ch3--数据链路层_V06-OK课件

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1、第3章 数据链路层,本章基本内容：,3.1 使用点对点信道的数据链路层 3.2 数据链路层协议 3.3 点对点协议 PPP 3.4 使用广播信道的数据链路层 3.5 使用广播信道的以太网 3.6 扩展的以太网 3.7 高速以太网,基本要求： 掌握帧同步的方法； 掌握差错控制技术（原理、CRC编码等）； 掌握数据链路层基本协议（停等协议、连续ARQ协议，选择重传协议）； 掌握流量控制方法（滑动窗口机制）； 掌握以太网的工作原理、CSMA/CD、MAC子层和MAC地址等概念和技术； 充分了解PPP协议； 充分了解网络扩展技术（扩展或互连设备、VLAN、冲突域等） 了解高速局域网技术； 了解信道共享

2、技术。,数据链路层使用的信道主要有： 点对点信道 使用一对一的点对点通信方式。 广播信道 使用一对多的广播通信方式。 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送。,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,观察主机 H1 向 H2 发送数据的情况,从层次上来看数据的流动,数据需要在路径中的各结点的协议栈向上和向下流动,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,R1,R2,

3、R3,H1,H2,仅从数据链路层观察帧的流动,本节基本内容： 链路和数据链路的概念、特点和区别； 帧和数据帧的传输 帧同步的方法（透明传输） 差错控制（CRC检错原理和计算方法）,参看教材 3.1,3.1 使用点对点信道的数据链路层,3.1 使用点对点信道的数据链路层,3.1.1 数据链路和帧 链路(link)是一条无源的点到点的物理线段，中间没有任何其他的交换结点。 一条链路只是一条通路的一个组成部分。 数据链路(data link) 除了物理线路外，还必须有通信协议来控制这些数据的传输。若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路（逻辑的）。 常用网卡来实现这些协议的硬件和软件

4、。一般的网卡都包括了数据链路层和物理层这两层的功能。,数据链路层的传送单位: 帧(Frame),主要步骤： 结点A的数据链路层将网络层交下来的IP数据报分别加首部和尾部封装成帧； 结点A将帧送给结点B； 若结点B的数据链路层收的帧无差错，则从帧中提取IP数据报上交网络层；否 则丢弃该帧,数据传送过程,3.1.2 要解决的基本问题,包括: 封装成帧 帧同步（透明传输） 差错控制 流量控制 链路管理,1. 封装成帧,封装成帧(framing)：在一段数据的前后分别添加首部和尾部， 然后就构成了一个帧。目的是确定帧的界限。,帧长=数据长度首部和尾部长度； 首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界； 首

5、部和尾部还包含控制信息； 链路层协议要规定帧的数据部分的长度上限最大传送单元MTU,用控制字符进行帧定界的方法举例,SOH,装在帧中的数据部分,帧,帧开始符,帧结束符,发送在前,EOT,2.帧同步 帧同步方法: （1）字节计数法(字符计数法) 原理：用一特殊的字符表示一帧的开始，用一个字段标明本帧 内字节数。 面向字节计数的同步规程使用此方法，典型代表是DEC公司的 数字数据通信报文DDCMP，其格式为： 缺点：计数字段一旦出错，将无法再同步,（2）使用字符（字节）填充的首尾定界符法 原理：以特定的字符序列定界一帧的开始和结束。为防止数据 中的特殊字符被误判，在其前面填充转义字符（ESC）。

6、面向字符填充的同步规程使用此方法，例如ISO1745、BSC。 缺点：依赖于字符集，不通用，也无法扩展,透明传输,传输的数据中任何8比特组合不允许和用作帧同步的控制字符的比特编码一样，否则会定界错误。,帧中数据是文本文件，不会出现。帧中数据是非ASCII码的文件时，可能出现。,解决透明传输问题,发送端的处理方法： 发送的数据中出现 “SOH”或“EOT”时，前面插入一个转义字符“ESC”。 若转义字符“ESC”也出现数据当中，则在转义字符前面插入一个转义字符。 接收端的处理方法： 接收端的数据链路层在将数据送往网络层之前删除插入的转义字符。 当接收端收到连续的两个转义字符时，就删除其中前面的一

7、个。,SOH,SOH,EOT,SOH,ESC,ESC,EOT,ESC,SOH,ESC,ESC,ESC,SOH,原始数据,EOT,EOT,经过字节填充后发送的数据,字节填充,字节填充,字节填充,字节填充,发送 在前,帧开始符,帧结束符,解决透明传输的问题举例,SOH,发送端装配数据时的情形,（3）使用比特填充的首尾标记方法 原理 ：以特定的比特模式（01111110）定界一帧的开始和结束。为防止数据中出现同样的比特而发生误判，使用比特填充，即数据中出现连续5个或5个以上的“1”，则在第5个“1”的后面添加一个“0”。,比特填充演示,（4）物理层编码违例法 当物理层采用特定的比特编码是可使用此方法

8、。例如曼彻斯特编码中。 优点：无需填充,(1) 传输差错的特性 噪声种类及影响 差错是由噪声引起的。噪声分热噪声和冲击噪声。 热噪声：是信道固有的持续存在的随机噪声。由此引起的 差错称为随机错。 冲击噪声：由于外界特定的短暂原因引起。其幅度可以相当 大，不可能靠提高信号幅度来避免其造成的差错。 冲击噪声造成的传输差错是主要的。 突发错误:由冲击噪声引起的差错呈突发状，称为突发错误 突发长度:从突发错误发生的第一个码元到有错的最后一个 码元间所有码元的个数。,3. 差错控制,（2）差错控制的方法 差错控制编码分为:检错码和纠错码 检错码: 能够自动发现错误的编码。 纠错码: 不仅能检测出差错而且

9、能自动纠正错误的编码 进行差错控制的方式分为： 自动请求重传（ARQAutomatic Request for Repeat) 前向纠错(FECForward Error Correction),（3）编码效率R 码字中信息位所占的比例称为编码效率。 设码字中信息位有 k 位,冗余位为 r 位, 则码字长为 n = k+r 位。编码效率 R 为: R= = 显然,R越大,即编码效率越高,则信道中用来传 送信息码元的有效利用率就越高。,（4）循环冗余码(CRC-Cyclic Redundancy Code) CRC是检错码，又称多项式码。因为二进制代码可以和 一个只含有0和1两个系数的多项式建立

10、一一对应关系。 例如：代码：1011011 多项式：X6+X4+X3+X+1 CRC校验的原理 假设:k位要发送的信息位 (k-1)次多项式K(x) r位冗余位(CRC码) (R-1)次多项式R(x) k位信息位 + r位冗余位组成的n=k+r位码字 (n-1)次多项式 T(x)=xrK(x)+R(x) 生成多项式为G(x),CRC码校验过程 发送端: 生成冗余位 xrK(x)/G(x)余式R(X) G(x)去除xrK(x)得到余式R(X)，对应的代码为冗余位 装配成传送码字,并送入信道； 信息位 + 冗余位 = 传送码字，即 T(x)=xrK(x)+R(x),接收端: 用生成多项式G(x)去

11、除接收到的码字多项式T (x),若余式不为零,则传输有错;若余式为零,则可认为传送无差错 注意：所有运算均是模2运算，实际为异或() 运算。,举例 若 信息位:1010001K(x)=x6+x4+1 取 r=4，生成多项式:G(x)=x4+x2+x+1 代码10111 则：x4K(x)=x10+x8+x4 10100010000 用G(x)去除x4K(x)得余式R(x)。 过程如右。 最后的余数1101就是冗余位. 传送码字:10100011101 接收端: 若无差错:10100011101/10111 余数为零 若有差错:10100011011/10111 余数=110零,说明： (1) 标

12、准生成多项式G(x) CRC-16 = X16 + X15 + X2 + 1 CRC-CCITT = X16 + X12 + X5 + 1 CRC-32=X32+X26+X23+X22+X16+X12+X11+X10+X8+X7+X5+X4+X2+X+1 (2) 适当选取G(x)，例如，使其含有(x+1)因子，常数 项不为0等，可以使漏检率极低。 例如：r=16，则能检测出所有双错、奇数位错、突发 长度小于等于16的突发错，99.997%的突发长度为17 的突发错，99.998%突发长度大于等于18的突发错。,（3）帧检验序列 FCS,在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列 FCS (Fram

13、e Check Sequence)。 循环冗余检验 CRC 和帧检验序列 FCS并不等同。 CRC 是一种常用的检错方法，而 FCS 是添加在数据后面的冗余码。 FCS 可以用 CRC 方法得出，也可以用其它方法得出。,本节基本内容及要求： 停止等待协议 连续ARQ协议 选择重传ARQ协议 重点：工作原理、算法 、滑动窗口机制,参看教材 5.4,3.2 数据链路层协议,3.2 数据链路层协议,一、理想模型 1 简化模型 数据链路层以上各层视为主机，物理层和通信线路等效为链路；发方和收方的链路层分别有一个发送缓存和接收缓存。,2 理想化的数据传输模型 假定：(1)链路是可靠的； (2)不管发方以

14、多快的速率发送数据，收方总来得及接 收，并及时上交主机。 在此理想化条件下，数据链路层 不需要任何协议，就能保证数据 正确传输。如图a。,3 具有最简单流量控制的数据链路层协议 取消假定2，为使接收缓存在任何情况下都不会溢出，需要简 单的流量控制。如图b。 由接收方控制发送方的数据流量， 是计算机网络中流量控制的一个 基本方法。,二、实用的停等协议(Stop-and-Wait) 1.协议规定 发送方每发送一帧后,停下来等待接收方送回已正确接收的确认 后,再继续发送下一帧。 正常情况，图(a)。 对有噪声信道，接收数据 可能出错。 解决办法：出错重传。图(b)。 停等协议工作情况,送,送,Dat

15、a 0,Data 1,Data 0,Data 0,3.2 数据链路层协议（续）,带来的问题： 1）死锁 解决：超时定时器 2）重复帧 解决：给帧编号 停等协议工作情况,2.协议分析 停等协议的缺点:造成信道资源浪费(有效利用率低) 分析: 设:信道传输率为B(bps), 帧长度为L(bits), 信号的往返传播延迟时间为2R, ACK帧很短,不占用信道时间 则,信道的实际有效利用率U U = =,结论： 对传播延迟时间长的高速信道则很不利。即：对传播延迟大,而数据传送率高的信道,用停等协议不适用。 例如：某卫星信道容量B=50kbps，传播延迟2R=0.5S，设 L = 1kbit 则 U=1

16、000/(1000+25000)4% 可见实际有效利用率太低了。,三、连续ARQ协议 引子： 某卫星信道容量B=50kbps，传播延迟2R=0.5S，设L = 1kbit 发送时延：1kbit/50kbps=0.02s 而等待时间 2R=0.5s中可发送 0.5/0.02=25 提供一个思路：不等确认，连续发送若干帧,3.2 数据链路层协议（续）,1、工作原理: 连续ARQ协议的要点:发送完一个数据帧后,不等确认帧,而是再 发送若干数据帧。若此时收到了接收端发来的确认,则还可以继续 再发。由于减少了等待时间，整个通信的吞吐量就提高了。, 连续ARQ的问题 当未被确认的数据帧的数目太多时，只要有一帧出了差错，就有很多的帧需要重传，这必然浪费很多时间。 故:连续ARQ又称为：Go-Back-N ARQ(回