第4章 数据链路控制

第4章 数据链路控制
4.3.1 停止等待式ARQ协议
• 采用单工或半双工通信方式的停止等待 式(Stop and Wait)ARQ（Automation Repeat Request）协议是一种基本的数 据链路协议，其核心思想是，发送端每 发送一帧数据信息后，必须停下来等待 接收端返回了确认信息后才能继续操作 下去。
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图4-1 链路与数据链路
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2.数据链路层存在的必要性 • 数据链路层旨在实现网络上两个相邻结 点之间的无差错传输。它利用了物理层 提供的原始比特流传输服务，检测并校 正物理层的传输差错，在相邻结点之间 构成一条无差错的链路，从而向网络层 提供可靠的数据传输服务。
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本章目标:
• 了解数据链路层服务原理: 4.1 数据链路层 – 成帧的各种方法 4.2 帧与成帧 4.3 自动重传请求协议 – 如何进行链路控制 4.4 高级数据链路控制协议HDLC 错误检测, 校正 4.5 SLIP和PPP 协议 共享广播信道 4.6 数据链路层的设备与组件 链路层编址 本章小结 可靠数据传输, 流量控制:
各类链路层技术的实现 和实例
主要内容:
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4.1 数据链路层
数据链路层: 工作环境
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1．链路和数据链路
把沿着通信路径连接相邻结点的通信信道称为链路 （Link）。物理链路是指一条无源的点到点的物理线路段， 中间没有任何其他交换结点。 数据链路又称为逻辑链路， 是指从发送结点到接收结点之间用于数据传输的一条逻辑 通路。这条逻辑通路，除了必须有一条物理链路之外，还 必须有一些必要的通信协议来控制数据的传输。由此可见， 当需要在一条线路上传输数据时，不但必须有一条物理线 路，而且还必须把实现控制数据传输的协议软件加到链路 上，才能构成数据链路，如图4-1所示。
数据链路协议
物理链路
接口卡
network link physical
Hl Hn Ht M frame
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3.数据链路层的主要功能
• 数据链路层的主要功能是在物理层提供物理连接和透明传输比特 流服务的基础上，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。这样可 以将物理层的数据无差错地传给网络层。图4-2表明了数据链路层 与网络层及物理层之间的关系。
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• 为了实现数据链路层诸如差错控制、物理 寻址和流量控制等一系列功能，数据链路 层必须要使自己所看到的数据是有意义的， 其中除了要传送的用户数据外，还要提供 关于寻址、差错控制和流量控制所必需的 信息，而不再是物理层所谓的原始比特流。 为此，数据链路层采用了称为帧(Frame)的 协议数据单元作为数据链路层的数据传送 逻辑单元。不同的数据链路层协议的核心 任务就是根据所要实现的数据链路层功能 来规定帧的格式。
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4.3.2 后退N帧式ARQ协议
• 为提高停止等待式ARQ协议的效率，可以允许发送端发送 完一数据帧后，不必停下来等待对方的应答，而是可以按 照帧编号的顺序连续发送若干帧。如果在发送过程中，收 到接收端发送来的确认帧，可以继续发送，因而这种控制 方式也称为连续ARQ协议。若收到对其中某一帧的否认帧 或者当发送端发送了N个帧后，发现该N帧的前一个帧在 计时器超时后仍未返回其确认信息，则该帧被判为出错或 丢失，此时发送端就不得不重新发送出错帧及其后的N帧。 这种方法称为后退N帧式ARQ，也是后退N(Go Back N)帧 名称的由来。因为对接收端来说，由于这一帧出错，就不 能以正常的序号向它的高层递交数据，对其后发送来的N 帧也不能接收而必须丢弃。
图4-4 借助于DLE字符的填充示例
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2. 基于比特的成帧
• 通常的成帧过程涉及在所传输的数据消息的头部和尾部插 入标志字符。基于标志的帧同步方法可以实现任意长度帧 的传输。例如，如果使用比特模式Ollllll0(6个连续的1) 作为开始-停止标志，假如数据集合(即所传输的数据)由 lll0llll构成，那么形成的帧是 0llllll0lll011110llllll0。
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图 4-5 通用成帧规程的帧结构
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4.3 自动重传请求协议
4.3.1 停止等待式ARQ协议 4.3.2 后退N帧式ARQ协议 4.3.3 选择重传式ARQ协议
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4.2.2 成帧
• 所谓成帧就是把比特流分割成离 散的数据单元或块。成帧的前提 是物理层必须充分同步，以标识 单个比特或字节。根据位同步不 同的精确程度，有不同的成帧方 法。每种帧类型都有特定的格式 和时标序列。
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1. 基于字符的成帧
• 当采用基于字符的帧同步方法时，帧的信息字段为整数字节。 例如，异步传输系统广泛用于传输8位ASCII码的可显示字符序 列。为了表示字符帧，用8位不可显示的特殊字符作为控制字 符。ASCII码中所有的十六进制字符值比相应的不可显示字符 值小20。通常用起始控制字符STX(Start of Text)( 十六进制 值为02)表示一帧的开始，结束字符ETX(End of Text)(十六进 制值为03)表示一帧的结束。但该方法仅适用于帧全部由可显 示字符组成的情况。如果携带有计算机数据，则帧中可能出现 ETX字符，从而导致接收端将其误以为是结束字符，并且过早 地截断该帧。因此帧中不能含有某些特定的比特序列，称为不 透明的方法。
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2．停止等待式ARQ协议讨论
• 停止等待式ARQ协议的优点是控制简单，但也造成了传输过程 中吞吐量降低，导致信道利用率不高。下面讨论可能出现的几 种情况，如图4-8所示。
图 4-8 停止等待式协议执行情况
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数据链路层: 实现
• 通过 “adapter（网卡或适配器）” 实现 – e.g., PCMCIA 卡, 以太网卡 – 一般适配器都含有: RAM, DSP 芯片, 主机的总线接 口, 和链路接口
M Ht M Hn Ht M Hl Hn Ht M
application transport network link physical
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1．停止等待式ARQ协议操作方式
• 实际使用的停止等待式ARQ协议是一个窗口大小设置为1的滑动窗 口，发送窗口的编号只有O和1两种，发送端和接收端每次都只能 发送或接收一个帧。该协议的工作方式是：发送端首先向接收端 发送一个数据帧，然后停止发送并等待接收端对这一帧数据的应 答，收到正确的确认信息后，接着再发送下一帧数据。如果在超 时时间内没有收到应答信息，发送端就会重发此数据帧，并再次 停止发送以等待应答。具有简单流量控制的停止等待式控制协议 的传输过程如图4-7所示。
data link protocol phys. link adapter card
network link physical
Hl Hn Ht M frame
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4.2 帧与成帧
4.2.1 帧的基本格式 4.2.2 成帧
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图 4-2 数据链路层与网络层、物理层的关系
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数据链路层的具体功能
为了完成在不太可靠的物理链路上实现可靠的数据帧传输任务，需要数据链 路层具有以下具体功能： 1）成帧（Framing）, 链路访问: – 将分组封装入帧, 加上帧头, 帧尾 – 如果是共享介质，则需实现信道的访问, – ‘物理地址’ 放在帧首用来确定信源、信宿 .不同于IP地址喔! • 在两台物理上连接的设备之间实现可靠传递: – 可靠传递是什么概念，回顾一下学过的知识! – 不太用在误码率低的场合 (光纤, 某些双绞线) – 无线链路: 误码率相当高. Q: 为什么在链路层和端到端之间都要做可靠性的校验? 2）流量控制（Flow Control） 3）差错控制（Error Control） 4）链路访问控制（Link Access） 5）物理寻址 6）数据链路管理 2010年11月11日
图 wenku.baidu.com-7 单工停止等待控制方式
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计算机网络与通信 停止等待式ARQ协议的工作过程
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1）进程A向进程B发送数据帧0，同时启动定时器，然后停止发送并等 待B的ACK。 2）B在正确收到数据帧0后向进程A返回ACK帧。 3）A正确收到来自B的ACK，知道B已正确接收到数据帧0。 4）进程A继续发送数据帧l，同时重新启动定时器。 5）数据帧l在传送过程中出错。这可能是进程B对其进行CRC校验时发 现错误，也有可能是数据帧1由于不完整而未被接收。总而言之， 进程B没有收到正确的数据帧l，因此将不作任何应答。 6）定时器超时，进程A重新发送数据帧1。 停止等待式ARQ协议按照这种方式继续传送数据帧l，直到数据帧l 被正确接收，且发送端A收到确认ACK。然后，协议开始传送数据 帧2及其后续的数据帧。 可见在停止等待式ARQ协议中，接收端可以控制发送端的发送速率。 需要说明的是，接收端反馈到发送端的ACK帧是一个无任何数据的 帧，相当于一段时延标志。
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3. 通用成帧规程
• 通用成帧规程(Generic Framing Procedure，GFP)是属于ITUT G.704的一个新成帧标准，它提供的成帧机制支持多种数据 流量类型向 SONET/SDH帧的直接映射，使得类似以太网和光纤 通道的协议具有了在现有的可靠 SONET/SDH 基础设施上远距 离传输的灵活性。 • GFP 帧由三个主要组件组成：核心头、载荷头和载荷区，如图 4-5所示。其中，核心头和载荷头构成了GFP 头，而载荷区表 示客户数据服务流量。载荷头提供了所携带内容的载荷类型信 息（以太网、光纤通道等），而核心头携带的是 GFP 帧自身 的大小信息。这些组件共同构成 GFP 帧，该帧可被映射到 TCarrier/PDH 通道，并最终通过 SONET/SDH 网络得以传输。
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4.2.1 帧的基本格式
• 尽管不同的数据链路层协议给出的帧格式存在一定的差异，但它们的 基本格式大同小异，如图4-3所示。将帧格式中具有特定意义的部分 称为域或字段。
图 4-3 帧的基本格式
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数据链路层: 工作环境
• 两个 物理上连接的 设备: – 主机-路由器, 路由器-路由器, 主机-主机 • 数据单元: frame（帧）
M Ht M Hn Ht M Hl Hn Ht M
application transport network link physical
比特填充的具体过程如下： 将要传输的数据集实例： 1111110011111011 比特填充后的数据集：111110100111110011 经过比特填充和插入开始-停止比特后的数据集： 01111110 111110100111110011 01111110 因此，将要传输的帧是：01111110 111110100111110011 01111110 帧的开始 带比特填充的用户数据 帧的结束