吉林大学《大学计算机基础》课件-第4章

第四章第四章 数据链路层数据链路层v4.1 4.1 线路规程线路规程v4.2 4.2 流量控制与差错控制流量控制与差错控制v4.3 HDLC4.3 HDLC通信协议通信协议v4.4 4.4 数据链路层网络互连数据链路层网络互连v数据链路层提供两个数据链路层提供两个相邻的网络结点相邻的网络结点之间的之间的可靠通信。将不可靠的物理链路变为可靠的可靠通信。将不可靠的物理链路变为可靠的数据链路。数据链路。v数据链路层传输的信息单元是数据链路层传输的信息单元是帧帧(Frame)(Frame)IP 数据报1010 0110帧取出数据链路层网络层链路结点 A结点 B物理层数据链路层结点 A结点 B帧(a)(b)发送帧接收链路IP 数据报1010 0110帧装入数据链路层传送的是帧v数据链路层的主要工作：线路规程、差错控数据链路层的主要工作：线路规程、差错控制和流量控制。制和流量控制。4.1 线路规程线路规程v线路规程是监视链路的建立，以及在给定时线路规程是监视链路的建立，以及在给定时刻分配一个具体设备进行数据传送的权利。刻分配一个具体设备进行数据传送的权利。v线路规程可以两种方式实现：线路规程可以两种方式实现：v询问询问/应答应答（ENQ/ACK）v轮询轮询/选择选择（Poll/Select）4.1.1 询问询问/确认模式确认模式询问询问/确认模式的使用场合：确认模式的使用场合：当两个设备之间存在一条专用链路时，即当两个设备之间存在一条专用链路时，即点对点点对点方式，采用询问方式，采用询问/确认模式。只要确认模式。只要一条链路两头的设备级别相同，任意一个一条链路两头的设备级别相同，任意一个设备都可以启动一个会话过程。设备都可以启动一个会话过程。询问询问/确认模式的工作方式确认模式的工作方式v启动方首先发送一个启动方首先发送一个询问询问帧（帧（ENQENQ）询问接收）询问接收方是否可以接收数据，接收方如果已经准备方是否可以接收数据，接收方如果已经准备好接收，回答一个好接收，回答一个确认确认帧（帧（ACKACK）。如果没有）。如果没有准备好接收，回答一个准备好接收，回答一个否认否认帧（帧（NAKNAK）。）。询问询问/确认确认(ENQ/ACK)线路规程线路规程 v3 3种可能出现的情况种可能出现的情况:v没有应答；没有应答；v回答是否定；回答是否定；v回答是肯定；回答是肯定；4.1.2 轮询轮询/选择模式选择模式v轮询(Poll)/选择(Select)模式的使用场合在多点连接系统。在这种环境下，不仅仅要确定设备是否就绪，还要确定哪一个站点有权使用信道。v工作方式：工作方式：主设备控制链路，主设备控制链路，主设备发命主设备发命令，从设备响应。令，从设备响应。v地址问题：在链路上的每个设备都有一个地址问题：在链路上的每个设备都有一个地址来标识自己。地址来标识自己。v选择：选择：主设备希望发送数据，用主设备希望发送数据，用SELSEL告诉从告诉从设备准备接收数据。从设备用设备准备接收数据。从设备用ACKACK同意接收，同意接收，用用NAKNAK拒绝接收。拒绝接收。多点选择多点选择 v轮询：主设备希望接收数据，逐个询问设轮询：主设备希望接收数据，逐个询问设备是否有数据发送。如果没有数据发送，必备是否有数据发送。如果没有数据发送，必须回答否定应答帧须回答否定应答帧(NAK)(NAK)。v如果有数据，直接用数据帧应答。如果有数据，直接用数据帧应答。v有两种终止信息交互的方法：有两种终止信息交互的方法：从设备将所有的数据发送完毕，并以一从设备将所有的数据发送完毕，并以一个传输结束帧个传输结束帧(EOT)(EOT)结束传输。结束传输。主设备发出主设备发出“时间到时间到”消息。消息。4.2 流量控制与差错控制流量控制与差错控制v流量控制是一组过程，这组过程是用来告诉流量控制是一组过程，这组过程是用来告诉发送方在等待接收方的确认信号之前最多可发送方在等待接收方的确认信号之前最多可以传送多少数据。以传送多少数据。v流量控制有两个要点：流量控制有两个要点：v数据流不能使接收方过载数据流不能使接收方过载v接收方对数据进行确认接收方对数据进行确认v差错控制主要指错误检测和重传方法。差错控制主要指错误检测和重传方法。v自动重复请求自动重复请求(ARQ)(ARQ)：数据帧在传输中出现错数据帧在传输中出现错误，接收方就返回一个否定应答帧误，接收方就返回一个否定应答帧(NAK)(NAK)，出，出错的帧就会被发送方重新传送。这个过程叫错的帧就会被发送方重新传送。这个过程叫ARQARQ。v数据被重传的情况有三种：帧破坏、帧丢失数据被重传的情况有三种：帧破坏、帧丢失和应答帧丢失。和应答帧丢失。v流量控制和差错控制是结合在一起实现的，流量控制和差错控制是结合在一起实现的，有两种实现流量控制和差错控制的技术：有两种实现流量控制和差错控制的技术：v停止等待协议停止等待协议v滑动窗口协议滑动窗口协议4.2.1 停止等待协议停止等待协议停止等待协议的流量控制停止等待协议的流量控制v发送方每发送一帧后就发送方每发送一帧后就等待等待应答。只有收应答。只有收到一个应答到一个应答(ACK)(ACK)后，才发送下一个帧。直后，才发送下一个帧。直到发送方发送一个传输结束帧。到发送方发送一个传输结束帧。v优点：协议简单。优点：协议简单。v缺点：效率低，在线路上只有一帧。如果缺点：效率低，在线路上只有一帧。如果设备之间的距离很长，在每帧之间等待设备之间的距离很长，在每帧之间等待ACKACK帧所花费的时间很长。帧所花费的时间很长。停止等待协议停止等待协议 完成一帧发送所需的最短时间：完成一帧发送所需的最短时间：vWT=tI+2tp+2tproc+tWT=tI+2tp+2tproc+tS S 其中：其中：vtItI：发送数据帧时间：发送数据帧时间=帧长帧长/数据传输率数据传输率vt tS S：发送确认帧时间：发送确认帧时间=确认帧长确认帧长/数据传输率数据传输率vtptp：信号传输延时：信号传输延时=距离距离/0.7/0.7光速光速vtproctproc：结点处理数据时间：结点处理数据时间停等协议的定量分析停等协议的定量分析无差错情况的信道利用率无差错情况的信道利用率F：vF=(tI+tp)/WT；(F=tI/WT)vtI：发送数据的时间：发送数据的时间;vtp：信号的传输延时；：信号的传输延时；v信道利用率：信道被占用的时间和总时间之信道利用率：信道被占用的时间和总时间之比。比。例题例题v带宽为带宽为1Mbps,1Mbps,往返延时往返延时45ms,45ms,数据帧为数据帧为10001000字节，采用停等协议。求：实际的字节，采用停等协议。求：实际的数据传输率和信道利用率？数据传输率和信道利用率？v解：解：v实际的数据传输率：实际的数据传输率：v8 810001000(810001000106+451010-3)=150kbps)=150kbpsv信道利用率信道利用率=150kbps=150kbps10106=15%v或或:TITW=15%无差错情况的有效数据传输率无差错情况的有效数据传输率vS=D1/WTS=D1/WT；vD1D1是有效数据位数；是有效数据位数；vWTWT是发送一帧的时间；是发送一帧的时间；v有效数据传输率：单位时间内传输的有效数有效数据传输率：单位时间内传输的有效数据位数。据位数。v例例1 1：vC=C=传输速率（传输速率（10Mbps10Mbps或或10bit/us10bit/us）vS=S=信号速度（信号速度（200m/us200m/us）vD=D=发送方与接收方的距离（发送方与接收方的距离（200m200m）vtproctproc=生成一帧的时间（生成一帧的时间（1us1us）vLf=Lf=一帧的比特数（一帧的比特数（200Bit200Bit）vN=N=一帧的数据比特数（一帧的数据比特数（160Bit160Bit）vLS=LS=一确认帧的比特数（一确认帧的比特数（40Bit40Bit）v计算：计算：vWT=tI+2tP+2tProc+tS WT=tI+2tP+2tProc+tS vtItI=Lf/C=200/10=20(us);=Lf/C=200/10=20(us);vtStS=LS/C=40/10=4(us);=LS/C=40/10=4(us);tPtP=D/S=200/200=1(us);=D/S=200/200=1(us);vWT=20+2WT=20+21+21+21+4=28;1+4=28;v信道的利用率信道的利用率:P=20/28=75%:P=20/28=75%v有效数据传送速率有效数据传送速率:160/28=5.7Mbps:160/28=5.7Mbps 有差错时正确传送一帧的平均时间有差错时正确传送一帧的平均时间v无差错情况下，发送一帧的最小时间间无差错情况下，发送一帧的最小时间间隔为隔为WT,WT,记为记为t tW W 。当出错率为。当出错率为p p时时,正确正确发送一帧的平均时间间隔发送一帧的平均时间间隔t tV V为为(根据概率根据概率统计学统计学)：v t tV V=t=tW W/(1-p);p/(1-p);p是出错率是出错率vt tV V是发送一帧的平均时间是发送一帧的平均时间;系统的最大吞吐量系统的最大吞吐量v最大吞吐量最大吞吐量maxmax （每秒成功发送的帧（每秒成功发送的帧数）数）：v maxmax=1/t=1/tV V=(1-p)/t=(1-p)/tW W v极限吞吐量极限吞吐量M=1/M=1/tItIv(tItI是发送数据的时间是发送数据的时间)系统的传输效率系统的传输效率v系统的传输效率系统的传输效率=最大吞吐量最大吞吐量max/极限吞吐量极限吞吐量v =(1-p)/tw/1/tI;v令令atw/tI 1;v则则:=(1-p)/av说明说明 的大小与的大小与a的关系是反比的关系是反比;a越小效越小效率越高率越高;停止等待协议中的差错控制停止等待协议中的差错控制v为了实现差错控制，停止等待协议采用为了实现差错控制，停止等待协议采用vARQARQ技术，技术，ARQARQ处理错误的三种情况：处理错误的三种情况：v帧破坏：帧破坏：(校验码）校验码）v数据帧丢失：数据帧丢失：(超时超时)v应答帧丢失：应答帧丢失：(超时超时)v停等协议中的差错控制要求：停等协议中的差错控制要求：v发送站要保留数据帧的发送站要保留数据帧的备份备份；v数据帧和应答帧必须交替的数据帧和应答帧必须交替的标识标识为为0 0和和1 1。如。如果接收方收到了两个相邻的数据帧且标号相果接收方收到了两个相邻的数据帧且标号相同，说明接收方收到了一个重复帧。应当丢同，说明接收方收到了一个重复帧。应当丢弃一个重复帧。弃一个重复帧。v否定应答帧否定应答帧(NAK),(NAK),通知发送方重新发送最近通知发送方重新发送最近的一帧。的一帧。v定时器定时器，判断，判断数据数据帧帧在传输中丢失。在传输中丢失。4.2.2 滑动窗口协议滑动窗口协议滑动窗口滑动窗口协议中的流量控制协议中的流量控制 v发送方在收到应答消息前可以发送发送方在收到应答消息前可以发送多个帧多个帧。接收方使用一个接收方使用一个ACKACK帧来对多个帧的接收进行帧来对多个帧的接收进行确认。具体可以接受多少帧视确认。具体可以接受多少帧视窗口窗口大小而定大小而定.v帧编号帧编号：v在滑动窗口协议中，数据帧以模在滑动窗口协议中，数据帧以模n n方式编号，方式编号，也就是说，编号从也就是说，编号从0 0到到n-1n-1。窗口的大小窗口的大小是是n-1n-1。接收方发送的应答帧接收方发送的应答帧(ACK)(ACK)编号是接收方编号是接收方希望希望收到的下一帧的编号收到的下一帧的编号。v窗口窗口是发送方和接收方存放数据帧的缓冲区：是发送方和接收方存放数据帧的缓冲区：v发送方窗口用于存放发送方窗口用于存放已经发送但未收到应答已经发送但未收到应答的数据帧的数据帧和和在收到应答帧之前可以发送的数在收到应答帧之前可以发送的数据帧。据帧。在接受方，只