數(shù)據(jù)鏈路控制

數(shù)據(jù)鏈路控制數(shù)據(jù)鏈路層的主要功能：

把可靠性較低的物理信道轉(zhuǎn)變成可靠性較高的邏輯信道，完成物理尋址、網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、連接規(guī)則、差錯控制、幀的有序傳輸和流量控制等功能。確保相鄰結(jié)點間幀（Frame）的正確傳送。協(xié)議要解決的問題：成幀和拆幀、檢錯和糾錯、流量控制、信道分配（MAC介質(zhì)訪問控制子層）3.1

概述數(shù)據(jù)鏈路層使用的信道主要有以下兩種類型：點對點信道。這種信道使用一對一的點對點通信方式。廣播信道。這種信道使用一對多的廣播通信方式，因此過程比較復(fù)雜。廣播信道上連接的主機很多，因此必須使用專用的共享信道協(xié)議來協(xié)調(diào)這些主機的數(shù)據(jù)發(fā)3.2幀同步和透明傳輸數(shù)據(jù)鏈路層的簡單模型相鄰節(jié)點之間的通訊物理層之上，網(wǎng)絡(luò)層之下。54321數(shù)據(jù)鏈路層應(yīng)用層運輸層網(wǎng)際層物理層ApplicationlayerTransportlayerInternetlayerDatalinklayerPhysicallayer數(shù)據(jù)鏈路層的簡單模型局域網(wǎng)廣域網(wǎng)主機

H1主機

H2路由器

R1路由器

R2路由器

R3網(wǎng)局域網(wǎng)主機

H1

向

H2

發(fā)送數(shù)據(jù)鏈路層應(yīng)用層運輸層網(wǎng)絡(luò)層物理層鏈路層應(yīng)用層運輸層網(wǎng)絡(luò)層物理層鏈路層網(wǎng)絡(luò)層物理層鏈路層網(wǎng)絡(luò)層物理層鏈路層網(wǎng)絡(luò)層物理層R1R2R3H1H2從層次上來看數(shù)據(jù)的流動局域網(wǎng)廣域網(wǎng)主機

H1主機

H2路由器

R1路由器

R2路由器

R3網(wǎng)局域網(wǎng)主機

H1

向

H2

發(fā)送數(shù)據(jù)鏈路層應(yīng)用層運輸層網(wǎng)絡(luò)層物理層鏈路層應(yīng)用層運輸層網(wǎng)絡(luò)層物理層鏈路層網(wǎng)絡(luò)層物理層鏈路層網(wǎng)絡(luò)層物理層鏈路層網(wǎng)絡(luò)層物理層R1R2R3H1H2僅從數(shù)據(jù)鏈路層觀察幀的流動數(shù)據(jù)鏈路層的簡單模型(續(xù)）

鏈路(link)是一條無源的點到點的物理線路段，中間沒有任何其他的交換結(jié)點。一條鏈路只是一條通路的一個組成部分。數(shù)據(jù)鏈路(datalink)除了物理線路外，還必須有通信協(xié)議來控制這些數(shù)據(jù)的傳輸。若把實現(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）來實現(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。

使用點對點信道的數(shù)據(jù)鏈路層IP數(shù)據(jù)報1010……0110幀取出數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡(luò)層鏈路結(jié)點A結(jié)點B物理層數(shù)據(jù)鏈路層結(jié)點A結(jié)點B幀(a)(b)發(fā)送幀接收鏈路IP數(shù)據(jù)報1010……0110幀裝入數(shù)據(jù)鏈路層傳送的是幀常常在兩個對等的數(shù)據(jù)鏈路層之間畫出一個數(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。結(jié)點結(jié)點幀幀數(shù)據(jù)鏈路層像個數(shù)字管道(1)封裝成幀(2)透明傳輸(3)差錯控制鏈路層的三個基本問題1.封裝成幀封裝成幀(framing)就是在一段數(shù)據(jù)的前后分別添加首部和尾部，然后就構(gòu)成了一個幀。確定幀的界限。首部和尾部的一個重要作用就是進行幀定界。

幀結(jié)束幀首部IP數(shù)據(jù)報幀的數(shù)據(jù)部分幀尾部MTU數(shù)據(jù)鏈路層的幀長開始發(fā)送幀開始用控制字符進行幀定界的方法舉例SOH裝在幀中的數(shù)據(jù)部分幀幀開始符幀結(jié)束符發(fā)送在前EOT2.透明傳輸SOHEOT出現(xiàn)了“EOT”被接收端當作無效幀而丟棄被接收端誤認為是一個幀數(shù)據(jù)部分EOT完整的幀發(fā)送在前解決透明傳輸問題發(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”的前面插入一個轉(zhuǎn)義字符“ESC”(其十六進制編碼是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)當中，那么應(yīng)在轉(zhuǎn)義字符前面插入一個轉(zhuǎn)義字符。當接收端收到連續(xù)的兩個轉(zhuǎn)義字符時，就刪除其中前面的一個。SOHSOHEOTSOHESCESCEOTESCSOHESCESCESCSOH原始數(shù)據(jù)EOTEOT經(jīng)過字節(jié)填充后發(fā)送的數(shù)據(jù)字節(jié)填充字節(jié)填充字節(jié)填充字節(jié)填充發(fā)送在前幀開始符幀結(jié)束符用字節(jié)填充法解決透明傳輸?shù)膯栴}SOH誤碼率

ER（Pc）=錯誤的碼數(shù)/總的碼數(shù)糾錯碼(error-correctingcode)

檢錯碼(error-detectingcode)，反饋重發(fā)糾錯。

3.3差錯校驗循環(huán)冗余校驗CRC碼(CyclicRedundancyCheck)

碼多項式：

C(x)=Cn-1xn-1

+Cn-2xn-2

+…+C1x+

C0

由：信息碼(k位)：碼多項式K(x),(k-1）次；校驗碼(r位)：碼多項式R(x),(r-1）次；可得：CRC碼(n=k+r位)，碼多項式C(x)：

C(x)=xrK(x)+R(x)，(n-1)次。只要求得R(x)即可。3.3差錯校驗發(fā)方由已知的K(x)求R(x):R(x)=xrK(x)÷G(x)的r位余數(shù)除法用無借位減

G(x):給定的生成多項式(generatorpolynomial)《示例》收方校驗：設(shè)xrK(x)除以G(x)的商為Q(x)，則

xrK(x)=G(x)Q(x)+R(x)

C(x)=xrK(x)+R(x)=G(x)Q(x)+R(x)+R(x)

=G(x)Q(x)----整除3.3差錯校驗

由K(x)求R(x)示例信息位串：

生成多項式：

11001得到余數(shù)：

1010數(shù)據(jù)鏈路(datalink),

完全理想的數(shù)據(jù)鏈路:

（1）不管以何種速度傳送出去的數(shù)據(jù)，目的端都無一丟棄的接收到。（2）理想的傳輸通道，數(shù)據(jù)沒有任何差錯傳輸?shù)侥康亩恕?.4

鏈路控制

當數(shù)據(jù)傳輸過程中出現(xiàn)發(fā)送方的傳輸能力大于接收方的接收能力就需要流量控制，來限制發(fā)送方發(fā)出的數(shù)據(jù)流量，使發(fā)送方的發(fā)送速率不要超過接收方的接收能力。流量控制（flowcontrol）基本思路:由收方控制發(fā)方的數(shù)據(jù)流量，反饋控制，雙向通訊。流量控制是一個技術(shù)問題，見諸于通訊、數(shù)據(jù)存儲、交通、生產(chǎn)流程等。實際情況1－緩沖區(qū)有限/處理速度有限

數(shù)據(jù)在傳輸?shù)倪^程中，總會因為受外界干擾或者設(shè)計的bug從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)出錯，因此接收端收到的數(shù)據(jù)并非全部正確。差錯表現(xiàn)：數(shù)據(jù)幀未到達目的端、數(shù)據(jù)幀未正確到達目的端。實際情況2－易錯信道

實際情況2－易錯信道差錯控制（errorcontrol）（1）差錯發(fā)現(xiàn)（errordetection）（2）正確認（positiveacknowledgement，）：收到正確幀后，回傳確認信息（3）超時重發(fā)（timeoutretransmission）（4）負確認（negativeacknowledgement）收到錯誤幀后，回傳信息，要求重發(fā)。自動請求重發(fā)ARQ（AutomaticRepeatreQuest)

為提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，在收發(fā)兩端實施自動重傳機制。即當發(fā)送端判斷數(shù)據(jù)未能達到接收端時候，則自動重新發(fā)送丟失的數(shù)據(jù)。包括：差錯檢測、定時器、確認、重傳等。自動重傳請求ARQ協(xié)議0123456701234567已成功發(fā)出的數(shù)據(jù)幀將發(fā)出的數(shù)據(jù)幀窗口后沿窗口前沿幀序號發(fā)送方緩沖區(qū)0123456701234567已正確接收的數(shù)據(jù)幀將收到的數(shù)據(jù)幀幀序號接收方緩沖區(qū)窗口后沿窗口前沿滑動窗口協(xié)議

發(fā)送窗口控制發(fā)送端的流量接收窗口控制接收

*

基本思想：

發(fā)送方發(fā)出一個幀后停下來等待接收確認，每收到一個確認前只可發(fā)1個幀，確認到達后發(fā)下一幀;*目標：保證每幀都能最終正確到達目的端，流量控制隱含其中。停等ARQ（stop-and-waitARQ）并發(fā)出現(xiàn)的問題：（1）發(fā)出的幀沒有到達對方發(fā)(幀丟失）（2）發(fā)出的幀沒有正確到達對方（3）回傳的確認幀丟失簡單改進：（1）發(fā)方發(fā)出一幀后啟動超時定時器，超時后未收到確認，重發(fā)此幀;

（2）數(shù)據(jù)幀和確認幀編號（0/1)解決重復(fù)幀問題；

停等ARQ（stop-and-waitARQ）特點：吞吐量?。▎挝粫r間內(nèi)傳輸?shù)耐掏铝浚﹤鬏斝实鸵子诶斫?，便于實現(xiàn)

停等ARQ（stop-and-waitARQ）停等ARQ基本思想：1、增加緩沖區(qū)，允許發(fā)方在沒收到一個確認之前可多發(fā)送n個數(shù)據(jù)幀，如果沒有收到正確幀的確認幀，則回退到N步，從有正確確認幀的地方開始重傳。2、累積確認(cumulativeacknowledgement)機制，在連續(xù)收到多個正確的數(shù)據(jù)幀以后，才發(fā)送一個確認幀?；赝?NARQ（go-back-NARQ）3、超時重傳：發(fā)方發(fā)出每個幀后起動一超時定時器，超時未收到確認則重發(fā)該幀；若還發(fā)出了其后窗口中的其他幀，則超時幀及其后發(fā)出的幀全部重傳。

NOTE：超時時間大小選擇受多種因素制約。回退-NARQ（go-back-NARQ）4、限定發(fā)送窗口：

WT≤2n-1（最大序號）目的：充分利用編號字段的bit數(shù)避免重號出現(xiàn)、以防產(chǎn)生二義性回退-NARQ（go-back-NARQ）基本思想：提高信道的利用率，有選擇性地只重傳出錯的幀，其后正確到達的幀則不再重傳.發(fā)送窗口：WT≤2n/2[(最大序號+1)/2]選擇重傳ARQ(selectiverepeatARQ）實施的其他策略發(fā)送策略緩沖發(fā)送、立即發(fā)送提交策略緩沖提交、立即提交接收策略按序接收、按窗口接收重傳策略發(fā)送端維持一個曾經(jīng)發(fā)送尚未得到確認的報文的隊列。只是重傳頭一個、成批重傳、單獨重傳。確認策略立即確認、累積確認3.5高級數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程HDLC面向比特的鏈路控制規(guī)程HDLC(HighlevelDataLinkControl）

TheHDLCprotocolisageneralpurposeprotocolwhichoperatesatthedatalinklayeroftheOSIreferencemodel.Theprotocolusestheservicesofaphysicallayer,andprovideseitherabesteffortorreliablecommunicationspathbetweenthetransmitterandreceiver(i.e.withacknowledgeddatatransfer).ThetypeofserviceprovideddependsupontheHDLCmodewhichisused.IBMSDLCANSIADCCPISOHDLCCCITTLAPSNA網(wǎng)絡(luò)美國標準國際標準電信標準LAPBX.25網(wǎng)3.5高級數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程HDLC

HDLC的特性透明傳輸可靠性高傳輸效率高靈活性高HDLC是面向比特協(xié)議采用比特填充技術(shù)根據(jù)特定用途選擇一個子集3.5高級數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程HDLC基本概念站的類型主站從站組合站負責控制整個鏈路的操作。由主站發(fā)出的幀為命令。在主站的控制下進行操作。由從站發(fā)出的幀為響應(yīng)。組合了主站和從站兩種特性。發(fā)送命令幀接收響應(yīng)幀管理整個鏈路接收來自主站的命令幀向主站發(fā)送響應(yīng)幀配合主站參與差錯恢復(fù)數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)流的擴展、差錯檢測和恢復(fù)等3.5高級數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程HDLC鏈路結(jié)構(gòu)非平衡型平衡型由一個主站和若干個從站組成。由兩個組合站組成。組合站組合站命令命令響應(yīng)響應(yīng)主站從站命令響應(yīng)從站從站支持全雙工和半雙工傳輸。3.5高級數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程HDLC操作方式正常響應(yīng)(NormalResponseMode)異步響應(yīng)(AsynchronousResponseMode)異步平衡(AsynchronousBalancedMode)僅當從站被主站探詢之后,才能傳輸信息幀和有關(guān)幀。從站可不經(jīng)主站探詢就傳輸信息幀和有關(guān)幀。鏈路兩端的組合站具有同等能力，任何一方可在任何時間發(fā)送命令幀和響應(yīng)幀。非平衡非平衡平衡SNRM主站從站SARM主站從站SABM組站組站3.5高級數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程HDLCHDLC基本內(nèi)容幀格式AddressControlInformationCRC8880168b全“1”廣播地址用于對全部站點的探詢沒有格式和內(nèi)容的限制。長度受緩沖區(qū)和差錯特性的限制。一般256個字節(jié)。CRC冗余校驗不包括Flag和填充的0生成多項式g(x)=x16+x12+x5+1全“0”無站地址用于測試數(shù)據(jù)鏈路的工作狀態(tài)3.5高級數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程HDLC零比特填充法數(shù)據(jù)中某一段比特組合恰好出現(xiàn)和F字段一樣的情況發(fā)送端在5個連1之后填入0比特再發(fā)送出去在接受端將5個連一之后的0比特刪除，恢復(fù)原樣001010會誤認為是F字段00010100001010填入0在此位置刪除03.5高級數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程HDLC

10typeP/FN(R)11MP/FM0N(S)P/FN(R)信息幀(I)管理幀(S)無編號幀(U)對信息幀的應(yīng)答和命令幀的響應(yīng)傳遞命令和控制信息控制字段表示命令和響應(yīng)的類別和功能。N(S)：當前發(fā)送幀的編號；N(R)：接收方期待的下一幀。P/F(Poll/Final)：探詢/終止位。分別用在命令和響應(yīng)幀中。P位命令幀和F位響應(yīng)幀總是成對出現(xiàn)。在給定時間內(nèi)，只能有一個P=1的幀是未完成的。3.5高級數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程HDLC

命令和響應(yīng)S幀用于鏈路狀態(tài)的監(jiān)視控制。這類格式為響應(yīng)幀。S-幀確認序號小于N(R)的幀，但請求重發(fā)序號從N(R)開始的幀。后退N協(xié)議通知發(fā)送站重發(fā)序號為N(R)的幀。選擇重發(fā)協(xié)議Type

幀N(R)意義幀功能00RRN(R)之前各幀收妥肯定應(yīng)答01REJ重發(fā)幀的開始序號否定應(yīng)答10RNRN(R)之前各幀收妥請求暫停發(fā)送01SREJ重發(fā)幀的序號請求重發(fā)N(R)幀3.5高級數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程HDLC3.5高級數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程HDLCU-幀主要用于各種無編號的命令和響應(yīng)。這些命令和響應(yīng)用來擴充鏈路控制功能的種類。M幀命令/響應(yīng)幀功能00001SNRM*設(shè)置正常響應(yīng)模式11000SARM*設(shè)置異步響應(yīng)模式11100SABM*設(shè)置異步平衡模式00010DISC*斷開連接10001FRMR**拒絕幀11001RESET*重置00110UA*應(yīng)答設(shè)置/斷開命令00000UI**無序號信息3.5高級數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程HDLCCONNECT.confirmDISCONECT.requestDISCONECT.indicationCONNECT.requestCONNECT.indicationCONNECT.responseSABMUADISCUA操作初始化/斷開連接異步平衡方式HDLC異步平衡方式操作數(shù)據(jù)傳送I,N(S),N(R)I幀格式：I,0,0I,0,1I,1,1I,2,1I,1,3I,3,2I,2,4I,3,4RR,4重復(fù)確認累計確認BAHDLC異步平衡方式操作流量控制I,3,0RNR,4RR,0,PRNR,4,FI,4,0RR,4,FRR,0,P繁忙的站用RNR命令要求對方停止發(fā)送I-幀接收RNR的站通常在一定時間間隔后用帶P位的RR命令詢問對方的狀態(tài)。必須用RR或RNR來響應(yīng)BAHDLC異步平衡方式操作差錯處理I,3,0REJ,4I,4,0I,4,0丟失I,5,0I,5,0I,6,0BAB丟棄5號幀，并給A發(fā)一個拒絕接受幀A必須重傳4號幀以后的所有幀。采用REJ的差錯恢復(fù)HDLC異步平衡方式操作差錯處理BA采用超時機制的差錯恢復(fù)I,2,0RR,0,PRR,4I,3,0RR,3,FI,3,0超時B丟棄出錯幀。既然有錯就無法確認任何事情因為每個字段都值得懷疑出錯主站A主站B主站CAB,CB,RR0,PB,I00B,I10B,I20B,I30,FB,RR4C,RR0,PC,RR0,F時間非平衡方式中P/F比特的使用異步平衡方式一個更復(fù)雜的例子ABB,I00,PB,I10B,I20B,I31A,RR2,FB,I42B,I52B,I62B,I72B,I02B,I12A,RR3,FA,I00A,I10,PB,RR2,FA,I22A,I34A,I45A,I26,PA,I30(I，0，0)(I，1，0)(I，2，0)(I，0，_)(I，1，_)(I，_，_)(I，_，_)(I，_，_)(I，_，_)(_，_，_)(_，_，_)(I，2，_)(I，_，_)(I，_，_)(I，3，_)(I，_，_)AB站A和站B用一條全雙工信道傳輸數(shù)據(jù)幀采用選擇重發(fā)協(xié)議幀的確認采取“捎帶”確認技術(shù)。若沒有數(shù)據(jù)幀時可用ACK進行單獨確認，用NAK進行否定確認A有10個、B有4個數(shù)據(jù)幀(I)要發(fā)送。序號空間占二進制3位。發(fā)送和接收窗口從序號0開始。沒有超時和幀丟失。幀的格式為：幀類型、發(fā)送序號、接收序號若沒有發(fā)送幀則幀類型為NONE；發(fā)送和接收序號如果沒有意義則用N標明(I，0，0)(I，1，0)(I，2，0)(I，0，3)(I，1，3)(I，3，2)(I，4，2)(I，5，2)(I，6，2)(NONE，N,N)(NONE，N,N)(I，2，7)(I，7，3)(I，0，3)(I，3，1)(I，1，4)AB捎帶確認發(fā)送窗口4序號最大為73.6.1PPP協(xié)議的特點現(xiàn)在全世界使用得最多的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議是點對點協(xié)議PPP(Point-to-PointProtocol)。用戶使用撥號線接入因特網(wǎng)時，一般都是使用PPP協(xié)議。3.6點對點協(xié)議PPP用戶到ISP的鏈路使用PPP協(xié)議拓撲上是點到點信道上是多樣的通訊過程涉及到復(fù)雜參數(shù)的協(xié)商用戶至因特網(wǎng)已向因特網(wǎng)管理機構(gòu)申請到一批

IP地址ISP接入網(wǎng)PPP

協(xié)議1.PPP協(xié)議應(yīng)滿足的需求簡單——這是首要的要求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檢測檢測連接狀態(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2.PPP協(xié)議不需要的功能糾錯流量控制序號多點線路半雙工或單工鏈路1992年制訂了PPP協(xié)議。經(jīng)過1993年和1994年的修訂，現(xiàn)在的PPP協(xié)議已成為因特網(wǎng)的正式標準[RFC1661]。PPP協(xié)議有三個組成部分一個將IP數(shù)據(jù)報封裝到串行鏈路的方法。鏈路控制協(xié)議LCP(LinkControlProtocol)。網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議NCP(NetworkControlProtocol)。3.PPP協(xié)議的組成標志字段

F

=0x7E（符號“0x”表示后面的字符是用十六進制表示。十六進制的

7E

的二進制表示是）。地址字段

A

只置為0xFF。地址字段實際上并不起作用?？刂谱侄?/p>

C

通常置為0x03。PPP是面向字節(jié)的，所有的PPP

幀的長度都是整數(shù)字節(jié)。3.2.2PPP協(xié)議的幀格式PPP有一個2個字節(jié)的協(xié)議字段。當協(xié)議字段為0x0021時，PPP幀的信息字段就是IP數(shù)據(jù)報。若為0xC021,則信息字段是PPP鏈路控制數(shù)據(jù)。若為0x8021，則表示這是網(wǎng)絡(luò)控制數(shù)據(jù)。

IP數(shù)據(jù)報1211字節(jié)12不超過1500字節(jié)PPP幀先發(fā)送7EFF03FACFCSF7E協(xié)議信息部分首部尾部PPP協(xié)議的幀格式當PPP用在同步傳輸鏈路時，協(xié)議規(guī)定采用硬件來完成比特填充（和HDLC的做法一樣）。當PPP用在異步傳輸時，就使用一種特殊的字符填充法。透明傳輸問題將信息字段中出現(xiàn)的每一個0x7E字節(jié)轉(zhuǎn)變成為2字節(jié)序列(0x7D,0x5E)。若信息字段中出現(xiàn)一個0x7D的字節(jié),則將其轉(zhuǎn)變成為2字節(jié)序列(0x7D,0x5D