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1、多媒体技术基础(第4版),林福宗 linfz 2017年3月,第24章 链路层技术,第24章 链路层技术 在TCP/IP模型中，链路层是网络层和物理层之间的接口 链路层主要负责把数据帧从一个节点传输到下一个节点，而物理层主要负责把数字数据一位一位地从一个节点传输到下一个节点 链路层和物理层上的协议几乎都通过网络适配器执行，有时难以区分哪些技术属于链路层还是属于物理层，硬性区分也无必要。在4层的TCP/IP模型中，把链路层和物理层合在一起，称为网络接口层。 本章介绍链路层的基本概念和提供的基本服务。考虑到知识的系统性和便于教材内容的组织，物理层的部分内容将放在这一章介绍，链路层的部分内容则放在后
2、续章节介绍,2,2019年9月23日,多媒体技术基础 第4版,第24章 链路层技术,24.1 链路层介绍 24.1.1 面向两种类型的链路 24.1.2 链路层提供的服务 24.1.3 适配器执行的协议 24.2 数据帧的格式 24.2.1 面向字节协议 24.2.2 面向比特协议 24.2.3 以太网帧格式 24.3 错误检测和处理 24.3.1 错误类型 24.3.2 错误检测 24.3.3 错误处理,24.4 流量和错误控制 24.4.1 流量控制 24.4.2 错误控制 24.5 前向纠错技术 24.5.1 FEC介绍 24.5.2 汉明码 24.5.3 卷积码 24.5.4 Turb
3、o码简介 24.5.5 RS码 24.6 媒体接入方法与控制 24.6.1 媒体接入方法 24.6.2 媒体接入控制 24.7 IEEE 802标准,2019年9月23日,3,多媒体技术基础 第4版,24.1 链路层介绍,技术术语 节点(node)：执行链路层和物理层协议的设备，包括主机、路由器、交换机和WiFi接入点 链路(link)或称信道(channel)：连接相邻节点的传输媒体 链路和信道都是物理通道，一条链路上可以有许多条信道，如用FDMA，一条链路上可以有多个用户信道共享一条链路,4,2019年9月23日,多媒体技术基础 第4版,24.1 链路层介绍(续),24.1.1 面向两种类
4、型的链路 链路层要面对两种不同类型的链路，执行两种不同协议 (1) 广播链路(broadcast link)：多台主机共享的链路。多台主机连接到相同链路，需要媒体接入协议(media access protocol)协调数据帧的传输。协调工作由主机本身或中央控制器承担 (2) 点对点(point-to-point link)链路：两个节点之间相连的链路，如两个路由器之间的链路，用户的办公计算机与其附近以太网交换机之间的链路。使用的协议包括点对点协议和高层数据链路控制协议(HDLC)，用于建立两个节点之间数据帧的直接传输,5,2019年9月23日,多媒体技术基础 第4版,24.1 链路层介绍(续
5、),24.1.2 链路层提供的服务 把数据帧从一个节点沿着单条链路传输到相邻节点，提供实际收发数据的方法和协议，如节点寻址、帧的处理、媒体接入控制(MAC)、传送控制、错误检测和纠正等，将它们归纳为4种类型的服务，或称4种类型的技术 (1) 分帧封装(framing)：把来自网络层的IP数据包发送到物理层之前，要把IP数据包分成许多帧，每帧的前面添加帧头(frame header)，后面添加帧尾(frame trailer)，生成一个数据帧(data frame)。帧的结构由链路层上的协议指定，不同的协议有不同的帧格式 (2) 链路接入(link access)：根据媒体接入控制(MAC)协议
6、指定的规则，把数据帧传输到链路上。对于点对点链路，MAC协议比较简单或不需要，每当链路空闲时发送即可；对于广播链路，存在多址接入(multiple access)问题，需要MAC协议去协调数据帧的收发,6,2019年9月23日,多媒体技术基础 第4版,24.1 链路层介绍(续),(3) 可靠传输(reliable delivery)：确保来自网络层的每个数据包都能在链路层上无差错地传输到接收器。虽然在传输层上的协议(如TCP)提供可靠的传输服务，但它建立在链路层的可靠传输基础上。与传输层类似，链路层也同样提供可靠的数据传输方法和协议 (4) 错误检测和纠正(error detection an
7、d correction): 由于链路层面对复杂的网络环境，尤其是无线链路，因此出现错误率较高的情况不可避免，单靠重传和错误控制的方法往往不能解决问题，因此在链路层上要对传输的数据进行检测，判断传输是否有错，对出现的错误进行纠正,7,2019年9月23日,多媒体技术基础 第4版,24.1 链路层介绍(续),24.1.3 适配器执行的协议 链路层和物理层的耦合非常紧密，通常把链路层和物理层的功能都集成到网络适配器或称网络接口卡(NIC)，这两层上的协议都在适配器上执行，见图24-1 网卡插入到计算机的总线槽或通用串行总线(Universal Serial Bus，USB)端口。网卡是计算机和网络
8、之间的接口，提供设备驱动程序，执行数据链路层和物理层的协议 在ISO/OSI网络参考模型中，数据链路层定义为网络层与物理层之间的接口层，因此链路层也被称为网络接口(network interface)。在TCP/IP网络模型中，没有专门定义相应的链路层和物理层，因为它是网络互联的高层描述 笔者采纳许多文献和教材作者的见解，把链路层和物理层作为TCP/IP五层模型的第二层和第一层,8,2019年9月23日,多媒体技术基础 第4版,24.1 链路层介绍(end),9,2019年9月23日,图24-1 网络接口层,多媒体技术基础 第4版,24.2 数据帧的格式,在链路层上，节点之间传输的数据以数据帧
9、(frame)为单位，因此要把来自网络层的每个数据包封装成数据帧，然后将它发送到链路上。接收器把来自链路上的数据帧拆封后送给网络层 一帧主要由帧头、数据、帧尾三个域组成。帧头和帧尾用于界定帧的开始和结束。帧的格式由链路层使用的协议指定，使用的协议不同，帧的格式也不同 帧的格式大致分成两类 面向字节(byte-oriented)的格式 面向比特(bit-oriented)的格式,10,2019年9月23日,多媒体技术基础 第4版,24.2 数据帧的格式(续),24.2.1 面向字节协议 最古老的分割和界定帧的方法，把一帧看成是一个字节集或字符集，不是一串数据位，例如，IBM公司1967年公布的B
10、ISYNC(Binary Synchronous Communication/二进制同步通信协议，以及后来开发并广泛使用的点对点协议(PPP) 1. BISYNC帧格式 图24-2：数字表示域的长度，单位为字节；帧开始用2个同步字符SYN (synchronization)；数据包含在文字开始SOT(start of text)和文字结束EOT (end of text)之间；帧开始域SOH (start of header)表示一帧开始，Header用于标识发送者、接收者和其他数据；2字节循环冗余校验(CRC)用于检测数据在传输过程中是否有错,11,2019年9月23日,多媒体技术基础 第4
11、版,24.2 数据帧的格式(续),在ASCII字符集中 SYN = 00010110 (16 Hex) SOH = 00000001 (01 Hex) (Start of header) SOT = 00000010 (02 Hex) (Start of text) EOT = 00000011 (03 Hex) (End of text)。 数据中可能包含EOT( 00000011)字符，BISYNC采用的区分方法：每当数据中出现EOT字符时，插入一个数据传送转义字符DLE (0001000)或转义字符Escape( 00011011)。这种方法被称为字符填充法(character stuf
12、fing) BISYNC不再提倡，但帧格式开发思想已被其他格式继承,12,2019年9月23日,图24-2 BISYNC帧的格式,多媒体技术基础 第4版,24.2 数据帧的格式(续),2. PPP帧格式 网络标准STD 51，RFC 1661(1994) 用于在串行链路上传送IP数据包的流行方法，从低速拨号调制解调器到高速光纤链路 Flag：标记PPP帧的开始和结束，用01111110作标记； Address：用11111111作标记时，表示标准的广播地址； Control：若设置为00000011，表示不含帧的顺序号、没有流量和错误控制,13,2019年9月23日,图24-3 PPP帧的格式
13、,多媒体技术基础 第4版,24.2 数据帧的格式(续),Protocol：指定数据域中的数据是用高层协议生成的 Data：传输数据。不用LCP协议的默认长度为1500字节 FCS：帧的校验序列(frame check sequence，FCS)包含标准的校验算法CRC-16或CRC-32，由4个域(Address、Control、Protocol和Data)计算得到的校验位 在PPP帧格式中，有几个域的大小没有完全确定，它们的大小是由链路控制协议(Link Control Protocol，LCP)支配。LCP协议是PPP协议的一部分，在建立PPP通信时它们相互配合,14,2019年9月23日
14、,多媒体技术基础 第4版,24.2 数据帧的格式(续),24.2.2 面向比特协议 把数据帧看成是位(bit)的集合。这些位可以是来自字符集(如ASCII)、图像的像素值或可执行文件的指令和操作符 IBM公司1975年开发的SDLC(Synchronous Data Link Control)同步数据链路控制协议是面向比特的协议 1979年ISO将其标准化后作为高层数据链路控制协议(HDLC)，过去用于一台计算机与多台外部设备的连接，现为链路层协议 1. SDLC帧格式 第一个面向比特操作的链路层协议，用于管理在数据链路上同步串行传输数据。链路可以是双工或半双工、点对点、点对多点或其他类型的链
15、路。SDLC支持的数据速率可高达64 kbps。SDLC帧的格式与HDLC帧的格式几乎相同,15,2019年9月23日,多媒体技术基础 第4版,24.2 数据帧的格式(续),2. HDLC帧格式 点对点通信协议，其他协议的基础，如ISDN，GSM，PPP Flag(标记)：开始和结束都用01111110(8位)，在链路空闲时也发送，以便发送器和接收器保持同步 这个序列数据可能出现在数据帧中的任何地方，为避免把数据当标记，用位填充(bit stuffing)方法加以区分,16,2019年9月23日,图24-4 HDLC帧的格式,多媒体技术基础 第4版,24.2 数据帧的格式(续),区分方法：在发
16、送端，从数据域发出连续5个1时，在发送下一位之前插入1个0。在接收端，当接收到连续5个1后要查看下一位：如果是0，认为是填充位，把它去掉；如果是1，就有两种可能，帧的结束标记或位流出错。接着看下一位，如果是0，其后8位就为01111110，帧的结束标记；如果是1，其后8位就为01111111，表示传输过程中出了错，把这帧作废 地址(Address)域：接收端或收发两端的地址 控制(Control)域：帧的类型(信息格式、管理格式或无编号格式)和错误控制信息 帧校验序列(FCS)域：用标准的CRC-16或CRC-32算法，对3个域(Address、Control和Information)计算得到的结果,17,2019年9月23日,多媒体技术基础 第4版,24.2 数据帧的格式(续),24.2.3 以太网帧格式 IEEE为以太网制定的格式，长度单位是8位位组(octet) PRE (Preamble)：前导符，用于唤醒接收数据的网卡与发送数据的网卡同步。前7个8位是10101010，最后1个8位是10101011 SFD
