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1、第3章 数据链路层本章要点：n数据链路层设计问题n数据链路层控制规程n数据链路层协议nInternet数据链路层第3章 数据链路层3.1 数据链路层设计问题 数据链路：实现通信规程的硬件和软件加到物 理链路上所构成的线路n类似于数字管道n当采用多路复用技术时，一条物理链路上可 以有多条数据链路n亦称逻辑链路 一、目的把不可靠的传输线变为可靠的传输线二、数据链路层功能1. 成帧（帧同步） 字符计数法 字符界定法 位串界定法 物理编码违例法 帧长度：LdoptSQRT（Lh/pb)-Lh例： Lh=48b, pb=4*10-5, Ldopt1000b 2. 流量控制限制发送方的数据流量，使其发送的
2、速率不 要超过接收方的处理速度。3. 差错控制错误类型位错 帧错：丢失、重复、顺序错 控制方法CRC检错，ARQ纠错 4. 链路管理建立、维持、释放数据链路（连接）3.2 基本链路控制规程同时实现流量控制和差错控制一、停等协议 发送一帧后等待应答，根据应答确定发新帧 或重传。停止等待协议时 间ABDATA0送 主 机ACKDATA1送 主 机ACK(a) 正常情况ABDATA0DATA0送 主 机ACK(c) 数据帧丢失重 传tout丢 失！ABDATA0送 主 机ACKDATA0丢 弃ACK(d) 确认帧丢失重 传tout丢 失！ABDATA0NAKDATA0送 主 机ACK(b) 数据帧出
3、错重 传出错四种情况停止等待协议的算法n不使用否认帧，且确认帧带有序号 nn按惯例，ACKn 表示“第 n 1 号帧已经 收到，现在期望接收第 n 号帧”。nACK1 表示“0 号帧已收到，现在期望接收 的下一帧是 1 号帧”；nACK0 表示“1 号帧已收到，现在期望接收 的下一帧是 0 号帧”。 在发送节点 (1) 从主机取一个数据帧，送交发送缓存。 (2) V(S)0。 (3) N(S)V(S)。 (4) 将发送缓存中的数据帧发送出去。 (5) 设置超时计时器。 (6) 等待。 等待以下(7)和(8)这两个事件中最先出现的一个 (7) 收到确认帧 ACKn， 若 n = 1 V(s)，则
4、：从主机取一个新的数据帧，放入发送缓存；V(S)1 V(S)，转到 (3)。 否则，丢弃这个确认帧，转到(6)。 (8) 若超时计时器时间到，则转到(4)。在接收节点 (1) V(R)0。 (2) 等待。 (3) 收到一个数据帧；若 N(S) = V(R)，则执行(4)；否则丢弃此数据帧，然后转到(6)。 (4) 将收到的数据帧中的数据部分送交上层软件（也就是数据链路层模型中的主机）。 (5) V(R)1 V(R)。 (6) nV(R)；发送确认帧 ACKn，转到(2)。 停止等待协议中时间关系 ABDATADATAACK传播时延 tp处理时间 tpr 确认帧发送时间 ta 传播时延 tp 处
5、理时间 tprtT时间两个成功发送的 数据帧之间的 最小时间间隔数据帧的 发送时间tf设置的 重传时间tout重传时间 n重传时间：数据帧发送完毕后若经过了这样长的时 间还没有收到确认帧，就重传这个数据帧。 n重传时间为tout = tp + tpr+ ta + tp + tpr n假定处理时间 tpr 和确认帧的发送时间 ta 都远小于传播时延 tp，因此可将重传时间取为两倍的传播时延，即tout = 2tp n两个发送成功的数据帧之间的最小时间间隔是tT = tf + tout = tf + 2tp 3.2 基本链路控制规程优点：简单 缺点：效率低 例：50Kbps，帧长1000b，卫星信
6、道单程延迟 0.25s，信道有效利用率4%连续 ARQ 协议n在发送完一个数据帧后，不是停下来等待确 认帧，而是可以连续再发送若干个数据帧。n接收端每次接收一个帧，且按顺序接收，收 到正确帧后发送确认应答。n如果这时收到了接收端发来的确认帧，那么 还可以接着发送数据帧。连续 ARQ 协议的工作原理 DATA0DATA1DATA2DATA3DATA4DATA5重传 DATA2重传 DATA3ACK1ACK2ACK1 确认 DATA0ACK2 确认 DATA1 DATA2 出错，丢弃DATA3 不按序，丢弃，重传 ACK2DATA4 不按序，丢弃，重传 ACK2DATA5 不按序，丢弃，重传 AC
7、K2ACK3ACK3 确认 DATA2ACK4 确认 DATA3ACK4重传 DATA5重传 DATA4超 时 重 传 时 间ABtout送交主机送交主机?ACK2ACK2ACK2连续ARQ： (1) 接收端只按序接收数据帧。受到错帧后丢弃，重复 发送已发送过的最后一个确认帧（防止确认帧丢失 ）。 (2) 发送节点 在每发送完一个数据帧时都要设置该帧的 超时计时器。如果收到确认帧，就将计时器清零。 若超时而未收到确认帧，就重传相应的数据帧及其 后续帧。二、滑动窗口协议n滑动窗口的含义n发送方在收到确认之前不能无限制地发送。n每个帧需要一个编号（存入帧中一起传送） 发送窗口在收到应答前允许发送的
8、帧的 编号接收窗口当前允许接收的帧的编号n全双工： 控制帧和数据帧一样单独传送 应答帧可以放在反向数据帧中传送 捎带应答/背回应答01234567012发送窗口 WT不允许发送这些帧允许发送 5 个帧(a)01234567012不允许发送这些帧还允许发送 4 个帧WT已发送(b)01234567012不允许发送这些帧WT已发送(c)01234567012不允许发送这些帧还允许发送3 个帧WT已发送 已发送 并已收到确认(d)2.一位滑动窗口发送窗口、接收窗口大小都为1 3. 全部重传（返回W）协议 发送方：一次发送W帧，等待应答，若收到 ACK，则窗口推进W，继续发送W个新帧，否 则重新发送窗
9、口中的W帧。 接收方：对收到的帧进行检错、排序，在规定 时间内若收到W个正确帧，发ACK，否则发 NAK。 接收窗口：1或W4. 选择重传发、收窗口为W 发送方：一次发送W帧，等待应答。对NAK帧 重传，待W个帧都收到ACK后，窗口推进W。 接收方：对收到的帧进行检错、排序，对每个 帧给出应答。5. 部分重传发送窗口为W，接收窗口为1 发送方：连续发送W帧后等待应答，当收到第 一个NAK(i)时，窗口推进到i，发送W帧。 接收方：按序接收，逐帧应答。滑动窗口的重要特性n只有在接收窗口向前滑动时，发送窗口 才有可能向前滑动n当发送窗口和接收窗口的大小都等于 1 时，就是停止等待协议3.3 数据链
10、路层协议一、字符界定型（BSC/BISYNC） 二、字符计数型（ DDCMP ） 三、位串界定型 (IBM:SDLC-ISO:HDLC-CCITT:LAP-ISO:LAPB)nHDLC的链路结构 站类型n主站：发出命令n从站（次站）：响应主站命令，配合主站管 理链路n复合站：兼具主站和从站的功能链路结构n非平衡式：主站控制一个或多个从站平衡式链路两端都是复合站 数据传送方式n正常响应模式（NRM）：适于非平衡链路， 主站向从站传输数据，从站进行响应、传输 n异步响应模式（ARM）：适于非平衡链路， 从站在没有接到主站的允许下就可以发送响 应帧进行传输 n异步平衡模式（ABM）：适于平衡链路，每
11、 一个复合站都可以平等地发起数据传输，而 不需要得到对方的允许2. HDLC的帧结构 帧组成各字段含义 A：从站（非平衡链路）或应答站（平衡链路 ）的地址。全1:广播，全0:禁用。第1位为0时表示后8 位为扩展地址（可连续扩展） 比特888可变168信息I标志F标志F地址 A控制C帧检验序列FCS透明传输区间FCS 检验区间字段含义I： 信息（用户数据） FCS：采用CCITTCRC16生成的校验和 C：控制字段C:控制字段I帧：传输数据 S帧：传输命令和响应帧 U帧：附加的链路控制命令和响应功能 nN(S)当前发送帧的序号nN(R)期望接收到的帧的序号，表示前面的 帧已正确收到nP/F(Po
12、ll/Final)询问/最后帧标志。如果主站 作了询问(P=1)，从站作应答(F=0/1) P=1-F=1; P=1-F=0,F=0,F=1S：监督帧类型，共四种MM：定义32种工作模式目前只定义了15种 3.4 Internet的数据链路层nInternet的数据链路层的连接方式广泛使用点到点方式连接n用于连接LANn用于将众多单机通过MODEM连入InternetnInternet数据链路层协议 SLIP (Serial Line IP)n帧结构:IP包的头尾加上字节0xC0。IP包中的 0xC0换成两个字节0xDB、0xDC。SLIP缺点无差错检测功能 只支持IP协议 必须预先知道对方的
13、IP地址 无身份验证功能 PPP (Point-to-Point Protocol) 【用户拨号入网的示意图 】路由器调制解调器调制解调器因特网服务提供者(ISP)用户家庭拨号电话线使用 TCP/IP 的PPP 连接使用 TCP/IP 的客户进程路由选择进程至 因 特 网PC 机 PPP (Point-to-Point Protocol)组成 基于HDLC 链路控制协议(LCP, Link Control Protocol) 用来建立、配置和测试数据链路。 网络控制协议(NCP, Network Control Protocol) 每个不同的网络层协议要用一个相 应的NCP来配置，为其建立和配
14、置逻辑连接 。在单个PPP链路上，可以支持同时运行多 种网络协议，即有多个NCP数据流。帧格式：是HDLC的特例n采用U帧。无线网络允许使用编号帧n缺省数据长度1500Bn协议字段：n为 0x0021，信息字段就是IP 数据报n为 0xC021, 信息字段是 PPP 链路控制数据n为 0x8021，信息字段是网络控制数据IP 数据报1211字节12不超过 1500 字节 PPP 帧先发送7EFF03FACFCSF7E协议信 息 部 分首部尾部透明性处理n填充 n面向字符的协议，不能采用位填充，而采用字符 填充n0x7E 0x7D,0x5E；0x7D0x7D,0x5D;小于 0x20的字符前加上
15、0x7Dn工作过程 用户拨号接入ISP，ISP的MODEM响应，建立 物理连接 用户机用PPP帧向ISP的路由器发一系列LCP 包，确定PPP参数（数据长度、有无A、C字 段等） NCP为新接入的用户机分配一个临时IP地址PPP工作过程（续）用户机成为Internet上的主机，开始通信。 用户通信完毕，NCP释放网络连接，收回IP 地址 LCP释放数据链路连接 释放物理连接PPP 协议的状态图 建立失败失败NCP 配置鉴别成功通信 结束载波 停止检测到载波双方协商 一些选项鉴别网络打开终止静止非可靠传输：不使用序号和确认 n出现差错的概率不大nPPP 的信息字段放入的数据是 IP 数据报。 数据链路层的可靠传输并不能够保证网络层 的传输也是可靠的n帧检验序列 FCS 字段可保证无差错接受 n习题5，6，7，8，9，12，15，20，22
