1、第二章 網(wǎng)絡(luò)接口層,第二章 網(wǎng)絡(luò)接口層,1 物理層 2 數(shù)據(jù)鏈路層 3 本章作業(yè),1 物理層,1.1 基本概念 1.2 傳輸媒介 1.3 數(shù)據(jù)傳輸 1.4 信道復(fù)用技術(shù) 1.5 物理層標(biāo)準(zhǔn)舉例,1.1 基本概念,目的：將數(shù)據(jù)比特流從一臺機(jī)器傳輸?shù)搅硪慌_機(jī)器 功能： 將來自上層的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為適合物理信道的信號 為上層屏蔽物理設(shè)備、傳輸媒介和通信方式等的差異 主要任務(wù)：確定與傳輸媒體的接口特性 機(jī)械特性 電氣特性 功能特性 規(guī)程特性,1.1 基本概念,目的：將數(shù)據(jù)比特流從一臺機(jī)器傳輸?shù)搅硪慌_機(jī)器 功能： 將來自上層的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為適合物理信道的信號 為上層屏蔽物理設(shè)備、傳輸媒介和通信方式等的差異 主要任

2、務(wù)：確定與傳輸媒體的接口特性 機(jī)械特性 電氣特性 功能特性 規(guī)程特性,指明接口所采用的接線器的形狀和尺寸、 引線數(shù)目和排列、固定和鎖定裝置等等。,1.1 基本概念,目的：將數(shù)據(jù)比特流從一臺機(jī)器傳輸?shù)搅硪慌_機(jī)器 功能： 將來自上層的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為適合物理信道的信號 為上層屏蔽物理設(shè)備、傳輸媒介和通信方式等的差異 主要任務(wù)：確定與傳輸媒體的接口特性 機(jī)械特性 電氣特性 功能特性 規(guī)程特性,指明接口電纜的各條引線上 出現(xiàn)的信號電平（電壓）的范圍。,1.1 基本概念,目的：將數(shù)據(jù)比特流從一臺機(jī)器傳輸?shù)搅硪慌_機(jī)器 功能： 將來自上層的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為適合物理信道的信號 為上層屏蔽物理設(shè)備、傳輸媒介和通信方式等的差

3、異 主要任務(wù)：確定與傳輸媒體的接口特性 機(jī)械特性 電氣特性 功能特性 規(guī)程特性,指明某條引線上出現(xiàn)的某一信號電平 的電壓表示何種意義。,1.1 基本概念,目的：將數(shù)據(jù)比特流從一臺機(jī)器傳輸?shù)搅硪慌_機(jī)器 功能： 將來自上層的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為適合物理信道的信號 為上層屏蔽物理設(shè)備、傳輸媒介和通信方式等的差異 主要任務(wù)：確定與傳輸媒體的接口特性 機(jī)械特性 電氣特性 功能特性 規(guī)程特性,指明對于不同功能的 各種可能事件的出現(xiàn)順序。,1.1 基本概念,數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型,調(diào)制解調(diào)器,PC 機(jī),公用電話網(wǎng),調(diào)制解調(diào)器,數(shù)字比特流,數(shù)字比特流,模擬信號,模擬信號,正文,正文,PC 機(jī),1.1 基本概念,數(shù)字信號的傅里

4、葉分析 任何一個周期為T的有理周期性函數(shù) g(t) 均可分解為若干項(xiàng)（可能無限多項(xiàng)）正弦和余弦函數(shù)之和：,其中：f=1/T是基頻，an、bn稱為正弦和余弦函數(shù)的n次諧波的振幅。,1.1 基本概念,數(shù)字信號的傅里葉分析 任何信號的傳輸都可以理解為以傅里葉級數(shù)的形式傳遞 如每個傅里葉級數(shù)的信號分量被等量衰減，則合成后，振幅有所衰減，基本形狀不變 對任何已知的g(t)，可求得：,1.1 基本概念,數(shù)字信號的傅里葉分析 諧波數(shù)越高，傳輸質(zhì)量越好 如傳輸ASCII字符b，即01100010，可求得,1.1 基本概念,數(shù)字信號的傅里葉分析,1.1 基本概念,數(shù)據(jù)傳輸率 帶寬 帶寬有時又叫吞吐量?！皫挕北?/p>

5、來的意思是指某個信號所具有的頻帶寬度。單位：赫茲Hz 周期性矩形脈沖的帶寬 對于數(shù)字信道，“帶寬”是指在信道上(或一段鏈路上)能夠傳送的數(shù)字信號的速率，即數(shù)據(jù)速率或比特率。,信道帶寬,1.1 基本概念,數(shù)據(jù)傳輸率 比特率：數(shù)據(jù)傳輸速率 bps 波特率：信號變化次數(shù)（每秒采樣次數(shù)） 如果信號分為兩級：0，1，則波特率=比特率 如果信號分為4級：則一次信號變化（一次采樣可表示2比特） 如果信號分為V級，則比特率=log2V波特率,1,0,1.1 基本概念,數(shù)據(jù)傳輸率 設(shè)波特率=比特率=b bps 則發(fā)送8bit需要T=8/b秒，因此基頻f=1/T=b/8 HZ 設(shè)截止頻率為F，則最大的諧波次數(shù)n滿

6、足nf=F，即：n=F/f=8F/b,當(dāng)截止頻率F為3000HZ時，傳輸速率與諧波的關(guān)系,1.1 基本概念,數(shù)據(jù)和信號 數(shù)據(jù)涉及的是事物的表現(xiàn)形式 數(shù)據(jù)有模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)兩種形式 模擬數(shù)據(jù)是指在某個時間段產(chǎn)生的連續(xù)的值，例如聲音和視頻、溫度和壓力等都是時間的連續(xù)函數(shù) 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)是指產(chǎn)生的離散的值，例如文本信息和整數(shù) 信號是數(shù)據(jù)的表示形式，或稱數(shù)據(jù)的電磁或電子編碼，他使數(shù)據(jù)能以適當(dāng)?shù)男问皆诮橘|(zhì)上傳輸 信號有模擬信號和數(shù)字信號兩種基本形式 傳輸信號的信道也有模擬信道和數(shù)字信道之分,1.1 基本概念,模擬傳輸和數(shù)字傳輸 模擬傳輸：是指模擬數(shù)據(jù)的傳輸，不關(guān)心所傳輸信號的內(nèi)容，只關(guān)心盡量減少信號的衰減和

7、噪聲，長距離傳輸時，采用信號放大器放大被衰減的信號，但同時也放大了信號中的噪聲 數(shù)字傳輸：是指數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的傳輸，關(guān)心信號的內(nèi)容，可以數(shù)字信號傳輸，也可以模擬信號傳輸，長距離傳輸時，采用轉(zhuǎn)發(fā)器，可消除噪聲的累積 長距離傳輸時，通常采用的是數(shù)字傳輸,1.1 基本概念,奈奎斯特準(zhǔn)則 在無噪聲信道中，帶寬為H Hz，信號電平為V級，則: 最高數(shù)據(jù)傳輸速率=2Hlog2V b/s （信號電平為V級，在二進(jìn)制中，僅為0、1兩級） 即：以高于每秒2H次的速度對次線路進(jìn)行采樣是無意義的，因?yàn)楦哳l分量已被濾波器濾掉而無法再恢復(fù),1.1 基本概念,香農(nóng)定理 在噪聲信道中，帶寬為H Hz，信噪比為S/N，則: 最高數(shù)

8、據(jù)傳輸速率=Hlog2(1+S/N) b/s 一般用分貝（dB）表示信噪比 信噪比（dB）=10log10S/N 如：信噪比為30dB，則S/N=1000,1.1 基本概念,香農(nóng)定理 在噪聲信道（話音信道）中，當(dāng)帶寬為3500 Hz，信噪比為30dB（較為典型的電話信道），則: 最高數(shù)據(jù)傳輸速率=Hlog2(1+S/N) =3500log2(1+1000) 35000 b/s 最大數(shù)據(jù)傳輸速率為35k bps，這是在噪聲信道中的傳輸速率極限，實(shí)際上是不可能達(dá)到的,1.1 基本概念,常用術(shù)語 數(shù)據(jù)(data)運(yùn)送信息的實(shí)體 信號(signal)數(shù)據(jù)的電氣的或電磁的表現(xiàn) “模擬的”(analogo

9、us)連續(xù)變化的 “數(shù)字的”(digital)取值是離散數(shù)值 調(diào)制把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的過程 解調(diào)把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的過程 基帶信號將數(shù)字信號 1 或 0 直接用兩種不同的電壓來表示，然后送到線路上去傳輸。 寬帶信號將基帶信號進(jìn)行調(diào)制后形成的頻分復(fù)用模擬信號,1.1 基本概念,數(shù)據(jù)與信號的形式,1.2 傳輸媒介,1.2 傳輸媒介,雙絞線（Twist Pair，TP）,螺旋絞合的雙導(dǎo)線 每根4對、25對、1800對 典型連接距離100m(LAN) RJ45插座、插頭 優(yōu)缺點(diǎn)： 成本低 組裝密度高、節(jié)省空間 安裝容易(綜合布線系統(tǒng)) 平衡傳輸(高速率) 抗干擾性一般 連接距離短,內(nèi)導(dǎo)體芯

10、線 絕緣 內(nèi)屏蔽 外屏蔽 外套,1.2 傳輸媒介,雙絞線（Twist Pair，TP） 無屏蔽雙絞線 UTP (Unshielded Twisted Pair) 屏蔽雙絞線 STP (Shielded Twisted Pair),1.2 傳輸媒介,雙絞線（Twist Pair，TP） 在雙絞線上安裝RJ-45接頭,1.2 傳輸媒介,雙絞線（Twist Pair，TP） 雙絞線的連接標(biāo)準(zhǔn) 交叉線：交換機(jī)-交換機(jī)、PC-PC、HUB-HUB(標(biāo)準(zhǔn)端口) 直連線：PC/路由器-交換機(jī)/HUB、HUB-HUB(級連端口),交叉線 EIA-568B,直連線 EIA-568A,1.2 傳輸媒介,同軸電纜（

11、Coaxial Cable） 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中使用基帶同軸電纜 阻抗50歐，有粗同軸和細(xì)同軸兩種 應(yīng)用：總線局域網(wǎng)（以太網(wǎng)） 性能：10Mb/s，500米/185米,絕緣層,屏蔽層,1.2 傳輸媒介,光纖（Optical Fiber） 光纖通信利用光纖傳遞光脈沖進(jìn)行通信。 優(yōu)缺點(diǎn)： 傳輸帶寬高：僅受光電轉(zhuǎn)換器件的限制（100Gb/s） 傳輸損耗小，適合長距離傳輸 抗干擾性能極好、誤碼率低，保密性好 輕便 價格較高 需要光電轉(zhuǎn)換 纖芯材料： 塑料 二氧化硅（高純玻璃）,1.2 傳輸媒介,光纖（Optical Fiber）,1.2 傳輸媒介,非導(dǎo)向傳輸媒介-電磁波 無線傳輸所使用的頻段很廣。,1.2

12、傳輸媒介,非導(dǎo)向傳輸媒介-電磁波 無線傳輸所使用的頻段很廣。 短波通信主要是靠電離層的反射，短波信道的通信質(zhì)量較差。 微波在空間主要是直線傳播。 （300M-300GHZ） 地面微波接力通信 （50km，中繼站） 衛(wèi)星通信： 通信距離遠(yuǎn)，通信費(fèi)用與通信距離無關(guān) 傳播時延大,1.2 傳輸媒介,常用傳輸媒介比較,1.3 數(shù)據(jù)傳輸,振幅鍵控（調(diào)幅）,移頻鍵控（調(diào)頻）,移相鍵控（調(diào)相）,非歸零編碼,曼徹斯特編碼,差分曼徹斯特編碼,數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)在模擬信道上傳輸,數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)在數(shù)字信道上傳輸,調(diào)制,編碼,模擬數(shù)據(jù)在數(shù)字信道上傳輸,采樣,量化,編碼,調(diào)制,0,1,0,0,1,1,1,0,0,基帶信號,調(diào)幅,調(diào)頻,調(diào)

13、相,1.3 數(shù)據(jù)傳輸,調(diào)制,正交調(diào)幅QAM,正交調(diào)相QPSK (Quadrature Phase Shift Keying),1.3 數(shù)據(jù)傳輸,編碼,0,1,0,0,1,1,1,0,0,基帶信號,NRZ,曼碼,差分曼碼,位中上升 表示“0”,位中下降 表示“1”,位始無跳變表示“1”,位始有跳變表示“0”,1.3 數(shù)據(jù)傳輸,編碼 非歸零碼特點(diǎn)： 難以分辨一位的結(jié)束和另一位的開始 發(fā)送方和接收方必須有時鐘同步 若信號中“0”或“1”連續(xù)出現(xiàn)，信號直流分量將累加 容易產(chǎn)生傳播錯誤 曼徹斯特碼特點(diǎn)：（主要用于以太網(wǎng)） 克服了NRZ碼的不足 每位中間的跳變既可作為數(shù)據(jù)，又可作為時鐘，自同步 差分曼徹斯

14、特碼特點(diǎn)：（主要用于令牌環(huán)網(wǎng)） 克服了NRZ碼的不足 每位開始的跳變作為數(shù)據(jù)，每位中間的跳變作為時鐘,1.3 數(shù)據(jù)傳輸,采樣、量化、編碼,1.3 數(shù)據(jù)傳輸,脈沖編碼調(diào)制技術(shù)（PCM）,采樣、量化、編碼 話音信道允許的最高頻率通常為3500Hz，采樣頻率8000Hz 每個采樣值采用一個二進(jìn)制代碼來表示，二進(jìn)制代碼的位數(shù)表示量化的精度 對每一路話音信號通常采用8位二進(jìn)制代碼表示一個采樣值。對話音信號進(jìn)行PCM編碼后所得到的數(shù)據(jù)傳輸速率為 8bit*8000次采樣/秒=64k bps,1.3 數(shù)據(jù)傳輸,基帶傳輸和寬帶傳輸 基帶傳輸：信號源產(chǎn)生的原始電信號稱為基帶信號，即將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)0、1直接用兩種不同

15、的電壓表示，然后送到線路上去傳輸。（局域網(wǎng)） 寬帶傳輸：將基帶信號進(jìn)行調(diào)制后形成模擬信號，然后采用頻分復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)寬帶傳輸 有線電視網(wǎng)：帶寬可達(dá)750MHz 寬帶系統(tǒng)可分為多個信道，所以模擬和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)可混合使用，但通常需解決數(shù)據(jù)雙向傳輸?shù)膯栴} 在混合光纖電纜HFC（Hybrid Fiber Coax）中，頻段54-550MHz是電視信號，550-750MHz是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù),1.3 數(shù)據(jù)傳輸,異步通信和同步通信 異步通信：發(fā)送方和接收方的采樣時鐘不是同一個，是以字符為單位的數(shù)據(jù)傳輸 每個字符都要附加1位起始位和1位停止位，以標(biāo)記字符的開始和結(jié)束。此外，還要附加1位奇偶校驗(yàn)位 異步通信必須指定四個參數(shù)

16、：波特率、字符長度、起始位及停止位長度、奇偶校驗(yàn),1.3 數(shù)據(jù)傳輸,異步通信和同步通信 同步通信：發(fā)送方和接收方的采樣時鐘是同一個 面向字符的同步通信：字符集可用ASCII或EBCDIC，數(shù)據(jù)塊由字符組成，數(shù)據(jù)塊前加一個或兩個同步字符SYN用于數(shù)據(jù)塊的同步，每個字符無需起始位和停止位 面向比特流的同步通信：每個數(shù)據(jù)塊的頭部和尾部用一個或多個特殊的比特序列（如01111110）來標(biāo)記數(shù)據(jù)塊的開始和結(jié)束，數(shù)據(jù)塊作為比特流處理，而不是作為字符流,1.3 數(shù)據(jù)傳輸,串行通信和并行通信 串行通信：數(shù)據(jù)以位為單位以時間為序 RS232接口 并行通信：數(shù)據(jù)以字符為單位以時間為序 打印機(jī)接口,1.3 數(shù)據(jù)傳輸

17、,HIPPI 接口,RS-232 接口,1.4 信道復(fù)用技術(shù),在單一物理通信線路(共用信道)上，傳輸若干個獨(dú)立的信號。,信道1,信道n,多路 復(fù)用 器,多路分用器,信道1,信道n,一條線路 n個信道,復(fù)用信道 共用信道,1.4 信道復(fù)用技術(shù),信道復(fù)用類型 頻分復(fù)用 按頻率劃分不同的信道，如CATV系統(tǒng) 時分復(fù)用 按時間劃分不同的信道，目前應(yīng)用最廣泛 波分復(fù)用 按波長劃分不同的信道，用于光纖傳輸 碼分復(fù)用 按地址碼劃分不同的信道，前景看好,1.4 信道復(fù)用技術(shù),信道復(fù)用類型 頻分復(fù)用 整個傳輸頻帶被劃分為若干個頻率通道，每路信號占用一個頻率通道。頻率通道之間留有防護(hù)頻帶以防相互干擾。,1.4 信

18、道復(fù)用技術(shù),信道復(fù)用類型 頻分復(fù)用 從宏觀上看頻分復(fù)用,所有用戶在同樣的時間占用不同的帶寬資源,1.4 信道復(fù)用技術(shù),信道復(fù)用類型 時分復(fù)用 把時間分割成小的時間片，每個時間片分為若干個時隙，每路數(shù)據(jù)占用一個時隙。在通信網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用極為廣泛。,A2,A1,A3,原始信號,D2,D1,D3,數(shù)字化信號,復(fù)用后的數(shù)據(jù)流,時隙號,1,2,3,1,D3,D2,D1,時間片1,2,時間片2,D1,時隙,D2,復(fù)用器,t,所有用戶在不同的時間占用同樣的頻帶寬度,1.4 信道復(fù)用技術(shù),信道復(fù)用類型 波分復(fù)用 整個波長頻帶被劃分為若干個波長范圍，每路信號占用一個波長范圍來進(jìn)行傳輸。,光的頻分復(fù)用,1.4 信道復(fù)

19、用技術(shù),信道復(fù)用類型 碼分復(fù)用 每個用戶把發(fā)送信號用接收方的地址碼序列編碼（任意兩個地址碼序列相互正交）。 不同用戶發(fā)送的信號在接收端被疊加，然后接收方用同樣的地址碼序列解碼。 由于地址碼的正交性，只有與自己地址碼相關(guān)的信號才能被檢出，由此恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)。,也稱碼分多址CDMA,1.4 信道復(fù)用技術(shù),信道復(fù)用類型 碼分復(fù)用 每個站被指派一個惟一的 m bit 碼片序列。 如發(fā)送比特 1，則發(fā)送自己的 m bit 碼片序列。 如發(fā)送比特 0，則發(fā)送該碼片序列的二進(jìn)制反碼。 例如，S 站的 8 bit 碼片序列是 00011011。 發(fā)送比特 1 時，就發(fā)送序列 00011011， 發(fā)送比特 0

20、時，就發(fā)送序列 11100100。 S 站對應(yīng)的碼片向量：(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1),1.4 信道復(fù)用技術(shù),信道復(fù)用類型 碼分復(fù)用 兩個不同站的碼片序列S和T正交，就是向量 S 和T 的歸一化內(nèi)積為0： 任何一個碼片向量與自己的歸一化內(nèi)積為1： 一個碼片向量與其反碼向量的歸一化內(nèi)積為1。,1.4 信道復(fù)用技術(shù),信道復(fù)用類型 碼分復(fù)用,傳輸媒介與信道 傳輸媒介是指傳輸信道的物理載體 信道則提供了傳輸某種信號所需的帶寬，著重體現(xiàn)介質(zhì)的邏輯特性 一根傳輸媒介可能同時提供多個信道 一個信道也可能由多根傳輸媒介級聯(lián)而成,1.4 信道復(fù)用技術(shù),1.5 物理層標(biāo)準(zhǔn)舉例,EIA-RS232-C

21、 接口標(biāo)準(zhǔn) RS-232-C是美國電子工業(yè)協(xié)會制定的物理層標(biāo)準(zhǔn)，用于計(jì)算機(jī)或終端與Modem間接口的物理層協(xié)議，它是DTE與DCE之間的接口標(biāo)準(zhǔn)。 DTE (Data Terminal Equipment)：數(shù)據(jù)終端設(shè)備。具有一定的數(shù)據(jù)處理能力和數(shù)據(jù)發(fā)送、接收能力的設(shè)備。-計(jì)算機(jī)或終端設(shè)備 DCE (Data Circuit-terminating Equipment)：數(shù)據(jù)電路端接設(shè)備。在DTE和傳輸線路之間提供信號變換和編碼的功能，并且負(fù)責(zé)建立、保持和釋放數(shù)據(jù)鏈路的連接。-調(diào)制解調(diào)器,1.5 物理層標(biāo)準(zhǔn)舉例,EIA-RS232-C 接口標(biāo)準(zhǔn) DTE通過DCE與通信傳輸線路相連,DTE,DC

22、E,DCE,串行比特傳輸,信號線與控制線,用戶環(huán)境,通信環(huán)境,用戶設(shè)施,公用電話網(wǎng),DTE,信號線與控制線,用戶設(shè)施,用戶環(huán)境,1.5 物理層標(biāo)準(zhǔn)舉例,EIA-RS232-C 接口標(biāo)準(zhǔn) 機(jī)械特性：25針D型插座及相關(guān)的長、寬、高 25 PIN 9 PIN DTE端為Male DCE端為Female 電氣特性：邏輯0：+12 V 邏輯1：-12 V 最長傳輸距離15 m 最大傳輸速率20k b/s,1.5 物理層標(biāo)準(zhǔn)舉例,EIA-RS232-C 接口標(biāo)準(zhǔn) EIA-232/V.24 的信號定義,(1) 保護(hù)地,(2) 發(fā)送數(shù)據(jù),(3) 接收數(shù)據(jù),(4) 請求發(fā)送,(5) 允許發(fā)送,(6) DCE

23、就緒,(7) 信號地,(8) 載波檢測,(20) DTE 就緒,(22) 振鈴指示,DTE,DCE,計(jì)算機(jī) 或 終端,調(diào)制解調(diào)器,1.5 物理層標(biāo)準(zhǔn)舉例,EIA-RS232-C 接口標(biāo)準(zhǔn) 兩個DTE通過DCE進(jìn)行通信的例子,EIA-232/ V.24接口,EIA-232/ V.24接口,調(diào)制解調(diào)器,DTE-A,DTE-B,DCE-A,DCE-B,調(diào)制解調(diào)器,網(wǎng) 絡(luò),20DTE就緒,2發(fā)送數(shù)據(jù),傳送電話號碼,22振鈴提示,20DTE就緒,6DCE就緒,6DCE就緒,8載波檢測,8載波檢測,4請求發(fā)送,5允許發(fā)送,模擬信號,3-接收數(shù)據(jù),數(shù)字信號,載波信號,載波信號,1.5 物理層標(biāo)準(zhǔn)舉例,EIA

24、-RS232-C 接口標(biāo)準(zhǔn) 利用虛調(diào)制解調(diào)器與兩臺計(jì)算機(jī)相連（DTE直連）,2 數(shù)據(jù)鏈路層,2.1 基本概念 2.2 停等協(xié)議 2.3 連續(xù)ARQ協(xié)議 2.4 面向比特的鏈路層協(xié)議HDLC 2.5 因特網(wǎng)的點(diǎn)對點(diǎn)協(xié)議PPP,2.1 基本概念,數(shù)據(jù)鏈路層的定義： 數(shù)據(jù)鏈路層借助于物理層為網(wǎng)絡(luò)層提供服務(wù) 為網(wǎng)絡(luò)層提供一個較好的服務(wù)接口 定義一個合適的傳輸差錯率 對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流進(jìn)行管理，以免快速的發(fā)送淹沒慢速的接收端 數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）是幀,2.1 基本概念,鏈路： 一條無源的點(diǎn)到點(diǎn)的物理線路，中間沒有任何其他的交換結(jié)點(diǎn) 數(shù)據(jù)鏈路： 物理線路 + 規(guī)程（控制數(shù)據(jù)傳輸） 數(shù)據(jù)鏈路層的作

25、用： 通過數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議（即鏈路控制規(guī)程），在不太可靠的物理鏈路上實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸,2.1 基本概念,數(shù)據(jù)鏈路層的主要功能： 幀定界（幀同步） 透明傳輸 差錯控制 流量控制,2.1 基本概念,數(shù)據(jù)鏈路層的主要功能： 幀定界（幀同步） ：收方能從收到的比特流中區(qū)分幀的開始和結(jié)束；,2.1 基本概念,數(shù)據(jù)鏈路層的主要功能： 透明傳輸：不管所傳數(shù)據(jù)是什么樣的比特組合，收方都能正確接收，并能將數(shù)據(jù)與控制信息分開； 當(dāng)幀中出現(xiàn)一個與幀標(biāo)志相同的位串01111110，則在5個1后自動插入一個0，即變成01111101，接收方將自動刪除第5個1后的0 011011111111111111110010 01

26、1011111011111011111010010 011011111111111111110010,2.1 基本概念,數(shù)據(jù)鏈路層的主要功能： 差錯控制：收到有差錯的數(shù)據(jù)幀時，能檢錯重傳或糾錯； 避免幀錯誤的保證：幀的校驗(yàn) 避免幀丟失的保證：超時和重發(fā) 避免幀重復(fù)的保證：幀有序號 流量控制：發(fā)方發(fā)送數(shù)據(jù)的速率必須使收方來得及接收； 窗口協(xié)議,2.2 停等協(xié)議,數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議主要考慮的問題： 避免所傳送的數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)差錯和丟失； 使發(fā)方發(fā)送數(shù)據(jù)的速率適應(yīng)收方的接收能力。,2.2 停等協(xié)議,完全理想化的數(shù)據(jù)傳輸 假定 1： 鏈路是理想的傳輸信道，所傳送的任何數(shù)據(jù)既不會出差錯也不會丟失。（無差錯控制）

27、 假定 2： 不管發(fā)方以多快的速率發(fā)送數(shù)據(jù)，收方總是來得及收下，并及時上交主機(jī)。（無流量控制）,數(shù)據(jù)鏈路層,主 機(jī) A,緩存,主 機(jī) B,數(shù)據(jù)鏈路,AP2,AP1,緩存,發(fā)送方,接收方,幀,高層,幀,2.2 停等協(xié)議,最簡單的流量控制協(xié)議 保留假設(shè)1；去掉假設(shè)2?？紤]流量控制問題流量控制協(xié)議：使發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)的速率適應(yīng)接收端的接收能力。 發(fā)送端：從數(shù)據(jù)鏈路層的發(fā)送緩存中取一個數(shù)據(jù)幀；發(fā)送這個數(shù)據(jù)幀；等待；若收到由接收端的應(yīng)答信息，轉(zhuǎn)到。,2.2 停等協(xié)議,最簡單的流量控制協(xié)議 保留假設(shè)1；去掉假設(shè)2。考慮流量控制問題流量控制協(xié)議：使發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)的速率適應(yīng)接收端的接收能力。 接收端：等待；接收

28、由發(fā)送端發(fā)來的數(shù)據(jù)幀；將其存入數(shù)據(jù)鏈路層的接收緩存；發(fā)送應(yīng)答信息，表示數(shù)據(jù)幀已接收；轉(zhuǎn)到。,2.2 停等協(xié)議,停等協(xié)議的基本思想 去掉假設(shè)1；去掉假設(shè)2。考慮差錯控制問題差錯控制協(xié)議；考慮流量控制問題流量控制協(xié)議； 初步協(xié)議： 發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)幀后，等待接收端的應(yīng)答幀； 接收端收到數(shù)據(jù)幀后，通過CRC校驗(yàn)(一般用硬件檢驗(yàn))，如果無差錯，回送一個確認(rèn)幀ACK，否則，回送一個否認(rèn)幀NAK。 發(fā)送端收到應(yīng)答幀，如果是ACK，發(fā)送下一數(shù)據(jù)幀，如果是NAK，重發(fā)數(shù)據(jù)幀。,2.2 停等協(xié)議,停等協(xié)議可能的運(yùn)行狀態(tài),時 間,2.2 停等協(xié)議,實(shí)用的停等協(xié)議（ARQ協(xié)議） 數(shù)據(jù)幀丟失可能導(dǎo)致死鎖：當(dāng)出現(xiàn)幀丟失時

29、，發(fā)送端永遠(yuǎn)等待下去。 解決方法：發(fā)送端設(shè)立一個超時計(jì)時器，發(fā)送完一個數(shù)據(jù)幀時，就啟動它；如果在規(guī)定時間tout內(nèi)得不到應(yīng)答幀，就判定為超時，重傳數(shù)據(jù)幀。 tout也稱重傳時間,2.2 停等協(xié)議,實(shí)用的停等協(xié)議（ARQ協(xié)議） 確認(rèn)幀丟失可能導(dǎo)致重復(fù)幀問題：若確認(rèn)幀丟失，按照超時重發(fā)方法，接收端將收到重復(fù)幀。 解決方法：給每個數(shù)據(jù)幀附加不同的發(fā)送序號Ns，如果接收端收到相同序號的數(shù)據(jù)幀，則丟棄，并回送一個ACK。,2.2 停等協(xié)議,發(fā)送序號問題： 對于ARQ協(xié)議，只要保證每發(fā)送一個新的數(shù)據(jù)幀，發(fā)送序號和上次發(fā)送的不一樣即可，重發(fā)的數(shù)據(jù)幀發(fā)送序號不變。因此發(fā)送序號有0和1即可(只需1個bit)。,

30、如果Ns=R，接收，否則丟棄,2.2 停等協(xié)議,檢錯問題： 在數(shù)據(jù)鏈路層傳送的幀中，廣泛使用了循環(huán)冗余檢驗(yàn) CRC 的檢錯技術(shù)。 任何一個k位的幀看成為一個k-1次的多項(xiàng)式M(x)，如：1011001看成x6+x4+x3+x0 設(shè)一個多項(xiàng)式編碼生成多項(xiàng)式G(x)，G(x)為r階，kr 如xrM(x)/G(x)=Q(x)+R(x)，其中Q(x)為商、R(x)為余數(shù)，R(x)即為M(x)的CRC碼 將CRC碼接在幀后一起發(fā)送，即發(fā)送數(shù)據(jù)為xrM(x) +R(x) 因?yàn)閤rM(x) -R(x)一定能被G(x)整除，即余數(shù)為0，則接收方只要計(jì)算的余數(shù)為0即為正確,2.2 停等協(xié)議,檢錯問題： 假設(shè)待傳

31、送的數(shù)據(jù) M = 1010001101（共k bit），即M(x)=x9+x7+x3+x2+1 ；假設(shè)G(x)=x5+x4+x2+1，G(x)的階為5，x5M(x)= x14+x12+x8+x7+x5， x5M(x)/G(x)=Q(x)+R(x)，其中R(x)= x3+x2+x 發(fā)送數(shù)據(jù)為x5M(x) +R(x)= x14+x12+x8+x7+x5+ x3+x2+x， 即101000110101110 01110即供差錯檢測用的 5 bit 冗余碼。,2.2 停等協(xié)議,檢錯問題： 在數(shù)據(jù)后面添加上的冗余碼稱為幀檢驗(yàn)序列 FCS (Frame Check Sequence)。 循環(huán)冗余檢驗(yàn) CR

32、C 和幀檢驗(yàn)序列 FCS并不等同。 CRC 是一種常用的檢錯方法，而 FCS 是添加在數(shù)據(jù)后面的冗余碼。 FCS 可以用 CRC 這種方法得出，但 CRC 并非用來獲得 FCS 的惟一方法。,2.2 停等協(xié)議,檢錯問題： 只要xrM(x) +R(x)除以G(x)得出的余數(shù) R 不為 0，就表示檢測到了差錯。 但這種檢測方法并不能確定究竟是哪一個或哪幾個比特出現(xiàn)了差錯。 一旦檢測出差錯，就丟棄這個出現(xiàn)差錯的幀。 只要經(jīng)過嚴(yán)格的挑選，并使用位數(shù)足夠多的除數(shù) P，那么出現(xiàn)檢測不到差錯的概率就很小。,2.2 停等協(xié)議,tout選取問題：若tout太大，則浪費(fèi)時間；若tout太小，則導(dǎo)致過早重傳數(shù)據(jù)，產(chǎn)

33、生多余的確認(rèn)幀思考：如何解決？,2.2 停等協(xié)議,停等協(xié)議流程：,n,Y,N,丟棄,n,n,R,2.2 停等協(xié)議,停等協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)：比較簡單 缺點(diǎn)：通信信道的利用率不高，也就是說，信道還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有被數(shù)據(jù)比特填滿。 為了克服這一缺點(diǎn)，就產(chǎn)生了另外兩種協(xié)議，即連續(xù) ARQ 和選擇重傳 ARQ。接下來介紹連續(xù)ARQ協(xié)議。,2.3 連續(xù)ARQ協(xié)議,目的：提高信道利用率。 方法：發(fā)送端發(fā)送完一個數(shù)據(jù)幀后，不是停下來等待應(yīng)答幀，而是連續(xù)再發(fā)送若干個數(shù)據(jù)幀。如果這時收到了接收端發(fā)來的確認(rèn)幀，那么還可以接著發(fā)送數(shù)據(jù)幀。由于減少了等待時間，整個通信的吞吐量就提高了。 實(shí)現(xiàn)要求：數(shù)據(jù)幀需附加發(fā)送序號信息。否

34、認(rèn)幀附加出錯數(shù)據(jù)幀的發(fā)送序號。,2.3 連續(xù)ARQ協(xié)議,工作原理：,ACK1 確認(rèn) DATA0,ACK2 確認(rèn) DATA1,DATA2 出錯，丟棄,DATA3 不按序，丟棄，重傳 ACK2,DATA4 不按序，丟棄，重傳 ACK2,DATA5 不按序，丟棄，重傳 ACK2,ACK3 確認(rèn) DATA2,ACK4 確認(rèn) DATA3,超 時 重 傳 時 間,A,B,tout,送交主機(jī),送交主機(jī),?,2.3 連續(xù)ARQ協(xié)議,連續(xù)ARQ協(xié)議采用了不等待確認(rèn)幀返回就連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)幀，但是這樣做一些存在問題： 當(dāng)未被確認(rèn)的數(shù)據(jù)幀數(shù)目太多時；只要有一幀出錯，就有很多數(shù)據(jù)幀需要重傳，因而增大開銷。 為了對發(fā)送出去

35、的大量未被確認(rèn)的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行編號，每個數(shù)據(jù)幀的發(fā)送序號也要占用較多的比特?cái)?shù)，因而又增大了開銷。 解決辦法：滑動窗口 在發(fā)送端和接收端分別設(shè)置發(fā)送窗口和接收窗口。 發(fā)送端對已發(fā)送出去但未確認(rèn)的幀的數(shù)目加以限制。 接收端通過接收窗口控制幀的接收,2.3 連續(xù)ARQ協(xié)議,滑動窗口：發(fā)送窗口（在發(fā)送端） 目的：用來對發(fā)送端進(jìn)行流量控制。 發(fā)送窗口尺寸Ws：在還沒有收到確認(rèn)幀的情況下，發(fā)送端最多可以連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)幀的個數(shù)。 發(fā)送序號： 一般采用n位bit進(jìn)行編號（02n-1） 若n=3；則用3位bit進(jìn)行編號（07）,2.3 連續(xù)ARQ協(xié)議,滑動窗口：發(fā)送窗口（在發(fā)送端） 發(fā)送端只能連續(xù)發(fā)送窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)幀；

36、 若未應(yīng)答幀的數(shù)目等于發(fā)送窗口尺寸時，便停止發(fā)送新的數(shù)據(jù)幀。 每收到一個確認(rèn)幀后，發(fā)送窗口的前、后沿順時針旋轉(zhuǎn)一個號，并可以發(fā)送一個新的數(shù)據(jù)幀。,2.3 連續(xù)ARQ協(xié)議,滑動窗口：接收窗口（在接收端） 目的：用來控制接收哪些數(shù)據(jù)幀，不接收哪些幀。 接收窗口Wr：只有當(dāng)收到的數(shù)據(jù)幀的發(fā)送序號落入接收窗口內(nèi)，才允許將該數(shù)據(jù)幀收下；否則丟棄。 如果Wr=1，意味著只能按順序接收數(shù)據(jù)幀。 如果Wr較大，有可能會出現(xiàn)數(shù)據(jù)幀的失序。,2.3 連續(xù)ARQ協(xié)議,滑動窗口的特點(diǎn)： 只有在接收窗口向前滑動時（與此同時也發(fā)送了確認(rèn)），發(fā)送窗口才有可能向前滑動。 收發(fā)兩端的窗口按照以上規(guī)律不斷地向前滑動，因此這種協(xié)議

37、又稱為滑動窗口協(xié)議。 當(dāng)發(fā)送窗口和接收窗口的大小都等于1時，就是停等協(xié)議。 當(dāng)發(fā)送窗口大于1，接收窗口等于1時，就是我們剛才介紹的連續(xù) ARQ協(xié)議。 思考：如果發(fā)送窗口和接收窗口都大于1時，優(yōu)缺點(diǎn)？,2.3 連續(xù)ARQ協(xié)議,假設(shè) n=3，Ws=Wr=7： n=3 即幀號為0 1 2 3 4 5 6 7 發(fā)送方連續(xù)發(fā)送了7幀，幀號為0 1 2 3 4 5 6，然后等待確認(rèn) 在尚未接收到幀前，接收窗口為0 1 2 3 4 5 6。發(fā)送方發(fā)送的7幀正確地收到后，接收方發(fā)出了確認(rèn)7，意即0 6幀全部收到，然后取出分組交網(wǎng)絡(luò)層、清緩沖區(qū)并調(diào)整窗口為7 0 1 2 3 4 5 發(fā)送方一直在等待確認(rèn)，但確認(rèn)

38、幀由于某種原因失蹤了，在超時后，發(fā)送方又重發(fā)0 1 2 3 4 5 6幀，并等待確認(rèn),2.3 連續(xù)ARQ協(xié)議,假設(shè) n=3，Ws=Wr=7： 接收方收到0 1 2 3 4 5 6幀，認(rèn)為是第二批來的幀，照正常處理，發(fā)現(xiàn)0 1 2 3 4 5均在其接收窗口內(nèi)，當(dāng)然接收并存入緩沖，6丟棄，但由于應(yīng)首先到達(dá)的7未到，所以只能發(fā)ack7，意即再次確認(rèn)上次收到的0 6 但在發(fā)送方來看，收到了ack7后才知道，重發(fā)的0 6總算收到了，于是，調(diào)整窗口為7 0 1 2 3 4 5，從網(wǎng)絡(luò)層取分組，并發(fā)送第二批幀 接收方在收到7 0 1 2 3 4 5后，發(fā)現(xiàn)0 1 2 3 4 5幀已在緩存中，是重復(fù)的，應(yīng)丟棄

39、，7接收。然后交網(wǎng)絡(luò)層，清緩沖區(qū)、調(diào)整接收窗口 此時，接收方的網(wǎng)絡(luò)層發(fā)現(xiàn)：數(shù)據(jù)鏈路層交來的第二批分組中的0 1 2 3 4 5與原來的重復(fù),2.3 連續(xù)ARQ協(xié)議,假設(shè) n=3，Ws=Wr=7： 失敗的原因：接收窗口過大，新窗口與原窗口中的有效順序號有重疊 通常：發(fā)送窗口+ 接收窗口= 接收窗口,2.4 面向比特的鏈路層協(xié)議HDLC,HDLC協(xié)議概述： 1974年，IBM 公司推出了面向比特的規(guī)程SDLC (Synchronous Data Link Control)。 后來 ISO 把 SDLC 修改后稱為 HDLC (High-level Data Link Control)，譯為高級數(shù)據(jù)

40、鏈路控制，作為國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 3309。 CCITT 則將 HDLC 再修改后稱為鏈路接入規(guī)程 LAP (Link Access Procedure)。不久，HDLC 的新版本又把 LAP 修改為 LAPB，“B”表示平衡型(Balanced)，所以 LAPB 叫做鏈路接入規(guī)程(平衡型)。,2.4 面向比特的鏈路層協(xié)議HDLC,HDLC的幀結(jié)構(gòu)： 標(biāo)志字段 F(Flag) 為 6 個連續(xù)的1，兩邊各加上一個0共8bit。在接收端只要找到標(biāo)志字段F就可確定一個幀的起始位置。 信息中有類似的結(jié)構(gòu)，怎么辦？比特填充！,2.4 面向比特的鏈路層協(xié)議HDLC,HDLC的幀結(jié)構(gòu)： 地址字段A長度為8 bi

41、t。 幀檢驗(yàn)序列FCS字段共16 bit。所檢驗(yàn)的范圍是從地址字段的第一個比特起，到信息字段的最末一個比特為止。 控制字段C共 8 bit，是最復(fù)雜的字段。HDLC 的許多重要功能都靠控制字段來實(shí)現(xiàn)。,2.4 面向比特的鏈路層協(xié)議HDLC,HDLC的幀類型： HDLC的幀有三種類型，不同的類型其控制域的定義有些不同 信息幀（I）： Information Frame 監(jiān)控幀（S）：Supervisory Frame 無序號幀（U）：Unnumbered Frame,2.4 面向比特的鏈路層協(xié)議HDLC,HDLC的幀類型： 信息幀（I）： 用于傳送有效信息或數(shù)據(jù) 第2-4比特N(S)：當(dāng)前發(fā)送序號。 第6-8比特N(R)：期望接收幀號，意味著 N(R)-1及以前的幀都正確接收了。 第5比特:詢問/終止比特，P/F比特。主機(jī)查詢哪個終端要發(fā)送數(shù)據(jù)，P置1，表示詢問；終端發(fā)完最后一幀時，F(xiàn)置1，表示終止。,2.4 面向比特的鏈路層協(xié)議HDLC,HDLC的幀類型： 監(jiān)控幀（S）： 用于差錯控制和流量控制 監(jiān)控幀有四種格式： RR-接收準(zhǔn)備好，確認(rèn)以前的幀，并準(zhǔn)備好接收下一幀 RNR-接收未準(zhǔn)備好，確認(rèn)以前的幀，但要求停止發(fā)送 REJ-拒絕接收，確認(rèn)以前的幀，要求