第5章 数据链路层
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第5章 数据链路层
数据链路层的服务与功能 差错控制 数据链路层协议实例 以太网 链路层编址 局域网互连设备
1
5.1 数据链路层的服务与功能
数据链路层的作用是对物理层传输原始比 特流功能的加强，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，即使之对网络层表现为一条无差错 的链路。 数据链路层的目的是为了提供功能上和规 程上的方法，以便建立、维护和释放网络 实体间的数据链路。 介绍数据链路层向网络层提供的基本服务 与数据链路层功能。
5.3 数据链路层协议实例
2.HDLC帧结构 (3) 控制字段 三中类型帧的控制字段结构如下图
b0 信息帧(I) 监控帧(S) 无编号帧(U) 0 1 1 0 1 b1 b2 N(S) 监控 未分配 b3 b4 P/F P/F P/F b5 b6 N(R) N(R) N(R) b7
29
5.3 数据链路层协议实例
5
5.2 差错控制
5.2.1 差错控制的原因 数据链路层进行差错控制的原因
在原始的物理传输经路上传输数据信 号是有差错的。 在数据链路层采用差错检测、差错控 制与流量控制等方法，将有差错的物理 线路改进成逻辑上无差错的数据链路， 向网络层提供高质量的服务。 从网络参考模型的角度看，虽然物理 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环
2.HDLC帧结构
(4) 信息字段
由于采用了“0”比特插入/删除方法，因此 信息字段允许任意的二进制比特序列的组合。 信息字段仅出现在I帧与U帧中，它是网络层 的用户数据。
(5) 帧校验字段
HDLC采用了CRC校验方式，生成多项式采 用CRC-CCITT。 CRC校验的范围是地址字段、控制字段和信 息字段。 30
16
5.3 数据链路层协议实例
5.3.1 HDLC 数据链路层的作用是使原始的有差错的物 理线路成为无差错的数据链路。 数据链路层协议有两类：
面向字符型 面向比特型
面向字符集协议有两个主要缺点
使用不同字符集的两台计算机很难利用字符型 协议进行通信 控制字符的编码不能在用户数据中出现。 17
7
5.2 差错控制
5.2.3 差错控制策略 差错检测与校正（简称差错控制）是指 在通信信道传输比特流过程中产生的差 错，能够自动检测出错误并进行纠正。 差错控制的主要目的是减少通信信道的 传输错误，现在不能做到检测和校正所 有的差错 差错控制有如下两种策略
纠错 检错 8
5.2 差错控制
发送端 0 1 2 3 4 5 6 3 4 5 6 7
接收端 ACK0 发送端 0
0
1
2
3
4
5
6
3
4
5
6
7
ACK1 ACK2 1 2 3
NAK
ACK3 ACK4 (a)拉回方式 5 6 3 7 8 9 10
4
接收端 ACK0
0
1
2
3
4
5
6
3
7
8
9
10
ACK1 NAK ACK5 ACK3 ACK2 ACK4 ACK6 ACK7 丢弃 (b)选择重发方式
① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧ 链路管理，即数据链路的建立、维护和释放 帧的封装拆装和同步。 流量控制 差错控制 顺序控制 将数据和控制信息分开 透明传输 寻址等
4
5.1 数据链路层的服务与功能
5.1.3 数据链路层的分层结构 IEEE 802系列标准中，数据链路层分为 逻辑链接控制（Logical Link Control， LLC ）子层， LLC 子层的主要工作是 控制信号交换、数据流量控制（ Data Flow Control），解释上层通信协议传 来的命令并且产生响应，以及克服数据 在传送的过程中所可能发生的种种问题 媒 体 访 问 控 制 （ Medium Access Control ， MAC ） 子 层 。 MAC 子 层 是 制定如何使用传输媒体的通信协议
15
5.3 数据链路层协议实例
因特网数据链路层协议主要有两种：串行线路IP协
议(Serial Line IP, SLIP)和点对点协议(Point-to-Point Protocol，PPP)。 SLIP是一种简单、有效的协议。 PPP协议是SLIP协议新的版本，它提供更快、 更有效的通信 PPP协议是一种因特网标准 PPP协议提供的功能包括 (1)基于高层数据链路控制协议(High-level Data Link Control, HDLC)的数据帧封装机 制、 (2)建立、配置、管理、测试数据链路连接和 建立、配置不同的网络层协议。
13
5.2 差错控制
2. 自动请求重发分类
自动请求重发纠错实现方式有两种： 停止等待方式 连续工作方式 停止等待方式工作原理如下图
发送端 1
A CK
2
NAK
2
A CK
3
接收端
1
2
2
3
14
5.2 差错控制
2. 自动请求重发分类
连续工作方式分二类：拉回方式和选择重发方式 拉回方式和选择重发方式工作原理如下图
5.2.4 循环冗余校验 现在计算机网络中广泛应用的差错 检 测 技 术 是 循 环 冗 余 检 测 (Cyclic Redundancy Check, CRC)编码。 CRC 编 码 也 称 为 多 项 式 编 码 (Polynomial Code) ，因为要发送的 比特串可以被看作系统是0或1的一个 多项式。
5.3 数据链路层协议实例
5.3.1 HDLC 1. 数据链路配置方式 在具体讨论 HDLC ，先要了解数 据链路配置方式和数据传输方式 数据链路有两种基本配置方式 非平衡配置 平衡配置
18
5.3 数据链路层协议实例
(1) 非平衡配置 ① 主站与从站结构
非平衡配置的特点是一组结点根据在通 信过程中的地位分主站与从站，由主站 来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。非平衡配置方式。 非平衡配置又可分为两种类型： 点对点方式 多点方式
6
5.2 差错控制
5.2.2 差错产生的原因和差错类型 进行差错控制是分析差错产生的原因和 类型，研究检查是否出现差错以及如何 纠正差错 差错的产生过程
数据通过通信信道的过程 是数据传输过程中噪声的影响
通信信道的噪声分为两类：热噪声和冲 击噪声 冲击噪声是由外界电磁干扰引起的，它 是引起传输差错的主要原因
2
5.1 数据链路层的服务与功能
5.1.1 数据链路层的基本服务 数据链路层的基本服务是将源端机器 的网络层数据传输到目的端机器网络 层。 数据链路层可以提供的服务类型主要 有三种 ① 无确认无连接服务 ② 有确认无连接服务 ③ 面向连接的服务
3
5.1 数据链路层的服务与功能
5.1.2 数据链路层的主要功能 数据链路层的基本功能是向网络层提供透明 的和可靠的数据传送服务 数据链路层的主要功能
标志字段 地址字段 控制字段 8位 8/16位 8位 信息字段 帧校验字段 标志字段 16位 8位
可变长度
24
5.3 数据链路层协议实例
2. HDLC帧结构 帧结构包括字段 (1) 标志字段 (2) (3) (4) (5) 地址字段 控制字段 信息字段 帧校验字段
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5.3 数据链路层协议实例
5.3 数据链路层协议实例
3. 信息帧 (1)发送序号与接收序号
如果控制字段的第1位的值是“0”，则该帧为信 息帧 N(S)表示当前发送的信息帧的序号 N(R)表示该站已正确接收序号为N(R)-1的帧及 以前各帧，通知发送站应发送序号为N(R)的帧
(2)探询/终止位
9
G f x
5.2 差错控制
1. CRC检测工作原理 CRC工作原理是
将要发送的数据比特序列当作一个多项式f(x) 的系数 在发送端用收发双方预先约定的生成多项式 G(x)去除，求得一个余数多项式。 将余数多项目加到数据多项式后发送到接收 端。 在接收端用同样的生成多项式G(x)去除接收 数据多项式f’(x)，得到计算余数多项式。 如果计算余数多项式与接收余数多项式相同， 表示传输无差错；否则，表示传输有差错， 由发送方重发数据，直到正确为止。
5.3 数据链路层协议实例
(2)平衡配置
平衡配置的特点是链路两端的两个站 是复合站。复合站同时具有主站与从站 的功能，因此每个复合站都可以发出命 令与响应。 平衡配置结构只有一种工作模式—异 步平衡模式(Asynchronous Balance Mode, ABM)。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。
27
5.3 数据链路层协议实例
2.HDLC帧结构
(3) 控制字段
控制字段的长度是8位。 它是HDLC帧中最复杂的字段，很多 重要的功能靠控制字段来实现。 根据其最前面的两个比特的取值，将 HDLC帧划分为3类
信息帧，简称为I(Information)帧 监控帧，简称为S(Supervisory)帧 无编号帧，简称为U(Unnumbered)帧 28
10
5.2 差错控制
5.2.4 循环冗余校验
2. CRC校验过程 CRC检测的工作过程（如下图）
数据 00...0 r位 数据 CRC校验码 r位
G(x)
r+1位
数据
CRC校验码
G(x)
r+1位
CRC校验码
r位
余数 0接收,非0拒绝 接收方
r位
发送方
11
5.2 差错控制
5.2.4 循环冗余校验
3. CRC检测示例 发送数据比特序列为 10110011 ，生成 多项式为 ，具体计算 CRC校验数及接收 校验过程
19
5.3 数据链路层协议实例
(1)非平衡配置 数据链路的非平衡配置方式如下图
主 站 发 出 命 令
从 站 响 应
Hale Waihona Puke Baidu
从站
从站
从站
主站
20
5.3 数据链路层协议实例
② 正常响应模式与异步响应模式 非平衡配置有两种数据传送方式：正 常响应模式和异步响应模式
正常响应模式(Normal Response Mode， NRM)。在正常响应模式中，主站可以随 时向从站传输数据帧。从站只有在主站向 它发送命令帧探询，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)。在异步响应模式中，主站和 从站可以随时相互传输数据帧。但是，主 站仍然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。 21
22
5.3 数据链路层协议实例
(2) 平衡配置 数据链路的平衡配置方式如下图
复合 站发 出命 令或 响应
复合 站发 出命 令或 响应
复合站
复合站
23
5.3 数据链路层协议实例
2. HDLC帧结构 数据链路层的数据传输以帧为单位，帧 也可以理解为数据链路协议数据单元。 HDLC的帧结构具有固定的格式 HDLC帧结构如下图。
2.HDLC帧结构 (1) 标志字段
数据链路层要解决帧同步问题。帧同步是指 如何从接收到的比特流中正确判断一个帧开 始和结束的位置。 HDLC规定在一个帧开头的第一个字节和结 尾的最后一个字节的特殊标记。 标志字段就是帧的开始与结束的标记，它的 值是“011111110”这个特定的比特序列 “0”比特插入/删除方法规定是用来防止传 输帧的比特序列中出现与标志字段相同的比 特序列 26
12
5.2 差错控制
5.2.5 差错控制机制 1.自动请求重发概念
接收端通过检错码检查数据帧是否出错，一旦发 现错误，通常采用自动请求重发(Automatic Repeat reQuest，ARQ)方法来纠正 自动请求重发实现机制如下图
发送端 信源 校验码 编码器 存储器 反馈信号 控制器 发送 装置 传 输 信 道 反馈信号 控制器 接收 装置 接收端 校验码 译码器 信宿
5.3 数据链路层协议实例
2.HDLC帧结构 (2) 地址字段 地址字段的长度是8位的整数倍 当地址字段的首位是“1”时表示地址字 段为8位。 当首位为“0”时，表示地址字段长度为 16位。 HDLC可以标识多于256个地址。 如果地址字段为全“1”时，表示广播地 址，这就意味着网中所有站都要接收该帧。
数据链路层的服务与功能 差错控制 数据链路层协议实例 以太网 链路层编址 局域网互连设备
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5.1 数据链路层的服务与功能
数据链路层的作用是对物理层传输原始比 特流功能的加强，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，即使之对网络层表现为一条无差错 的链路。 数据链路层的目的是为了提供功能上和规 程上的方法，以便建立、维护和释放网络 实体间的数据链路。 介绍数据链路层向网络层提供的基本服务 与数据链路层功能。
5.3 数据链路层协议实例
2.HDLC帧结构 (3) 控制字段 三中类型帧的控制字段结构如下图
b0 信息帧(I) 监控帧(S) 无编号帧(U) 0 1 1 0 1 b1 b2 N(S) 监控 未分配 b3 b4 P/F P/F P/F b5 b6 N(R) N(R) N(R) b7
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5.3 数据链路层协议实例
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5.2 差错控制
5.2.1 差错控制的原因 数据链路层进行差错控制的原因
在原始的物理传输经路上传输数据信 号是有差错的。 在数据链路层采用差错检测、差错控 制与流量控制等方法，将有差错的物理 线路改进成逻辑上无差错的数据链路， 向网络层提供高质量的服务。 从网络参考模型的角度看，虽然物理 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环
2.HDLC帧结构
(4) 信息字段
由于采用了“0”比特插入/删除方法，因此 信息字段允许任意的二进制比特序列的组合。 信息字段仅出现在I帧与U帧中，它是网络层 的用户数据。
(5) 帧校验字段
HDLC采用了CRC校验方式，生成多项式采 用CRC-CCITT。 CRC校验的范围是地址字段、控制字段和信 息字段。 30
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5.3 数据链路层协议实例
5.3.1 HDLC 数据链路层的作用是使原始的有差错的物 理线路成为无差错的数据链路。 数据链路层协议有两类：
面向字符型 面向比特型
面向字符集协议有两个主要缺点
使用不同字符集的两台计算机很难利用字符型 协议进行通信 控制字符的编码不能在用户数据中出现。 17
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5.2 差错控制
5.2.3 差错控制策略 差错检测与校正（简称差错控制）是指 在通信信道传输比特流过程中产生的差 错，能够自动检测出错误并进行纠正。 差错控制的主要目的是减少通信信道的 传输错误，现在不能做到检测和校正所 有的差错 差错控制有如下两种策略
纠错 检错 8
5.2 差错控制
发送端 0 1 2 3 4 5 6 3 4 5 6 7
接收端 ACK0 发送端 0
0
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2
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ACK1 ACK2 1 2 3
NAK
ACK3 ACK4 (a)拉回方式 5 6 3 7 8 9 10
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接收端 ACK0
0
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ACK1 NAK ACK5 ACK3 ACK2 ACK4 ACK6 ACK7 丢弃 (b)选择重发方式
① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧ 链路管理，即数据链路的建立、维护和释放 帧的封装拆装和同步。 流量控制 差错控制 顺序控制 将数据和控制信息分开 透明传输 寻址等
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5.1 数据链路层的服务与功能
5.1.3 数据链路层的分层结构 IEEE 802系列标准中，数据链路层分为 逻辑链接控制（Logical Link Control， LLC ）子层， LLC 子层的主要工作是 控制信号交换、数据流量控制（ Data Flow Control），解释上层通信协议传 来的命令并且产生响应，以及克服数据 在传送的过程中所可能发生的种种问题 媒 体 访 问 控 制 （ Medium Access Control ， MAC ） 子 层 。 MAC 子 层 是 制定如何使用传输媒体的通信协议
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5.3 数据链路层协议实例
因特网数据链路层协议主要有两种：串行线路IP协
议(Serial Line IP, SLIP)和点对点协议(Point-to-Point Protocol，PPP)。 SLIP是一种简单、有效的协议。 PPP协议是SLIP协议新的版本，它提供更快、 更有效的通信 PPP协议是一种因特网标准 PPP协议提供的功能包括 (1)基于高层数据链路控制协议(High-level Data Link Control, HDLC)的数据帧封装机 制、 (2)建立、配置、管理、测试数据链路连接和 建立、配置不同的网络层协议。
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5.2 差错控制
2. 自动请求重发分类
自动请求重发纠错实现方式有两种： 停止等待方式 连续工作方式 停止等待方式工作原理如下图
发送端 1
A CK
2
NAK
2
A CK
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接收端
1
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2
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5.2 差错控制
2. 自动请求重发分类
连续工作方式分二类：拉回方式和选择重发方式 拉回方式和选择重发方式工作原理如下图
5.2.4 循环冗余校验 现在计算机网络中广泛应用的差错 检 测 技 术 是 循 环 冗 余 检 测 (Cyclic Redundancy Check, CRC)编码。 CRC 编 码 也 称 为 多 项 式 编 码 (Polynomial Code) ，因为要发送的 比特串可以被看作系统是0或1的一个 多项式。
5.3 数据链路层协议实例
5.3.1 HDLC 1. 数据链路配置方式 在具体讨论 HDLC ，先要了解数 据链路配置方式和数据传输方式 数据链路有两种基本配置方式 非平衡配置 平衡配置
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5.3 数据链路层协议实例
(1) 非平衡配置 ① 主站与从站结构
非平衡配置的特点是一组结点根据在通 信过程中的地位分主站与从站，由主站 来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。非平衡配置方式。 非平衡配置又可分为两种类型： 点对点方式 多点方式
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5.2 差错控制
5.2.2 差错产生的原因和差错类型 进行差错控制是分析差错产生的原因和 类型，研究检查是否出现差错以及如何 纠正差错 差错的产生过程
数据通过通信信道的过程 是数据传输过程中噪声的影响
通信信道的噪声分为两类：热噪声和冲 击噪声 冲击噪声是由外界电磁干扰引起的，它 是引起传输差错的主要原因
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5.1 数据链路层的服务与功能
5.1.1 数据链路层的基本服务 数据链路层的基本服务是将源端机器 的网络层数据传输到目的端机器网络 层。 数据链路层可以提供的服务类型主要 有三种 ① 无确认无连接服务 ② 有确认无连接服务 ③ 面向连接的服务
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5.1 数据链路层的服务与功能
5.1.2 数据链路层的主要功能 数据链路层的基本功能是向网络层提供透明 的和可靠的数据传送服务 数据链路层的主要功能
标志字段 地址字段 控制字段 8位 8/16位 8位 信息字段 帧校验字段 标志字段 16位 8位
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5.3 数据链路层协议实例
2. HDLC帧结构 帧结构包括字段 (1) 标志字段 (2) (3) (4) (5) 地址字段 控制字段 信息字段 帧校验字段
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5.3 数据链路层协议实例
5.3 数据链路层协议实例
3. 信息帧 (1)发送序号与接收序号
如果控制字段的第1位的值是“0”，则该帧为信 息帧 N(S)表示当前发送的信息帧的序号 N(R)表示该站已正确接收序号为N(R)-1的帧及 以前各帧，通知发送站应发送序号为N(R)的帧
(2)探询/终止位
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G f x
5.2 差错控制
1. CRC检测工作原理 CRC工作原理是
将要发送的数据比特序列当作一个多项式f(x) 的系数 在发送端用收发双方预先约定的生成多项式 G(x)去除，求得一个余数多项式。 将余数多项目加到数据多项式后发送到接收 端。 在接收端用同样的生成多项式G(x)去除接收 数据多项式f’(x)，得到计算余数多项式。 如果计算余数多项式与接收余数多项式相同， 表示传输无差错；否则，表示传输有差错， 由发送方重发数据，直到正确为止。
5.3 数据链路层协议实例
(2)平衡配置
平衡配置的特点是链路两端的两个站 是复合站。复合站同时具有主站与从站 的功能，因此每个复合站都可以发出命 令与响应。 平衡配置结构只有一种工作模式—异 步平衡模式(Asynchronous Balance Mode, ABM)。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。
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5.3 数据链路层协议实例
2.HDLC帧结构
(3) 控制字段
控制字段的长度是8位。 它是HDLC帧中最复杂的字段，很多 重要的功能靠控制字段来实现。 根据其最前面的两个比特的取值，将 HDLC帧划分为3类
信息帧，简称为I(Information)帧 监控帧，简称为S(Supervisory)帧 无编号帧，简称为U(Unnumbered)帧 28
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5.2 差错控制
5.2.4 循环冗余校验
2. CRC校验过程 CRC检测的工作过程（如下图）
数据 00...0 r位 数据 CRC校验码 r位
G(x)
r+1位
数据
CRC校验码
G(x)
r+1位
CRC校验码
r位
余数 0接收,非0拒绝 接收方
r位
发送方
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5.2 差错控制
5.2.4 循环冗余校验
3. CRC检测示例 发送数据比特序列为 10110011 ，生成 多项式为 ，具体计算 CRC校验数及接收 校验过程
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5.3 数据链路层协议实例
(1)非平衡配置 数据链路的非平衡配置方式如下图
主 站 发 出 命 令
从 站 响 应
Hale Waihona Puke Baidu
从站
从站
从站
主站
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5.3 数据链路层协议实例
② 正常响应模式与异步响应模式 非平衡配置有两种数据传送方式：正 常响应模式和异步响应模式
正常响应模式(Normal Response Mode， NRM)。在正常响应模式中，主站可以随 时向从站传输数据帧。从站只有在主站向 它发送命令帧探询，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)。在异步响应模式中，主站和 从站可以随时相互传输数据帧。但是，主 站仍然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。 21
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5.3 数据链路层协议实例
(2) 平衡配置 数据链路的平衡配置方式如下图
复合 站发 出命 令或 响应
复合 站发 出命 令或 响应
复合站
复合站
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5.3 数据链路层协议实例
2. HDLC帧结构 数据链路层的数据传输以帧为单位，帧 也可以理解为数据链路协议数据单元。 HDLC的帧结构具有固定的格式 HDLC帧结构如下图。
2.HDLC帧结构 (1) 标志字段
数据链路层要解决帧同步问题。帧同步是指 如何从接收到的比特流中正确判断一个帧开 始和结束的位置。 HDLC规定在一个帧开头的第一个字节和结 尾的最后一个字节的特殊标记。 标志字段就是帧的开始与结束的标记，它的 值是“011111110”这个特定的比特序列 “0”比特插入/删除方法规定是用来防止传 输帧的比特序列中出现与标志字段相同的比 特序列 26
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5.2 差错控制
5.2.5 差错控制机制 1.自动请求重发概念
接收端通过检错码检查数据帧是否出错，一旦发 现错误，通常采用自动请求重发(Automatic Repeat reQuest，ARQ)方法来纠正 自动请求重发实现机制如下图
发送端 信源 校验码 编码器 存储器 反馈信号 控制器 发送 装置 传 输 信 道 反馈信号 控制器 接收 装置 接收端 校验码 译码器 信宿
5.3 数据链路层协议实例
2.HDLC帧结构 (2) 地址字段 地址字段的长度是8位的整数倍 当地址字段的首位是“1”时表示地址字 段为8位。 当首位为“0”时，表示地址字段长度为 16位。 HDLC可以标识多于256个地址。 如果地址字段为全“1”时，表示广播地 址，这就意味着网中所有站都要接收该帧。