《数据通信与计算机网络（第二版）-课件及习题答案-季福坤 第4章 数据链路层》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数据通信与计算机网络（第二版）-课件及习题答案-季福坤 第4章 数据链路层（45页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第4章 数据链路层,4.1 数据链路层概述 4.2 停止等待协议 4.3 连续ARQ协议 4.4 流量控制 4.5 面向比特的链路控制规程HDLC 4.6 Internet的链路层协议,4.1数据链路层概述,数据链路层是OSI参考模型中的第二层，介于物理层和网络层之间。数据链路层在物理层提供的服务基础上向网络层提供服务。 数据链路层协议使得在不太可靠的物理链路上进行可靠的数据传输成为可能。,4.1数据链路层概述,4.1.1 基本概念 4.1.2 数据链路层的服务及功能,4.1.1 基本概念,1链路与数据链路 2报文、报文段、数据报和帧,1链路与数据链路,图4-1 数据链路与链路,2报文、报文段
2、、数据报和帧,图4-2 实际通信过程及虚拟通信过程,4.1.2 数据链路层的服务及功能,1为网络层提供的服务 无确认的无连接服务 有确认的无连接服务 有确认的面向连接服务,4.1.2 数据链路层的服务及功能,2数据链路层的功能 链路管理 定界与同步 流量控制 差错控制 透明传输 寻址,4.2 停止等待协议,如果通信双方满足以下两种条件，称为理想链路。 链路很可靠，在其上进行通信时数据既不会出错也不会丢失。 发送端不管以多快的速率发送数据，接收端都能及时准确地接收。此时不需要任何链路层协议就可以保证数据传输的正确性。,4.2 停止等待协议,由于网络节点的差异，通信双方的处理器速率、缓存大小、系统
3、等不可能完全一样，发送端与接收端不能保证协调工作。 解决方法：ARQ（Automatic Repeat reQuest）停止等待协议 原理：发送端每发送完一帧就要等待接收端的确认信息。如果出错可由发送端自动重传，因此称为自动请求重传，即ARQ。因为每次只发送一帧，可用1个比特为帧序号编码，来区分重复帧。,4.2 停止等待协议,图4-5 停止等待协议工作原理示意图,4.3 连续ARQ协议,ARQ协议是一个实用的链路层协议。规定每发送完一帧都要等待确认帧，通信双方不需要太多的帧缓存，且算法简单易实现。但信道利用率并不高。 可采用连续自动请求重传方案，即连续ARQ协议。发送端可以连续发送一系列信息帧
4、，即不用等待前一帧被确认便可发送下一帧。这就需要在发送端设置一个较大的缓冲存储空间，用以存放若干待确认的信息帧。当发送端收到对某信息帧的确认帧后便可从帧缓存中将该信息帧删除，并继续发送数据帧。所以，连续ARQ协议使得信道利用率大大提高。,4.3 连续ARQ协议,回退N帧ARQ协议 选择重传ARQ协议,回退N帧ARQ协议,发送端将待发送的帧编好序号。发送完第0号帧后，不是停止等待确认帧，而是继续发送第1号帧、第2号帧等。由于连续发送了很多帧，所以接收端应对确认帧或否认帧编号，以通知发送端是对哪一帧进行的确认或否认。,图4-6 回退N帧ARQ协议工作原理,选择重传ARQ协议,如果链路的质量较差，回
5、退N帧ARQ协议会重传出错帧及以后的所有帧，造成链路带宽的大量浪费。为了进一步提高信道的利用率，出现了选择重传ARQ协议。 选择重传ARQ协议中，发送方只需重传出现差错的数据帧或者超时的数据帧，从而避免不必要的重传。,图4-7 选择重传ARQ协议工作原理,4.4 流量控制,链路层的流量控制是通信双方能协调工作的保障，如果没有合理的流量控制手段，可能会造成数据丢失。常用的流量控制方法有： XON/XOFF方案 窗口机制,XON/XOFF方案,XON/XOFF主要应用于面向字符通信中，使用一对控制字符来实现流量控制。其中XON采用ASCII字符集中的控制字符DC1，XOFF采用ASCII字符集中的
6、控制字符DC3。 当通路上的接收端发生过载时，便向发送端发送一个XOFF字符，发送端接收XOFF字符后便暂停发送数据。等接收端处理完缓冲区中的数据，过载恢复后，再向发送端发送一个XON字符，以通知发送端恢复数据发送。,窗口机制,在ARQ协议中，因为每发送完一帧都要停止等待确认信息，流量控制简单。只要求通信双方拥有一帧的缓存空间，只要超时时限选择合理，不需要额外的流量控制机制。但对于连续ARQ协议就不同了，如果发送端没有收到任何来自接收端的确认信息，发送端是不能无限制地发送数据帧的。 因此需要对连续ARQ协议中连续发送的未被确认的帧数做一定的限制，这就是滑动窗口协议所研究的内容。需要在发送端设置
7、发送窗口，而在接收端设置接收窗口。,窗口机制,（1）发送窗口 目的：用来对发送方进行流量控制。 发送窗口WT：其大小代表在发送方还没有收到对方确认信息的情况下最多可以连续发送的数据帧数。 （2）接收窗口 目的：用来控制接收方应该接收哪些帧。 接收窗口WR：只有当收到的数据帧的发送序号落入接收窗口内才允许将该数据帧收下，否则丢弃。,窗口机制,图4-8 利用窗口机制 进行流量控制,窗口机制,发送窗口和接收窗口的关系： 对于3种不同的ARQ协议的窗口大小的设置是不同的。ARQ协议（停止等待）：发送窗口=1，接收窗口=1。连续ARQ协议（后退N步法）：发送窗口1，接收窗口=1。选择重传ARQ：发送窗口
8、1，接收窗口1。,4.5 面向比特的链路控制规程HDLC,4.5.1 HDLC概述 4.5.2 HDLC的帧结构 4.5.3 HDLC的通信过程,4.5.1 HDLC概述,国际上有较多的数据链路层协议标准，但比较通用的协议可分为两类，就是面向字符的链路控制协议与面向比特的链路控制协议。 HDLC（High-level Data Link Control）高级数据链路控制规程，是面向比特的链路控制规程中最具代表性的协议。,4.5.1 HDLC概述,HDLC可适用于链路的两种基本配置，即非平衡配置与平衡配置。,图4-9 HDLC的基本配置,4.5.2 HDLC的帧结构,HDLC帧由标志字段、地址字
9、段、控制字段、信息字段和帧校验字段组成，如图4-10所示。 HDLC定义了3种类型的帧，即信息帧、监控帧与无编号帧。每类帧又包含若干命令与响应，习惯上称为命令帧与响应帧。,图4-10 HDLC帧结构,标志字段,数据链路层要解决帧同步的问题，即要从收到的比特流中正确地区分出一个帧的开始比特与结束比特。 为此，HDLC规定了在一个帧的开头和结尾各放入一个特殊的标记，作为一个帧的边界。这个标志称为标志字段F（Flag）。 标志字段为6个连续的1加上两边各一个0，共8位（7EH）。在接收端，只要找到标志字段F，就可以很容易地确定一个帧的位置。,标志字段,在两个标志字段之间的比特串中，如果碰巧出现了和标
10、志字段一样的比特组合，那么就会误认为是帧的边界。为了避免出现这种错误，HDLC规定采用零比特填充法使一帧中两个F字段之间不会出现6个连续的1。,标志字段,零比特填充的具体做法是：在发送端，当一串比特流尚未加上标志字段时，先扫描全部比特（用硬件或软件）。只要发现有5个连续的1，则立即填入一个0。经过这种零比特填充后的数据，就可以保证不会出现6个连续的1。在接收一个帧时，先找到标志字段以确定帧的边界，接着再对其中的比特流进行扫描。每当发现5个连续的1时，就将这5个连续的1后的一个0删除，以还原成原来的比特流。这样就保证了在所传送的比特流中，不管出现什么样的比特组合，也不至于引起帧边界的判断错误。,
11、地址字段,地址字段A也是8位。在使用非平衡方式传送数据时，地址字段总是写入次站的地址。但在平衡方式时，地址字段总是填入应答站的地址。全1地址是广播方式，而全0地址是无效地址。,信息字段,从网络层交下来的分组变成为数据链路层的数据，信息字段的长度没有具体规定。,帧校验,帧校验序列（FCS，Frame Check Sequence）字段共占16位。它采用的生成多项式是CRC-CCITT，所校验的范围是从地址字段的第一个比特起到信息字段的最末一个比特为止。,控制字段,控制字段C共8位，是最复杂的字段。HDLC的许多重要功能都要靠控制字段来实现。 根据其最前面两个比特的取值，可将HDLC帧划分为三大类
12、，即信息帧、监督帧和无编号帧，它们的简称分别是I（Information）、S（Supervisory）和U（Unnumbered）。,控制字段,图4-12 HDLC控制字段结构,监督帧,4.5.3 HDLC的通信过程,1建立数据链路连接、确定收发关系阶段 2信息传送规程数据传送阶段,4.6 Internet的链路层协议,4.6.1 PPP层次结构 4.6.2 PPP帧格式 4.6.3 PPP工作过程 4.6.4 PPP身份认证 4.6.5 PPPoE,4.6.1 PPP层次结构,PPP是一个面向连接的协议，它使得第2层链路能够经多种不同的物理层连接。 它支持同步和异步链路，也能在半双工和全双
13、工模式下工作。它允许任意类型的网络层数据报通过PPP连接发送。 层次结果如图所示：,图4-13 PPP层次结构,4.6.2 PPP帧格式,当PPP工作在同步传输链路中时，使用零比特填充法（与HDLC相同）保证透明传输。 当PPP工作于异步传输链路时，则使用一种特殊的字符填充方法。具体过程是将信息字段中出现的每一个7E字节转变成2字节序列7D与5E；若信息字段中出现7D字节，则将其转换为2字节序列7D与5D；若信息字段中出现ASCII控制字符（小于20的字符），则在该字符前要加入一个7D字节。,4.6.3 PPP工作过程,（1）链路建立阶段 （2）身份认证阶段（可选） （3）网络协商阶段,4.6
14、.3 PPP工作过程,PPP协议的基本工作过程可用图4-16所示,图4-16 PPP链路工作状态,4.6.4 PPP身份认证,口令认证协议PAP （Password authentication protocol） 挑战握手认证协议CHAP （Challenge-handshake authentication protocol）,口令认证协议PAP,PAP是一个非常简明的身份认证协议，采用两次握手机制，口令为明文，其认证过程如下： 被认证方向认证服务器发送用户名和口令，认证服务器查看是否有此用户，以及口令是否正确。如果用户名和口令都正确，则通过认证，发送响应给被认证方。,挑战握手认证协议CH
15、AP,为了保证认证的安全性，常采用更加复杂的挑战握手认证协议CHAP，该协议采用三次握手机制，口令为密文，其认证过程如图4-17所示。,图4-17 CHAP认证过程,4.6.5 PPPoE,利用以太网（Ethernet）资源，在以太网上运行PPP来进行用户认证接入的方式称为PPPoE。PPPoE既保护了用户方的以太网资源，又完成了ADSL的接入要求，是目前ADSL接入方式中应用最广泛的技术标准。 PPPoE协议的工作流程包含发现和会话两个阶段。当一个主机想开始一个PPPoE会话，它必须首先进行发现阶段，以识别接入服务器的以太网MAC地址，并建立一个PPPoE会话标识符（SESSION-ID），发现阶段结束后，就进入标准的PPP会话阶段。,4.6.5 PPPoE,PPPoE报文分成两大部分，一部分是PPPoE的数据报头，另一块则是PPPoE的数据域，具体格式如图4-18所示。,图4-18 PPPoE数据报文格式,
