ch3_数据链路层

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1、课件制作人：谢希仁,计算机网络,第 3 章 数据链路层,3.1 数据链路层的基本概念,链路(link) 是一条无源的点到点的物理线路段，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。,数据链路层像个数字管道,常常在两个对等的数据链路层之间画出一个数字管道，而在这条数字管道上传输的数据单位是帧。早期的数据通信协议曾叫作通信规程(procedure)。因此在数据链路层，规程和协议是同义语。,数据链路层的主要功能,(1) 链路管理 (2

2、) 帧定界 (3) 流量控制 (4) 差错控制 (5) HDLC (6) PPP,3.0 链路管理,（1）工作站类型 主站(Primary Station)：负责链路控制，包括对次站的控制、恢复链路差错，它发出的帧为命令帧。 次站(Secondary Station)：受主站控制的站，它完成主站所命令的工作，返回响应帧。 复合站(Combined Station)：既有主站功能，又有次站功能。可发出命令帧和响应帧。 （2）链路结构 非平衡式结构(Unbalanced)：由一个主站和一个或多个次站组成，点对点或多点通信。 平衡式结构(Balanced)：由二个复合站组成。,链路结构,非平衡式链路

3、结构 平衡式链路结构,数据操作方式,正常响应方式(NRM-Normal Response Mode) 非平衡式链路结构(点-点、点-多点)； 传输过程由主站启动，并向次站发命令，主站轮询、选择次站，主站并负责链路管理及对超时重发和各类恢复操作的控制。 异步平衡方式(ABM-Asychronous Balanced Mode) 平衡式链路结构(全双工点-点)，每个站都是复合站； 每一个复合站都可以发出命令帧和响应帧，对另一站传输数据。 异步响应方式(ARM-Asychronous Response Mode) 非平衡式链路结构； 主站起控制作用；次站无主站允许，即可主动向主站发送数据；,3.1

4、帧定界,把数据分割、封装成帧关键问题：接收者如何从位流中区分出帧的边界(幀同步)，即帧的开始和结束. 幀同步方法：1. 字节计数法 2. 使用字符填充的首尾定界符法 3. 使用比特填充的首尾标志法 4. 编码违例法,1、字节计数法,方法： 每帧以帧同步标志字节开始，后面紧跟幀长计数器； 接收方收到幀，知道幀的长度，每接收一个数据字节，计数减1，直到为0，便是幀尾，幀后跟校验信息。 缺点： 如果帧的长度域出错，则同步信息完全丢失，必须重新开始建立同步。,2、使用字符填充的首尾定界符法,方法： 面向字符的通信协议，以特定的ASCII字符序列表示帧首、帧尾及控制字段； 帧文本以STX 开始，ETX

5、结束。缺点： 兼容性差（依赖于特定的字符集，如ASCII）； 幀长位数需为8的整数倍，不能传输任意长位数； 若不用“DLE插入删除技术”时，数据传输会不透明。,问题：当数据中恰好出现 STX 或 ETX 时，帧的边界会被误识别。措施： 控制字符如STX、ETX前面加入DLE； 发送时对数据中的 DLE，在其前面再插入一个DLE。,数据传输的透明性,3、使用比特填充的首尾标志法,方法： 以特殊的比特组合（如 01111110 同步序列）标志帧的开始和结束 位填充易于用硬件实现， 如 ISO 的HDLC（高级数据链路规程） 优点： 面向位的通信协议，可传送任意位长度，通用性强,如何解决此时数据传输

6、的透明性？,为防止幀中其它地方出现与幀标志相同的比特模式，发送方边发送边检查数据，每连续发送 5 个“1”后，即在后面自动插入一个“0”（叫“0”比特插入删除技术） 接收方在收到 5 个连续的“1”后，将后面紧跟的 1 个“0”删去，恢复原来的数据。例： 0110111111100011111010插入后： 011011111011000111110010恢复： 0110111111100011111010,4、编码违例法,采用违反编码规律的策略来标志帧的边界。优点：无须填充。如 Manchester 编码中 表示 0，表示1；而 、 则是违法编码。,实例 802.5令牌环的幀采用了差分Man

7、chester编码，其幀头幀尾的定界符SD、ED即使用编码违例法。,3.3 差错控制,目的： 保证所有的幀按顺序、正确送到目的主机解决： 1. 如何检测出错2. 如何纠正错误,噪声来源,传输过程中的噪声 (1) 热噪声：又称白噪声，由电子的热运动产生； (2) 交叉调制噪声：不同频率的二个信号伴生出频率和、差及整倍频率的信号，干扰正常信号； (3) 串扰：由附近线路上的信号电耦合形成； (4) 脉冲干扰：外来的幅度大而持续时间短的干扰。 脉冲干扰是数字数据通信造成错误的主要干扰源,差错分类,单个错 由随机的信道热噪声引起，一次只影响一位。差错是孤立的，错误之间没有关联。突发错 由瞬间的脉冲噪声

8、引起，如雷电、马达启动等，会持续一段短的时间，由于线路上数据速率高，影响面较大，一般会影响连续的许多位。 突发长度：突发错所影响的最大连续数据比特数,差错编码,附加监督位：在数据块中加入一些冗余信息，使数据块中的各个比特建立起某种形式的关联，接收端通过验证这种关联关系是否存在，来判断数据在传输过程中有没有出错。差错编码：在数据块中加入冗余信息的过程。,术 语*,海明距离：两个码字的对应比特取值不同的比特数例 1000100110110001一个码字必须错3位才能变成另一码字 编码集的海明距离：一个有效编码集中，任意两个码字的海明距离的最小值。,关于检错的重要结论*,如果要能检测出 d 个位差错

9、，则编码集的海明距离至少应为 d 1证 结论中的编码集海明距离为 d 1，即：若编码集中一个有效码字变成另一个有效码字，须至少要错 d 1 比特. 不可能以d个位差错把有效码字变成另一个有效码字.如果出错比特数 d，编码集中的一个有效码字只能变成无效码字，从而能被检测出来.,纠错码如何工作？*,设编码集 000000, 000111, 111000, 111111 海明距离 3如接收端收到码字 010111，为无效码字， 有错问题：由哪一个有效码字出错而来的？000000 010111000111 010111 由其错来的概率最大!111000 010111111111 010111 接收端将

10、其恢复为000111(纠错将无效码字恢复成距离它最近的有效码字，但这种方法并不是100正确),关于纠错的重要结论*,如果要能纠正 d 个位差错，则编码集的海明距离至少应为 2d 1证 海明距离为2d1编码集中的有效码字相距远， 某有效码字尽管有d位发生了变化，但变化后的码字与原有效码字的距离仍然比其与任何别的有效码字更靠近， 距离最近的有效码字能被唯一地确定. 只要纠正该d位错，使其恢复为那个距离最近的有效码字即可.,推 论*,检/纠错码的检/纠错能力与编码集的海明距离有关海明距离 检/纠错能力 所需冗余信息 编码效率 要检测/纠正同样比特数的错误，纠错码比检错码要求更大的海明距离大多数场合，

11、使用检错码，检出错误,反馈给发送方,要求重发 在一些单工信道，由于没有反向反馈信道，可以使用纠错码,1、 奇偶校验码,原理： 先将要发送的数据块分组，且在每一组的数据码元后面附加一个冗余位，使得该组连冗余位在内的码字中“1”的个数为偶数（偶校验）或奇数（奇校验）。 在接收端按同样的规则检查，如发现不符，就说明传输有误。 分类： 垂直奇偶校验码 水平奇偶校验码 水平垂直奇偶校验码,垂直奇偶校验码,设一个字符对应的ASCII码为C7C6C5C4C3C2C1，校验位为C8 在下面的例子中，假定采用偶校验。（按列的次序发送）,检错能力：可检出某列(一字符)的所有奇数个错,即检出率仅50%,水平奇偶校验

12、码,发送时按列的次序进行，因此能发现长度n（每列长度）的单个突发错。,水平垂直奇偶校验码,检错能力： 可检出某行、某列的所有奇数个错； 能发现大部分偶数个错； 可以纠正不能同时满足行、列校验关系的一位错； 不能检出某些互相补偿的偶数个错；,2、 校验和（CheckSum）,原理 发送：如以16位字为单位进行累加，再将最后累加和取“1补码”(即反码)，得该字符串的校验和， 将校验和与数据一起发送。 接收：当接收者收到该数据块后，同样以16位字为单位对各数据及校验和进行累加，若最后结果为全1，则正确，否则出错。 可靠性： 能够检测出绝大多数奇数个和偶数个数据位的变化。 除非，一个16位字中的0变成

13、1，而另一个16位字中的相同位置由1变成0。,Checksum Model,3、 循环冗余检验码CRC,Cyclic Redundancy Check 原理：设定一个除数d。 发送：将数据用除数d来相除，产生的余数作为CRC码，附加在数据后发送。 接收：将收到的数据和CRC码用d来相除，若余数为0，则正确，否则出错。 模2运算特点：模2除: 被除数高位为1即可相除,商为1 模2加、模2减：等于按位加(异或)运算,CRC model,冗余码的计算举例,设 n = 5, P = 110101，模 2 运算的结果是：商 Q = 1101010110，余数R = 01110。 将余数 R 作为冗余码添

14、加在数据 M 的后面发送出去，即发送的数据是101000110101110，或 2nM + R。,1101010110 Q 商除数 P 110101 101000110100000 2nM 被除数110101111011 11010111101011010111111011010110110011010111001011010101110 R 余数,循环冗余检验的计算,CRC生成多项式,多项式表达：除数可以用多项式来表达。 如多项式：x7+x5+x2+x+1=1*x7+0* x6+1*x5+0*x4+0*x3+1*x2+1*x+1* x0 即对应于除数 1 0 1 0 0 1 1 1 一些生成

15、多项式G(X)的国际标准： CRC-12 ：x12+x11+x3+x2 +x+1 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,CRC 码的检错率,检错率： 可检测出几乎所有错误，当出现差错的码多项式仍能被 G(X) 整除时，错误就检测不出来,发生这种情况的概率是非常小的。一般除数采用13，17和33位。 用16比特生成多项式CRC16或CRCCCITT时，可检测出： 所有的单个错 所有的两个错 所有的奇数个错 所有突发长度 16 的突发错 17 比特突发错的 99.997%(漏检率1/215) 18 比特或更长突发错的 99.998% (漏检率1/216),4、海明码（Hamming）*,原理-单位纠错 在 k 比特信息上附加 r 比特冗余信息（即校验比特），构成 n=k+r 比特的码字，且满足条件：2rn+1,即 2rk+r+1； 每个校验比特和某几个特定的信息比特构成偶校验的关系，接收端对这 r 个奇偶关系进行校验：每个关系中的各比特求和(异或)，得校正因子； r个校正因子都应为0，若不全为0，则根据校正因子的不同取值，可以知道错误发生在码字的哪一个位置上。,