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1、数据链路层数据链路层学习要求学习要求：了解：数据传输过程中了解：数据传输过程中差错产生的原因与性质。差错产生的原因与性质。掌握：误码率的定义与差错控制方法。掌握：误码率的定义与差错控制方法。掌握：数据链路层的基本概念。掌握：数据链路层的基本概念。了解了解：面向字符型数据链路层协议实例：面向字符型数据链路层协议实例BSC。掌握：面向比特型数据链路层协议实例掌握：面向比特型数据链路层协议实例 HDLC。掌握：掌握：Internet中的数据链路层协议。中的数据链路层协议。2差错产生与差错控制方法差错产生与差错控制方法 为什么要设计数据链路层为什么要设计数据链路层在原始物理传输线路上传输数据信号是有差
2、错的；在原始物理传输线路上传输数据信号是有差错的；设计数据链路层的主要目的：设计数据链路层的主要目的： 将有差错的物理线路改进成无差错的数据链路；将有差错的物理线路改进成无差错的数据链路； 方法方法 差错检测差错检测 差错控制差错控制 流量控制流量控制作用：改善数据传输质量，向网络层提供高质量的服务。作用：改善数据传输质量，向网络层提供高质量的服务。3差错产生的原因和差错类型差错产生的原因和差错类型 传输差错传输差错 通过通信信道后接收的数据与发送数据通过通信信道后接收的数据与发送数据 不一致的现象不一致的现象;差错控制差错控制 检查是否出现差错以及如何纠正差错；检查是否出现差错以及如何纠正差
3、错；通信信道的噪声分为两类：热噪声和冲击噪声；通信信道的噪声分为两类：热噪声和冲击噪声；由热噪声引起的差错是随机差错，或随机错；由热噪声引起的差错是随机差错，或随机错；冲击噪声引起的差错是突发差错，或突发错；冲击噪声引起的差错是突发差错，或突发错；引起突发差错的位长称为突发长度；引起突发差错的位长称为突发长度；在通信过程中产生的传输差错，是由随机差错与突发在通信过程中产生的传输差错，是由随机差错与突发差错共同构成的。差错共同构成的。4热噪声和冲击噪声热噪声又称白噪声。是由导体中电子的热震动引起的，热噪声又称白噪声。是由导体中电子的热震动引起的，它存在于所有电子器件和传输介质中。它是温度变化它存
4、在于所有电子器件和传输介质中。它是温度变化的结果，但不受频率变化的影响。热噪声是随机但不的结果，但不受频率变化的影响。热噪声是随机但不能够消除的，由此对通信系统性能构成了上限。能够消除的，由此对通信系统性能构成了上限。冲击噪声呈突发状，常由外界因素引起；其噪声幅度可冲击噪声呈突发状，常由外界因素引起；其噪声幅度可能相当大，无法靠提高信噪比来避免，是传输中的主能相当大，无法靠提高信噪比来避免，是传输中的主要差错来源。要差错来源。5传输差错传输差错产生过程产生过程6误码率的定义误码率的定义误码率定义误码率定义： 二进制比特在数据传输系统中被传错的概率，二进制比特在数据传输系统中被传错的概率，它在数
5、值上近似等于：它在数值上近似等于： Pe = Ne/N其中，其中，N为传输的二进制比特总数；为传输的二进制比特总数； Ne为被传错的比特数。为被传错的比特数。7讨论讨论误误码码率率应应该该是是衡衡量量数数据据传传输输系系统统正正常常工工作作状状态态下下传传输输可可靠性的参数；靠性的参数；对对于于一一个个实实际际的的数数据据传传输输系系统统，不不能能笼笼统统地地说说误误码码率率越越低越好，要根据实际传输要求提出误码率要求；低越好，要根据实际传输要求提出误码率要求；对对于于实实际际数数据据传传输输系系统统，如如果果传传输输的的不不是是二二进进制制比比特特，要折合成二进制比特来计算；要折合成二进制比
6、特来计算；差错的出现具有随机性，在实际测量一个数据传输系统差错的出现具有随机性，在实际测量一个数据传输系统时，只有被测量的传输二进制比特数越大，才会越接近时，只有被测量的传输二进制比特数越大，才会越接近于真正的误码率值。于真正的误码率值。 8检错码与纠错码检错码与纠错码 纠错码纠错码： 每个传输的分组带上足够的冗余信息；每个传输的分组带上足够的冗余信息； 接收端能发现并自动纠正传输差错。接收端能发现并自动纠正传输差错。检错码检错码: : 分组仅包含足以使接收端发现差错的冗余信息；分组仅包含足以使接收端发现差错的冗余信息； 接收端能发现出错，但不能确定哪一比特是错的，并接收端能发现出错，但不能确
7、定哪一比特是错的，并且自己不能纠正传输差错。且自己不能纠正传输差错。 9常用的检错码常用的检错码奇偶校验码奇偶校验码 垂直奇（偶）校验垂直奇（偶）校验 水平奇（偶）校验水平水平奇（偶）校验水平 垂直奇（偶）校验（方阵码）垂直奇（偶）校验（方阵码） 循环冗余编码循环冗余编码CRC 目前应用最广的检错码编码方法之一目前应用最广的检错码编码方法之一10循环冗余编码工作原理循环冗余编码工作原理 11 举例举例：12标准标准CRC生成多项式生成多项式G（x）CRC-12 G（x）= x12+x11+x3+x2+x+1CRC-16 G（x）= x16+x15+x2+1CRC-CCITT G（x）= x16
8、+x12+x5+1CRC-32 G（x）= x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+ x10 +x8+x7+x5+x4 + x2+x+1 13CRC校验码的检错能力校验码的检错能力CRC校验码能检查出全部单个错；校验码能检查出全部单个错；CRC校验码能检查出全部离散的二位错；校验码能检查出全部离散的二位错；CRC校验码能检查出全部奇数个错；校验码能检查出全部奇数个错；CRC校验码能检查出全部长度小于或等于校验码能检查出全部长度小于或等于K位的突发错；位的突发错；CRC校校验验码码能能以以1-（1/2）K-1的的概概率率检检查查出出长长度度为为（K+1）位的突发错；位的突发错；如
9、果如果K=16，则该则该CRC校验码能全部检查出小于或等于校验码能全部检查出小于或等于16 位的所有的突发差错，并能以位的所有的突发差错，并能以1-（1/2）16-1=99.997的概率检查出长度为的概率检查出长度为17位的突发错，漏检概率为位的突发错，漏检概率为0.003%； 14差错控制机制差错控制机制 反馈重发机制反馈重发机制 15反馈重发机制的分类反馈重发机制的分类 停止等待方式停止等待方式 16连续工作方式连续工作方式 拉回方式拉回方式选择重发方式选择重发方式 17数据链路层的基本概念数据链路层的基本概念 物理线路与数据链路物理线路与数据链路线路线路 链路链路物理线路物理线路 数据链
10、路数据链路18数据链路控制数据链路控制 链路管理链路管理 帧同步帧同步 流量控制流量控制 差错控制差错控制 帧的透明传输帧的透明传输 寻址寻址 数据链路层协议数据链路层协议 为实现数据链路控制功能而为实现数据链路控制功能而 制定的规程或协议。制定的规程或协议。19数据链路层向网络层提供的服务数据链路层向网络层提供的服务 数据链路层服务的类型数据链路层服务的类型：面向连接确认服务（面向连接确认服务（acknowledged connection-oriented service）；）； 无连接确认服务（无连接确认服务（acknowladged connectionless service）；）；
11、 无连接不确认服务（无连接不确认服务（unacknowledged connectionless service）。）。 20实际数据路径实际数据路径与虚拟数据路径与虚拟数据路径21面向字符型数据链路层协议实例：面向字符型数据链路层协议实例：BSC 数据链路层协议的分类数据链路层协议的分类22面向字符型协议实例：面向字符型协议实例：BSC 什么是面向字符型协议什么是面向字符型协议? 以字符为控制传输信息的基本单元以字符为控制传输信息的基本单元 ASIIC码：码： 格式字符：格式字符：SOH（start of heading） STX（start of text） ETB（end of tran
12、smission block） ETX（end of text） 控制字符：控制字符：ACK（acknowledge） NAK（negative acknowledge） ENQ（enquire） EOT（end of transmission） SYN（synchrous） DLE（data link escape）23面向字符型面向字符型BSC协议的数据报文格式协议的数据报文格式24建立、维护建立、维护与释放数据与释放数据链路流程图链路流程图25典型数据链路层协议分析典型数据链路层协议分析 面向比特型面向比特型 HDLC产生的背景产生的背景 面向字符型数据链路层协议的缺点面向字符型数据链路
13、层协议的缺点：报文格式不一样；报文格式不一样；传输透明性不好；传输透明性不好；等待发送方式，传输效率低。等待发送方式，传输效率低。面向比特型协议的设计目标面向比特型协议的设计目标：以比特作为传输控制信息的基本单元；以比特作为传输控制信息的基本单元；数据帧与控制数据帧与控制 帧格式相同；帧格式相同；传输透明性好；传输透明性好；连续发送，传输效率高。连续发送，传输效率高。26数据链路的配置和数据传送方式数据链路的配置和数据传送方式数据链路的配置数据链路的配置非平衡配置非平衡配置平衡配置平衡配置非平衡配置中的主站与从站非平衡配置中的主站与从站主站：控制数据链路的工作过程。主站发出命令主站：控制数据链
14、路的工作过程。主站发出命令 从站：接受命令，发出响应，配合主站工作从站：接受命令，发出响应，配合主站工作非平衡配置中的结构特点非平衡配置中的结构特点点点- -点方式点方式多点方式多点方式27数据链路的非平衡配置方式数据链路的非平衡配置方式28非平衡配置方式非平衡配置方式正常响应模式（正常响应模式（normal response mode，NRM）主站可以随时向从站传输数据帧；主站可以随时向从站传输数据帧；从站只有在主站向它发送命令帧进行探询（从站只有在主站向它发送命令帧进行探询（poll），），从从站响应后才可以向主站发送数据帧。站响应后才可以向主站发送数据帧。 异步响应模式（异步响应模式（a
15、synchronous response mode，ARM）主站和从站可以随时相互传输数据帧；主站和从站可以随时相互传输数据帧；从站可以不需要等待主站发出探询就可以发送数据；从站可以不需要等待主站发出探询就可以发送数据；主站负责数据链路的初始化、链路的建立、释放与差主站负责数据链路的初始化、链路的建立、释放与差错恢复等功能。错恢复等功能。29平衡配置方式平衡配置方式 链路两端的两个站都是复合站（链路两端的两个站都是复合站（combined station）；）；复合站同时具有主站与从站的功能；复合站同时具有主站与从站的功能；每个复合站都可以发出命令与响应；每个复合站都可以发出命令与响应；平衡配
16、置结构中只有异步平衡模式（平衡配置结构中只有异步平衡模式（asynchronous balanced mode，ABM）；）；异步平衡模式的每个复合站都可以平等地发起数据传异步平衡模式的每个复合站都可以平等地发起数据传输，而不需要得到对方复合站的许可。输，而不需要得到对方复合站的许可。30数据链路的平衡配置方式数据链路的平衡配置方式31HDLC的帧结构的帧结构 F（flag） ：固定格式固定格式 01111110 作用作用 帧同步帧同步 传输数据的透明性（传输数据的透明性（零零比特插入与删除）比特插入与删除） A（address） ：地址地址C（control） ：帧的类型、帧的编号、命令与控
17、制信息帧的类型、帧的编号、命令与控制信息I（information） ：网络层数据，网络层数据，Nmax = 256BCRC（checksum） ：校验校验A、C、I字段的数据字段的数据 G(X)= X16+X12+X5+132零比特插入零比特插入/ /删除工作过程删除工作过程33帧类型及控制字段的意义帧类型及控制字段的意义34帧类型帧类型I帧帧 ： N（S） 发送发送帧的顺序号帧的顺序号 N（R） 接收帧的顺序号接收帧的顺序号 P/F= Poll / Final， P=1 询问，询问，F=1 响应响应 P与与F成对出现成对出现S帧帧 ：监控功能位监控功能位 S = 00，RR（receive
18、 ready） S = 01，RNR（receive not ready） S = 10，RJE（reject） S = 11，SREJ（select reject）U帧帧 ：用于实现数据链路控制功能用于实现数据链路控制功能35U帧的格式与链路控制功能帧的格式与链路控制功能364.4.4 数据链路层的工作过程数据链路层的工作过程简化的信息帧结构的表示方法简化的信息帧结构的表示方法一个信息帧的表示一个信息帧的表示 37无编号帧的表示方法无编号帧的表示方法 SNRM帧与帧与UA帧结构的表示方法帧结构的表示方法 38正常响应正常响应模式数据模式数据链路工作链路工作39讨论：数据链路层讨论：数据链路层
19、与物理层的关系与物理层的关系404.5 Internet中的数据链路层中的数据链路层 4.5.1 Internet中主要的数据链路层协议中主要的数据链路层协议SLIP （Serial Line IP） 串行线路的串行线路的Internet数据链路层协议数据链路层协议PPP （ Point-to-Point Protocol） 点点-点协议点协议SLIP与与PPP用于串行通信的拨号线路上，是目前家庭用于串行通信的拨号线路上，是目前家庭计算机或公司用户通过计算机或公司用户通过ISP接到接到Internet主要的协议。主要的协议。 414.5.2 SLIP协议协议SLIP出现于出现于20世纪世纪80
20、年代初，最早是在年代初，最早是在BSD UNIX 4.2版操作系统上实现的版操作系统上实现的;SLIP协议支持协议支持TCP/IP协议协议;对数据报进行了简单的封装，然后来用对数据报进行了简单的封装，然后来用RS-232接口串接口串行线路进行传输行线路进行传输;SLIP通常也用来将远程终端连接到通常也用来将远程终端连接到UNIX主机，也可通主机，也可通过租用或拨号串行线路进行主机到路由器，以及路由过租用或拨号串行线路进行主机到路由器，以及路由器到路由器的通信。器到路由器的通信。42典型的典型的SLIP接入方式接入方式Internet的家庭或小型公司用户通过调制解调器、电话网的家庭或小型公司用户
21、通过调制解调器、电话网络连接到络连接到ISP的调制解调器；的调制解调器；ISP的调制解调器再通过它的路由器接入的调制解调器再通过它的路由器接入Internet；SLIP系统一般可以发送和接收系统一般可以发送和接收1006B的的IP数据报。数据报。43SLIP协议的帧结构协议的帧结构RFC 1055文件对文件对SLIP帧格式进行了讨论帧格式进行了讨论;SLIP帧头与帧尾的帧头与帧尾的“CO”，是协议使用的惟一的一个是协议使用的惟一的一个控制字符控制字符;CO的二进制编码比特序列是的二进制编码比特序列是1000011 0000000;CO的使用将影响的使用将影响SLIP帧数据的透明性帧数据的透明性
22、; 44 SLIP协议的缺点协议的缺点使使用用SLIP协协议议时时，通通信信的的双双方方都都必必须须知知道道对对方方的的IP地地址址，因因为为SLIP协协议议没没有有为为它它们们提提供供相相互互交交换换地地址址信信息息的方法；的方法；没没有有设设置置协协议议类类型型字字段段，不不具具备备同同时时处处理理多多种种网网络络层层协议的能力；协议的能力；没有校验和字段，差错控制功能由高层的协议承担；没有校验和字段，差错控制功能由高层的协议承担；SLIP协协议议并并不不是是Internet的的协协议议标标准准，因因此此不不同同版版本本的的之间就会存在着差别，使得互连变得困难。之间就会存在着差别，使得互连
23、变得困难。454.5.3 CSLIP协议协议SLIP协议通常运行于传输速率相对较低的串行线路上协议通常运行于传输速率相对较低的串行线路上;在常用于在常用于Telnet之类的应用程序中，人们提出了一种压之类的应用程序中，人们提出了一种压缩的缩的SLIP（CSLIP ）协议协议;RFC 1144对对CSLIP进行了定义进行了定义;Telnet是一种交互式的应用程序，每次常常只传送几个是一种交互式的应用程序，每次常常只传送几个字节的信息，通信效率低。字节的信息，通信效率低。 464.5.4 PPP协议基本特点协议基本特点PPP协议是协议是Internet标准，标准，RFC 1660、RFC 1661
24、定义定义了了PPP协议与帧结构；协议与帧结构；PPP协议处理了差错检测，支持面向字符型协议与面协议处理了差错检测，支持面向字符型协议与面向比特型协议向比特型协议,可以支持可以支持IP协议及其他一些网络层协议协议及其他一些网络层协议（例如（例如IPX协议）；协议）；PPP协议不仅在拨号电话线，并且在路由器协议不仅在拨号电话线，并且在路由器路由器之路由器之间的专用线上广泛应用间的专用线上广泛应用;PPP协议是在大多数家庭个人计算机和协议是在大多数家庭个人计算机和ISP之间使用的之间使用的协议，它可以作为在高速广域网和社区宽带网协议族协议，它可以作为在高速广域网和社区宽带网协议族的一部分。的一部分。
25、 47PPP信息帧格式信息帧格式 标志（标志（flag）：）：01111110 地地址址（address）：值值为为“FF”（11111111），表表示示网中所有的站网中所有的站 都接收该帧都接收该帧 控制控制（control）：值为值为“03”（00000011） 协协议议（protocol）：长长度度为为2字字节节，它它标标识识出出网网络络层层协协议数据域的议数据域的 类型。常用的网络层协议的类型主要有：类型。常用的网络层协议的类型主要有： 0021HTCP/IP 0023HOSI 0027HDEC数据字段：数据字段：长度可变长度可变48链路控制帧（链路控制帧（LCP）与网络控制帧（与网络
26、控制帧（NCP） 链路控制帧（链路控制帧（LCP）网络控制帧（网络控制帧（NCP）49小结小结物理传输线路上传输数据信号是有差错的；物理传输线路上传输数据信号是有差错的；误码率是指二进制比特在数据传输过程中被传错的概率；误码率是指二进制比特在数据传输过程中被传错的概率；数数据据链链路路层层是是将将一一条条原原始始的的、有有差差错错的的物物理理线线路路变变为为对对网络层无差错的数据链路；网络层无差错的数据链路；数数据据链链路路层层完完成成链链路路管管理理、帧帧传传输输、流流量量控控制制、差差错错控控制等功能；制等功能；50数数据据链链路路层层协协议议基基本本可可以以分分为为两两类类：面面向向字字符符型型与与面面向比特型；向比特型；数据链路层的数据传送单位是帧，帧具有固定的结构；数据链路层的数据传送单位是帧，帧具有固定的结构；HDLC的的帧帧分分为为信信息息帧帧（I帧帧）、无无编编号号帧帧（U帧帧）与与监控帧（监控帧（S帧）；帧）；Internet数据链路层主要的协议是数据链路层主要的协议是SLIP与与PPP协议；协议；PPP协协议议不不仅仅用用于于拨拨号号电电话话线线，并并且且可可以以用用于于路路由由器器路由器之间的专用线路上。路由器之间的专用线路上。51
