第三章 数据链路层

第三章数据链路层第1页，课件共38页，创作于2023年2月3.1 数据链路层的基本概念相关术语:结点（node）：网络中的主机（host）和路由器（router）称为结点。链路（link）：通信路径上连接相邻结点的无源通信信道称为链路,通常也称物理链路。数据链路：把实现数据传输协议相关的硬件与软件加到链路上，就构成数据链路。链路包括传输的物理媒体、链路协议、有关设备以及有关计划程序。第2页，课件共38页，创作于2023年2月数据交换网网络结点网络站通信子网H1H3H2H6H5H4资源子网图1-4 交换网的拓扑结构第3页，课件共38页，创作于2023年2月点到点（pointtopoint）：在相邻结点间的一条链路上的通信称为点到点通信。端到端（endtoend）：从源结点（sourcenode）到目的结点（destinationnode）的通信称为端到端通信，通信路径（path）可能由多个链路组成。第4页，课件共38页，创作于2023年2月数据链路层的任务：通过一些数据链路控制规程（协议），在不太可靠的物理链路上实现可靠的数据传输。数据链路层协议应提供的最基本功能：数据在数据链路上的正常传输（建立、维护和释放）帧定界与同步，也处理透明性问题差错控制顺序控制流量控制寻址第5页，课件共38页，创作于2023年2月3.2 差错控制 产生差错的原因（线路传输差错是不可避免的，但要尽量减小其影响）1）信道的电气特性引起信号幅度、频率、相位的畸变；2）信号反射；3）串扰； 4）闪电、大功率电机的启停等。差错控制的分类前向纠错：接收方收到有差错的数据帧时,能够自动将差错改正过来。差错检测：接收方可以检测出收到的帧有差错，然后重传或不处理。第6页，课件共38页，创作于2023年2月差错控制基本方法：接收方进行差错检测，并向发送方应答，告知是否正确接收。差错控制编码（差错检测手段）常用的差错检测方法：奇偶校验码、水平垂直奇偶校验、定比码、正反码、循环冗余码和海明码。第7页，课件共38页，创作于2023年2月1.奇偶校验（ParityChecking） 在原始数据字节的最高位增加一个附加比特位，使结果中1的个数为奇数(奇校验)或偶数(偶校验)。增加的位称为奇偶校验位。

例：原始数据=1100010，采用偶校验。则增加校验位后的数据为11100010

若接收方收到的字节奇偶结果不正确，就可以知道传输中发生了错误。奇偶校验只能检测出奇数个比特位错，对偶数个比特位错则无能为力。第8页，课件共38页，创作于2023年2月2、循环冗余码（CRC，CyclicRedundancyCheck）：

编码思想：将位串看成系数为0或1的多项式

检错思想：收发双方约定一个生成多项式G(x)（其最高阶和最低阶系数必须为1），发送方在帧的末尾加上校验和，使带校验和的帧的多项式能被G(x)整除。接收方收到后，用G(x)除多项式，若有余数，则传输有错。第9页，课件共38页，创作于2023年2月

CRC校验和计算方法：

若G(x)为r阶，原帧为m位，其多项式为M(x)，则在原帧后面添加r个0，帧成为m+r位，相应多项式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加法把xrM(x)的位串与余数相加，结果就是要传送的带校验和的帧的多项式T(x)

T(x)=xrM(x)+[xrM(x)MOD2G(x)]

第10页，课件共38页，创作于2023年2月CRC校验示例待校验数据：1101,0110,11G(x)=x4+x+1,即100111101011011000010011

1100001010

10011

10011

10011

000010110

10011

10100

10011

1110余数∴传送序列T(x)=1101,0110,1111,10第11页，课件共38页，创作于2023年2月差错控制技术（一）理想化的数据传输及具有简单流量控制的链路层协议（二）自动请求重传AutomaticRepeatRequest(ARQ)停止等待RQ

发完一帧必须等接收方确认后才能发下一帧。连续重发请求RQGo-back-N策略：发送方可连续发送多帧。若前面某帧出错，从该帧以后的各帧都需重发。（一般与流量控制结合使用）选择重传策略：发送方可连续发送多帧。若前面某帧出错，只需重发该出错的帧。发送方需要缓存前面所有未被确认的帧。第12页，课件共38页，创作于2023年2月ＤＡＴＡ

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时间ＡＢＤＡＴＡ

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ＡＢＤＡＴＡ

（a）理想的数据传输（b）简单流量控制的链路层协议第13页，课件共38页，创作于2023年2月停止等待ＡＲＱ(StopandWait)该方案规定发送方每发送一帧后就要停下来等待接收方的确认返回，仅当接收方确认正确接收后再继续发送下一帧。空闲重发请求方案的实现过程如下：①发送方每次仅将当前信息帧作为待确认帧保留在缓冲存储器中；②当发送方开始发送信息帧时，随即启动计时器并等待；③当接收方收到无差错信息帧后，即向发送方返回一个确认帧；④当接收方检测到一个含有差错的信息帧时，便舍弃该帧；⑤若发送方在规定时间内收到确认帧，即将计时器清零，继而开始下一帧的发送；⑥若发送方在规定时间内未收到确认帧，(即计时器超时)，则应重发存于缓冲器中的侍确认信息帧。第14页，课件共38页，创作于2023年2月第15页，课件共38页，创作于2023年2月 从以上过程可以看出，停止等待ＡＲＱ方案的收、发送方仅需设置一个帧的缓冲存储空间，便可有效地实现数据重发并确保接收方接收的数据不会重份。停止等待ＡＲＱ方案最主要的优点就是所需的缓冲存储空间最小，因此在链路端使用简单终端的环境中被广泛采用。第16页，课件共38页，创作于2023年2月连续请求Ｇo-back-N策略第17页，课件共38页，创作于2023年2月连续请求选择重发策略第18页，课件共38页，创作于2023年2月3.3 流量控制

XON/XOFF方案基本原理：XON/XOFF方案中使用一对控制字符来实现流量控制，其中XON采用ASCII字符集中的控制字符DC1，XOFF采用ASCII字符集中的控制字符DC3。当通信路上的接收方发生过载时，便向发送方发送一个XOFF字符，发送方接收XOFF字符后便暂停发送数据；等接收方处理完缓冲器中的数据，过载恢复后，再向发送方发送一个XON字符，以通知发送方恢复数据发送。

第19页，课件共38页，创作于2023年2月窗口机制

基本思想：在发送端和接收端设置发送窗口，发送方窗口大小WT代表在还没有收到对方确认信息的情况下发送端最多可以发送多少个数据帧；接收端只有当收到的数据帧的发送序号落入接收窗口内才允许抚该数据帧接收。第20页，课件共38页，创作于2023年2月滑动窗口变化过程可叙述如下(假设发送窗口尺寸为2，接收窗口尺寸为1)：

①初始态，发送方没有帧发出，发送窗口前后沿相重合。接收方0号窗口打开，表示等待接收0号帧；

②发送方已发送0号帧，此时发送方打开0号窗口，表示已发出0帧但尚确认返回信息。此时接收窗口状态同前，仍等待接收0号帧；

③发送方在未收到0号帧的确认返器信息前，继续发送1号帧。此时，1号窗口打开，表示1号帧也属等待确认之列。至止，发送方打开的窗口数已达规定限度，在未收到新的确认返回帧之前，发送方将暂停发送新的数据帧。接收窗口此时状态仍未变；第21页，课件共38页，创作于2023年2月第22页，课件共38页，创作于2023年2月第23页，课件共38页，创作于2023年2月

④接收方已收到0号帧，0号窗口关闭，1号窗口打开，表示准备接收1号帧。此时发送窗口状态不变；

⑤发送方收到接收方发来的0号帧确认返回信息，关闭0号窗口，表示从重发表中删除0号帧。此时接收窗口状态仍不变；

⑥发送方继续发送2号帧，2号窗口打开，表示2号帧也纳入待确认之列。至此，发送方打开的窗口又已达规定限度，在未收到新的确认返回帧之前，发送方将暂停发送新的数据帧，此时接收窗口状态仍不变；第24页，课件共38页，创作于2023年2月 ⑦接收方已收到1号帧，1号窗口关闭，2号窗口打开，表示准备接收2号帧。此时发送窗口状态不变；

⑧发送方收到接收方发来的1号帧收毕的确认信息，关闭1号窗口，表示从重发表中删除1号帧。此时接收窗口状态仍不变。第25页，课件共38页，创作于2023年2月3.4 链路层控制规程举例 面向字符的同步控制协议面向字符的同步协议是最早提出的同步协议，其典型代表是IBM的二进同步通信BSC协议。基本方法：用ASCII字符集定义的传输控制字符实现相应功能。第26页，课件共38页，创作于2023年2月协议中定义的控制字符：SOH表示报文的标题信息，提醒目标站接收报文STX报文标题信息结束，报文正文开始ETX报文正文结束EOT一个或多个文本块结束，并拆除链路ENQ询问，请求远程站给出响应第27页，课件共38页，创作于2023年2月ACK由接收方发出的确定，或对正确接收的响应DLE转义字符，用于差错控制NAK由接收方发出的否定，或对不正确接收的响应SYN同步字符，用于同步控制ETB表示报文中一个数据块的结束第28页，课件共38页，创作于2023年2月BSC协议的数据块格式：SYNSYNSTX报文ETXBCCSYNSYNSOH报文ETXBCCSOH报头SYNSYNSOH报文ETBBCCSOH报头不带报头的单块报文：分块传输的第一块报文：带报头的单块报文：第29页，课件共38页，创作于2023年2月

SYNSYNSTX报文ETXBCC分块传输的中间块报文：SYNSYNSTX报文ETXBCC分块传输的最后块报文：第30页，课件共38页，创作于2023年2月正、反向监控报文格式：SYNSYNACKSYNSYNNAKSYNSYN站地址ENQP/S前缀轮询/选择请求：（3）肯定确认和选择响应：（1）否定确认和选择响应：（2）第31页，课件共38页，创作于2023年2月SYNSYNEOT拆链：（4）SYNSYN站地址ENQP/S前缀轮询/选择请求：（3）第32页，课件共38页，创作于2023年2月面向比特的链路控制规程HDLC（高级数据链路控制规程HDLC）

HDLC的帧格式：

8位 8位 8位 变长16位8位标志字段（F）：01111110地址字段（A）：控制字段（C）：对链路进行监视和控制信息字段（I）：任意长的二进制比特串校验序列字段（FCS）：FACIFCSF第33页，课件共38页，创作于2023年2月HDLC的帧类型：信息帧（I帧）：传送有效信息、数据监控帧（S帧）： 差错控制、流量控制无编号帧（U帧）： 链路管理、应答功能第34页，课件共38页，创作于2023年2月三种帧的格式：控制字段位12345678I格式0N（S）PN（R）S格式10S1S2P/FN（R）U格式11M1M2P/FM3M4M5第35页，课件共38页，