计算机通信与网络-ch03-数据链路层－贺

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1、 数 据 链 路 层 : 基 于 物 理 层 提 供 的 比 特 流 传 输 服 务 构 成 透 明 的 、 相 对 无 差 错 的 数 据 链 路 实 现 可 靠 、 有 效 的 数 据 传 送 。数 据 链 路 层 协 议 ： 在 物 理 网 络 与 计 算 机 的 协 议 组 之 间 提 供 接口 数 据 电 路数 据 链 路数 据 电 路 ： 在 传 输 信 道 两 端 加 上 信 号 变 换 设 备 （ 如 Modem）之 后 所 形 成 的 二 进 制 比 特 流 通 路 。 即 数 据 电 路 由 传 输 信 道 加DCE组 成 。数 据 链 路 ： 在 数 据 电 路 建 立

2、的 基 础 上 ， 在 链 路 协 议 控 制 下 ，使 通 信 双 方 正 确 传 输 数 据 的 终 端 设 备 与 传 输 线 路 的 组 合 体 。 电 话 网Modem Modem n 数 据 链 路 与 数 据 电 路 的 区 别 数 据 电 路 ： 物 理 链 路 或 链 路 (physical) 数 据 链 路 ： 逻 辑 链 路 (logical)n 数 据 链 路 ： 在 数 据 电 路 上 增 加 传 输 控制 功 能 实 现 的 。n 数 据 通 信 ： 只 有 建 立 了 数 据 链 路 ， 才能 真 正 地 实 现 。 n 数 据 链 路 的 拓 扑 结 构 点 到

3、 点 链 路 多 点 链 路n 数 据 链 路 的 传 送 方 式 ： 单 工 通 信 半 双 工 通 信 (Half Duplex) 全 双 工 通 信 (Full Duplex) n 链 路 所 连 接 的 节 点 称 为 “ 站 ” 。n 主 站 : 发 送 命 令 或 信 息 ， 通 信 过 程 起 控 制 作 用n 从 站 : 接 收 数 据 /命 令 并 响 应 ， 通 信 过 程 受 控n 复 合 站 : 同 时 具 有 主 站 和 从 站 功 能 点 到 点 链 路 星 型 点 到 点 链 路在 点 到 点 链 路 中 ， 两 端 的 站 可 能 是 主 站 、 从 站 或复

4、合 站 。 链 路 可 以 是 不 平 衡 的 ， 或 平 衡 结 构 。 主 从 式 点 到 多 点 链 路 对 等 式 点 到 多 点 链 路在 主 从 式 点 到 多 点 链 路 中 ， 常 常 是 不 平 衡 的 ； 在对 等 式 点 到 多 点 链 路 中 ， 常 使 用 平 衡 型 链 路 。 n 数 据 链 路 层 的 功 能 ： 链 路 管 理 帧 同 步 （ 帧 定 界 ） 流 量 控 制 数 据 和 控 制 信 息 的 识 别 差 错 控 制 透 明 传 输 寻 址 n 数 据 链 路 层 的 传 输 和 处 理 的 数 据 单 位 。即 ： 协 议 数 据 服 务 单 元

5、 PDU， 帧 (frame)物 理 层 实 现 比 特 流 传 送 ， 不 能 保 证 没 有 错 误 ，需 要 数 据 链 路 层 进 行 差 错 检 测 和 纠 正 。为 便 于 实 现 流 量 控 制 和 差 错 控 制 ， 数 据 链 路 层将 “ 比 特 流 ” 分 解 成 离 散 的 “ 帧 ” ， 独 立 地 计算 校 验 和 ， 发 送 和 接 收 。数 据 链 路 层 帧 的 结 构 ， 包 括 需 要 传 输 的 数 据 、相 应 的 控 制 信 息 、 校 验 信 息 、 帧 之 间 的 分 隔 标志 等 。 n 帧 的 形 成 方 法 ： 字 符 计 数 法 含 字

6、节 填 充 的 分 界 符 法 含 位 填 充 的 分 界 标 志 法 物 理 层 编 码 违 例 法 数 据 链 路 层主机 A缓 存 主机 B数 据 链 路 AP2AP1 缓 存发 送 方 接 收 方帧 高 层帧n 假 定 1： 链 路 是 理 想 的 传 输 信 道 ， 所 传 送 的 任 何 数 据 既 不会 出 差 错 也 不 会 丢 失 。n 假 定 2： 不 管 发 送 方 以 多 快 的 速 率 发 送 数 据 ， 接 收 方 总 是来 得 及 收 下 ， 并 及 时 上 交 主 机 。 处 理 单 元没 有 缓 冲 空 间 了 ！后 面 分 组 丢 弃n 数 据 传 输 的

7、实 际 问 题 : n 解 决 实 际 问 题 的 思 路 : 在 数 据 通 信 中 ， 要 求 发 送 方 的 发 送 数 据速 率 必 须 不 能 超 过 接 收 方 的 接 收 和 处 理数 据 的 速 率 。 当 接 收 方 来 不 及 接 收 和 处 理 数 据 时 ， 就必 须 采 取 相 应 的 措 施 （ 流 量 控 制 ） ， 来控 制 发 送 方 发 送 数 据 的 速 率 。 计 算 机 网 络 中 ， 一 般 由 接 收 方 主 动 控 制发 方 的 数 据 流 ， 来 实 现 流 量 控 制 。 n 最 简 单 流 量 控 制 的 数 据 链 路 层 协 议发 送

8、结 点 接 收 结 点 A BDATADATADATADATA 送 主 机 B送 主 机 B送 主 机 B送 主 机 B A BDATA 送 主 机 BDATA 送 主 机 B时间 不 需 要 流 量 控 制 需 要 流 量 控 制 开 关 式 流 量 控 制 : XON/XOFF, 硬 件 协 议 式 流 量 控 制 : ARQ自 动 重 发 请 求 时间 A BDATA0 送主机ACKDATA1 送主机ACK(a) 正 常 情 况 A BDATA0DATA0 送主机ACK(c) 数 据 帧 丢 失重传tout 丢失 ！ A BDATA0 送主机ACKDATA0 丢弃ACK(d) 确 认 帧

9、 丢 失重传tout 丢失 ！A BDATA0NAKDATA0 送主机ACK(b) 数 据 帧 出 错重传 出 错 n结 点 A发 送 完 一 个 数 据 帧 时 ， 就 启 动 一 个 超 时 计 时器 （ 定 时 器 ） 。n若 超 时 计 时 器 到 达 所 设 置 的 重 传 时 间 tout， 仍 未 收到 结 点 B 的 确 认 帧 ， 则 结 点 A 就 重 传 前 面 所 发 送的 数 据 帧 。n一 般 ， 重 传 时 间 略 大 于 “ 从 发 完 数 据 帧 到 收 到 确 认帧 所 需 的 平 均 时 间 ” 。 n重 传 若 干 次 后 仍 不 能 成 功 ， 则 报

10、 告 差 错 。 n 由 于 发 送 端 口 或 传 输 信 道 的 速 率 限 制 ， 发 送 一 帧 需 要 一 定的 时 间 ： “ 发 送 时 延 ” 。n 接 收 一 帧 的 时 间 和 发 送 一 帧 的 时 间 相 同 。 发 送 应 答 帧 ， 也有 “ 发 送 时 延 ” 。n 由 于 电 磁 波 自 身 的 传 输 速 率 ， 帧 在 信 道 中 传 送 ， 具 有 “ 传播 时 延 ” 。n 接 收 方 收 到 帧 后 ， 差 错 检 验 、 转 交 处 理 ； 发 送 方 收 到 应 答后 ， 准 备 发 送 下 一 帧 ， 都 需 要 “ 处 理 时 延 ” 。 A

11、Bt0t1t6t7 t2t3t4t5Data frameACK framet L t1 t0 发 送 时 延t3 t2 接 收 时 延t2 t0 传 播 时 延t3 t1 传 播 时 延t4 - t3 处 理 时 延t5 t4 应 答 时 延t7 t6 接 答 时 延 tP = t2 t0 = t3 t1 = L / v 传 播 时 延tF = t1 t0 = t3 - t2 = F / C 发 送 时 延tA = t5 t4 = A / C 应 答 帧 发 送 时 延tproc= t4 - t3 处 理 时 延 L 节 点 A 与 B 之 间 的 距 离 v 信 号 传 播 速 率 （ 3

12、108 m / s） F 数 据 帧 长 度 = H + D （ 帧 头 数 据 ） A 应 答 帧 长 度 C 数 据 发 送 速 率 bits/s U = tD / (tF + tA + 2tP + 2tproc) U = D /（ F A 2C（ tP + tproc ） ）tD = D/C 数 据 时 延 ， tF = F/C 帧 时 延tA = A/C 应 答 时 延 ， tP = L / v 传 播 时 延t proc= 处 理 时 延n 若 不 考 虑 处 理 时 延 、 传 播 时 延 、 应 答 帧 的 开 销 ，则 U 仅 与 帧 结 构 相 关 ； 帧 开 销U = tD

13、 / (tF + tA + 2tP + 2tproc) U= tD / (tD + 2tP)成 功 发 送 一 帧 的 间 隔 为 tT = tD + 2tP 成 功 tav = tT（ 1 平 均 次 数 ） U= t D / tav 例 1 信 道 速 率 为 8kb/s， 采 用 停 止 等 待 协 议 ，传 播 时 延 tp为 20ms， 确 认 帧 长 度 和 处 理 时间 均 可 忽 略 ， 问 帧 长 为 多 少 才 能 使 信 道 利用 率 达 到 至 少 50%？解 ： 设 帧 长 为 D bit， 则 tD D bit / 8Kbps 信 道 利 用 率 tD /（ tD

14、2 tp） 50% 因 为 tp=20ms， 所 以 tD 40ms 故 帧 长 D (40*10-3)*(8*103)=320 bit 例 2 在 卫 星 通 信 系 统 中 ， 两 个 地 面 站 之 间 进 行 卫 星 转 发 通 信 ， 即 信 号 从 一 个 地 面 站 经 过 卫 星 传 到 另 一 个 地 面 站 ， 若 设 其 传 播 时 延 为 tp=250ms， 发 送 一 个 数 据 帧 的 时 间 为 tD=20ms (相 当 于 帧 长 1000 比 特 时 ， 速 率 为 50Kb/s)， 试 分 析 此 系 统 的 信 道 利 用 率 。解 ： 信 号 从 一 个

15、 地 面 站 经 卫 星 传 到 另 一 个 地 面 站 ， 其 传 播 时 延 tp=250ms。 发 送 一 个 数 据 帧 的 时 间 tD=20ms， 则 从 发 送 站 开 始 发 送 到 数 据 帧 被目 的 站 接 收 ， 一 共 需 要 时 间 tD+tp = 20 + 250 = 270 ms 不 考 虑 处 理 时 延 、 应 答 帧 时 延 ， 则 应 答 帧 也 需 要 经 过 t p =250ms才能 被 发 送 站 接 收 到 。 从 发 送 一 帧 开 始 ， 到 发 送 站 收 到 应 答 所 需 要 的 时 间 为 ：tT=20+2*250 520 ms 则

16、此 系 统 的 信 道 利 用 率 为 ： U = 20 520 4 1 2 3 4 5 6 70 后 沿 L(W) 前 沿 H(W) 窗 口 尺 寸 W 6， H(W) = L(W) + (W 1) mod 2n 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2发 送 窗 口WT 不 允 许 发 送 这 些 帧允 许 发 送 5 个 帧(a) 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2不 允 许 发 送 这 些 帧还 允 许 发 送 4 个 帧WT已 发 送(b) 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2不 允 许 发 送 这 些 帧WT已 发 送(c) 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1

17、2 不 允 许 发 送 这 些 帧还 允 许 发 送 3 个 帧WT已 发 送 已 发 送并 已 收 到 确 认(d) 不 允 许 接 收 这 些 帧0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2WR准 备 接 收 0 号 帧(a) 不 允 许 接 收 这 些 帧0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2WR准 备 接 收 1 号 帧已 收 到(b) 不 允 许 接 收 这 些 帧0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2WR准 备 接 收 4 号 帧已 收 到(c) 接 收 窗 口 控 制接 收 窗 口 n 在 连 续 ARQ协 议 中 ， 如 果 某 个 数 据 帧 发 生 差 错 ， 后 续

18、 的 数 据 帧 即 使被 正 确 地 接 收 到 ， 也 要 被 丢 弃 ， 造 成 网 络 资 源 浪 费 ；n 为 进 一 步 提 高 信 道 的 利 用 率 ， 可 设 法 只 重 传 出 错 的 数 据 帧 或 计 时 器超 时 的 数 据 帧 。 n 面 向 字 符 的 数 据 链 路 控 制 规 程 (symbol-oriented) 基 本 （ BSC， 二 进 制 同 步 通 信 )Binary Synchronous Channel 高 级 （ DDCMP， 数 字 数 据 通 信 消 息 协 议 ）Digital Data Communication Message Pr

19、otocol PPP: 点 对 点 协 议 (Point-to-Point Protocol )n 面 向 比 特 的 数 据 链 路 控 制 规 程 (bit-oriented) IBM： SDLC 同 步 数 据 链 路 控 制 ISO： HDLC 高 级 数 据 链 路 控 制早 期 的 数 据 通 信 协 议 曾 叫 作 通 信 规 程 (procedure)。因 此 在 数 据 链 路 层 ， 规 程 和 协 议 是 同 义 语 。 n 地 址 字 段 A （ 8 bit） 不 平 衡 配 置 ： 从 站 地 址 平 衡 配 置 ： 应 答 站 地 址n 控 制 字 段 C （ 8

20、bit） 说 明 帧 的 类 型 、 功 能 信 息 帧 I： 数 据 传 送 ， 包 含 信 息 字 段 监 督 帧 S： 监 视 和 控 制 数 据 传 送 无 编 号 帧 U： 数 据 链 路 的 控 制 和 管 理n 信 息 字 段 I : 高 层 信 息 ， 长 度 可 变F FA C I FCSF FA C FCS短 帧长 帧HDLC帧 结 构 n F 帧 标 志 01111110n FCS 帧 校 验 序 列 (16 bit) 标 志 字 段 F = 0111110帧 Frame , 同 步 比 特 流 控 制 字 段 F FA C I FCSF 帧 标 志 01111110A

21、地 址 字 段C 控 制 字 段I 信 息 字 段FCS 帧 校 验 序 列N(S) 0N(R)N(R) 0 1TYPE TYPE TYPE 11ISU P/FP/FP/FF FA C FCS短 帧长 帧信 息 帧监 控 帧无 编 号 帧 TYPE: 命 令 编 码 P/F 0N(R) N(S)控 制 字 段 N(R)N(R)N(R) P/FP/FP/FRR 0 0RNR 0 1REJ 1 0 0 10 10 1N(R) P/F 1 1 0 1SREJ监 视 帧 用 于 数 据 传 送 阶 段 ， 实 现 流 量 控 制 和 差 错控 制 ， 保 证 数 据 传 输 的 正 常 进 行 。控

22、制 字 段接 收 端 准 备 好接 收 端 未 好帧 拒 绝选 择 拒 绝 RR Receiver Ready 接 收 端 准 备 好 RNR Receiver Not Ready 接 收 端 未 准 备 好 REJ Reject 帧 拒 绝 （ 连 续 ARQ） SREJ Select Reject 选 择 拒 绝 （ 选 择 ARQ）监 视 帧 的 作 用n RR帧 是 一 种 标 准 应 答 ， 表 示 接 收 端 已 作 好 接 收 准 备 ， 发 送方 可 发 送 信 息 帧 。n RNR 帧 用 来 通 知 对 方 停 止 发 送 任 何 帧 ， 直 到 发 送 RR帧 为 止 ，

23、同 时 确 认 前 面 发 送 的 帧 。 n REJ 帧 是 用 于 拒 绝 收 到 出 错 的 帧 。n SREJ用 于 要 求 选 择 重 发 出 错 的 帧 。 P0 0 1 1 1 1 1F0 0 0 1 1 1 1F1 0 0 0 1 1 1F0 1 1 0 0 1 1P0 1 0 0 0 1 1SABMDMFRMRUADISC HASH: MD5: D3E69146F58DA71670E43E6F2A0CCC63SHA1: 749E1B3FBC465D5C9AA5BC8BA7369E4B775A9533CRC32: CEE1B56C PPP 协 议 的 帧 格 式 PPP 协 议

24、 的 帧 格 式异 步 传 输 字 符 填 充 法 n 信 息 字 段 中 每 个 0 x7E 字 节 ， 转 变 为 2 字 节 序 列 (0 x7D, 0 x5E)。 n 信 息 字 段 中 每 个 0 x7D 字 节 , 转 变 成 为 2 字 节 序 列 (0 x7D, 0 x5D)。n 信 息 字 段 中 出 现 ASCII 码 控 制 字 符 （ 即 数 值 小 于 0 x20 的 字 符 ） ，则 在 该 字 符 前 加 一 个 0 x7D 字 节 ， 同 时 将 该 字 符 的 编 码 加 以 改 变 。 PPP协 议 的 异 步 传 输 字 符 填 充 法 ： 举 例 PPP

25、 帧 的 传 输PPP 协 议 的 工 作 状 态 建 立 失 败失 败 NCP 配 置鉴 别 成 功通 信结 束载 波停 止检 测 到 载 波 双 方 协 商一 些 选 项 鉴 别 网 络打 开终 止静 止PPP 协 议 的 状 态 图 即 如 何 分 配 使 用 公 共 信 道 的 带 宽 资 源 。 B向 D发 送 数 据 C D A E匹 配 电 阻 （ 用 来 吸 收 总 线 上 传 播 的 信 号 ） 匹 配 电 阻不 接 受不 接 受不 接 受 接 受B 只 有 D 接 受B 发 送 的 数 据 n “ 访 问 ” ： 在 两 个 实 体 之 间 建 立 联 系 、 并 交 换

26、数 据 信 息 。n “ 访 问 方 式 ” ： 在 网 络 中 ， 泛 指 分 配 介 质 使 用 权 限 的 机 理 、策 略 和 算 法 。n “ 多 路 访 问 ” ： ABCD ABCD n 非 坚 持 CSMA 站 点 发 现 信 道 忙 则 不 再 侦 听 ， 等 待 一 个 随 机长 的 时 间 后 ， 再 开 始 侦 听 /发 送 过 程 。n 1 坚 持 CSMA 发 现 信 道 忙 则 持 续 等 待 ， 直 至 信 道 空 闲 ； 发 现 信 道 空 闲 后 发 送 数 据 （ 概 率 为 1） 。n P 坚 持 CSMA 发 现 信 道 忙 则 持 续 等 待 ， 直

27、 至 信 道 空 闲 ； 发 现 信 道 空 闲 后 ， 以 概 率 P 发 送 数 据 ， 或 以（ 1 P） 概 率 推 迟 发 送 。 尽 管 已 发 送 前 载 波 监 听 ， 但 由 于 通 信 的 随 机 性 和传 播 时 延 的 影 响 ， 在 一 个 站 点 开 始 发 送 后 的 一 段时 间 内 ， 仍 然 可 能 发 生 冲 突 ， 称 为 “ 争 用 期 ” 。 n 退 避 间 隔 取 0 L个 时 间 片 ， 1个 时 间 片 等 于 任 意 两 个 站 之 间最 大 传 播 时 延 的 两 倍 ， 即 2（ 网 络 最 大 传 播 时 延 ） ；n 对 每 个 帧

28、， 当 第 一 次 发 生 冲 突 时 ， 设 置 参 数 为 L 2；n 当 帧 重 复 发 生 一 次 冲 突 ， 则 参 数 L加 倍 ；n 设 置 一 个 最 大 重 传 次 数 ， 超 过 这 个 限 值 ， 则 停 止 ， 不 再 重 传 ，并 报 告 出 错 。n 这 种 算 法 按 后 进 先 出 的 次 序 控 制 ， 即 未 发 生 冲 突 ， 或 很 少 发生 冲 突 的 帧 ， 具 有 优 先 发 送 的 概 率 。 若 两 个 最 远 距 离 站 点 间 的 传 输 时 间 为 ， 则 网 络的 最 大 冲 突 检 测 时 间 为 2。 （ ） A在 t=0时 刻 向

29、 F发 送 帧 。 F在 t=- 时 刻 向 A发 送 帧 ， 在 t=时 检 测 到 冲 突 ， 立 即 发 送 噪 声 帧 。A在 t= 2时 刻 收 到 F向全 网 发 送 的 噪 声 帧 。 最 大 冲 突 检 测 时 间 ” 2= d/C = 2000m/(2*108m/s)=10s争 用 期 = 2 = 20s最 短 帧 长 = R*2= 1Gbps*20s = 20,000 bit Token令 牌 SD EDACSD FCAC DA INFOSA FCS FSED令 牌 格 式帧 格 式 帧 序 列 始 帧 序 列 尾FCS校 验 对 象 1 1 1 A B CDTokenA站

30、 收 到 Token空 闲 ?YA C WAITING DA=C? 传 播 延 迟 (s /km) 介 质 长 度 数 据 速 率 + 中 继 器 延 迟解 ： 传 播 延 迟 = L / v = 5 s其 中 ， 传 播 速 率 v = 2 10 5 km/s环 上 保 留 的 位 数 = 5 1 4 + 50 = 70 bit Token令 牌A B CDE A 的 作 用 范 围 C 的 作 用 范 围A B C DAB, CB: 当 A 和 C 检 测 不 到 彼 此 无 线 信 号 ， A 和 C 都 以 为 B 是 空 闲 的 ， 因 而 都 向 B 发 送 数 据 ， 结 果 发

31、 生 碰 撞 。这 种 未 能 检 测 出 媒 体 上 已 存 在 的 信 号 的 问 题叫 做 隐 蔽 站 问 题 (hidden station problem) B 的 作 用 范 围 C 的 作 用 范 围A DCB ？BA, CD: B 向 A 发 送 数 据 ， 而 C 又 想 和 D 通 信 。C 检 测 到 媒 体 上 有 信 号 ， 于 是 不 敢 向 D 发 送 数 据 。 其 实 B 向 A 发 送 数 据 并 不 影 响 C 向 D 发 送 数 据这 就 是 暴 露 站 问 题 (exposed station problem) MAC 层 无 争 用 服 务 争 用

32、服 务分 布 协 调 功 能 DCF(Distributed Coordination Function)(CSMA/CA)点 协 调 功 能 PCF(Point Coordination Function)物 理 层 2.4 GHzFHSS1 Mb/s2 Mb/s 2.4 GHzDSSS1 Mb/s2 Mb/s IR1 Mb/s2 Mb/s 5 GHzOFDM6, 9, 12,18, 24, 36,48, 54 Mb/s 2.4 GHzDSSS5.5 Mb/s11 Mb/s802.11b802.11aIEEE 802.11 MAC 层 通 过 协 调 功 能 来 确 定 移 动 站在 什 么

33、 时 间 能 发 送 数 据 或 接 收 数 据 。 n 在 信 道 从 忙 态 转 为 空 闲 时 ， 各 站 要 进 入 争 用 窗 口 ， 执 行退 避 算 法 。 A 的 作 用 范 围 B 的 作 用 范 围AC B DERTSRTS源 站 A 在 发 送 数 据 帧 之 前 先 发 送 一 个 短 的 控 制 帧 ， 叫 做 请 求 发送 RTS (Request To Send)， 它 包 括 源 地 址 、 目 的 地 址 和 这 次通 信 （ 包 括 相 应 的 确 认 帧 ） 所 需 的 持 续 时 间 。 A 的 作 用 范 围 B 的 作 用 范 围CTSAC B DECTS若 媒 体 空 闲 ， 则 目 的 站 B 就 发 送 一 个 响 应 控 制 帧 ，叫 做 允 许 发 送 CTS (Clear To Send)， 它 包 括 这 次通 信 所 需 的 持 续 时 间 （ 从 RTS 帧 中 将 此 持 续 时 间复 制 到 CTS 帧 中 ） 。 A 收 到 CTS 帧 后 就 可 发 送 其 数 据 帧 。 本 章 小 结