第5章_数据链路层协议及局域网技术
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第5章 数据链路层协议及 局域网技术
袁津生 主编
主要内容
5.1 数据链路层的基本概念 5.2差错控制及数据链路层协议 5.3 局域网技术 5.4 无线局域网
主要内容
数据链路层是OSI参考模型的第二层，介于物理层和网络 层之间。它的基本功能是将物理层提供的不可靠的物理链 路变为逻辑上无差错的数据链路，向网络层提供一条透明 的数据链路。
用10的负多少次方表示，例如：在传送10000比特 数据中出现1位差错，也就是误码率为万分之一， 可写成10-4。计算机之间的数据传输则要求误码率 低于10-6。
检错码与纠错码
在采用检错码方案中，为每个分组加上一定的冗余信息，以便接收方 能发现差错，但是不能确定哪个或哪些比特出错，并且自己不能纠正 传输差错。
常用的检错码主要有奇校偶验码和循环冗余码。奇偶校验码是一种最 常见的检错码，它分垂直奇偶校验、水平奇偶校验与水平垂直奇偶校 验（即方阵码）。
奇偶校验的原理是在7单位的ASCII码后增加一位，使码中“l”的个数 成奇数（奇校验）或偶数（偶校验）。经过传输后，如果其中一位出 错，则接收端按同样的规则就能发现错误。这种方法简单实用，但只 能对付少量的随机性错误。
混合纠错的方式是：少量纠错在接收端自动纠正，差错较严重，超出 自行纠正能力时，就向发送端发出询问信号，要求重发。
4．流量控制
当发送方在一个相对速度较快或负载较轻的机器上运行， 而接收方却在一个相对速度较慢或负载较重的机器上运行 时，就会出现发送方向接收方发送的信息，接收方来不及 接收的现象。这样会造成信息丢失而出错。
8．透明传输 所谓透明传输是指可以让任何比特组合的数据可以在数据链路上进行有效传输
。这就需要在所传的比特组合中区分出数据和控制信息，并采取相应的技术措 施，使接收方不会将这样的数据误认为是某种控制信息。
5.2差错控制及数据链路层协议
差错产生的原因及类型
所谓差错是数据通过信道后接收的数据与发送的数据不一 致。数据在传输中所产生的差错都是由热噪声引起的。热 噪声是影响数据在通信媒体中正常传输的重要因素。
数据链路层的作用是通过物理层建立起来的链路，将具有 一定意义和结构的信息正确地在实体之间进行传递，并为 网络层提供有效的服务；或者说，通过一些数据链路层协 议，在不太可靠的物理链路上实现可靠的数据传输。
网络层的功能
数据链路层最重要的作用就是：通过一些数据链路层协议 ，在不太可靠的物理链路上实现可靠的数据传输。
错误的纠正方法有两种：一种方法是当通过检验码发现有错误时，接 收方要求数据的发送方重新发送整个数据单元；另一种方法是采用错 误纠正码进行数据传输，自动纠正发生的错误。
误码率
误码率是指二进制比特序列在数据传输系统中被 传错的概率，用公式表示为：
Pe=错误接收的比特数/二进制比特总数 误码率是最常用的数据通信传输质量指标。通常
热噪声分为随机热噪声和冲击热噪声。随机热噪声是通信 信道上固有的、持续存在的热噪声。这种热噪声具有不固 定性。冲击热噪声是由外界某种原因突发产生的热噪声。 冲击热噪声幅度较大，是引起传输差错的主要原因。
由热噪声引起的差错是随机差错，冲击噪声引起的差错是 突发差错。在通信过程中产生的传输差错，是由随机差错 与突发差错共同构成的。差错控制就是检查是否出现差错 以及如何纠正差错。
在采用纠错码方案中，为每个分组加上足够多的冗余信息，以便接收 方能发现并主动纠正传输差错。
循环冗余码CRC
CRC码检错是将被处理报文的比特序列当作一个二
进制多项式f(x)的系数，该系数除以发送方和接收 方预先约定好的生成多项式G(x)后，将求得的余 数R(x)作为CRC校验码附加到原始的报文上，并一
HDLC通信方式
HDLC通信方式中的站，分为3种类型：主站、从 站和复合站。主站负责链路控制的操作，主站发 出的帧称为命令帧。从站受控于主站，它按主站 的命令进行操作，它发出的帧称为响应帧。
命令
主站
命令
响应
响应
从站
从站
从站
复合站
命令和响应 命令和响应
复合站
非平衡方式
平衡方式
HDLC帧结构
标志字段F 地址字段Ａ 控制字段C
控制字段结构
标志字段F 地址字段Ａ 控制字段C
信息字段I
帧校验字段FCS 标志字段F
（8位） （8/16位） （8位） （长度可变）
（16位）
（8位）
1
信息帧
0
监控帧
1
无序号帧
1
2
3
4
5
6
7
8
N（S）
P/F
N（R）
0
监控
P/F
N（R）
1
未分配
P/F
未分配
信息字段I用于传送用户数据，它可以包含任意长度的信息。
1．为网络层提供服务
（l）无确认的无连接服务 （2）有确认的无连接服务 （3）有确认的面向连接的服务
2．帧同步
（1）字wenku.baidu.com计数法 （2）字符填充法 （3）比特填充法 （4）编码违例法
3．差错控制
差错控制就是在数据通信中利用编码方法对传输中产生的差错进行控 制，以提高数据传输的准确性。
；余数至少要比除数少1个比特。至于多项式的选定应参 照国际标准。
③将发送数据比特序列乘以25，那么产生的乘积应为 101000110100000；
④将乘积用生成多项式比特序列去除，按模二算法。 用模2运算进行加法时不进位，减法和加法是一样的。例
如，1111+1010=0101。求得余数比特序列为01110，
帧校验字段FCS占16位，它采用生成多项式为：x16+x12+x5+1的循 环冗余校验。
5.3 局域网技术
局域网概述
在较小地理范围内，利用通信线路把若干个数据设备连接 起来，实现彼此之间的数据传输和资源共享的系统称为局 域网LAN。
局域网的主要特点如下： （1）网络覆盖的地理范围比较小，通常不超过十公里。 （2）信息的传输速率高。 （3）延迟和误码率较小，误码率一般在10-8～10-10之间。 （4）传输介质较多。
为达到这一目的，数据链路层必须具备一系列相应的功能 ，主要有：
如何将数据组合成数据块（在数据链路层中将这种数据块 称为帧，帧是数据链路层的传送单位）；
如何控制帧在物理信道上的传输，包括如何处理传输差错 ，如何调节发送速率以使之与接收方相匹配；
在两个网络实体之间提供数据链路通路的建立、维持和释 放管理。
反馈纠错是在发送端采用某种能发现传输差错的简单方法，在接收端 根据编码规则将收到的编码进行检查，一量检测出有错码时，即向发 送端发出询问的信号，要求重发。
前向纠错是在发送端采用某种能纠正传输差错的编码方法，在接收端 根据编码规则将收到的编码进行检查，不仅能发现错码，还能够纠正 错码。采用前向纠错方式时，不需要反馈信道，也不需要重发，有利 于实时传输，但是纠错设备比较复杂。
CRC运算过程
1101010110
1101010110
110101 101000110100000
110101 101000110101110
110101
110101
111011
111011
110101
110101
111010
111010
110101
110101
111110
111110
110101
数据的发送与接收必须遵循一定的传送速率规则，可以使 得接收方能及时地接收发送方发送的数据。并且当接收方 来不及接收时，就必须及时控制发送方数据的发送速率， 使两方面的速率基本匹配。
流量控制实际上就是限制发送方的数据流量，使其发送的 速率不要超过接收方的处理速度。
网络层的功能
5．链路管理 数据链路层的“链路管理”功能包括数据链路的建立、维持和释放三个主要方
本章着重讨论数据链路层的基本概念、差错控制技术、局 域网技术以及无线局域网技术。
5.1 数据链路层的基本概念
数据链路层的概念
数据链路层位于OSI参考模型的第二层，向下与物理层相 接，向上与网络层相接。设立数据链路层的目的是将一条 原始的、有差错的物理线路变为对网络层无差错的数据链 路。为了实现这个目的，数据链路层必须执行链路管理、 帧传输、流量控制和差错控制等任务。
起发给接收方。
接收方用同样的G(x)去除收到的报文f’(x)，如果余 数等于R(x)，则传输无误（此时f(x)和f’(x)相同）
；否则传输过程中出错，由发送端重发，重新开 始CRC校验，直到无误为止。
CRC校验码举例
①发送数据比特序列为1010001101； ②事先选定的多项式比特序列为 110101（6比特， k=5）
差错控制
如果在通信信道传输比特流的过程中产生差错，能够自动检测出错误 并进行纠正。这种方法称为差错差错控制。
差错控制的主要目的减少通信信道的传输错误。 差错控制一般分为检错法和纠错法。检错法是指在传输中仅仅发送足
以使接收端检测出差错的附加位，接收端检测到一个错误帧就要求重 新发送数据。纠错法是指在传输中发送足够的附加位，使接收端能以 很高的概率检测并纠正大多数差错。
110101
101100
101111
110101
110101
110010
110101
110101 01110 余数
110101 00 余数
差错控制机制
自动反馈重发（automatic request for repeat， ARQ）纠错是指收发双方在发现帧传输错误时， 采用反馈和重发的方法来纠正错误。接收方通过 检错码检查接收数据是否出错，如果发现传输误 就采用自动反馈重发方法。
面。
6．MAC寻址 此处所寻找的地址是计算机网卡的MAC地址，也称物理地址或硬件地址，而不
是IP地址。在以太网中，采用MAC地址进行寻址，MAC地址被烧入每个以太网 网卡中。
7．区分数据与控制信息 由于数据和控制信息都是在同一信道中传输，在许多情况下，数据和控制信息
处于同一帧中，因此一定要有相应的措施使接收方能够将它们区分开来，以便 向上层传送真正需要的数据信息。
信息字段I
帧校验字段FCS 标志字段F
（8位） （8/16位） （8位） （长度可变）
（16位）
（8位）
标志字段F（Flag）。每帧的第1个字段和最后一个字段为 标志字段。F字段为特定的比特序列“01111110”。
地址字段A（Address）。它也是8位的，在使用非平衡方 式传送数据时，地址字段总是写入从站的地址；在使用平 衡方式传送数据时，地址字段填入的是应答站的地址。
CRC校验码举例
⑤将余数比特序列加到乘积中得：
101000110100000+01110=101000110101110 如果在数据传输过程中没有发生传输错误，那么
接收端接收到的带有CRC校验码的接收数据比特序 列一定能被相同的生成多项式整除。 即：101000110101110÷110101=1101010110， 余数为0。
反馈重发纠错实现方法有两种：一种是停止等待 方式，另一种为连续工作方式。
数据链路层协议
数据链路层协议基本可以分为两类：面向字符型 与面向比特型。
面向字符型协议可以利用ASCII码中的10个控制字 符（例如，报头开始SOH、肯定应答ACK、同步字 符SYN等）实现通信控制功能，典型的面向字符型 数据链路层协议是二进制同步通信BSC（Binary Synchronous Communication）协议。
面向字符的型协议使用ASCII字符集，控制信息含 于数据流中。
面向比特的数据链路协议
HDLC是面向比特的数据链路控制协议的典型代表 ，该协议不依赖于任何一种字符编码集，数据报 文可透明传输，用于实现透明传输的“0比特插入 法”易于硬件实现。HDLC可实现全双工通信，有 较高的数据链路传输效率，所有帧采用CRC检验， 对信息帧进行顺序编号，可防止漏收或重份，传 输可靠性高。另外，HDLC的传输控制功能与处理 功能分离，具有较大灵活性。
局域网将数据链路层划分为两个子层：逻辑链接控制LLC （Logical Link Control）和介质访问控制MAC（Media Access Control）。LLC层实现数据链路层与硬件无关的功 能 ， MAC 层 提 供 LLC 和 物 理 层 之 间 的 接 口 。 不 同 局 域 网 MAC层不同，LLC层相同。
袁津生 主编
主要内容
5.1 数据链路层的基本概念 5.2差错控制及数据链路层协议 5.3 局域网技术 5.4 无线局域网
主要内容
数据链路层是OSI参考模型的第二层，介于物理层和网络 层之间。它的基本功能是将物理层提供的不可靠的物理链 路变为逻辑上无差错的数据链路，向网络层提供一条透明 的数据链路。
用10的负多少次方表示，例如：在传送10000比特 数据中出现1位差错，也就是误码率为万分之一， 可写成10-4。计算机之间的数据传输则要求误码率 低于10-6。
检错码与纠错码
在采用检错码方案中，为每个分组加上一定的冗余信息，以便接收方 能发现差错，但是不能确定哪个或哪些比特出错，并且自己不能纠正 传输差错。
常用的检错码主要有奇校偶验码和循环冗余码。奇偶校验码是一种最 常见的检错码，它分垂直奇偶校验、水平奇偶校验与水平垂直奇偶校 验（即方阵码）。
奇偶校验的原理是在7单位的ASCII码后增加一位，使码中“l”的个数 成奇数（奇校验）或偶数（偶校验）。经过传输后，如果其中一位出 错，则接收端按同样的规则就能发现错误。这种方法简单实用，但只 能对付少量的随机性错误。
混合纠错的方式是：少量纠错在接收端自动纠正，差错较严重，超出 自行纠正能力时，就向发送端发出询问信号，要求重发。
4．流量控制
当发送方在一个相对速度较快或负载较轻的机器上运行， 而接收方却在一个相对速度较慢或负载较重的机器上运行 时，就会出现发送方向接收方发送的信息，接收方来不及 接收的现象。这样会造成信息丢失而出错。
8．透明传输 所谓透明传输是指可以让任何比特组合的数据可以在数据链路上进行有效传输
。这就需要在所传的比特组合中区分出数据和控制信息，并采取相应的技术措 施，使接收方不会将这样的数据误认为是某种控制信息。
5.2差错控制及数据链路层协议
差错产生的原因及类型
所谓差错是数据通过信道后接收的数据与发送的数据不一 致。数据在传输中所产生的差错都是由热噪声引起的。热 噪声是影响数据在通信媒体中正常传输的重要因素。
数据链路层的作用是通过物理层建立起来的链路，将具有 一定意义和结构的信息正确地在实体之间进行传递，并为 网络层提供有效的服务；或者说，通过一些数据链路层协 议，在不太可靠的物理链路上实现可靠的数据传输。
网络层的功能
数据链路层最重要的作用就是：通过一些数据链路层协议 ，在不太可靠的物理链路上实现可靠的数据传输。
错误的纠正方法有两种：一种方法是当通过检验码发现有错误时，接 收方要求数据的发送方重新发送整个数据单元；另一种方法是采用错 误纠正码进行数据传输，自动纠正发生的错误。
误码率
误码率是指二进制比特序列在数据传输系统中被 传错的概率，用公式表示为：
Pe=错误接收的比特数/二进制比特总数 误码率是最常用的数据通信传输质量指标。通常
热噪声分为随机热噪声和冲击热噪声。随机热噪声是通信 信道上固有的、持续存在的热噪声。这种热噪声具有不固 定性。冲击热噪声是由外界某种原因突发产生的热噪声。 冲击热噪声幅度较大，是引起传输差错的主要原因。
由热噪声引起的差错是随机差错，冲击噪声引起的差错是 突发差错。在通信过程中产生的传输差错，是由随机差错 与突发差错共同构成的。差错控制就是检查是否出现差错 以及如何纠正差错。
在采用纠错码方案中，为每个分组加上足够多的冗余信息，以便接收 方能发现并主动纠正传输差错。
循环冗余码CRC
CRC码检错是将被处理报文的比特序列当作一个二
进制多项式f(x)的系数，该系数除以发送方和接收 方预先约定好的生成多项式G(x)后，将求得的余 数R(x)作为CRC校验码附加到原始的报文上，并一
HDLC通信方式
HDLC通信方式中的站，分为3种类型：主站、从 站和复合站。主站负责链路控制的操作，主站发 出的帧称为命令帧。从站受控于主站，它按主站 的命令进行操作，它发出的帧称为响应帧。
命令
主站
命令
响应
响应
从站
从站
从站
复合站
命令和响应 命令和响应
复合站
非平衡方式
平衡方式
HDLC帧结构
标志字段F 地址字段Ａ 控制字段C
控制字段结构
标志字段F 地址字段Ａ 控制字段C
信息字段I
帧校验字段FCS 标志字段F
（8位） （8/16位） （8位） （长度可变）
（16位）
（8位）
1
信息帧
0
监控帧
1
无序号帧
1
2
3
4
5
6
7
8
N（S）
P/F
N（R）
0
监控
P/F
N（R）
1
未分配
P/F
未分配
信息字段I用于传送用户数据，它可以包含任意长度的信息。
1．为网络层提供服务
（l）无确认的无连接服务 （2）有确认的无连接服务 （3）有确认的面向连接的服务
2．帧同步
（1）字wenku.baidu.com计数法 （2）字符填充法 （3）比特填充法 （4）编码违例法
3．差错控制
差错控制就是在数据通信中利用编码方法对传输中产生的差错进行控 制，以提高数据传输的准确性。
；余数至少要比除数少1个比特。至于多项式的选定应参 照国际标准。
③将发送数据比特序列乘以25，那么产生的乘积应为 101000110100000；
④将乘积用生成多项式比特序列去除，按模二算法。 用模2运算进行加法时不进位，减法和加法是一样的。例
如，1111+1010=0101。求得余数比特序列为01110，
帧校验字段FCS占16位，它采用生成多项式为：x16+x12+x5+1的循 环冗余校验。
5.3 局域网技术
局域网概述
在较小地理范围内，利用通信线路把若干个数据设备连接 起来，实现彼此之间的数据传输和资源共享的系统称为局 域网LAN。
局域网的主要特点如下： （1）网络覆盖的地理范围比较小，通常不超过十公里。 （2）信息的传输速率高。 （3）延迟和误码率较小，误码率一般在10-8～10-10之间。 （4）传输介质较多。
为达到这一目的，数据链路层必须具备一系列相应的功能 ，主要有：
如何将数据组合成数据块（在数据链路层中将这种数据块 称为帧，帧是数据链路层的传送单位）；
如何控制帧在物理信道上的传输，包括如何处理传输差错 ，如何调节发送速率以使之与接收方相匹配；
在两个网络实体之间提供数据链路通路的建立、维持和释 放管理。
反馈纠错是在发送端采用某种能发现传输差错的简单方法，在接收端 根据编码规则将收到的编码进行检查，一量检测出有错码时，即向发 送端发出询问的信号，要求重发。
前向纠错是在发送端采用某种能纠正传输差错的编码方法，在接收端 根据编码规则将收到的编码进行检查，不仅能发现错码，还能够纠正 错码。采用前向纠错方式时，不需要反馈信道，也不需要重发，有利 于实时传输，但是纠错设备比较复杂。
CRC运算过程
1101010110
1101010110
110101 101000110100000
110101 101000110101110
110101
110101
111011
111011
110101
110101
111010
111010
110101
110101
111110
111110
110101
数据的发送与接收必须遵循一定的传送速率规则，可以使 得接收方能及时地接收发送方发送的数据。并且当接收方 来不及接收时，就必须及时控制发送方数据的发送速率， 使两方面的速率基本匹配。
流量控制实际上就是限制发送方的数据流量，使其发送的 速率不要超过接收方的处理速度。
网络层的功能
5．链路管理 数据链路层的“链路管理”功能包括数据链路的建立、维持和释放三个主要方
本章着重讨论数据链路层的基本概念、差错控制技术、局 域网技术以及无线局域网技术。
5.1 数据链路层的基本概念
数据链路层的概念
数据链路层位于OSI参考模型的第二层，向下与物理层相 接，向上与网络层相接。设立数据链路层的目的是将一条 原始的、有差错的物理线路变为对网络层无差错的数据链 路。为了实现这个目的，数据链路层必须执行链路管理、 帧传输、流量控制和差错控制等任务。
起发给接收方。
接收方用同样的G(x)去除收到的报文f’(x)，如果余 数等于R(x)，则传输无误（此时f(x)和f’(x)相同）
；否则传输过程中出错，由发送端重发，重新开 始CRC校验，直到无误为止。
CRC校验码举例
①发送数据比特序列为1010001101； ②事先选定的多项式比特序列为 110101（6比特， k=5）
差错控制
如果在通信信道传输比特流的过程中产生差错，能够自动检测出错误 并进行纠正。这种方法称为差错差错控制。
差错控制的主要目的减少通信信道的传输错误。 差错控制一般分为检错法和纠错法。检错法是指在传输中仅仅发送足
以使接收端检测出差错的附加位，接收端检测到一个错误帧就要求重 新发送数据。纠错法是指在传输中发送足够的附加位，使接收端能以 很高的概率检测并纠正大多数差错。
110101
101100
101111
110101
110101
110010
110101
110101 01110 余数
110101 00 余数
差错控制机制
自动反馈重发（automatic request for repeat， ARQ）纠错是指收发双方在发现帧传输错误时， 采用反馈和重发的方法来纠正错误。接收方通过 检错码检查接收数据是否出错，如果发现传输误 就采用自动反馈重发方法。
面。
6．MAC寻址 此处所寻找的地址是计算机网卡的MAC地址，也称物理地址或硬件地址，而不
是IP地址。在以太网中，采用MAC地址进行寻址，MAC地址被烧入每个以太网 网卡中。
7．区分数据与控制信息 由于数据和控制信息都是在同一信道中传输，在许多情况下，数据和控制信息
处于同一帧中，因此一定要有相应的措施使接收方能够将它们区分开来，以便 向上层传送真正需要的数据信息。
信息字段I
帧校验字段FCS 标志字段F
（8位） （8/16位） （8位） （长度可变）
（16位）
（8位）
标志字段F（Flag）。每帧的第1个字段和最后一个字段为 标志字段。F字段为特定的比特序列“01111110”。
地址字段A（Address）。它也是8位的，在使用非平衡方 式传送数据时，地址字段总是写入从站的地址；在使用平 衡方式传送数据时，地址字段填入的是应答站的地址。
CRC校验码举例
⑤将余数比特序列加到乘积中得：
101000110100000+01110=101000110101110 如果在数据传输过程中没有发生传输错误，那么
接收端接收到的带有CRC校验码的接收数据比特序 列一定能被相同的生成多项式整除。 即：101000110101110÷110101=1101010110， 余数为0。
反馈重发纠错实现方法有两种：一种是停止等待 方式，另一种为连续工作方式。
数据链路层协议
数据链路层协议基本可以分为两类：面向字符型 与面向比特型。
面向字符型协议可以利用ASCII码中的10个控制字 符（例如，报头开始SOH、肯定应答ACK、同步字 符SYN等）实现通信控制功能，典型的面向字符型 数据链路层协议是二进制同步通信BSC（Binary Synchronous Communication）协议。
面向字符的型协议使用ASCII字符集，控制信息含 于数据流中。
面向比特的数据链路协议
HDLC是面向比特的数据链路控制协议的典型代表 ，该协议不依赖于任何一种字符编码集，数据报 文可透明传输，用于实现透明传输的“0比特插入 法”易于硬件实现。HDLC可实现全双工通信，有 较高的数据链路传输效率，所有帧采用CRC检验， 对信息帧进行顺序编号，可防止漏收或重份，传 输可靠性高。另外，HDLC的传输控制功能与处理 功能分离，具有较大灵活性。
局域网将数据链路层划分为两个子层：逻辑链接控制LLC （Logical Link Control）和介质访问控制MAC（Media Access Control）。LLC层实现数据链路层与硬件无关的功 能 ， MAC 层 提 供 LLC 和 物 理 层 之 间 的 接 口 。 不 同 局 域 网 MAC层不同，LLC层相同。