1、,第4章,数据链路层,计算机科学与技术学院,1,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,计算机科学与技术学院,2,本章知识点：差错产生与差错控制方法数据链路层的基本概念典型的数据链路层协议,Internet中的数据链路层协议PPP协议,面向字符型协议实例：BSC,面向比特型协议实例：HDLC,计算机科学与技术学院,3,4.1 差错产生与差错控制方法,4.1.14.1.24.1.34.1.44.1
2、.54.1.6,为什么要设计数据链路层差错产生的原因和差错类型误码率的定义检错码与纠错码循环冗余编码工作原理差错控制机制,计算机科学与技术学院,4,4.1.1 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；(语音、视频信 号的失真),设计数据链路层的主要目的：在原始的、有差错的物理传输线路 的基础上，将有差错的物理线路改进成无差错的数据链路；,方法一 差错检测,差错控制 流量控制,作用：改善数据传输质量，向网络层提供高质量的服务。,在OSI模型中，物理层以上的各层都有改善数据传输质量的责任， 但数据链路层是最重要的一层。,计算机科学与技术学院,5,数据链路层设计思想,计算
3、机科学与技术学院,6,4.1.2 差错产生的原因和差错类型,传输差错（简称差错）,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。,计算机科学与技术学院,7,传输差错 产生过程,计算机科学与技术学院,8,4.1.3 误码率的定义,误码率定义：,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/
4、N,其中，N为传输的二进制比特总数,Ne为被传错的比特数,计算机科学与技术学院,9,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。,计算机科学与技术学院,10,4.1.4 检错码与纠错码,纠错码：(海明码）,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。,检错码:
5、（奇偶校验码，CRC）,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。,计算机科学与技术学院,11,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,目前应用最广的检错码编码方法之一,奇偶校检码,1 1 0 0 1 1 0 0 0,0 0 1 1 1 1 1 1 00 1 0 0 1 1 1 0 01 0 0 1 0 0 1 0 10 0 1 0 0 1 0 1 1,垂直奇（偶）校验（方阵码） 0循环冗余编码CRC,水 平 偶 校 验,0 0 0 1 0 1 0 0垂直偶校验,计算机科学与技术学院,12,4.1.5
6、 循环冗余编码工作原理,计算机科学与技术学院,13,计算机科学与技术学院,举例：,14,标准CRC生成多项式G（x）,CRC-12CRC-16CRC-CCITTCRC-32,G（x）= x12+x11+x3+x2+x+1G（x）= x16+x15+x2+1G（x）= x16+x12+x5+1G（x）= x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+ x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1,计算机科学与技术学院,15,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
7、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 =99.997的概率检查出长度为17位的突发错，漏检概率为0.003%；,计算机科学与技术学院,16,4.1.6 差错控制机制反馈重发机制,计算机科学与技术学院,17,反馈重发机制的分类1.停止等待方式,计算机科学与技术学院,18,停等协议(ARQ-自动重发请求),计算机科学与技术学院,19,2.连续工作方式,拉回方式(GBN，后退N),计算机科学与技术学院,选择重发方式,20,为
8、什么提出滑动窗口协议,在使用连续ARQ方法时，如果发送端一直没有收 到对方的确认信息，那么发送端就不能无限制 地向接收方发送其数据帧。因为：（1）接收端可能忙或者出现故障。（2）当未被确认的数据帧的数目太多时，只要有一帧出了差错，就要将很多的数据帧进行重传，这必然要白白花费很多时间。（3）为了对所发送出去的大量数据帧进行编号，每个数据帧的发送序号也要占用较多的比特数，这样又增加了一些不必要的开销。,计算机科学与技术学院,21,滑动窗口协议所要解决的问题,在发送端和接收端分别设发送窗口和接收窗口。发送窗口用来对发送端进行流量控制，而发送窗,口的大小WT代表在还没有收到对方确认的条件下发送端,最多
9、可以发送多少个数据帧。显然，停止等待协议的发送窗口大小是1。,接收窗口为了在接收端控制哪些数据帧可以接收而哪些帧不可以接收。在接收端只有当收到的数据帧的,发送序号落入接收窗口WR内才允许将该数据帧收下。若,接收到的数据帧落在接收窗口之外，则一律将其丢弃。,计算机科学与技术学院,22,发送窗口的滑动过程,接收窗口的滑动过程,计算机科学与技术学院,23,发送窗口的最大值,初看起来，这个问题好像很简单。例如，用3个比特 可编出8个不同的序号，因而发送窗口的最大值似乎应 当是8，其实不然。可以证明，当用n个比特进行编号,时，只有在发送窗口的大小WT2n1（WR1）时，连,续ARQ协议才能正确运行。实际
10、上，发送窗口和接收窗 口的值需满足：,WTWR2n。,用3个比特可以编出8个不同的序号，这对一般的陆地 链路已足够大了。但对于卫星链路，由于其传播时延很 大，发送窗口也必须适当增大才能使信道利用率不致太 低。这时常取编码n=7，因而发送窗口可达127。,计算机科学与技术学院,24,举例：假设发送窗口尺寸为2，接收窗口尺寸为1,计算机科学与技术学院,25,4.2 数据链路层的基本概念4.2.1 物理线路与数据链路链路(link)：一个结点到相邻结点的一段物理线路，中间没有任何交换结点。在进行数据通信时，两个计算机之间的通路可能是由许多条链路串接而成的。数据链路(data link)：除了必须有一
11、条物理线路外，还必须有一些必要的规程来控制这些数据的传输。把实现这些规程的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。,计算机科学与技术学院,26,数据链路层的简单模型,计算机科学与技术学院,27,数据链路层传送的是帧,计算机科学与技术学院,28,数据链路层像个数字管道常常在两个对等的数据链路层之间画出一个 数字管道，而在这条数字管道上传输的数据 单位是帧（Frame）。,计算机科学与技术学院,29,4.2.2 数据链路层的主要功能,链路管理 帧同步,流量控制 差错控制,帧的透明传输 寻址,数据链路层协议 为实现数据链路控制功能而,制定的规程或协议。,计算机科学与技术学院,30,（1） 链路管理,
12、当网络中的两个结点要进行通信时，数据的发送方必 须确知接收方是否已经处在准备接收的状态。为此，通信 的双方必须先要交换一些必要的信息。也就是说有三个工 作要做：,1. 建立一条数据链路 2. 维持这条数据链路 3. 释放这条数据链路,数据链路的建立、维持和释放就叫做链路管理。,计算机科学与技术学院,31,（2） 组帧,在用数据链路传送信息时，为了便于计算机进行处 理，将从物理层来的原始位流进行分割，按照一定的 格式组成若干个“帧”（Frame），以帧为单位进行传 送。帧中应包括帧的内容：,起始、结束标志 地址信息 控制信息,正文信息和差错控制信息 帧编号,计算机科学与技术学院,32,封装成帧封
13、装成帧(framing)就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部，然后就构成了一个帧。确定帧的界限。首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界。,计算机科学与技术学院,33,（3） 差错控制,在计算机通信中，要求有极低的比特差错率。为此，,广泛地采用了编码技术。纠错技术有两大类：,前向纠错FEC(Forward Error Correction)方式，即接收 方收到有差错的数据帧时，能够自动将差错改正过来。 这种方法的编、译码开销太大，一般不适合于网络通 信。,反馈重传ARQ(Automatic Repeat reQuest)方式，即接 收方可以检测出收到的帧中有差错（但并不知道是哪 几个比特错了）
14、，于是就让发送方重新发送这一帧， 直到接收方正确收到这一帧为止。这种方法在计算机 通信中是最常用的。,计算机科学与技术学院,34,（4） 透明传输,所谓透明传输就是不管所传数据是什么样的比特组 合，都应当能够在链路上传送。当所传数据中的比 特组合恰巧与某一个控制信息完全一样时，就必须 采取适当的措施，使接收方不会将这样的数据误认 为是某种控制信息。这样才能保证数据传输是透明 的。,例如：,ETX(end of text)正文结束字符，01111110比特组合。,计算机科学与技术学院,35,透明传输,计算机科学与技术学院,36,解决透明传输问题,发送端的数据链路层在数据中出现控制字符“SOH”
15、或“EOT”的前面插入一个转义字符“ESC”(其十六 进制编码是 1B)或“DEL”。,这种方法称为字节填充(byte stuffing)或字符填充 (character stuffing)，接收端的数据链路层在将数据送 往网络层之前删除插入的转义字符。,如果转义字符也出现数据当中，那么应在转义字符前 面插入一个转义字符。当接收端收到连续的两个转义 字符时，就删除其中前面的一个。,计算机科学与技术学院,37,用字节填充法解决透明传输的问题,计算机科学与技术学院,38,（5） 流量控制,在数据通信过程中，发送方的发送速度和接收方的 接收速度必须匹配，不允许发送速度超过接收能力 的现象发生，否则就
16、会丢失数据。这就是所谓流量 控制问题。,采用的方法：,1.停止-等待协议 2.滑动窗口协议,计算机科学与技术学院,39,4.2.3 数据链路层向网络层提供的服务,数据链路层是OSI参考模型的第2层；,设立数据链路层的主要目的是将原始的、有差错的物 理线路变为对网络层无差错的数据链路；,为了实现这个目的，数据链路层必须实现链路管理、 帧传输、流量控制、差错控制等功能；,数据链路层为网络层提供的服务主要表现在：正确传 输网络层的用户数据，为网络层屏蔽物理层采用的传 输技术的差异性。,计算机科学与技术学院,40,4.3 面向字符型协议实例,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ASII
17、C码：格式字符：SOH（start of heading）报头开始STX（start of text） 正文开始ETB（end of transmission block）正文信息组结束ETX（end of text） 正文结束 控制字符：ACK（acknowledge）肯定回答NAK（negative acknowledge）否定回答ENQ（enquire） 询问对方，要求回答EOT（end of transmission）传输结束SYN（synchrous）同步DLE（data link escape）转义,计算机科学与技术学院,41,面向字符型BSC协议的数据报文格式：,计算机科学与技术
18、学院,42,建立、维护,与释放数据,链路流程图,（1）,（2）,（3）,（4）,（5）,面向字符型协议属于停止 等待型的数据链路层协议,计算机科学与技术学院,43,4.4 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。,高级数据链路控制 HDLC (High-level Data Link Control）规程,计算机科学与技术学院,44,4.4.2
19、数据链路的配置和数据传送方式,数据链路的配置方式,非平衡配置平衡配置,计算机科学与技术学院,45,数据链路的非平衡配置方式,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,计算机科学与技术学院,46,非平衡配置方式的数据传送方式：,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
20、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。,计算机科学与技术学院,47,数据链路的平衡配置方式,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；,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 要得到对方复合站的许可。,平衡配置方式的数据传送方式：,计算机科学与技术学院,48,4.4.3 HDLC的帧结构,标志字段F(8
21、位),地址字段A(8/16位),控制字段C(8/16位),信息字段I (长度可变),帧校验字段FCS(16/32位),标志字段F(8位),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 CRC（checksum） ：校验A、C、I字段的数据G(X)= X16+X12+X5+1,计算机科学与技术学院,49,零比特插入/删除工作过程,计算机科学与技术学院,50,帧类型及控制字段的意义,I帧 ： N（S） 发送帧的顺序号；
22、N（R） 接收帧的顺序号 探询/终止位： P/F= Poll / Final， P=1 询问，F=1 响应,P与F成对出现,U帧 ：用于实现数据链路控制功能,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）,计算机科学与技术学院,51,U帧的格式与链路控制功能,计算机科学与技术学院,52,BSC与HDLC两种规程的比较,计算机科学与技术学院,53,4.4.4 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
23、,计算机科学与技术学院,54,计算机科学与技术学院,无编号帧的表示方法 SNRM帧与UA帧结构的表示方法,55,正常响应 模式数据 链路工作,计算机科学与技术学院,56,讨论：数据链路层 与物理层的关系,数据链路层建立在物理 连接上 物理层完成连接，提供 比特流传输能力,数据链路层使用物理层 服务来传输数据链路层 协议数据单元（帧）,(1)(2),(2.1),(2.2),(3)(2.3),计算机科学与技术学院,57,4.5 Internet中的数据链路层,Internet中主要的数据链路层协议,SLIP （Serial Line IP）, 串行线路的Internet数据链路层协议,PPP （
24、Point-to-Point Protocol）, 点-点协议,SLIP与PPP用于串行通信的拨号线路上。PPP是目前 家庭计算机或公司用户通过ISP接到Internet主要的协 议。,计算机科学与技术学院,58,PPP协议基本特点,PPP协议是Internet标准，RFC 1660、RFC 1661定义 了PPP协议与帧结构；,PPP协议处理了差错检测，支持面向字符型协议与 面向比特型协议,可以支持IP协议及其他一些网络层 协议（例如IPX协议）；,PPP协议不仅在拨号电话线，并且在路由器路由 器之间的专用线上广泛应用;,PPP协议是在大多数家庭个人计算机和ISP之间使用 的协议，它可以作为
25、在高速广域网和社区宽带网协 议族的一部分。,计算机科学与技术学院,59,PPP信息帧格式,标志（flag）：01111110 （0x7E）地址（address）：值为“FF”（11111111），表示网中所有 的站都接收该帧控制（control）：值为“03”（00000011）协议（protocol）：长度为2字节，它标识出网络层协议数据域 的类型。常用的网络层协议的类型主要有：0021HTCP/IP0023HOSI002BHNovell 数据字段：长度可变,计算机科学与技术学院,60,链路控制帧（LCP）,链路控制帧（LCP）,计算机科学与技术学院,61,PPP协议的数据链路选项主要包括：
26、 链路控制帧可以用来与对方进行协商，异步链路中将什么字符当做转义字符； 为了提高线路的利用率，链路控制帧可以用来与对方协商，是否可以不传输标志字节或地址字节，并将协议字段从2字节缩短为1字节； 如果在线路建立期间，收发双方不使用链路控制协商，固定的数据字段长度为1500B。,网络控制帧（NCP）,网络控制帧（NCP）,计算机科学与技术学院,62,网络控制帧可以用来协商是否采用报头压缩CSLIP协议，也可用来动态协商确定链路每端的IP地址。,使用PPP的Internet连接,PC,Modem,Router,Modem,User,ISP,线路,当一个用户通过拨号接入到Internet时，ISP方的
27、路由器响应这个 呼叫，然后首先建立起一个物理连接。接通之后，用户方的PC向 ISP方的路由器发出一系列的LCP分组(封装成多个PPP帧)，利用这 些分组和它的响应来选择将要使用的一些PPP协议参数。,当通信双方参数协商之后就可以进行网络层的配置。为了顺利 通信要求用户有一个IP地址。如果用户没有固定的IP地址，则需 要ISP动态地分配一个IP给用户。NCP的功能就是完成动态分配IP 地址。,计算机科学与技术学院,63,小结,物理传输线路上传输数据信号是有差错的；,误码率是指二进制比特在数据传输过程中被传错的 概率；,数据链路层是将一条原始的、有差错的物理线路变 为对网络层无差错的数据链路；,数据链路层完成链路管理、帧传输、流量控制、差 错控制等功能；,差错控制：反馈重发机制,计算机科学与技术学院,64,数据链路层协议基本可以分为两类：面向字 符型与面向比特型；,数据链路层的数据传送单位是帧，帧具有固 定的结构；,HDLC的帧分为信息帧（I帧）、无编号帧（U 帧）与监控帧（S帧）；,Internet数据链路层主要的协议是PPP协议； PPP协议不仅用于拨号电话线，并且可以用于 路由器路由器之间的专用线路上。,计算机科学与技术学院,65,
