第三讲 数据链路层

点对点信道 每对连接对应 一对机器
广播信道
3
问题分析（续1）
◆ ◆
地址问题—通信主机标识问题（*） 面向连接还是非连接？
□ 面向连接——是基于电话系统模型。也就是说，在数
据传输前，有一个连接建立的过程，通信结束后，有一 个连接断开的过程。（服务质量高）
□ 面向非连接——是基于邮政系统模型。也就是说，任
FLAG header payload trailer FLAG
□ 新的问题：如果负载重出现了FLAG了怎么办？
FLAG
A
FLAG
B
FLAG
9
数据封装问题—帧格式（4）
◆
字节填充法
□ 转义字节技术
□ 新问题：数据中包 含了ESC怎么办？
FLAG
A
FLAG
Same with flag
B
FLAG
FLAG
0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8
□ 位填充法分析
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数据封装问题—帧格式（8）
◆
物理层编码违例法
□ 原理：使用非数据编码信号来表示帧的边界。 如以太网（MAC子层中介绍）——曼彻斯特编码方式传输数据 ―1‖的编码 ―0‖的编码
何时候数据都可以直接发送。（服务质量低）
4
问题分析（续2）
◆
数据封装问题—帧格式
□ 开始、结束标志 □ 通信地址：面向连接时，建立连接过程需要地址；面向 非连接时，数据传输时需要地址。 □ 数据及编码 □ 递交对象——数据链路是数据传输服务层，到达目的机 器后，数据必须递交给其他功能函数来处理。
◆ ◆
19
出错处理（5）
◆
纠错码
□ 例子
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 （码字1） 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 （码字2） 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 （码字3）
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 （码字4）
编码距离为5，因此2d+1=5，可得d=2，该方案可 以纠错2位以下的错误。 接收到数据00000 00111，与上面的码字计算海明距 离，和码字2距离最小，为2，因此该数据有两位出错 了，原始数据应该是00000 11111
◇ 其他编码方式，可以用作帧的边界 □ 物理层编码违例法分析
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流控制问题
◆
问题描述
发送方的速度超过了接受方能够接受这些帧的速度
◆
基本处理方法
□ 基于反馈的流控制 定义规则，规范发送者什么时候可以发送帧。（具体协议中介绍） □ 基于速率的流控制 限制发送方的速率。（后面章节中详细介绍）
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出错处理（1）
25
出错处理（11）
◈ CRC校验和计算例子
第三步：用以2为模的除法求余数 余数[11010110110000 /10011 ]= 1110 第四步：用以2为模的减法计算校验和 发送帧T(x) ＝11010110111110
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出错处理（12）
◈ CRC校验和验证 接收者接收到T(X)后，用T(x)/G(x)，余数应该为0，否则 就判定为有错误。 T(X)= xrM(x)-P(x) ◈ CRC检错能力说明
6
数据封装问题—帧格式（1）
■ 将要传输的数据分成很多小段数据发送出去。 ◆ 问题分析：什么是一个好的帧格式？
（1）容易生成
（2）重新实现帧同步的难度
（3）普遍的适应性
7
数据封装问题—帧格式（2）
◆
字符计数法
字符计数
□ 原理：在头部中的一个域指定该帧中的字符数。
5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 8 0 1 2 3 4 5 6 8 7 8 9 0 1 2 3 第一帧 第二帧 第三帧 第四帧 8个字符 5个字符 5个字符 8个字符
□ 问题：出错后的帧无法同步
5 1 2 3 4 7 6 7 8 9 8 0 1 2 3 4 5 6 8 7 8 9 0 1 2 3 第一帧 第二帧 字符计数？
8
数据封装问题—帧格式（3）
◆
字节填充法
□ 分析：字符计数法失去帧同步后，恢复很难。原因 是很难区分计数的字符和数据字符。
□ 原理：使用特殊的字符作为帧的开始和结束标志
（1）如果传输过程出错了，即有一些位的0或1发生了变 化。把发生变化的位记录为1，其他位置为0，它对应一 个多项式E(x)。 （2）接收者的信息则为T(x)+E(x)； （3）校验时候计算为[T(x)+E(x)]/G(x)=E(x)/G(x)
如果E(x)不被G(x)除尽，则可以检测到传输过 程中出错了，如果刚好被除尽了，则该错误没 有被检测到。所以G(x)很重要。
第三讲 数据链路层
1
本讲要求
1 理解数据链路层解决的基本问题
2 掌握数据帧的基本原理和方法
3 掌握出错处理的几种方式
4 掌握数据链路层的基本协议
5 掌握数据链路层的滑动窗口协议
6 了解典型的数据链路协议
2
基本问题
如何利用物理层的0-1比特流传输能力 在相邻机器间进行数据传输？
问题分析
◆ 信道问题
◆
纠错—纠错码
□ 原理：在发送的数据中包含冗余信息，以
便接收者可以推断出数据中肯定有哪些内容。
包含m个数据位和r个校验位的n-位单元，通常称为 n位码字（n=m+r）。
—有这么 神奇的事 情吗？
Data bits
Check bits
0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0
m bits n bits codeword（ n = m + r ）
r bits
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出错处理（3）
◆
纠错码
□ 海明距离——两个码字不相同的位的个数
1 0 0 0 1 0 0 1 （码字1） XOR 1 0 1 1 0 0 0 1 （码字2） 0 0 1 1 1 0 0 0 海明距离d=3
◇ 含义理解：如果码字1出错后，变为码字2，则
至少要3位数据发生错误
◇ 海明距离用来度量最少出错的位数
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出错处理（4）
◆
纠错码
□ 海明距离用来度量最少出错的位数 □ 纠正d位错误的基本原理
即假设传输过程中，最多d位出错。
（1）对于传输数据m位，合法的报文有2m种情况； （2）对于传输的n位码字，可能的码字有2n种情况（n=m+r）； （3）从2n中选择2m个n位码字来表示合法的传输数据，并且保证 每两个n位码间的距离至少为2d+1; （4）接收到数据A时，与所有的n位合法码字求解海明距离，海 明距离小于d的，就是传输的数据。
如无限制单工协议规范双方的行为来完成数据的传输
◆
什么是服务？ 实体为它的用户提供的功能。
如数据链路层为网络层提供传输数据的功能 如物理层为数据链路层提供0-1比特流传输功能
◆
什么是接口？ 定义调用服务的原语操作
如from_physical_layer和to_physical_layer等 □ 服务是用户的功能需求（该层要解决的问题） □ 协议是完成服务功能的实现过程（解决问题的程序） □ 接口是程序的交互界面（用户操作界面）
◆
Baidu Nhomakorabea
定义—什么是错误？
□ 严格意义：凡是接收到的数据和发送的数据不一致
□ 不一致：错误数据*、丢失数据、数据乱序
◆
基本措施
□ 纠错（错误纠正）：就是将不一致的数据恢复到一致 □ 检错（错误发现）：检查数据中是否存在不一致 □ 不作为
先看看错误数据的基本措施，丢失 和乱序问题在协议中介绍
16
出错处理（2）
◆
字节填充法
□ 字节填充法存在什么问题？
◇ 必须紧紧依赖于8位字符模式 ◇ 不是所有的字符都是8位字符模式，如Unicode使
用16位字符。
结论：非8位字符模式，需要转换为8位 字符模式才能顺利传输
□ 字符填充法分析
12
数据封装问题—帧格式（7）
◆
位填充法
□ 原理：帧开始和结束都有一个特殊的位模式01111110
27
基本数据链路协议（1）
◆
应用情况
点到点信道，也就是只有一个发送者和接收者。
◆
几个重要功能函数
□ from_network_layer □ to_network_layer □ from_physical_layer
□ to_physical_layer
28
基本数据链路协议（2）
◆
无限制的单工协议
□ 前提条件： ◇ 单方向数据传输（即只有一个发送者和接收者） ◇ 理想信道（信道不出错，传输速度极快） ◇ 通信双方能力无穷（发送者不停发送，接收者不停接收）
□ 发送者基本过程
第一步：从网络层获得数据 第二步：发送到物理层。
□ 接收者基本过程
第一步：等待数据到达 第二步：从物理层提取数据 第三步：把数据递交给网络层
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基本数据链路协议（3） SENDER:
from_network_layer
RECEIVER:
wait_for_event
from_physical_layer to_network_layer
framing
to_physical_layer
30
基本数据链路协议（4）
◆
什么是协议？ 通信双方关于如何进行通信的一种约定
23
出错处理（9）
◈ CRC校验和计算算法 （1）假设G(x)的阶为r。在帧的低位端加上r个0，此时 帧长为m+r，对应多项式为xrM(x)； （2）利用模2除法，用对应的G(x)的位串去除xrM(x)对 应的位串，余数记为P(x) ； （3）利用模2减法， xrM(x)-除法运算中的余数P(x) ， 结果记为T(x)就是带校验和的帧。
流量控制问题—发送者、接收者能力不对等问题 出错处理—什么是错？纠错？检错？不管？
结论：数据传输需要协调双方的行为——协议
5
数据链路层的地址问题
一般来说，通信主体都应该拥有一个标识 ——称为地址。
◆
随机分配—管理员分配配置
如令牌环网等
◆
固化设置—将地址固化到物理器械中
如以太网卡
小探索：查看以太网卡的物理地址，并 修改它。
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基本数据链路协议（5）
A
ESC
FLAG
B
FLAG
stuffing“ESC”
10
数据封装问题—帧格式（5）
◆
字节填充法
□ 转义字节技术
□ 其他问题？
data“ESC”
FLAG
A
ESC
B
FLAG
FLAG
A
ESC
ESC
B
FLAG
stuffing“ESC”
遇到第一个ESC，表 示后面的是正常数据， 不是特殊字符 11
数据封装问题—帧格式（6）
□ 问题：当传输数据中有01111110如何处理？
□ 解决办法：碰到连续5连续的位“1‖的时候，自动填充一位0
0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6
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出错处理（10）
◈ CRC校验和计算例子
问题：发送数据帧 11 0101 1011 m=10， M(x)为(m –1=9)阶多项式 M(x)＝ x9 + x8 + x6 + x4 + x3 + x + 1 第一步：选择生成多项式G(x) = x4 + x + 1 r=4，10011 第二步：形成多项式xrM(x) n=m+r=10+4=14， xrM(x) 为13阶多项式 x4M(x) ＝ x13 + x12 + x10 + x8 + x7 + x5 + x4 11 0101 1011 0000
20
出错处理（6）
◆
检错—检错码
□ 原理：在发送的数据中包含冗余信息，以便接收者可
以推断出数据中是否发生了错误。
□ 奇偶检错方案——检测单个错误 □ 检错原理：在数据后面加上一个奇偶位，如果码字中
的“1‖的位为偶数，则填0，如果是奇数，则填1。
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出错处理（7）
□ 奇偶校验例子
sender
数据位 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1
也称多项式编码（Polynomial Code）
◇ 基本思想
◈ 前提条件 （1）将位串看成是系数为0或1的多项式。
如 10001011*x6 +0*x5+ 0*x4 + 0*x3 +1*x2 +1*x1
（2）发送方和接收在数据传输前商定一个生成多项式G(x).
如 G(x) = x4 + x + 1------10011 （3）传输帧有m位，对应的多项式为M(x)。
校验位 0 1 1 0 1 0 0 1
receiver
数据位 0 1 0 0 0 1
校验位 0 0
error
数据位 1 0 1 1 0 0 校验位 0 1
□ 针对突发性长错误，可采用交错奇偶校验位来处理。
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出错处理（8）
□ 校验和（Checksum） TCP/IP协议中使用的一种校验方法。 □ 循环冗余校验（Cyclic Redundancy Check, CRC）