数据链路层的功能与服务.pptx

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1、链路与数据链路链路与数据链路数据链路层的功能与服务数据链路层的功能与服务(1)(1)封装成帧封装成帧(透明传输透明传输)(2)(2)可靠性的保障可靠性的保障(3)(3)差错控制差错控制(4)(4)流量控制流量控制 (5)(5)链路管理链路管理习题习题第1页/共58页重点：重点：了解数据链路层信道的类型；数据在链路层的流动；了解数据链路层信道的类型；数据在链路层的流动；熟悉数据链路层的功能与服务；熟悉数据链路层的功能与服务；难点：难点：掌握封装帧的原理、差错控制编码掌握封装帧的原理、差错控制编码(奇偶校验码、奇偶校验码、CRC)CRC)；第2页/共58页IP 数据报1010 0110帧取出数据链

2、路层网络层链路结点 A结点 B物理层数据链路层结点 A结点 B帧发送帧接收数据链路IP 数据报1010 0110帧装入n常常在两个对等的数据链路层之间画出一个数字管道（数据链路），而在这条数字管道上传输的数据单位是帧。讨论1 1：数据链路层中基本概念第3页/共58页4讨论1 1：数据链路层中基本概念（续）n链路链路(link)一条无源的点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换结点。一条链路只是一条通路的一个组成部分1.1 1.1 链路与数据链路链路与数据链路n数据链路数据链路(data link)除了物理线路外，还必须有通信协议来控制这些数据的传输。若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就

3、构成了数据链路。数据链路=链路+协议实现现在最常用的方法是使用适配器（即网卡）来实现这些协议的硬件和软件。一般的适配器都包括了数据链路层和物理层这两层的功能。第4页/共58页5数据链路层的简单模型数据链路层的简单模型局域网广域网主机 H1主机 H2路由器 R1路由器 R2路由器 R3电话网局域网主机 H1 向 H2 发送数据链路层应用层运输层网络层物理层链路层应用层运输层网络层物理层链路层网络层物理层链路层网络层物理层链路层网络层物理层R1R2R3H1H2从层次上来看数据的流动第5页/共58页61.2 1.2 数据链路层的服务数据链路层的服务n数据链路层实现在同一链路两端相邻设备之间帧的传输，

4、为网络层提供数据包的搬运服务n要解决在易受到干扰的物理层的原始比特流传输的服务基础上，向网络层提供可靠的、无差错的、透明的、面向帧的传输服务。v点对点信道点对点信道 这种信道使用一对一的点对点通这种信道使用一对一的点对点通信方式。信方式。点对点信道ABp信道主要有以下两种类型：第6页/共58页广播信道CBEDAn广播信道广播信道 这种信道使用一对多的广播通信方式，因此过程比较复杂。广播信道上连接的主机很多，因此必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机的数据发送。不同的信道，服务使用的控制实现方法有所差异1.2 1.2 数据链路层的服务数据链路层的服务(续续)第7页/共58页8n要解决的几个基本

5、问题要解决的几个基本问题？(1)(1)封装成帧封装成帧(透明传输透明传输)(2)(2)可靠性的保障可靠性的保障(3)(3)差错控制差错控制(4)(4)流量控制流量控制(5)(5)链路管理链路管理 1.2 1.2 数据链路层的服务数据链路层的服务(续续)第8页/共58页(1)封装成帧封装成帧(透明传输透明传输)封装成帧封装成帧(framing)(framing)就是在一段数据的前后分别就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部，构成了一个帧。确定帧的界限。添加首部和尾部，构成了一个帧。确定帧的界限。首部和尾部的一个重要作用就是进行首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界帧定界。IP 数据报 MTU数据

6、链路层的帧长开始发送帧结束帧首部帧的数据部分帧尾部帧开始第9页/共58页10四种成帧方法四种成帧方法:(1)封装成帧(续)n字节计数法(Character count)n字符填充法(Flag bytes with byte stuffing)n比特填充法(Starting and ending flags,with bit stuffing)n违例编码法(Physical layer coding violations)第10页/共58页字符填充法用特殊的控制字符进行帧定界，以解决当传输错误时，重新接收方重新和发送方同步，找到帧的边界。n成帧原理帧开始符（00000001）帧结束符（00000

7、100）SOH装在帧中的数据部分EOT帧发送在前第11页/共58页12待解决的问题：如何进行透明传输？待解决的问题：如何进行透明传输？SOHEOT出现了“EOT”被接收端当作无效帧而丢弃被接收端误认为是一个帧数据部分EOT完整的帧发送在前n问题分析字符填充法(续)第12页/共58页13解决透明传输问题解决透明传输问题发送端的数据链路层在数据中出现控制字符发送端的数据链路层在数据中出现控制字符“SOHSOH”或或“EOTEOT”的前面插入一个的前面插入一个转义字符转义字符“ESCESC”(其十六进其十六进制编码是制编码是 1B1B，即，即00010000)00010000)。接收端的数据链路层在

8、将数据送往网络层之前删除插接收端的数据链路层在将数据送往网络层之前删除插入的转义字符。入的转义字符。如果转义字符也出现数据当中，那么应在转义字符前如果转义字符也出现数据当中，那么应在转义字符前面插入一个转义字符。当接收端收到连续的两个转义面插入一个转义字符。当接收端收到连续的两个转义字符时，就删除其中前面的一个。字符时，就删除其中前面的一个。解决方法：转义字符填充法第13页/共58页SOHSOHEOTSOHESCESC EOTESC SOHESC ESCESC SOH原始数据EOTEOT经过字节填充后发送的数据字节填充字节填充字节填充字节填充发送在前帧开始符帧结束符用字符填充法解决透明传输的问

9、题用字符填充法解决透明传输的问题 SOH第14页/共58页15n问题分析(续)优点：可以解决当错误发生时，重新同步帧的边界缺点：依赖于字符的编码方式(ASCII)不是所有字符都采用ASCII编码方式，如：UNICODE采用16位编码字符填充法(续)第15页/共58页比特填充法(1)封装成帧(续)n成帧原理通过在帧头和帧尾分别添加具有特殊比特流模式（01111110）的标识符，来标示帧的定界。帧头数据载荷信息帧尾0111111001111110原始数据帧的定界符帧的定界符发送在前第16页/共58页17待解决的问题：如何进行透明传输？待解决的问题：如何进行透明传输？01111110出现了标识符被接

10、收端误认为是一个帧数据部分完整的帧发送在前n问题分析比特填充法(续)0111111001111110第17页/共58页n发送端，只要在数据部分发现有 5 个连续 1，则立即填入一个 0。n接收端对帧中的比特流进行扫描。每当发现 5 个连续1时，就把这 5 个连续 1 后的一个 0 删除。解决透明传输问题解决方法：零比特填充法解决方法：零比特填充法原始数据部分A01111110B填充后的数据部分A011111010BA01111100BA011111000BA01111101BA011111001B第18页/共58页19n问题分析(续)比特填充法优点：适应于任何数据形式的比特流的传输适应于任意编

11、码方式的字符传输比特填充法应用举例：HDLC、PPP比特填充法(续)第19页/共58页n要解决的几个基本问题要解决的几个基本问题？(1)(1)封装成帧封装成帧(透明传输透明传输)(2)(2)可靠性的保障可靠性的保障(3)(3)差错控制差错控制(4)(4)流量控制流量控制 (5)(5)链路管理链路管理1.2 数据链路层的服务(续)第20页/共58页21(2)可靠性的保障IP 数据报1010 0110帧取出数据链路层网络层链路结点 A结点 B物理层IP 数据报1010 0110帧装入数据链路层要将网络层的数据报封装在帧中，实现透明传输。传输是否可靠？是否需要可靠保障？如何保障？第21页/共58页2

12、2(2)可靠性的保障(续)n三种类型的传输可靠性服务n不同的协议和系统中对数据链路层的传输可靠性服务的定义是不同点。无确认无连接的服务无确认无连接的服务有确认无连接的服务有确认无连接的服务有确认面向连接的服务有确认面向连接的服务第22页/共58页23无确认无连接的服务1.源端和目的端的数据链路层在传输帧之前不需要建立逻辑上连接。（无连接）2.每个帧在数据链路层协议的控制下从源端到目的端进行独立传输。（独立传输）3.目的端收到帧后，不需要通过反馈信息告诉源端，该帧是否正确接收（无确认）4.帧在传输时如果因为噪音干扰而丢失，没有任何机制来检测帧丢失，也没有任何机制实施帧的重新传输。（无重传）n 基

13、本思想适应于质量较好、差错率降低的信道传输，将少许差错情况的检测交给高层协议实现。适应于实时性要求较高的场合。如：音频的传输n 适应场合第23页/共58页24有确认无连接的服务1.源端和目的端的数据链路层在传输帧之前不需要建立逻辑上连接。（无连接）2.每个帧在数据链路层协议的控制下从源端到目的端进行独立传输。（独立传输）3.目的端收到帧后，需要通过反馈确认信息告诉源端数据链路层，该帧正确接收。（有确认）4.发送方对每个传输的帧进行编码 （帧编号）5.帧在传输时丢失，源端可以通过超时机制，重新传输丢失的帧。（超时重传）n 基本思想基本思想l适应于信道质量较差的不可靠信道 如：无线信道n 适应场合

14、第24页/共58页25有确认面向连接的服务源端和目的端的数据链路层在传输帧之前需要首先建立逻辑上连接。（有连接）每个帧在数据链路层协议的控制下，沿着建立好的链路，从源端到目的端进行独立传输。（独立传输）发送方对每个传输的帧进行编号，目的端收到帧后，需要通过反馈确认信息告诉源端数据链路层，相应编号的帧被正确接收；所有传输中的帧要求按序到达目的端，且只被正确接收一次.（有确认，帧编号）帧在传输时丢失，源端可以通过超时机制，重新传输丢失的帧。（超时重传）数据传输完毕，需要释放逻辑连接。（释放连接）n 基本思想基本思想适应于传输要求可靠性较高的场合n 适应场合适应场合第25页/共58页26n要解决的几

15、个基本问题要解决的几个基本问题？(1)(1)封装成帧封装成帧(透明传输透明传输)(2)(2)可靠性的保障可靠性的保障(3)(3)差错控制差错控制(4)(4)流量控制流量控制 (5)(5)链路管理链路管理1.2 数据链路层的服务(续)第26页/共58页27n 误比特率与信噪比有很大的关系。n 在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特 总数的比率称为误比特率 BER。误比特率=传输错误的比特位总数实际传输的比特位总数n 因为物理层存在噪音干扰（随机噪音和突发噪音），在传输中的比特位可能会产生差错：1 可能会变成 0 而 0 也可能变成 1。(3)(3)差错控制差错控制第27页/共58页28n 为了

16、保证数据传输的可靠性，在计算机网络传输数据时，必须采用各种差错控制措施。(3)差错控制(续)检错纠错差错控制措施差错控制的基本思想n 发送方按照一定算法为每一个传输的帧增加一定的冗余位（差错控制码、校验和字段、帧检验序列）n 接收方按照相同算法进行检查（重新计算该冗余位，并判断计算结果和实际接收的冗余位是否相等，相等表示检查结果正确，不相等表示检查结果错误）第28页/共58页29(3)差错控制(续)差错检测(检错码)差错纠正(纠错码)接收，反馈确认信息检查正确检查错误帧丢失差错控制的基本思想差错控制的基本思想(续续)进行纠正，接收超时重传接收，反馈确认信息检查正确检查错误帧丢失丢弃，并反馈否定

17、帧丢弃，超时重传超时重传第29页/共58页差错检测(检错码)差错纠正(纠错码)差错控制的基本思想差错控制的基本思想(续续)(3)差错控制(续)应用于高可靠性的信道传输，如：光纤传输应用于不可靠性的信道传输，如：无线传输ARQ,自动请求重传(Automatic request for repeat)FEC,前向纠错(forward error correction)第30页/共58页31(3)差错控制(续)码字码字(Codeword)的概念的概念k位r位n位码字（n=k+r）数据位冗余（校验）位1010110101110011110101110101编码效率:R=KnKK+r=第31页/共58页

18、32常用的简单差错控制编码n奇偶校验码(parity checking code)n循环冗余码(CRC)(3)差错控制(续)n正反码n海明码第32页/共58页33通过增加冗余位来使得码字中”1”的个数保持奇数或偶数的编码方法。垂直奇/偶校验码水平奇/偶校验码水平垂直奇/偶校验码奇偶校验码n 分类:n 思想:奇偶校验码第33页/共58页34垂直奇/偶校验码n 思想：将整个发送的信息块分为定长为p位（一般p=7）的若干段（设为q段）,每段后面按“1”的个数为奇或偶数的规律加上一位奇偶位(冗余位)。第34页/共58页35偶校验奇校验第35页/共58页36例如例如:要发送的信息是要发送的信息是1100

19、101 0100011 1011011 01010101100101 0100011 1011011 010101011001010100011101101101010100 偶校验11 1+采用偶校验方式,实际发送:11001010 01000111 10110111 01010101发送顺序偶校验思想:添加1位使得每列中”1”的个数为偶数个第36页/共58页37例如例如:要发送的信息是要发送的信息是1100101 0100011 1011011 01010101100101 0100011 1011011 0101010采用奇校验方式,实际发送:11001011 01000110 1011

20、0110 01010100奇校验1 00 0 1100101010001110110110101010+发送顺序奇校验思想:添加1位使得每列中”1”的个数为奇数个第37页/共58页38垂直奇垂直奇/偶校验码的特点偶校验码的特点:编码效率 R=P/(P+1)只能检测每列奇数个错误,不能检测每列偶数个错误,检测效率50%发送方可以边发送边生成冗余位,接收方可以边接收边检测第38页/共58页39水平奇/偶校验码思想:添加1位使得每行中”1”的个数为奇/偶数个第39页/共58页40例如例如:要发送的信息是要发送的信息是1100101 0100011 1011011 01010101100101 010

21、0011 1011011 01010101100101010001110110110101010+采用偶校验方式,实际发送:1100101 0100011 1011011 0101010 0110111发送顺序偶校验0110111第40页/共58页41水平奇水平奇/偶校验码的特点偶校验码的特点:编码效率 R=q/(q+1)只能检测每行奇数个错误,不能检测每行偶数个错误,检测效率50%可以检测出突发长度p的错误,漏检率小于垂直奇/偶校验方式发送方和接收方需要使用记忆寄存器第41页/共58页42水平垂直奇/偶校验码思想:一般采用偶教验，同时在每行和每列上添加1位使得每行和每列中”1”的个数为偶数个

22、第42页/共58页43例如例如:要发送的信息是要发送的信息是1100101 0100011 1011011 01010101100101 0100011 1011011 01010101100101010001110110110101010偶采用偶校验方式,实际发送:11001010 01000111 10110111 01010101 01101111发送顺序偶0 1 1 110110111第43页/共58页44水平奇水平奇/偶校验码的特点偶校验码的特点:编码效率 R=pq/(p+1)(q+1)只能检测每行和每列奇数个错误能检测出所有3位和3位以下的错误能检测出大多数偶数位错误可以检测出突发

23、长度p+1的错误具有1位纠错能力,但也可能误纠发送方和接收方需要使用记忆寄存器第44页/共58页45任意一个由二进制位串组成的码串都可以唯一的和一个系数仅为0和1的多项式一一对应。n 算法理论思想基础假设二进制串：bm bm-1 bm-2 b2 b1 b0,其中bi0，1M(x)=bmxm+bm-1xm-1+b2x2+b1x+b0循环冗余码(CRC)第45页/共58页46例例1 1：M(x)=x8+x7+x4+x2+1110010101例例2 2：M(x)=x8+x6+x5+x4+x2+x101110110第46页/共58页47选择一个生成多项式G(x)G(x)=grxr+gr-1xr-1+g

24、2x2+g1 x+g0 其中：gi0，1进行多项式除法运算xrM(x)G(x)商多项式余多项式Q(x)R(x)其中R(x)=ar-1xr-1+ar-2xr-2+a1x+a0ai0，1第47页/共58页循环冗余检验的原理循环冗余检验的原理 在数据链路层传送的帧中，广泛使用了循环冗余检验CRC的检错技术。在发送端，先把数据划分为组。假定每组k 个比特。假设待传送的一组数据M=101001（现在k=6）。我们在M 的后面再添加供差错检测用的n位冗余码一起发送。第48页/共58页冗余码的计算冗余码的计算 用二进制的模2运算进行2n 乘M 的运算，这相当于在M 后面添加n 个0。得到的(k+n)位的数除

25、以事先选定好的长度为(n+1)位的除数P，得出商是Q 而余数是R，余数R 比除数P 少1位，即R 是n位。第49页/共58页冗余码的计算举例冗余码的计算举例 现在 k=6,M=101001。设 n=3,除数P=1101，被除数是2nM=101001000。模2运算的结果是：商商Q=110101，余数余数 R=001。把余数R 作为冗余码冗余码添加在数据M 的后面发送出去。发送的数据是：2nM+R即：101001001，共(k+n)位。第50页/共58页循环冗余检验的原理说明循环冗余检验的原理说明 110101 Q(商)P(除数)1101 101001000 2nM(被除数)1101 1110

26、1101 0111 0000 1110 1101 0110 0000 1100 1101 001 R(余数)，作为 FCS 第51页/共58页52 CRC练习练习1.假设发送方待发的信息比特为:1001101011,选择的生成多项式为G(x)=X4+X2+X+1,请问发送方实际发送的数据是什么?CRC码?练习2.假设接收方接到如下比特流为校验时选择的生成多项式为G(x)=X5+X3+X+1,请问接收到的比特流是否正确?答案:10011010111111答案:有误,因为不能整除,余数不为零第52页/共58页53n要解决的几个基本问题要解决的几个基本问题？(1)(1)封装成帧封装成帧(透明传输透明

27、传输)(2)(2)可靠性的保障可靠性的保障(3)(3)差错控制差错控制(4)(4)流量控制流量控制 (5)(5)链路管理链路管理1.2 数据链路层的服务(续)第53页/共58页54(4)流量控制 流量控制处理主要解决发送方（速度快或负载轻）的发送能力大于接收方（速度慢或负载重）接收能力的问题。解决方法主要是接收方通过某种反馈机制使发送方知道接收方的接收能力。其实质是控制发送方的数据流量，使其不超过接收方的接收能力。例如：窗口机制流量控制不是数据链路层的特有功能，其他高层也提供流量控制功能，只不过控制对象不同。例如：数据链路层控制相邻两结点间数据链路上的流量运输层控制的是从源到目标进程间的端对端

28、的流量。第54页/共58页55n要解决的几个基本问题要解决的几个基本问题？(1)(1)封装成帧封装成帧(透明传输透明传输)(2)(2)可靠性的保障可靠性的保障(3)(3)差错控制差错控制(4)(4)流量控制流量控制 (5)(5)链路管理链路管理1.2 1.2 数据链路层的服务数据链路层的服务(续续)第55页/共58页56(5)链路管理 链路管理主要针对面向连接的服务。在链路两端的结点通信前，必须要通知对方已处于准备好状态，并交换一些必要的信息，以使序号初始化，才能建立链路。通信过程中要维持连接，若出现故障后重新初始化、重新自动建立连接等 通信完毕后释放连接。共享信道的情况下，管理信道分配第56页/共58页Excisses and ThinkingExcisses and Thinking习题:1.数据链路(即逻辑链路)与链路(即物理链路)有何区别?“电路接通了”与”数据链路接通了”的区别何在?2.数据链路层中的链路控制包括哪些功能?？3.要发送的数据为1101011011。采用CRC的生成多项式是P（X）=X4+X+1。试求应添加在数据后面的余数。?4.数据链路层的三个基本问题(帧定界、透明传输和差错检测)为什么都必须加以解决？作业习题第57页/共58页课件制作人：谢希仁谢钧感谢您的观看！第58页/共58页