第4章 物理层与数据链路层

第4章物理层与数据链路层物理层的功能与特性4.1物理层接口特性4.2数据链路层的基本概念4.3数据链路层协议4.4【本章内容简介】本章主要介绍物理层与数据链路层常用的协议标准，包括物理层的功能特性，物理层的接口特性，数据链路层的功能，数据链路层的停等协议、ARQ协议、HDLC协议以及PPP协议。【本章重点难点】重点掌握HDLC协议的工作原理，PPP协议原理及工作过程，PPP帧的封装方法。4.1物理层的功能和特性1．物理层的功能物理层的主要功能就是为它的服务用户即数据链路层的实体在具体的传输介质上提供发送或接收比特流的能力。目前，可供计算机网络使用的物理设备和传输媒体种类很多，特性各异，物理层的作用就在于要屏蔽这些差异，使得数据链路层不必去考虑物理设备和传输介质的具体特性，而只要考虑完成本层的协议和服务。2．物理层的特性对物理层协议就不便利用OSI的术语加以阐述，而只能将物理层实现的主要功能描述为与传输介质接口有关的四个特性：即机械特性、电气特性、功能特性和规程特性。物理层就是通过这四个特性的作用，在DTE和DCE之间，实现了物理通路的连接。4.2物理层接口特性物理层协议实际上是DTE和DCE之间的一组约定。这组约定规定了DTE与DCE之间标准接口的机械特性、电气特性、功能特性和规程特性。数据终端设备（DataTerminalEquipment，DTE），它是一种具有一定的数据处理能力及转发数据的设备。具有根据协议控制数据通信的功能。DTE是对属于用户所有的组网设备或工作站的总称。DTEDCEDCEDTE图4.1DTE与DCE的连接DTE/DCE接口是DTE与DCE之间的界面。标准化的DTE/DCE接口包括以下四个方面的特性。4.2.1机械特性在ISO标准中，涉及DTE/DCE接口机械特性的标准有以下几种。①ISO2110—25芯DTE/DCE接口连接器。②ISO2593连接器。③ISO4902连接器。④ISO4903连接器。4.2.2电气特性DTE/DCE标准接口的电气特性规定了DTE/DCE之间多条信号线的电气连接及有关电路特性，通常包括：发送器和接收器的电路特性（如发送信号电平，发送器的输出阻抗，接收器的输入阻抗，平衡特性等），负载要求，传输速率和连接距离等。表4.1电话网接口电气特性的规定发送电平≤0dBm接收电平?5dBm～35dBm阻抗600平衡特性平衡输入输出表4.2ITU-TV/X系列有关建议的某些电气特性ITU-T建议“1”信号电平（负）“1”信号电平（负）速率范围V.28?3V～?15V（对地）+3V～+15V（对地）≤20kbit/sV.10/X.26?4V～?6V（对地）+4V～+6V（对地）≤300kbit/sV.11/X.27?2V～?6V（对地）+2V～+6V（对地）≤10kbit/sDTE/DCE接口的电气连接有以下三种方式。（1）非平衡方式（2）差动接收的非平衡方式（3）平衡方式(b)差动接收的非平衡方式(c)平衡方式(a)非平衡方式图4.2DTE/DCE接口的三种电气连接4.2.3功能特性DTE/DCE标准接口的功能特性主要是对各接口信号线作出确切的功能定义并确定相互间的操作关系。接口信号线按其功能一般可分为接地线、数据线、控制线及定时线等类型。4.2.4规程特性DTE/DCE标准接口的规程特性规定了DTE/DCE接口各信号线之间的相互关系，动作顺序以及维护测试操作等内容。4.2.5常用的物理层标准常用的物理层接口标准有以下几种。1．EIARS-232-C和EIA-232-D2．EIARS-449，RS-422-A和RS-423-A表4.3EIARS-232-C的电气特性驱动器输出电平（3k～7k）逻辑0：+5V～+15V逻辑1：?5V～?15V驱动器输出电平（无负载）?25V～+25V驱动器通断时的输出阻抗＞300输出短路电流＜0.5A驱动器转换速率＜30V/s接收器输入阻抗3k～7k接收器输入电压允许范围?25V～+25V接收器输出（输入开路时）逻辑1接收器输出（输入经300接地）逻辑1接收器输出（+3V输入）逻辑0接收器输出（?3V输入）逻辑1最大负载电容2500pFDTEDCEDTEDTE12345876201234587620(a)远程连接234587620234587620(b)近程连接图4.3EIARS-232-C接口的物理特性图4.3EIARS-232-C接口的物理特性4.3数据链路层的基本概念4.3.1数据链路层概述数据链路层是OSI参考模型中的第二层，位于物理层与网络层之间。数据链路层最基本的功能是将物理层为传输原始比特流而提供的可能出差错的物理链路改造成为逻辑上无差错的数据链路。数据链路有时又称逻辑链路，它是指发信节点与收信节点之间用于数据传输的一条逻辑通路。HOSTMHOSTHOSTMMM物理链路物理链路数据链路数据链路图4.4物理链路与数据链路的区别4.3.2数据链路层的主要功能（1）链路管理（2）帧同步（3）差错控制（4）流量控制（5）透明传输4.4数据链路层协议数据链路层的数据传输单位是帧，数据链路层协议是构造数据链路层帧的标准和方法，不同的数据链路层协议匹配着不同的物理层标准及介质。常见的数据链路层协议有停等协议、ARQ协议、高级数据链路控制规程HDLC及点对点协议（PPP）等。4.4.1停等协议停等协议规定发送端每发送一帧数据信息后，必须停下来等待接收端返回应答后，方能继续操作下去。停等协议就是由于操作过程中的停等特点而得名的。4.4.2ARQ协议停等协议之所以信道利用率不高，是因为发送端在等待接收端返回应答帧时，白白地浪费了信道可利用的时间。为此，若使发送端在发送完一帧数据信息之后，不是停下来等待对方的应答，而是继续再发送若干帧，这样就可有效地利用等待时间，提高了整个通信的吞吐量。这就是连续ARQ协议工作原理的基本点。1．连续ARQ协议(a)数据帧出错012345234560123452345x5ACK0ACK1NAK2ACK2ACK3ACK4发送端接收端送主机送主机丢弃01234523456013452345ACK0ACK1ACK2ACK3ACK4发送端接收端送主机送主机丢弃tout(b)数据帧丢失01234523456013452345ACK0ACK1ACK2ACK3ACK4发送端接收端送主机送主机丢弃tout2×ACK2(c)应答帧丢失图4.5连续ARQ协议工作原理示意图2．选择重传ARQ协议×送主机送主机存入缓冲区tout0123415670103415670ACK0ACK2发送端接收端21帧～4帧送主机图4.6选择重传ARQ协议工作原理图4.4.3高级数据链路控制规程（HDLC）高级数据链路控制规程是一种灵活、方便、高效率的传输控制规程。它适应于同步数据终端之间的数据传输。由于链路级传输的信息单位为帧，有时又将其称为帧级协议或HDLC链路层协议。HDLC用来检查收/发信息的顺序编号，避免重发、漏发、检查帧的同步传输以及用来建立/拆除和新建立链路。HDLC是面向比特的链路控制规程，其链路的监控功能是通过一定的比特组及所表示的命令和响应来实现的。1．HDLC协议工作方式（1）按工作站性质分类共有三种。主站（P）次站（S）复合站（C）（2）按结构分类共有两种。非平衡型平衡型（3）按传输的响应方式分类共有两种。正常响应方式异步响应方式（4）按通信操作方式分类共有三种。正常响应方式（NRM）异步响应方式（ARM）异步平衡方式（ABM）（5）按规程结构分类共有三种。UN：不平衡正常响应方式（由SNRM设置）。UA：不平衡异步响应方式（由SAEM设置）。BA：平衡型异步响应方式（由SABM设置）。2．HDLC的特点HDLC规程是面向比特的，有与高速传输相适应的传输速率。代码独立（透明度好、可靠性高）。用户数据与数据链路控制完全分离。可通过重发来实现差错纠正。传输数据时可携带认可信息。3．HDLC的帧结构标志地址控制信息校验标志011111108bit8bit128×8bit16bit01111110FACIFCSF图4.7HDLC的帧结构（1）标志字段（F）1011111通信控制器终端终端通信控制器PSPS10111111001111110011111图4.80插入/删除技术（2）地址字段（A）00000001（01）B00000011（03）ADTEDTEDCEDTEDTEDCE命令B命令A响应B响应A图4.9地址编码的含义（3）控制字段（C）表4.4控制字段格式格式命令响应控制字段编码12345678信息帧II0N（S）PN（R）RR接收准备就绪RR接收准备就绪1000P/FN（R）RNR接收未就绪RNR接收未就绪1010P/FN（R）监视帧REJ拒绝REJ拒绝1001P/FN（R）SABM置异步平衡方式1111P100DISC拆线1100P010DM拆线方式1111F000UA无编号确认1100F110无编号帧FRMR帧拒绝1110F001利用帧的控制字段可以表示三大类9种不同的帧格式。①信息帧。②监视帧。③无编号帧。（4）控制字段C中各参数的含义①P/F位②N(S)③N(R)（5）信息字段（I）信息字段用来传送用户数据，当采用模8方式时，用户数据的最大长度为128字节。也可根据X.25协议中用户任选业务规定来选定用户数据长度。I字段只包含在I帧中。（6）校验字段（FCS）FCS可以用生成多项式G(X)=X16+X12+X5+1来进行循环冗余校验，在校验前应先进行0删除操作，以保持标志序列的唯一性。4．链路建立、帧传送、链路拆除过程（1）链路建立过程（2）帧的传送过程（3）链路拆除过程DTEDCE01DISCP01SABMP01UAF01I0003I0103RR103I1103I2103RNR203I2103I3103REJ303RR1P03I13F03I4101DISCP01UAP图4.10链路建立、保持、拆除过程图4.10链路建立、保持、拆除过程4.4.4点到点协议（PPP）1．SLIP协议简介（1）SLIP协议的基本概念SLIP是一种在点对点的串行链路上封装IP数据报的简单协议。（2）SLIP协议的封装格式LIP协议的封装格式遵循以下原则：第一，通过在被发送IP数据报的尾部增加特殊的END字符（0xC0）从而形成一个简单的SLIP数据帧，而后该帧会被传送到物理层进行发送。第二，当被传送的IP数据报文中含有END字符时，则需要对该字符进行转意（就是使用其他字符来表示），可使用连续传输的两个字节来代替它（如0xdb和0xdc）。（3）SLIP简单封装方式的缺陷SLIP帧的封装格式过于简单。SLIP仅支持一种网络层协议（IP协议）。SLIP协议没有在数据帧的尾部加上CRC校验和。C0C0EndEnd1B1BIP数据报文图4.11SLIP数据帧格式2．PPP协议的特点PPP协议提供了一种在点对点的链路上封装多协议数据报（IP，IPX和AppleTalk）的标准方法。它不仅能支持IP地址的动态分配和管理；同步（面向位的同步数据块的传送）或异步（起始位+数据位+奇偶校验位+停止位）物理层的传输；网络层协议的复用；链路的配置、质量检测和纠错；而且还支持多种配置参数选项的协商。3．PPP协议组成（1）PPP协议的封装方式（2）链路控制协议（LinkControlProtocol，LCP）（3）（NetworkControlProtocol，NCP）网络控制协议4．PPP帧的封装格式PPP协议规定了在数据链路层封装PPP帧的方法，PPP帧格式和HDLC帧格式相似，如图4.12所示。二者主要区别：PPP面向字符，而HDLC面向位。7E7EEF03IP数据报信息FAC协议FCSF字节1112不超过1500字节21图4.12PPP帧格式5．PPP链路的建立过程链路不可用阶段链路建立阶段验证阶段网络层协议阶段链路终止阶段失败图4.13PPP状态转移图6．NCP协议NCP协议的数据报文是在网络层协议阶段被交换的，在这个阶段所需的一些配置参数选项