Ch3数据链路层-1.ppt
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1、第3章 数据链路层-1,3.1 帧定界 3.2 检错编码 3.3 可靠传输协议 *3.4 HDLC协议 *3.5 PPP协议 3.6 交换 3.7 虚电路和数据报 3.8 网络性能 3.9 广域网实例,数据链路层的基本概念,链路(link)是一条无源的点到点的物理线路段,中间没有任何其他的交换结点。 一条链路只是一条通路的一个组成部分。 数据链路(data link) 除了物理线路外,还必须有通信协议来控制这些数据的传输。若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上,就构成了数据链路。 现在最常用的方法是使用适配器(即网卡)来实现这些协议的硬件和软件。 一般的适配器都包括了数据链路层和物理层这两层的
2、功能。,数据链路层像个数字管道,常常在两个对等的数据链路层之间画出一个数字管道,而在这条数字管道上传输的数据单位是帧。 是有格式的0/1序列,例如: 01111110 00111010100011010101010101110101 01111110,结点,结点,帧,帧,帧,数据链路层的主要功能,(1) 链路管理 (2) 帧定界 (3) 流量控制 (4) 差错控制 (5) 将数据和控制信息区分开 (6) 透明传输 (7) 寻址,数据链路层的简单模型,局域网,广域网,主机 H1,主机 H2,路由器 R1,路由器 R2,路由器 R3,电话网,局域网,主机 H1 向 H2 发送数据,从层次上来看数据
3、的流动,数据链路层的简单模型( 续),局域网,广域网,主机 H1,主机 H2,路由器 R1,路由器 R2,路由器 R3,电话网,局域网,主机 H1 向 H2 发送数据,链路层,应用层,运输层,网络层,物理层,链路层,应用层,运输层,网络层,物理层,链路层,网络层,物理层,链路层,网络层,物理层,链路层,网络层,物理层,R1,R2,R3,H1,H2,仅从数据链路层观察帧的流动,3.1 帧定界,3.1.1 带字符填充帧定界法 二进制同步通信协议BISYNC 3.1.2 带比特填充帧定界法 HDLC,带字符填充帧定界法,DLE Data Link Escape STX Start of TeXt E
4、TX End of TeXt,带比特填充帧定界法-零比特填充法,HDLC 采用零比特填充法使一帧中两个 F 字段之间不会出现 6 个连续 1。 在发送端,当一串比特流数据中有 5 个连续 1 时,就立即填入一个 0。 在接收帧时,先找到 F 字段以确定帧的边界。接着再对比特流进行扫描。每当发现 5 个连续 1 时,就将其后的一个 0 删除,以还原成原来的比特流。,01111110,零比特的填充与删除,数据中某一段比特组合恰好 出现和 F 字段一样的情况,0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 0,会被误认为是 F 字段,在接收端将 5 个连 1 之后 的 0 比特删除,
5、恢复原样,在此位置删除填入的 0 比特,0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0,3.2 检错编码,*3.2.1 CRC 3.2.2 校验和,3.2.1 CRC,在数据链路层传送的帧中,广泛使用了循环冗余检验 CRC 的检错技术。 假设待传送的数据 M = 1010001101(共k bit)。我们在M的后面再添加供差错检测用的 n bit 冗余码一起发送。,M,CRC,1101010110 Q 商 除数 P 110101 101000110100000 2nM 被除数 110101 111011 110101 111010 110101 111110 11010
6、1 101100 110101 110010 110101 01110 R 余数,循环冗余检验的原理说明,设 n = 5, P = 110101,模 2 运算的结果是:商 Q = 1101010110, 余数R = 01110。 将余数 R 作为冗余码添加在数据 M 的后面发送出去,即发送的数据是101000110101110,或 2nM + R。,3.2.2 校验和,IP/ICMP/IGMP/TCP/UDP等协议的校验和算法都是相同的,算法如下: 在发送数据时,为了计算IP数据包的校验和。应该按如下步骤: (1)把IP数据包的校验和字段置为0; (2)把首部看成以16位为单位的数字组成,依次
7、进行二进制反码求和; (3)把得到的结果存入校验和字段中。,在接收数据时,计算数据包的校验和相对简单,按如下步骤: (1)把首部看成以16位为单位的数字组成,依次进行二进制反码求和,包括校验和字段; (2)检查计算出的校验和的结果是否等于零; (3)如果等于零,校验是和正确。否则,校验和就是错误的,协议栈要抛弃这个数据包。,校验和实例,3.3 可靠传输协议,3.3.1 停等协议 3.3.2 后退N帧协议 3.3.3 选择重传协议,在大多数数据链路层协议中,Frame的可靠传输是通过“确认”和“超时重传”机制来实现的,采用“确认”和“超时重传”机制来实现的协议称为自动重发请求(ARQ, auto
8、matic repeat request)协议差错控制、流量控制,3.3.1 停等协议,思想 发送方的发送一帧后就停止下来,等待接收方返回的确认帧。 如果经过一段时间后发送方还没有收到确认帧,则发送方定时器超时,并重传该帧。,发送缓冲区 1 接收缓冲区 1,1,1,D1,停等协议4种不同的情况,停止等待协议中数据帧和确认帧的发送时间关系,A,B,DATA,DATA,ACK,传播时延 tp,处理时间 tpr,确认帧发送时间 ta,传播时延 tp,处理时间 tpr,时间,两个成功发送的 数据帧之间的 最小时间间隔,数据帧的 发送时间,tf,设置的 重传时间,tout,停止等待协议 ARQ 的优缺点
9、,优点:比较简单 。 缺点:通信信道的利用率不高,也就是说,信道还远远没有被数据比特填满。 为了克服这一缺点,就产生了另外两种协议,即连续 ARQ 和选择重传 ARQ。这将在后面进一步讨论。,3.3.2 后退N帧协议,GBN, Go-Back-N protocol 发送缓冲区2n1 接收缓冲区=1,1,1,D1,2,n,发送方看到的序号,滑动窗口的概念,发送端和接收端分别设定发送窗口和接收窗口 。 发送窗口用来对发送端进行流量控制。 发送窗口的大小 代表在还没有收到对方确认信息的情况下发送端最多可以发送多少个数据帧。,0,1,2,3,4,5,6,7,0,1,2,发送窗口,WT,不允许发送这些帧
10、,允许发送 5 个帧,(a),接收端设置接收窗口,在接收端只有当收到的数据帧的发送序号落入接收窗口内才允许将该数据帧收下。 若接收到的数据帧落在接收窗口之外,则一律将其丢弃。 在连续 ARQ 协议中,接收窗口的大小 WR = 1。 只有当收到的帧的序号与接收窗口一致时才能接收该帧。否则,就丢弃它。 每收到一个序号正确的帧,接收窗口就向前(即向右方)滑动一个帧的位置。同时发送对该帧的确认。,不允许接收这些帧,0,1,2,3,4,5,6,7,0,1,2,WR,准备接收 0 号帧,(a),举例,3.3.3 选择重传协议,选择重传协议(SR, Selective Repeat) 发送缓冲区2n-11
11、接收缓冲区2n-11,1,1,D1,2,n,2,n,Dn,发送方和接收方看到的序号,举例,信道利用率,由于每个数据帧都必须包括一定的控制信息(如帧的序号、地址、同步信息以及其他的一些控制信息),所以即使连续不停地发送数据帧,信道利用率(即扣除全部的控制信息后的数据率与信道容量之比)也不可能达到 100 %。 当出现差错时(这是不可避免的),数据帧的不断重传将进一步使信道利用率降低。,最佳帧长,若数据帧的帧长取得很短,那么控制信息在每一帧中所占的比例就增大,因而额外开销增大,这就导致信道利用率的下降。 若帧长取得太长,则数据帧在传输过程中出错的概率就增大,于是重传次数将增大,这也会使信道利用率下
12、降。 由此可见,存在一个最佳帧长,在此帧长下信道的利用率最高。,1974年,IBM 公司推出了面向比特的规程SDLC (Synchronous Data Link Control)。 后来 ISO 把 SDLC 修改后称为 HDLC (High-level Data Link Control),译为高级数据链路控制,作为国际标准ISO 3309。 CCITT 则将 HDLC 再修改后称为链路接入规程 LAP (Link Access Procedure)。不久,HDLC 的新版本又把 LAP 修改为 LAPB,“B”表示平衡型(Balanced),所以 LAPB 叫做链路接入规程(平衡型)。,
13、* 3.4 HDLC协议,HDLC产生及变种,SDLC,IBM,同步数据链路控制,ADCCP,ANSI,美国国家标准化协会,高级数据通信控制,HDLC,ISO,LAP,CCITT,国际电报电话咨询委员会,链路访问过程,LAPB,LAPD,LLC,PPP,X.25,ISDN,局域网,Internet,ITU,国际电联,3.4.1 HDLC帧格式,标志字段 F (Flag) 为 6 个连续 1 加上两边各一个 0 共 8 bit。在接收端只要找到标志字段就可确定一个帧的位置。,比特,8,8,8,可变,16,8,信息 Info,标志 F,标志 F,地址 A,控制 C,帧检验序列 FCS,透明传输区间
14、,FCS 检验区间,其他字段,地址字段 A 是 8 bit。 可以表示256个地址 地址字段的首位为“1”时,表示地址字段只用8bits 地址字段的首位为“0”时,表示本字节后面的1个字节是扩展地址字段,比特,8,8,8,可变,16,8,信息 Info,标志 F,标志 F,地址 A,控制 C,帧检验序列 FCS,透明传输区间,FCS 检验区间,3.4.2 HDLC帧控制字段,控制字段 C 共 8 bit,是最复杂的字段。 控制字段用于构成各种命令及响应,以便对链路进行监视与控制 HDLC 的许多重要功能都靠控制字段来实现 信息帧I(Information Frame) 监控帧S(Supervi
15、sor Frame) 无编号帧U(Unnumbered Frame),比特,8,8,8,可变,16,8,信息 Info,标志 F,标志 F,地址 A,控制 C,帧检验序列 FCS,透明传输区间,FCS 检验区间,信息帧控制字段格式,发送序号,应答序号,(Poll/Final)轮询/终止,5位为轮询位,当为1时,要求被轮询的从站给出响应 ;0,表示没有意义,监控帧控制字段格式,第5位为轮询/终止位,当为1时,表示接收方确认结束。,1,0,无编号帧控制字段格式,无编号帧,提供对链路的建立、拆除以及多种控制功能,用34678这五个M位来定义,可以定义32种附加的命令或应答功能。,信息字段I(Info
16、rmation)。可以是任意的二进制比特串,长度未作限制;目前多用10002000bits 帧检验序列 FCS 字段共 16 bit。所检验的范围是从地址字段的第一个比特起,到信息字段的最末一个比特为止。 帧检验序列的生成多项式一般采用CRC-CCITT,比特,8,8,8,可变,16,8,信息 Info,标志 F,标志 F,地址 A,控制 C,帧检验序列 FCS,透明传输区间,FCS 检验区间,HDLC,基本工作模式 站点类型 主站从站混合站(primarysecondarycombined) 系统配置模型 非平衡对称平衡 unbalancedsymmetricalbalanced 通信模式
17、一般响应模式异步响应模式异步平衡模式 NRM(Normal response mode) ARM(Asynchronous response mode) ABM(Asynchronous balanced mode),HDLC Unbalanced(固定主从站),NRM (Normal Response Mode) 主站点名,从站响应 ARM (Asynchronous Response M) 一般:主站点名,从站响应 特殊紧急:从站主动发送(仍是响应),主站,从站,command,response,response,HDLC Symmetrical,对称 站点同为主、从复合 站点角色按信道分
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