之前不需要得到主站的许可。因此，每次只能启动一个从站，要得到主站的许可。因此，每次只能启动一个从站，而另外的从站处于脱机（断开）状态。而另外的从站处于脱机（断开）状态。u异步平衡方式（异步平衡方式（ABMABM）两个逻辑上平等的站的平衡数据传输方式。两个逻辑上平等的站的平衡数据传输方式。10.2.2 HDLC10.2.2 HDLC帧格式帧格式n标志（标志（F F） 0111111001111110n地址段（地址段（A A）包含站（主站或从站）地包含站（主站或从站）地址。址。n控

14、制字段（控制字段（C C）表示命令和响应的类别及表示命令和响应的类别及功能。功能。n信息（信息（infoinfo）帧内容帧内容nFCSFCS 帧校验字段帧校验字段n控制字段（控制字段（C C）控制字段定义了三种帧的类型：控制字段定义了三种帧的类型：（1 1）信息帧信息帧（简称（简称I I帧帧）用于数据传输，数据用于数据传输，数据255255字节，而且可由任何码或字节，而且可由任何码或数组组成。数组组成。（2 2）监控帧监控帧（S S帧帧）用于控制数据流用于控制数据流。（3 3）无编号帧无编号帧（U U帧帧）用于提供附加的控制功能。用于提供附加的控制功能。n（1 1）信息（信息（I I）帧）帧信

15、息帧既有信息帧既有N(S)N(S)又有又有N(R)N(R)。N(S)N(S)为当前发送帧的编号，具有命令的含义；为当前发送帧的编号，具有命令的含义；N(R)N(R)用于确认收妥对方的用于确认收妥对方的N(S)N(S)等于等于N(R)N(R)值以前值以前的各信息帧，并期待接收第的各信息帧，并期待接收第N(R)N(R)帧具有应答的帧具有应答的意义。意义。在常规操作中，在常规操作中， N(S)N(S)和和N(R)N(R)按模按模8 8 记数，因记数，因此连续发送或接收的最大帧数为此连续发送或接收的最大帧数为7 7。n（2 2）监控（）监控（S S）帧）帧S S帧有两位帧有两位S S比特，它定义了四种

16、应答：比特，它定义了四种应答：（1 1）接收就绪）接收就绪RR;RR;（2 2）接收未就绪）接收未就绪RNRRNR；（3 3）拒绝接收）拒绝接收REJ;REJ;（4 4）选择拒绝接收）选择拒绝接收SREJ.SREJ.nRRRR帧确认帧确认I I帧已从别的站帧已从别的站收到，并且表示做好了接收到，并且表示做好了接收准备。收准备。nRNRRNR用于表示工作处于一用于表示工作处于一种暂时繁忙的状态，并确种暂时繁忙的状态，并确认认I I帧已从其他站收到。帧已从其他站收到。nREJREJ帧用于请求重传，从帧用于请求重传，从在编号中选定的点开始重在编号中选定的点开始重传所有传所有I I帧。帧。nSREJS

17、REJ用于请求重传某一个用于请求重传某一个被选定的被选定的I I帧。帧。nS S帧有接收顺序号帧有接收顺序号N(R)N(R)，无，无发送顺序号发送顺序号N(S)N(S)。n（3 3）无编号（）无编号（U U）帧）帧 无编号帧没有帧顺序编号，参见表无编号帧没有帧顺序编号，参见表10.310.3。它有。它有5 5位修饰位修饰比特（比特（M M比特）用于定义各种无编号的命令和响应。比特）用于定义各种无编号的命令和响应。n无编号帧的一些命令无编号帧的一些命令 非扩充编号方式设置命令：非扩充编号方式设置命令：设置正常响应模式（设置正常响应模式（SNRMSNRM），），设置异步响应模式（设置异步响应模式（

18、SARMSARM），），设置异步平衡模式（设置异步平衡模式（SABMSABM）。）。 扩充编号方式设置命令：扩充编号方式设置命令：设置扩充正常响应模式（设置扩充正常响应模式（SNRMESNRME），），设置扩充异步响应模式（设置扩充异步响应模式（SARMESARME），），设置扩充异步平衡模式（设置扩充异步平衡模式（SABRESABRE）。）。 断开命令断开命令：用于终止已建立的各种方式；：用于终止已建立的各种方式；无编号确认无编号确认UAUA ：作为对设置方式和断开命令的应答。：作为对设置方式和断开命令的应答。帧拒绝命令帧拒绝命令FRMRFRMR ：既可作为命令，也可作为应答。：既可作为命令

19、，也可作为应答。无编号探询命令无编号探询命令UPUP ：可同时探询多个站址；：可同时探询多个站址；无编号信息帧无编号信息帧UIUI ：可作命令也可作应签，允许发送不受：可作命令也可作应签，允许发送不受I I帧限制的数据。帧限制的数据。置初始化方式命令置初始化方式命令SIMSIM ：用于对链路重新初始化。：用于对链路重新初始化。重置命令重置命令RSETRSET ：在数据传输过程中，组合站用它重新初始：在数据传输过程中，组合站用它重新初始 化一个方向的链路数据流。化一个方向的链路数据流。交换标志命令交换标志命令XIDXID ：也可作为应答，它包含有信息字段，用：也可作为应答，它包含有信息字段，用于

20、两站间交换标志和工作站特征。于两站间交换标志和工作站特征。RDRD：从站对主站：从站对主站DISCDISC命令的应答响应。命令的应答响应。断连方式应答断连方式应答DMDM ：作为对各种设置方式命令的否定应答。：作为对各种设置方式命令的否定应答。10.2.3 HDLC10.2.3 HDLC联机运行实例联机运行实例n例例10-1 10-1 链路建立和序号应用。链路建立和序号应用。n例例10-2 10-2 错误恢复（错误恢复（SREJSREJ，返回，返回N N协议，超协议，超时）的图解。时）的图解。10.3 X.2510.3 X.25链路访问规程链路访问规程n10.3.1 X.2510.3.1 X.

21、25概述概述n10.3.2 X.2510.3.2 X.25和和HDLCHDLC比较比较10.3.1 X.2510.3.1 X.25概述概述nX.25 X.25 全称：在公用数据网上以分组的方式进行操作的数全称：在公用数据网上以分组的方式进行操作的数据终端设备（据终端设备（DTEDTE）和数据电路设备（）和数据电路设备（DCEDCE）之间的接口。）之间的接口。nX.25X.25指定了指定了OSIOSI模型的第一、二、三层。模型的第一、二、三层。nX.25X.25物理层适合双工、点对点同步电路。物理层适合双工、点对点同步电路。nX.21X.21协议为协议为DTEDTE和网络之间的物理传输路径，和网

22、络之间的物理传输路径，V.24V.24作为物作为物理接口。理接口。nX.25X.25链路层协议为平衡链路存取规则（链路层协议为平衡链路存取规则（LAP-BLAP-B）,HDLC,HDLC的的一个子集。一个子集。n网络层为最高层，它指定了控制信息和用户数据构成分网络层为最高层，它指定了控制信息和用户数据构成分组的方法。组的方法。10.3.2 X.2510.3.2 X.25和和HDLCHDLC比较比较一、地址编码不同一、地址编码不同单链路工作方式：单链路工作方式：地址地址A A，表示，表示DTEDTE地址，为地址，为11000000 11000000 （最左边为最低位）（最左边为最低位） ；地；地

23、址址B B，表示，表示DCEDCE设备，为设备，为1000000010000000（最左边为最低位）。（最左边为最低位）。多链路操作方式：多链路操作方式：由由DCEDCE发往发往DTEDTE的命令帧，多链路操作含有地址的命令帧，多链路操作含有地址C C（DTEDTE地址）；地址）；由由DTEDTE发往发往DCEDCE的命令帧，多链路操作含有地址的命令帧，多链路操作含有地址D D（DCEDCE地址）；地址）；由由DCEDCE发往发往DTEDTE的响应帧，多链路操作含有地址的响应帧，多链路操作含有地址D D（DCEDCE地址）地址） ；由由DTEDTE发往发往DCEDCE的响应帧，多链路操作含有地

24、址的响应帧，多链路操作含有地址C C（DTEDTE地址）地址） ；C C为为11 110 00011 110 000，D D为为11 100 000 11 100 000 （最左边为最低位）（最左边为最低位）二、二、P/FP/F必须成对出现必须成对出现与与HDLCHDLC不同，不同，X.25X.25每个帧控制字段必须包含每个帧控制字段必须包含P/FP/F位。位。在命令帧中在命令帧中P/FP/F位为位为P P位；在响应帧中称为位；在响应帧中称为F F位。位。P=1P=1表示接表示接收方尽快对本命令做出响应。收方尽快对本命令做出响应。F=1F=1表示对上一个表示对上一个P=1P=1的命令的命令帧的

25、响应。帧的响应。三、三、X.25X.25链路级命令与响应类型比链路级命令与响应类型比HDLCHDLC少少10.4 10.4 数据链路层协议性能分析数据链路层协议性能分析n10.4.1 10.4.1 停停- -等协议性能等协议性能n10.4.2 10.4.2 返回返回N N协议性能协议性能n10.4.3 X.2510.4.3 X.25链路级（链路级（HDLC,LAPBHDLC,LAPB）性能）性能10.4.1 10.4.1 停停- -等协议性能等协议性能n假定数据帧长度、传播时延及接收机应答处假定数据帧长度、传播时延及接收机应答处理时延为常数，求单向最大吞吐量。理时延为常数，求单向最大吞吐量。)

26、1 ()1 (.,2.1ptpitpttpBtttttttNAKACKtttNAKACKBBAATiiTTVoverITSPoveroverSPI数据帧的平均时间：数据帧的平均时间：，则接收一个无误码，则接收一个无误码率为率为站接收一个误码帧的概站接收一个误码帧的概如果如果这样相邻帧的最小间隔这样相邻帧的最小间隔要求要求为超时间隔。为超时间隔。帧传送时间。帧传送时间。或或为为为电波单向传播时延，为电波单向传播时延，时间，时间，为发送一个数据帧所需为发送一个数据帧所需应答应答或否认或否认站则以明确的站则以明确的而而站发送数据，站发送数据，站向站向只有只有站处于信息饱和状态且站处于信息饱和状态且设

27、设上式中，第一项上式中，第一项 为无误码成功发送所需时间。不成功为无误码成功发送所需时间。不成功传送传送 次，且第次，且第 次成功的概率为次成功的概率为 ，所花去的时间为所花去的时间为 。第二项的物理意义为。第二项的物理意义为 均值。上述均值。上述 表达式中，忽略了表达式中，忽略了B B至至A A的的ACKACK可能出现的误码，可能出现的误码，由于由于ACKACK帧一般为帧一般为6 6个字节，远短于数据帧，误码概率很小。个字节，远短于数据帧，误码概率很小。 Tti1i(1)ippiTTitVt/ )1 (/1,./ )1 (, 1/ )1 (/1maxmaxmaxmaxmaxpttpSSttp

28、StttptSSIIIIITTV）（时，系统稳定工作。时，系统稳定工作。当当为信息平均到达率。为信息平均到达率。业务强度参数：业务强度参数：则则定义参数定义参数。链路最大吞吐量链路最大吞吐量定义每秒成功传送帧为定义每秒成功传送帧为10.4.2 10.4.2 返回返回N N协议性能协议性能n一、返回一、返回N N协议吞吐量协议吞吐量1/2) 1(1 )1 (/1,)1 () 1(1)1 (.max1ITIoverISIpTIoverIVITIiiTIVIttttttttttttpptSttpptpitptttACK，时，时，当当最大吞吐量：最大吞吐量：式中式中为：为：一个帧的平均传送时间一个帧的

29、平均传送时间间间时间间隔就是帧传输时时间间隔就是帧传输时两次成功传送间的最小两次成功传送间的最小，因此，因此送，不必等待确认送，不必等待确认由于可以连续进行帧传由于可以连续进行帧传21(1)iipipp此时停此时停-等协议和返回等协议和返回N协议协议 相同，相同，其物理意义是明显的，即当等待时间其物理意义是明显的，即当等待时间可忽略，等待与连续传送没有区别。可忽略，等待与连续传送没有区别。maxS例例10-310-3对停对停-等协议等协议对返回对返回N协议协议 ，两者相，两者相差近差近4倍。倍。 越大，返回越大，返回N协议性能改善也越大。协议性能改善也越大。max(1)/0.99/4IISpt

30、t4,0.01,pmax(1)0.99/1.031 (1)IIpStp tn二、返回二、返回N N协议最佳帧长度协议最佳帧长度 数据帧由网络层的数据帧由网络层的数据分组数据分组和和控制信息分组控制信息分组组成，组成，其中控制信息（附加开销）占用比特长度一定。当数据其中控制信息（附加开销）占用比特长度一定。当数据长度太短，用户信息（分组）相对于控制信息长度短，长度太短，用户信息（分组）相对于控制信息长度短，吞吐量低。反之如数据太长，虽然用户信息相对附加开吞吐量低。反之如数据太长，虽然用户信息相对附加开销比例大，但误码概率增加，致使吞吐量下降。因此销比例大，但误码概率增加，致使吞吐量下降。因此从从吞吐量观点看，必然存在一个最佳帧长度。吞吐量观点看，必然存在一个最佳帧长度。n二、返回二、返回N N协议最佳帧长度协议最佳帧长度时。时。在在佳帧长度佳帧长度求导等于零，可求得最求导等于零，可求得最对对令令可表示为：可表示为：进行归一化