42计算机网络数据链路层

第3章数据链路层基本内容：数据链路层的基本概念，数据链路层协议的工作原理：停止等待协议，连续ARQ协议，滑动窗口，选择ARQ协议，Internet中的数据链路层协议。重点掌握：数据链路层的基本概念。数据链路层协议的工作原理。滑动窗口原理。3.1数据链路层的基本概念链路(link)是一条无源的点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换结点。数据链路(datalink)除了物理线路外，还必须有通信协议来控制这些数据的传输。若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。数据链路/逻辑链路=物理链路+通信规程该层要解决的问题：如何在有差错的线路上，进行无差错传输。数据链路层协议功能图示。数据链路层的模型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。早期的数据通信协议曾叫作通信规程(procedure)。因此在数据链路层，规程和协议是同义语。结点结点帧帧在数据链路层上传输数据帧？发送方：？接收方：？传输过程：！解决这些问题，是数据链路层的主要任务。！针对这些问题所制定的通信规程就是数据链路层的通信协议。以多快的速度发送数据帧，即每帧之间相隔多长时间？如何确认对方是否收到数据？是否接收到正确的数据帧？如何告诉发送方？能及时处理接收到的数据帧吗？会出错吗？会丢失数据帧吗？数据链路层的主要功能数据链路层最重要的作用就是：通过一些数据链路层协议，在不太可靠的物理链路上实现可靠的数据传输。其主要功能可归纳如下：(1)链路管理(2)帧定界(3)流量控制(4)差错控制(5)将数据和控制信息区分开(6)透明传输(7)寻址数据链路层的主要功能(1)链路管理-当网络中的两个结点要进行通信时，数据的发方必须确知收方是否已处在准备接受的状态。为此通信的双方必须先要交换一些必要的信息，用术语讲必须先建立一条数据链路。在传输数据时要维持数据链路，而在通信完毕时要释放数据链路。数据链路的建立、维持和释放就叫做链路管理。(2)帧同步-在数据链路层，数据的传送单位时帧。数据一帧一帧地传送，就可以在出现差错时，将有差错的帧再重传一次，避免了全部数据的重传。帧同步是指收方应当能从受到的比特流中准确地区分出一帧的开始和结束。数据链路层的主要功能(3)流量控制-发方发送数据的速率必须使收方来得及接收。当收方来不及接收时，就必须及时控制发方发送数据的速率。(4)差错控制-在计算机通信中，一般都要求有极低的比特差错率。为此广泛地使用了编码技术，主要有两大类，一类是前向纠错，即收方收到有差错的数据帧时能自动将差错改正过来。这种方法的开销较大，不适合于计算机通信。另一类是检错重发，即收方可以检测出收到的帧中有差错，于是就让发方重复发送这一帧，直到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。数据链路层的主要功能(5)将数据和控制信息区分开-由于数据和控制信息都是在同一信道中传输，在许多情况下，数据和控制信息处于同一帧中，因此一定要有响应的措施使收方能够将他们区分开来。(6)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。这样才能保证数据链路层的传输是透明的。(7)寻址-在多点连接的情况下，必须保证每一帧都能送到正确的地址。双方也应当知道发方是哪一个站。3.2停止等待协议3.2.1完全理想化的数据传输3.2.2具有最简单流量控制的数据链路层协议3.2.3实用的停止等待协议3.2.4循环冗余检验的原理3.2.5停止等待协议的算法3.2.6停止等待协议的定量分析3.2.1完全理想化的数据传输数据链路层的简单模型：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向H2发送数据链路层应用层运输层网络层物理层链路层应用层运输层网络层物理层链路层网络层物理层链路层网络层物理层链路层网络层物理层R1R2R3H1H2从层次上来看数据的流动3.2.1完全理想化的数据传输数据链路层的简单模型（续）：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向H2发送数据链路层应用层运输层网络层物理层链路层应用层运输层网络层物理层链路层网络层物理层链路层网络层物理层链路层网络层物理层R1R2R3H1H2仅从数据链路层观察帧的流动3.2.1完全理想化的数据传输两台计算机通过一条通信链路进行通信的筒化模型：数据链路层主机A缓存主机B数据链路AP2AP1缓存发送方接收方帧高层帧完全理想化的数据传输所基于的两个假定假定1：链路是理想的传输信道，所传送的任何数据既不会出差错也不会丢失。假定2：不管发方以多快的速率发送数据，收方总是来得及收下，并及时上交主机。这个假定就相当于认为：接收端向主机交付数据的速率永远不会低于发送端发送数据的速率。3.2.2具有最简单流量控制的数据链路层协议现在去掉上述的第二个假定。但是，仍然保留第一个假定，即主机A向主机B传输数据的信道仍然是无差错的理想信道。然而现在不能保证接收端向主机交付数据的速率永远不低于发送端发送数据的速率。由收方控制发方的数据流，是计算机网络中流量控制的一个基本方法。3.2.2具有最简单流量控制的数据链路层协议在发送结点：(1)从主机取一个数据帧。(2)将数据帧送到数据链路层的发送缓存。(3)将发送缓存中的数据帧发送出去。(4)等待。(5)若收到由接收结点发过来的信息，则从主机取一个新的数据帧，然后转到(2)。在接收结点：(1)等待。(2)若收到由发送结点发过来的数据帧，则将其放入数据链路层的接收缓存。(3)将接收缓存中的数据帧上交主机。(4)向发送结点发一信息，表示数据帧已经上交给主机。(5)转到(1)。两种情况的对比（传输均无差错）AB送主机B送主机B送主机B送主机BAB送主机B送主机B时间不需要流量控制需要流量控制3.2.3实用的停止等待协议时间AB送主机送主机(a)正常情况AB送主机(c)数据帧丢失重传tout丢失！AB送主机丢弃(d)确认帧丢失重传tout丢失！AB送主机(b)数据帧出错重传出错四种情况解决死锁问题结点A发送完一个数据帧时，就启动一个超时计时器(timeouttimer)。若到了超时计时器所设置的重传时间tout而仍收不到结点B的任何确认帧，则结点A就重传前面所发送的这一数据帧。一般可将重传时间选为略大于“从发完数据帧到收到确认帧所需的平均时间”。解决重复帧的问题如果是确认帧丢失，则超时重传将使主机B收到两个相同的数据帧，这就是重复帧。使每一个数据帧带上不同的发送序号。每发送一个新的数据帧就把它的发送序号加1。若结点B收到发送序号相同的数据帧，就表明出现了重复帧。这时应丢弃重复帧，因为已经收到过同样的数据帧并且也交给了主机B。但此时结点B还必须向A发送确认帧ACK，因为B已经知道A还没有收到上一次发过去的确认帧ACK。帧的编号问题任何一个编号系统的序号所占用的比特数一定是有限的。因此，经过一段时间后，发送序号就会重复。序号占用的比特数越少，数据传输的额外开销就越小。对于停止等待协议，由于每发送一个数据帧就停止等待，因此用一个比特来编号就够了。注：一个比特可表示0和1两种不同的序号。帧的发送序号数据帧中的发送序号N(S)以0和1交替的方式出现在数据帧中。每发一个新的数据帧，发送序号就和上次发送的不一样。用这样的方法就可以使收方能够区分开新的数据帧和重传的数据帧了。可靠传输虽然物理层在传输比特时会出现差错，但由于数据链路层的停止等待协议采用了有效的检错重传机制，数据链路层对上面的网络层就可以提供可靠传输的服务。3.2.4循环冗余检验的原理在数据链路层传送的帧中，广泛使用了循环冗余检验CRC的检错技术。假设待传送的数据M=1010001101（共kbit）。我们在M的后面再添加供差错检测用的nbit冗余码一起发送。冗余码的计算用二进制的模2运算进行2n乘M的运算，这相当于在M后面添加n个0。得到的(k+n)bit的数除以事先选定好的长度为(n+1)bit的数P，得出商是Q而余数是R，余数R比除数P至少要少1个比特。冗余码的计算举例设n=5,P=110101，M=1010001101模2运算的结果是：商Q=1101010110，余数R=01110。将余数R作为冗余码添加在数据M的后面发送出去，即发送的数据是101000110101110，或2nM+R。循环冗余检验的原理说明1101010110←Q商除数P→110101101000110100000←2nM被除数11010111101111010111101011010111111011010110110011010111001011010101110←R余数循环冗余检验的原理说明只要得出的余数R不为0，就表示检测到了差错。但这种检测方法并不能确定究竟是哪一个或哪几个比特出现了差错。一旦检测出差错，就丢弃这个出现差错的帧。只要经过严格的挑选，并使用位数足够多的除数P，那么出现检测不到的差错的概率就很小很小。3.2.5停止等待协议的算法在发送结点：(1)从主机取一个数据帧，送交发送缓存。(2)V(S)←0。(3)N(S)←V(S)。(4)将发送缓存中的数据帧发送出去。(5)设置超时计时器。(6)等待。{等待以下(7)和(8)这两个事件中最先出现的一个}(7)收到确认帧ACKn，若n=1–V(s)，则：从主机取一个新的数据帧，放入发送缓存；V(S)←[1V(S)]，转到(3)。否则丢弃这个确认帧，转到(6)。(8)若超时计时器时间到，则转到(4)。3.2.5停止等待协议的算法在接收结点：(1)V(R)←0。(2)等待。(3)收到一个数据帧；若N(S)=V(R)，则执行(4)；否则丢弃此数据帧，然后转到(6)。(4)将收到的数据帧中的数据部分送交上层软件。(5)V(R)←[1V(R)]。(6)n←V(R)；发送确认帧ACKn，转到(2)。3.2.6停止等待协议的定量分析设tf是一个数据帧的发送时间，且数据帧的长度是固定不变的。显然，数据帧的发送时间tf是数据帧的长度lf(bit)与数据的发送速率C(bit/s)之比，即tf=lf/C=lf/C(s)（3-1）发送时间tf也就是数据帧的发送时延。数据帧沿链路传到结点B还要经历一个传播时延tp。结点B收到数据帧要花费时间进行处理，此时间称为处理时间tpr，发送确认帧ACK的发送时间为ta。停止等待协议中数据帧和确认帧的发送时间关系ABDATADATAACK传播时延tp处理时间tpr确认帧发送时间ta传播时延tp处理时间tprtT时间两个成功发送的数据帧之间的最小时间间隔数据帧的发送时间tf设置的重传时间tout重传时间重传时间的作用是：数据帧发送完毕后若经过了这样长的时间还没有收到确认帧，就重传这个数据帧。为方便起见，我们设重传时间为tout=tp+tpr+ta+tp+tpr设上式右端的处理时间tpr和确认帧的发送时间ta都远小于传播时延tp，因此可将重传时间取为两倍的传播时延，即tout=2tp简单的数学分析两个发送成功的数据帧之间的最小时间间隔是tT=tf+tout=tf+2tp设数据帧出现差错(包括帧丢失)的概率为p，但假设确认帧不会出现差错。设正确传送一个数据帧所需的平均时间tavtav=tT(1+一个帧的平均重传次数)简单的数学分析（续）一帧的平均重传次数={1P[重传次数为1]+2P[重传次数为2]+3P[重传次数为3]+…}={1P[第1次发送出错]P[第2次发送成功]+2P[第1,2次发送出错]P[第3次发送成功]+3P[第1,2,3次发送出错]P[第4次发送成功]+…}=p(1–p)+2p2(1–p)+3p3(1–p)+…这里P[X]是出现事件X的概率。得出正确传送一个数据帧所需的平均时间