03 数据链路层

第3章数据链路层222020/2/18网络与通讯/第3章数据链路层3.数据链路层物理层实现比特流的传送，但不保证没有错误。数据链路层在物理连接提供的比特流传输服务基础上，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。应用层传输层网络层数据链路层物理层54321数据链路层的目标：在数据链路上提供可靠的信息传输数据链路层协议负责在物理网络与计算机的协议组之间提供一个接口。332020/2/18网络与通讯/第3章数据链路层内容纲要3.1数据链路层的基本概念3.2流量控制和差错控制3.3点对点信道的数据链路层3.4多路访问信道的数据链路层第3章数据链路层442020/2/18网络与通讯/第3章数据链路层内容纲要3.1数据链路层的基本概念3.2流量控制和差错控制3.3点对点信道的数据链路层3.4多路访问信道的数据链路层第3章数据链路层552020/2/18网络与通讯/第3章数据链路层MODEMMODEM数据链路数据传输链路终端DTE终端DTE数据链路:链路数据协议（软硬件）为数据终端之间提供按照某种协议进行传输控制的数据通路3.1数据链路层的基本概念662020/2/18网络与通讯/第3章数据链路层数据链路层传输和处理的数据单位：帧。独立地计算校验和，发送和接收。便于实现流量控制和差错控制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。3.1数据链路层的基本概念结点结点帧帧772020/2/18网络与通讯/第3章数据链路层内容纲要3.1数据链路层的基本概念3.2流量控制和差错控制3.3点对点信道的数据链路层3.4多路访问信道的数据链路层882020/2/18网络与通讯/第3章数据链路层理想化的数据传输3.2流量控制和差错控制数据链路层主机A缓存主机B数据链路AP2AP1缓存发送方接收方帧高层帧假定1：理想信道，无差错无丢失假定2：接收方总是来得及收下，并及时上交主机。992020/2/18网络与通讯/第3章数据链路层3.2流量控制和差错控制为了防止数据通讯中高速端淹没低速端由收方控制发方的数据流，乃是计算机网络中流量控制的一个基本方法处理单元没有缓冲空间了！后面分组丢弃流量控制协议10102020/2/18网络与通讯/第3章数据链路层开关式流量控制:,硬件（RS232:RTS/CTS;DTR/DSR)软件控制字符：XON/XOFF协议式流量控制:停止等待协议（Stop-and-WaitProtocol）滑动窗口协议（SlideWindowProtocol）流量控制方法3.2流量控制和差错控制11112020/2/18网络与通讯/第3章数据链路层停-等协议（stop-and-wait)ABACKframeA将信息封装成帧A发送数据帧N(S)..A等待确认ACK.(acknowlegement)B收到数据帧,检测无误,发送确认N(R).A收到确认ACK,重复.3.2流量控制和差错控制12122020/2/18网络与通讯/第3章数据链路层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”。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”。由于电磁波传输速率的存在，帧在信道中的传送，具有“传播时延”。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，以及传输过程的排队等待等都需要“处理时延”。停等协议性能分析3.2流量控制和差错控制T总=tF+tA+tproc+2tP13132020/2/18网络与通讯/第3章数据链路层例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Lbit，则ts＝Lbit/8Kbps，tp=20ms。信道利用率＝ts/（ts＋2tp）≥50%当ts40ms不等式成立，故帧长L应大于等于320bit。停等协议3.2流量控制和差错控制14142020/2/18网络与通讯/第3章数据链路层例2在采用停等协议的卫星通信系统中，两个地面卫星通信站之间利用卫星的转发技术进行通信。信号从一个地面站经卫星传到另一个地面站，若设其传播时延为250ms，发送一个数据帧的时间为20ms，试分析此系统的信道利用率。停等协议解：从发送一帧开始，到收到应答所需要的时间为：20ms+2*250ms＝520ms则此系统的信道利用率为：20ms／520ms＝1／26≈4％3.2流量控制和差错控制15152020/2/18网络与通讯/第3章数据链路层优点：比较简单。缺点：通信信道的利用率不高，信道还远远没有被所传输的数据比特填满。滑动窗口协议克服了这一缺点当发送完一个数据帧后，不是停下来等待确认帧，而是继续发送若干数据帧由于在等待确认时可以继续发送数据，减少了信道空闲时间，因而提高了整个通信过程的吞吐量3.2流量控制和差错控制停等协议优缺点16162020/2/18网络与通讯/第3章数据链路层“滑动窗口”机制实现数据帧的传输控制将发送的帧按模2编号:0--2k-1发送节点设置发送存储单元，用于保存已发送但尚未被确认或可以发送的帧，这些帧对应着一张连续序号列表，即发送窗口。发送窗口的大小WT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的数据帧数目接收节点则有一张接收序号列表及相应的缓冲区，即接收窗口。窗口尺寸＜2k3.2流量控制和差错控制滑动窗口协议17172020/2/18网络与通讯/第3章数据链路层01234567012发送窗口WT不允许发送这些帧允许发送5个帧(a)01234567012不允许发送这些帧还允许发送4个帧WT已发送(b)01234567012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(c)滑动窗口协议3.2流量控制和差错控制18182020/2/18网络与通讯/第3章数据链路层接收窗口数据帧的发送序号落入接收窗口内:允许接收落在接收窗口之外，则一律将其丢弃。每收到一个序号正确的帧，接收窗口就向前（右方）滑动一个帧的位置。同时发送对该帧的确认接收窗口WR=1按序接收接收窗口WR1序号在接收窗口之内就接收该帧；否则丢弃滑动窗口协议3.2流量控制和差错控制19192020/2/18网络与通讯/第3章数据链路层RR3:receivereadyforNo.3后沿收缩前沿扩展3.2流量控制和差错控制20202020/2/18网络与通讯/第3章数据链路层自动请求重发AutomaticRepeatreQuestARQ数据在链路上传输的几种情况：正常数据帧丢失（损坏）确认丢失（损坏）差错控制差错控制协议•停等ARQ•连续ARQ•选择ARQ3.2流量控制和差错控制21212020/2/18网络与通讯/第3章数据链路层数据链路层采用循环冗余检验CRC差错检测技术，只能做到无差错接受(accept)。实用的CRC检验器都是用硬件完成的。CRC检验器能够自动丢弃检测到的出错帧，上层软件或用户来说都是感觉不到的。要做到“可靠传输”（即发送什么就收到什么）就必须再加上确认和重传机制发送端对出错的数据帧进行重传是自动进行的，ARQ(AutomaticRepeatreQuest)，直译是自动重传请求，但意思是自动请求重传。差错控制方法3.2流量控制和差错控制22222020/2/18网络与通讯/第3章数据链路层自动重传：超时计时器。一般可将重传时间选为略大于“从发完数据帧到收到确认帧所需的平均时间”。重传若干次后仍不能成功，则报告差错。数据帧序号：重复帧问题序号比特数与额外开销停等协议，一个比特来编号滑动窗口协议：•地面链路通信：模8（3位编码）•卫星链路通信：模128（7位编码）3.2流量控制和差错控制差错控制方法23232020/2/18网络与通讯/第3章数据链路层3.2流量控制和差错控制停等ARQ协议时间AB送主机送主机(a)正常情况AB送主机(c)数据帧丢失重传tout丢失！AB送主机丢弃(d)确认帧丢失重传tout丢失！AB送主机(b)数据帧出错重传出错24242020/2/18网络与通讯/第3章数据链路层3.2流量控制和差错控制连续ARQ协议返回N帧ARQ协议(Go-Back-n)接收窗口WR=1允许发送方连续发送多个数据帧接收器按序接受一帧出错,该帧及其后N帧都要重传25252020/2/18网络与通讯/第3章数据链路层3.2流量控制和差错控制选择ARQ协议选择拒绝(选择重传)ARQ接收窗口WR1接收器可以不按序接受一帧出错,只重传该帧接收端要设置相当容量的缓存空间控制复杂。26262020/2/18网络与通讯/第3章数据链路层内容纲要3.1数据链路层的基本概念3.2流量控制和差错控制3.3点对点信道的数据链路层3.4多路访问信道的数据链路层27272020/2/18网络与通讯/第3章数据链路层数据链路控制协议的作用数据链路层控制功能的具体体现，使通信变得比较可靠。数据链路控制规程的作用：帧控制透明传送流量控制差错控制链路管理异常状态的恢复3.3点对点信道的数据链路层28282020/2/18网络与通讯/第3章数据链路层面向字符的数据链路控制规程以字符作为传输的基本单位，专用字符控制传输过程基本型（如BSC，二进制同步通信）高级（DDCMP，数字数据通信报文规程）SLIP和PPP面向比特的数据链路控制规程以比特作为传输的基本单位,采用某些比特序列完成控制功能IBMSDLCISOHDLCCCITT（ITU-T）LAPB3.3点对点信道的数据链路层29292020/2/18网络与通讯/第3章数据链路层1、面向比特的高级数据链路控制规程HDLC（HighLevelDataLinkControl）在链路中，所连接的节点称为“站”主站从站复合站数据链路的基本结构（线路拓扑）点到点链路多点链路3.3点对点信道的数据链路层DTEDTE点到点链路DTEDTEDTEDTE点到点链路30302020/2/18网络与通讯/第3章数据链路层3.3点对点信道的数据链路层DTEDTEDTEDTEDTEDTEDTE……不平衡主从式点到多点链路平衡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。31312020/2/18网络与通讯/第3章数据链路层信息Info标志F标志F地址A控制C帧检验序列FCS帧FrameHDLC的帧结构物理层帧层网络层同步比特流头部数据部分分组1、面向比特的链路控制规程HDLC01111110011111103.3点对点信道的数据链路层32322020/2/18网络与通讯/第3章数据链路层信息Info标志F标志F地址A控制C帧检验序列FCS帧Frame零比特填充：传送任意组合的比特流实现数据链路层的透明传输1、面向比特的链路控制规程HDLC01111110011111100比特填充连续的5个1后插入一个03.3点对点信道的数据链路层33332020/2/18网络与通讯/第3章数据链路层地址字段A不平衡配置：从站地址平衡配置：应答站地址控制字段C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信息字段I高层信息，长度可变帧校验序列FCS差错控制，CRC校验信息Info标志F标志F地址A控制C帧检验序列FCS1、面向比特的链路控制规程HDLC3.3点对点信道的数据链路层34342020/2/18网络与通讯/第3章数据链路层HDLC的帧结构FFACIFCSN(S)0N(R)N(R)01TYPETYPETYPE11ISUP/FP/FP/FFFACFCS短帧：长帧1、面向比特的链路控制规程HDLC3.3点对点信道的数据链路层信息帧监督帧无号帧35352020/2