计算机网络基础-课件第4章-节点间的数据传输

第4章节点间的数据传输学习目标：理解数据链路的概念了解数据链路层的功能理解停止等待协议掌握数据帧传输的机制掌握循环冗余检验计算方法了解连续ARQ和选择重传ARQ概念掌握数据链路层帧的结构在计算机网络中，由于存在各种干扰，物理链路不可能绝对可靠。数据链路层的主要作用是：通过数据链路层协议在不太可靠的物理链路上，实现可靠的数据传输。

4.1数据链路层的基本概念4.1.1数据链路的概念

链路和数据链路是两个不同的概念。所谓链路就是一条无源的中间没有任何交换结点的相邻两个结点间的物理线路。两个计算机进行数据通信的通路，往往是由许多链路串接而成。要在一条链路上传输数据，除物理线路外，还必须具有控制数据传输的规程。链路加上实现这些规程的软、硬件构成数据链路，在数据链路上才能进行数据通信。当采用复用技术时，一条链路上可以有多条数据链路。因此，也将链路称为物理链路，而将数据链路叫做逻辑链路。4.1.2数据链路层的功能

1.链路管理网络中两个结点进行通信时，通信的双方需要先交换一些必要的信息。在发送结点和接收结点之间，通过交换一些必要的信息来建立、维持和释放数据链路就是链路管理。

2.帧的同步在数据链路层中，数据的传送单位是帧。帧的同步即接收端应当能从收到的比特流中准确地区分出一个帧的开始和结束位置。3.流量控制与顺序控制为防止接收端缓存能力不足而造成的数据丢失，发送端发送数据的速率必须使接收端来得及接收。当收方来不及接收时，收方必须及时控制发方发送数据的速率，同时使帧的接收顺序与帧的发送顺序一致。4.差错控制为了保证数据传输的正确性，在计算机通信过程中通常采用检错重发，即收方每收到一帧便检查帧中是否出错，一旦有错则让发方重发这一帧，直至收方正确收到这一帧为止。5.将数据和控制信息区分开因为数据和控制信息不仅在同一信道中传送，而且在许多情况下数据和控制信息还处于同一帧中。所以，要采取相应措施使接收方能够将它们区分开来。6.透明传输透明传输是指不管所传数据是何种比特序列组合，都应能够在链路上传送。当所传数据中的比特组合恰好和某一个控制信息完全一样时，必须采取措施使收方不会将这种比特组合误认为是控制信息。7.寻址在多点连接情况下，既要保证每一帧都能正确地送到目的地，又使收方知道这个帧是哪个站发送的。停止等待协议是数据链路层的重要协议，为了理解数据链路层协议，假设发送端主机A通过传输信道向接收端主机B发送数据，我们分3种情况分别加以讨论。理想的数据传输情况需要满足以下两个条件：（1）链路是理想的传输信道，在这样的信道上传输的数据完全可靠，既不出错也不丢失。（2）不管发送方发送数据速率快、慢，接收方总是能收下并及时上交主机。4.2.1理想情况4.2停止等待协议假定链路仍然是理想的传输信道，但是接收端接收数据的速率跟不上发送端发送数据的速率。在这种情况下，接收端会将来不及接收的数据暂时保存在接收缓存器里边，如果有大量的数据需要传递，则缓存也会因容量有限而溢出。对于这一问题就需要进行流量控制。4.2.2仅需流量控制的情况流量控制最简单的方法是由接收方控制发送方的流量。在实际数据传输过程中，理想情况往往是不存在的，不但要考虑流量控制的情况，还要考虑数据帧在传输过程中丢失、出错的情况。我们下面对数据帧丢失、出错的情况分别加以考虑。（1）帧丢失toutN(S)4.2.3实用的停止等待协议（2）差错检查要判断数据帧在传输过程中是否出错，首先应该在接收端对收到的数据帧进行差错检查。对于检错，常采用循环冗余检验CRC（CyclicRedundancyCheck）的方法。CRC的基本思想是：发送方先根据事先给定的多项式对帧的二进制位按一定规则进行运算，产生二进制形式的检验码（循环冗余码），然后把帧和检验码一起发送；接收方收到后按相应的规则检验这些二进制数之间的关系，从而可判断出传输过程有无差错发生。传送的二进制位串→M(x)已知生成多项式→P(x)=xr+…P(x)最高次幂r余数多项式R(x)多项式和二进制位串的关系：P(x)=x3+x2+1→1101模2除法附：模2运算

模2运算是指以按位模2相加为基础的四则运算，运算时不考虑进位和借位。

模2加减：即按位加，可用异或逻辑实现。模2加与模2减的结果相同，即：0+0=00+1=11+0=11+1=0

模2乘：按模2加求部分积之和。模2除：按模2减求部分余数。每求一位商应使部分余数减少一位。上商的原则是：当部分余数的首位为1时，商取1；当部分余数的首位为0时，商取0。当部分的余数的位数小于除数的位数时，该余数即为最后余数。（3）纠错由于在数据帧中加上了校验码，所以接收方很容易检验所收到的数据帧是否有差错。如果数据帧出错，必须进行纠错处理，通常的纠错方法采用重传。在上面分析的停止等待协议机制中，发送端重发数据帧是自动进行的，所以将这种差错控制机制称为自动请求重传ARQ（AutomaticRepeatRequest）。通过对停止等待协议的分析，我们可以看到停止等待协议的效率不高。因为发送端每发送一个数据帧就要停下来等待应答帧，因此会浪费一部分时间。4.2.4自动请求重传1、连续ARQ协议连续ARQ协议的基本原理是：在发送端发完一个数据帧后不停下来等待应答帧，而是连续发送若干个数据帧，即使在连续发送过程中收到了接收方发来的应答帧，也可以继续发送，但是接收方只能接收一个帧。4.2.5连续ARQ协议和选择重传ARQ协议

2．选择重传ARQ协议选择重传ARQ协议的基本原理是：发送方一次可以连续发送多个帧，当出现差错或定时器超时时，只重传出现差错的数据帧或定时器超时的数据帧。为此，接收端必须能接收多个数据帧，待所缺序号的数据帧收到后，再一起送交主机。广域网技术主要集中在物理层和数据链路层。物理层协议描述连接通信服务提供商提供的服务所需的机械、电气、功能和规程特性；数据链路层协议定义如何封装传向远程位置的数据以及最终数据帧的传输机制。采用的技术有很多种，点对点专用协议有HDLC、PPP协议；采用电路交换的有ISDN；采用分组交换的有X.25、帧中继、ATM。广域网相关协议和OSI/RM的对应关系如图所示。4.3广域网与数据链路层高级数据链路控制HDLC（High-LevelDataLinkControl）是ISO制订的一项标准，数据链路层的数据传递是以帧为单位进行的，帧的结构具有固定的格式，HDLC帧格式如图4-6所示。从网络层交下来的分组成为数据链路层的数据放在帧的信息字段中，信息字段的长度没有具体规定，数据链路层在信息字段的首尾各加上24比特的控制信息构成一个完整的帧。控制信息的作用是解决同步、透明传输、寻址、流量控制、顺序控制、差错控制、数据与控制信息的识别和链路管理等问题。4.3.1HDLC1．同步物理层要解决比特同步问题，数据链路层则要解决帧的同步问题，也就是从收到的比特流中，正确无误地判断一个帧的开始和结束。为此，在一个帧的开头和结尾各放人一个字节的特殊标记“01111110”作为一个帧的边界，这个标记称为标志字段F（Flag）。2．透明传输在两个标志字段之间的比特流中，如果正好出现与标志字段F一样的组合，那么接收端就会误认为是帧边界，破坏帧的同步。为了避免出现这种差错，采用“0比特填充法”使一个帧中两个F之间不会出现6个连续的1。3．寻址在数据链路层，通过帧中地址字段A来解决寻址问题。设置8比特最多可以表示256个地址，其中全0的地址是一个无效地址，而全1的地址代表广播地址，因此有效地址是254个。4．差错控制帧中的帧校验序列字段共16比特，采用循环冗余校验的方法进行检错，生成多项式P(x)=x16＋x12＋x5＋1，校验范围为A，C，I。5．数据与控制信息的识别控制字段C共8比特，数据链路层的许多重要功能都要靠控制字段来实现，根据它最前面两个比特的取值，可将帧划分为3大类，即信息帧（I帧）、监督帧（S帧）和无编号帧（U帧）。信息帧装载着要传送的数据和捎带着流量控制、顺序控制和差错控制的信号；监督帧用于提供实现ARQ的控制信息；无编号帧则提供链路管理功能。6．信息字段信息字段的信息来自于它的上一层网络层，只有I帧和某些无编号帧会有信息字段。

用户接入因特网传输数据时需要用到数据链路层协议，广泛使用的是点对点协议PPP（PointtoPointProtocol），PPP是为两个对等结点之间的IP流量传输提供封装服务的协议。

1.PPP协议的组成PPP协议有以下三个部分组成：

（1）将网络层数据进行封装的方法。PPP帧最大数据单元（最大帧长度）是1500字节。

（2）链路控制协议LCP（LinkControlProtocol）。LCP用来建立、配置和测试数据链路连接。

（3）网络控制协议NCP（NetworkControlProtocol）。NCP由多个协议组成，其中每一个协议支持一个网络层协议。较常见的网络层协议有：IP协议、Appletalk协议、NovellIPX协议等。4.3.2PPP2.PPP协议的运行机制PPP连接链路建立过程分为链路建立、用户验证和网络协商三个阶段：

（1）PPP链路建立LCP负责创建链路。在这个阶段，将对基本的通讯方式进行选择。链路两端设备通过LCP向对方发送配置信息报文（ConfigurePackets）。一旦一个配置成功信息包（Configure-Ackpacket）被发送且被接收，就完成了交换，进入了LCP开启状态。在链路建立阶段，只是对验证协议进行选择，用户验证将在第2阶段实现。

（2）用户验证

在这个阶段，客户端会将自己的身份发送给远端的接入服务器。该阶段使用一种安全验证方式避免第三方窃取数据或冒充远程客户接管与客户端的连接。在认证完成之前，禁止从认证阶段进入到网络协商阶段。如果认证失败，则进入到链路终止阶段。常用的认证协议有口令验证协议PAP（PasswordAuthenticationProtocol）和挑战握手验证协议CHAP（ChallengeHandshakeAuthenticationProtocol）。

（3）网络协商

用户验证阶段完成之后，PPP将调用在链路建立阶段选定的各种网络控制协议（NCP）。选定的NCP解决PPP链路之上的高层协议问题，例如，在该阶段IP控制协议（IPCP）可以向拨入用户分配动态地址。

3.用户验证协议

（1）口令验证协议PAPPAP是一种简单的明文验证方式。NAS（网络接入服务器，Network

Accessserver）要求用户提供用户名和口令，PAP以明文方式返回用户信息。这种验证方式的安全性较差，第三方可以很容易的获取被传送的用户名和口令，并利用这些信息与NAS建立连接获取NAS提供的所有资源。一旦用户密码被第三方窃取，PAP无法提供避免受到第三方攻击的保障措施。

（2）挑战握手验证协议CHAPCHAP是一种加密的验证方式，能够避免建立连接时传送用户的真实密码。NAS向远程用户发送一个挑战口令，其中包括会话序号和一个任意生成的挑战字串。远程客户必须使用MD5单向哈希算法返回用户名和加密的挑战口令、会话序号以及用户口令，其中用户名以非哈希方式发送。CHAP对PAP进行了改进，不再直接通过链路发送明文口令，而是使用挑战口令以哈希算法对口令进行加密。因为服务器端存有客户的明文口令，所以服务器可以重复客户端进行的操作，并将结果与用户返回的口令进行对照。CHAP为验证时可以任意生成一个挑战字串来防止受到非法攻击。在整个连接过程中，CHAP将不定时的向客户端重复发送挑战口令，从而避免第3方冒充远程客户进行攻击。随着网络与信息技术的飞速发展，电话业务已经趋于饱和，而其他的电信增值业务（传真、电子邮件、IP电话、可视电话等）及数字通信的发展非常迅速。在这种背景下，ITU-T提出将语音、数据、图像等业务综合在一个网络中，产生了综合业务数字网（IntegratedServicesDigitalNetwork，ISDN），ISDN是一个数字电话网络国际标准，是一种典型的电路交换网络系统。4.3.3ISDN1984年ITU-T在红皮书中正式发表了窄带I系列建议。日本、德国、英国、法国和美国先后建立了ISDN实验网。1988年，ITU-T总结归纳了各国试验网的研究成果，在蓝皮书中对ISDN技术规范进行了详细说明，从此各国迅速推动ISDN向商业化方向发展。1．ISDN组成2．ISDN接口形式为了实现灵活性，ISDN的数字管道被组织成了大小不同的信道。ISDN标准定义了3种信道类型：载体信道（B）、数据信道（D）和混合信道（H）。语音呼叫通过数据通道（B）传送，控制信号通道（D）用来设置和管理连接。B信道：用于数据和语音信息，大小为64Kbps的速率。D信道：用于信号和控制（也能用于数据），大小根据用户的需求不同可以是16Kbps和64Kbps。H信道：用于高速率传输，如视频、远程会议等，具有384Kbps、1536Kbps和1920Kbps。ISDN有2种访问方式，基本速率接口（BRI）和主速率接口（PRI）：基本速率接口（BRI）规定了由2个B信道和1个16Kbps的D信道组成，三个信道设计成（2B+D）加上BRI本身的48Kbps开销，共计192Kbps。主速率接口（PRI）由很多的B信道和一个带宽64Kbps的D信道组成，B信道的数量取决于不同的地区：北美和日本：23B+D,总位速率1.544Mbps（T1）欧洲，澳大利亚：30B+D,总位速率2.048Mbps（E1）X.25网络是第一个面向连接的网络，也是第一个公共数据网络。X.25协议是数据终端设备（DTE）和数据电路终接设备（DCE）之间的接口规程。1974年，CCITT（现为ITU-T）颁布了X.25的第一稿，它的最初文件取材于美国的Telenet、Tymnet和加拿大的Datapac分组交换网的经验和建议。它在1976、1978、1980和1984年又进行了多次修改，增添了许多可选业务功能和设施。20世纪90年代覆盖全球。4.3.4X.25X.25是DTE与DCE进行点到点交互的规程。DTE通常指的是用户侧的主机或终端等，DCE则常指同步调制解调器等设备；DTE与DCE直接连接，DCE连接至分组交换机的某个端口，分组交换机之间建立若干连接，这样，便形成了DTE与DTE之间的通路。X.25的特点：制定X.25标准的基础是传输速率低、误码率高的通信线路，为了克服通信线路数据传输质量较差的缺点，X.25标准采用了复杂的差错控制、流量控制与拥塞控制机制，协议复杂，工作效率不高。X.25网的传输速率一般为64Kbps。X.25在推动分组交换网的发展作出很大的贡献。技术成熟，地理覆盖面较广，有一整套差错控制设施，能提供更多的服务，能适应各种网络，包括低质量网络。

帧中继（FrameRelay，FR）是于1992年兴起的一种新的公用数据交换网通讯协议，1994年开始获得迅速发展。帧中继是一种有效的数据传输技术，它可以在一对一或者一对多的应用中快速而低廉的传输数位信息。帧中继可以使用于语音、数据通信，既可用于局域网也可用于广域网的通信。4.3.5帧中继X.25网建立在传输速率低、误码率高的传输介质基础上，为了保证数据传输的可靠性，X.25协议十分复杂。随着传输介质和通信系