计算机网络-数据链路层剖析

数据链路层数据链路层使用的信道主要有以下两种类型：点对点信道。这种信道使用一对一的点对点通信方式。广播信道。这种信道使用一对多的广播通信方式，因此过程比较复杂。广播信道上连接的主机很多，因此必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机的数据发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理解：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ppp数据链路层学习目的数据链路层数据链路层基本概念成帧差错控制流量控制数据链路层协议数据链路层协议实例数据链路：数据链路层实体的连接叫数据链路。多个数据链路复用一条物理连接。帧：数据链路层的分组链路层工作的前提：物理层必须导通数据链路层基本概念为什么要设置数据链路层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—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。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。数据链路层基本概念功能建立、维护、拆除数据链路组帧、同步差错控制流量控制透明传输寻址（多点链路）总之解决相邻两点的传输问题数据链路层基本概念“link”DL协议的一般特性面向字符的协议特性：用控制字符实现控制，报文里出现与控制字符相同的字符加转义字符DLE。面向字符的协议有：BSC（IBMBinarySynchronousCommunication）二进制同步通信规程、SLIP（SerialLineInternetProtocol）串行线路接口协议。面向比特协议特性：采用统一帧格式，用特殊二进制串做帧开始和结束的标志。面向比特的协议有：HDLC（HighLevelDataLinkControl）高级数据链路控制协议、PPP（Peer-PeerProtocol）端对端协议。数据链路层基本概念其他特性：通信方式：全双工、半双工发送方式：停等方式、连续方式同步方式：同步NOR正常响应主次站应答工作异步异步平衡方式ABM非正常响应各自自主发送异步响应方式ARM主次可互换的应答方式传输代码：比特、ASCII、EBCD差错控制：BCC面向字符CRC面向比特传输协议：ARQ、连续ARQ、选择ARQ速率、帧长数据链路层基本概念数据链路层向网络层提供的服务面向连接确认服务（acknowledgedconnection-orientedservice）无连接确认服务（acknowladgedconnectionlessservice）无连接不确认服务（unacknowledgedconnectionlessservice）数据链路层基本概念实际数据路径与虚拟数据路径网络层数据链路层物理层传输介质应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层主机2虚拟数据路径应用层表示层会话层传输层主机1（a）虚拟数据路径网络层数据链路层物理层传输介质应用层表示层会话层传输层网络层数据链路层物理层主机2实际数据路径应用层表示层会话层传输层主机1（b）实际数据路径数据链路层数据链路层基本概念成帧差错控制流量控制数据链路层协议数据链路层协议实例（1）字符记数法在帧头部使用一个字段表示帧内字符数。目标机接收到该帧时，根据字段提供的字节数，可以知道帧的结束位置。问题：计数字段出错，收方无法判断帧结束位置。失去同步。目标机无法知道下一帧位置。即使知道出错也无法说明重新发送应该跳回多少字符。很少使用或与其它方法合用。成帧成帧（2）带填充字符首尾界符法每一帧开始用帧开始字符STX标记，帧尾部用帧结束字符ETX标记。透明传输：数据传输中，如果帧的首尾定界符出现在信息位，采用在信息位的定界符前面填充一个转义字符DLE来区分。接收：单独的控制字符是标记，和DLE成对出现的控制字符是数据本身。成帧发送前：发送序列：成帧问题：依赖8位字符，特别是ASCII码STX:StartofTextETX:EndofTextDLE:DataLinkEscape（3）带填充位的首尾标志法使用特殊位模式“01111110”作为帧的开始和结束标志。透明传输：信息位中出现和开始标志相同的串，在5个连续的“1”后自动插入一个“0”。接收：自动删除5个连续“1”后的“0”。成帧发送前：发送码：成帧（4）物理层编码违例法在物理层编码中有冗余的网络。如曼码的1：高-低0：低-高，则用高-高或低-低电平表示帧边界。很多数据链路层协议使用字符记数和其它方法结合来提高可靠性。帧到达时，用记数字段确定帧尾，只有当帧结束标志出现在帧尾并且检验和正确的时候，才接受帧。否则继续扫描到下一个定界符。成帧数据链路层数据链路层基本概念成帧差错控制流量控制数据链路层协议数据链路层协议实例差错控制（1）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差错原因—噪声、畸变、串音回声、衰减、PCM失去同步差错分类—突发错（连续错）、随机错（单个错）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。差错控制差错产生的原因和差错类型差错分类—突发错（连续错）、随机错（单个错）误码率—二进制比特在数据传输系统中被传错的概率比较：有利面，计算机数据成块传送，设块大小1000位，差错率0.001，如果是单个错，每个块都会有误码，如果是100位集中的误码串，每100块平均只有一个或两个块受到影响。不利面，突发错更难检测和纠正传输差错产生过程信源通信信道信宿数据噪声数据+噪声(a)001100111100011111000011000100010110011001010传输数据数据信号波形噪声数据信号与噪声信号叠加后的波形采样时间接收数据原始数据出错的位(b)差错控制（2）纠错和检错的概念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。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。差错控制常用的检错码奇偶校验码垂直奇（偶）校验水平奇（偶）校验水平水平垂直奇（偶）校验（方阵码BCC）循环冗余编码CRC国际标准：CRC-12=x12+x11+x8+x2+x+1CRC-16=x16+x15+x2+1CRC-CCITT=x16+x12+x5+1CRC-32=x32+x26+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x5+x2+x+1目前应用最广的检错码编码方法之一循环冗余编码工作原理发送方接收方发送数据f(x)生成多项式G(x)f(x)xk.G(x)=Q(x)+R(x)G(x)实际发送:f(x)xk.+R(x)数据字段校验字段f(x)xk.R(x)发送数据f'(x)生成多项式G(x)R'(x)=R(x)接收正确R'(x)=R(x)接收出错发送f'(x)xk.G(x)=Q(x)+R'(x)G(x)循环冗余编码工作原理发送方接收方发送数据f(x)生成多项式G(x)f(x)xk.G(x)=Q(x)+R(x)G(x)实际发送:f(x)xk.+R(x)数据字段校验字段f(x)xk.R(x)发送数据f'(x)生成多项式G(x)R'(x)=R(x)接收正确R'(x)=R(x)接收出错发送f'(x)xk.G(x)=Q(x)+R'(x)G(x)发送方接收方发送数据f(x)生成多项式G(x)f(x)xk.G(x)=Q(x)+R(x)G(x)实际发送:f(x)xk.+R(x)数据字段校验字段f(x)xk.R(x)发送数据f'(x)生成多项式G(x)R'(x)=R(x)接收正确R'(x)=R(x)接收出错发送f'(x)xk.G(x)=Q(x)+R'(x)G(x)循环冗余编码工作原理用收到的数据（带校验码）除以同一个生成多项式，整除则无差错（余数为0）举例：发送传输接收110011发送数据比特序列CRC校验码比特序列1001带CRC校验码的发送数据比特序列1100111001110011100111001110010100001110011000011001G(x)1100110000110011001R(x)100001Q(x)f(x).xkCRC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99.997％的概率检查出长度为17位的突发错，漏检概率为0.003%；差错控制CRC内容组成原理课上有详细的介绍，要求掌握以下重点：二进制串的多项式表示模2运算方法生成多项式概念发送和接收方的运算差错控制（3）差错控制方法①反馈收方向数据发送方提供有关收方情况的反馈信息。典型方法：收方发回确认帧表示某帧正确到达收方发回否认帧表示发生了错误。相应帧必须重发。信源校验码编码器存储器发送装置传输信道接收装置发送端校验码译码器接收端信宿反馈信号控制器反馈信号控制器差错控制（3）差错控制方法②计时器方法发方发出一帧后，开始计时，超时重发。数据帧丢失，收方没有收到数据，当然不会采取任何动作，只有发送方控制重发。超时的定时，至少2倍于传播时延（保证应答信息能够返回）③帧编号确认帧丢失，发方超时重发，收方收到重复帧，需要区别是否是重复帧。差错控制数据链路层数据链路层基本概念成帧差错控制流量控制数据链路层协议数据链路层协议实例流量控制是保证发送实体不会因过量的数据而把接收实体冲垮的技术。解决发送方发送能力比接收方接收能力大的问题，需要流量控制机制来限制发方所发出的数据流量不要超过接收方的处理速度。需要反馈机制，使发方能够知道接收方是否能接收到。基本的策略是由接收方控制发送速度。流量控制（1）停等协议ARQ（AutomaticRequestRepeat）前提a.物理信道不可靠b.收端能力不足处理：数据帧内加校验码，供收方判断是否正确接收一帧。收方根据接收是否错发送确认帧ACK和否认帧NAK（NegativeAcknowledgement）。收到重复帧要发确认帧特点：接收缓冲区一个帧大小，发送缓冲区一个帧大小，每发送一帧设置一个计时器，帧编号使用1个比特。帧中包含发送序号N（S）。半双工方式。接收端发送端ACKNAKACK12231223数据链路层协议停止等待协议(a)无差错情况A发送M1确认M1B发送M2发送M3确认M2确认M3A发送M1B超时重传M1发送M2确认M1丢弃有差错的报文(b)数据帧出错、丢失超时重传ttttA发送M1B超时重传M1发送M2丢弃重复的M1重传确认M1(a)确认丢失确认M1A发送M1B超时重传M1发送M2丢弃重复的M1重传确认M1(b)确认迟到确认M1收下迟到的确认但什么也不做tttt停止等待协议请注意在发送完一个分组后，必须暂时保留已发送