1、第4章 数据链路层,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。 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。,3,4.1.1 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 成帧差错检测差错控制流量控制信道访问控制 作用：改善数据传输质量，向网络层提供高质量的服务。,4,成帧,字符计数法 带字符填充的首尾标志法 带位填充的首尾标
2、志法 物理层编码违例法,5,字符计数法,6,带字符填充的首尾标志法,7,带位填充的首尾标志法,每帧使用一个特殊的位模式作为开始和结束标志 如，01111110,8,4.1.2 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； 由热噪声引起的差错是随机差错，或随机错； 冲击噪声引起的差错是突发差错，或突发错； 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。,9,传输差错 产生过程,10,4.1.3 误码率的定义 误码率定
3、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。,11,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。, 2009 Pearson Education Inc., Upper Saddle River,
4、NJ. All rights reserved.,12,8.4 Two Strategies for Handling Channel Errors,A variety of mathematical techniques have been developed that overcome errors during transmission and increase reliability Known collectively as channel coding The techniques can be divided into two broad categories: Forward
5、Error Correction (FEC) mechanisms 前向纠错机制 Automatic Repeat reQuest (ARQ) mechanisms 自动重传请求机制 The basic idea of FEC is straightforward: add additional information to data that allows a receiver to verify that data arrives correctly and to correct errors (if possible),校验机制, 2009 Pearson Education Inc.,
6、 Upper Saddle River, NJ. All rights reserved.,13,14,4.1.4 检错码与纠错码,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。 机制：冗余纠错码：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。 机制：重传,15,常用的检错码,奇偶校验码垂直奇（偶）校验水平奇（偶）校验水平纵横奇偶校验（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，基于二进制除法,8.6 An Example Block Error Code: Single Pari
7、ty Checking 单奇偶校验, 2009 Pearson Education Inc., Upper Saddle River, NJ. All rights reserved.,16,只能发现错误，不能纠正错误 只能检测到奇数个位员被改变的情况, 2009 Pearson Education Inc., Upper Saddle River, NJ. All rights reserved.,17,8.11 Error Correction with Row and Column (RAC) Parity纵横奇偶校验,12位比特可以想象成 an array of 3-rows and
8、4-columns, with a parity bit added for each row and for each column Figure 8.7 illustrates the arrangement, which is known as a Row and Column (RAC) code Example RAC has n= 20, which means that it is a (20, 12) code,18,8.11 Error Correction with Row and Column (RAC) Parity,How error correction works
9、? Assume that one of the bits in Figure 8.7 (below) is changed during transmission: When the receiver arranges the bits into an array and parity bits are recalculated two of the calculations will disagree with the parity bits received, as Figure 8.8 illustrates a single bit error will cause two calc
10、ulated parity bits to disagree with the parity bit received,只能纠正1比特差错 能检测到奇数个比特差错,循环冗余编码CRC,任意长度报文 出色的验错能力 快速的硬件实现,19,20,4.1.5 循环冗余编码工作原理,21,标准CRC生成多项式G（x）,CRC-12 G（x）= x12+x11+x3+x2+x+1CRC-16 G（x）= x16+x15+x2+1CRC-CCITT G（x）= x16+x12+x5+1CRC-32 G（x）= x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+ x10 +x8+x7+x5+x4 +
11、x2+x+1,22,的步骤,将一个位的串追加到数据单元后，n = 除数位数 1 按二进制除法，用事先约定的除数除第一步生成的数，余数即为CRC 将由第二步得到的n位CRC替换第一步追加的n个0。,23,发送方接受方,24,CRC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
12、.997的概率检查出长度为17位的突发错，漏检概率为0.003%；, 2009 Pearson Education Inc., Upper Saddle River, NJ. All rights reserved.,25,8.14 An Efficient Hardware Implementation of CRC,CRC hardware is arranged as a shift register with exclusive or (xor) gates between some of the bits Figure 8.13 illustrates the hardware ne
13、eded for the 3-bit CRC computation from Figure 8.12,The 16-Bit Checksum Used in the Internet,26,英特网校验码由16位校验和反码构成，并不一定要固定16位,27,4.1.6 差错控制机制,自动重复请求 ARQ,28,反馈重发机制的分类,停止等待方式 正常情况 帧丢失或损坏 确认丢失 确认延迟,29,连续工作方式,拉回方式（后退N帧）选择重发方式,30,后退N帧ARQ,给帧编号：帧头部添加m位序号 发送方滑动窗口：窗口中是已发送但未得到确认的帧；窗口左边是已发送并且也得到确认的帧；窗口右边是尚未发送的帧
14、。窗口最大为2m-1(?) 接受方滑动窗口：窗口大小始终为1。只按顺序接受帧，不按顺序的帧丢弃。 确认：ACK，确认之前的所有帧已收到,31,选择重传ARQ,发送方窗口和接受方窗口大小相同：最大2m-1 (?) 确认ACK 否定确认NAK,32,大作业,请用图画出 停等ARQ 后退N帧ARQ 选择重传ARQ 在以下情况的示意图 正常情况 帧丢失或损坏 确认丢失 确认延迟,33,4.2.3 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（acknowledged connection-oriented service）； 无连接确认服务（acknowladged conne
15、ctionless service）； 无连接不确认服务（unacknowledged connectionless service）。, 2009 Pearson Education Inc., Upper Saddle River, NJ. All rights reserved.,34,13.10 Unicast, Broadcast, and Multicast Addresses,The IEEE addressing supports three types of addresses that correspond to three types of packet delivery
16、 Figure 13.9 (below) provides a summary, 2009 Pearson Education Inc., Upper Saddle River, NJ. All rights reserved.,35,13.11 Broadcast, Multicast, and Efficient Multi-Point Delivery,协议实例,36,37,4.3 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,38,4.3.2 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（sta
17、rt of heading）STX（start of text）ETB（end of transmission block）ETX（end of text）控制字符：ACK（acknowledge）NAK（negative acknowledge）ENQ（enquire）EOT（end of transmission）SYN（synchrous）DLE（data link escape）,39,面向字符型BSC协议的数据报文格式,40,建立、维护 与释放数据 链路流程图,41,4.4 典型数据链路层协议分析 面向比特型 4.4.1 HDLC产生的背景,面向字符型数据链路层协议的缺点： 报文格式
18、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。,42,4.4.2 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,43,数据链路的非平衡配置方式,44,非平衡配置方式,正常响应模式（normal response mode，NRM）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
19、帧进行探询（poll），从站响应后才可以向主站发送数据帧。异步响应模式（asynchronous response mode，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。,45,平衡配置方式,链路两端的两个站都是复合站（combined station）； 复合站同时具有主站与从站的功能； 每个复合站都可以发出命令与响应； 平衡配置结构中只有异步平衡模式（asynchronous balanced mode，ABM）； 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
20、合站的许可。,46,数据链路的平衡配置方式,47,4.4.3 HDLC的帧结构,F（flag） ：固定格式 01111110 作用 帧同步传输数据的透明性（零比特插入与删除） A（address） ：地址 C（control） ：帧的类型、帧的编号、命令与控制信息 I（information） ：网络层数据，Nmax = 256B CRC（checksum） ：校验A、C、I字段的数据G(X)= X16+X12+X5+1,48,零比特插入/删除工作过程,49,帧类型及控制字段的意义,50,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（receive ready）S = 01，RNR（receive not ready）S = 10，RJE（reject）S = 11，SREJ（select reject） U帧 ：用于实现数据链路控制功能,51,U帧的格式与链路控制功能,52,4.4.4 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,53,无编号帧的表示方法 SNRM帧与UA帧结构的表示方法,54,正常响应 模式数据 链路工作,55,讨论：数据链路层 与物理层的关系,
