计算机通信与网络-ch03-数据链路层-贺

计算机通信与网络ComputerTelecommunications&Networks第3章数据链路层内容纲要数据链路层的基本概念流量控制和差错控制点对点信道的数据链路层多路访问信道的数据链路层内容纲要数据链路层的基本概念流量控制和差错控制点对点信道的数据链路层多路访问信道的数据链路层3.1数据链路层的基本概念数据链路层:•基于物理层提供的比特流传输服务•构成透明的、相对无差错的数据链路•实现可靠、有效的数据传送。数据链路层协议：•在物理网络与计算机的协议组之间提供接口数据电路数据链路数据电路：在传输信道两端加上信号变换设备（如Modem）之后所形成的二进制比特流通路。即数据电路由传输信道加DCE组成。数据链路：在数据电路建立的基础上，在链路协议控制下，使通信双方正确传输数据的终端设备与传输线路的组合体。3.1数据链路层的基本概念电话网ModemModem数据链路与数据电路的区别•数据电路：物理链路或链路(physical)•数据链路：逻辑链路(logical)数据链路：在数据电路上增加传输控制功能实现的。数据通信：只有建立了数据链路，才能真正地实现。3.1数据链路层的基本概念数据链路的拓扑结构•点到点链路•多点链路数据链路的传送方式：•单工通信•半双工通信(HalfDuplex)•全双工通信(FullDuplex)3.1数据链路层的基本概念链路所连接的节点称为“站”。主站:发送命令或信息，通信过程起控制作用从站:接收数据/命令并响应，通信过程受控复合站:同时具有主站和从站功能3.1数据链路层的基本概念3.1数据链路层的基本概念DTEDTEDTEDTEDTEDTE点到点链路星型点到点链路在点到点链路中，两端的站可能是主站、从站或复合站。链路可以是不平衡的，或平衡结构。3.1数据链路层的基本概念DTEDTEDTEDTEDTEDTEDTE……主从式点到多点链路对等式点到多点链路在主从式点到多点链路中，常常是不平衡的；在对等式点到多点链路中，常使用平衡型链路。数据链路层的功能：①链路管理②帧同步（帧定界）③流量控制④数据和控制信息的识别⑤差错控制⑥透明传输⑦寻址3.1数据链路层的基本概念数据链路层的传输和处理的数据单位。即：协议数据服务单元PDU，帧(frame)3.1数据链路层的基本概念物理层实现比特流传送，不能保证没有错误，需要数据链路层进行差错检测和纠正。为便于实现流量控制和差错控制，数据链路层将“比特流”分解成离散的“帧”，独立地计算校验和，发送和接收。数据链路层帧的结构，包括需要传输的数据、相应的控制信息、校验信息、帧之间的分隔标志等。帧的形成方法：•字符计数法•含字节填充的分界符法•含位填充的分界标志法•物理层编码违例法3.1数据链路层的基本概念内容纲要数据链路层的基本概念流量控制和差错控制点对点信道的数据链路层多路访问信道的数据链路层1、完全理想化的数据传输3.2流量控制和差错控制数据链路层主机A缓存主机B数据链路AP2AP1缓存发送方接收方帧高层帧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：不管发送方以多快的速率发送数据，接收方总是来得及收下，并及时上交主机。处理单元没有缓冲空间了！后面分组丢弃数据传输的实际问题:解决实际问题的思路:•在数据通信中，要求发送方的发送数据速率必须不能超过接收方的接收和处理数据的速率。•当接收方来不及接收和处理数据时，就必须采取相应的措施（流量控制），来控制发送方发送数据的速率。•计算机网络中，一般由接收方主动控制发方的数据流，来实现流量控制。(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)若收到接收结点发的确认应答信息，则从主机取一新帧，转(2)。最简单流量控制的数据链路层协议在发送结点(1)等待；(2)若收到数据帧，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)向发送结点发送确认信息，表示数据帧已上交主机；(5)转到(1)。在接收结点2、流量控制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2、流量控制•开关式流量控制:XON/XOFF,硬件•协议式流量控制:ARQ自动重发请求流量控制的分类：-停止等待ARQ协议-滑动窗口ARQ协议实际数据传输过程中，由于信道不理想和外界存在干扰，不可避免出现传输差错。传输差错：导致数据帧接收错误，接收方要求发送方重发数据帧。严重的传输差错：还导致数据帧丢失、应答帧丢失，使发送操作不能继续进行，或接收方重复接收数据。3、实用的停止等待协议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重复帧问题结点A发送完一个数据帧时，就启动一个超时计时器（定时器）。若超时计时器到达所设置的重传时间tout，仍未收到结点B的确认帧，则结点A就重传前面所发送的数据帧。一般，重传时间略大于“从发完数据帧到收到确认帧所需的平均时间”。重传若干次后仍不能成功，则报告差错。3、实用的停止等待协议超时重发技术如果是接收方的应答帧丢失，会导致发送方重复发送，出现重复帧。每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。但此时结点B还必须向A发送确认帧ACK，以保证协议正常执行。3、实用的停止等待协议重复帧问题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应答，因此用一个比特来编号就够了。一个比特可表示0和1两种不同的序号。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。3、实用的停止等待协议帧的编号问题由于发送端口或传输信道的速率限制，发送一帧需要一定的时间：“发送时延”。接收一帧的时间和发送一帧的时间相同。发送应答帧，也有“发送时延”。由于电磁波自身的传输速率，帧在信道中传送，具有“传播时延”。接收方收到帧后，差错检验、转交处理；发送方收到应答后，准备发送下一帧，都需要“处理时延”。3、实用的停止等待协议性能分析时延问题ABt0t1t6t7t2t3t4t5DataframeACKframetL传输一帧所需的数据时间分析t1–t0发送时延t3–t2接收时延t2–t0传播时延t3–t1传播时延t4-t3处理时延t5–t4应答时延t7–t6接答时延tP=t2–t0=t3–t1=L/v传播时延tF=t1–t0=t3-t2=F/C发送时延tA=t5–t4=A/C应答帧发送时延tproc=t4-t3处理时延L节点A与B之间的距离v信号传播速率（3×108m/s）F数据帧长度=H+D（帧头＋数据）A应答帧长度C数据发送速率bits/s传输一帧所需的数据时间分析正常情况信道利用率U=tD/(tF+tA+2tP+2tproc)U=D/（F＋A＋2C（tP+tproc））tD=D/C数据时延，tF=F/C帧时延tA=A/C应答时延，tP=L/v传播时延tproc=处理时延若不考虑处理时延、传播时延、应答帧的开销，则U仅与帧结构相关；3、实用的停止等待协议性能分析忽略应答时延、处理时延、帧开销,信道利用率为U=tD/(tF+tA+2tP+2tproc)U=tD/(tD+2tP)成功发送一帧的间隔为tT=tD+2tP重传：若考虑传输差错下进行重传，则成功传送一帧的平均时间为tav=tT（1＋平均重传次数）3、实用的停止等待协议性能分析信道利用率为U=tD/tav例1信道速率为8kb/s，采用停止等待协议，传播时延tp为20ms，确认帧长度和处理时间均可忽略，问帧长为多少才能使信道利用率达到至少50%？解：设帧长为Dbit，则tD＝Dbit/8Kbps信道利用率＝tD/（tD＋2tp）≥50%因为tp=20ms，所以tD40ms故帧长D(40*10-3)*(8*103)=320bit3、实用的停止等待协议性能分析例2在卫星通信系统中，两个地面站之间进行卫星转发通信，即信号从一个地面站经过卫星传到另一个地面站，若设其传播时延为tp=250ms，发送一个数据帧的时间为tD=20ms(相当于帧长1000比特时，速率为50Kb/s)，试分析此系统的信道利用率。3、实用的停止等待协议性能分析解：信号从一个地面站经卫星传到另一个地面站，其传播时延tp=250ms。发送一个数据帧的时间tD=20ms，则从发送站开始发送到数据帧被目的站接收，一共需要时间tD+tp=20+250=270ms不考虑处理时延、应答帧时延，则应答帧也需要经过tp=250ms才能被发送站接收到。从发送一帧开始，到发送站收到应答所需要的时间为：tT=20+2*250＝520ms则此系统的信道利用率为：U=20／520≈4％优点：比较简单。缺点：信道利用率不高。可靠传输：物理层在传输比特时出现的差错，由数据链路层的停止等待协议，依靠检错、重传机制，实现数据链路层的数据可靠传输。停止等待协议的优缺点3、实用的停止等待协议克服停止等待协议信道利用率低的方法采用滑动窗口控制方法。当发送完一个数据帧后，不是停下来等待确认帧，而是继续发送若干数据帧。由于在等待确认时可以继续发送数据，减少了信道空闲时间，因而提高了整个通信过程的吞吐量。12345670后沿L(W)前沿H(W)窗口尺寸W＝6，H(W)=L(W)+(W－1)mod2n4、滑动窗口流量控制方法滑动窗口图形表示方法发送窗口尺寸WT：发端可以不等待应答而连续发送的最大帧数；发送窗口后沿L(W)：发端最先发出而尚未收到应答的帧序号；发送窗口前沿H(W)：发端最后发出而尚未收到应答的帧序号；考虑出现差错的可能，WT不能过大。4、滑动窗口流量控制方法发送窗口：发送端用于保存帧的序号表（1）已发送但尚未被确认的帧（2）允许连续发送的帧的序号表接收窗口尺寸WR：接收端允许接收的帧数；在接收端只有当收到的数据帧的发送序号落入接收窗口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。接收窗口：接收端允许连续接收的帧的序号表发送窗口：•每发送一帧数据，窗口后沿，移动一格；•每接收一帧应答，窗口前沿，移动一格；接收窗口：•每接收一帧数据，窗口后沿，移动一格；•每发送一帧应答，窗口前沿，移动一格；4、滑动窗口流量控制方法窗口滑动规则滑动窗口协议只有接收窗口向前滑动时（与此同时也发送了确认），发送窗口才有可能向前滑动。当发送窗口和接收窗口的尺寸都等于1时，就是停止等待协议。01234567012发送窗口WT不允许发送这些帧允许发送5个帧(a)01234567012不允许发送这些帧还允许发送4个帧WT已发送(b)01234567012不允许发送这些帧WT已发送(c)01234567012不允许发送这些帧还允许发送3个帧WT已发送已发送并已收到确认(d)发送窗口控制不允许接收这些帧01234567012WR准备接收0号帧(a)不允许接收这些帧01234567012WR准备接收1号帧已收到(b)不允许接收这些帧01234567012WR准备接收4号帧已收到(c)接收窗口控制接收窗口当发送完一个数据帧后，不等待确认帧，而是继续发送若干数据帧；如果收到了接收方发来的确认帧，则发送方可以继续发送数据帧；如果出现差错，则从出现差错的数据帧开始全部重发。5、连续ARQ协议只有接收窗口向前滑动时（正确接收并发送了确认），发送窗口才可能向前