数据链路层课件

第4章数据链路层1第4章数据链路层1本章学习要求：了解：数据传输过程中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：数据链路层的基本概念。了解：面向字符型数据链路层协议实例—BSC。掌握：面向比特型数据链路层协议实例—HDLC。掌握：Internet中的数据链路层协议。2本章学习要求：了解：数据传输过程中差错产生的原因与性质。24.1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

在原始物理传输线路上传输数据信号是有差错的；设计数据链路层的主要目的：将有差错的物理线路改进成无差错的数据链路；方法—差错检测差错控制流量控制作用：改善数据传输质量，向网络层提供高质量的服务。34.1差错产生与差错控制方法

4.1.1为什么要设计4.1.2差错产生的原因和差错类型

传输差错—通过通信信道后接收的数据与发送数据不一致的现象;差错控制—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：热噪声和冲击噪声；热噪声——由传输介质导体的电子热运动产生的（特点：时刻存在，幅度较小，强度与频率无关，但频谱很宽——随机噪声）冲击噪声——是由外界电磁干扰引起的（特点：幅度较大，是引起传输差错的主要原因——突发噪声）由热噪声引起的差错是随机差错，或随机错（一般出错数据位不相邻）；冲击噪声引起的差错是突发差错，或突发错（一般会引起相邻多个数据位出错）；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差错共同构成的。44.1.2差错产生的原因和差错类型传输差错—通过通传输差错

产生过程5传输差错

产生过程5

4.1.3误码率的定义

误码率定义：二进制比特在数据传输系统中被传错的概率，它在数值上近似等于：

Pe=Ne/N其中，N为传输的二进制比特总数；

Ne为被传错的比特数。64.1.3误码率的定义

误码率定义：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可靠性的参数；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；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；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，才会越接近于真正的误码率值。7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可靠性的参4.1.4检错码与纠错码

纠错码：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。

——海明码检错码: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，并且自己不能纠正传输差错。 ——奇偶检验码、循环冗余编码（cyclicredundancycode,CRC)

84.1.4检错码与纠错码纠错码：8常用的检错码奇偶校验码垂直奇（偶）校验水平奇（偶）校验水平垂直奇（偶）校验（方阵码）循环冗余编码CRC

目前应用最广的检错码编码方法之一9常用的检错码奇偶校验码9奇偶校验码在数据后填加一个奇偶位（paritybit）n例：使用偶校验（“1”的个数为偶数）10110101——>10110101110110001——>101100010n奇偶校验可以用来检查单个错误。检错能力差，一般只用于通信要求较低的环10奇偶校验码在数据后填加一个奇偶位（paritybit）CRC码基本思想

校验和（checksum）加在帧尾，使带校验和的帧的多项式能被G(x)除尽；收方接收时，用G(x)去除它，若有余数，则传输出错。校验和计算算法

设G(x)为r阶，在帧的末尾加r个0，使帧为m+r位，相应多项式为xrM(x)；

按模2除法用对应于G(x)的位串去除对应于xrM(x)的位串；

按模2减法从对应于xrM(x)的位串中减去余数（等于或小于r位），结果就是要传送的带校验和的多项式T(x)。

T(x)=xrf(x)+[xrf(x)MOD2G(x)]——E(x)11CRC码基本思想

校验和（checksum）加在帧尾4.1.5循环冗余编码工作原理

124.1.5循环冗余编码工作原理12

举例：13举例：13国际标准CRC生成多项式G（x）CRC-12G（x）=x12+x11+x3+x2+x+1CRC-16G（x）=x16+x15+x2+1CRC-CCITTG（x）=x16+x12+x5+1CRC-32G（x）=x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+

x2+x+1生成多项式G（x）的结构及检错效果是经过严格的数学分析与实验后确定的。14国际标准CRC生成多项式G（x）CRC-12CRC校验码的检错能力CRC校验码能检查出全部单个错；CRC校验码能检查出全部离散的二位错；CRC校验码能检查出全部奇数个错；CRC校验码能检查出全部长度小于或等于K位的突发错；CRC校验码能以[1-（1/2）K-1]的概率检查出长度为（K+1）位的突发错；如果K=16，则该CRC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1-（1/2）16-1=99.997％的概率检查出长度为17位的突发错，漏检概率为0.003%；

15CRC校验码的检错能力CRC校验码能检查出全部单个错；154.1.6差错控制机制

由于帧在传输过程中可能发生错误，就需要用差错控制机制来检测和纠正错误。出错的典型情况如下：

其一是帧的丢失，例如突发性噪声会严重地破坏帧，使它不能到达目的地。

其二是帧虽然到达目的地，但其内容已遭破坏。164.1.6差错控制机制由于帧在传输过程中可能发生错误，4.1.6差错控制机制

反馈重发机制

174.1.6差错控制机制反馈重发机制17差错控制机制差错控制涉及以下几个方面：差错检测——检错码/纠错码正响应——目的站对于成功到达且无错误的帧发回一个正响应超时重传——对于在预定时间内没有发回响应的帧，发送站要重新发送这一帧；负响应并重传——目的站对出错的帧发回一个负响应，发送站重新传送这些帧。以上几方面概括起来可称为自动重请求（ARQ），采用ARQ后，使原本不可靠的数据链路变成可靠。18差错控制机制差错控制涉及以下几个方面：18反馈重发机制的分类

停止等待方式

19反馈重发机制的分类停止等待方式19停——等ARQ

停——等ARQ基于停——等流控技术，在帧的传输过程中可能发生以下两种错误。第一种是接收站用检错技术断定接收到的帧有错并将它丢弃。发送站发送帧后启动一个定时器，如果在给定的时间内没有接收到响应，则重新发送此帧。（发送站应持有发送帧的副本）第二种是响应遭到破坏。假设A发送帧后，B站接收到该帧，经检验断定为接收到的是正确的帧并发送一个响应，但在传送过程中响应遭到破坏以致A没有在预定时间内接收到响应，A就重新发送此帧，造成B先后接收到相同的二帧。为避免上述情况，帧都用0或1交替编号。正响应用ACK0和ACK1表示，ACK0表示已接收到帧1，并准备接收帧0。优点：非常简单缺点：传输效率低20停——等ARQ

停——等ARQ基于停——等流控技术，连续工作方式

拉回方式选择重发方式

21连续工作方式21拉回方式拉回方式基于滑动窗口流控技术，其原理如下：

A，B二站分别用滑动窗口流控技术进行数据交换。若没有错误发生，目的站发回一个RR响应。若目的站检测到有错的帧，则发送一个负响应REJ（reject），并丢弃这一帧及其后接收到的所有帧，直到重新接收到正确的帧。

因而发送站在接收到REJ后，必需重传发生错误的帧以及先前已发送过的其后的帧。22拉回方式拉回方式基于滑动窗口流控技术，其原理如下：22选择重发方式选择重发方式基于滑动窗口流控技术，当接收到某一帧的负响应时，只需重传该帧。它的效率高。但接收器必需要有足够的缓冲器来存放那些没有出错的帧直到接收到重传的帧，并且必需要有一定的逻辑功能，以便把重传的帧插入到正确的位置。发送器也需要比较复杂的逻辑功能使得可以不按顺序号发送帧。23选择重发方式选择重发方式基于滑动窗口流控技术，当接收到某一4.2数据链路层的基本概念

4.2.1物理线路与数据链路线路—链路物理线路—数据链路244.2数据链路层的基本概念

4.2.1物理线路与数据4.2.2数据链路控制

链路管理帧同步流量控制差错控制帧的透明传输寻址

数据链路层协议—为实现数据链路控制功能而制定的规程或协议。254.2.2数据链路控制链路管理254.2.3数据链路层向网络层提供的服务

数据链路层服务的类型：面向连接确认服务（acknowledgedconnection-orientedservice）；

无连接确认服务（acknowladgedconnectionlessservice）；

无连接不确认服务（unacknowledgedconnectionlessservice）。

264.2.3数据链路层向网络层提供的服务数据链路层服务的实际数据路径与虚拟数据路径27实际数据路径274.3面向字符型数据链路层协议实例：BSC

4.3.1数据链路层协议的分类

284.3面向字符型数据链路层协议实例：BSC

4.3.14.3.2面向字符型协议实例：BSC

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

ASIIC码：格式字符：SOH（startofheading）STX（startoftext）ETB（endoftransmissionblock）ETX（endoftext）

控制字符：ACK（acknowledge）NAK（negativeacknowledge）ENQ（enquire）EOT（endoftransmission）SYN（synchrous）DLE（datalinkescape）294.3.2面向字符型协议实例：BSC什么是面向字符型协面向字符型BSC协议的数据报文格式30面向字符型BSC协议的数据报文格式30建立、维护与释放数据链路流程图31建立、维护314.4典型数据链路层协议分析—面向比特型

4.4.1HDLC产生的背景

面向字符型数据链路层协议的缺点：报文格式不一样；传输透明性不好；等待发送方式，传输效率低。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；数据帧与控制帧格式相同；传输透明性好；连续发送，传输效率高。324.4典型数据链路层协议分析—面向比特型

4.4.1HDLC（高级数据链路控制协议）历史SDLC，IBM，SNA的数据链路层协议，1974HDLC，ISO，数据链路层协议的国际标准LAP，CCITT（ITU-T），X.25的数据链路层协议LAPB，ITU-T，最新版本的国际标准面向位的链路层协议HDLC链路的两种基本配置：非平衡型：主站/从站（点到点链路或多点链路）平衡型：复合站（点到点链路）33HDLC（高级数据链路控制协议）334.4.2数据链路的配置和数据传送方式数据链路的配置非平衡配置平衡配置非平衡配置中的主站与从站主站：控制数据链路的工作过程。主站发出命令从站：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点-点方式多点方式344.4.2数据链路的配置和数据传送方式数据链路的配置34点到点链路多点链路命令响应控制链路的工作：如初始化、建立、拆除、差错恢复等主站从站非平衡型复合站复合站平衡型只有当主站轮询到自己时才能被动地对主站进行响应复合站同时具有主站和从站的功能，既可以发出命令，也可以对命令作出响应命令/响应命令/响应命令响应非平衡型主站从站从站从站从站ACBD35点到点链路命令响应控制链路的工作：如初始化、建立、拆除、差错站点的三种工作模式：正常响应模式（NRM）主站控制通信，从站只有在主站允许时才能发送数据。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进行探询（poll），从站响应后才可以向主站发送数据帧。用于非平衡配置中。异步响应模式（ARM）主站和从站可以随时相互传输数据帧；从站可以不需要等待主站发出探询就可以发送数据；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。用于非平衡配置中。异步平衡模式（ABM）每个站都能发送命令或数据。每个站都可以建立、维护和拆除连接。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。用于平衡配置中。36站点的三种工作模式：364.4.3HDLC的帧结构

标志：帧的开始和结束（01111110B，7EH）为防止标志之间出现同样的位模式，需要使用“位填充法”。即发送方每碰到5个连续’1’，就要填充一个’0’。接收方需做删’0’操作（5个连续’1’后面的’0’要删除）。连续发送多个帧时，前一帧的结束标志可以作为下一帧的起始标志。无信息发送时，可以连续发送标志，使接收端与发送端保持同步。地址：次站地址（非平衡方式）或确认站地址（平衡方式）。

全’1’地址为广播地址，全’0’地址为非法地址，有效地址为254个。控制：帧的类型、帧的编号、命令与控制信息信息：网络层数据，Nmax=256B用于错误检测，CRC16。校验区间为：地址、控制和数据。374.4.3HDLC的帧结构37零比特插入/删除工作过程38零比特插入/删除工作过程38HDLC帧的控制字段控制字段中第1、2位决定了帧的类型：0N(R)P/FN(S)

12345678信息帧(I帧)10SP/FN(R)管理帧(S帧)11MMP/F无编号帧(U帧)N(S)：本帧的序号。N(R)：所期望的下一帧的序号（隐含表示N(R)-1以前的帧已正确接收）。

P/F：对主站为轮询位。主站想了解从站的情况时，就发送P/F=1的帧；

对次站为终结位。次站发出的最后一个信息帧的P/F应为1，表示数据已发送完。

S：共2位，用于数据传输过程管理。

M：共5位，用于链路控制和管理。N(S)和N(R)均以8为模，轮流使用0-7这8个编号39HDLC帧的控制字段0N(R)P/FN(S)12帧类型I帧：

N（S）—发送帧的顺序号

N（R）

—

接收帧的顺序号

P/F=Poll/Final，P=1询问，F=1响应

P与F成对出现S帧：监控功能位

S=00，RR（receiveready）

S=01，RNR（receivenotready）S=10，RJE（reject）S=11，SREJ（selectreject）U帧：用于实现数据链路控制功能40帧类型I帧：N（S）—发送帧的顺序号40S字段的定义S=00，接收就绪（RR帧）确认N(R)-1及以前的帧，请求序号为N(R)的帧。S=01，拒绝（REJ帧）请求重发N(R)开始的以后各帧(Go_Back_NARQ)。S=10，接收未就绪（RNR帧）确认N(R)-1及以前的帧，从N(R)开始的以后各帧请暂停发送。S=11，选择拒绝（SREJ帧）请求重发序号为N(R)的帧(选择重传ARQ)。M字段定义了32种链路控制操作，常用的操作有：SNRM/SARM/SABM：设置正常响应/异步响应/异步平衡模式DISC：断开连接CMAD：拒绝收到的命令，断开连接（用于拒绝链路初始化命令）41S字段的定义41U帧的格式与链路控制功能42U帧的格式与链路控制功能424.4.4数据链路层的工作过程

简化的信息帧结构的表示方法一个信息帧的表示434.4.4数据链路层的工作过程

简化的信息帧结构的表示方无编号帧的表示方法

SNRM帧与UA帧结构的表示方法

44无编号帧的表示方法44正常响应模式数据链路工作45正常响应45讨论：数据链路层

与物理层的关系46讨论：数据链路层

与物理层的关系464.5Internet中的数据链路层

4.5.1Internet中主要的数据链路层协议SLIP（SerialLineIP）—串行线路的Internet数据链路层协议PPP（Point-to-PointProtocol）—点-点协议SLIP与PPP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ISP接到Internet主要的协议。474.5Internet中的数据链路层

4.5.1I4.5.2SLIP协议SLIP出现于20世纪80年代初，最早是在BSDUNIX4.2版操作系统上实现的;SLIP协议支持TCP/IP协议;对数据报进行了简单的封装，然后来用RS-232接口串行线路进行传输;SLIP通常也用来将远程终端连接到UNIX主机，也可通过租用或拨号串行线路进行主机到路由器，以及路由器到路由器的通信。484.5.2SLIP协议SLIP出现于20世纪80年代初，典型的SLIP接入方式Internet的家庭或小型公司用户通过调制解调器、电话网络连接到ISP的调制解调器；ISP的调制解调器再通过它的路由器接入Internet；SLIP系统一般可以发送和接收1006B的IP数据报。49典型的SLIP接入方式Internet的家庭或小型公司用户通SLIP协议的帧结构RFC1055文件对SLIP帧格式进行了讨论;SLIP帧头与帧尾的“CO”，是协议使用的惟一的一个控制字符;CO的二进制编码比特序列是10000110000000;CO的使用将影响SLIP帧数据的透明性;50SLIP协议的帧结构RFC1055文件对SLIP帧格式进行

SLIP协议的缺点使用SLIP协议时，通信的双方都必须知道对方的IP地址，因为SLIP协议没有为它们提供相互交换地址信息的方法；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；没有校验和字段，差错控制功能由高层的协议承担；SLIP协议并不是Internet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。51SLIP协议的缺点使用SLIP协议时，通信的双方都必须知4.5.3CSLIP协议SLIP协议通常运行于传输速率相对较低的串行线路上;在常用于Telnet之类的应用程序中，人们提出了一种压缩的SLIP（CSLIP）协议;RFC1144对CSLIP进行了定义;Telnet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。

524.5.3CSLIP协议SLIP协议通常运行于传输速率相4.5.4PPP协议基本特点PPP协议是Internet标准，RFC1660、RFC1661定义了PPP协议与帧结构；PPP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,可以支持IP协议及其他一些网络层协议（例如IPX协议）；PPP协议不仅在拨号电话线，并且在路由器─路由器之间的专用线上广泛应用;PPP协议是在大多数家庭个人计算机和ISP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的一部分。

534.5.4PPP协议基本特点PPP协议是InternetPPP（点对点协议）用于在点对点链路上提供传输多种网络层协议的功能三个组成部分：封装多种网络层协议数据报的方法；用于建立、配置和测试数据链路连接的链路控制协议（LCP）；一组用于建立、配置不同网络层协议的网络控制协议（NCP）。PPP的功能：配置和测试数据链路，控制数据链路的建立、维护和终止；错误检测；对IP地址进行分配和管理；同时支持多种网络层协议；对网络层的地址和数据压缩等选项进行协商；如拨号上网时动态分配IP地址以及是否启用数据压缩功能支持PAP(口令认证协议)和CHAP(挑战握手认证协议)认证。用于互相确认对方身份的合法性54PPP（点对点协议）54PPP信息帧格式标志（flag）：01111110

地址（addr