數(shù)據(jù)鏈路層的作用N網(wǎng)絡基礎目錄Contents理解數(shù)據(jù)鏈路層所解決的問題掌握數(shù)據(jù)鏈路層的功能學習目標1數(shù)據(jù)鏈路層解決的問題2數(shù)據(jù)鏈路層的功能

研究數(shù)據(jù)鏈路層時，我們可以只考慮數(shù)據(jù)鏈路層（不考慮網(wǎng)絡體系結構的其他各層），換句話說，我們可以想象數(shù)據(jù)包只在數(shù)據(jù)鏈路層從左向右沿水平方向傳送。所以主機H1到主機H2的通信，可以看成是在4段不同的鏈路上的通信組成的。數(shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層在向物理層提供服務的基礎上向網(wǎng)絡層提供服務，其最基本的服務是將源端網(wǎng)絡層來的數(shù)據(jù)可靠地傳輸?shù)较噜徆?jié)點的目標機網(wǎng)絡層。為保障數(shù)據(jù)塊的有效傳輸，數(shù)據(jù)鏈路層必須要解決：數(shù)據(jù)成幀、幀的傳輸及差錯處理、數(shù)據(jù)鏈路的通路管理等幾個問題。數(shù)據(jù)鏈路層解決的問題路由器A路由器B主機A主機B將數(shù)據(jù)組成幀鏈路建立、維持、釋放數(shù)據(jù)鏈路Internet物理層數(shù)據(jù)鏈路網(wǎng)絡層傳輸層應用層物理層數(shù)據(jù)鏈路網(wǎng)絡層……1010110110101101與下一個節(jié)點間的鏈路管理11101101出錯10101101差錯處理物理層物理鏈路數(shù)據(jù)鏈路數(shù)據(jù)鏈路物理鏈路數(shù)據(jù)鏈路網(wǎng)絡層傳輸層應用層物理層數(shù)據(jù)鏈路網(wǎng)絡層物理鏈路數(shù)據(jù)鏈路層功能1、成幀：數(shù)據(jù)鏈路層為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)有效的差錯控制，以幀的形式傳輸數(shù)據(jù)，此時，就必須有相應的幀同步技術，這就是數(shù)據(jù)鏈路層的“成幀”（也稱為“幀同步”）。網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)鏈路層物理層物理鏈路網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)幀尾幀頭發(fā)送端接收端裝入幀比特流1010……0110網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)幀比特流取出網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)幀尾幀頭數(shù)據(jù)鏈路層功能1發(fā)送方將待發(fā)送的數(shù)據(jù)通過應用層封裝成為應用層協(xié)議數(shù)據(jù)單元，然后交付給運輸層。2運輸層為其添加運輸層協(xié)議首部，使之成為運輸層協(xié)議數(shù)據(jù)單元，然后交付給網(wǎng)絡層。3網(wǎng)絡層為其添加網(wǎng)絡層協(xié)議首部，使之成為網(wǎng)絡層協(xié)議數(shù)據(jù)單元，然后交付給數(shù)據(jù)鏈路層。4數(shù)據(jù)鏈路層給網(wǎng)絡層協(xié)議數(shù)據(jù)單元添加一個數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議首部，簡稱為幀頭，還要給其添

加

一個幀尾。我們將數(shù)據(jù)鏈路層給網(wǎng)絡層交付的協(xié)議數(shù)據(jù)單元添加幀頭和幀尾的操作，稱為封裝成幀。數(shù)據(jù)鏈路層功能

添加幀頭和幀尾的目的都是為了在鏈路上以幀為單元來傳送數(shù)據(jù)，也就是為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層本身的功能。數(shù)據(jù)鏈路層功能2、差錯控制技術：數(shù)據(jù)鏈路層的一個重要功能就是分析差錯產(chǎn)生的原因與差錯類型，研究檢查是否產(chǎn)生差錯以及如何糾正差錯，即差錯控制技術。實際的通信鏈路都不是理想的，比特在傳輸過程中可能產(chǎn)生差錯：1可能變成0，0可能變成1源端目的端通信信道01010100101110數(shù)據(jù)噪聲數(shù)據(jù)+噪聲物理層傳輸差錯的產(chǎn)生過程如下：

數(shù)據(jù)鏈路層功能奇偶校驗碼是一種通過增加冗余位使得碼字中“１”的個數(shù)為奇數(shù)或偶數(shù)的編碼方法，它是一種檢錯碼。增加的冗余位又叫校驗位，一般情況下，校驗位是加在原始數(shù)據(jù)字節(jié)的最高位或最低位。把信源編碼后的信息數(shù)據(jù)流分成等長分組，在每一信息分組之后加入一位校驗碼元作為奇偶校驗位，如果總碼長n中的“1”的個數(shù)為偶數(shù)，則為偶校驗碼。否則為奇校驗碼。奇偶校驗只能檢測出奇數(shù)位錯，對偶數(shù)位錯則無能為力。奇偶校驗碼

數(shù)據(jù)鏈路層功能奇偶校驗碼循環(huán)冗余校驗CRC數(shù)據(jù)鏈路層功能循環(huán)冗余校驗CRC數(shù)據(jù)鏈路層功能異或算符的值為真僅當兩個運算元中恰有一個的值為真，而另外一個的值為非真。轉化為命題，就是：“兩者的值不同循環(huán)冗余校驗CRC數(shù)據(jù)鏈路層功能可靠傳輸機制和流量控制數(shù)據(jù)鏈路層功能使用差錯檢測技術（如CRC），接收方的數(shù)據(jù)鏈路層就可檢測出幀在傳輸過程中是否產(chǎn)生了誤碼（比特錯誤）。但是接下來該怎么處理呢，這取決于數(shù)據(jù)鏈路層向其上層提供的服務類型，「不可靠傳輸服務」：僅僅丟棄有誤碼的幀，其他啥都不做?！缚煽總鬏敺铡梗合朕k法實現(xiàn)發(fā)送端發(fā)送什么，接收端就接收什么。

流量控制涉及對鏈路上的幀的發(fā)送速率的控制，以使接收方有足夠的緩沖空間來接收每個幀。

流量控制的基本方法是由接收方控制發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)的速率?；瑒哟翱诹髁靠刂频幕驹頂?shù)據(jù)鏈路層功能在任意時刻，發(fā)送方都維持一組連續(xù)的允許發(fā)送的幀的序號，稱為發(fā)送窗口。同時接收方也維持一組連續(xù)的允許接收幀的序號，稱為接收窗口。滑動窗口流量控制的基本原理數(shù)據(jù)鏈路層功能1在接收方，只有收到的數(shù)據(jù)幀的序號落入接收窗口內才收下，否則丟棄。當接收窗口收到了一個序號正確的幀后會向前滑動一個位置同時向接收方發(fā)送確認信息，發(fā)送窗口收到確認信息后才能向前滑動一個幀的位置。2接收窗口的大小為1時，可保證幀的有序接收。3數(shù)據(jù)鏈路層的滑動窗口協(xié)議中，窗口的大小在傳輸過程中是固定的

可靠傳輸機制數(shù)據(jù)鏈路層功能數(shù)據(jù)鏈路層的可靠傳輸通常使用確認和超時重傳兩種機制來完成。確認是一種無數(shù)據(jù)的控制幀，這種控制幀使得接收方可以讓發(fā)送方知道哪些內容被正確接收。超時重傳是指發(fā)送方在發(fā)送某個數(shù)據(jù)幀后就開啟一個計時器，在一定時間內如果沒有得到發(fā)送的數(shù)據(jù)幀的確認幀，那么就重新發(fā)送該數(shù)據(jù)幀，直到發(fā)送成功為止。給超時計時器設置的超時重傳時間RTO應當仔細選擇，一般將RTO設置為略大于收發(fā)雙方的平均往返時間RTT?？煽總鬏敊C制數(shù)據(jù)鏈路層功能自動重傳請求(AutoRepeatreQuest,ARQ)通過接收方請求發(fā)送方重傳出錯的數(shù)據(jù)幀來恢復出錯的幀，是通信中用于處理信道所帶來的差錯的方法之一。傳統(tǒng)自動重傳請求分為三種，即停止-等待ARQ、后退N幀ARQ、選擇重傳ARQ。從滑動窗口的概念上看：停止-等待協(xié)議(Stop-and-Wait)：發(fā)送窗口大小=1，接收窗口大小=1。后退N幀協(xié)議(Go-Back-N,GBN)：發(fā)送窗口大小>1，接收窗口大小=1。選擇重傳協(xié)議(SelectiveRepeat,SR)：發(fā)送窗口大小>1,接收窗口大小>1。單幀滑動窗口與停止-等待協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層功能停止-等待協(xié)議相當于發(fā)送窗口和接收窗口大小均為1的滑動窗口協(xié)議。多幀滑動窗口與后退N幀協(xié)議（GBN）數(shù)據(jù)鏈路層功能在后退N幀（GBN）協(xié)議中，發(fā)送方無須在收到上一個幀的ACK后才能開始發(fā)送下一幀，而是可以連續(xù)發(fā)送幀。發(fā)送窗口大于1，接收窗口等于1。后退N幀的含義：發(fā)送方在得知某一幀出錯時，不得不重傳該出錯幀及隨后的N個幀。這也反映了接收方只允許按順序接收幀。當出錯率較高時GBN協(xié)議也不一定優(yōu)于停止-等待協(xié)議。多幀滑動窗口與后退N幀協(xié)議（GBN）數(shù)據(jù)鏈路層功能發(fā)送方如何得知出錯幀？接收方發(fā)現(xiàn)出錯幀后就發(fā)送上一正確接收幀的確認ACK，發(fā)送方在接收到多個相同的確認ACK后就知道它的下一幀是出錯幀（即冗余ACK，稱為快速重傳）；或者發(fā)送方的某個幀超時后仍未返回確認信息，則為出錯幀（超時重傳）。累積確認，為了減少開銷GBN協(xié)議規(guī)定接收方不必每收到一個正確的數(shù)據(jù)幀就必須發(fā)回一個確認幀。可以在自己有數(shù)據(jù)要發(fā)送時才將對以前正確收到的幀加以捎帶確認。（比如收到了1、3、5號幀的確認，代表5號幀及以前都收到了）多幀滑動窗口與選擇重傳協(xié)議（SR）數(shù)據(jù)鏈路層功能無累積確認，因為要選擇出錯的那一幀重傳，所以每個都要確認。采用NAK機制重傳，即發(fā)送否認幀NAK，若某幀出錯，就要求發(fā)送方重傳指定幀。當接收方發(fā)現(xiàn)某幀出錯后，其后繼續(xù)送來的正確的幀雖然不能立即遞交給接收方的高層，當接收方仍可以收下來，存放在一個緩存區(qū)中，同時要求發(fā)送方重新傳送出錯的那一幀。一旦收到重新傳來的幀后，就可以與已存放于緩存區(qū)中的其余幀一并按正確的順序遞交高層。緩沖區(qū)的數(shù)目等于窗口的大小。多幀滑動窗口與選擇重傳協(xié)議（SR）數(shù)據(jù)鏈路層功能發(fā)送方將序號落在發(fā)送窗口內的4個數(shù)據(jù)分組依次連續(xù)發(fā)送出去，它們經(jīng)過互聯(lián)網(wǎng)的傳輸，陸續(xù)到達接收方，但其中的2號數(shù)據(jù)分組丟失了，只要序號落入接收窗口內且無誤碼的數(shù)據(jù)分組，接收方都會接收。接收方接收0號和1號數(shù)據(jù)分組，并發(fā)送0號和1號確認分組，接收窗口向前滑動兩個位置，這樣4和5這兩個新的序號落入接收窗口。接收方接收3號數(shù)據(jù)分組，并發(fā)送3號確認分組，但接收窗口不能向前滑動，因為3號數(shù)據(jù)分組是未按序到達的數(shù)據(jù)分組多幀滑動窗口與選擇重傳協(xié)議（SR）數(shù)據(jù)鏈路層功能發(fā)送方每按序收到一個確認分組，發(fā)送窗口就向前滑動一個位置，發(fā)送方接收0號和1號確認分組，發(fā)送窗口向前滑動兩個位置，這樣4和5這兩個新的序號就落入發(fā)送窗口。發(fā)送方將落入發(fā)送窗口的4號和5號數(shù)據(jù)分組發(fā)送出去，發(fā)送方現(xiàn)在可以將確認的0號和1號數(shù)據(jù)分組從發(fā)送緩存中刪除了。當發(fā)送方針對2號數(shù)據(jù)分組的重傳計時器超時了，發(fā)送方重傳2號數(shù)據(jù)分組。數(shù)據(jù)鏈路層功能可靠傳輸、滑動窗口、流量控制三者關系可靠傳輸：發(fā)送端發(fā)啥，接收端收啥；流量控制：控制發(fā)送速率，使接收方有足夠的緩沖空間來接收每一