第4章

數(shù)據(jù)鏈路層

主講教師：陳盈電子郵箱：ychen222@163.com本章學習要求了解：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)鏈路層協(xié)議。24.1差錯產(chǎn)生與差錯控制方法

4.1.1為什么要設計數(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：為相鄰節(jié)點提高數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，向網(wǎng)絡層提供高質(zhì)量的服務，傳輸數(shù)據(jù)單元為幀。34.1.2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，簡稱為差錯;差錯控制—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：熱噪聲和沖擊噪聲；由熱噪聲引起的差錯是隨機差錯，或隨機錯；沖擊噪聲引起的差錯是突發(fā)差錯，或突發(fā)錯；引起突發(fā)差錯的位長稱為突發(fā)長度；在通信過程中產(chǎn)生的傳輸差錯，是由隨機差錯與突發(fā)差錯共同構成的。4傳輸

差錯

產(chǎn)生

過程54.1.3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討論誤碼率應該是衡量數(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。74.1.4差錯控制

差錯控制就是要保證所有的幀最終都能按順序正確傳送到相鄰目的節(jié)點的網(wǎng)絡層。數(shù)據(jù)在傳輸過程中會出現(xiàn)差錯，需要對數(shù)據(jù)進行差錯控制。具體做法：在原二進制代碼長度的基礎上增加其位長度，且對增加長度前的數(shù)據(jù)按一定規(guī)律進行變換，以形成含冗余長度的新碼，稱為差錯編碼。8一、檢錯碼與糾錯碼

一般上，增加的位長度（冗余度）越大，對應差錯編碼的糾錯能力就越強，但花費的處理和傳輸時間也越長。差錯編碼通常有兩類：糾錯碼：每個傳輸?shù)姆纸M帶上足夠的冗余信息；接收端能發(fā)現(xiàn)并自動糾正傳輸差錯。檢錯碼:分組僅包含足以使接收端發(fā)現(xiàn)差錯的冗余信息；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。9二、常用的檢錯碼1.奇偶校驗碼在數(shù)據(jù)塊后加一位校驗位，使該數(shù)據(jù)連校驗位在內(nèi)“1”的個數(shù)恒為偶數(shù)個則稱為偶校驗；若“1”個數(shù)恒為奇數(shù)個則稱為奇校驗。設b0-bm-1是在同一組的數(shù)據(jù)，bm為校驗位，則：偶校驗位：bm=b0⊕b1⊕…⊕bm-1奇校驗位：bm=b0⊕b1⊕…⊕bm-1⊕1例：10010111偶校驗位：bm=1奇校驗位：bm=0102.循環(huán)冗余碼（CRC碼）在發(fā)送端產(chǎn)生一個循環(huán)冗余碼，附加在信息位后面一起發(fā)送到接收端，接收端收到的信息按發(fā)送端形成的循環(huán)冗余碼同樣的算法進行校驗，若有錯，需重發(fā)。11循環(huán)冗余編碼工作原理

12

舉例f(x)13驗證整除！表明沒有錯誤。14標準CRC生成多項式G（x）CRC-12G（x）=x12+x11+x3+x2+x+1

（1100000001111）CRC-16G（x）=x16+x15+x2+1

（11000000000000101）CRC-CCITTG（x）=x16+x12+x5+1CRC-32G（x）=x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+

x2+x+115CRC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；如果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%；

161.反饋重發(fā)機制在數(shù)據(jù)鏈路層，大多數(shù)情況都是采用檢錯碼。為了向發(fā)送方報告數(shù)據(jù)的接收情況，接收方使用應答來進行信息反饋。發(fā)送數(shù)據(jù)監(jiān)控信道監(jiān)控信道應答發(fā)收收發(fā)4.1.6差錯控制機制

171.反饋重發(fā)機制

18①重發(fā)：當發(fā)送方接收到否定的回答，表明數(shù)據(jù)發(fā)送錯誤，則需重發(fā)錯誤幀；②超時重發(fā)：如果數(shù)據(jù)幀或應答幀在傳輸過程中丟失，則發(fā)送方收不到應答，即超過接收應答的規(guī)定時間，此時也需重發(fā)幀；③幀重復：若數(shù)據(jù)幀被正確接收，而應答幀被丟失，這種情況接收方會收到兩個相同的幀，這種現(xiàn)象稱為幀重復。解決辦法，對幀進行編號，接收到相同編號的幀放棄。反饋重發(fā)策略

192.反饋重發(fā)機制的分類

⑴停止等待方式

20⑵連續(xù)工作方式

拉回方式選擇重發(fā)方式

214.2數(shù)據(jù)鏈路層的基本概念

4.2.1物理線路與數(shù)據(jù)鏈路線路—鏈路物理線路—數(shù)據(jù)鏈路物理線路+鏈路協(xié)議=數(shù)據(jù)鏈路224.2.2數(shù)據(jù)鏈路控制

⑴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。⑵數(shù)據(jù)鏈路層功能鏈路管理：數(shù)據(jù)鏈路的建立、維持、釋放。幀同步：從收到的比特流中準確地區(qū)分幀的邊界。流量控制：收發(fā)雙方速度保持協(xié)調(diào)。差錯控制：差錯檢查和差錯糾正。幀的透明傳輸：接收方能正確區(qū)分控制信息還是數(shù)據(jù)。尋址：能正確傳輸?shù)侥康墓?jié)點。234.2.3數(shù)據(jù)鏈路層向網(wǎng)絡層提供的服務

數(shù)據(jù)鏈路層是OSI參考模型的第2層；設立數(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)絡層無差錯的數(shù)據(jù)鏈路；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；數(shù)據(jù)鏈路層為網(wǎng)絡層提供的服務主要表現(xiàn)在：正確傳輸網(wǎng)絡層的用戶數(shù)據(jù)，為網(wǎng)絡層屏蔽物理層采用的傳輸技術的差異性。244.3數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的分類面向字符型方式面向比特型方式25一、面向字符型的方式面向字符型的同步傳輸幀格式如下:幀起始字符幀終止字符幀內(nèi)容這種方法使用特殊的“ASCII字符對”作為幀的起始與終止定界符，由于幀同步信息、幀內(nèi)容、幀終止信息都是以字符形式表示，所以稱為“面向字符型的同步傳輸”。26舉例例如：采用ASCII字符對DLESTX表示幀的開始，DLEETX表示幀的結束。若要發(fā)送AB兩個字符，則發(fā)送信息應表示成：DLESTX

A

B

DLEETX由于面向字符方式的幀使用特定的字符來控制幀的傳輸，對采用的字符編碼集依賴比較大，因而兼容性差。27若當數(shù)據(jù)中恰好出現(xiàn)DLESTX或DLEETX時，則應在DLE前再插入一個DLE，如下圖所示：發(fā)送前數(shù)據(jù)：DLESTXADLEETXB發(fā)送時數(shù)據(jù)：DLESTXDLE

DLESTXADLE

DLEETXBDLEETX接收后數(shù)據(jù)：DLESTXADLEETXB傳輸起止字符處理28二、面向比特位的方式使用一個特殊的比特數(shù)據(jù)作為幀的起始與終止定界符，由于幀起始信息、幀內(nèi)容、幀終止信息都是以比特形式表示，所以稱為“面向比特位的同步傳輸”。任意長度的比特串幀起始字符幀終止字符幀內(nèi)容0111111001111110由于面向比特位的同步傳輸?shù)幕締挝皇潜忍兀蚨梢杂脕韨鬏斎我忾L度的二進制比特串，通用性強。29為了防止在傳輸過程中，幀內(nèi)容與幀起止標志具有相同的比特，發(fā)送方邊發(fā)送邊檢查數(shù)據(jù)，每連續(xù)發(fā)送5個1后，自動在其后插入一個0；而接收端則逆操作。如下圖所示：發(fā)送前數(shù)據(jù)：0110111111100011111010發(fā)送時數(shù)據(jù)：0111111001101111101100011111001001111110接收后數(shù)據(jù)：0110111111100011111010傳輸起止定界符處理304.4面向字符型數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議實例:BSCASIIC碼控制字符SOH（startofheading）STX（startoftext）ETB（endoftransmissionblock）ETX（endoftext）ACK（acknowledge）NAK（negativeacknowledge）ENQ（enquire）EOT（endoftransmission）

SYN（synchrous）DLE（datalinkescape）31面向字符型BSC協(xié)議的數(shù)據(jù)幀格式32建立、維護與釋放數(shù)據(jù)鏈路流程圖334.5高級數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議實例—面向比特型

4.5.1HDLC產(chǎn)生的背景

面向字符型數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的缺點：報文格式不一樣；傳輸透明性不好；等待發(fā)送方式，傳輸效率低。344.5.2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，配合主站工作非平衡配置中的結構特點點-點方式多點方式35數(shù)據(jù)鏈路的非平衡配置方式36非平衡配置方式正常響應模式（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），從站響應后才可以向主站發(fā)送數(shù)據(jù)幀。

異步響應模式（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)；主站負責數(shù)據(jù)鏈路的初始化、鏈路的建立、釋放與差錯恢復等功能。37平衡配置方式

鏈路兩端的兩個站都是復合站；復合站同時具有主站與從站的功能；每個復合站都可以發(fā)出命令與響應；平衡配置結構中只有異步平衡模式；異步平衡模式的每個復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合站的許可。38數(shù)據(jù)鏈路的平衡配置方式394.5.3HDLC的幀結構

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（數(shù)據(jù)鏈路層地址）C（control）：幀的類型、幀的編號、命令與控制信息I（information）：網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)，Nmax=256BCRC（checksum）：校驗A、C、I字段的數(shù)據(jù)

G(X)=X16+X12+X5+140零比特插入/刪除工作過程41幀類型及控制字段的意義42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

P與F成對出現(xiàn)S幀：監(jiān)控功能位(起確認、流量控制等作用)

S=00，RR（receiveready）

S=01，RNR（receivenotready）S=10，RJE（reject）S=11，SREJ（selectreject）U幀：用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路控制功能43U幀的格式與鏈路控制功能444.5.4數(shù)據(jù)鏈路層的工作過程簡化的信息幀結構的表示方法一個信息幀的表示

45無編號幀的表示方法

SNRM幀與UA幀結構的表示方法

46正常響應模式數(shù)據(jù)鏈路工作47討論：數(shù)據(jù)鏈路層與物理層的關系484.6Internet中的數(shù)據(jù)鏈路層

4.6.1Internet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-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。494.6.2SLIP協(xié)議SLIP出現(xiàn)于20世紀80年代初;SLIP協(xié)議支持TCP/IP協(xié)議;對數(shù)據(jù)報進行了簡單的封裝，然后用RS-232接口串行線路進行傳輸;SLIP通常也用來將遠程終端連接到UNIX主機，也可通過租用或撥號串行線路進行主機到路由器，以及路由器到路由器的通信。50典型的SLIP接入方式Internet的家庭或小型公司用戶通過調(diào)制解調(diào)器、電話網(wǎng)絡連接到ISP的調(diào)制解調(diào)器；ISP的調(diào)制解調(diào)器再通過它的路由器接入Internet；SLIP系統(tǒng)一般可以發(fā)送和接收1006B的IP數(shù)據(jù)報。51SLIP協(xié)議的幀結構RFC1055文件對SLIP幀格式進行了討論;SLIP幀頭與幀尾的“C0”，是協(xié)議使用的惟一的一個控制字符;C0的二進制編碼比特序列是10000110000000;C0的使用將影響SLIP幀數(shù)據(jù)的透明性;52SLIP協(xié)議的缺點使用SLIP協(xié)議時，通信的雙方都必須知道對方的IP地址，因為SLIP協(xié)議沒有為它們提供相互交換地址信息的方法；沒有設置協(xié)議類型字段，不具備同時處理多種網(wǎng)絡層協(xié)議的能力；沒有校驗和字段，差錯控制功能由高層的協(xié)議承擔；SLIP協(xié)議并不是Internet的協(xié)議標準，因此不同版本的之間就會存在著差別，使得互連變得困難。534.6.3CSLIP協(xié)議SLIP協(xié)議通常運行于傳輸速率相對較低的串行線路上;在常用于Telnet之類的應用程序中，人們提出了一種壓縮的SLIP（CSLIP）協(xié)議;RFC1144對CSLIP進行了定義;Telnet是一種交互式的應用程序，每次常常只傳送幾個字節(jié)的信息，通信效率低。

544.6.4PPP協(xié)議基本特點PPP協(xié)議是Internet標準，RFC1660、RFC1661定義了PPP協(xié)議與幀結構；PPP協(xié)議處理了差錯