数据链路层协议HDLC协议
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传输数据的信道不能保证所传的数据不 产生差错，并且需要对数据的发送方进 行流量控制。
第3章 数据链路层
四种情况
A
B
送 主 机
送
时
主
间
机
(a) 正常情况
A
B
A
B
出错
丢
失
tout
！
重 传
送 主 机
(b) 数据帧出错
重 传
送 主 机
(c) 数据帧丢失
A
B
tout 丢
送
失
主
重！
机
传
丢
弃
(d) 确认帧丢失
第3章 数据链路层
第3章 数据链路层
2．循环冗余码
在计算机网络和数据通信中，应用最广泛的检错 码是循环冗余码（Cyclic Redundancy Code， CRC），CRC码又称为多项式码，它的漏检率低 且便于实现。
第3章 数据链路层
CRC编码思想
编码思想：将位串看成系数为0或1的多 项式
检错思想：收发双方约定一个生成多项式 G(x)（其最高阶和最低阶系数必须为1）， 发送方在帧的末尾加上校验和，使带校验 和的帧的多项式能被G(x)整除。接收方收 到后，用G(x)除多项式，若有余数，则传 输有错。
第3章 数据链路层
本章主要内容
本章主要介绍数据链路层控制的目的 及功能、帧的装配和识别、差错控制、 数据链路层协议、HDLC协议、 SLIP/PPP协议等。
第3章 数据链路层
目录
3.1 数据链路层基本概念 3.2 差错检测方法 3.3 停止等待协议 3.4 滑动窗口协议 3.5 连续ARQ协议 3.6 选择重传ARQ协议 3.7 协议的效率分析 3.8 面向比特的链路层控制规程HDLC 3.9 Internet的数据链路层协议
第3章 数据链路层
3.3 停止等待协议
3.3.1 差错控制与流量控制 对数据传输进行差错控制和流量控制是数
据链路层的关键功能。 基本策略是反馈机制，即发送方通过接收
方反馈回来的能否继续接收或是否正确收 到帧等信息来进行下一步的操作。
第3章 数据链路层
差错控制和流量控制的基本思想
差错控制的基本思想是：差错检测、接收 确认和出错重传。
法。水平奇偶校验又称为横向奇偶校验，它是对各个信息 段的相应位进行横向编码，产生一个奇偶校验冗余位。
第3章 数据链路层
水平垂直奇偶校验
同时进行水平奇偶校验和垂直奇偶校验就 构成水平垂直奇偶校验，也称为纵横奇偶
校验。
水平垂直奇偶校验不仅可检错，还可用来纠正 部分差错。
第3章 数据链路层
示例
R3 网络层 链路层 物理层
H2
应用层 运输层 网络层 链路层 物理层
第3章 数据链路层
数据链路层的主要功能
（1）链路管理 （2）帧同步 （3）流量控制 （4）差错控制 （5）透明传输 （6）寻址
第3章 数据链路层
3.2 差错检测方法
3.2.1 差错的起因和检测 通过通信信道后，接收的数据与发送的数
第3章 数据链路层
3.4 滑动窗口协议
与停等协议一样，连续发送的这种方式同 样需要进行差错控制和流量控制。为了解 决这些问题，本节将引入“滑动窗口” （sliding window）协议。
第3章 数据链路层
发送窗口：在滑动窗口协议中，每个要发
送的帧都有一个序号，用n个二进制位来表
示，其范围为0～2n1。发送方任何时候都 保持一个连续的序号表，称为发送窗口。
这种用停等方式实现的数据链路层协议称为简单 的停等协议。
第3章 数据链路层
两种情况的对比（传输均无差错）
不需要流量控制
A
B
需要流量控制
A
B
送主机 B
送主机 B
送主机 B
时
间
送主机 B
送主机 B 送主机 B
第3章 数据链路层
3.3.4 实用的停等协议
下面去掉前面的两个假设条件，讨论实用 的停等协议。即
据不一致的现象称为传输差错，简称为差 错。 通信过程中出现的差错可大致分为两类： ① 信道固有的、持续存在的随机热噪声； ② 由外界特定的短暂原因造成的冲击噪声。
第3章 数据链路层
常用的差错检测方法
目前，最常用的差错检测方法是差错检测编码，
包括两个基本策略:
一种策略是包含足够多的冗余信息，可以使接收方发 现并纠正传输中出现的错误---纠错码
在数据链路层传送的帧中，广泛使用了循 环冗余码（CRC）的检错技术。实用的 CRC校验器都是用硬件完成的，CRC校验 器能够自动丢弃检测到的出错帧。
第3章 数据链路层
2．超时计时器
发送端发送完一个数据帧时，就启动一个超时计时器，计 时器又称为定时器。若到了超时计时器所设置的重传时间 tout而仍收不到来自接收端的任何确认帧，则发送端就重 传前面所发送的这一数据帧。
数据可靠传输方法
针对数据帧在链路传输过程中出现的各种
错误情形，数据链路层协议通过有效的检 错重传、超时计时器（timeout timer）、帧编号等机制，保证了收、发
双方之间数据的可靠传输。
第3章 数据链路层
1．检错重传
虽然物理层在传输比特时会出现差错，但 由于数据链路层的停止等待协议采用了有 效的差错编码技术，数据链路层对上面的 网络层就可以提供可靠的传输服务。
第3章 数据链路层
CRC
已知,r次生成多项式G(x). K位信息位构成的(k-1)次多项式K(x) R位冗余位的(r-1)次多项式R(x) 构成的发送多项式:
T(x)=xr K(x)+R(x) 问题:求R(x)
xr K(x)除以G(x)的余式
第3章 数据链路层
CRC校验示例
发送窗口用来对发送方进行流量控制，而发送 窗口的大小代表在还没有收到对方确认帧的情 况下发送方最多可以发送多少个数据帧。
第3章 数据链路层
接收窗口：接收方也保持一个可接收 帧的连续序号表，称为接收窗口。
接收窗口中的帧序号为接收方当前可
第3章 数据链路层
3.3.3 具有简单流量控制的数据链路层协议
假定信道是一个无差错的理想信道，但不能保证接收方接 收数据的速率大于发送方发送数据的速率。
最简单的办法是，发送方每发送一帧数据就停下 来等待接收方的应答，接收方收到数据帧并交给 主机后，发一个肯定应答（ACK）给发送方，发 送方只有在得到这一应答后，才发送下一帧数据。 这种方法的实质是使接收方控制发送方的发送速 率，即流量控制。
注意：协议可以保证数据可靠无差错的进 行传输。
第3章 数据链路层
3.3.2 理想化的数据传输
假设通信条件是理想的，即满足如下两方面的要 求：
① 链路是理想的传输信道，所传输的任何数据既不出差
理想化 错也不会丢失；
② 不论发送方的发送速率快或慢，接收方均能及时收下 数据，并及时上交主机。
第一个条件表明没有差错，不需要差错控制。第 二个条件表明不需要11 G(x) = x4+x+1 , 即 10011
1100001010
10011
11010110110000 10011
10011 10011
0 0 0 0 10 1 1 0 10 0 1 1 10100 10011
1 1 1 0 余数
∴传送序列T(x)=1101,0110,1111,10
Rk k n kr
第3章 数据链路层
3.2.2 常用的简单差错检测编码
数据链路层差错检测常用的两种方法：
奇偶校验法 循环冗余校验法
第3章 数据链路层
1．奇偶校验码
奇偶校验是常用的检错编码方法。其原理
是在7位ASCII代码后增加一位，使得码字 中“1”的个数恒为奇数或偶数。经过传输 后，如果其中一位出错，则接收方按同样 的规则（奇校验或偶校验）就能发现错误。
另一种策略也是包含一些冗余信息，但是这些信息只 能让接收方推断出发生了错误，但推断不出发生了哪 个错误，然后接收方可以请求重传---检错码
第3章 数据链路层
编码效率
衡量编码性能好坏的一个重要参数是编码
效率 R，它是指码字中信息位所占的比例。 若码字中信息位为 k 位，编码时外加冗余 位为 r 位，则编码后得到的码字长为 n=k+r，编码效率为:
（1）面向连接确认服务（acknowledged connection-oriented service）
（2）无连接确认服务（acknowledged connectionless service）
（3）无连接不确认服务（unacknowledged connectionless service）。
第3章 数据链路层
3.1 数据链路层的基本概念
数据链路层是OSI参考模型中的第二层，介于物 理层和网络层之间，它在物理层提供服务的基础 上向网络层提供服务。
数据链路层的作用是加强物理层传输原始位流的 功能，并将物理层提供的可能出错的物理连接改 造成逻辑上无差错的数据链路。数据链路层的基
本功能是将物理层提供的原始传送比特流可能出 错的物理连接改造成逻辑上无差错的数据链路,即
向网络层提供透明和可靠的数据传输服务。
第3章 数据链路层
3.1.1 设计数据链路层的原因
① 在原始的物理线路上传输数据信号的差错 问题。
② 通信双方数据传送的速率问题。 ③ 数据的寻址问题。 ④ 数据传输的同步问题。 ⑤ 链路管理问题。
第3章 数据链路层
3.1.2 数据链路层的模型及其功能
数据链路层的协议不同，它所提供的服务 也可以不相同。数据链路层的服务功能主 要分为以下3类:
流量控制的基本思想是使接收方能够控制 发送方发送帧的速率。
下面将由简单到复杂介绍3个数据链路层协 议：停止等待协议，连续ARQ（Automatic Repeat reQuest）协议和选择重传ARQ协议。
第3章 数据链路层
停等协议
停止等待（stop-and-wait）协议（简称停等 协议）是最简单的也是最基本的数据链路 层协议，其基本思想是发送方每发送一帧 后就要停顿下来，等对方已正确接收的确 认(acknowledgement)返回后才能继续发送 下一帧。
在实际使用时，该方法又可分为垂直奇偶 校验、水平奇偶校验和水平垂直奇偶校验 等。
第3章 数据链路层
垂直奇偶校验
垂直奇偶校验是指，将要发送的整个信息块分成p位固定 长度的若干段（如q段），每段后面按“1”的个数为奇数 或偶数的规律加上一位奇偶位 。
第3章 数据链路层
水平奇偶校验
为了降低对突发错误的漏检率，可以采用水平奇偶校验方
要解决重复帧的问题，就必须使每一个数据帧带上不同的 发送序号，每发送一个新的数据帧就把它的发送序号加1。 若接收端收到发送序号相同的数据帧，就表明出现了重复 帧，应丢弃重复帧。此时接收端还必须向发送端发送确认 帧。
序号编码：对于停止等待协议，用一个比特来编号就够了。
每发送一个新的数据帧，发送序号就和上次 发送的不一样。用这样的方法可以使接收方 能够区分开新的数据帧和重传的数据帧。
tout值的选择应恰当，若选得太长，则浪费时间；若选得 太短，则发送方有可能在重发了数据帧后，才收到对方为 前一个接收数据帧所回送的确认帧，这样就会造成混乱。 一般将定时时间选为略大于“从数据帧发送完毕到收到确 认帧所需的平均时间”。
第3章 数据链路层
3．帧编号
当确认帧丢失后，超时重传将使接收端收到两个同样的数 据帧。
第3章 数据链路层
讨论
问题？ ？停等协议有什么缺陷，特别是效率及带宽利用方面
停等如协何议改在善发这送种一状帧况后，，提必高须数等据待传确输认效帧率的到来， 然后才可以继续发送下一帧，这在通信线路较长， 传输速率较快的情况下将浪费大量的带宽。
其基本思想是：发送方发送完一帧后，不是停下 来等待确认帧，而是可以接着发送数据帧。由于 减少了等待时间，整个通信的吞吐量就可以显著 提高。
应用层 运输层 网络层 链路层 物理层
第3章 数据链路层
数据链路层的简单模型
主机 H1 向 H2 发送数据
主机 H1
路由器 R1
电话网
局域网
路由器 R2
广域网
路由器 R3
主机 H2
局域网
H1
应用层 运输层 网络层 链路层 物理层
仅从数据链路层观察帧的流动
R1 网络层 链路层 物理层
R2 网络层 链路层 物理层
第3章 数据链路层
数据链路层的简单模型
主机 H1 向 H2 发送数据
主机 H1
路由器 R1
电话网
局域网
路由器 R2
广域网
路由器 R3
主机 H2
局域网
H1
应用层 运输层 网络层 链路层 物理层
从层次上来看数据的流动
R1 网络层 链路层 物理层
R2 网络层 链路层 物理层
R3 网络层 链路层 物理层
H2
第3章 数据链路层
四种情况
A
B
送 主 机
送
时
主
间
机
(a) 正常情况
A
B
A
B
出错
丢
失
tout
！
重 传
送 主 机
(b) 数据帧出错
重 传
送 主 机
(c) 数据帧丢失
A
B
tout 丢
送
失
主
重！
机
传
丢
弃
(d) 确认帧丢失
第3章 数据链路层
第3章 数据链路层
2．循环冗余码
在计算机网络和数据通信中，应用最广泛的检错 码是循环冗余码（Cyclic Redundancy Code， CRC），CRC码又称为多项式码，它的漏检率低 且便于实现。
第3章 数据链路层
CRC编码思想
编码思想：将位串看成系数为0或1的多 项式
检错思想：收发双方约定一个生成多项式 G(x)（其最高阶和最低阶系数必须为1）， 发送方在帧的末尾加上校验和，使带校验 和的帧的多项式能被G(x)整除。接收方收 到后，用G(x)除多项式，若有余数，则传 输有错。
第3章 数据链路层
本章主要内容
本章主要介绍数据链路层控制的目的 及功能、帧的装配和识别、差错控制、 数据链路层协议、HDLC协议、 SLIP/PPP协议等。
第3章 数据链路层
目录
3.1 数据链路层基本概念 3.2 差错检测方法 3.3 停止等待协议 3.4 滑动窗口协议 3.5 连续ARQ协议 3.6 选择重传ARQ协议 3.7 协议的效率分析 3.8 面向比特的链路层控制规程HDLC 3.9 Internet的数据链路层协议
第3章 数据链路层
3.3 停止等待协议
3.3.1 差错控制与流量控制 对数据传输进行差错控制和流量控制是数
据链路层的关键功能。 基本策略是反馈机制，即发送方通过接收
方反馈回来的能否继续接收或是否正确收 到帧等信息来进行下一步的操作。
第3章 数据链路层
差错控制和流量控制的基本思想
差错控制的基本思想是：差错检测、接收 确认和出错重传。
法。水平奇偶校验又称为横向奇偶校验，它是对各个信息 段的相应位进行横向编码，产生一个奇偶校验冗余位。
第3章 数据链路层
水平垂直奇偶校验
同时进行水平奇偶校验和垂直奇偶校验就 构成水平垂直奇偶校验，也称为纵横奇偶
校验。
水平垂直奇偶校验不仅可检错，还可用来纠正 部分差错。
第3章 数据链路层
示例
R3 网络层 链路层 物理层
H2
应用层 运输层 网络层 链路层 物理层
第3章 数据链路层
数据链路层的主要功能
（1）链路管理 （2）帧同步 （3）流量控制 （4）差错控制 （5）透明传输 （6）寻址
第3章 数据链路层
3.2 差错检测方法
3.2.1 差错的起因和检测 通过通信信道后，接收的数据与发送的数
第3章 数据链路层
3.4 滑动窗口协议
与停等协议一样，连续发送的这种方式同 样需要进行差错控制和流量控制。为了解 决这些问题，本节将引入“滑动窗口” （sliding window）协议。
第3章 数据链路层
发送窗口：在滑动窗口协议中，每个要发
送的帧都有一个序号，用n个二进制位来表
示，其范围为0～2n1。发送方任何时候都 保持一个连续的序号表，称为发送窗口。
这种用停等方式实现的数据链路层协议称为简单 的停等协议。
第3章 数据链路层
两种情况的对比（传输均无差错）
不需要流量控制
A
B
需要流量控制
A
B
送主机 B
送主机 B
送主机 B
时
间
送主机 B
送主机 B 送主机 B
第3章 数据链路层
3.3.4 实用的停等协议
下面去掉前面的两个假设条件，讨论实用 的停等协议。即
据不一致的现象称为传输差错，简称为差 错。 通信过程中出现的差错可大致分为两类： ① 信道固有的、持续存在的随机热噪声； ② 由外界特定的短暂原因造成的冲击噪声。
第3章 数据链路层
常用的差错检测方法
目前，最常用的差错检测方法是差错检测编码，
包括两个基本策略:
一种策略是包含足够多的冗余信息，可以使接收方发 现并纠正传输中出现的错误---纠错码
在数据链路层传送的帧中，广泛使用了循 环冗余码（CRC）的检错技术。实用的 CRC校验器都是用硬件完成的，CRC校验 器能够自动丢弃检测到的出错帧。
第3章 数据链路层
2．超时计时器
发送端发送完一个数据帧时，就启动一个超时计时器，计 时器又称为定时器。若到了超时计时器所设置的重传时间 tout而仍收不到来自接收端的任何确认帧，则发送端就重 传前面所发送的这一数据帧。
数据可靠传输方法
针对数据帧在链路传输过程中出现的各种
错误情形，数据链路层协议通过有效的检 错重传、超时计时器（timeout timer）、帧编号等机制，保证了收、发
双方之间数据的可靠传输。
第3章 数据链路层
1．检错重传
虽然物理层在传输比特时会出现差错，但 由于数据链路层的停止等待协议采用了有 效的差错编码技术，数据链路层对上面的 网络层就可以提供可靠的传输服务。
第3章 数据链路层
CRC
已知,r次生成多项式G(x). K位信息位构成的(k-1)次多项式K(x) R位冗余位的(r-1)次多项式R(x) 构成的发送多项式:
T(x)=xr K(x)+R(x) 问题:求R(x)
xr K(x)除以G(x)的余式
第3章 数据链路层
CRC校验示例
发送窗口用来对发送方进行流量控制，而发送 窗口的大小代表在还没有收到对方确认帧的情 况下发送方最多可以发送多少个数据帧。
第3章 数据链路层
接收窗口：接收方也保持一个可接收 帧的连续序号表，称为接收窗口。
接收窗口中的帧序号为接收方当前可
第3章 数据链路层
3.3.3 具有简单流量控制的数据链路层协议
假定信道是一个无差错的理想信道，但不能保证接收方接 收数据的速率大于发送方发送数据的速率。
最简单的办法是，发送方每发送一帧数据就停下 来等待接收方的应答，接收方收到数据帧并交给 主机后，发一个肯定应答（ACK）给发送方，发 送方只有在得到这一应答后，才发送下一帧数据。 这种方法的实质是使接收方控制发送方的发送速 率，即流量控制。
注意：协议可以保证数据可靠无差错的进 行传输。
第3章 数据链路层
3.3.2 理想化的数据传输
假设通信条件是理想的，即满足如下两方面的要 求：
① 链路是理想的传输信道，所传输的任何数据既不出差
理想化 错也不会丢失；
② 不论发送方的发送速率快或慢，接收方均能及时收下 数据，并及时上交主机。
第一个条件表明没有差错，不需要差错控制。第 二个条件表明不需要11 G(x) = x4+x+1 , 即 10011
1100001010
10011
11010110110000 10011
10011 10011
0 0 0 0 10 1 1 0 10 0 1 1 10100 10011
1 1 1 0 余数
∴传送序列T(x)=1101,0110,1111,10
Rk k n kr
第3章 数据链路层
3.2.2 常用的简单差错检测编码
数据链路层差错检测常用的两种方法：
奇偶校验法 循环冗余校验法
第3章 数据链路层
1．奇偶校验码
奇偶校验是常用的检错编码方法。其原理
是在7位ASCII代码后增加一位，使得码字 中“1”的个数恒为奇数或偶数。经过传输 后，如果其中一位出错，则接收方按同样 的规则（奇校验或偶校验）就能发现错误。
另一种策略也是包含一些冗余信息，但是这些信息只 能让接收方推断出发生了错误，但推断不出发生了哪 个错误，然后接收方可以请求重传---检错码
第3章 数据链路层
编码效率
衡量编码性能好坏的一个重要参数是编码
效率 R，它是指码字中信息位所占的比例。 若码字中信息位为 k 位，编码时外加冗余 位为 r 位，则编码后得到的码字长为 n=k+r，编码效率为:
（1）面向连接确认服务（acknowledged connection-oriented service）
（2）无连接确认服务（acknowledged connectionless service）
（3）无连接不确认服务（unacknowledged connectionless service）。
第3章 数据链路层
3.1 数据链路层的基本概念
数据链路层是OSI参考模型中的第二层，介于物 理层和网络层之间，它在物理层提供服务的基础 上向网络层提供服务。
数据链路层的作用是加强物理层传输原始位流的 功能，并将物理层提供的可能出错的物理连接改 造成逻辑上无差错的数据链路。数据链路层的基
本功能是将物理层提供的原始传送比特流可能出 错的物理连接改造成逻辑上无差错的数据链路,即
向网络层提供透明和可靠的数据传输服务。
第3章 数据链路层
3.1.1 设计数据链路层的原因
① 在原始的物理线路上传输数据信号的差错 问题。
② 通信双方数据传送的速率问题。 ③ 数据的寻址问题。 ④ 数据传输的同步问题。 ⑤ 链路管理问题。
第3章 数据链路层
3.1.2 数据链路层的模型及其功能
数据链路层的协议不同，它所提供的服务 也可以不相同。数据链路层的服务功能主 要分为以下3类:
流量控制的基本思想是使接收方能够控制 发送方发送帧的速率。
下面将由简单到复杂介绍3个数据链路层协 议：停止等待协议，连续ARQ（Automatic Repeat reQuest）协议和选择重传ARQ协议。
第3章 数据链路层
停等协议
停止等待（stop-and-wait）协议（简称停等 协议）是最简单的也是最基本的数据链路 层协议，其基本思想是发送方每发送一帧 后就要停顿下来，等对方已正确接收的确 认(acknowledgement)返回后才能继续发送 下一帧。
在实际使用时，该方法又可分为垂直奇偶 校验、水平奇偶校验和水平垂直奇偶校验 等。
第3章 数据链路层
垂直奇偶校验
垂直奇偶校验是指，将要发送的整个信息块分成p位固定 长度的若干段（如q段），每段后面按“1”的个数为奇数 或偶数的规律加上一位奇偶位 。
第3章 数据链路层
水平奇偶校验
为了降低对突发错误的漏检率，可以采用水平奇偶校验方
要解决重复帧的问题，就必须使每一个数据帧带上不同的 发送序号，每发送一个新的数据帧就把它的发送序号加1。 若接收端收到发送序号相同的数据帧，就表明出现了重复 帧，应丢弃重复帧。此时接收端还必须向发送端发送确认 帧。
序号编码：对于停止等待协议，用一个比特来编号就够了。
每发送一个新的数据帧，发送序号就和上次 发送的不一样。用这样的方法可以使接收方 能够区分开新的数据帧和重传的数据帧。
tout值的选择应恰当，若选得太长，则浪费时间；若选得 太短，则发送方有可能在重发了数据帧后，才收到对方为 前一个接收数据帧所回送的确认帧，这样就会造成混乱。 一般将定时时间选为略大于“从数据帧发送完毕到收到确 认帧所需的平均时间”。
第3章 数据链路层
3．帧编号
当确认帧丢失后，超时重传将使接收端收到两个同样的数 据帧。
第3章 数据链路层
讨论
问题？ ？停等协议有什么缺陷，特别是效率及带宽利用方面
停等如协何议改在善发这送种一状帧况后，，提必高须数等据待传确输认效帧率的到来， 然后才可以继续发送下一帧，这在通信线路较长， 传输速率较快的情况下将浪费大量的带宽。
其基本思想是：发送方发送完一帧后，不是停下 来等待确认帧，而是可以接着发送数据帧。由于 减少了等待时间，整个通信的吞吐量就可以显著 提高。
应用层 运输层 网络层 链路层 物理层
第3章 数据链路层
数据链路层的简单模型
主机 H1 向 H2 发送数据
主机 H1
路由器 R1
电话网
局域网
路由器 R2
广域网
路由器 R3
主机 H2
局域网
H1
应用层 运输层 网络层 链路层 物理层
仅从数据链路层观察帧的流动
R1 网络层 链路层 物理层
R2 网络层 链路层 物理层
第3章 数据链路层
数据链路层的简单模型
主机 H1 向 H2 发送数据
主机 H1
路由器 R1
电话网
局域网
路由器 R2
广域网
路由器 R3
主机 H2
局域网
H1
应用层 运输层 网络层 链路层 物理层
从层次上来看数据的流动
R1 网络层 链路层 物理层
R2 网络层 链路层 物理层
R3 网络层 链路层 物理层
H2