第4讲-数据链路层教学提纲

第4讲-数据链路层一、数据链路层设计问题1.数据链路层模型

为网络层提供服务，将源节点网络层数据传输给目的节点网络层。4/15/20264/15/20262.数据链路层的主要功能链路管理：建立、维持和释放数据链路。帧同步：接收方应能从收到的比特流中准确区分出一帧的开始和结束位置。流量控制：控制发送数据速率。差错控制：检测接收的帧是否有错。区分数据和控制信息透明传输：无论所传的数据如何组合，都应能够在链路上传送。寻址：保证每一帧都能送到正确的目的站，接收方也应知道发方是哪个站。4/15/20263.为网络层提供的服务(1)无确认的无连接服务：

事先不需建立连接事后不必释放目标节点对收到的帧不作确认。

适用于误码率很低的线路，错误恢复留给高层；实时业务大部分局域网4/15/20263.为网络层提供的服务(2)有确认的无连接服务：

事先不需连接，但对所发送的每一帧都进行单独确认，帧出错时立即重发。

适用于不可靠的信道，如无线网。

？？？网络层有确认不就可以了吗，为什么链路层还要确认？？？(3)有确认的面向连接的服务：

建立数据链路、帧传输、释放数据链路。 为网络层进程间提供可靠的传送比特流的服务适用于与路由器(转发包)的连接。4/15/20264.帧传输将比特流分成离散的帧，并计算每个帧的校验和成帧方法：(1)字符计数法在帧头中用一个域来表示整个帧的字符个数缺点：若计数出错，对本帧和后面帧有影响4/15/2026字符计数法4/15/2026(2)带字符填充的首尾字符定界法

起始字符DLESTX，结束字符DLEETX 字符DLE填充(发送端)和删除(接收端) 4/15/2026(3)带位填充的首尾标记定界法

帧的起始和结束都用一个特殊的位串“01111110”，称为标记(flag)

“0”比特插入删除技术：为避免在传送的数据中出现帧边界符，当发送方数据链路层数据中遇到5个连续的“1”时自动在其后插入一个“0”到输出比特流中。接收时将此“0”删除。4/15/2026带位填充的首尾标志法4/15/2026(4)物理层编码违例法 只适用于物理层编码有冗余的网络注意：在很多数据链路协议中，使用字符计数法和一种其它方法的组合。4/15/2026差错控制检错、纠错一般方法：接收方给发送方一个反馈(响应)出错情况帧（包括发送帧和响应帧）出错帧（包括发送帧和响应帧）丢失通过计时器和序号保证每帧最终仅交给目的网络层一次6.流量控制收发双方设备的工作速率、缓冲存储空间差异基于反馈机制4/15/2026前向信道纠错码编码器信源发送器接收器纠错码译码器信宿噪声源FEC方法原理图二、差错控制4/15/20261.前向纠错方法 每个要发送的数据块上附加足够的冗余信息， 使接收方能发现并纠正传输中的错误。 使用纠错码传数据：效率低； 适用于不可能重传的场合；大多数情况采用检错码加重传2.检错码（1）奇偶校验码偶校验：使该组数据连校验位在内的码字中“1”的个数为偶数奇校验：使该组数据连校验位在内的码字中“1”的个数为奇数（2）循环冗余校验码4/15/2026循环冗余码（CRC码，多项式编码）一个k位的帧可看作一个k－1次多项式的系数序列例如：110001，可看成多项式x5+x4+1的系数序列生成多项式G(x)发方、收方事前商定；生成多项式的高位和低位必须为1生成多项式必须比传输信息对应的多项式短。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。4/15/2026CRC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)。4/15/202610010011011101110110001101101011011111110110101101111111010101111100100100011011101100011011010110111111101100011011010110111111114/15/20264/15/2026CRC的检错能力能检查出全部单个错能检查出全部离散的二位错能检查出全部奇数个错能检查出全部长度小于或等于k位的突发错能以[1－(1/2)k-1]的概率检查出长度为(k+1)位的突发错4/15/2026反馈信道前向信道检错码编码器信源发送器接收器检错码译码器信宿噪声源

ARQ方法原理图重发控制反馈控制二、差错控制4/15/2026

二、差错控制3.反馈重传纠错方法ARQ

每个发送的数据块附加一定的冗余检错码一并发送， 接收方根据检错码对数据帧进行错误检测： 无错即发新的数据，有错则重传该数据。（1）停止等待方式:4/15/2026Thenotationis(seq,ack,packetnumber).(a)Normalcase.(b)Abnormalcase(alwayssendtwice).Anasteriskindicateswhereanetworklayeracceptsapacket.4/15/20263.反馈重传纠错方法ARQ （2）连续工作方式:

后退N步方式

选择重发方式

二、差错控制4/15/20264/15/2026三、流量控制滑动窗口协议(SlidingWindowProtocol)发送的信息帧有一个序号，从0到某最大值，0~2n-1，一般用n个二进制位表示；发送端始终保持一个已发送但尚未确认的帧的序号表，称为发送窗口。4/15/2026发送窗口的上界表示发送的下一个帧的序号发送窗口的下界表示未得到确认的帧的最小编号发送窗口=上界－下界，大小可变，但不能超过最大值发送端每发送一个帧，序号取上界值，上界加1；发送端每接收到一个正确响应帧，下界加14/15/2026接收端有一个接收窗口，大小固定不一定与发送窗口相同。接收窗口上界表示允许接收的序号最大的帧接收窗口下界表示希望接收的帧；接收窗口表示允许接收帧的序号，窗口外的帧均被丢弃序号等于下界的帧被正确接收，会产生一个响应帧，上界、下界都加1。接收窗口大小不变4/15/20264/15/2026后退n步：发送窗口的尺寸W不能超过2n-1即W≤2n-1

(接收窗口的尺寸为1)4/15/2026后退n步反例窗口大小为8＝23>74/15/2026反例帧序号用3比特——发送窗口尺寸为8发送方可连续发送序号0—7的八个帧八个帧全部正确收到，接收方对序号为7的帧应答发送方收到应答或超时后，都是发序号0—7八个帧对接收方来说，这八个帧可能是发送方收到应答后发来的八个新帧应答帧丢失后，发送方重发的八个老帧接收方无法判断究竟是哪种情况4/15/2026正例窗口大小23-1=74/15/2026正例帧序号用3比特，发送窗口尺寸为7：将不会出现以上情况发送方连续发送序号从0-6的七个帧接收方七个帧被全部正确收到，对序号为6的帧进行应答， 准备接收序号为7的帧。发送方(1)收到了应答，发送序号为7及0-5帧。(2)没有收到应答，超时后重发0-6帧接收方(1)收到序号7帧，则知其后各帧为新帧；(2)没有收到序号为7的帧，都不予接收(不在接收窗口内)(或者是因为对方重发序号为0-6的帧， 或者是因为新帧中序号为7的帧丢失)接收方重发帧6的应答，表示希望接收从7开始的帧。发送方收到应答后，重发送序号为7和0—5的帧。4/15/2026使用出错全部重发(后退n步/拉回式)协议发送窗口的尺寸不能超过2n-1选择重发：发送窗口的尺寸不能超过2n-1即W≤2n-1

4/15/2026选择重发反例提交4/15/2026反例帧序号3比特，并且发送窗口和接收窗口的尺寸都为7(超过23-1＝4)发送方连续发送序号为0~6七个帧，接收方全部正确接收这七个帧，发送对帧6的应答，同时滑动接收窗口，允许接收序号为7和0~5的帧。

此应答帧在传输过程中丢失发送方超时后，重新发送序号为0的帧。接收方将之当作一个新帧接收，因为序号0落在接收窗口内由于没有收到序号为7的帧，以为它丢失了，于是发送一个对帧6的应答，表示请求发送序号为7的帧4/15/2026发送方收到该应答后，知道序号为0—6的帧已全部被正确接收清除缓冲区，另取七个新帧7，0~5，发送出去接收方收到这七个帧后，将新收到的帧0当作重复帧抛弃掉

由于序号为0的帧已存入缓冲区(其实是一个重发的老帧，但接收方并不知道)并将其余6个帧接收下来

连同原先收到的帧0一起送给上层实体。错误发生了:因为序号为0的帧并不是第二批中的新帧，而是第一批中的老帧。

4/15/2026发生错误的原因在于

相邻两个接收窗口中的帧序号有重复，为了去除重复，接收窗口的尺寸最大只能是2n-1。在选择重发协议中，发送窗口的尺寸一般取得和接收窗口一样，因此发送窗口的尺寸通常也不超过2n-1。4/15/2026正例4/15/2026四、数据链路层控制协议1.面向字符的链路控制协议

IBM的二进制同步通信规程BSC (BinarySynchronousCommunication)

2.面向比特的链路控制协议

HDLC（高级数据链路控制协议）4/15/20261.面向字符的链路控制协议

IBM的二进制同步通信规程BSC(BinarySynchronousCommunication)4/15/2026DLEBCCDLEETX(ETB)正文DLESTX报头DLESOHSYNSYNBSC信息报文格式同步字符，帧开始报头开始正文开始正文结束校验码字段4/15/2026ENQSYNSYNEOTSYNSYNACKSYNSYNNAKSYNSYN建立数据链路连接结束数据链路连接肯定应答否定应答BSC监控报文:用于通信过程中的控制，以保证信息报文正确可靠传送。4/15/20262.面向比特的链路控制协议面向比特的链路控制协议把数据及控制信息看作为位流的组合。HDLC(高级数据链路控制协议)的组成帧结构规程元素规程类型 语义使用HDLC的语法可以定义多种具有不同操作特点的链路层协议。HDLC的适用范围计算机——计算机计算机——终端终端——终端4/15/2026数据站(简称站station)，由计算机和终端组成，负责发送和接收帧。HDLC涉及三种类型的站：主站（primarystation）：主要功能是发送命令（包括数据），接收响应，负责整个链路的控制（如系统的初始化、流控、差错恢复等）；次站（secondarystation）：主要功能是接收命令，发送响应，配合主站完成链路的控制；组合站（combinedstation）：同时具有主、次站功能，既发送又接收命令和响应，并负责整个链路的控制。4/15/2026HDLC适用的链路构型非平衡型主站次站点－点式主站次站次站次站...点－多点式4/15/2026－平衡型主站主站次站次站逻辑通道对称结构组合站组合站平衡结构4/15/2026HDLC的基本操作模式正规响应模式NRM（NormalResponseMode）

适用于点—点式和 点—多点式两种非平衡结构。

只有当主站向次站发出探询后，次站才能获得传输帧的许可。异步响应模式ARM（AsynchronousResponseMode）

适用于点—点式非平衡结构和 主站—次站式平衡结构。

次站可以随时传输帧，不必等待主站的探询。异步平衡模式ABM（AsynchronousBalancedMode）

适用于通信双方都是组合站的平衡结构， 采用异步响应，双方具有同等能力。4/15/2026标志字段（定界符）01111110对数据中5个连续的“1”之后加一个“0”，接收时再去掉。地址字段（Address）：用于表示命令帧或响应帧的地址。命令帧中的地址字段是对方的地址；响应帧中的地址字段是本方地址。控制字段（Control）用于标志帧的类型和功能，使对方执行特定的操作。信息字段（Data）任意信息，任意长度（有上限），是用户要传输的数据。校验和（Checksum）CRC校验校验范围包括地址字段、控制字段和信息字段。帧结构4/15/2026帧类型：由控制字段来定义三种不同类型的帧。信息帧（Information）：监控帧（Supervisory）：用于流量和差错控制无序号帧（Unnumbered）：用于各种控制，自身无编号，不影响其他帧编号。4/15/2026123456780N(S)