数据链路层

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第4章
数据链路层
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1
本章学习要求:
了解:数据传输过程中差错产生的原因与性质
掌握:误码率的定义与差错控制方法
掌握:数据链路层的基本概念
了解:面向字符型数据链路层协议实例—BSC
掌握:面向比特型数据链路层协议实例— HDLC
掌握:Internet中的数据链路层协议
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2
本章知识点:
差错产生与差错控制方法
数据链路层的基本概念
典型的数据链路层协议
面向字符型协议实例:BSC
面向比特型协议实例:HDLC
Internet中的数据链路层协议
PPP协议
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3
4.1 差错产生与差错控制方法
4.1.1
4.1.2
4.1.3
4.1.4
4.1.5
4.1.6
为什么要设计数据链路层
差错产生的原因和差错类型
误码率的定义
检错码与纠错码
循环冗余编码工作原理
差错控制机制
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4
4.1.1 为什么要设计数据链路层
在原始物理传输线路上传输数据信号是有差错的;(语音、视频信
号的失真)
设计数据链路层的主要目的:在原始的、有差错的物理传输线路
的基础上,将有差错的物理线路改进成无差错的数据链路;
方法一 差错检测
差错控制
流量控制
作用:改善数据传输质量,向网络层提供高质量的服务。
在OSI模型中,物理层以上的各层都有改善数据传输质量的责任,
但数据链路层是最重要的一层。
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5
数据链路层设计思想
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6
4.1.2 差错产生的原因和差错类型
传输差错(简称差错)
通过通信信道后接收的数据与发送数据 不一致的现象。
差错控制 :检查是否出现差错以及如何纠正差错;
通信信道的噪声分为两类:热噪声和冲击噪声;
由热噪声引起的差错是随机差错,或随机错;
冲击噪声引起的差错是突发差错,或突发错;
引起突发差错的位长称为突发长度;
在通信过程中产生的传输差错,是由随机差错与突发差错共同构
成的。
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7
传输差错
产生过程
信源
通信信道
数据
信宿
噪声
数据+噪声
(a)
传输数据
0
1
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
0
1
0
噪声
数据信号
与噪声信号
叠加后的波形
采样时间
接收数据
0
1
0
1
1
0
1
1
1
0
0
1
0
0
0
原始数据
0
1
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
0
1
0
出错的位
(b)
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8
4.1.3 误码率的定义
误码率定义:
二进制比特在数据传输系统中被传错的概率,
它在数值上近似等于:
Pe = Ne/N
其中,N为传输的二进制比特总数
Ne为被传错的比特数
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9
讨论
误码率应该是衡量数据传输系统正常工作状态下传输可靠性的
参数;
对于一个实际的数据传输系统,不能笼统地说误码率越低越好
,要根据实际传输要求提出误码率要求;
对于实际数据传输系统,如果传输的不是二进制比特,要折合
成二进制比特来计算;
差错的出现具有随机性,在实际测量一个数据传输系统时,只
有被测量的传输二进制比特数越大,才会越接近于真正的误码
率值。
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10
4.1.4 检错码与纠错码
纠错码:(海明码)
每个传输的分组带上足够的冗余信息;
接收端能发现并自动纠正传输差错。
检错码: (奇偶校验码,CRC)
分组仅包含足以使接收端发现差错的冗余信息;
接收端能发现出错,但不能确定哪一比特是错的
,并且自己不能纠正传输差错。
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11
奇偶校检码
1 1 0 0 1 1 0 0 0
常用的检错码
奇偶校验码
垂直奇(偶)校验
水平奇(偶)校验水平
0 0 1 1 1 1 1 1 0
0 1 0 0 1 1 1 0 0
1 0 0 1 0 0 1 0 1
水
平
偶
校
验
0 0 1 0 0 1 0 1 1
垂直奇(偶)校验(方阵码) 0
0 0 0 1 0 1 0 0
垂直偶校验
循环冗余编码CRC
目前应用最广的检错码编码方法之一
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4.1.5 循环冗余编码工作原理
发送方
接收方
计算机网络
发送数据 f(x)
发送数据 f '(x)
生成多项式 G(x)
生成多项式 G(x)
f(x). x
G(x)
k
=Q(x)+
R(x)
f'(x). x
G(x)
G(x)
k
=Q(x)+
R'(x)
G(x)
实际发送: f(x) . x + R(x)
R'(x)= R(x) 接收正确
数据字段 校验字段
R'(x)≠ R(x) 接收错误
k
f(x) . x + R(x)
k
发送
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13
举例:
G(x)
1 1 0 0 1
1 0 0
1 1 0 0 1 1 0
1 1 0 0 1
1 0
1 1
1
1 1 0 0 1 1
1 0 0 1
发送数据
比特序列
CRC校验码
比特序列
0 0 1
0 0 0
Q(x)
k
f(x) .x
0 0 0
0 0 1
0 0 1
R(x)
带CRC校验码的
发送数据比特序列
1 1 0 0 1
1 0 0
1 1 0 0 1 1 1
1 1 0 0 1
1 1
1 1
0 0 1
0 0 1
0 0 1
0 0 1
0
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14
标准CRC生成多项式G(x)
CRC-12
G(x)= x12+x11+x3+x2+x+1
CRC-16
G(x)= x16+x15+x2+1
CRC-CCITT
G(x)= x16+x12+x5+1
CRC-32
G(x)= x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+ x10
+x8+x7+x5+x4+x2+x+1
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CRC校验码的检错能力
CRC校验码能检查出全部单个错;
CRC校验码能检查出全部离散的二位错;
CRC校验码能检查出全部奇数个错;
CRC校验码能检查出全部长度小于或等于K位的突发
错;
CRC校验码能以[1-(1/2)k-1]的概率检查出长度为
(K+1)位的突发错;
如果K=16,则该CRC校验码能全部检查出小于或等
于16 位的所有的突发差错,并能以1-(1/2)16-1
=99.997%的概率检查出长度为17位的突发错,漏
检概率为0.003%;
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16
4.1.6 差错控制机制
反馈重发机制
发送端
校验码
编码器
信源
存储器
接收端
发送
装置
传
输
信
接收
装置
校验码
译码器
信宿
道
反馈信号
控制器
反馈信号
控制器
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反馈重发机制的分类
1.停止等待方式
发送 端
接收 端
1
2
2
3
ACK
NAK
ACK
1
2
2
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3
18
停等协议(ARQ-自动重发请求)
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2.连续工作方式
重传
发送端
0
1
2
3
4
5
2
3
4
5
6
拉回方式(GBN,后退N)
接收端
ACK0
0
1
ACK1
NAK
2
3
4
丢弃
5
ACK2
2
3
4
5
6
8
9
ACK3
(a)
重传
选择重发方式
发送端
0
接收端
1
2
0
3
1
4
2
5
3
2
4
6
5
7
2
8
6
9
7
丢弃
ACK0
ACK1
ACK3
NAK
ACK4
ACK5
ACK6
ACK2
(b)
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为什么提出滑动窗口协议
在使用连续ARQ方法时,如果发送端一直没有收
到对方的确认信息,那么发送端就不能无限制
地向接收方发送其数据帧。因为:
(1)接收端可能忙或者出现故障。
(2)当未被确认的数据帧的数目太多时,只要有一帧
出了差错,就要将很多的数据帧进行重传,这必然
要白白花费很多时间。
(3)为了对所发送出去的大量数据帧进行编号,每个
数据帧的发送序号也要占用较多的比特数,这样又
增加了一些不必要的开销。
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21
滑动窗口协议所要解决的问题
在发送端和接收端分别设发送窗口和接收窗口。
发送窗口——用来对发送端进行流量控制,而发送窗
口的大小WT代表在还没有收到对方确认的条件下发送端
最多可以发送多少个数据帧。显然,停止等待协议的发
送窗口大小是1。
接收窗口——为了在接收端控制哪些数据帧可以接收
而哪些帧不可以接收。在接收端只有当收到的数据帧的
发送序号落入接收窗口WR内才允许将该数据帧收下。若
接收到的数据帧落在接收窗口之外,则一律将其丢弃。
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发送窗口的滑动过程
接收窗口的滑动过程
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23
发送窗口的最大值
初看起来,这个问题好像很简单。例如,用3个比特
可编出8个不同的序号,因而发送窗口的最大值似乎应
当是8,其实不然。可以证明,当用n个比特进行编号
时,只有在发送窗口的大小WT≤2n-1(WR=1)时,连
续ARQ协议才能正确运行。实际上,发送窗口和接收窗
口的值需满足:
WT+WR≤2n。
用3个比特可以编出8个不同的序号,这对一般的陆地
链路已足够大了。但对于卫星链路,由于其传播时延很
大,发送窗口也必须适当增大才能使信道利用率不致太
低。这时常取编码n=7,因而发送窗口可达127。
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24
举例:假设发送窗口尺寸为2,接收窗口尺寸为1
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25
4.2 数据链路层的基本概念
4.2.1 物理线路与数据链路
链路(link):一个结点到相邻结点的一段物理线路,中
间没有任何交换结点。在进行数据通信时,两个计算机
之间的通路可能是由许多条链路串接而成的。
数据链路(data link):除了必须有一条物理线路外,
还必须有一些必要的规程来控制这些数据的传输。把实
现这些规程的硬件和软件加到链路上,就构成了数据链
计算机
计算机
路。
Modem
Modem
电话交换网
物理线路
数据链路
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26
数据链路层的简单模型
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27
数据链路层传送的是帧
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28
数据链路层像个数字管道
常常在两个对等的数据链路层之间画出一个
数字管道,而在这条数字管道上传输的数据
单位是帧(Frame)。
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29
4.2.2 数据链路层的主要功能
链路管理
帧同步
流量控制
差错控制
帧的透明传输
寻址
数据链路层协议 — 为实现数据链路控制功能而
制定的规程或协议。
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30
(1) 链路管理
当网络中的两个结点要进行通信时,数据的发送方必
须确知接收方是否已经处在准备接收的状态。为此,通信
的双方必须先要交换一些必要的信息。也就是说有三个工
作要做:
1. 建立一条数据链路
2. 维持这条数据链路
3. 释放这条数据链路
数据链路的建立、维持和释放就叫做链路管理。
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31
(2) 组帧
在用数据链路传送信息时,为了便于计算机进行处
理,将从物理层来的原始位流进行分割,按照一定的
格式组成若干个“帧”(Frame),以帧为单位进行传
送。帧中应包括帧的内容:
起始、结束标志
地址信息
控制信息
正文信息和差错控制信息
帧编号
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32
封装成帧
封装成帧(framing)就是在一段数据的前后分别
添加首部和尾部,然后就构成了一个帧。确定帧
的界限。
首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界。
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33
(3) 差错控制
在计算机通信中,要求有极低的比特差错率。为此,
广泛地采用了编码技术。纠错技术有两大类:
前向纠错FEC(Forward Error Correction)方式,即接收
方收到有差错的数据帧时,能够自动将差错改正过来。
这种方法的编、译码开销太大,一般不适合于网络通
信。
反馈重传ARQ(Automatic Repeat reQuest)方式,即接
收方可以检测出收到的帧中有差错(但并不知道是哪
几个比特错了),于是就让发送方重新发送这一帧,
直到接收方正确收到这一帧为止。这种方法在计算机
通信中是最常用的。
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34
(4) 透明传输
所谓透明传输就是不管所传数据是什么样的比特组
合,都应当能够在链路上传送。当所传数据中的比
特组合恰巧与某一个控制信息完全一样时,就必须
采取适当的措施,使接收方不会将这样的数据误认
为是某种控制信息。这样才能保证数据传输是透明
的。
例如:
ETX(end of text)正文结束字符,01111110比特组合。
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35
透明传输
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36
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“SOH”
或“EOT”的前面插入一个转义字符“ESC”(其十六
进制编码是 1B)或“DEL”。
这种方法称为字节填充(byte stuffing)或字符填充
(character stuffing),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。
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
字符时,就删除其中前面的一个。
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37
用字节填充法解决透明传输的问题
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38
(5) 流量控制
在数据通信过程中,发送方的发送速度和接收方的
接收速度必须匹配,不允许发送速度超过接收能力
的现象发生,否则就会丢失数据。这就是所谓流量
控制问题。
采用的方法:
1.停止-等待协议
2.滑动窗口协议
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39
4.2.3 数据链路层向网络层提供的服务
数据链路层是OSI参考模型的第2层;
设立数据链路层的主要目的是将原始的、有差错的物
理线路变为对网络层无差错的数据链路;
为了实现这个目的,数据链路层必须实现链路管理、
帧传输、流量控制、差错控制等功能;
数据链路层为网络层提供的服务主要表现在:正确传
输网络层的用户数据,为网络层屏蔽物理层采用的传
输技术的差异性。
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40
4.3 面向字符型协议实例
什么是面向字符型协议?
以字符为控制传输信息的基本单元
ASIIC码:
格式字符:SOH(start of heading)报头开始
STX(start of text) 正文开始
ETB(end of transmission block)正文信息组结束
ETX(end of text) 正文结束
控制字符:ACK(acknowledge)肯定回答
NAK(negative acknowledge)否定回答
ENQ(enquire) 询问对方,要求回答
EOT(end of transmission)传输结束
SYN(synchrous)同步
DLE(data link escape)转义
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41
面向字符型BSC协议的数据报文格式:
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42
建立、维护
与释放数据
链路流程图
(1)
发送ENQ
接收ENQ
N
接收ACK
ENQ?
(2)
Y
N
ACK?
发送ACK
Y
(3)
发送数据
接收数据,EOT
(4)
接收数据
(5)
Y
EOT?
结束
N
ACK
Y
ACK/NAK?
N
BCC正确?
NAK
发送ACK
重发
N
发送NAK
结束?
Y
发送EOT
结束
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面向字符型协议属于停止
等待型的数据链路层协议
43
4.4 典型数据链路层协议分析 — 面向比特型
4.4.1 HDLC产生的背景
面向字符型数据链路层协议的缺点:
报文格式不一样;
传输透明性不好;
等待发送方式,传输效率低。
面向比特型协议的设计目标:
以比特作为传输控制信息的基本单元;
数据帧与控制帧格式相同;
传输透明性好;
连续发送,传输效率高。
高级数据链路控制 HDLC (High-level Data Link Control)规程
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44
4.4.2 数据链路的配置和数据传送方式
数据链路的配置方式
非平衡配置
平衡配置
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45
数据链路的非平衡配置方式
非平衡配置中的主站与从站
主站:控制数据链路的工作过程。主站发出命令
从站:接受命令,发出响应,配合主站工作
非平衡配置中的结构特点
点-点方式
多点方式
主站
从站
从站
从站
主站发出命令
从站进行响应
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46
非平衡配置方式的数据传送方式:
正常响应模式(normal response mode,NRM)
主站可以随时向从站传输数据帧;
从站只有在主站向它发送命令帧进行探询(poll),从站响
应后才可以向主站发送数据帧。
异步响应模式(asynchronous response mode,ARM)
主站和从站可以随时相互传输数据帧;
从站可以不需要等待主站发出探询就可以发送数据;
主站负责数据链路的初始化、链路的建立、释放与差错恢复
等功能。
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47
数据链路的平衡配置方式
链路两端的两个站都是复合站(combined station);
复合站同时具有主站与从站的功能;
每个复合站都可以发出命令与响应;
平衡配置方式的数据传送方式:
异步平衡模式(asynchronous
balanced mode,ABM);
异步平衡模式的每个复合站都可
以平等地发起数据传输,而不需
要得到对方复合站的许可。
复合站
复合站
复合站发出命令
或进行相应
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复合站发出命令
或进行相应
48
4.4.3 HDLC的帧结构
标志字段F
(8位)
地址字段A
(8/16位)
控制字段C
(8/16位)
信息字段I
(长度可变)
帧校验字段FCS
(16/32位)
标志字段F
(8位)
F(flag) :固定格式— 01111110
作用— 帧同步
传输数据的透明性(零比特插入与删除)
A(address) :地址
C(control) :帧的类型、帧的编号、命令与控制信息
I(information) :网络层数据
CRC(checksum) :校验A、C、I字段的数据
G(X)= X16+X12+X5+1
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零比特插入/删除工作过程
连续5个1
发送端
发送数据
F
I
F
01111110
100110111011111 010011111 110010
01111110
0
接收端
0
0比特插入 01111110
100110111011111 010011111 110010
01111110
实际发送
01111110
10011011101111100100111110110010
01111110
实际接收
01111110
10011011101111100100111110110010
01111110
0比特删除 01111110
100110111011111 010011111 110010
01111110
0
接收数据
01111110
0
100110111011111 010011111 110010
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01111110
50
帧类型及控制字段的意义
标志字段F 地址字段A 控制字段C
(8位)
(8/16位)
(8位)
b0
b1
信息帧I
0
监控帧S
1
0
无编号帧U
1
1
b2
b3
N(S)
信息字段I
(长度可变)
b4
b5
帧校验字段FCS 标志字段F
(16/32位)
(8位)
b6
P/F
N(R)
监控
P/F
N(R)
未分配
P/F
未分配
b7
S帧 :监控功能位
S = 00,RR(receive ready)
S = 01,RNR(receive not ready)
S = 10,RJE(reject)
S = 11,SREJ(select reject)
I帧 : N(S) — 发送帧的顺序号;N(R) — 接收帧的顺序号
探询/终止位: P/F= Poll / Final, P=1 询问,F=1 响应
P与F成对出现
U帧 :用于实现数据链路控制功能
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U帧的格式与链路控制功能
无编号帧
01111110
命令
A
11
M
P/F
M
FCS
01111110
响应
置异步响应
SARM
1
1
0
0
0
建立主从的点-点结构
置正常响应
SNRM
0
0
0
0
1
建立主从的多点结构
置异步平衡响应
SABM
1
1
1
0
0
建立复合站的平衡结构
拆链
DISC
0
0
0
1
0
结束已建立的数据链路
无编号确认
UA
0
0
1
1
0
从站响应主站的命令
命令拒绝
CMAD
1
0
0
0
1
从站报告帧传输异常
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52
BSC与HDLC两种规程的比较
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53
4.4.4 数据链路层的工作过程
简化的信息帧结构的表示方法
I
N(S)
N(R)
P/F
Data
高层数据
探询/终止位
接收帧序号
发送帧序号
信息帧标志
一个信息帧的表示
I, N(S)=3, N(R)=4, P=1
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54
无编号帧的表示方法
U , SNRM , P=1
置正常响应模式:
U , UA , F=1
无编号确认:
SNRM帧与UA帧结构的表示方法
置正常响应模式:
01111110
A
11001001
FCS
01111110
无编号确认:
01111110
A
11001110
FCS
01111110
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主站
正常响应
模式数据
链路工作
从站
U,SNRM,P=1
U,UA,F=1
I,N(S)=1,N(R)=0
I,N(S)=2,N(R)=0,P=1
I,N(S)=1,N(R)=3
I,N(S)=2,N(R)=3
I,N(S)=3,N(R)=3,F=1
I,N(S)=3,N(R)=4,P=1
I,N(S)=4,N(R)=4
I,N(S)=5,N(R)=4,F=1
U,DISC,P=1
U,UA,F=1
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56
讨论:数据链路层
与物理层的关系
数据链路层建立在物理
连接上
物理层完成连接,提供
比特流传输能力
数据链路层使用物理层
服务来传输数据链路层
协议数据单元(帧)
主站
从站
(2.1)
探询
建立数据链路
确认
(1)
建立物理连接
(2.2)
(2)
(3)
比特流传输
I帧
传输帧
I帧
释放物理连接
(2.3)
探询
释放数据链路
确认
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57
4.5 Internet中的数据链路层
Internet中主要的数据链路层协议
SLIP (Serial Line IP)
— 串行线路的Internet数据链路层协议
PPP ( Point-to-Point Protocol)
— 点-点协议
SLIP与PPP用于串行通信的拨号线路上。PPP是目前
家庭计算机或公司用户通过ISP接到Internet主要的协
议。
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PPP协议基本特点
PPP协议是Internet标准,RFC 1660、RFC 1661定义
了PPP协议与帧结构;
PPP协议处理了差错检测,支持面向字符型协议与
面向比特型协议,可以支持IP协议及其他一些网络层
协议(例如IPX协议);
PPP协议不仅在拨号电话线,并且在路由器─路由
器之间的专用线上广泛应用;
PPP协议是在大多数家庭个人计算机和ISP之间使用
的协议,它可以作为在高速广域网和社区宽带网协
议族的一部分。
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PPP信息帧格式
标志字段 地址字段 控制字段
协议字段
(7E)
(FF)
(03)
1B
1B
1B
2B
信息字段
≤1500B
帧校验字段 标志字段
(FCS)
(7E)
2B
1B
标志(flag):01111110 (0x7E)
地址(address):值为“FF”(11111111),表示网中所有
的站都接收该帧
控制(control):值为“03”(00000011)
协议(protocol):长度为2字节,它标识出网络层协议数据域
的类型。常用的网络层协议的类型主要有:
0021H—TCP/IP
0023H—OSI
002BH—Novell
数据字段:长度可变
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链路控制帧(LCP)
链路控制帧(LCP)
标志字段 地址字段 控制字段 协议字段
(7E)
(FF)
(03)
(C021)
1B
1B
1B
2B
链路控制数据
≤1500B
帧校验字段 标志字段
(FCS)
(7E)
2B
1B
PPP协议的数据链路选项主要包括:
链路控制帧可以用来与对方进行协商,异步链路中将
什么字符当做转义字符;
为了提高线路的利用率,链路控制帧可以用来与对方
协商,是否可以不传输标志字节或地址字节,并将协议
字段从2字节缩短为1字节;
如果在线路建立期间,收发双方不使用链路控制协商,
固定的数据字段长度为1500B。
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网络控制帧(NCP)
网络控制帧(NCP)
标志字段 地址字段 控制字段 协议字段
(7E)
(FF)
(03)
(8021)
1B
1B
1B
2B
网络控制数据
≤1500B
帧校验字段 标志字段
(FCS)
(7E)
2B
1B
网络控制帧可以用来协商是否采用报头压缩
CSLIP协议,也可用来动态协商确定链路每端的
IP地址。
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使用PPP的Internet连接
User
PC
ISP
线路
Modem
Modem
Router
当一个用户通过拨号接入到Internet时,ISP方的路由器响应这个
呼叫,然后首先建立起一个物理连接。接通之后,用户方的PC向
ISP方的路由器发出一系列的LCP分组(封装成多个PPP帧),利用这
些分组和它的响应来选择将要使用的一些PPP协议参数。
当通信双方参数协商之后就可以进行网络层的配置。为了顺利
通信要求用户有一个IP地址。如果用户没有固定的IP地址,则需
要ISP动态地分配一个IP给用户。NCP的功能就是完成动态分配IP
地址。
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小结
物理传输线路上传输数据信号是有差错的;
误码率是指二进制比特在数据传输过程中被传错的
概率;
数据链路层是将一条原始的、有差错的物理线路变
为对网络层无差错的数据链路;
数据链路层完成链路管理、帧传输、流量控制、差
错控制等功能;
差错控制:反馈重发机制
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数据链路层协议基本可以分为两类:面向字
符型与面向比特型;
数据链路层的数据传送单位是帧,帧具有固
定的结构;
HDLC的帧分为信息帧(I帧)、无编号帧(U
帧)与监控帧(S帧);
Internet数据链路层主要的协议是PPP协议;
PPP协议不仅用于拨号电话线,并且可以用于
路由器─路由器之间的专用线路上。
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