计算机网络第4章数据链路层.

第4章数据链路层《计算机网络》第4章数据链路层24.1差错产生与差错控制方法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；•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。《计算机网络》第4章数据链路层34.1.2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；•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。《计算机网络》第4章数据链路层4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)《计算机网络》第4章数据链路层54.1.3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/N其中，N为传输的二进制比特总数Ne为被传错的比特数《计算机网络》第4章数据链路层6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。《计算机网络》第4章数据链路层74.1.4检错码与纠错码•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。《计算机网络》第4章数据链路层84.1.5循环冗余编码工作原理发送数据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)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)接收错误发送f'(x)xk.G(x)=Q(x)+R'(x)G(x)+数据字段校验字段发送方接收方计算机网络《计算机网络》第4章数据链路层9标准CRC生成多项式G（x）•CRC-12G（x）=x12+x11+x3+x2+x+1•CRC-16G（x）=x16+x15+x2+1•CRC-CCITTG（x）=x16+x12+x5+1•CRC-32G（x）=x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1《计算机网络》第4章数据链路层10CRC校验码的检错能力•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%。《计算机网络》第4章数据链路层114.1.6差错控制机制反馈重发机制发送端信源校验码编码器存储器发送装置反馈信号控制器接收装置校验码译码器信宿反馈信号控制器接收端传输信道《计算机网络》第4章数据链路层12反馈重发机制的分类•停止等待方式接收端发送端ACKNAKACK12231223《计算机网络》第4章数据链路层13连续工作方式•拉回方式•选择重发方式发送端接收端ACK0ACK1NAKACK2ACK3(a)ACK0ACK1NAKACK2ACK6(b)ACK3ACK4ACK5丢弃重传重传01234523456012345234560123452678901234526789发送端接收端丢弃《计算机网络》第4章数据链路层144.2数据链路层的基本概念4.2.1物理线路与数据链路•线路—链路(中间没有任何交换接点的线路)•物理线路—数据链路(实现协议或规程的硬件、软件与物理线路共同构成)电话交换网Modem计算机计算机物理线路数据链路Modem《计算机网络》第4章数据链路层154.2.2数据链路控制数据链路层协议—为实现数据链路控制功能而制定的规程或协议。•链路管理（数据链路的建立、维持和释放）•帧同步（正确判断一帧的开始位和结束位）•流量控制（控制发送方的数据发送速率）•差错控制（接收端发现和纠正传输错误）•帧的透明传输（数据帧出现控制字符，接收方不误认）•寻址（多点连接时，传输到正确的目的节点）《计算机网络》第4章数据链路层164.2.3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。《计算机网络》第4章数据链路层174.3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•ASIIC码：格式字符：SOH（startofheading）STX（startoftext）ETB（endoftransmissionblock）ETX（endoftext）控制字符：ACK（acknowledge）NAK（negativeacknowledge）ENQ（enquire）EOT（endoftransmission）SYN（synchrous）DLE（datalinkescape）《计算机网络》第4章数据链路层18•面向字符型BSC协议的数据报文格式：SYNSYNSOH报头STX正文ETB/ETXBCC报文开始同步字符用户定义报头结束分组结束报文结束校验字段正文字段《计算机网络》第4章数据链路层19建立、维护与释放数据链路流程图发送ENQ接收数据，EOT接收ACKACK/NAK?ENQ?发送数据接收数据重发结束?发送EOT结束接收ENQ发送ACKEOT?BCC正确?发送ACK发送NAK结束NYNAKACKNYNYNYNYACK?《计算机网络》第4章数据链路层204.4典型数据链路层协议分析—面向比特型4.4.1HDLC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。《计算机网络》第4章数据链路层214.4.2数据链路的配置和数据传送方式数据链路的配置•非平衡配置•平衡配置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《计算机网络》第4章数据链路层22数据链路的非平衡配置方式主站从站从站从站主站发出命令从站进行响应《计算机网络》第4章数据链路层23非平衡配置方式正常响应模式（normalresponsemode，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（asynchronousresponsemode，ARM）•主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。《计算机网络》第4章数据链路层24平衡配置方式•链路两端的两个站都是复合站（combinedstation）；•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；•平衡配置结构中只有异步平衡模式（asynchronousbalancedmode，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。《计算机网络》第4章数据链路层25数据链路的平衡配置方式复合站复合站复合站发出命令或进行相应复合站发出命令或进行相应《计算机网络》第4章数据链路层264.4.3HDLC的帧结构•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，Nmax=256B•CRC（checksum）：校验A、C、I字段的数据G(X)=X16+X12+X5+1标志字段F(8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)《计算机网络》第4章数据链路层27零比特插入/删除工作过程01111110F10011011101111101001111111001001111110IF100110111011111010011111110010000111111001111110100110111011111001001111101100100111111001111110连续5个110011011101111100100111110110010011111100111111010011011101111101001111111001001111110011111100111111010011011101111101001111111001001111110发送数据0比特插入实际发送实际接收0比特删除接收数据发送端00接收端《计算机网络》第4章数据链路层28帧类型及控制字段的意义0N(S)P/FN(R)10监控P/FN(R)11未分配P/F未分配信息帧I监控帧S无编号帧Ub0b4b7b1b2b3b5b6标志字段F(8位)地址字段A(8/16位)控制字段C(8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)《计算机网络》第4章数据链路层29帧类型•I帧：N（S）—发送帧的顺序号N（R）—接收帧的顺序号P/F=Poll/Final，P=1询问，F=1响应P与F成对出现•S帧：监控功能位S=00，RR（receiveready）S=01，RNR（receivenotready）S=10，RJE（reject）S=11，SREJ（selectreject）•U帧：用于实现数据链路控制功能《计算机网络》第4章数据链路层30U帧的格式与链路控制功能MP/FM11A01111110FCS01111110110000000111100000100011010001UACMADSARMSNRMSABMDISC命令响应置异步响应置正常响应置异步平衡响应拆链无编号确认命令拒绝建立主从的点-点结构建立主从的多点结构建立复合站的平衡结构结束已建立的数据链路从站响应主站的命令从站报告帧传输异常无编号帧《计算机网络》第4章数据链路层314.4.4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I，N(S)=3，N(R)=4，P=1IN(S)N(R)P/FData高层数据探询/终止位接收帧序号发送帧序号信息帧标志《计算机网络》第4章数据链路层32•无编号帧的表示方法•SNRM帧与UA帧结构的表示方法U，SNRM，P=1U，UA，F=1置异步响应模式：无编号确认：01111110A11001001FCS0111111001111110A11001110FCS01111110置异步响应模式：无编号确认：《计算机网络》第4章数据链路层33正常响应模式数据链路工作主站从站U，SNRM，P=1I，N(S)=3，N(R)=4，P=1I，N(S)=1，N(R)=0I，N(S)=2，N(R)=0，P=1U，UA，F=1I，N(S)=