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1、,计算机通信与网络,Computer Telecommunications & Networks,数据链路层的数据链路控制和差错控制技术设计-组网,第4章 数据链路控制“组网”,2019/11/7,4.1 数据链路控制的基本概念,数据链路层在物理连接提供的比特流传输服务基础上，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。 数据链路层协议负责在物理网络与计算机的协议组之间提供一个接口。,2019/11/7,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，
2、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。,4.1 数据链路控制的基本概念,2019/11/7,数据链路与数据电路 数据电路又可称为物理链路或链路 数据链路又称为逻辑链路 数据链路是在数据电路上增加传输控制功能实现的。 只有建立了数据链路，才能真正地实现数据通信。,4.1 数据链路控制的基本概念,2019/11/7,数据链路的基本结构（线路拓扑 ） 点到点链路 多点链路 数据链路层的传送方式： 单工通信 半双工通信(Half Duplex) 全双工通信(Full Duplex),4.1 数据链路控制的基本概念,2019/11/7,在链路中，所连接的节点称为“站” 。
3、 发送命令或信息的站称为“主站”，在通信过程中一般起控制作用；接收数据或命令并做出响应的站称为“从站”，在通信过程中处于受控地位。 同时具有主站和从站功能的，能够发出命令和响应信息的站称为复合站。,4.1 数据链路控制的基本概念,2019/11/7,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。,4.1 数据链路控制的基本概念,2019/11/7,DTE,DTE,DTE,DTE,DTE,DTE,DTE,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。,4.1 数据链路控制的基本概念,2
4、019/11/7,数据链路层的目标：在数据链路上提供可靠的信息传输 数据链路层的功能：,链路管理 帧同步（帧定界） 流量控制 数据和控制信息的识别,差错控制 透明传输 寻址,4.1 数据链路控制的基本概念,2019/11/7,数据链路层的协议数据服务单元PDU，即传输和处理的数据单位：帧。 物理层的任务是实现比特流的传送，但不能保证没有错误，需要数据链路层进行差错检测和纠正。 为了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。,4.1 数据链路控制的基本概念,2019/11/7,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
5、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,4.1 数据链路控制的基本概念,2019/11/7,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来控制发送方发送数据的速率。 一般流量控制是由接收方主动控制实现的。,4.2 数据链路控制技术,2019/11/7,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 停止等待协议（Stop-and-Wait Protocol ） 滑动窗口协议（Slide Window Pr
6、otocol ） （1）连续ARQ协议 （2）选择ARQ协议,流量控制方法,4.2 数据链路控制技术,2019/11/7,1、完全理想化的数据传输 2、最简单流量控制的数据链路层协议 3、实用的停止等待协议 4、连续ARQ协议 5、选择ARQ协议,4.2 数据链路控制技术,2019/11/7,1、完全理想化的数据传输,数据链路层,主 机 A,缓存,主 机 B,数据链路,AP2,AP1,缓存,发送方,接收方,帧,高层,帧,4.2 数据链路控制技术,2019/11/7,完全理想化的数据传输所基于的两个假定: 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
7、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。,1、完全理想化的数据传输,4.2 数据链路控制技术,2019/11/7,流量控制的目的： 现代数据通信的交换方式，采用了存储转发的分组交换技术，当接收方的处理能力小于发送方的发送量时，必须采用流量控制。,处理单元,没有缓冲空间了！ 后面分组丢弃,2、最简单流量控制的数据链路层协议,2019/11/7,保留上述的第一个假定，即主机A向主机B传输数据的信道仍然是无差错的理想信道。但现在不能保证接收端向主机交付数据的速率永远不低于发送端发送数据的速率，需要流量控制。 由收方控制发方的数据流，是计算机网络中流量控制的一个基本方法。,2、最简
8、单流量控制的数据链路层协议,2019/11/7,(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) 若收到由接收结点发过来的确认应答 信息，则从主机取一个新的数据帧， 然后转到(2)。,2、最简单流量控制的数据链路层协议,在发送结点,2019/11/7,(1) 等待； (2) 若收到由发送结点发过来的数据帧， 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) 向发送结点发送一个确认信息，表示 数据帧已经上交给主机； (5) 转到(1)。,2、最简单流量控制的数据链路层协议,在接
9、收结点,2019/11/7,2、最简单流量控制的数据链路层协议,两种情况的对比（传输均无差错）,A,B,DATA,DATA,DATA,DATA,送主机 B,送主机 B,送主机 B,送主机 B,A,B,DATA,送主机 B,DATA,送主机 B,时 间,不需要流量控制,需要流量控制,2019/11/7,在实际的数据传输过程中，由于传输信道特性的不理想和外界干扰的存在，出现传输差错是不可避免的。 传输差错导致接收的数据帧错误，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或应答帧丢失，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,2019/11/7,3、实用的停
10、止等待协议,时 间,A,B,送 主 机,ACK,送 主 机,ACK,(a) 正常情况,A,B,DATA0,送 主 机,ACK,(c) 数据帧丢失,重 传,丢 失 ！,A,B,送 主 机,ACK,丢 弃,ACK,(d) 确认帧丢失,重 传,丢 失 ！,A,B,NAK,送 主 机,ACK,(b) 数据帧出错,重 传,2019/11/7,结点A发送完一个数据帧时，就启动一个超时计时器。此计时器又称为定时器。 若到了超时计时器所设置的重传时间 tout而仍收不到结点 B 的任何确认帧，则结点 A 就重传前面所发送的这一数据帧。 一般可将重传时间选为略大于“从发完数据帧到收到确认帧所需的平均时间”。 重
11、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,2019/11/7,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,2019/11/7,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
12、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。,3、实用的停止等待协议,帧的编号问题,2019/11/7,一个比特可表示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,帧的发送序号,2019/11/7,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”。 由于电磁波传输速率的存在，帧
13、在信道中的传送，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,2019/11/7,3、实用的停止等待协议性能分析,2019/11/7,t P = t2 t0 = t3 t1 = L / v 传播时延 t F = t1 t0 = t3 - t2 = F / C 发送时延 t A = t5 t4 = A / C 应答帧发送时延 t proc= t4 - t3 处理时延 L 节点A 与 B 之间的距离 v 信号传播速率 （3 108 m / s） F 数据帧长度 = H + D （帧头数据） A 应答
14、帧长度 C 数据发送速率 bits/s,3、实用的停止等待协议性能分析,2019/11/7,正常情况信道利用率 U = t D / (tF + tA + 2tP + 2tproc) t D = D/C ，t F = F/C， t A = A/C U = D /（FA2C（ tP + tproc ） 不考虑处理时延和传播时延，及应答帧的开销，则U仅与帧结构相关； 当传播时延较大时，信道利用率很低。,3、实用的停止等待协议性能分析,2019/11/7,非正常情况 忽略应答时延和处理时延，则重传时间为 tout = 2tP 则成功发送一帧的间隔为 tT = tF + 2tP 考虑传输可能出现差错的情
15、况，则正确传送一个数据帧的平均时间为 tav = tT（1 1个帧的平均传送次数）,3、实用的停止等待协议性能分析,2019/11/7,非正常情况 设数据帧出错的概率为p，则 tav = tT(1p) ipi tT = tT (1p) 设每帧平均重发次数为 R = p/(1p) 发送一个帧所需要的信道容量为 Q0R（FCT）（FA2CI）,3、实用的停止等待协议性能分析,2019/11/7,有传输差错影响时，信道利用率为 D U0 = R（F+CT）+（ F + A+2CI ） 简化分析，得 以上公式说明，信道利用率与控制信息长度、信道误码率、控制开销有关。,3、实用的停止等待协议性能分析,2019/11/7,优点：比较简单 。 缺点：通信信道的利用率不高，信道还远远没有被所传输的数据比特填满。 虽然物理层在传输比特时会出现差错，但由于数据链路层的停止等待协议采用了有效的检错重传机制，数据链路层对上面的网络层可以提供可靠传输服务。,停止等待协议的优缺点,3、实用的停止等待协议,2019/11/7,为了克服停止等待协议信道利用率低的问题，可以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
