第4章 数据链路层ppt课件

1、第四章第四章 数据链路层数据链路层本章学习要求n了解数据传输过程中过失产生的缘由与性质n掌握误码率的定义与过失控制方法n掌握数据链路层的根本概念n了解面向字符型数据链路层协议实例BSCn掌握面向比特型数据链路层协议实例HDLCn掌握Internet中数据链路层协议PPP4.1 过失产生与过失控制方法n4.1.1 设计数据链路层的缘由n在原始的物理传输线路上传输数据信号存在过失。n将有过失的物理线路改良成逻辑上无过失的数据链路，向网络层提供高质量的效力。n从参考模型的角度看，数据链路层是改善数据质量最重要的一层。4.1 过失产生与过失控制方法续n过失产生的过程出现过失010010 0100复原后

2、的数据t接纳到的失真信号010011100t发送的基带信号t采样时辰4.1 过失产生与过失控制方法续n4.1.2 过失产生的缘由和过失类型n传输过程中存在噪声是产生过失的主要缘由n噪声分两种：热噪声和冲击噪声n热噪声：传输导体的电子热运动产生。n随时存在n幅度小n频谱宽n冲击噪声：外界电磁干扰产生。n突发性n幅度大n与数据传输中每比特发送时间相比延续时间相对较长4.1 过失产生与过失控制方法续n4.1.3 误码率n Pe = Ne / N N：传输的总比特数， n Ne：传错的比特数n线平均误码率10-410-6n计算机网络要求的平均误码率10-94.1 过失产生与过失控制方法续n4.1.4

3、检错码与纠错码n纠错码：可自动发现并纠正错误n检错码：只可检测传输信号的错误，但不能纠正，须配合重传机制。4.1.5 循环冗余检验的原理 n在数据链路层传送的帧中，广泛运用了循环冗余检验 CRCcyclic redundancy code 的检错技术。n任务原理：将要发送的数据比特序列当作一个多项式f(x)的系数，在收发双方预先商定一个多项式g(x)，用f(x)除g(x)求得一个余数多项式y(x)，将y(x)的系数加到发送数据比特序列之后一并发送。接纳端根据接纳到的数据也除g(x)生成余数多项式y(x)。假设y(x) =0，那么表示传送无过失；假设y(x) 0 ，那么表示传输有过失。冗余码的计

4、算 n计算所得的y(x)，称为冗余码。ng(x)为CRC生成多项式，由协议规定。n假设有n bit的数据M 要发送，g(x)最高幂为k 。n先用二进制的模 二 运算进展 2k 乘 M 的运算，这相当于在 M 后面添加 k 个 0。n再将得到的 (n + k ) bit 的数除以事先选定好的长度为 (k + 1) bit 的数 P g(x)的系数，得出商是 Q 而余数是 R冗余码，余数 R 比除数 P 至少要少1 个比特。 冗余码的计算举例n例1：假设接纳端接纳到得据比特为：1010001111001，传输采用CRC检错方法，商定的生成多项式 n g(x)=x5+x4+x2+1 ，问接纳到得数据

5、能否出错。冗余码的计算举例续n g(x)=x5+x4+x2+1n 得到 除数 P=110101n又接纳到得数据是：M= 1010001111001n用M除以P 1101010110 Q 商商 除数除数 P 110101 1010001111001 2nM 被除数被除数 110101 111011 110101 111011 110101 111010 110101 111101 110101 1000 循环冗余检验实例续二进制模二算法，加法不进位，减法不错位。相当于异或操作。余数余数10000 传输出错传输出错冗余码的计算举例 n例2：假设要发送的数据比特为：1010001101，传输采用CR

6、C检错方法，商定的生成多项式 n g(x)=x5+x4+x2+1 ，务虚际发送的数据是什么。冗余码的计算举例续n g(x)=x5+x4+x2+1n 得到 k=5，除数 P=110101n对要发送的数据乘以x5，得到 M=101000110100000n用M除以P 1101010110 Q 商商 除数除数 P 110101 101000110100000 2nM 被除数被除数 110101 111011 110101 111010 110101 111110 110101 101100 110101 110010 110101 01110 R 余数余数循环冗余检验实例续二进制模二算法，加法不进位

7、，减法不错位。相当于异或操作。循环冗余检验实例续n模二运算的结果是：商 Q = 1101010110，n 余数R = 01110。n将余数 R 作为冗余码添加在数据 M 的后面发送出去，即实践发送的数据是101000110101110。 冗余码的计算举例 n例3：假设接纳到的数据比特为： 101000110101110 ，传输采用CRC检错方法，商定的生成多项式 n g(x)=x5+x4+x2+1 ，检验数否有错。 1101010110 Q 商商 除数除数 P 110101 101000110101110 2nM 被除数被除数 110101 111011 110101 111010 11010

8、1 111110 110101 101111 110101 110101 110101 0循环冗余检验实例续二进制模二算法，加法不进位，减法不错位。相当于异或操作。余数为余数为0 接纳正确接纳正确检测出过失 n接纳方用g(x)除接纳到的数据，只需得出的余数 R 不为 0，就表示检测到了过失。n但这种检测方法并不能确定终究是哪一个或哪几个比特出现了过失。n一旦检测出过失，就丢弃这个出现过失的帧。n只需经过严厉的挑选，并运用位数足够多的除数 P，那么出现检测不到的过失的概率就很小很小。 CRC检错的特点n全部单个错n全部离散的二位错n全部奇数个错n全部长度小于或等于生成多项式位n-1的突发错n以1

9、-1/2n-2的概率检测长度为n的突发错该当留意 n仅用循环冗余检验 CRC 过失检测技术只能做到无过失接受(accept)。n“无过失接受是指：“凡是接受的帧即不包括丢弃的帧，我们都能以非常接近于 1 的概率以为这些帧在传输过程中没有产生过失。n也就是说：“凡是接受的帧都没有传输过失有过失的帧就丢弃而不接受。n要做到“可靠传输即发送什么就收到什么就必需再加上确认和重传机制过失控制机制。 4.1.6 过失控制机制-反响重发机制n反响重发机制分类n停顿等待方式n延续任务方式n拉回方式n选择重发方式信源校验码编码器存储器发送装置传输信道接收装置发送端校验码译码器接收端信宿反馈信号控制器反馈信号控制

10、器停顿等待方式12231223接收端发送端ACKNAKACK停顿等待协议续时间ABDATA0送主机ACKDATA1送主机ACK(a) 正常情况ABDATA0DATA0送主机ACK(c) 数据帧丧失重传tout丢失 ！ABDATA0送主机ACKDATA0丢弃ACK(d) 确认帧丧失重传tout 丢失 ！ABDATA0NAKDATA0送主机ACK(b) 数据帧出错重传出错四种情况延续任务方式6543254321065432543210发送端接收端ACK0ACK1NAK2ACK2ACK3(a)9876254321098762543210发送端接收端ACK0ACK1NAK2ACK2ACK6(b)ACK

11、3ACK4ACK5丢弃丢弃重传重传拉回方式选择重发方式4.2 数据链路层的根本概念 n链路(link)是一条无源的点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换结点。n一条链路只是一条通路的一个组成部分。n数据链路(data link) 除了物理线路外，还必需有通讯协议来控制这些数据的传输。假设把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。n如今最常用的方法是运用适配器即网卡来实现这些协议的硬件和软件。n普通的适配器都包括了数据链路层和物理层这两层的功能。 数据链路层像个数字管道 n经常在两个对等的数据链路层之间画出一个数字管道，而在这条数字管道上传输的数据单位是帧。n早期的数据通讯协议

12、曾叫作通讯规程(procedure)。因此在数据链路层，规程和协议是同义语。 结点结点帧帧4.2.2 数据链路层的主要功能(1) 链路管理：数据链路的建立、维持和释放。 (2) 帧定界：接纳方能准确区分帧的起始和终了位置。(3) 流量控制：使发送的数据能来得及接纳。(4) 过失控制：检测过失，重传处理。(5) 透明传输：将数据和控制信息区分开 。(6) 寻址 ：保证每一帧能送到正确目的结点。 4.2.3 数据链路层提供的效力n面向衔接确认效力n无衔接确认效力n无衔接不确认效力数据链路层的简化模型局域网广域网主机 H1主机 H2路由器 R1路由器 R2路由器 R3网局域网主机 H1 向 H2 发

13、送数据链路层运用层运输层网络层物理层链路层运用层运输层网络层物理层链路层网络层物理层链路层网络层物理层链路层网络层物理层R1R2R3H1H2从层次上来看数据的流动数据链路层的简化模( 续局域网广域网主机 H1主机 H2路由器 R1路由器 R2路由器 R3网局域网主机 H1 向 H2 发送数据链路层运用层运输层网络层物理层链路层运用层运输层网络层物理层链路层网络层物理层链路层网络层物理层链路层网络层物理层R1R2R3H1H2仅从数据链路层察看帧的流动4.3 数据链路层协议实例n数据链路层协议分类n面向字符型n软件编程符合人们思想习惯n需求进展通讯的计算机要运用一样的字符集n用户数据字段中要躲避控

14、制字符n面向比特型4.3.2 面向字符型协议实例-BCSn实例一：IBM BCS二进制同步通讯n用10 个字符完成通讯控制n定义了数据报文、控制报文的格式n定义了协议操作过程4.3.2 面向字符型协议实例BCS续n控制字符 - 以字符为控制传输信息的根本单元；n ASIIC码：n 格式字符：SOH (start of heading)n STX (start of text)n ETB (end of transmission block)n ETX (end of text)n 控制字符：ACK (acknoledge)n NAK (negative acknoledge)n ENQ (en

15、quire)n EOT (end of transmission)n SYN (synchrous)n DLE (data link escape)4.3.2 面向字符型协议实例BCS续n面向字符型BSC协议的数据报文格式：SYNSYNSOH报头STXBCCETB/ETX正 文同步字符报头开始用户定义分组结束正文结束校验正文开场4.3.2 面向字符型协议实例BCS续n协议执行过程发送ENQ接纳ACKACK?发送数据接纳应对ACK/NAK终了?重发发送EOT预备数据接纳ENQ发送ACK接纳数据,EOT发送ACK发送NAKENQ?EOT?BCC正确?终了终了YYYYNNNNNYACKNAK4.4

16、面向比特型数据链路层协议-HDLCn面向字符型数据链路层协议的主要缺陷：n 停顿等待发送方式，传输效率低；n 不同字符集的控制字符不同；n 过失控制只限于数据部分；n 不易扩展。n面向比特型协议设计目的：n 延续发送，传输效率高；n 数据帧与控制帧格式一样；n 过失控制包括控制信息；n 以比特作为传输控制信息的根本单元，易扩展且传输透明性好。4.4.2 数据链路的配置方式和数据传送方式n非平衡配置方式n主从站构造n点对点和点对多n数据传输n正常呼应方式n异步呼应方式n平衡配置方式：复合站构造4.4.3 HDLC 帧nHDLC:High-Level Data Link Controln 高级数据

17、链路控制n 是一个在同步网上传输 数据、面向比特的数据链路层协议。 HDLC的特点n协议不依赖于任何一种字符编码集；n数据报文可透明传输，用于实现透明传输的“0比特插入法易于硬件实现；n全双工通讯，不用等待确认便可延续发送数据，有较高的数据链路传输效率；n一切帧均采用校验，对信息帧进展编号，可防止漏收或重份，传输可靠性高；n传输控制功能与处置功能分别，具有较大灵敏性和较完善的控制功能。4.4.3 HDLC 帧构造FACFCRCI8bit8n8N168IF (flaq) ：标志字段，判别一个帧的开场与终了； 固定格式- 01111110； 带来传输数据的透明性问题，用0bit插 入与删除方法处理

18、了该问题。零比特填充法 nHDLC 采用零比特填充法使一帧中两个 F 字段之间不会出现 6 个延续 1。n在发送端，当一串比特流数据中有 5 个延续 1 时，就立刻填入一个 0。n在接纳帧时，先找到 F 字段以确定帧的边境。接着再对比特流进展扫描。每当发现 5 个延续 1 时，就将其后的一个 0 删除，以复原成原来的比特流。 零比特的填充与删除 数据中某一段比特组合恰好出现和 F 字段一样的情况0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 0会被误以为是 F 字段发送端在 5 个连 1 之后填入 0 比特再发送出去填入 0 比特0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0

19、0 0 1 0 1 0在接纳端将 5 个连 1 之后的 0 比特删除，恢复原样在此位置删除填入的 0 比特0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0标志字段的一些阐明n采用零比特填充法就可传送恣意组合的比特流，或者说，就可实现数据链路层的透明传输。n当延续传输两个帧时，前一个帧的终了标志字段 F 可以兼作后一帧的起始标志字段。n当暂时没有信息传送时，可以延续发送标志字段，使收端可以不断和发端坚持同步。 4.4.3 HDLC 帧构造续FACFCRCI8bit8n8N168IA (address) ：地址字段，8位或16位。首位为1 时，地址字段为8位；首位为0时， 地

20、址字段为16位。 非平衡方式：从站地址 平衡方式：应对站地址 全1：广播地址地址字段An地址字段的内容取决于所采用的操作方式。n每一个从站和组合站都被分配一个独一的地址。n命令帧中的地址字段携带的是对方站的地址，而呼应帧中的地址字段所携带的地址是本站的地址。n全“1地址来表示包含一切站的地址，n全“0地址为无站地址，这种地址不分配给任何站，仅作作测试。4.4.3 HDLC 帧构造续FACFCRCI8bit8n8N168IC (control) ：控制字段，8位，实现HDLC的控 制功能； 表示帧的类型、帧的编号、命令与 控制信息；帧类型及控制字段的意义：FACFCRCI8bit8n8N168b

21、 0b1b2b3b4b5b6b7I帧S帧U帧01 01 1N(S)SMP/FP/FP/FN(R)N(R)MI帧类型：nI帧 ：信息帧；n N(S) - 发送帧的顺序号；n N(R) -接纳帧的顺序号；n P/F= Poll / Final ， P=1 - 讯问，F=1 - 呼应；n P与F成对出现；nS帧 ：监控帧；n S = 2bit，监控功能位； S = 00，RR (receive ready)n S = 10, RNR (receive not ready)n S = 01, RJE (reject)n S = 11, SREJ (select reject)nU帧 ：无编号帧；n 用

22、于实现数据链路控制功能； U帧的格式与链路控制功能:0111111001111110AFCS1 1MP/FMMM1 1 0 0 00 0 0 0 11 1 1 0 00 0 0 1 00 0 1 1 01 0 0 0 1呼应命令置异步呼应SARM置正常呼应置异步平衡呼应拆 链无编号确认命 令 拒 绝SNRMSABMDISCUACMAD建立主-从的点/点构造；建立主-从的多点构造；建立复合站的平衡构造；终了已建立的数据链路；从站呼应主站的命令；从站报告帧传输异常；4.4.3 HDLC 帧构造续FACFCRCI8bit8n8N168II (information) ：网络层用户数据，编码可以 是恣

23、意的，长度可变； 只出如今信息帧和无编号帧中。4.4.3 HDLC 帧构造续FACFCRCI8bit8n8N168ICRC(checksum) ：校验字段，16位； 校验A,C,I字段的数据； G(X)= X16+X12+X5+1 (CRC-16)帧的简化构造表示法n信息帧n无编号帧IN(S)N(R)F/P例：例：I, N(S)=3, N (R)=4, F=1另一种表示法另一种表示法:01111110 A 00111100 INFO FCS 01111110控制命令UF/P例：例：U, SNRM , P=1另一种表示法另一种表示法:01111110 A 11001001 FCS 0111111

24、0数据链路层任务的三个阶段：建立物理线路连接实现比特流传输释放物理线路连接建立数据链路传输帧释放数据链路I帧确认PSI帧I帧I帧探询释放确认PSU,SNRM,P=1U,UA,F=1I,N(S)=1,N(R)=0I,N(S)=2,N(R)=0,P=1I,N(S)=1,N(R)=3I,N(S)=2,N(R)=3I,N(S)=3,N(R)=3,F=1I,N(S)=3,N(R)=4,P=1I,N(S)=4,N(R)=4I,N(S)=5,N(R)=4,F=1U,DISC,P=1U,UA,F=11100111001111110 A 11001001 FCS 0111111001111110 A 11001

25、001 FCS 0111111001111110 A 01000000 I FCS 0111111001111110 A 00101000 I FCS 0111111001111110 A 01000110 I FCS 0111111001111110 A 00100110 I FCS 0111111001111110 A 01101110 I FCS 0111111001111110 A 01101001 I FCS 0111111001111110 A 00010001 I FCS 0111111001111110 A 00111001 I FCS 0111111001111110 A 1

26、1001010 FCS 0111111001111110 A 11001110 FCS 0111111001111110101001010101010001000000 F,A,C10100101001010100101001001010010 I01001010101010101001010101010101010101010101010101010100001111111110100111101000000000010100111111111111111111111111111000000001000000110101010100000000000000101001010101010101

27、010010010110101111001111111010001010101010010101100110110001010001111110 FCS,F4.5 Internet 中的数据链路层nSLIP协议自学nCSLIP协议自学4.5.4 PPP协议n如今全世界运用得最多的数据链路层协议是点对点协议 PPP (Point-to-Point Protocol)。n用户运用拨号线接入因特网时，普通都是运用 PPP 协议。 用户拨号入网的表示图 路由器调制解调器调制解调器因特网效力提供者(ISP)用户家庭拨号线 运用 TCP/IP 的 PPP 衔接运用 TCP/IP 的 客户进程路由选择 进程

28、至因特网PC 机PPP 协议续 n1992 年制定了 PPP 协议。经过 1993 年和 1994 年的修订，如今的 PPP 协议已成为因特网的正式规范RFC 1661。 nPPP协议有三个组成部分 n一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法。n链路控制协议 LCP (Link Control Protocol)。n网络控制协议 NCP (Network Control Protocol)。 PPP 协议的帧格式nPPP 的帧格式和 HDLC 的类似。 n标志字段 F 仍为 0 x7E 符号“0 x表示后面的字符是用十六进制表示。十六进制的 7E 的二进制表示是 01111110。n地址字段

29、A 只置为 0 xFF。地址字段实践上并不起作用。n控制字段 C 通常置为 0 x03。nPPP 是面向字节的，一切的 PPP 帧的长度都是整数字节。 PPP 协议的帧格式nPPP 有一个 2 个字节的协议字段。n当协议字段为 0021H 时，PPP 帧的信息字段就是IP 数据报。n假设为 C021H, 那么信息字段是 PPP 链路控制数据。n假设为 8021H，那么表示这是网络控制数据。 IP 数据报1211字节12不超越 1500 字节PPP 帧先发送7EFF03FACFCSF7E协议信 息 部 分首部尾部透明传输问题 n当 PPP 用在同步传输链路时，协议规定采用硬件来完成比特填充和 H

30、DLC 的做法一样。 n当 PPP 用在异步传输时，就运用一种特殊的字符填充法。 字符填充法 n将信息字段中出现的每一个 7E H字节转变成为 2 字节序列(7D H, 5E H)。 n假设信息字段中出现一个 7D H的字节, 那么将其转变成为 2 字节序列(7D H, 5D H)。n假设信息字段中出现 ASCII 码的控制字符即数值小于 20 H 的字符，那么在该字符前面要参与一个 7D H 字节，同时将该字符的编码加以改动。 不提供运用序号和确认的可靠传输 nPPP 协议之所以不运用序号和确认机制是出于以下的思索：n在数据链路层出现过失的概率不大时，运用比较简单的 PPP 协议较为合理。n在因特网环境下，PPP 的信息字段放入的数据是 IP 数据报。数据链路层的可靠传输并不可以保证网络层的传输也是可靠的。n帧检验序列 FCS 字段可保证无过失接受。PPP 协议的任务形状 n当用户拨号接入 ISP 时，路由器的调制解调器对拨号做出确认，并建立一条物理衔接。nPC 机向路由器发送一系列的 LCP 分组封装成多个 PPP 帧。n这些分组及其呼应选择一些 PPP 参数，和进展网络层配置，NCP 给新接入的 PC机分配