计算机网络与通信(第4章)

第4章数据链路控制第4章数据链路控制4.1概述4.2数据链路控制的基本机制4.3自动请求重传4.4差错校验4.5高级数据链路控制规程HDLC4.6因特网数据链路控制协议PPP4.1概述数据链路层负责在单个链路上的发送和接收结点之间传送帧4.1概述数据链路层的通信对等实体之间的数据传输通道称为数据链路(DataLink)，包括物理链路和必要的传输控制规程。理想的数据链路应该满足以下两个条件：不管发送方以多快的速率发送数据，接收方总能够来得及接收、处理并上交主机；传输的任何数据，既不会出现差错也不会丢失。第1个条件不满足就必须进行流量控制(FlowControl)。第2个条件不满足就必须进行差错控制(ErrorControl)。4.1概述实现流量控制的一个重要方法是滑动窗口(SlidingWindow)机制。实现差错控制的一个基本方式是反馈重传纠错。自动请求重传ARQ(AutomaticRepeatreQuest)，ARQ综合了滑动窗口机制和确认-重传机制，进行流量控制和差错控制，实现可靠传输。媒体接入控制(MediumAccessControl,MAC)。4.2数据链路控制的基本机制4.2.1滑动窗口发送方和接收方分别设置发送窗口和接收窗口。发送窗口用来对发送方进行流量控制，落在窗口内的帧是可以连续发送的，其大小WT指明在收到对方确认(ACK)之前发送方最多可以发送多少个帧。只有到达的数据帧的序号落在接收窗口之内时才可以被接收，否则将被丢弃。一般地，当接收方收到一个有序且无差错的帧后，接收窗口向前滑动，准备接收下一帧，并向发送方发送出一个ACK。当发送方收到接收方的ACK后，发送窗口才能向前滑动，滑动的长度取决于接收方确认的序号。4.2.1滑动窗口发送方的滑动窗口4.2.2反馈重传反馈重传机制可以采用以下措施：差错发现反馈确认信息正确认/肯定确认(PositiveAcknowledgement)累计确认(CumulativeAcknowledgement)捎带确认(Piggybacking)负确认(NegativeAcKnowledgement,NAK)重传超时重传(TimeoutRetransmission)负确认重传4.3自动请求重传4.3.1停等自动请求重传发送方发出一个数据帧后停下来不再发送，等待接收方的ACK到达，ACK到达后才发送下一帧。发送窗口大小是WT=1，接收窗口大小也是1。处理3种传输差错：接收方收到了发来的数据帧，但检测出差错；发送方发出的数据帧丢失；接收方收到正确的数据帧，但发出的ACK丢失。对于差错1，即收方丢弃此帧，并可采取下面两种方式进行重传。负确认重传。超时重传。4.3.1停等自动请求重传对于2和3这两种差错，可采取超时重传。但对于差错3，超时重传会使接收方收到两个同样的数据帧。解决重复帧的方法是为数据帧和确认帧编上序号。停等ARQ采用超时重传的方式。停等ARQ机制的问题是可能产生严重的低效率。链路的利用率：/2/2/2DATADATAACKPRODATADATATTTTTT　　帧的比特长度帧的比特长度链路的比特长度4.3.1停等自动请求重传停等ARQ传输过程示例4.3.2回退-NARQWT1，发送方在每收到一个ACK之前不必等待，可以连续地发送窗口内的多个帧，也称为连续ARQ，提高了传输的吞吐量和传输效率。也使用超时重传机制。定时器超时仍未收到ACK，则要重传此帧，而且还必须重传此帧后面所有的已发帧，这正是这种机制称为回退-NARQ的原因。接收方的接收窗口WR=1，当接收方收到一个有序且无差错的帧后，接受窗口向前移动，并向发送方发出一个ACK。发送窗口应满足：21nTW最大序号4.3.2回退-NARQ回退-NARQ接收窗口4.3.2回退-NARQ回退-NARQ传输过程示例4.3.3选择重传ARQ在回退-NARQ机制的基础上作了如下两点改进：接收窗口WR1，这样可以接收和保存正确到达的失序的帧；出现差错时只重传出错的帧，后续正确到达的帧不再重传，从而提高了信道的利用率。选择重传ARQ应该满足：2/21/2nTRWW最大序号4.4差错校验4.4.1奇偶校验在发送数据后附加一个校验位，校验位的取值时的包括数据和校验位中的“1”的个数分别为奇数/偶数。奇偶校验检错能力有限，只能校验出奇数个错但不能校验出偶数个错。优点是简单、易实现，在位数不长的情况下常常采用。4.4.2循环冗余校验码多项式n位长度的位串可以用n-1次码多项式表示：例如，位串1010001的码多项式为:数据后面附加上冗余码：k位的信息码后面附加上r位的冗余码:由信息码生成冗余码用一个特定的r次多项式G(x)去除，其余数为r-1次的码多项式R(x)，对应的r位的位串作为冗余码。G(x)称为生成多项式(GeneratorPolynomial)。除法中使用模2减(无借位减，相当于作异或(XOR)运算)。1210nnCCCCC121210nnnnCxCxCxCxC641xxrCxxKxRxrxKx4.4.2循环冗余校验生成冗余码示例4.4.2循环冗余校验传输差错校验接收方将接收到的C(x)除以生成多项式G(x)，只要余数不为零，则表明校验出传输差错，若余数为零，则可以认为传输无误。常用的生成多项式CRC-8用于ATM信元头差错校验。CRC-16是HDLC规程中使用的。CRC-32是IEEE802.3以太网中采用的。4.4.3校验和IP、ICMP、TCP和UDP中广泛使用校验和运算的例子4.5高级数据链路控制规程IBM公司同步数据链路控制(SynchronousDataLinkControl,SDLC)。ISO把SDLC修改为高级数据链路控制(HighLevelDataLinkControl,HDLC)。HDLC帧包括:信息帧(InformationFrame);监督帧(SupervisoryFrame);无编号帧(UnnumberedFrame)。HDLC在计算机网络发展中曾有着重要的影响和广泛的应用。4.6因特网数据链路控制协议PPP4.6.1PPP及其帧格式点对点协议(PointtoPointProtocol,PPP):为点对点链路上直接相连的两个结点之间，提供了一种数据传输的方式。PPP主要应用有以下两方面：住宅用户计算机使用PPP协议通过Modem拨号进行Internet接入。路由器点对点连接而成Internet的主干。4.6.1PPP及其帧格式PPP主要包括三个部分：将多种网络层分组封装成帧的方法。建立、配置和测试数据链路连接的链路控制协议(LinkControlProtocol,LCP)。网络控制协议(NetworkControlProtocol,NCP)。透明性：PPP既支持零比特填充，也支持字节填充(ByteStuffing)。PPP帧格式4.6.2PPP运行状态图PPP提供身份认证机制，有两种方式：口令认证协议(PasswordAuthenticationProtocol,PAP)；质询-握手认证协议(ChallengeHandshakeAuthenticationProtocol,CHAP)PPP链路的运行状态图