計算機網(wǎng)絡(luò)第4章：數(shù)據(jù)鏈路層第一頁，共47頁。本章學(xué)習(xí)要求：理解：數(shù)據(jù)傳輸過程中差錯產(chǎn)生的原因與性質(zhì)掌握：誤碼率的定義與差錯控制方法掌握：數(shù)據(jù)鏈路層的基本概念了解：面向字符型數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議實例—BSC掌握：面向比特型數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議實例—HDLC掌握：Internet中的數(shù)據(jù)鏈路層PPP協(xié)議2第二頁，共47頁。4.1差錯產(chǎn)生與差錯控制方法4.1.1為什么要設(shè)計數(shù)據(jù)鏈路層在原始物理傳輸線路上傳輸數(shù)據(jù)信號是有差錯的；設(shè)計數(shù)據(jù)鏈路層的主要目的：將有差錯的物理線路改進成邏輯上無差錯的數(shù)據(jù)鏈路；方法—差錯檢測差錯控制流量控制作用：改善數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，向網(wǎng)絡(luò)層提供高質(zhì)量的服務(wù)。3第三頁，共47頁。4.1.2差錯產(chǎn)生的原因和差錯類型

傳輸差錯—通過通信信道后接收的數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)不一致的現(xiàn)象;差錯控制—分析差錯產(chǎn)生的原因與類型，檢查是否出現(xiàn)差錯以及如何糾正差錯；通信信道的噪聲分為兩類：

①熱噪聲：由傳輸介質(zhì)導(dǎo)體的電子熱運動產(chǎn)生；

特點：時刻存在，幅度較小，強度與頻率無關(guān)，但頻譜很寬；

隨機差錯，出錯的數(shù)據(jù)位不相鄰；

②沖擊噪聲：由外界電磁干擾引起；特點：幅度較大，是引起傳輸差錯的主要原因；

突發(fā)差錯，出錯的數(shù)據(jù)位相鄰；突發(fā)長度：引起突發(fā)差錯的位長；在通信過程中產(chǎn)生的傳輸差錯，是由隨機差錯與突發(fā)差錯共同構(gòu)成的。4第四頁，共47頁。傳輸差錯

產(chǎn)生過程5第五頁，共47頁。

4.1.3誤碼率的定義

誤碼率定義：二進制比特在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中被傳錯的概率，它在數(shù)值上近似等于：

Pe=Ne/N其中，N為傳輸?shù)亩M制比特總數(shù)

Ne為被傳錯的比特數(shù)6第六頁，共47頁。正確理解誤碼率誤碼率應(yīng)該是衡量數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下傳輸可靠性的參數(shù)；對于一個實際的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，不能籠統(tǒng)地說誤碼率越低越好，要根據(jù)實際傳輸要求提出誤碼率要求；對于實際數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，如果傳輸?shù)牟皇嵌M制比特，要折合成二進制比特來計算；差錯的出現(xiàn)具有隨機性，在實際測量一個數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)時，只有被測量的傳輸二進制比特數(shù)越大，才會越接近于真正的誤碼率值。7第七頁，共47頁。4.1.4檢錯碼與糾錯碼（差錯控制的兩種策略）

差錯控制——差錯檢測與校正（部分差錯）糾錯碼：①每個傳輸?shù)姆纸M帶上足夠的冗余信息；②接收端能發(fā)現(xiàn)并自動糾正傳輸差錯；看似優(yōu)越，但實現(xiàn)困難，一般不采用。檢錯碼:①分組僅包含足以使接收端發(fā)現(xiàn)差錯的冗余信息；②接收端能發(fā)現(xiàn)出錯，但不能確定哪一比特是錯的，并且自己不能糾正傳輸差錯；需要重傳機制的輔助完成糾錯，但工作原理簡單，實現(xiàn)容易，得到廣泛使用。

8第八頁，共47頁。常用的檢錯碼奇偶校驗碼垂直奇（偶）校驗水平奇（偶）校驗水平水平垂直奇（偶）校驗（方陣碼）循環(huán)冗余編碼CRC√

檢錯能力強、容易實現(xiàn)，目前應(yīng)用最廣的檢錯碼編碼方法之一9第九頁，共47頁。4.1.5循環(huán)冗余編碼工作原理（又稱多項式編碼）10第十頁，共47頁。多項式和二進制數(shù)的對應(yīng)關(guān)系

x的最高冪次對應(yīng)二進制數(shù)的最高位，以下各位對應(yīng)多項式的各冪次，有此冪次項對應(yīng)1，無此冪次項對應(yīng)0。

例如：

多項式：x4+x3+x+1對應(yīng)二進制數(shù)：11011二進制數(shù)1111對應(yīng)多項式：x3+x2+x+111第十一頁，共47頁。

舉例：①發(fā)送數(shù)據(jù)比特序列為110011（6比特），對應(yīng)多項式為？②生成多項式比特序列為11001（5比特，k＝4），對應(yīng)多項式為？③將發(fā)送數(shù)據(jù)多項式乘以x4，得到多項式？對應(yīng)二進制序列？④將所得乘積用生成多項式比特序列去除，注意按模二算法計算，求得余數(shù)比特序列為？⑤將余數(shù)比特序列加到乘積中，得發(fā)送數(shù)據(jù)比特序列為？⑥若數(shù)據(jù)傳輸過程沒有發(fā)生錯誤，接收端收到的帶有CRC校驗碼的數(shù)據(jù)比特序列一定能被相同的生成多項式整除。12第十二頁，共47頁。標(biāo)準CRC生成多項式G（x）CRC-12G（x）=x12+x11+x3+x2+x+1CRC-16G（x）=x16+x15+x2+1CRC-CCITTG（x）=x16+x12+x5+1CRC-32G（x）=x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+

x2+x+1

G(x)多項式由協(xié)議規(guī)定，其結(jié)構(gòu)及檢錯效果是經(jīng)過嚴格的數(shù)學(xué)分析與實驗后確定的。13第十三頁，共47頁。CRC校驗碼的檢錯能力CRC校驗碼能檢查出全部單個錯；CRC校驗碼能檢查出全部離散的二位錯；CRC校驗碼能檢查出全部奇數(shù)個錯；CRC校驗碼能檢查出全部長度小于或等于K位的突發(fā)錯；CRC校驗碼能以[1-（1/2）K-1]的概率檢查出長度為（K+1）位的突發(fā)錯；

例如：假設(shè)K=16，則該CRC校驗碼能全部檢查出小于或等于16位的所有的突發(fā)差錯，并能以1-（1/2）16-1=99.997％的概率檢查出長度為17位的突發(fā)錯，漏檢概率為0.003%；

14第十四頁，共47頁。4.1.6差錯控制機制

反饋重發(fā)機制（ARQ）15第十五頁，共47頁。反饋重發(fā)機制的分類

停止等待方式

16第十六頁，共47頁。連續(xù)工作方式

拉回方式選擇重發(fā)方式

17第十七頁，共47頁。4.2數(shù)據(jù)鏈路層的基本概念4.2.1物理線路與數(shù)據(jù)鏈路物理線路—數(shù)據(jù)鏈路18第十八頁，共47頁。4.2.2數(shù)據(jù)鏈路控制功能

數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議—為實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路控制功能而制定的規(guī)程或協(xié)議。鏈路管理幀同步流量控制差錯控制幀的透明傳輸尋址

19第十九頁，共47頁。4.2.3數(shù)據(jù)鏈路層向網(wǎng)絡(luò)層提供的服務(wù)

所處位置：數(shù)據(jù)鏈路層是OSI參考模型的第2層；為下層：設(shè)立數(shù)據(jù)鏈路層的主要目的是將原始的、有差錯的物理線路變?yōu)閷W(wǎng)絡(luò)層無差錯的數(shù)據(jù)鏈路；所具功能：為了實現(xiàn)這個目的，數(shù)據(jù)鏈路層必須實現(xiàn)鏈路管理、幀傳輸、流量控制、差錯控制等功能；為上層：數(shù)據(jù)鏈路層為網(wǎng)絡(luò)層提供的服務(wù)主要表現(xiàn)在：正確傳輸網(wǎng)絡(luò)層的用戶數(shù)據(jù)，為網(wǎng)絡(luò)層屏蔽物理層采用的傳輸技術(shù)的差異性。20第二十頁，共47頁。4.3面向字符型協(xié)議實例什么是面向字符型協(xié)議?將字符作為傳輸控制信息的基本單元特點：利用已定義好的一種標(biāo)準字編碼（如ASIIC碼，EBCDIC碼）的一個子集來執(zhí)行通信控制功能。ASIIC碼：

格式字符：SOH（startofheading）STX（startoftext）ETB（endoftransmissionblock）ETX（endoftext）

控制字符：ACK（acknowledge）NAK（negativeacknowledge）ENQ（enquire）EOT（endoftransmission）SYN（synchrous）DLE（datalinkescape）缺點：①使用不同字符集的兩臺計算機很難通信；②用戶數(shù)據(jù)傳輸“透明性”差。21第二十一頁，共47頁。面向字符型BSC協(xié)議的數(shù)據(jù)報文格式：轉(zhuǎn)義字符的使用：當(dāng)正文字段中出現(xiàn)與控制字符相同編碼時，發(fā)送硬件自動在其后插入一個DLE字符。22第二十二頁，共47頁。面向字符型協(xié)議的執(zhí)行過程屬于停止等待型協(xié)議圖中：虛線表示協(xié)議控制信息交換實線表示數(shù)據(jù)信息的交換23第二十三頁，共47頁。4.4典型數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議分析—面向比特型4.4.1HDLC產(chǎn)生的背景

面向字符型數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的缺點：控制報文與數(shù)據(jù)報文格式不一致；等待發(fā)送方式，傳輸效率低；只對數(shù)據(jù)部分進行差錯控制，控制字符出錯無法控制，可靠性差；新功能對應(yīng)增加新控制字符，功能擴展困難；傳輸透明性不好。面向比特型協(xié)議的設(shè)計目標(biāo)：以比特作為傳輸控制信息的基本單元；數(shù)據(jù)幀與控制幀格式相同；傳輸透明性好；連續(xù)發(fā)送，傳輸效率高。24第二十四頁，共47頁。4.4.2數(shù)據(jù)鏈路的配置和數(shù)據(jù)傳送方式數(shù)據(jù)鏈路的配置非平衡配置平衡配置

非平衡配置中的主站與從站主站：控制數(shù)據(jù)鏈路的工作過程。主站發(fā)出命令從站：接受命令，發(fā)出響應(yīng)，配合主站工作

非平衡配置中的結(jié)構(gòu)特點點-點方式多點方式25第二十五頁，共47頁。數(shù)據(jù)鏈路的非平衡配置方式26第二十六頁，共47頁。非平衡配置兩種數(shù)據(jù)傳送方式正常響應(yīng)模式（normalresponsemode，NRM）主站可以隨時向從站傳輸數(shù)據(jù)幀；從站只有在主站向它發(fā)送命令幀進行探詢（poll），從站響應(yīng)后才可以向主站發(fā)送數(shù)據(jù)幀。

異步響應(yīng)模式（asynchronousresponsemode，ARM）主站和從站可以隨時相互傳輸數(shù)據(jù)幀；從站可以不需要等待主站發(fā)出探詢就可以發(fā)送數(shù)據(jù)；主站負責(zé)數(shù)據(jù)鏈路的初始化、鏈路的建立、釋放與差錯恢復(fù)等功能。27第二十七頁，共47頁。平衡配置方式

鏈路兩端的兩個站都是復(fù)合站（combinedstation）；復(fù)合站同時具有主站與從站的功能；每個復(fù)合站都可以發(fā)出命令與響應(yīng)；平衡配置結(jié)構(gòu)中只有異步平衡模式（asynchronousbalancedmode，ABM）；異步平衡模式的每個復(fù)合站都可以平等地發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸，而不需要得到對方復(fù)合站的許可。28第二十八頁，共47頁。數(shù)據(jù)鏈路的平衡配置方式29第二十九頁，共47頁。4.4.3HDLC的幀結(jié)構(gòu)

F（flag）：固定格式—01111110

作用—幀同步傳輸數(shù)據(jù)的透明性（零比特插入與刪除）A（address）：地址C（control）：幀的類型、幀的編號、命令與控制信息I（information）：網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)，Nmax=256BFCS（checksum）：校驗A、C、I字段的數(shù)據(jù)

G(X)=X16+X12+X5+130第三十頁，共47頁。零比特插入/刪除工作過程31第三十一頁，共47頁。幀類型及控制字段的意義32第三十二頁，共47頁。幀類型I幀：

N（S）—發(fā)送幀的順序號

N（R）

—

接收幀的順序號

P/F=Poll/Final，P=1詢問，F(xiàn)=1響應(yīng)

P與F成對出現(xiàn)S幀：監(jiān)控功能位,對于接收到的以前各幀的監(jiān)控，用于表示接收狀態(tài)，同時進行流量控制和差錯控制。

S=00，RR（receiveready）

S=10，RNR（receivenotready）S=01，RJE（reject）S=11，SREJ（selectreject）RR幀和RNR幀：確認＋流量控制；

RJE幀和SREJ幀：確認＋差錯控制。U幀：用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路控制功能33第三十三頁，共47頁。U幀的格式與鏈路控制功能34第三十四頁，共47頁。4.4.4數(shù)據(jù)鏈路層的工作過程簡化的信息幀結(jié)構(gòu)的表示方法一個信息幀的表示

35第三十五頁，共47頁。無編號幀的表示方法

SNRM幀與UA幀結(jié)構(gòu)的表示方法

置正常響應(yīng)模式：無編號確認：無編號確認：置正常響應(yīng)模式：36第三十六頁，共47頁。正常響應(yīng)模式數(shù)據(jù)鏈路工作37第三十七頁，共47頁。討論：數(shù)據(jù)鏈路層

與物理層的關(guān)系38第三十八頁，共47頁。4.5Internet中的數(shù)據(jù)鏈路層

Internet中主要的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議SLIP（SerialLineIP）—串行線路的Internet數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議PPP（Point-to-PointProtocol）—點對點協(xié)議SLIP與PPP用于串行通信的撥號線路上，是目前家庭計算機或公司用戶通過ISP接到Internet主要的協(xié)議。39第三十九頁，共47頁。PPP協(xié)議基本特點PPP協(xié)議是Internet標(biāo)準，RFC1660、RFC1661定義了PPP協(xié)議與幀結(jié)構(gòu)；PPP協(xié)議處理了差錯檢測，支持面向字符型協(xié)議與面向比特型協(xié)議,可以支持IP協(xié)議及其他一些網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議（例如IPX協(xié)議）；PPP協(xié)議不僅在撥號電話線，并且在路由器─路由器之間的專用線上廣泛應(yīng)用;PPP協(xié)議是在大多數(shù)家庭個人計算機和ISP之間使用的協(xié)議，它可以作為在高速廣域網(wǎng)和社區(qū)寬帶網(wǎng)協(xié)議族的一部分。

40第四十頁，共47頁。點對點PPP鏈路通信過程①建立數(shù)據(jù)鏈路————PPP鏈路控制幀LCP②選擇和配置網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議————PPP網(wǎng)絡(luò)控制幀NCP③網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)包在PPP協(xié)議控制下傳輸————PPP信息幀41第四十一頁，共47頁。PPP信息幀格式

標(biāo)志（flag）：01111110

地址（address）：值為“FF”（11111111），表示網(wǎng)中所有的站都接收該幀。

控制（control）：值為“03”（00000011）

協(xié)議（protocol）：長度為2字節(jié)，它標(biāo)識出網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議數(shù)據(jù)域的類型。常用的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的類型主要有：0021H—TCP/IP0027H