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1、计算机网络-数据链路层，5 4 3 2 1，数据链路层，应用层，传输层，互联网层，物理层，应用层，传输层，互联网层，数据链路层，物理层，第3章数据链路层，第3章数据链路层，*3.1数据链路层的基本概念*3.2停止和等待协议3.2.1完全理想的数据传输3.2.2具有最简单流控制的数据链路层协议3.2.3实用的停止和等待协议3.2.4循环冗余测试原理，第3章数据链路层*3.3连续ARQ协议3.3.1连续ARQ协议的工作原理3.3.2连续ARQ协议的吞吐量3.3.3滑动窗口的概念3.3.4信道利用率和最佳帧长3.4选择重传ARQ协议，第3章数据链路层(续)，*3.5面向比特的链路层协议HDLC 3.

2、5.1 HDLC协议概述3.5.2 HDLC帧结构*3.6互联网点对点协议PPP 3.6.1 PPP协议工作原理3.6.2 PPP协议帧格式3.3 除了物理线路，数据链路还必须有通信协议来控制这些数据的传输。如果将实现这些协议的硬件和软件添加到链路中，它将构成一条数据链路。目前，最常见的方法是使用适配器(即网卡)来实现这些协议的硬件和软件。通用适配器包括数据链路层和物理层的功能。数据链路层类似于数字管道，数字管道通常在两个对等数据链路层之间绘制，在该数字管道上传输的数据单元是帧。早期的数据通信协议被称为通信程序。因此，在数据链路层，过程和协议是同义的。数据链路层的主要功能：(1)链路管理，(2

3、)帧定界，(3)流控制，(4)差错控制，(5)区分数据和控制信息，(6)透明传输，(7)寻址，(3.2)停止等待协议，(3.2.1)完全理想化的数据传输。简单模型的数据链路层，局域网，广域网，主机H1，主机H2，路由器R1，路由器R2，路由器R3，电话网，局域网，主机H1发送数据到H2，数据流从层次的角度，简单模型的数据链路层(续)，局域网路由器R2，路由器R3，电话网，局域网，主机H1发送数据到H2，链路层，应用层，传输层，网络层，物理层，链路层，应用层，传输层，网络层和物理层。H2 H1仅观察来自数据链路层的帧流，3.2停止等待协议3.2.1的完全理想化的数据传输，数据链路层，主机a，缓存

4、，主机b，数据链路，AP2，AP1，缓存，发送方，接收方，帧，更高层假设2:无论发送方发送数据的速度有多快，接收方总是有时间接收数据并及时将其移交给主机。这个假设相当于认为接收方向主机发送数据的速率永远不会低于发送方发送数据的速率。3.2.2具有最简单流量控制的数据链路层协议，现在去掉上面提到的第二个假设。然而，第一个假设仍然存在，即主机A通过其向主机B传输数据的信道仍然是没有错误的理想信道。但是，不能保证接收方向主机发送数据的速率永远不会低于发送方发送数据的速率。接收方控制发送方的数据流是计算机网络流量控制的一种基本方法。在发送节点，具有最简单的流控制的数据链路层协议算法：(1)从主机获取数

5、据帧。(2)将数据帧发送到数据链路层的发送缓冲区。(3)发送缓冲区中的数据帧。(4)等待。(5)如果接收节点发送的信息被接收(该信息的格式和内容可以由双方预先约定)，则从主机获取新的数据帧，然后转到(2)。在接收节点，具有最简单流控制的数据链路层协议算法(续):(1)等待。(2)如果接收到发送节点发送的数据帧，则将其放入数据链路层的接收缓冲区。(3)将接收缓冲区中的数据帧提交给主机。(4)向发送节点发送消息，指示数据帧已经提交给主机。(5)转到(1)。两种情况的比较(传输是无错误的)，A，B，DATA，发送到主机B，发送到主机B，A，B。3 . 2 . 3实用的停止和等待协议，A，B，如果到达

6、由超时定时器设置的重传时间tout，并且没有从节点B接收到确认帧，则节点A重传先前发送的数据帧。通常，重传时间可以被选择为稍大于“从发送数据帧到接收确认帧所需的平均时间”。以解决重复帧的问题，使得每个数据帧携带不同的传输序列号。每次传输新的数据帧时，其传输序列号都会增加1。如果节点B接收到具有相同传输序列号的数据帧，则表明存在重复帧。此时，应该丢弃重复的帧，因为已经接收到相同的数据帧并将其移交给主机B.然而，此时，节点b也必须向a发送一个确认帧ack，因为b已经知道a没有收到上次发送的确认帧ACK。帧编号问题，任何编号系统的序列号所占用的位数必须是有限的。因此，一段时间后，传输序列号将会重复。

7、序列号占用的位数越少，数据传输的开销就越小。对于停止等待协议，由于它在每次发送数据帧时都停止等待，因此使用一个位进行编号就足够了。一位可以代表两个不同的序列号，0和1。数据帧中的传输序列号以0和1的交替方式出现在数据帧中。每次发送新的数据帧时，发送序列号都不同于上次发送的序列号。以这种方式，接收器可以将新的数据帧与重传的数据帧区分开来。可靠的传输，虽然在物理层的比特传输中会有错误，但是由于数据链路层的停止等待协议采用了有效的错误检测和重传机制，所以数据链路层可以向上层网络层提供可靠的传输服务。3.2.4循环冗余校验原理，循环冗余校验的检错技术被广泛应用于数据链路层传输的帧中。假设要传输的数据是

8、M=1010001101(总k比特)。我们在M后添加N位冗余码进行检错，并一起发送。例如，奇偶校验、帧校验序列和数据后添加的冗余码称为帧校验序列。循环冗余校验循环冗余校验和帧校验序列不相等。CRC是一种常见的错误检测方法，而FCS是添加到数据中的冗余代码。循环冗余校验可以获得循环冗余校验，但循环冗余校验不是获得循环冗余校验的唯一途径。停止等待协议的关键点，更新发送状态变量V(S)一次，只有在收到序列号正确的确认帧ackn后，才发送新的数据帧。当接收端接收到数据帧时，需要将发送序列号与本地接收状态变量进行比较。如果它们相等，这意味着它是一个新的数据帧，因此它被接收并发送确认。否则，这是一个重复的

9、帧，必须丢弃。然而，此时仍有必要向发送方发送一个确认帧ackn，而接收状态变量V(R)和确认序列号n保持不变。停止等待协议的要点(续)，并且具有相同传输序列号的数据帧连续出现，表明发送方已经随时间重传。具有相同序列号的确认帧连续出现，表明接收端收到了重复的帧。发送数据帧时，发送方必须在其发送缓冲区中临时保存一份数据帧的副本。这样，在出错的情况下可以执行重传。只有当确认另一方已经接收到该数据帧时，才能清除拷贝。停止等待协议的要点(续)，用硬件完成实用的循环冗余校验器。循环冗余校验可以自动丢弃检测到的错误帧。因此，所谓的“丢弃错误帧”对于上层软件或用户来说是察觉不到的。差错控制系统通常被称为ARQ

10、 (Automatic Repeat reQuest)，字面意思是自动重传请求，但它意味着自动重传请求。停止等待协议的优点和缺点ARQ，优点：相对简单。缺点：通信信道的利用率不高，也就是说，信道远没有被数据位填满。为了克服这个缺点，已经开发了另外两个协议，即连续ARQ和选择性重传ARQ。这将在后面进一步讨论。3.3连续ARQ协议3.3.1连续ARQ协议的工作原理，在发送一个数据帧后，可以连续发送几个数据帧，而不是等待一个确认帧。如果此时接收端发送的确认帧被接收，则数据帧也可以在下一次发送。由于等待时间减少，整个通信的吞吐量提高。连续ARQ协议的工作原理、ACK1确认DATA0，ACK2确认DA

11、TA1，DATA2出错，丢弃，DATA3出现故障，丢弃，重传ACK2，DATA4出现故障，丢弃，重传ACK2，DATA5出现故障，丢弃，重传Ack 2。ACK4确认当数据3、随着时间的推移被重新传输时，A、B、被发送到主机，并被发送到主机。注：(1)接收机只按顺序接收数据帧。尽管在帧2之后接收到三个有错误的正确数据帧，但接收器必须丢弃这些帧，因为在这些帧之前没有接收到帧2。尽管这些无序的无差错帧被丢弃，但最后发送的确认帧应该重复发送(以防止确认帧丢失)。(2) ACK1表示确认0号帧DATA0，并期望下次接收1号帧；ACK2表示确认1号帧DATA1，并期望下次接收2号帧。等等。应该注意的是：(

12、3)节点A应该为发送的每个数据帧设置超时定时器。如果在设定的超时时间内收到确认帧，超时计时器将立即清零。然而，如果在设置的超时之后没有接收到确认帧，则相应的数据帧将被重传(超时计时器仍然需要重置)。当重传2号数据帧而不等待2号帧的确认时，虽然节点A已经发送了5号帧，但它仍然必须返回并重传2号帧和所有后续帧。连续ARQ，也称为回退-N ARQ，意味着当出现错误并且需要重传时，在开始重传之前必须回退N帧。应该注意的是：(4)以上只是连续ARQ协议的工作原理。协议的实现有很多细节。例如，相当于N个独立超时定时器的功能可以用一个定时器来实现。3.3.3滑动窗口的概念，发送端和接收端分别设置发送窗口和接

13、收窗口。发送窗口用于控制发送端的流量。发送窗口的大小WT表示发送端在没有从另一方接收到确认信息的情况下可以发送的最大数据帧数量。，0，1，2，3，4，5，6，7，0，1，2，发送窗口，WT，不允许发送这些帧，允许发送5个帧，(a)，接收器设置如果接收到的数据帧落在接收窗口之外，它将总是被丢弃。在连续ARQ协议中，接收窗口的大小WR=1。只有当接收帧的序列号与接收窗口一致时，才能接收该帧。否则，丢弃它。每当接收到具有正确序列号的帧时，接收窗口向前(即向右)滑动一帧。同时，发送帧的确认。、不允许接收这些帧、0、1、2、3、4、5、6、7、0、1、2、WR，准备接收第0帧，(a)滑动窗口的一个重要特

14、征收发器两端的窗口按照上述规则连续向前滑动，因此该协议也称为滑动窗口协议。当发送窗口和接收窗口的大小都等于1时，就停止等待协议。传输窗口的最大值。当用n比特计数时，如果接收窗口的大小是1，则只有当传输窗口的大小是WT 2n 1时，连续ARQ协议才能正确运行。例如，当使用3位编码时，传输窗口的最大值是7而不是8。3.3.4信道利用率，因为每个数据帧必须包含一定的控制信息(如帧序列号、地址、同步信息和其他控制信息)，即使数据帧连续发送，信道利用率(即扣除所有控制信息后的数据速率与信道容量之比)也不能达到100%。当错误发生时(这是不可避免的)，数据帧的连续重传将进一步降低信道利用率。如果数据帧的帧长较短，则每帧中控制信息的比例会增加，因此开销会增加，这将导致信道利用率下降。如果帧长度太长，数据帧传输中出错的概率将增加，因此重传的次数将增加，这也将降低信道利用率。因此，存在最佳的帧长度，在该长度下信道利用率最高。3.4选择重传ARQ协议可以扩大接收窗口，首先接收那些传输序列号不连续但仍在接收窗口的数据帧。等到收到缺少序列号的数据帧，然后将其发送给主机。选择重传ARQ协议可以避免正确到达接收端的数据帧的重复传输。但我们付出的代价是在接收端建立一个具有相当大容量的缓冲空间。对于选择性重传ARQ协议，如果使用n位进