计算机网络第5章 局域网技术与数据链路层协议

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3
4
5
6
7
0
1
2
(a) 准备结束0号帧
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1
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3
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7
0
1
2
(b) 准备结束1号帧 已收到 0号帧
0
1
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7
0
1
2
已收到 0-3号帧
(c) 准备结束4号帧
工作原理
5.3.4 滑动窗口协议
3． 发送序号与发送窗口最大值关系
假设Ws=8；发送方发送完0-7（8个）帧，因发送窗口填满，发送暂
停；接收方对每个数据帧发送确认帧。 第一种情况：所有确认帧都正确到达发送方，接着又发送8个新的数据
能检查出全部离散的二位错。 能检查出全部奇数个错。 能检查出全部长度小于或等于k位的突发错。 能以[1-(1/2)k-1]的概率检查出长度为k+1位的突发错。
5.2.6 海明码工作原理
检错、纠正差错编码（若信息位足够长，编码效率很高）
若信息位为：k=n-1位（an-1an-2…a1），偶校验位a0，构成一个n位 的码字an-1an-2…a1a0。 接收端校验时，按监督式计算校正因子
5.2.4 检错码、纠错码
检错码：自动发现差错的编码
纠错码：不仅能发现差错，且能自动纠正差错的编码。 编码效率R：
k k R n k r
R越高，用来传送信息码元的有效利用率越高
5.2.5 循环冗余码工作原理
CRC（多项式循环冗余）检错的工作原理
发送方： 生成多项式f(x)· xk（k为多项式最高幂n值） 将f(x)· xk除以多项式G(x)，f(x)· xk/G(x) = Q(x)+R(x)/G(x)（R(x)为余数多项式 将f(x)· xk+R(x)作为整体，发送到接收方
图8-6 数据链路层协议模型的分类
5.3.2 单帧停止等待协议
1．单帧停止等待协议工作原理
发送方每次发送一帧后，需要等待确认帧返回，再发送下一帧
发送方收到否认帧（数据帧错），重新发送出错的数据帧 优点：协议简单、容易实现
缺点：帧传输效率低下
发送方
1
ACK
2
NAK
2
ACK
3
接收方
1
2
数据字段 数据字段 校验字段 校验字段
发送数据 f ' ( x ) 生成多项式 G ( x ) f '( x) x k R' ( x) Q( x) G( x) G( x) R ' ( x ) R ( x ) 接收正确 R ' ( x ) R ( x ) 接收错误
f ( x) x k R( x)
接收方：
对多项式f’(x)采用运算，f’(x)· xk/G(x) = Q(x)+ R’(x)/G(x)，得余数多项式R’(x) 根据R’(x)=R(x) ？，判断是否出现错误
5.2.5 循环冗余码工作原理
1．CRC（多项式循环冗余）检错的工作原理
发送方 接收方
发送数据 f ( x ) 生成多项式 G ( x ) f ( x) x k R( x) Q( x) G( x) G( x) 实际发送： f ( x ) x k R ( x )
差异性
5.2 差错产生、差错控制方法 5.2.1 设计数据链路层的原因
在物理通信线路上传输数据信号一定存在差错
在原始、有差错物理线路上，采取差错检测、差错控制、流量控制 等方法，将物理线路改造成无差错的数据链路（向网络层提供高质 量服务） 物理层以上各层都有改善数据传输质量责任，数据链路层差错控制 最重要。
5.2.2 差错产生原因、类型
传输差错：数据经过通信信道，
信源
通信信道
信宿
数据
噪声 (a)
数据+ 噪声
接收数据与发送数据不一致
传输数据 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0
差错控制方法：查错、纠错 噪声：热噪声、冲击噪声
数据信号波形
噪声 数据信号与 噪声信号叠 加后的波形 采样时间 传输数据 原始数据 0 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0
存储器
传输 信道
反馈信号 控制器
反馈信号 控制器
ARR的实现机制
5.3 数据链路层的流量与拥塞控制 5.3.1 数据链路层协议模型
数据链路层需要有流量与拥塞控制，以保证数据帧传输可靠性
单帧停止 等待协议 拉回重发 协议 数据链路层 协议模型 连续发送 ARQ协议 选择重发 协议 滑动窗口 协议
第5章 局域网技术与数据链路层协议
数据链路层协议主要功能 数据链路层协议主要类型
数据链路层差错控制技术
以太网MAC层协议基本内容
5.1 数据链路层基本概念
5.1.1 链路与数据链路
链路：一条点到点的物理线路（中间没有任何其它交换结点） 数据链路：物理线路/传输设备+规程（软硬件）。保证数据传输正确性 通路由许多链路串接而成（链路是通路的组成部分）
110
110 101 011 000
1011
1100 1101 1110 1111
001
001 010 100 111
5.2.6 海明码工作原理
信息位
冗余位
0 1 1 0 0 0
0 0 0 1 1 1
0 1 1 0 0 1
1 0 1 0 0 0
0 0 0 1 1 0
1 1 0 1 1 1
1 0 1 0 0 1
5.2.6 海明码工作原理
由信息位算得的海明码冗余位
信息位
a6 a5 a4 a3 0000 0001 0010
冗 余 位
a2 a1 a0 000 011 101
信 息 位
a6 a5 a4 a3 1000 1001 1010
冗 余 位
a2 a1 a0 111 100 010
0011
0100 0101 0110 0111
若S=0，则无错；若S=1，则有错。
5.2.6 海明码工作原理
码字 n(bit) = k+r，k: 信息位、r: 冗余位
若用r个监督关系式产生r个校正因子，区分无错、码字中n个不同
位置的位错，则要求 即： 以k=4为例，要满足上述不等式，则r≥3（取r=3，则n=k+r=7）
表8-3 S2S1S0值与错码位置的对应 S2S1S0 错码位置 000 无错 001 a0 010 a1 100 a2 011 a3 101 a4 110 a5 111 a6
帧，其编号也是0-7。
第二种情况：所有确认帧全部丢失，发送方要重发8个旧数据帧，其编 号仍为0-7。 问题：接收方无法判定新旧数据帧（即Ws=8不行）。 结论：若接收窗口Wr=1，则发送窗口的大小Ws≤2 n-1时，ARQ协议才 能正确运行
5.5 局域网参考模型与以太网工作原理 5.5.1 IEEE 802参考模型
计算机 调制解调器 调制解调器 计算机
电话交换网
物理线路 数据链路
物理线路与数据链路的关系
5.1.2 数据链路层主要功能
链路管理：数据链路建立、维持和释放
帧同步：准确区分数据帧开始和结束
流量控制：避免链路拥塞，控制数据发送速率 差错控制：接收方能够发现并纠正传输错误 透明传输：保证所有数据比特组合，都应当能够在链路上传送 寻址：保证每帧都能送到正确的目的站
5.1.3 向网络层提供的服务
介于物理层与网络层之间（第2层），其目的：将物理线路（存在传输 差错）成为无差错数据链路（对网络层来说） 实现链路管理、帧传输、流量控制、差错控制等功能。 为网络层屏蔽物理传输介质、传输技术的差异性（异构互联）。 为网络层提供服务：正确传输网络层分组数据；屏蔽物理层传输技术的
向发送方返回相应的应答帧。
发送方 0 1 2 3 4 5 2 3
重传
4
5
6
接收方
0 ACK0
1 ACK1
2 NAK
3
4
5
2 ACK2
3 ACK3
4
5
6
丢弃
(a) 拉回重发方式
重传
发送方
0
1
2
3
4
5
2
6
7
8
9
接收方
0 ACK0
1 ACK1
2 NAK
3
4 ACK3
5 ACK4
2 ACK5
6 ACK2
7 ACK6
5.2.6 海明码工作原理
表8-3 S2S1S0值与错码位置的对应 S2S1S0 000 001 010 100 011 101 110 111
错码位置
无错
a0
a1
a2
a3
a4
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
a5
a6
发送端编码时，信息位a6、a5、a4、a3值取决于输入信号（随机）。冗余位 a2、a1、a0值根据信息位取值决定（监督关系式计算）
8
9
丢弃
(b) 选择重发方式
5.3.4 滑动窗口协议
1． 滑动窗口的基本概念
发送方连续发送帧数量受接收方控制（根据接收缓冲区剩余空间来
限制发送帧节奏），避免传输过程出现拥塞。 滑动窗口：将已发送（但未被确认）的数据帧数目加以限制，达到
流量控制目的。
设置发送窗口Ws ：对发送方进行流量控制（Ws代表在还没有收到 接收方确认信息的情况下发送方最多可以发送的数据帧数。 特例： 当Ws=1，为单帧停止等待协议
2
3
停止等待协议
5.3.2 单帧停止等待协议
2．单帧停止等待协议效率分析
开始 发送帧1 帧1 帧1 传 输 总 延 时 数据帧发送延时tf 数据帧处理延时tpr ACK1 确认帧发送延时ta 传播延时tp 开始 发送帧2 帧2 确认帧处理延时tpr 发送方 接收方
帧传输总延时tT ：
传播延时tp
R(x)
2．CRC检错例子
（5）将余数比特流附加到发送数据尾部，得到：
1010001 发送数据 1101 CRC校验码
发送比特流 带CRC校验码的发生数据比特流
（6）若传输过程没有差错，接收方收到的数据比特流（带有CRC 码）一定能被相同生成多项式整除。
3．CRC检错方法特点
能检查出全部单个错。
出错的位
(b)
5.2.3 误码率定义
衡量数据传输系统传输可靠性的参数（传输错误是正常，不可避免）
误码率未必越低越好，需根据实际传输要求提出（误码率越低，传输系 统越复杂，造价越高）。 传输非二进制比特数据，需折合成二进制比特计算。 差错出现具有随机性，只有被测二进制比特数越大，越接近真正误码率
5.3.4 滑动窗口协议
2．滑动窗口协议工作原理
发送窗口 Ws
0
1
2
3
4
5
6
7
0
1
2
(a) 允许发送0-4号帧
0
1
2
3
4
5
6
7
0
1
2
(b) 允许发送1-5号帧 已收到确认
0
1
2
3
4
5
6
7
0
1
2
已收到的确认
(c) 允许发送4-0号帧
5.3.4 滑动窗口协议
2．滑动窗口协议工作原理
接收窗口 Wr
0
1
发送
2．CRC检错例子
（1）发送数据位1010001（7bit）
（2）生成多项式为10111（最高次幂n=4，k=4） （3）将发送数据乘以24（左移4位），得到乘积：10100010000
（4）将乘积用生成多项式去除（模2计算），求得余数：1101
G(x) 1001111 10111√10100010000 10111 11010 10111 11010 10111 11010 10111 11010 10111 1101 Q(x) f(x)· xk
1． IEEE802参考模型的研究背景 1980年2月，IEEE成立局域网标准委员会（简称IEEE802委员会） 研究重点：解决局部范围内计算机组网问题
OSI参考模型 应 表 会 传 网 用 示 话 输 络 层 层 层 层 层 IEEE 802参考模型 逻辑链路控制 （LLC）子层 介质访问控制 （MAC）子层 物 理 层
p 个码字组成矩阵 每行一个码字
图8-4 海明码用于突发错误的情况
5.2 差错产生与差错控制方法 5.2.7 差错控制机制（ARR纠错）
自动反馈重发（ARR纠错）：收发双方在发现帧传输错误时，采用反馈/
重发方法纠正错误。
接收方通过检错码检查接收数据是否正确，发现传输错误就采用ARR纠错
发送方 信源 校验码 编码器 发送 装置 接收 装置 接收方 校验码 译码器 信宿
tT = tp+tf+tpr+ta+tp+tpr = 2tp+2tpr+tf +ta
tT ≈tf+2tp
帧传输效率U： U=tf /( tf+2tp) U=1/(1+2α)
tT
假设α = 传播延时/发送延时（ tp / tf）
时间
时间
5.3.3 连续发送ARQ协议
发送方连续向接收方发送数据帧，接收方对收到的数据帧进行校验后，
数据链路层 物 理 层
5.5.1 IEEE 802参考模型
2． IEEE802标准体系结构
802.1标准：定义局域网体系结构、网络互联、网络管理与性能测试 802.2标准：定义LLC子层功能与服务 定义不同介质访问控制技术的相关标准 IEEE802标准 802.3标准：定义CSMA/CD介质访问控制子层与物理层标准 802.11标准：定义无线局域网访问控制子层与物理层标准。 802.15标准：定义近距离无线个人网络访问控制子层与物理层标准