计算机网络ppt课件CH3链路层.ppt

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1、1,一、链路层功能,要解决的问题 如何在有差错的线路上，进行无差错传输。 ISO关于数据链路层的定义 数据链路层的目的是为了提供功能上和规程上的方法，以便建立、维护和释放网络实体间的数据链路。 节点（node）：网络中的主机（host）和路由器（router）称为节点 链路（link）：通信路径上连接相邻节点的通信信道称为链路。 数据链路层协议定义了一条链路的两个节点间交换的数据单元格式，以及节点发送和接收数据单元的动作。,2,数据链路控制规程 为使数据能迅速、正确、有效地从发送点到达接收点所采用的控制方式。 数据链路层协议应提供的最基本功能 数据在链路上的正常传输（建立、维护和释放） 数据的

2、定界与同步，也处理透明性问题 差错控制 顺序控制 流量控制,3,为网络层提供三种合理的服务 无确认无连接服务，适用于 误码率很低的线路，错误恢复留给高层； 实时业务 大部分局域网 有确认无连接服务，适用于不可靠的信道，如无线网。 有确认有连接服务,4,二、 成帧（Framing） 将比特流分成离散的帧，标识每个帧的起始与结束，并计算每个帧的校验和。 成帧方法： 1） 字符计数法 在帧头中用一个域来表示整个帧的字符个数 缺点：若计数出错，对本帧和后面的帧有影响。,5,把帧的长度用一个字节表示，作为帧的头部,一旦帧长度计数被误读，将不能继续同步，所以很少采用,1） 字符计数法,6,起始字符 DLE

3、 STX，结束字符DLE ETX 字符填充 缺点：局限于8位字符和ASCII字符传送。,用特殊的字符作为帧头和帧尾 如：DLE STX My name is John DLE ETX,接收方一旦丢失了帧信息，只要查找DLE STX就可重新确定帧边界 如果数据中出现首尾字符，则插入重复的定界符,2） 带字符填充的首尾字符定界法,7,3） 带位填充的首尾标记定界法,帧的起始和结束都用一个特殊的位串“01111110”，称为标记(flag)。 采用“0”比特插入删除技术,插入的比特,8,只适用于物理层编码有冗余的网络 如：802标准的LAN，物理层采用曼彻斯特或差分曼彻斯特编码 用高-低电平对/低-

4、高电平对表示1/0，高-高/低-低电平对不表示数据，可以用来做定界符。 注意：在很多数据链路协议中，使用字符计数法和一种其它方法的组合。,4） 物理层编码违例法,9,三、 差错控制 一般方法：接收方给发送方一个反馈（响应）。 出错情况 帧（包括发送帧和响应帧）出错； 帧（包括发送帧和响应帧）丢失 通过计时器和序号保证每帧最终交给目的网络层仅一次是数据链路层的一个主要功能。,10,差错出现的特点：随机，连续突发（burst） 处理差错的两种基本策略 使用纠错码：发送方在每个数据块中加入足够的冗余信息，使得接收方能够判断接收到的数据是否有错，并能纠正错误。 使用检错码：发送方在每个数据块中加入足够

5、的冗余信息，使得接收方能够判断接收到的数据是否有错，但不能判断哪里有错。,11,码字（codeword）：一个帧包括m个数据位，r个校验位，n = m + r，则此n比特单元称为n位码字。 海明距离（Hamming distance）：两个码字之间不同的比特位数目。,例：0000000000 与0000011111的海明距离为5 如果两个码字的海明距离为d，则需要d个单比特错就可以把一个码字转换成另一个码字； 为了检查出d个错（单比特错），需要使用海明距离为 d + 1 的编码； 为了纠正d个错，需要海明距离为 2d + 1 的编码；,1） 纠错码,12,最简单的例子是奇偶校验 在数据后填加一

6、个奇偶位（parity bit） 例：使用偶校验（“1”的个数为偶数） 10110101101101011 10110001101100010 奇偶校验可以用来检查单个错误。,13,使用纠错码传数据，效率低，适用于不可能重传的场合；大多数情况采用检错码加重传。 循环冗余码（CRC码，多项式编码） 如：110001，可表示成多项式 x5 + x4 + 1 生成多项式G(x) 发方、收方事前商定； 生成多项式的高位和低位必须为1 生成多项式必须比传输信息对应的多项式短。 CRC码基本思想 校验和（checksum）加在帧尾，使带校验和的帧的多项式能被G(x)除尽；收方接收时，用G(x)去除它，若有

7、余数，则传输出错。,2） 检错码,14,四个多项式已成为国际标准 CRC-12 = x12 + x11 + x3 + x2 + x + 1 CRC-16 = x16 + x15 + x2 + 1 CRC-CCITT = x16 + x12 + x5 + 1 CRC-32 硬件实现CRC校验 网卡NIC（Network Interface Card）完成,15,流量控制 基于反馈机制 流量控制主要在传输层实现,1）XON/XOFF方案。使用一对控制字符实现流量控制。发生过载时，接收方向发送方发送一个XOFF字符，使之暂停发送；状况消除后，再向发送方发送一个XON字符，使之恢复发送。 2）滑动窗口

8、。利用接收方缓冲区和发送方缓冲区来实现流量控制。通过限制已发送而尚未确认帧的数量，以实现对发送方的控制。,链路层的流量控制策略,16,工作原理 发送的信息帧都有一个序号，从0到某个最大值，0 2n - 1，一般用n个二进制位表示； 发送端始终保持一个已发送但尚未确认的帧的序号表，称为发送窗口。发送窗口的上界表示要发送的下一个帧的序号，下界表示未得到确认的帧的最小编号。发送窗口大小 = 上界 - 下界，大小可变；,四、滑动窗口（Sliding Window Protocol）协议,17,工作原理（续） 发送端每发送一个帧，序号取上界值，上界加1；每接收到一个正确响应帧，下界加1； 接收端有一个接

9、收窗口，大小固定，但不一定与发送窗口相同。接收窗口的上界表示允许接收的序号最大的帧，下界表示希望接收的帧； 接收窗口容纳允许接收的信息帧，落在窗口外的帧均被丢弃。序号等于下界的帧被正确接收，并产生一个响应帧，上界/下界都加1。接收窗口大小不变。,18,滑动窗口原理示意图（设WT=5，WR=3）,发送方,接收方,19,三个常见窗口协议,发送窗口WT=1，接收窗口WR=1 一位滑动窗口协议 发送窗口WT=7，接收窗口WR=1 后退n帧的滑动窗口协议 发送窗口WT=4，接收窗口WR=4 选择性重发滑动窗口协议,20,1）停等协议（一比特滑动窗口协议） 协议特点 窗口大小：N = 1，发送序号和接收序

10、号的取值范围：0，1； 可进行数据双向传输，信息帧中可含有确认信息（piggybacking技术）； 信息帧中包括两个序号域：发送序号和接收序号（已经正确收到的帧的序号）,存在问题 能保证无差错传输，但是基于停等方式； 若双方同时开始发送，则会有一半重复帧； 效率低，传输时间长。,21,停等协议的情况1：运行过程正常,22,停等协议的情况2：运行过程不正常,23,2） 连续ARQ协议,为提高传输效率而设计 停等协议的主要问题是信道利用率太低。发送端的等待时间至少是发送端到接收端传播时间的二倍 信道的利用率为：发送时间/来回时间 管道化（pipelining）:在等待确认的时间内继续发送 存在的

11、问题：若信道不可靠，使发送端在意识到数据丢失时，已有大量数据到达接收端,24,例：卫星信道传输速率50kbps，往返传输延迟500ms，若传1000bit的帧，若使用停等协议，则传输一个帧所需时间为： 发送时间 + 数据传输延迟 + 确认传输延迟（确认帧很短，可忽略发送时间）= 1000bit / 50kbps + 250ms + 250ms = 520ms 信道利用率 = 20 / 520 4% 对一般情况而言 若信道带宽b比特/秒，帧长度L比特，往返传输延迟R秒，则信道利用率为 (L/b) / (L/b + R) = L / (L + Rb) 结论： 传输延迟大，信道带宽高，帧短时，信道利

12、用率低。,25,解决效率的办法 连续发送多帧后再等待确认，称为流水线技术 带来的问题 信道误码率高时，对坏帧和非坏帧的重传非常多 两种常见的连续ARQ方法 退后n帧（go back n） 接收方从出错帧起丢弃所有后继帧；接收窗口为1 对于出错率较高的信道，浪费带宽。 选择重传（selective repeat） 接收窗口大于1，先暂存出错帧的后继帧； 只重传坏帧；对最高序号的帧进行确认； 接收窗口较大时，需较大缓冲区。,26,a) 退后n帧协议 发送方有流量控制，为重传设缓冲区； 发送窗口大小 序号个数 如果窗口大小与序号个数一致（如序号个数为07），则会有下面情况发生： 1) 发送方发送帧

13、0 7； 2) 序号为 7 的帧的确认被捎带回发送方； 3) 发送方发送另外 8 个帧，序号为 0 7； 4) 另一个对帧 7 的捎带确认返回。 问题是：第二次发送的 8 个帧成功了还是丢失了？ 当出现差错时退后n帧重发； 由于有多个未确认帧，设多个计时器。,27,后退n帧的滑动窗口协议图例,有一个差错时后退n帧（发送窗口为7）,28,后退n帧的窗口定义,如果编号由N位组成，则发送窗口WT=2N-1，接收窗口WR=1 即管道化（pipelining）协议 对于3位二进制的序号，则 （WT=7，,WR=1）,29,b) 选择重传协议 在不可靠信道上有效传输时，不会因重传而浪费信道资源，有选择的重

14、传。 发送窗口大小：按最大序号，接收窗口大小：序号个数的一半 需保证接收窗口前移后与原窗口没有重叠；,缓冲区设置 发送方和接收方的缓冲区大小应等于各自窗口大小； 增加确认计时器，解决两个方向负载不平衡带来的阻塞问题 可随时发送否定性确认帧NAK,30,选择性重传窗口协议图例,有一个差错时仅重发一帧（接收窗口和发送窗口都为7）,31,选择性重传协议失败的情况,发送方连续发送了7帧，帧号为0 1 2 3 4 5 6，然后等待确认 在尚未接收到帧前，接收窗口为0 1 2 3 4 5 6。发送方发送的7帧正确地收到后，接收方发出了确认6，意即0 6帧全部收到，然后取出分组交网络层、清缓冲区并调整窗口为

15、7 0 1 2 3 4 5 发送方一直在等待确认，但确认帧由于某种原因失踪了，在超时后，发送方又重发0 1 2 3 4 5 6帧，并等待确认,考虑一种情况：序号为3位二进制，即帧号为0 7 发送窗口和接收窗口的大小均为7,32,接收方收到0 1 2 3 4 5 6帧，认为是第二批来的帧，照正常处理，发现0 1 2 3 4 5均在其接收窗口内，当然接收并存入缓冲，6丢弃，但由于应首先到达的7未到，所以只能发6 ack，意即再次确认上次收到的0 6 但在发送方来看，收到了6 ack后才知道，重发的0 6总算收到了，于是，调整窗口为7 0 1 2 3 4 5，从网络层取分组，并发送第二批帧 接收方在

16、收到7 0 1 2 3 4 5后，发现0 1 2 3 4 5帧已在缓存中，是重复的，应丢弃，7接收。然后交网络层，清缓冲区、调整接收窗口 此时，接收方的网络层发现：数据链路层交来的第二批分组中的0 1 2 3 4 5与原来的重复,33,选择性重传协议 当WT=WR=7失败的原因,原因在于接收窗口过大，新窗口与原窗口中的有效顺序号有重叠 所以，发送窗口+ 接收窗口 = 2n ； 且：发送窗口 = 接收窗口,34,选择性重传协议正常工作的情况,发送窗口 = 接收窗口 = (MAX_SEQ + 1) / 2 增加了否定性确认NAK，当收到一个坏帧，或收到一个非期望的帧，则发一个NAK帧 增加了一个辅

17、助定时器，当收到一个正确的帧，而没有可捎带确认的数据帧，当辅助定时器超时，则立即发送一个ACK帧,35,五、常用的数据链路层协议,数据链路层协议分类 面向字符的链路层协议 ISO的IS1745，基本型传输控制规程及其扩充部分（BM和XBM） IBM的二进制同步通信规程（BSC） DEC的数字数据通信报文协议（DDCMP） PPP,36,面向比特的链路层协议 IBM的SNA使用的数据链路协议SDLC（Synchronous Data Link Control protocol）； ANSI修改SDLC，提出ADCCP（Advanced Data Communication Control Pro

18、cedure）； ISO修改SDLC，提出HDLC（High-level Data Link Control）； CCITT修改HDLC，提出LAP（Link Access Procedure）作为X.25网络接口标准的一部分，后来改为LAPB。,37,1） 高级数据链路控制规程HDLC 1976年，ISO提出HDLC（High-level Data Link Control） HDLC的组成 帧结构 规程元素 规程类型 使用HDLC的语法可以定义多种具有不同操作特点的链路层协议。 HDLC的适用范围 计算机 计算机 计算机 终端 终端 终端,38,HDLC的基本操作模式 正规响应模式 NRM

19、（Normal Response Mode） 适用于点点式和多点式两种非平衡构型。只有当主站向次站发出探询后，次站才能获得传输帧的许可。 异步响应模式 ARM（Asynchronous Response Mode） 适用于点点式非平衡构型和主站次站式平衡构型。次站可以随时传输帧，不必等待主站的探询。 异步平衡模式 ABM（Asynchronous Balanced Mode） 适用于通信双方都是组合站的平衡构型，也采用异步响应，双方具有同等能力。,39,HDLC的帧格式,40,2） 点对点协议PPP,Internet 中的网络互联,其中的路由器R之间是通过点对点来连接的,R,R,41,普通家庭

20、用户接入Internet,Internet,PSTN,远程家庭用户通过拨号与ISP联接,42,PPP是Internet标准（RFC1661 1662 1663）,处理错误监测 支持多种协议（IP、IPX、DECnet等） 连接时允许协商IP地址，允许动态分配 允许身份认证 提供差错校验 以帧为单位发送，而不是原始IP包；,43,点到点协议 PPP 包括两部分 链路控制协议LCP（Link Control Protocol） 可使用多种物理层服务：modem，HDLC串线，SDH/SONET等 网络控制协议NCP（Network Control Protocol） 可支持多种网络层协议 帧格式与

21、HDLC相似，区别在于PPP是面向字符的，采用字符填充技术,44,PPP的帧格式,PPP的帧格式类似于HDLC，但是面向字符的协议（以字节为单位）,标志域：固定为01111110，与HDLC相同 地址域：固定为11111111 控制域：缺省为00000011，即无序号帧（即毋需确认）,协议域：不同的协议不同的代码 载荷域：可变长，缺省最长1500字节 校验和：缺省为2字节，也可为4字节，仅是头部的校验和,45,PPP的工作过程,发送端PPP首先发送LCP帧，以配置和测试数据链路 在LCP建立好数据链路并协调好所选设备之后，发送端PPP发送NCP帧，以选择和配置一个或多个网络协议 当所选的网络层

22、协议配置好后，便可将各网络层协议的分组发送到数据链路上 配置好的链路将一直保持通信状态，直到LCP帧或NCP帧明确提示关闭链路，或有其它的外部事件发生（如用户干预等）,46,一次使用PPP协议的过程,初始状态 建立连接：建立成功到，否则到 选项协商：协商成功到，否则到 身份认证：认证成功到，否则到 配置网络：网络配置完后到 数据传输：数据传输完后到 释放链路：回到,47,3） 以太网环境的点对点协议PPPoE,PPPoE 可通过简单桥接设备连接远端接入设备 可以利用以太网的共享介质特性连接多个用户主机 是宽带接入需求的产物,PPPoE报文格式：,48,常用数据链路层协议小结,主要数据链路层协议：HDLC（面向比特）和PPP（面向字符） HDLC具有三种站，两种构型，三种操作模式 X.25 LAPB是HDLC的子集 PPP 提供差错校验、支持多种协议、允许动态分配IP地址、支持认证 PPP包括两部分：LCP和NCP PPP帧没有序号域，不使用滑动窗口技术。,