数据链路层的模型

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1、4/11/40 page 1Department of Computer Engineering,Kasetsart University 204325 Introduction to Computer Communications and NetworksCONSYL主机主机A主机主机A结点结点1结点结点1结点结点1传输层协议传输层协议数据链路层协议数据链路层协议数据链路层协议数据链路层协议数据虚通路数据虚通路数据虚通路数据虚通路数据实通路数据实通路数据实通路数据实通路数据链路数据链路/逻辑链路逻辑链路 =（物理）链路（物理）链路 +通信规程通信规程数据链路层提供的数据链路层提供的数字信道数

2、字信道物理层提供的无源物理层提供的无源点到点物理线路段点到点物理线路段数据链路层协议数据链路层协议4/11/40 page 2Department of Computer Engineering,Kasetsart University 204325 Introduction to Computer Communications and NetworksCONSYL数据链路层向网络层提供的服务数据链路层向网络层提供的服务 基本服务：基本服务：将源结点的网络层数据可靠地传输到相邻的将源结点的网络层数据可靠地传输到相邻的 目的结点的网络层目的结点的网络层 三种服务：三种服务：1.无确认的无连接服务

3、：目的结点不作确认，差错由上层负责无确认的无连接服务：目的结点不作确认，差错由上层负责 2.有确认的无连接服务：目的结点对收到的帧要作确认，发送有确认的无连接服务：目的结点对收到的帧要作确认，发送 结点可以知道已发出的帧是否安全到达目的结点；误帧重传结点可以知道已发出的帧是否安全到达目的结点；误帧重传 3.面向连接服务：可靠地传送数据的服务，即提供在网络实体间面向连接服务：可靠地传送数据的服务，即提供在网络实体间 建立、维持和释放数据链路的功能建立、维持和释放数据链路的功能服务原语：服务原语：连接建立阶段：连接建立阶段：DL-CONNECT.request,DL-CONNECT.indicat

4、ion,DL-CONNECT.response,DL-CONNECT.confirm 维持阶段：维持阶段：DL-DATA.request,DL-DATA.indication 释放阶段：释放阶段：DL-DISCONNECT.request,DL-DISCONNECT.indication,4/11/40 page 3Department of Computer Engineering,Kasetsart University 204325 Introduction to Computer Communications and NetworksCONSYL网络层实体的通信过程示例网络层实体的通信

5、过程示例数据链路层数据链路层实体实体数据链路层数据链路层实体实体网络层网络层实体实体网络层网络层实体实体系统系统A系统系统BDL-C.reqDL-C.conDL-C.resDL-C.ind响应帧响应帧DL-DC.indDL-D.reqDL-DC.indDL-D.ind连接请求帧连接请求帧DL-DC.req释放连接请求帧释放连接请求帧响应帧响应帧确认帧确认帧数据帧数据帧DL-D.ind连接建立连接建立阶段阶段数据传送数据传送阶段阶段连接释放连接释放阶段阶段4/11/40 page 4Department of Computer Engineering,Kasetsart University 2

6、04325 Introduction to Computer Communications and NetworksCONSYL数据链路层的功能数据链路层的功能 数据链路管理数据链路管理 成帧：同步、定界及透明传输成帧：同步、定界及透明传输 流量控制流量控制 差错控制差错控制 寻址寻址4/11/40 page 5Department of Computer Engineering,Kasetsart University 204325 Introduction to Computer Communications and NetworksCONSYL控制信息的形成方法（成帧）控制信息的形成方法

7、（成帧）字符计数法：字符计数法：帧头中使用一个字符来表示帧内的字符数缺点：计数字段一旦出错，将无法再同步 带填充字符的首尾界符法：带填充字符的首尾界符法：以特定的字符序列为控制字段缺点：依赖于字符集，不通用，也无法扩展 带填充位的首尾标志法带填充位的首尾标志法：采用统一的帧格式，以特定的 位序列进行帧同步和定界 物理层编码违例法：物理层编码违例法：IEEE802协议只适用于在物理媒体的编码策略中采用了冗余技术的网络，优点：无需填充4/11/40 page 6Department of Computer Engineering,Kasetsart University 204325 Introd

8、uction to Computer Communications and NetworksCONSYL帧首帧首同步字符同步字符帧尾帧尾数据数据Bisync 传输帧填充字符填充字符SYN SYN DLE STX A DLE DLE B DLE DLE C DLE ETX帧首帧首011111100111110110111110001111110帧尾帧尾数据数据带填充位的首尾标志法（面向位）带填充位的首尾标志法（面向位）：HDLC填充位填充位 4/11/40 page 7Department of Computer Engineering,Kasetsart University 204325 I

9、ntroduction to Computer Communications and NetworksCONSYL差错控制差错控制 目的：目的：确保帧可靠地交付接收方 基本方法：基本方法：接收方向发送方应答，告知是否正确收到帧 差错检测和纠正差错检测和纠正 检错码、纠错码检错码、纠错码 汉明距离：汉明距离：两个码字中不同位的个数 纠正单比特差错所需的最少校验位数公式：纠正单比特差错所需的最少校验位数公式：（m+r+1）2 r n位码元，其中m位数据，r位校验 汉明纠错法：汉明纠错法：纠正单比特错 CRC码：可码：可检测出所有奇数位错及长度r的并发错误 4/11/40 page 8Departm

10、ent of Computer Engineering,Kasetsart University 204325 Introduction to Computer Communications and NetworksCONSYLCRC（循环冗余码（循环冗余码/多项式编码）多项式编码）编码思想：编码思想：将位串看成系数为0或1的多项式 检错思想：检错思想：收发双方约定一个生成多项式G(x)（其最高阶和最低阶系数必须为1），发送方在帧的末尾加上校验和，使带校验和的帧的多项式能被G(x)整除；接收方收到后，用G(x)除多项式，若有余数，则传输有错。校验和计算算法校验和计算算法 若G(x)为r阶，原帧

11、为m位，其多项式为M(x)，则在原帧后面添加r个0，帧成为n+r位，相应多项式xr M(x)按模2除法用对应于G(x)的位串去除对应于xr M(x)的位串 按模2减法从对应于xr M(x)的位串中减去余数，结果就是要传送的带校验和的帧的多项式T(x)T(x)=xr M(x)+xr M(x)MOD2 G(x)4/11/40 page 9Department of Computer Engineering,Kasetsart University 204325 Introduction to Computer Communications and NetworksCONSYL发送方式（流控制技术）

12、发送方式（流控制技术）理想化的数据传输无需数据链路层协议理想化的数据传输无需数据链路层协议假定假定1：链路是理想的传输信道，数据既不会出错也不会丢失：链路是理想的传输信道，数据既不会出错也不会丢失假定假定2：不管发送方的速率多快，接收方总能接收到并上交：不管发送方的速率多快，接收方总能接收到并上交 等待发送（停止等待协议）等待发送（停止等待协议）发送方发出一帧后，要停下来等待接收方的应答，收到确认后发送方发出一帧后，要停下来等待接收方的应答，收到确认后才能发送下一帧才能发送下一帧连续发送（连续连续发送（连续ARQ协议协议/流水线协议）流水线协议）发送方可以连续发送若干帧，如果在此过程中收到接收

13、方的肯发送方可以连续发送若干帧，如果在此过程中收到接收方的肯定应答，可以继续发送；若收到对其中某一帧的否认帧，则从定应答，可以继续发送；若收到对其中某一帧的否认帧，则从该帧开始的后续帧全部重发该帧开始的后续帧全部重发4/11/40 page 10Department of Computer Engineering,Kasetsart University 204325 Introduction to Computer Communications and NetworksCONSYL从从主主机机取取数数据据上上交交主主机机DATA1DATA4DATA3DATA2结点结点A结点结点B从从主主机机

14、取取数数据据上上交交主主机机DATA1DATA2结点结点A结点结点B从从主主机机取取数数据据上上交交主主机机DATA1DATAnDATA2结点结点A结点结点BACKACKDATAn+3DATAn+2DATAn+1NAKn+1 ACK 理想信道理想信道 具有简单流量控制具有简单流量控制的数据链路层协议的数据链路层协议 流水线协议流水线协议4/11/40 page 11Department of Computer Engineering,Kasetsart University 204325 Introduction to Computer Communications and NetworksC

15、ONSYLl 差错控制技术差错控制技术l 差错控制差错控制l 肯定应答（确认）肯定应答（确认）l 超时后重传超时后重传l 否认否认l标准标准l停止停止 ARQlGo-back-N ARQl选择重传选择重传 ARQ自动请求重传自动请求重传Automatic Repeat Request(ARQ)4/11/40 page 12Department of Computer Engineering,Kasetsart University 204325 Introduction to Computer Communications and NetworksCONSYL实用的停止等待协议（有噪声信道的单

16、工协议）实用的停止等待协议（有噪声信道的单工协议）前提：实际信道不满足理想化数据传输的假定前提：实际信道不满足理想化数据传输的假定 流量控制方法：等待发送流量控制方法：等待发送 差错控制：发送方数据帧中加入校验码（差错控制：发送方数据帧中加入校验码（CRC），由接收方），由接收方检查；若出错，返回检查；若出错，返回NAK；发送方收到；发送方收到NAK后重发。后重发。帧丢失处理：超时定时器；以序号标识数据帧帧丢失处理：超时定时器；以序号标识数据帧 优点：简单优点：简单 缺点：缺点：信道利用率低信道利用率低4/11/40 page 13Department of Computer Engineer

17、ing,Kasetsart University 204325 Introduction to Computer Communications and NetworksCONSYLdata iACKdata i+1发出对刚收到的发出对刚收到的数据帧的应答数据帧的应答发出一帧发出一帧等待，直到收到等待，直到收到ACK才发送下一帧才发送下一帧发送方发送方接收方接收方4/11/40 page 14Department of Computer Engineering,Kasetsart University 204325 Introduction to Computer Communications

18、and NetworksCONSYLframe iACK iframe I+1ACKi+1frame i+2frame i+2ACK i+2frame i+3ACK i+3frame i+3ACK i+3发送方发送方接收方接收方超时超时超时超时帧丢失帧丢失 重发重发ACK丢失丢失 重发，重发，丢失重复帧丢失重复帧4/11/40 page 15Department of Computer Engineering,Kasetsart University 204325 Introduction to Computer Communications and NetworksCONSYL停等协议的算法

19、流程停等协议的算法流程SGet!st Data from Network LayerV(s)=0N(s)=V(s)Save Date Frame to BufferSend Buffered Data Frame to Physical LayerStart TimerWait EventReceived ACKReceived NAKTime OutGet Next Data V(s)=1-V(s)RV(r)=0Wait Data FrameReceived Frame,and Test if Error occursCorrectErrorN(s)=V(r)?Discard FramePa

20、ss Data toNetwok Layer Send ACKSend NAKSend ACKV(r)=1-V(r)4/11/40 page 16Department of Computer Engineering,Kasetsart University 204325 Introduction to Computer Communications and NetworksCONSYL连续连续ARQ协议协议 工作原理：工作原理：发送方发完一帧后，不必停下来等待对方的应发送方发完一帧后，不必停下来等待对方的应答，可以连续发送若干帧；如果在发送过程中收到接收方答，可以连续发送若干帧；如果在发送过程

21、中收到接收方的肯定应答，可以继续发送；若收到对其中某一帧的否认的肯定应答，可以继续发送；若收到对其中某一帧的否认帧，则从该帧开始的后续帧全部重发帧，则从该帧开始的后续帧全部重发 流量控制方法：连续发送流量控制方法：连续发送 差错控制：同停等协议差错控制：同停等协议 优点：连续发送提高了信道利用率优点：连续发送提高了信道利用率 缺点：缺点：回走重传（回走重传（Go-back-N）,导致某些已正确接收的帧的导致某些已正确接收的帧的重传，因此降低了发送效率重传，因此降低了发送效率 误码率较低时，连续误码率较低时，连续ARQ优于停等协议；反之则不一定优于停等协议；反之则不一定4/11/40 page

22、17Department of Computer Engineering,Kasetsart University 204325 Introduction to Computer Communications and NetworksCONSYLframe 1senderreceiver出错出错7，8帧帧 被丢弃被丢弃frame 2frame 3ACK 4frame 4frame 5ACK 6frame 6frame 7frame 8NACK 6ACK 9frame 7frame 6frame 86,7,8帧帧 重传重传4/11/40 page 18Department of Computer

23、 Engineering,Kasetsart University 204325 Introduction to Computer Communications and NetworksCONSYL滑动窗口概念滑动窗口概念 前提：在连续前提：在连续ARQ协议中，必须对可以连续发出的最多帧协议中，必须对可以连续发出的最多帧数（以发出但未确认的帧）作限制数（以发出但未确认的帧）作限制 原则：循环重复使用有限的帧序号原则：循环重复使用有限的帧序号 流量控制：流量控制：发送窗口：其大小发送窗口：其大小WT表示在收到对方确认的信息之前，表示在收到对方确认的信息之前，可以连续发出的最多数据帧数（只有序号在

24、窗口内的帧才可以连续发出的最多数据帧数（只有序号在窗口内的帧才可以发送）可以发送）接收窗口：其大小接收窗口：其大小WR可以连续接收的最多数据帧数（只可以连续接收的最多数据帧数（只有序号在窗口内的帧才可以接收，否则丢弃）有序号在窗口内的帧才可以接收，否则丢弃）接收窗口驱动发送窗口的转动接收窗口驱动发送窗口的转动 发送窗口的最值：发送窗口的最值：WT+WR 2n (n为序号的位数为序号的位数)WT 1，暂存接受窗口中序号在出错帧之后的数据，暂存接受窗口中序号在出错帧之后的数据帧帧 优点：避免重传已正确传送的帧，提高了信道利用率优点：避免重传已正确传送的帧，提高了信道利用率 缺点：缺点：在接收端需要

25、占用一定容量的缓存在接收端需要占用一定容量的缓存 接收窗口的最值：接收窗口的最值：WR WT WR 0888校验区间校验区间透明传输区间透明传输区间 帧同步：标志帧同步：标志F“0111，1110”标记帧的首尾边界标记帧的首尾边界 透明传输：零比特填充透明传输：零比特填充 地址字段地址字段A：非平衡方式，填入从站地址：非平衡方式，填入从站地址 平衡方式，填入响应站地址平衡方式，填入响应站地址 帧检验序列帧检验序列FCS：采用：采用CRC-CCITT16，G(x)=x16+x12+x5 +1 控制字段控制字段C：标记帧类型，并附加控制信息：标记帧类型，并附加控制信息4/11/40 page 29

26、Department of Computer Engineering,Kasetsart University 204325 Introduction to Computer Communications and NetworksCONSYLHDLC帧类型帧类型信息帧信息帧监督帧监督帧无编号帧无编号帧12 3 45 6 7 800111FrametoSend N(S)FrameExpected N(R)P/FP/FP/FN(R)M分类分类 S分类分类 M 序号序号N(S)和和N(R)以以3位表示，模位表示，模8循环，循环，N(R)表示准备接收的最低帧序号，表示准备接收的最低帧序号，确认序号在其

27、前面的帧都已正确接收（捎带应答）确认序号在其前面的帧都已正确接收（捎带应答）状态变量状态变量V(S)和和V(R)记录记录N(S)和和N(R)的值的值 扩展方式，扩展方式，序号序号N(S)和和N(R)以以7位表示，模位表示，模128循环，用于卫星链路，此循环，用于卫星链路，此时控制字段占时控制字段占16位位4/11/40 page 30Department of Computer Engineering,Kasetsart University 204325 Introduction to Computer Communications and NetworksCONSYL监督帧的类型监督帧的类

28、型 S=00 RR（Receive Ready）,准备接收下一帧，准备接收下一帧，确认确认N(R)-1及以前的各帧及以前的各帧 01 RNR（Receive Not Ready）,暂停接收下一帧，暂停接收下一帧，确认确认N(R)-1及以前的各帧及以前的各帧 10 REJ（Reject）,否认自否认自N(R)开始的帧开始的帧 确认确认N(R)-1及以前的各帧及以前的各帧 11 SREJ(Selective Reject),只否认只否认N(R)帧帧 确认确认N(R)-1及以前的各帧及以前的各帧连续连续ARQ选择重传选择重传ARQ4/11/40 page 31Department of Comput

29、er Engineering,Kasetsart University 204325 Introduction to Computer Communications and NetworksCONSYLP/F位的意义（询问位的意义（询问/终止）终止）=0 无意义无意义=1 非平衡配置非平衡配置 正常响应方式正常响应方式 主站主站 S/I 帧帧 P=1（命令）（命令）S/I 帧帧（响应）（响应）I中中F=1，表示最后一个数据帧，表示最后一个数据帧S中中F=1，表示此时没有数据要发送，表示此时没有数据要发送从站从站NRM异步响应方式异步响应方式ARM平衡配置平衡配置 异步平衡方式异步平衡方式 AB

30、M P=1（询问）（询问）F=1（回答本站状态）（回答本站状态）命令方命令方响应方响应方4/11/40 page 32Department of Computer Engineering,Kasetsart University 204325 Introduction to Computer Communications and NetworksCONSYL非平衡配置的正常响应方式（主从方式）非平衡配置的正常响应方式（主从方式）B,RR0,P FB10RRP=1000FCSFFACB,I10 FB0001 0000FCSFI主站主站A从站从站BB,RR0,PB,I00B,I10B,I20B,I

31、30,FB,RR4C,RR0,PC,RR0,F P=1的询问具有强制性，对方必须立即应答的询问具有强制性，对方必须立即应答 4/11/40 page 33Department of Computer Engineering,Kasetsart University 204325 Introduction to Computer Communications and NetworksCONSYL平衡配置的异步平衡方式（对等方式）：全双工通信平衡配置的异步平衡方式（对等方式）：全双工通信B,RR2,F FB10RRF=1010FCSFFACA,I10,P FA0001 P=1000FCSFI复合站

32、复合站A复合站复合站BB,I00,PA,I00A,I22丢失丢失A,I34A,I45B,I42 P=1的询问具有强制性，对方必须立即应答的询问具有强制性，对方必须立即应答 B,I10B,I20B,I31A,I10,PB,RR2,FA,RR2,FB,I52B,I62B,I72A,I26,PB,I02B,I12A,I30A,RR3,F4/11/40 page 34Department of Computer Engineering,Kasetsart University 204325 Introduction to Computer Communications and NetworksCONS

33、YL无编号帧，定义了无编号帧，定义了15种，起控制作用种，起控制作用 建立数据链路：建立数据链路：正常响应方式，置正常响应方式正常响应方式，置正常响应方式SNRM 异步平衡方式，置异步平衡方式异步平衡方式，置异步平衡方式SABM 拆除数据链路：断连命令拆除数据链路：断连命令DISC 对命令的确认：无编号确认对命令的确认：无编号确认UA 帧拒绝帧拒绝FRMR：表示通过重发仍不能纠正的错误，如收到非法命令，帧：表示通过重发仍不能纠正的错误，如收到非法命令，帧中的控制字段无效，数据字段过长，中的控制字段无效，数据字段过长，N(R)无效，监督帧或无编号帧长度错无效，监督帧或无编号帧长度错误等等误等等

34、携带信息（携带信息（I字段）的无编号帧：无编号信息字段）的无编号帧：无编号信息UI，用于数据链路层管理的，用于数据链路层管理的数据数据 4/11/40 page 35Department of Computer Engineering,Kasetsart University 204325 Introduction to Computer Communications and NetworksCONSYL数据链路连接建立和拆除示例数据链路连接建立和拆除示例B,SNRM,PB,UA,F主站主站A从站从站B，CA与与B建建立连接立连接A与与C建建立连接立连接C,SNRM,PC,UA,F数据传送阶段

35、数据传送阶段B,DISC,PB,UA,FC,DISC,PC,UA,FA与与B释放释放连接连接A与与C释释放连接放连接B,SABM,PB,UA,FA,DISC,PA,UA,F数据传送阶段数据传送阶段复合站复合站A复合站复合站BA与与B建建立连接立连接B与与A释放释放连接连接异步平衡方式异步平衡方式正常响应方式正常响应方式4/11/40 page 36Department of Computer Engineering,Kasetsart University 204325 Introduction to Computer Communications and NetworksCONSYLSLIP

36、：串行线路：串行线路IP，RFC1055 成帧：原始成帧：原始IP包加上尾部标志包加上尾部标志C0h，字符填充，字符填充 DBh,DCh 优化：优化：RFC1144，TCP、IP首部压缩，删去相同的首部，以增量来表示不同首部压缩，删去相同的首部，以增量来表示不同部分部分 问题：问题：无差错检测和校验，由高层负责无差错检测和校验，由高层负责 只支持只支持IP 不能动态分配不能动态分配IP地址地址 不提供身份验证，不适于拨号方式不提供身份验证，不适于拨号方式 不是不是Internet标准，存在多个不兼容版本标准，存在多个不兼容版本4/11/40 page 37Department of Compu

37、ter Engineering,Kasetsart University 204325 Introduction to Computer Communications and NetworksCONSYLPPP：点：点点协议，点协议，RFC1661,1662,1663F 净荷净荷CAF检查和检查和1 字节字节2/4 0-最大长度最大长度111协议协议1/2F：首尾标志：首尾标志7Eh，透明传输采用字符填充，透明传输采用字符填充A：地址字段，永远为：地址字段，永远为FFh，表示所有站点都可以接收，表示所有站点都可以接收C：控制字段，默认为：控制字段，默认为03h，表示无编号帧，表示无编号帧协议：

38、指明净荷字段的包类型，支持协议：指明净荷字段的包类型，支持LCP、NCP、IP、IPX、AppleTalk.LCP（链路控制协议），用于建立（链路控制协议），用于建立/拆除数据链路连接、测试连接质拆除数据链路连接、测试连接质 量、协商参数量、协商参数.NCP（网络控制协议），用于协商网络层选项，如动态分配（网络控制协议），用于协商网络层选项，如动态分配IP地址物地址物理层：支持理层：支持MODEM拨号、拨号、HDLC位串行线、位串行线、SONET.对对SLIP的改进，的改进，Internet的正式标准，支持差错检测、多种协议、允许连接的正式标准，支持差错检测、多种协议、允许连接时协商时协商IP

39、地址、允许身份验证地址、允许身份验证.4/11/40 page 38Department of Computer Engineering,Kasetsart University 204325 Introduction to Computer Communications and NetworksCONSYLPPP通信阶段状态转换图通信阶段状态转换图ESTABLISHAUTHENTICATEDEADTERMINATEOPENNETWORK检测到检测到载波载波协商失败协商失败连接双方连接双方达成一致达成一致通过身份验证通过身份验证NCP配置配置数据传输结束数据传输结束失去载波失去载波验证失败验证

40、失败4/11/40 page 39Department of Computer Engineering,Kasetsart University 204325 Introduction to Computer Communications and NetworksCONSYLATM 的差错检测：信头差错控制的差错检测：信头差错控制HEC 差错检测只对信元首部的差错检测只对信元首部的4字节进行字节进行 HEC计算方法：信头的计算方法：信头的4B除以除以x8 +x2 +x+1，所得余数加上所得余数加上“01010101”改进（纠错）：一连串信元异或，结果信元附加到信元串之后传输改进（纠错）：一连串

41、信元异或，结果信元附加到信元串之后传输纠错方式纠错方式检错方式检错方式未检测到错误未检测到错误检测到多位错误（丢弃信元）检测到多位错误（丢弃信元）检测到一位错误（纠正）检测到一位错误（纠正）未检测未检测到错误到错误检测到错误检测到错误(丢弃信元丢弃信元)HEC算法的双工作方式算法的双工作方式 4/11/40 page 40Department of Computer Engineering,Kasetsart University 204325 Introduction to Computer Communications and NetworksCONSYLATM 的信元定界：的信元定界：H

42、EC搜索搜索逐比特检查逐比特检查HEC预同步预同步同步同步逐信元检查逐信元检查HECHEC正确正确连续连续 次次HEC正确正确HEC不正确不正确连续连续 次次HEC不正确不正确信元定界状态图信元定界状态图4/11/40 page 41Department of Computer Engineering,Kasetsart University 204325 Introduction to Computer Communications and NetworksCONSYL数据链路层的主要内容数据链路层的主要内容 数据链路层的模型、功能及提供的服务数据链路层的模型、功能及提供的服务 成帧、差错控制及流量控制的主要方法成帧、差错控制及流量控制的主要方法 实用的数据链路层协议实用的数据链路层协议停等协议停等协议连续连续ARQ协议协议选择重传选择重传ARQ协议协议HDLCSLIP和和PPPATM的的TC子层子层