第4章：數(shù)據(jù)鏈路層

吳功宜編著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

（第2版）1第4章

數(shù)據(jù)鏈路層2本章學(xué)習(xí)要求：了解：數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中差錯(cuò)產(chǎn)生的原因與性質(zhì)掌握：誤碼率的定義與差錯(cuò)控制方法掌握：數(shù)據(jù)鏈路層的基本概念了解：面向字符型數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議實(shí)例—BSC掌握：面向比特型數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議實(shí)例—HDLC掌握：Internet中的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議34.1差錯(cuò)產(chǎn)生與差錯(cuò)控制方法4.1.1為什么要設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)鏈路層在原始物理傳輸線路上傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)是有差錯(cuò)的；設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)鏈路層的主要目的：將有差錯(cuò)的物理線路改進(jìn)成無(wú)差錯(cuò)的數(shù)據(jù)鏈路；方法—差錯(cuò)檢測(cè)差錯(cuò)控制流量控制作用：改善數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，向網(wǎng)絡(luò)層提供高質(zhì)量的服務(wù)。44.1.2差錯(cuò)產(chǎn)生的原因和差錯(cuò)類型

傳輸差錯(cuò)—通過(guò)通信信道后接收的數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)不一致的現(xiàn)象;差錯(cuò)控制—檢查是否出現(xiàn)差錯(cuò)以及如何糾正差錯(cuò)；通信信道的噪聲分為兩類：熱噪聲和沖擊噪聲；由熱噪聲引起的差錯(cuò)是隨機(jī)差錯(cuò)，或隨機(jī)錯(cuò)；沖擊噪聲引起的差錯(cuò)是突發(fā)差錯(cuò)，或突發(fā)錯(cuò)；引起突發(fā)差錯(cuò)的位長(zhǎng)稱為突發(fā)長(zhǎng)度；在通信過(guò)程中產(chǎn)生的傳輸差錯(cuò)，是由隨機(jī)差錯(cuò)與突發(fā)差錯(cuò)共同構(gòu)成的。5傳輸差錯(cuò)

產(chǎn)生過(guò)程6

4.1.3誤碼率的定義

誤碼率定義：二進(jìn)制比特在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中被傳錯(cuò)的概率，它在數(shù)值上近似等于：

Pe=Ne/N其中，N為傳輸?shù)亩M(jìn)制比特總數(shù)

Ne為被傳錯(cuò)的比特?cái)?shù)7討論誤碼率應(yīng)該是衡量數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下傳輸可靠性的參數(shù)；對(duì)于一個(gè)實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，不能籠統(tǒng)地說(shuō)誤碼率越低越好，要根據(jù)實(shí)際傳輸要求提出誤碼率要求；對(duì)于實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，如果傳輸?shù)牟皇嵌M(jìn)制比特，要折合成二進(jìn)制比特來(lái)計(jì)算；差錯(cuò)的出現(xiàn)具有隨機(jī)性，在實(shí)際測(cè)量一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)時(shí)，只有被測(cè)量的傳輸二進(jìn)制比特?cái)?shù)越大，才會(huì)越接近于真正的誤碼率值。8減少傳輸差錯(cuò)的兩種方法為了減少傳輸差錯(cuò)，通常采用下面兩種方法：（1）改善線路質(zhì)量加強(qiáng)線路本身的抗干擾能力，是減少差錯(cuò)最根本的途徑。但是，這種改善是以較大的投入為代價(jià)的。（2）差錯(cuò)的檢測(cè)與糾正主要思想是：對(duì)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行抗干擾編碼，并以此來(lái)檢測(cè)和校正傳輸中的錯(cuò)誤。在發(fā)送端，采用某種校驗(yàn)碼為數(shù)據(jù)單元附加一個(gè)冗余碼，使數(shù)據(jù)單元與冗余碼之間建立一定的數(shù)學(xué)關(guān)系(即編碼過(guò)程)，然后把它們作為一個(gè)數(shù)據(jù)塊一起傳送給接收端；當(dāng)接收端接收到數(shù)據(jù)塊后，使用相同的校驗(yàn)碼計(jì)算數(shù)據(jù)單元的冗余碼，并與數(shù)據(jù)塊中附加冗余碼相比較，以檢驗(yàn)它們之間的數(shù)學(xué)關(guān)系(解碼過(guò)程)是否正確，如果不正確，就說(shuō)明傳輸有錯(cuò)誤，則需要采用某種手段來(lái)糾正錯(cuò)誤。9糾正錯(cuò)誤的兩種方法反饋重發(fā)糾錯(cuò)法接收端將傳輸是否正確的信息作為應(yīng)答反饋給發(fā)送端，對(duì)于傳輸有誤的數(shù)據(jù)，發(fā)送端需要重新傳輸，直至傳輸正確為止，這樣就可以糾正錯(cuò)誤了。前向糾錯(cuò)(FEC)法接收端發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤后，不是通過(guò)發(fā)送端的重傳來(lái)糾正，而是由接收端通過(guò)糾錯(cuò)碼和適當(dāng)?shù)乃惴ㄟM(jìn)行糾正。由于這種糾錯(cuò)方法比較復(fù)雜，所需的冗余碼元較多，實(shí)現(xiàn)比較困難，故很少使用。目前，絕大多數(shù)的通信系統(tǒng)都采用反饋重發(fā)糾錯(cuò)法來(lái)糾正差錯(cuò)。10糾錯(cuò)碼發(fā)送方在每個(gè)數(shù)據(jù)塊中加入足夠的冗余信息，使得接收方能夠判斷接收到的數(shù)據(jù)是否有錯(cuò)，并能糾正錯(cuò)誤。檢錯(cuò)碼發(fā)送方在每個(gè)數(shù)據(jù)塊中加入足夠的冗余信息，使得接收方能夠判斷接收到的數(shù)據(jù)是否有錯(cuò)，但不能判斷哪里有錯(cuò)。4.1.4檢錯(cuò)碼與糾錯(cuò)碼

11糾錯(cuò)碼——海明碼海明碼(HammingCode)是由RichardHamming于1950年提出的，是一種糾錯(cuò)碼，即如果數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中有一位出錯(cuò)，則可以知道出錯(cuò)的位置并通過(guò)取反將其改正過(guò)來(lái)。

海明碼編碼的關(guān)鍵是使用多余的奇偶校驗(yàn)位來(lái)識(shí)別一位錯(cuò)誤。例：使用偶校驗(yàn)（“1”的個(gè)數(shù)為偶數(shù)）

10110101 ——> 101101011 10110001 ——> 101100010奇偶校驗(yàn)可以用來(lái)檢查單個(gè)錯(cuò)誤。碼字（codeword）：一個(gè)幀包括m個(gè)數(shù)據(jù)位，r個(gè)校驗(yàn)位，n=m+r，則此n比特單元稱為n位碼字。12循環(huán)冗余校驗(yàn)（cyclicredundancycheck，CRC）是一種能力相當(dāng)強(qiáng)的檢錯(cuò)碼，并且實(shí)現(xiàn)編碼和檢碼的電路比較簡(jiǎn)單。CRC基于二進(jìn)制除法。在CRC中，在數(shù)據(jù)單元（比如一個(gè)字節(jié)）的后面附加一個(gè)稱為“循環(huán)冗余碼”或“CRC余數(shù)”的冗余數(shù)位串，使生成的數(shù)據(jù)單元可被另一個(gè)預(yù)先給定的二進(jìn)制數(shù)完全除盡。然后將生成后的數(shù)據(jù)單元傳輸。接收端將所接收的數(shù)據(jù)單元用同樣的二進(jìn)制數(shù)相除，如果無(wú)余數(shù)，則可認(rèn)為所接收的數(shù)據(jù)單元正確無(wú)誤，如果有余數(shù)，則認(rèn)定該數(shù)據(jù)單元已有差錯(cuò)。檢錯(cuò)碼——CRC134.1.5循環(huán)冗余編碼工作原理在數(shù)據(jù)鏈路層傳送的幀中，廣泛使用了循環(huán)冗余檢驗(yàn)CRC的檢錯(cuò)技術(shù)。在發(fā)送端，先把數(shù)據(jù)劃分為組。假定每組k位。校驗(yàn)和（checksum）加在幀尾，使帶校驗(yàn)和的幀的多項(xiàng)式能被G(x)除盡；收方接收時(shí)，用G(x)去除它，若有余數(shù)，則傳輸出錯(cuò)。

假設(shè)待傳送的一組數(shù)據(jù)M=101001

（共kbit，k=6）。我們?cè)贛的后面再添加供差錯(cuò)檢測(cè)用的nbit冗余碼一起發(fā)送。142、冗余碼的計(jì)算用二進(jìn)制的模2運(yùn)算（異或運(yùn)算）進(jìn)行2n乘M的運(yùn)算，這相當(dāng)于在M后面添加n個(gè)0。得到的(k+n)bit的數(shù)除以事先選定好的長(zhǎng)度為(n+1)bit的除數(shù)P，得出商是Q而余數(shù)是R，余數(shù)R比除數(shù)P至少要少1bit。注：模2運(yùn)算是指以按位模2加減為基礎(chǔ)的四則運(yùn)算，運(yùn)算時(shí)不考慮進(jìn)位和借位。模2加減的原則為：兩數(shù)相同為0，兩數(shù)相異為1。模2除法：模2除法與算術(shù)除法類似，但每一位除（減）的結(jié)果不影響其它位，即不向上一位借位。153、冗余碼的計(jì)算舉例（1）現(xiàn)在

k=6,M=101001。設(shè)

n=3,除數(shù)P=1101，被除數(shù)是2nM=101001000。模2運(yùn)算的結(jié)果是：商Q=110101，余數(shù)R=001。把余數(shù)R作為冗余碼添加在數(shù)據(jù)M的后面發(fā)送出去。發(fā)送的數(shù)據(jù)是：2nM+R

即：101001001，共(k+n)位。16

110101

←

Q

(商)P(除數(shù))→

1101101001000

←

2nM(被除數(shù))

1101

1110

1101

0111

0000

1110

1101

0110

0000

1100

1101

001←R(余數(shù))，作為FCS

3、冗余碼的計(jì)算舉例（1）173、冗余碼的計(jì)算舉例（2）設(shè)

n=5,P=110101，待傳送的數(shù)據(jù)M=1010001101，模2運(yùn)算的結(jié)果是：商Q=1101010110，余數(shù)R=01110。將余數(shù)R作為冗余碼添加在數(shù)據(jù)M的后面發(fā)送出去，即發(fā)送的數(shù)據(jù)是101000110101110，或2nM+R。183、冗余碼的計(jì)算舉例（3）待校驗(yàn)數(shù)據(jù)：1101,0110,11G(x)=x4+x+1,即10011

1101011011000010011

1100001010

10011

10011

10011

000010110

10011

10100

10011

1110余數(shù)∴傳送序列T(x)=1101,0110,1111,10194、除數(shù)的產(chǎn)生四個(gè)生成多項(xiàng)式G(x)已成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)CRC-12G(x)=x12+x11+x3+x2+x+1CRC-16G(x)=x16+x15+x2+1CRC-CCITTG(x)=x16+x12+x5+1CRC-32G(x)=x32+x26+x23+

x22+x16+

x12+x11+

x10+

x8+

x7+

x5+

x4+

x2+

x+

1硬件實(shí)現(xiàn)CRC校驗(yàn)205、幀檢驗(yàn)序列FCS在數(shù)據(jù)后面添加上的冗余碼稱為幀檢驗(yàn)序列

FCS(FrameCheckSequence)。循環(huán)冗余檢驗(yàn)CRC和幀檢驗(yàn)序列FCS并不等同。CRC是一種常用的檢錯(cuò)方法，而FCS是添加在數(shù)據(jù)后面的冗余碼。FCS可以用CRC這種方法得出，但CRC并非用來(lái)獲得FCS的唯一方法。

216、檢測(cè)出差錯(cuò)將收到的數(shù)據(jù)除以除數(shù)P，只要得出的余數(shù)R不為0，就表示檢測(cè)到了差錯(cuò)。CRC檢測(cè)方法并不能確定究竟是哪一個(gè)或哪幾個(gè)比特出現(xiàn)了差錯(cuò)。一旦檢測(cè)出差錯(cuò)，就丟棄出現(xiàn)差錯(cuò)的幀。只要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的挑選，并使用位數(shù)足夠多的除數(shù)P，那么出現(xiàn)檢測(cè)不到的差錯(cuò)的概率就很小很小。22例1.取生成多項(xiàng)式h（X）＝X4+X+1，假設(shè)欲發(fā)送的一段信息101100110，問(wèn)在線路上傳輸?shù)拇a字是？解：由h(X)＝X4+X+1得生成碼為：10011，n為4。在101100110后面添加n（此時(shí)n=4）個(gè)0，得到1011001100000

。用1011001100000去除10011，得到余數(shù)為1000（保持n位，若不夠前面用0補(bǔ)上）把余數(shù)1000添加到要發(fā)送的數(shù)據(jù)101100110的后面，就是實(shí)際要傳送的碼字，為：1011001101000

10101100010011101100110000010011101011001111010100111001010011100023例2.已知：接收碼字:1100111001，生成多項(xiàng)式:h(X)=X4+X3+1(n=4)

求：碼字的正確性。若正確，則指出冗余碼和信息碼。

100001

110011100111001

11001

，

11001

11001

0解：1)生成碼為11001，用接收到的碼字除以生成碼，余數(shù)為0，所以碼字正確。

2)因n=4，所以冗余碼是：1001，信息碼是:11001124例3.（1）要發(fā)送的數(shù)據(jù)為1101。采用CRC的生成多項(xiàng)式是P(x)=x2+1。試求應(yīng)添加在數(shù)據(jù)后面的余數(shù)。（2）數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中要發(fā)送的數(shù)據(jù)1101變成1100，問(wèn)接收端能否發(fā)現(xiàn)？能否發(fā)現(xiàn)那幾位發(fā)生錯(cuò)誤？（3）若數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中要發(fā)送的數(shù)據(jù)1101變成1000，問(wèn)接收端能否發(fā)現(xiàn)？能否發(fā)現(xiàn)哪幾位發(fā)生錯(cuò)誤？答：（1）添加的檢驗(yàn)序列為10（1101除以101）（2）數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中要發(fā)送的數(shù)據(jù)1101變成1100，110010除以101，余數(shù)為01，不為0，接收端可以發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)。（3）若數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中要發(fā)送的數(shù)據(jù)1101變成1000，100010除以101，余數(shù)為0，接收端不能發(fā)現(xiàn)差錯(cuò)。25注意用循環(huán)冗余檢驗(yàn)CRC差錯(cuò)檢測(cè)技術(shù)只能做到無(wú)差錯(cuò)接受

(accept)。“無(wú)差錯(cuò)接受”是指：“凡是接受的幀（即不包括丟棄的幀），都能以非常接近于1的概率認(rèn)為這些幀在傳輸過(guò)程中沒(méi)有產(chǎn)生差錯(cuò)”。也就是說(shuō)：“凡是接受的幀都沒(méi)有傳輸差錯(cuò)”（有差錯(cuò)的幀就丟棄而不接受）。要做到“可靠傳輸”（即發(fā)送什么就收到什么）就必須再加上確認(rèn)和重傳機(jī)制。因特網(wǎng)廣泛使用的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議都不使用確認(rèn)和重傳機(jī)制。這種檢測(cè)方法并不能確定究竟是哪一個(gè)或哪幾個(gè)比特出現(xiàn)了差錯(cuò)。只要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的挑選，并使用位數(shù)足夠多的除數(shù)P，那么出現(xiàn)檢測(cè)不到的差錯(cuò)的概率就很小很小。26奇偶校驗(yàn)碼采用奇偶校驗(yàn)法，在每個(gè)字符的數(shù)據(jù)位傳輸之前，先檢測(cè)并計(jì)算奇偶校驗(yàn)位，然后將其附加在后；根據(jù)采用的奇偶校驗(yàn)位是奇數(shù)還是偶數(shù)，推出一個(gè)字符包含“1”的數(shù)目，接收機(jī)重新計(jì)算收到字符的奇偶校驗(yàn)位，并確定該字符是否出現(xiàn)傳輸差錯(cuò)；若每個(gè)字符只采用一個(gè)奇偶校驗(yàn)位時(shí)，只能發(fā)現(xiàn)單個(gè)比特差錯(cuò)，如果有兩個(gè)或兩個(gè)以上比特出錯(cuò)，奇偶校驗(yàn)位無(wú)效；異步傳輸和面向字符的同步傳輸均采用奇偶校驗(yàn)技術(shù)；原理：奇校驗(yàn)：若1的個(gè)數(shù)為奇數(shù)

就在校驗(yàn)位填0，偶數(shù)就填1，使1的個(gè)數(shù)變成奇數(shù)個(gè)。

偶校驗(yàn)：若1的個(gè)數(shù)為奇數(shù)

就在校驗(yàn)位填1，偶數(shù)就填0，使1的個(gè)數(shù)變成偶數(shù)個(gè)。

然后傳送數(shù)據(jù)，接收后在做相應(yīng)的奇偶校驗(yàn)

判斷是否有位傳送錯(cuò)誤。27例4●在某次通信中，發(fā)送方發(fā)送了一個(gè)8位的數(shù)據(jù)（包含一個(gè)奇校驗(yàn)位），若傳輸過(guò)程中有差錯(cuò)，則接收方可檢測(cè)出該8位數(shù)據(jù)

。

A.奇數(shù)個(gè)位出錯(cuò)B.偶數(shù)個(gè)位出錯(cuò)

C.出錯(cuò)的位置D.出錯(cuò)的位數(shù)分析：奇偶校驗(yàn)是一種簡(jiǎn)單有效的校驗(yàn)方法。這種方法通過(guò)在編碼中增加一位校驗(yàn)位來(lái)使編碼中1的個(gè)數(shù)為奇數(shù)（奇校驗(yàn)）或者為偶數(shù)（偶校驗(yàn)），從而使碼距變?yōu)?。采用奇校驗(yàn)（或偶校驗(yàn)后），可以檢測(cè)代碼中奇數(shù)位出錯(cuò)的編碼，但不能發(fā)現(xiàn)偶數(shù)位出錯(cuò)的情況，即當(dāng)合法編碼中奇數(shù)位發(fā)生了錯(cuò)誤（編碼中的1變?yōu)?或0變?yōu)?），則該編碼中1的個(gè)數(shù)的奇偶性就發(fā)生了變化，從而可以發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤。28例5已知“A”的ASCII碼值是41H，字母“F”存放在某個(gè)存儲(chǔ)單元，若采用偶校驗(yàn)（最高位為校驗(yàn)位），則該存儲(chǔ)單元中存放的十六進(jìn)制數(shù)據(jù)是_________。

A.46H

B.C6H

C.47H

D.C7H

分析：“F”的ASCII碼值是46H，即1000110B，高位是校驗(yàn)位，1的個(gè)數(shù)是3位，按照偶校驗(yàn)規(guī)則，偶校驗(yàn)位是1，所以該存儲(chǔ)單元中存放的整個(gè)校驗(yàn)碼是（校驗(yàn)位和信息位）11000110B，即C6H。29CRC校驗(yàn)碼的檢錯(cuò)能力CRC校驗(yàn)碼能檢查出全部單個(gè)錯(cuò)；CRC校驗(yàn)碼能檢查出全部離散的二位錯(cuò)；CRC校驗(yàn)碼能檢查出全部奇數(shù)個(gè)錯(cuò)；CRC校驗(yàn)碼能檢查出全部長(zhǎng)度小于或等于K位的突發(fā)錯(cuò)；CRC校驗(yàn)碼能以[1-（1/2）K-1]的概率檢查出長(zhǎng)度為（K+1）位的突發(fā)錯(cuò)；如果K=16，則該CRC校驗(yàn)碼能全部檢查出小于或等于16位的所有的突發(fā)差錯(cuò)，并能以1-（1/2）16-1=99.997％的概率檢查出長(zhǎng)度為17位的突發(fā)錯(cuò)，漏檢概率為0.003%；

304.1.6差錯(cuò)控制機(jī)制

反饋重發(fā)機(jī)制

在發(fā)送端對(duì)信息進(jìn)行編碼，當(dāng)接收端解碼器檢測(cè)到接收的信息位有差錯(cuò)時(shí)，通過(guò)反饋要求發(fā)送端重發(fā)一段認(rèn)為有差錯(cuò)的信息。31反饋重發(fā)機(jī)制的分類

停止等待方式

當(dāng)接收方收到一個(gè)正確的數(shù)據(jù)幀后，便會(huì)向發(fā)送方發(fā)送一個(gè)確認(rèn)幀ACK,表示發(fā)送的數(shù)據(jù)正確接收。當(dāng)發(fā)送方收到確認(rèn)幀后才能發(fā)送一個(gè)新的數(shù)據(jù)幀，這樣就實(shí)現(xiàn)了接收方對(duì)發(fā)送方的流量控制。

32連續(xù)工作方式

拉回方式選擇重發(fā)方式

33例題（考研真題）35.數(shù)據(jù)鏈路層采用選擇重傳協(xié)議(SR)傳輸數(shù)據(jù)，發(fā)送方已發(fā)送了0~3號(hào)數(shù)據(jù)幀，現(xiàn)已收到1號(hào)幀的確認(rèn)，而0、2號(hào)幀依次超時(shí)，則此時(shí)需要重傳的幀數(shù)是A.1

B.2C.3D.435.數(shù)據(jù)鏈路層采用了后退N幀（GBN）協(xié)議，發(fā)送方已經(jīng)發(fā)送了編號(hào)為0~7的幀。當(dāng)計(jì)時(shí)器超時(shí)時(shí)，若發(fā)送方只收到0、2、3號(hào)幀的確認(rèn)，則發(fā)送方需要重發(fā)的幀數(shù)是（）A.2

B.3

C.4

D.5344.2數(shù)據(jù)鏈路層的基本概念數(shù)據(jù)鏈路層在OSI參考模型中介于物理層和網(wǎng)絡(luò)層之間。該層解決兩個(gè)相鄰結(jié)點(diǎn)之間的通信問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)相鄰結(jié)點(diǎn)鏈路上無(wú)差錯(cuò)的數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)鏈路層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單元稱為幀。

數(shù)據(jù)鏈路層使用的信道主要有以下兩種類型：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信道。這種信道使用一對(duì)一的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式。廣播信道。這種信道使用一對(duì)多的廣播通信方式，因此過(guò)程比較復(fù)雜。廣播信道上連接的主機(jī)很多，因此必須使用專用的共享信道協(xié)議來(lái)協(xié)調(diào)這些主機(jī)的數(shù)據(jù)發(fā)送。35IP數(shù)據(jù)報(bào)1010……0110幀取出數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)層鏈路結(jié)點(diǎn)A結(jié)點(diǎn)B物理層數(shù)據(jù)鏈路層結(jié)點(diǎn)A結(jié)點(diǎn)B幀(a)(b)發(fā)送幀接收鏈路IP數(shù)據(jù)報(bào)1010……0110幀裝入數(shù)據(jù)鏈路層傳送的是幀36數(shù)據(jù)鏈路層像個(gè)數(shù)字管道常常在兩個(gè)對(duì)等的數(shù)據(jù)鏈路層之間畫出一個(gè)數(shù)字管道，而在這條數(shù)字管道上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單位是幀。早期的數(shù)據(jù)通信協(xié)議曾叫作通信規(guī)程(procedure)。因此在數(shù)據(jù)鏈路層，規(guī)程和協(xié)議是同義語(yǔ)。結(jié)點(diǎn)結(jié)點(diǎn)幀幀374.2數(shù)據(jù)鏈路層的基本概念4.2.1物理線路與數(shù)據(jù)鏈路鏈路(link)是一條無(wú)源的點(diǎn)到點(diǎn)的物理線路段，中間沒(méi)有任何其他的交換結(jié)點(diǎn)。一條鏈路只是一條通路的一個(gè)組成部分。數(shù)據(jù)鏈路(datalink)除了物理線路外，還必須有通信協(xié)議來(lái)控制這些數(shù)據(jù)的傳輸。若把實(shí)現(xiàn)這些協(xié)議的硬件和軟件加到鏈路上，就構(gòu)成了數(shù)據(jù)鏈路?，F(xiàn)在最常用的方法是使用適配器（即網(wǎng)卡）來(lái)實(shí)現(xiàn)這些協(xié)議的硬件和軟件。一般的適配器都包括了數(shù)據(jù)鏈路層和物理層這兩層的功能。

384.2數(shù)據(jù)鏈路層的基本概念4.2.1物理線路與數(shù)據(jù)鏈路線路—鏈路物理線路—數(shù)據(jù)鏈路394.2.2數(shù)據(jù)鏈路控制

鏈路管理幀同步：數(shù)據(jù)鏈路層的發(fā)送方應(yīng)當(dāng)讓接收方的數(shù)據(jù)鏈路層知道，所發(fā)送的幀是從什么地方開(kāi)始到從什么地方結(jié)束。

流量控制差錯(cuò)控制幀的透明傳輸：數(shù)據(jù)鏈路層傳送的數(shù)據(jù)的比特組合必須是不受限制的。

尋址

數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議—為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路控制功能而制定的規(guī)程或協(xié)議。404.2.3數(shù)據(jù)鏈路層向網(wǎng)絡(luò)層提供的服務(wù)

數(shù)據(jù)鏈路層是OSI參考模型的第2層；設(shè)立數(shù)據(jù)鏈路層的主要目的是將原始的、有差錯(cuò)的物理線路變?yōu)閷?duì)網(wǎng)絡(luò)層無(wú)差錯(cuò)的數(shù)據(jù)鏈路；為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，數(shù)據(jù)鏈路層必須實(shí)現(xiàn)鏈路管理、幀傳輸、流量控制、差錯(cuò)控制等功能；數(shù)據(jù)鏈路層為網(wǎng)絡(luò)層提供的服務(wù)主要表現(xiàn)在：正確傳輸網(wǎng)絡(luò)層的用戶數(shù)據(jù)，為網(wǎng)絡(luò)層屏蔽物理層采用的傳輸技術(shù)的差異性。414.3面向字符型協(xié)議實(shí)例什么是面向字符型協(xié)議?以字符為控制傳輸信息的基本單元

ASIIC碼：

格式字符：SOH（startofheading）STX（startoftext）ETB（endoftransmissionblock）ETX（endoftext）

控制字符：ACK（acknowledge）NAK（negativeacknowledge）ENQ（enquire）EOT（endoftransmission）SYN（synchrous）DLE（datalinkescape）42用控制字符進(jìn)行幀定界的方法舉例SOH裝在幀中的數(shù)據(jù)部分幀幀開(kāi)始符幀結(jié)束符發(fā)送在前EOT該同步方法是用一些控制字符來(lái)標(biāo)識(shí)一幀的起始與終止。例如，我們可以把SOH（StartofHeader）和EOT（EndofTransmission）作為控制字符，分別標(biāo)識(shí)幀的開(kāi)始和結(jié)束。SOH和EOT對(duì)應(yīng)的ASCII碼分別是0x01和0x04。43透明傳輸數(shù)據(jù)部分恰好出現(xiàn)與EOT一樣的代碼44解決透明傳輸問(wèn)題發(fā)送端的數(shù)據(jù)鏈路層在數(shù)據(jù)中出現(xiàn)控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入一個(gè)轉(zhuǎn)義字符“ESC”(其十六進(jìn)制編碼是1B)。字節(jié)填充(bytestuffing)或字符填充(characterstuffing)——接收端的數(shù)據(jù)鏈路層在將數(shù)據(jù)送往網(wǎng)絡(luò)層之前刪除插入的轉(zhuǎn)義字符。如果轉(zhuǎn)義字符也出現(xiàn)數(shù)據(jù)當(dāng)中，那么應(yīng)在轉(zhuǎn)義字符前面插入一個(gè)轉(zhuǎn)義字符。當(dāng)接收端收到連續(xù)的兩個(gè)轉(zhuǎn)義字符時(shí)，就刪除其中前面的一個(gè)。45字符插入原理為了達(dá)到透明傳輸，必須設(shè)法使數(shù)據(jù)中可能出現(xiàn)的控制字符“SOH”和“EOT”在接收方不被解釋為控制字符。具體的做法是每當(dāng)在數(shù)據(jù)中出現(xiàn)字符“SOH”和“EOT”時(shí)，就將其轉(zhuǎn)換為另一個(gè)字符，而這個(gè)字符是不會(huì)被錯(cuò)誤解釋為控制字符的。46數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的控制字符經(jīng)字節(jié)插入后發(fā)送時(shí)的字符SOHESCxEOTESCyESCESCz上面的控制字符“ESC”叫做轉(zhuǎn)義符(escapecharacter)插入轉(zhuǎn)義字符47SOHSOHESCSOHEOTESCESCzESCyESCzESCx原始數(shù)據(jù)EOTEOT經(jīng)過(guò)字節(jié)填充后發(fā)送的數(shù)據(jù)字符填充字符填充字符填充字符填充發(fā)送在前幀開(kāi)始符幀結(jié)束符用字符填充法解決透明傳輸?shù)膯?wèn)題48面向字符型BSC協(xié)議的數(shù)據(jù)報(bào)文格式：49建立、維護(hù)與釋放數(shù)據(jù)鏈路流程圖504.4典型數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議分析—面向比特型4.4.1HDLC產(chǎn)生的背景

面向字符型數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的缺點(diǎn)：報(bào)文格式不一樣；傳輸透明性不好；等待發(fā)送方式，傳輸效率低。面向比特型協(xié)議的設(shè)計(jì)目標(biāo)：以比特作為傳輸控制信息的基本單元；數(shù)據(jù)幀與控制幀格式相同；傳輸透明性好；連續(xù)發(fā)送，傳輸效率高。51比特填充的首尾定界符法在前面介紹的字節(jié)填充法中存在一個(gè)大的不足，那就是它僅依靠8位模式。而事實(shí)上，并不是所有的字符編碼都使用8位模式，如UNICODE編碼就使用了16位編碼方式。“比特填充的首尾界定符法”是以一組特定的比特模式（如01111110）來(lái)標(biāo)志一幀的起始與終止，它允許任意長(zhǎng)度的位碼，也允許任意每個(gè)字符有任意長(zhǎng)度的位。52透明傳輸發(fā)送端：若發(fā)現(xiàn)要發(fā)送的數(shù)據(jù)中有5個(gè)連續(xù)1，則立即填入一個(gè)0。接收端：對(duì)幀中的數(shù)據(jù)比特流進(jìn)行掃描。每當(dāng)發(fā)現(xiàn)5個(gè)連續(xù)1時(shí)，就把這5個(gè)連續(xù)1后的一個(gè)0刪除。5301001111101000101001001111110001010010011111010001010信息字段中出現(xiàn)了和標(biāo)志字段F完全一樣的8比特組合發(fā)送端在5個(gè)連續(xù)1之后填入0比特再發(fā)送出去在接收端把5個(gè)連續(xù)1之后的0比特刪除會(huì)被誤認(rèn)為是標(biāo)志字段F發(fā)送端填入0比特接收端刪除填入的0比特零比特填充54例題：PPP協(xié)議使用同步傳輸技術(shù)傳送比特串0110111111111100。試問(wèn)經(jīng)過(guò)零比特填充后變成怎樣的比特串?答案：011011111011111000若接收端收到的比特串是010111111000011101111101111101100111111011，問(wèn)發(fā)送端實(shí)際發(fā)送的數(shù)據(jù)是?答案：

000111011111-11111-110554.4.2數(shù)據(jù)鏈路的配置和數(shù)據(jù)傳送方式非平衡配置用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路和多點(diǎn)鏈路。鏈路上的站點(diǎn)分為主站和從站，由主站控制鏈路的工作過(guò)程，主站發(fā)出命令幀（簡(jiǎn)稱命令），從站發(fā)送響應(yīng)幀（簡(jiǎn)稱響應(yīng)）。在多點(diǎn)鏈路中，主站和從站都有一個(gè)分開(kāi)的邏輯鏈路。適合把智能和半智能的終端連接到計(jì)算機(jī)。主站從站主站從站從站……從站點(diǎn)對(duì)點(diǎn)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)56數(shù)據(jù)鏈路的非平衡配置方式57非平衡配置方式正常響應(yīng)模式（normalresponsemode，NRM）主站可以隨時(shí)向從站傳輸數(shù)據(jù)幀；從站只有在主站向它發(fā)送命令幀進(jìn)行探詢（poll），從站響應(yīng)后才可以向主站發(fā)送數(shù)據(jù)幀。

異步響應(yīng)模式（asynchronousresponsemode，ARM）主站和從站可以隨時(shí)相互傳輸數(shù)據(jù)幀；從站可以不需要等待主站發(fā)出探詢就可以發(fā)送數(shù)據(jù)；主站負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)鏈路的初始化、鏈路的建立、釋放與差錯(cuò)恢復(fù)等功能。58平衡配置方式

鏈路兩端的兩個(gè)站都是復(fù)合站（combinedstation）；復(fù)合站同時(shí)具有主站與從站的功能；每個(gè)復(fù)合站都可以發(fā)出命令與響應(yīng)；平衡配置結(jié)構(gòu)中只有異步平衡模式（asynchronousbalancedmode，ABM）；異步平衡模式的每個(gè)復(fù)合站都可以平等地發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸，而不需要得到對(duì)方復(fù)合站的許可。用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路。鏈路兩端的站點(diǎn)平等，同時(shí)具有主站和從站的功能，稱為復(fù)合站，每個(gè)復(fù)合站都可以發(fā)出命令和響應(yīng)。適合于計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)之間的連接。59數(shù)據(jù)鏈路的平衡配置方式604.4.3HDLC的幀結(jié)構(gòu)

1974年，IBM公司推出了面向比特的規(guī)程SDLC(SynchronousDataLinkControl)。后來(lái)ISO把SDLC修改后稱為HDLC(High-levelDataLinkControl)，譯為高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制，作為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO3309。CCITT則將HDLC再修改后稱為鏈路接入規(guī)程LAP(LinkAccessProcedure)。不久，HDLC的新版本又把LAP修改為L(zhǎng)APB，“B”表示平衡型(Balanced)，所以LAPB叫做鏈路接入規(guī)程(平衡型)。HDLC（HighLevelDataLinkControl）是面向位協(xié)議，是以幀為單位進(jìn)行傳送，目前已在世界上廣泛應(yīng)用，許多協(xié)議都是從它派生出來(lái)的。614.4.3HDLC的幀結(jié)構(gòu)

F（flag）：固定格式—01111110

作用—幀同步傳輸數(shù)據(jù)的透明性（零比特插入與刪除）A（address）：地址C（control）：幀的類型、幀的編號(hào)、命令與控制信息I（information）：網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)，Nmax=256BCRC（checksum）：校驗(yàn)A、C、I字段的數(shù)據(jù)

G(X)=X16+X12+X5+162零比特插入/刪除工作過(guò)程63幀類型及控制字段的意義64信息幀（I幀）信息幀用于傳送有效信息或數(shù)據(jù)，通常簡(jiǎn)稱為I幀。I幀以控制字段第1位為0做標(biāo)志。N(S):當(dāng)前發(fā)送的信息幀的序號(hào)N(R):所期望收到的信息幀的序號(hào)。它帶有確認(rèn)[N(R)-1](mod8)的幀以及在這以前的幀都已正確接收到了P/F（Poll/Final）

:詢問(wèn)/終止，P=1詢問(wèn)，F(xiàn)=1響應(yīng)。P與F成對(duì)出現(xiàn)0N(S)N(R)P/F0信息幀的控制字段65監(jiān)督幀（S幀）監(jiān)督幀用于差錯(cuò)控制和流量控制，不能傳送數(shù)據(jù)。通常稱為S幀。監(jiān)督幀的控制字段第1位、2位為“10”來(lái)標(biāo)志。監(jiān)督幀共有4種，用控制字段的第3、4比特來(lái)標(biāo)識(shí)。1SN(R)P/F000:RR

準(zhǔn)備接收下一幀10:RNR

暫停接收下一幀01:REJ

拒絕N(R)及其以后的幀11:SREJ

選擇拒絕，只拒絕序號(hào)為N(R)的幀監(jiān)督幀的控制字段66無(wú)編號(hào)幀（U幀）無(wú)編號(hào)幀因其控制字段中不包含編號(hào)N(S)和N(R)而得名，簡(jiǎn)稱U幀。無(wú)編號(hào)幀用于提供對(duì)鏈路的建立、拆除以及多種控制功能，這些控制功能用5個(gè)M位來(lái)定義。5個(gè)M位可以包含32種組合，但目前有許多是空缺的。1MMP/F1無(wú)編號(hào)幀的控制字段67U幀的格式與鏈路控制功能684.4.4數(shù)據(jù)鏈路層的工作過(guò)程簡(jiǎn)化的信息幀結(jié)構(gòu)的表示方法一個(gè)信息幀的表示

69無(wú)編號(hào)幀的表示方法

SNRM幀與UA幀結(jié)構(gòu)的表示方法

70正常響應(yīng)模式數(shù)據(jù)鏈路工作71討論：數(shù)據(jù)鏈路層

與物理層的關(guān)系724.5Internet中的數(shù)據(jù)鏈路層

4.5.1Internet中主要的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議SLIP（SerialLineIP）—串行線路的Internet數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議PPP（Point-to-PointProtocol）—點(diǎn)-點(diǎn)協(xié)議SLIP與PPP用于串行通信的撥號(hào)線路上，是目前家庭計(jì)算機(jī)或公司用戶通過(guò)ISP接到Internet主要的協(xié)議。73點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議的特點(diǎn)現(xiàn)在全世界使用得最多的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議PPP(Point-to-PointProtocol)。用戶使用撥號(hào)電話線接入因特網(wǎng)時(shí)，一般都是使用PPP協(xié)議。其應(yīng)用場(chǎng)合主要有：路由器到路由器（router-routerleasedlineconnection）通過(guò)modem撥號(hào)上網(wǎng)，連到路由器或接入服務(wù)器（AccessServer）（dial-uphost-routerconnection）PPP協(xié)議面向字節(jié)，包含的控制協(xié)議有兩個(gè)鏈路控制協(xié)議LCP（LinkControlProtocol）網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議NCP（NetworkControlProtocol）以幀為單位發(fā)送。幀格式與HDLC相似，區(qū)別在于PPP是面向字符的，采用字符填充技術(shù)。74用戶撥號(hào)入網(wǎng)的示意圖路由器調(diào)制解調(diào)器調(diào)制解調(diào)器因特網(wǎng)服務(wù)提供者(ISP)用戶家庭撥號(hào)電話線使用TCP/IP的

PPP連接使用TCP/IP的客戶進(jìn)程路由選擇進(jìn)程至因特網(wǎng)…PC機(jī)75用戶到ISP的鏈路使用PPP協(xié)議用戶至因特網(wǎng)已向因特網(wǎng)管理機(jī)構(gòu)申請(qǐng)到一批

IP地址ISP接入網(wǎng)PPP

協(xié)議761.PPP協(xié)議應(yīng)滿足的需求簡(jiǎn)單封裝成幀透明性多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議多種類型鏈路差錯(cuò)檢測(cè)檢測(cè)活躍度（即檢測(cè)連接狀態(tài)）最大傳送單元網(wǎng)絡(luò)層地址協(xié)商數(shù)據(jù)壓縮協(xié)商772.PPP協(xié)議不需要的功能糾錯(cuò)：TCP/IP協(xié)議中，糾錯(cuò)由傳輸層協(xié)議承擔(dān)，PPP協(xié)議只檢錯(cuò)。流量控制：TCP/IP協(xié)議中，流量控制由傳輸層協(xié)議承擔(dān)。序號(hào)：幀不需要編號(hào)，因?yàn)槭屈c(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，地址只簡(jiǎn)化成廣播地址。多點(diǎn)線路：因?yàn)橹皇屈c(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議，所以不支持多點(diǎn)線路。半雙工或單工鏈路：PPP協(xié)議只支持全雙工鏈路。783.PPP協(xié)議的組成1992年制訂了PPP協(xié)議。經(jīng)過(guò)1993年和1994年的修訂，現(xiàn)在的PPP協(xié)議已成為因特網(wǎng)的正式標(biāo)準(zhǔn)[RFC1661]。PPP協(xié)議有三個(gè)組成部分一個(gè)將IP數(shù)據(jù)報(bào)封裝到串行鏈路的方法,包括幀的定界和幀格式支持錯(cuò)誤檢測(cè)。鏈路控制協(xié)議LCP(LinkControlProtocol),用于啟動(dòng)線路、測(cè)試線路、協(xié)商參數(shù)以及關(guān)閉線路。網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議NCP(NetworkControlProtocol),協(xié)商網(wǎng)絡(luò)層選項(xiàng)的方法。

794.PPP協(xié)議的幀格式PPP的幀格式和HDLC的相似。標(biāo)志字段F=0x7E（符號(hào)“0x”表示后面的字符是用十六進(jìn)制表示。十六進(jìn)制的7E的二進(jìn)制表示是01111110）。地址字段A只置為0xFF。地址字段實(shí)際上并不起作用。控制字段C通常置為0x03。PPP是面向字節(jié)的，所有的PPP幀的長(zhǎng)度都是整數(shù)字節(jié)。80PPP的幀格式標(biāo)記域：為01111110；81PPP的幀格式地址域：為11111111，對(duì)應(yīng)廣播地址。PPP只用于點(diǎn)到點(diǎn)鏈路，實(shí)際上不需要數(shù)據(jù)鏈路層的地址。82PPP的幀格式控制域：缺省值為00000011，表示無(wú)序號(hào)幀，不提供使用序號(hào)和確認(rèn)的可靠傳輸。83PPP的幀格式協(xié)議域：指示信息部分中是何種分組，缺省大小為2個(gè)字節(jié)。高位為0，表示是網(wǎng)絡(luò)層的分組，高位為1，說(shuō)明是LCP或者NCP的分組。0x0021——信息字段是IP數(shù)據(jù)報(bào)0xC021——信息字段是鏈路控制協(xié)議LCP0x8021——信息字段是網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議NCP84PPP的幀格式信息域：長(zhǎng)度可變，最大為1500字節(jié)；85PPP的幀格式校驗(yàn)和域：2或4個(gè)字節(jié)