第4章：数据链路层

1、12本章学习要求：w理解：数据传输过程中理解：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。w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。w掌握：数据链路层的基本概念。掌握：数据链路层的基本概念。w了解：型数据链路层协议的分类方法了解：型数据链路层协议的分类方法。w掌握：典型的数据链路层协议掌握：典型的数据链路层协议HDLC及及PPP的原理的原理34.1 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w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；w设计数据链路层的主要目的：设计数据链路层的主要目的： 将有

2、差错的物理线路改进成无差错的数据链路；将有差错的物理线路改进成无差错的数据链路； 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w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。44.1.2 差错产生的原因和差错类型 w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接收的数据与发送数据 不一致的现象不一致的现象;w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；w通信信道的噪声分为两类：热噪声和冲击噪声；通信信道的噪声分为两类：热噪声和冲击噪声；w由热噪声引起的差错是随

3、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；w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；w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；w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。5传输差错产生过程信源通信信道信宿数据噪声数据+噪声(a)001100111100011111000011000100010110011001010传输数据数据信号波形噪声数据信号与噪声信号叠加后的波形采样时间接收数据原始数据出错的位(b)6 4.1.3 误码率的定义

4、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： Pe = Ne/N其中，其中，N为传输的二进制比特总数；为传输的二进制比特总数； Ne为被传错的比特数。为被传错的比特数。7讨论w误码率应该是衡量数据传输系统正常工作状态误码率应该是衡量数据传输系统正常工作状态下下传输可传输可靠性的参数；靠性的参数；w对于一个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；低越好，要根据实际传输要求提出误码率要求；w对于实际数据传输系统，如果传输

5、的不是二进制比特，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；要折合成二进制比特来计算；w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。 84.1.4 检错码与纠错码 w纠错码纠错码： 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。w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

6、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。且自己不能纠正传输差错。 9常用的检错码w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）校验水平水平奇（偶）校验水平 垂直奇（偶）校验（方阵码）垂直奇（偶）校验（方阵码） w循环冗余编码循环冗余编码CRC 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一104.1.5 循环冗余编码工作原理 发送方接收方发送数据 f(x)生成多项式 G(x)f(x) xk.G(x)=Q(x)+R(x)G(x)实际发送:

7、f(x)xk.+R(x)数据字段校验字段f(x)xk.R(x)发送数据 f (x)生成多项式 G(x)R(x)=R(x) 接收正确R(x)=R(x) 接收出错发送f(x) xk.G(x)=Q(x)+R(x)G(x)11w 举例举例：1 1 0 0 1 1发送数据比特序列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

8、1R(x)1 0 0 0 0 1Q(x)f(x).xk12标准CRC生成多项式G（x）wCRC-12 G（x）= x12+x11+x3+x2+x+1wCRC-16 G（x）= x16+x15+x2+1wCRC-CCITT G（x）= x16+x12+x5+1wCRC-32 G（x）= x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+ x10 +x8+x7+x5+x4 + x2+x+1 13CRC校验码的检错能力wCRC校验码能检查出全部单个错；校验码能检查出全部单个错；wCRC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；wCRC校验码能检查出全部奇数个错；校验码能检

9、查出全部奇数个错；wCRC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位的突发错；位的突发错；wCRC校验码能以校验码能以1-（1/2）K-1的概率检查出长度为的概率检查出长度为（K+1）位的突发错；位的突发错；w如果如果K=16，则该则该CRC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 位的所有的突发差错，并能以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的概率检查出长度为17位的突发错，漏检概率为位的突发错，漏检概率为0.003%； 144.1.6 差错控制机制 反馈重发机制反馈重发机制 信源校验码编码器存储器发送

10、装置传输信道接收装置发发送送端端校验码译码器接接收收端端信宿反馈信号控制器反馈信号控制器154.2 数据链路层的基本概念4.2.1 物理线路与数据链路w线路线路 链路链路w物理线路物理线路 数据链路数据链路164.2.2 数据链路控制 w链路管理链路管理 w帧同步帧同步 w流量控制流量控制 w差错控制差错控制 w帧的透明传输帧的透明传输 w寻址寻址 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为实现数据链路控制功能而 制定的规程或协议。制定的规程或协议。174.2.3 数据链路层向网络层提供的服务 数据链路层服务的类型数据链路层服务的类型：w面向连接确认服务（面向连接确认服务（ack

11、nowledged connection-oriented service）；）； w无连接确认服务（无连接确认服务（acknowladged connectionless service）；）； w无连接不确认服务（无连接不确认服务（unacknowledged connectionless service）。）。 18实际数据路径实际数据路径与虚拟数据路径与虚拟数据路径网 络 层数据链路层物 理 层传输介质应 用 层表 示 层会 话 层传 输 层网 络 层数据链路层物 理 层主机2主机2虚拟数据路径应 用 层表 示 层会 话 层传 输 层主机1主机1（a）虚拟数据路径（a）虚拟数据路径网

12、络 层数据链路层物 理 层传输介质应 用 层表 示 层会 话 层传 输 层网 络 层数据链路层物 理 层主机2主机2实际数据路径应 用 层表 示 层会 话 层传 输 层主机1主机1（b）实际数据路径（b）实际数据路径194.3 典型数据链路层协议分析 面向比特型4.3.1 HDLC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：w报文格式不一样；报文格式不一样；w传输透明性不好；传输透明性不好；w等待发送方式，传输效率低。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：w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；w

13、数据帧与控制数据帧与控制 帧格式相同；帧格式相同；w传输透明性好；传输透明性好；w连续发送，传输效率高。连续发送，传输效率高。204.4.2 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w非平衡配置非平衡配置w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w主站：控制数据链路的工作过程。主站发出命令主站：控制数据链路的工作过程。主站发出命令 w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中的结构特点非平衡配置中的结构特点w点点- -点方式点方式w多点方式多点方式21数据链路的非平衡配置方式22非平衡配置方式正常响应模式（正

14、常响应模式（normal response mode，NRM）w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；w从站只有在主站向它发送命令帧进行探询（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。从站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 mode，ARM）w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；w从站可以不需要等待主站发出探询就可以发送数据；从站可以不需要等待主站发出探询就可以发送数据；w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

15、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。23平衡配置方式 w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 station）；）；w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；w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；w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 mode，ABM）；）；w异步平衡模式的每个复合站都可以平等地发起数据传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。输，而不需要得到对方复合站

16、的许可。24数据链路的平衡配置方式254.4.3 HDLC的帧结构 wF（flag） ：固定格式固定格式 01111110 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（零零比特插入与删除）比特插入与删除） wA（address） ：地址地址wC（control） ：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wI（information） ：网络层数据，网络层数据，Nmax = 256BwCRC（checksum） ：校验校验A、C、I字段的数据字段的数据 G(X)= X16+X12+X5+1标志字段F(8位)地址字段A(8/16位)控制字段C(8/16

17、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)26零比特插入/删除工作过程27帧类型及控制字段的意义标志字段F（8 位 ）地址字段A（8 /16位 ）控制字段C（8 位 ）信息字段I(长度可变)帧校验字段F C S（1 6/32位 ）标志字段F(8位)0N(S)P/FN(R)1 0监控P/FN(R)1 1未分配P/F未分配信息帧( I ) ：信息帧( I ) ：监控帧( S ) ：监控帧( S ) ：无编号帧无编号帧(U)：(U)：b0b4b7b1b2b3b5b628帧类型wI帧帧 ： N（S） 发送发送帧的顺序号帧的顺序号 N（R） 接收帧的顺序号接收帧的顺序号

18、 P/F= Poll / Final， P=1 询问，询问，F=1 响应响应 P与与F成对出现成对出现wS帧帧 ：监控功能位监控功能位 S = 00，RR（receive ready） S = 01，RNR（receive not ready） S = 10，RJE（reject） S = 11，SREJ（select reject）wU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29U帧的格式与链路控制功能MP/FM1 1A01111110FCS01111110110000000111100000100011010001UACMADSARMSNRMSABMDISC命令响应置异步响

19、应置正常响应置异步平衡响应拆链无编号确认命令拒绝建立主从的点-点结构建立主从的多点结构建立复合站的平衡结构结束已建立的数据链路从站响应主站的命令从站报告帧传输异常304.3.4 HDLC协议工作原理w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w一个信息帧的表示一个信息帧的表示 IN(S)N(R)P/FData高层数据探询/终止位接收帧序号发送帧序号I帧标志I， N(S)=3， N(R)=4， P=131w无编号帧的表示方法无编号帧的表示方法 wSNRM帧与帧与UA帧结构的表示方法帧结构的表示方法 U ， SNRM ， P=1U ， UA ， F=1置异步响应模式：置异步响应模式：无编

20、号确认：无编号确认：01111110A11001001FCS0111111001111110A11001110FCS01111110置异步响应模式：置异步响应模式：无编号确认：无编号确认：32正常响应正常响应模式数据模式数据链路工作链路工作334.3.5 数据链路层与物理层的关系344.4 数据链路层滑动窗口协议与帧传输效率分析4.4.1 数据链路层滑动窗口协议的分类 停止等待协议 后退N帧协议 选择性重传协议35w停等协议 基本概念： 不会连续发送 相关效率分析： 式4-436反馈重发机制的分类 w 停止等待方式停止等待方式 接接收收端端发发送送端端ACKNAKACK1223122337w连

21、续发送协议 基本概念： 连续发送的含义 两种基本的连续协议 GBN SR 38连续工作方式 w拉回方式拉回方式w选择重发方式选择重发方式 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39w滑动窗口机制的基本工作原理 发送窗口与接收窗口的概念 发送窗口及接收窗口的编号及其影响w 出错的处理 什么样的错误不能处理404.5 Internet中的数据链路层 4.5.1

22、 Internet中主要的数据链路层协议wSLIP （Serial Line IP） 串行线路的串行线路的Internet数据链路层协议数据链路层协议wPPP （ Point-to-Point Protocol） 点点-点协议点协议wSLIP与与PPP用于串行通信的拨号线路上，是目前家庭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计算机或公司用户通过ISP接到接到Internet主要的协议。主要的协议。 414.5.2 SLIP协议wSLIP出现于出现于20世纪世纪80年代初，最早是在年代初，最早是在BSD UNIX 4.2版操作系统上实现的版操作系统上实现的;wSLIP协议支持协

23、议支持TCP/IP协议协议;w对数据报进行了简单的封装，然后来用对数据报进行了简单的封装，然后来用RS-232接口串接口串行线路进行传输行线路进行传输;wSLIP通常也用来将远程终端连接到通常也用来将远程终端连接到UNIX主机，也可通主机，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。器到路由器的通信。42典型的SLIP接入方式wInternet的家庭或小型公司用户通过调制解调器、电话网的家庭或小型公司用户通过调制解调器、电话网络连接到络连接到ISP的调制解调器；的调制解调器；wISP的调制解调器再通过它的路由器接入的调制解

24、调器再通过它的路由器接入Internet；wSLIP系统一般可以发送和接收系统一般可以发送和接收1006B的的IP数据报。数据报。43SLIP协议的帧结构wRFC 1055文件对文件对SLIP帧格式进行了讨论帧格式进行了讨论;wSLIP帧头与帧尾的帧头与帧尾的“CO”，是协议使用的惟一的一个是协议使用的惟一的一个控制字符控制字符;wCO的二进制编码比特序列是的二进制编码比特序列是1000011 0000000;wCO的使用将影响的使用将影响SLIP帧数据的透明性帧数据的透明性; IP数据包EndEndIP数据包C0C0C0在数据传送中以“DB”“DC”表示DB在数据传送中以“DB”“DD”表示

25、44 SLIP协议的缺点w使用使用SLIP协议时，通信的双方都必须知道对方的协议时，通信的双方都必须知道对方的IP地地址，因为址，因为SLIP协议没有为它们提供相互交换地址信息协议没有为它们提供相互交换地址信息的方法；的方法；w没有设置协议类型字段，不具备同时处理多种网络层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；协议的能力；w没有校验和字段，差错控制功能由高层的协议承担；没有校验和字段，差错控制功能由高层的协议承担；wSLIP协议并不是协议并不是Internet的协议标准，因此不同版本的协议标准，因此不同版本的之间就会存在着差别，使得互连变得困难。的之间就会存在着差别，使得互

26、连变得困难。454.5.3 CSLIP协议wSLIP协议通常运行于传输速率相对较低的串行线路上协议通常运行于传输速率相对较低的串行线路上;w在常用于在常用于Telnet之类的应用程序中，人们提出了一种压之类的应用程序中，人们提出了一种压缩的缩的SLIP（CSLIP ）协议协议;wRFC 1144对对CSLIP进行了定义进行了定义;wTelnet是一种交互式的应用程序，每次常常只传送几个是一种交互式的应用程序，每次常常只传送几个字节的信息，通信效率低。字节的信息，通信效率低。 IP报头(20位)TCP报头(20位)数据压缩TCP/IP报头(3到5位)数据S SL LI IP P帧帧：C CS S

27、L LI IP P帧帧：464.5.4 PPP协议基本特点wPPP协议是协议是Internet标准，标准，RFC 1660、RFC 1661定定义了义了PPP协议与帧结构；协议与帧结构；wPPP协议处理了差错检测，支持面向字符型协议与面协议处理了差错检测，支持面向字符型协议与面向比特型协议向比特型协议,可以支持可以支持IP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IPX协议）；协议）；wPPP协议不仅在拨号电话线，并且在路由器协议不仅在拨号电话线，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;wPPP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ISP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。 47PPP信息帧格式w 标志（标志（flag）：）：01111110w 地址地址（address）：值为值为“FF”（11111111），），表示表示网中所有的站网中所有的站 都接收该帧都接收该帧w 控制控制（control）：值为值为“03”（00000011）w 协议（协议（protocol）：