1、1,第三章 點(diǎn)對點(diǎn)信道的數(shù)據(jù)鏈路層,主要內(nèi)容： 數(shù)據(jù)鏈路層的基本概念 三個(gè)基本問題 停止等待協(xié)議 發(fā)送窗口大于1的ARQ協(xié)議 點(diǎn)對點(diǎn)協(xié)議PPP HDLC協(xié)議,2,數(shù)據(jù)鏈路層的簡單模型：,數(shù)據(jù)鏈路層的基本概念,3,數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元幀 數(shù)據(jù)鏈路層的任務(wù)就是：把網(wǎng)絡(luò)層交下來的數(shù)據(jù) 發(fā)送到鏈路上，以及把接收得到幀中的數(shù)據(jù)取出 并上交給網(wǎng)絡(luò)層。在因特網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議數(shù)據(jù) 單元就是IP數(shù)據(jù)報(bào)（或簡稱為數(shù)據(jù)報(bào)、分組或 包）。,4,數(shù)據(jù)鏈路層的主要功能： （1）結(jié)點(diǎn)A的數(shù)據(jù)鏈路層把網(wǎng)絡(luò)層交下來的IP數(shù)據(jù)報(bào)封 裝成幀。 （2）結(jié)點(diǎn)A把封裝好的幀發(fā)送給結(jié)點(diǎn)B的數(shù)據(jù)鏈路層。 （3）若結(jié)點(diǎn)B的數(shù)據(jù)鏈路層收到的

2、幀無差錯(cuò)，則從收到 的幀中 提取出IP數(shù)據(jù)報(bào)上交給上面的網(wǎng)絡(luò)層，否則丟 棄這個(gè)幀。,5,6,鏈路和數(shù)據(jù)鏈路： 鏈路（link):就是從一個(gè)結(jié)點(diǎn)到相鄰結(jié)點(diǎn)的一段物理線路， 而中間沒有任何其他的交換結(jié)點(diǎn)，即物理鏈路。 數(shù)據(jù)鏈路（data link): 數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，除了必須有一條物理 線路外，還必須有一些必要的通信協(xié)議來控制這些數(shù)據(jù) 的傳輸。把實(shí)現(xiàn)這些協(xié)議的硬件和軟件加到鏈路上，就 構(gòu)成了數(shù)據(jù)鏈路，即邏輯鏈路?，F(xiàn)在最常用的方法是使用 網(wǎng)絡(luò)適配器來實(shí)現(xiàn)這些協(xié)議的硬件和軟件。一般的適配器 都包括了數(shù)據(jù)鏈路層和物理層這兩層的功能。,7,三個(gè)基本問題是： （1）幀定界：數(shù)據(jù)鏈路層的發(fā)送端應(yīng)該讓對方接收端 的

3、數(shù)據(jù)鏈路層知道，所發(fā)送的幀從什么地方開始和從什 么地方結(jié)束。即幀定界問題。 （2）透明傳輸：數(shù)據(jù)鏈路層傳送的數(shù)據(jù)的比特組合必 須是不受限制的。數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議不能禁止傳送某種特 殊的比特組合。 （3）差錯(cuò)檢測：當(dāng)接收端檢測出有差錯(cuò)的幀時(shí)，根據(jù) 協(xié)議的不同，可以有不同的處理方法。丟棄出錯(cuò)幀或立 即通知發(fā)送端。,三個(gè)基本問題,8,幀定界 幀定界（framing)就是確定幀的界限。 透明傳輸 差錯(cuò)檢測,9,停止等待協(xié)議,在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的初期，通信網(wǎng)的傳輸質(zhì)量普遍不很好，因而數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟铄e(cuò)率較高。這時(shí)，數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議就必須解決可靠傳輸?shù)膯栴}。也是數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議從最簡單的停止等待協(xié)議，發(fā)展到功能更復(fù)雜的

4、滑動窗口協(xié)議。 隨著網(wǎng)絡(luò)的通信主干線路大量采用光纖技術(shù)，通信線路產(chǎn)生的誤碼率已大大下降。在這種情況下，在數(shù)據(jù)鏈路層實(shí)現(xiàn)可靠傳輸?shù)牟呗跃妥優(yōu)椴皇潜匾牧恕Ｒ虼?，現(xiàn)在數(shù)據(jù)鏈路層普遍采用的是比較簡單的不可靠傳輸協(xié)議，而把可靠傳輸?shù)呢?zé)任讓傳輸層來完成。,10,停止等待協(xié)議的工作原理 停止等待（stop-and-wait)協(xié)議是最簡單但也是最基本的數(shù) 據(jù)鏈路層協(xié)議。 停止等待協(xié)議規(guī)定 發(fā)送方每發(fā)送一幀后就要停下來等待接收方的確認(rèn)返回,僅 當(dāng)接收方確認(rèn)正確接收后再繼續(xù)發(fā)送下一幀.由于停等協(xié)議 規(guī)定只有一幀完全發(fā)送成功才能發(fā)送新的幀，因而只用一位 二進(jìn)制數(shù)（0和1）來編號就能夠區(qū)分了。 工作原理如下： P8

5、0,11,12,停等協(xié)議的流程圖 （對應(yīng)P82),SEQ表示幀的序號,13,停止等待協(xié)議的重傳時(shí)間 P83-P84,14,停等協(xié)議的最大缺點(diǎn) 停等協(xié)議的最大缺點(diǎn)是：發(fā)送方要停下來等待Ack返回 后再繼續(xù)發(fā)送而造成信道浪費(fèi)，信道的利用率不高，即信道還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有被數(shù)據(jù)比特填滿。設(shè)信道容量是B b/s，幀長 度為L bits，信號在信道中的往返傳播延遲時(shí)間是2R， 并 假定返回的Ack幀很短，不占用信道時(shí)間，則在一個(gè)周期中 實(shí)際用于發(fā)送的時(shí)間L/B， 而空等待的時(shí)間的是2R。因此， 信道的實(shí)際有效利用率只有: U=（L/B）/（L/B）+2R=L/（L+2RB） 這對于傳播延遲時(shí)間長的高速信道特別不利

6、。 例如，若某衛(wèi)星信道B=50kb/s,而L=1kbits,則 U=1000/(1000+25000)=1/26=4% 此外，由于信道差錯(cuò)收不到Ack而造成超時(shí)重傳，以及有效傳送的數(shù)據(jù)必須加上幀頭（包括用于校驗(yàn)的冗余位）構(gòu)成幀來發(fā)送，也都會造成信道有效利用率損失。,15,發(fā)送窗口大于1的ARQ協(xié)議有兩種：連續(xù)ARQ協(xié)議與選擇重傳ARQ協(xié)議。 連續(xù)ARQ協(xié)議的工作原理 這里的要點(diǎn)就是在發(fā)送完一個(gè)數(shù)據(jù)幀后，不是停下來等待對方的確認(rèn)幀，而是可以連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)幀。由于減少了等待確認(rèn)幀的時(shí)間，整個(gè)通信的吞吐量就提高了。 圖3-10，P85-P86 連續(xù)ARQ協(xié)議一方面因連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)幀而提高了信道的利用率，

7、但另一方面，這種做法又使傳送效率降低。,發(fā)送窗口大于1的ARQ協(xié)議,16,17,滑動窗口的概念 在使用連續(xù)ARQ協(xié)議時(shí)，有以下兩個(gè)問題要解決： （1）當(dāng)未被確認(rèn)的數(shù)據(jù)幀的數(shù)目太多時(shí)，只要有一幀出 了差錯(cuò)，就可能要有很多的數(shù)據(jù)幀需要重傳，這必然要白 白花費(fèi)較多的時(shí)間，因而增大開銷。 （2）為了對所發(fā)送出去的大量數(shù)據(jù)幀進(jìn)行編號，每個(gè)數(shù) 據(jù)幀的發(fā)送序號也要占用較多的比特?cái)?shù)，這樣又增加了一 些不必要的開銷。 因此，在連續(xù)ARQ協(xié)議中，應(yīng)將已發(fā)送出去但未被確認(rèn) 的數(shù)據(jù)幀的數(shù)目加以限制。這就是滑動窗口所要研究的內(nèi) 容。,18,滑動窗口協(xié)議 滑動窗口協(xié)議:為了控制發(fā)送方的發(fā)送速度，并考慮到受 發(fā)送緩沖區(qū)大小

8、的制約等，要求對發(fā)送方已發(fā)出但尚未 經(jīng)確認(rèn)的幀的數(shù)目加以限制。這個(gè)數(shù)目就稱為發(fā)送窗口。 發(fā)送窗口用來對發(fā)送端進(jìn)行流量控制。發(fā)送窗口的大小WT 代表在還沒有受到對方確認(rèn)信息的情況下發(fā)送端最多可以 發(fā)送多少個(gè)數(shù)據(jù)幀。落在這個(gè)窗口內(nèi)的幀號就是等待接收 方返回的Ack信號的幀號。幀號只有有限的位數(shù)，到一定時(shí) 間后就反復(fù)循環(huán)了。在進(jìn)行的過程中，窗口位置一直在滑 動。因此，本協(xié)議可看成是一種滑動窗口協(xié)議。,19,發(fā)送窗口的規(guī)則： P80,20,21,同理，在接受端設(shè)置接收窗口WR是為了控制“可以接受哪些 數(shù)據(jù)幀和不可以接受哪些數(shù)據(jù)幀”。在接收端只有當(dāng)收到的 數(shù)據(jù)幀的發(fā)送序號落入到接收窗口內(nèi)才允許將該數(shù)據(jù)幀

9、收 下。若接收到的數(shù)據(jù)幀落在接收窗口之外，則一律將其丟 棄。在連續(xù)ARQ協(xié)議中，接收窗口的大小WR=1。 接收窗口的規(guī)則歸納如下： （1）只有當(dāng)收到的幀的序號與接收窗口一致時(shí)才能接受該 幀。否則，就丟棄它。 （2）每收到一個(gè)序號正確的幀，接收窗口就向前（即向右 方）滑動一個(gè)幀的位置。同時(shí)向發(fā)送端發(fā)送對該幀的確認(rèn)。,22,23,滑窗協(xié)議過程 一般幀號只取有限位二進(jìn)制數(shù)，到一定時(shí)間后就又反復(fù)循環(huán)。若幀號配3位二進(jìn)制數(shù)，則幀號在0-7間循環(huán)。如果發(fā)送窗口尺寸取值為2。則發(fā)送如圖所示。圖中發(fā)送方陰影部分表示打開的發(fā)送窗口，接收方陰影部分則表示打開的接收窗口。,發(fā)送方每次發(fā)送一幀后，待確認(rèn)幀的數(shù)目便增1

10、，每收到一個(gè)確認(rèn)信息后，待確認(rèn)幀的數(shù)目便減1。當(dāng)待確認(rèn)幀的數(shù)目等于發(fā)送窗口尺寸時(shí)，便停止發(fā)送新的幀。,24,當(dāng)數(shù)據(jù)幀的發(fā)送序號所占用的比特?cái)?shù)一定時(shí)，發(fā)送窗口的最大值是多少？ P82-P83,25,連續(xù)ARQ協(xié)議的信道利用率 由于每個(gè)數(shù)據(jù)幀都必須包括一定的控制信息，所以即使 連續(xù)不停發(fā)送數(shù)據(jù)幀，信道利用率也不可能達(dá)到100%。當(dāng)出 現(xiàn)差錯(cuò)時(shí)，數(shù)據(jù)重傳將進(jìn)一步使信道利用率降低。 若幀的長度取得很短，那么控制信息在每一幀中所占的 比例就增大，因而開銷增大，這就導(dǎo)致信道利用率的下降。 但反過來，若幀取得太長，則數(shù)據(jù)幀在傳輸過程中出錯(cuò)的概 率就增大，于是重傳次數(shù)將增大，這也會使信道利用率下降。 因此，存

11、在一個(gè)最佳幀長，在此幀長下信道的利用率最高。,26,設(shè)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)為Ld bit，而控制信息為Lh bit， 則在不產(chǎn)生差錯(cuò)的情況下，實(shí)際的信道利用率U的數(shù)值為： U=Ld/Ld + Lh=1 從上式中可以看出，在數(shù)據(jù)幀中控制信息所占的比例越小， 信道的利用率就越高。因此當(dāng)信道質(zhì)量好時(shí)，采用較長的數(shù) 據(jù)幀可提高信道利用率。但若信道質(zhì)量不好，則數(shù)據(jù)幀出錯(cuò) 的概率就會增大，因而成功發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀需要重傳多次， 這樣就使得上式中分母變?yōu)閿?shù)倍的（ Ld + Lh），使信道利用 率降低。在這種情況下，就應(yīng)采用較短的幀長以便減小數(shù)據(jù) 幀出錯(cuò)的概率。因此，數(shù)據(jù)幀長的選擇與信道質(zhì)量的好壞有 很大關(guān)系。

12、,27,選擇重傳ARQ協(xié)議 為了進(jìn)一步提高信道的利用率，可設(shè)法只重傳出現(xiàn)差錯(cuò)的數(shù) 據(jù)幀或者是計(jì)時(shí)器超時(shí)的數(shù)據(jù)幀。但這時(shí)必須加大接收窗口， 以便先收下發(fā)送序號不連續(xù)但仍處在接收窗口中的那些數(shù)據(jù) 幀。 當(dāng)接收方發(fā)現(xiàn)某幀出錯(cuò)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，但接收方仍可收下來，存放在 一個(gè)緩沖區(qū)中，同時(shí)要求發(fā)送方重新傳送出錯(cuò)的那一幀。一 旦收到重新傳來的幀后，就可以將已存于緩沖區(qū)中的其余幀 一并按正確的順序遞交高層。這種方法稱為選擇重傳.,28,選擇重發(fā)舉例,29,面向比特的鏈路控制規(guī)程HDLC,30,點(diǎn)對點(diǎn)協(xié)議PPP,PPP協(xié)議的特點(diǎn) 對于點(diǎn)對點(diǎn)的鏈路,點(diǎn)對點(diǎn)協(xié)議PPP

13、(Point-Point Protocol) 是目前使用的最廣泛的協(xié)議。現(xiàn)在大部分用戶是使用電 話線撥號接入因特網(wǎng)的，而從用戶計(jì)算機(jī)到ISP的鏈路所 使用的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議就是PPP協(xié)議。 用戶撥號上網(wǎng)的過程：P90,31,32,PPP協(xié)議應(yīng)滿足的需求 （1）簡單 在設(shè)計(jì)因特網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)時(shí)把其中最復(fù)雜的部 分放在TCP協(xié)議中。因此，在數(shù)據(jù)鏈路層，對發(fā)送出的 幀，不需要糾錯(cuò)，不需要序號，也不需要流量控制。如 果添加這些功能，就會和運(yùn)輸層的某些功能重復(fù)。簡單 的設(shè)計(jì)還可使協(xié)議不容易出錯(cuò)，因而使得不同廠商對不同 協(xié)議實(shí)現(xiàn)互操作性提高了。 （2）封裝成幀 PPP協(xié)議必須能夠正確和有效的把網(wǎng)絡(luò)層 交下來的分

14、組（即IP數(shù)據(jù)報(bào)）封裝成數(shù)據(jù)鏈路層的幀，再 發(fā)送出去。接收端在收到幀后，必須能夠準(zhǔn)確地找出幀的 開始和結(jié)束位置。因此，PPP協(xié)議必須規(guī)定特殊的字符作 為幀定界符。,33,（3）透明性 PPP協(xié)議必須保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐该餍?。就?說，不能限制網(wǎng)絡(luò)層交下來的分組中不許出現(xiàn)某種比特組合。 （4）多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議 PPP協(xié)議必須能夠在同一條物理鏈路 上同時(shí)支持多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議（如IP和IPX)的運(yùn)行。 (5) 多種類型鏈路 除了要支持多種網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議外，PPP 還必須能夠在多種類型鏈路上運(yùn)行。例如，串行的或并行的， 同步的或異步的，低速的或高速的等等。 （6）差錯(cuò)檢測（error detection) PP

15、P協(xié)議必須能夠?qū)?收端收到的幀進(jìn)行檢測，并立即丟棄有差錯(cuò)的幀。 注意：僅有差錯(cuò)檢測并不能保證可靠傳輸。,34,（7）連接的活躍度 （8）最大傳送單元 MTU MTU是數(shù)據(jù)鏈路層的幀可以在河的數(shù)據(jù)部分的最大長度，而不是幀的總長度。 （9）網(wǎng)絡(luò)層地址商 （10）數(shù)據(jù)壓縮協(xié)商,35,PPP協(xié)議不需要的功能 （1）糾錯(cuò)（error correction) 在TCP/IP協(xié)議族中，可靠傳輸由運(yùn)輸層的TCP協(xié)議負(fù)責(zé)。PPP協(xié)議是不可靠傳輸協(xié)議。 （2）流量控制 在TCP/IP協(xié)議族中，端到端的流量控制由TCP負(fù)責(zé)，因而鏈路級的PPP協(xié)議就不需要再重復(fù)進(jìn)行流量控制。 （3）序號 PPP協(xié)議不需要序號 （4

16、）多點(diǎn)線路 PPP協(xié)議不支持多點(diǎn)線路，只支持一個(gè)發(fā)送端和一個(gè)接收端的鏈路通信。 （5）半雙工或單工鏈路 PPP協(xié)議只支持全雙工鏈路,36,PPP協(xié)議的組成 PPP協(xié)議有三個(gè)組成部分： （1）一個(gè)將IP數(shù)據(jù)報(bào)封裝到串行鏈路的方法。 （2）一個(gè)用來建立、配置和測試數(shù)據(jù)鏈路的鏈路控制協(xié)議 LCP (Link Control Protocol)。 （3）一套網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議NCP（Network Control Protocol) ， 其中的每一個(gè)協(xié)議支持不同的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，如IP、OSI的網(wǎng) 絡(luò)層等。,37,PPP協(xié)議的幀格式 P93-P94,38,問題3-1：當(dāng)數(shù)據(jù)鏈路層使用PPP協(xié)議或CSMA/CD協(xié)

17、議時(shí)，既然不保證可靠傳輸，那么為什么對所傳輸?shù)膸M(jìn)行差錯(cuò)檢驗(yàn)?zāi)兀?答：當(dāng)數(shù)據(jù)鏈路層使用PPP協(xié)議或CSMA/CD協(xié)議時(shí)，在數(shù)據(jù)鏈路層的接收端對所傳輸?shù)膸M(jìn)行差錯(cuò)檢驗(yàn)是為了不將已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了有差錯(cuò)的幀（不管是什么原因造成的）收下來。如果在接收端不進(jìn)行差錯(cuò)檢測，那么接收端上交給主機(jī)的幀就可能包括在傳輸中出了差錯(cuò)的幀，而這樣的幀對接收端主機(jī)是沒有用處的。 換言之，接收端進(jìn)行差錯(cuò)檢測的目的是：“上交主機(jī)的幀都是沒有傳輸差錯(cuò)的，有差錯(cuò)的都已經(jīng)丟棄了”。或者更加嚴(yán)格地說，應(yīng)當(dāng)是：“我們以很接近于1的概率認(rèn)為，凡是上交主機(jī)的幀都是沒有傳輸差錯(cuò)的”。,39,問題3-2：為什么計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信時(shí)發(fā)送緩存和接收緩存總是需要的？ 答：當(dāng)計(jì)算機(jī)的兩個(gè)進(jìn)程（在同一臺機(jī)器中或在兩個(gè)不同的機(jī)器中）進(jìn)行通信時(shí)，如果發(fā)送進(jìn)程將數(shù)據(jù)直接發(fā)送給接收進(jìn)程，那么這兩個(gè)動作（一個(gè)是發(fā)送，另一個(gè)是接收）是非常難協(xié)調(diào)好的。這是因?yàn)橛?jì)算機(jī)的動作很快，如果在某一時(shí)刻接收進(jìn)程開始執(zhí)行接收的動作，但發(fā)送進(jìn)程的發(fā)送動作稍微早了一點(diǎn)或稍微晚了一點(diǎn)（在收發(fā)雙方事先未進(jìn)行同步的情況下，發(fā)送時(shí)刻不可能恰好和接收時(shí)刻精確地重合），這都會使接收失敗。因此，在計(jì)算機(jī)進(jìn)程之間的通信過程中，廣泛使用緩存。,40,緩存就是在計(jì)算機(jī)的存儲器中設(shè)置的一個(gè)臨時(shí)存放數(shù)據(jù)的空 間。發(fā)送進(jìn)程將欲發(fā)送的數(shù)據(jù)先寫入緩存，然后接收進(jìn)程在合 適的時(shí)