实验二数据链路层实验

实验二数据链路层实验实验项目性质：设计性计划学时：4实验环境：实验日期：2015年10月14日一、实验目的1、理解并掌握数据链路层协议的功能。

2、进一步理解停止等待协议和滑动窗口协议的基本工作原理。

3、掌握计算机网络协议的基本实现技术。

4、利用RS 232C通信接口实现两台PC间传输文件。

二、实验内容与要求1、设计完成数据链路层相关类；2、开发一个使用RS232C接口在两台计算机之间采用停止等待协议传输信息（文件）的程序；3、开发一个使用RS232C接口在两台计算机之间采用滑动窗口协议传输文件的程序。

完成实验内容中的第1、2部分，有能力的同学完成全部内容。

三、实验（设计）仪器设备和材料清单计算机两台，串行电缆一根。

四．相关知识1 数据路层概述数据链路层协议应提供的基本功能有：(1) 数据在数据链路上的正常传输（建立、维护和释放）。

(2) 帧定界与同步，以实现透明传输。

(3) 差错控制和流量控制。

(4) 透明传输。

2 数据成帧方法在数据链路层，为实现透明传输及进行差错控制和流量控制，在把数据送到物理层之前，需将若干个数据组成一帧，并在其中加上其他必要的控制信息。

控制信息形成（数据成帧）的方法有以下几种：字符计数法、带字符填充的首尾界符法、带填充位的首尾标志法、物理层编码违例法。

3 差错控制与流量控制为确保帧可靠地交付接收方，接收方在收到帧后，应向发送方应答，告知是否正确收到帧，因此在数据链路层要建立差错控制机制：差错控制方法、CRC循环冗余校验、流量控制。

4 数据链路层协议（1）停止等待协议停止等待协议的基本原理是：发送方在数据帧中加入校验码（CRC），由接收方检查；若出错，返回NAK帧（否认帧），否则发送ACK帧（确认帧）；发送方收到NAK帧后重发数据帧，若收到ACK帧可发送下一帧。

当超时计时事件发生时，重发丢失的帧，这样可通过等待发送来实现流量控制，如图3-2所示。

停止等待协议发送方的算法如下：(1) 从主机取一个数据帧。

(2) V(s) <--0，发送方状态变量初始化。

(3) N(s)<-- V(s)(置发送序号)，将数据帧送发送缓冲区。

(4) 将发送缓冲的数据发送。

(5) 置超时定时器。

(6) 等待（下列三种情况）。

(7) 收到回答ACK ，从主机取一个新数据帧，V(s) <--[1-V(s)]，转(3)。

图3-2停止等待协议工作原理示意图(8) 收到回答NAK ，转(4)。

(9) 超时，转(4)。

接收方的算法如下：(1) V(r) <--0, 接收方状态变量初始化。

(2) 等待。

(3) 收到一个数据帧后，测试正确继续；否则传输出错，转(8)。

(4) 如果接收到的帧序号等于期待的帧序号( N(s) = V(r)) ，继续；否则丢弃该数据，转(7)。

(5) 将接收帧的数据部分上交主机。

(6) V(r) <--[1- V(r)]。

(7) 向发方发ACK ,转(2)。

(8) 向发方发NAK ,转(2)。

停止等待协议的算法流程如图3-3所示，其中V(s) 和V(r)分别是发送方和接收方维护的状态变量，N(s)是发送序号。

图3-3停止等待协议的算法停止等待协议算法简单，只适合传送少量的大的帧的情况。

但大的数据块要分成许多帧传送，此时停止等待协议不适用，原因是本协议只允许同时只有一帧在链路上传送，链路利用率低。

（2）连续重传ARQ协议为了提高信道利用率，发送方发完一帧后，不必停下来等待对方的应答，可以连续发送若干帧；如果在发送过程中收到接收方的肯定应答，可以继续发送；若收到对其中某一帧的否认帧，则从该帧开始的后续帧全部重发，如图3-4。

由于减少了等待时间，整个通信的吞吐量就提高了，提高了信道利用率。

但回退重传（Go-back-N）会导致某些已正确接收的帧的重传，因此降低了发送效率。

当误码率较低时，连续重传ARQ优于停止等待协议；反之则不一定。

图3-4连续重传ARQ协议工作原理示意图（3）滑动窗口协议（Sliding Window Protocol）在使用连续重传ARQ协议时，如果发送端一直没有收到对方的确认信息，那么实际上发送端并不能无限制地发送其数据帧。

这是因为：(1) 当未被确认的数据帧的数目太多时，只要有一帧出了差错，就可能要有很多的数据帧需要重传，这必然要白白花费较多的时间，因而增大开销。

(2) 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开销。

连续ARQ协议中，每一个要发出的帧都包含一个序列号，范围从0到最大（0 ~ 2n– 1，一般用n个二进制位表示），使得序列号能恰好放入n位的字段中，n同时表示缓存器的大小。

滑动窗口协议的工作原理如下：(1) 任何时刻，发送端始终保持一个已发送但尚未确认的帧的序号表，称为发送窗口。

发送窗口的上界表示要发送的下一个帧的序号，下界表示未得到确认的帧的最小编号。

发送窗口= 上界－下界，大小可变；窗口内的序列号代表已发送了的但尚未确认的帧。

(2) 发送端每发送一个帧，序号取上界值，上界加1；每接收到一个正确响应帧，下界加1；(3) 接收端有一个接收窗口，大小固定，但不一定与发送窗口相同。

接收窗口的上界表示允许接收的序号最大的帧，下界表示希望接收的帧；(4) 接收窗口表示允许接收的信息帧，落在窗口外的帧均被丢弃。

序号等于下界的帧被正确接收，并产生一个响应帧，下界加1。

接收窗口大小不变。

正因为收发两端的窗口按照以上的规律不断地向前滑动，因此这种协议又称为滑动窗口协议。

当发送窗口和接收窗口的大小都等于1时，就是最初讨论的停止等待协议。

下图3-5为滑动窗口的原理，它采用三位编码，顺序号为0-7，图中方框内表示发送方可以发送7帧，序号从6开始，每发送一帧，窗口左边界向里收缩，每收到一个确认，窗口向右滑动。

接收方每一帧，窗口左边向右收缩，每发送相应后窗口向右扩展。

图3-5滑动窗口协议中的发送窗口和接收窗口假设窗口为7帧，最上面的A发送7帧，但发送后3帧未收到确认，于是A把窗口收缩到4帧F3-F7。

但此时B发送确认RR3表明已经收到0-2帧，并准备接收3-7帧。

A 收到确认RR3，窗口向外滑动3帧，表示A可以从F3开始发送7帧。

接着发送F3-F6。

若B返回确认RR4，表示已经接收这些帧，并允许A发送F7开始的7帧。

图3-6滑动窗口协议工作原理示意图。

AB图3-6滑动窗口协议工作原理示意图可以证明，当用n个比特进行编号时，若发送窗口的大小为W T，接收窗口的大小为W R，则只有W T≤2n-1 和W T+W R≤2n成立时，滑动窗口协议才能正常工作。

（4）选择重传ARQ协议为了进一步提高信道的利用率，可设法只重传出现差错的数据帧或者是定时器超时的数据帧。

但这时必须加大接收窗口，以便先收下发送序号不连续但仍处在接收窗口中的那些数据帧，等到所缺序号的数据帧收到后再一并送交主机。

这就是选择重传ARQ协议。

使用选择重传ARQ协议可以避免重复传送那些本来已经正确到达接收端的数据帧。

但付出的代价是在接收端要设置具有相当容量的缓存空间，这在许多情况下是不够经济的。

因此选择重传ARQ协议在目前就远没有连续重传ARQ协议使用得那么广泛。

5 面向比特的链路控制规程HDLC高级数据链路控制HDLC(High-level Data Link Control)是在IBM公司著名的体系结构SNA上的数据链路层的面向比特的规程SDLC(Synchronous Data Link Control)基础上发展起来的，由ISO把SDLC修改后称为国际标准ISO 3309。

从网络层交下来的分组，变成为数据链路层的数据。

数据链路层的数据传送是以帧为单位的。

也就是说，数据链路层的PDU是帧。

帧是一个具有固定的格式数据块。

一个HDLC 帧由标志、地址、控制、信息及帧校验等5个字段组成。

如图3-7所示。

HDLC有三种帧类型，由控制字段加以区分。

HDLC帧中各字段的作用及含义如下：标志F 地址A 控制C 信息Infor 帧校验序列FCS标志F帧校验区间透明传输区间图3-7HDLC帧结构(1) 标志字段F(Flag)帧的边界，标识一个帧的开始与结束；当连续传输两个帧时，前一个帧的结束标志字段F可以兼作后一帧的起始标志字段。

其内容为：01111110。

在两个标志字段之间的比特串中，如果碰巧出现了和标志字段F一样的比特组合，那么就会误认为是帧的边界。

为了避免出现这种错误，HDLC采用零比特填充法使一帧中两个F字段之间不会出现6个连续1。

(2) 地址字段A(Address)基本单位为8比特，需要时可以8比特为单位扩展。

这时用地址字段的第1位表示扩展位，其余7位为地址位。

当某个地址字段的第1位为0时，则表示下一个地址字段的后7位也是地址位。

当这个地址字段的第1位为1时，即表示这已是最后一个地址字段了。

(3) 控制字段C(Control)控制字段占8比特，其定义如图3-8所示。

HDLC用其将帧划分为信息帧(Information)、监督帧(Supervisory)和无编号帧(Unnumbered)等三大类。

它们的简称分别是I帧，S帧和U 帧。

图3-8控制字段(4) 信息字段I(Information)信息字段可以任意长，只有信息帧才有该字段。

(5) 帧校验序列FCS(Frame Check Sequence)字段本字段共占16bit，校验的范围是从地址字段的第1个比特起，到信息字段的最末1个比特为止。

它采用的生成多项式是x16十x12+x5十1，即CRC—CCITT。

HDLC的通信过程要经过建立数据链路、数据传输、数据链路拆除三个阶段。

五、结果分析(可根据需要附加页)六、主要源代码using System;using System.Collections.Generic;using ponentModel;using System.Data;using System.Drawing;using System.Text;using System.Windows.Forms;using System.Threading;using System.Runtime.InteropServices;using NetProject;namespace DataLink_Exp{public partial class MainForm : Form{static MainForm mHANDLE=null; //主窗体名柄，在线程中访问static Thread Mon_Thread=null; //监视线程private ChildForm sendForm = null; //发送子窗口对象private ChildForm rcvForm = null; //接收子窗口对象static Physical PHL = null; //物理层实体static DataLink DLL = null; //数据链路层实体delegate void SetTextCallback(byte[] buffer);public MainForm(){InitializeComponent();mHANDLE = this;}private void MainForm_Load(object sender, EventArgs e){//初始化，创建子窗体，启动监视线程sendForm = new ChildForm();sendForm.MdiParent = this;sendForm.Text = "发送窗口";//this.MdiChildren.Length.ToString(); = "SendWindow";sendForm.Show();rcvForm = new ChildForm();rcvForm.MdiParent = this;rcvForm.Text = "接收窗口"; = "ReceiveWindow";rcvForm.rtxBox.ReadOnly = true;rcvForm.Show();youtMdi(System.Windows.Forms.MdiLayout.TileVertical);//其他排列方法：Cascade、TileHorizontalPHL = new Physical("COM3");DLL = new DataLink(); //创建数据链路层对象DLL.setPHL(PHL); //连接物理层sendForm.Enabled = false; //发送窗口禁止编辑//创建并启动监视线程Mon_Thread = new Thread(newThreadStart(this.MonitorThread));Mon_Thread.Start();}private void disconnect_Click(object sender, EventArgs e){ //关闭串行口PHL.Close();connect.Enabled = true;sendForm.Enabled = false;}private void connect_Click(object sender, EventArgs e){ //打开串行口// port = new SerialPort("COM1", 9600, Parity.None, 8, StopBits.One);PHL.Open();sendForm.Enabled = true;connect.Enabled = false;disconnect.Enabled = true;}private void Receive(byte [] buffer) //接收数据并显示{ //写实际接收代码if (this.rcvForm.rtxBox.InvokeRequired) {SetTextCallback d = new SetTextCallback(Receive);this.Invoke(d, new object[] {buffer });}else {string Msg = Encoding.Unicode.GetString(buffer, 0, buffer.Length); //编码格式转换this.rcvForm.rtxBox.Text += Msg;//收到的信息显示} }public static void Send(string Msg){ //发送子窗体高层向低层发送数据(使用<Ctrl>+<T>) byte[] buffer = Encoding.Unicode.GetBytes(Msg); //发送前进行编码格式转换DLL.Send(buffer);// PHL.Send(buf); //数据送物理层SAP下行队列，发送数据（物理层实验用）}//监视线程函数，运行协议处理方法，接收传输给当前应用的数据。