高等学校21世纪教材《计算机网络教程》第4章数据链路层.ppt
第4章 数据链路层,4.1 数据链路层的基本概念4.2 停止等待协议4.3 连续ARQ协议4.4 选择重传ARQ协议4.5 面向比特的链路控制规程HDLC4.6 因特网的点对点协议PPP,退出,4.1 数据链路层的基本概念,链路(link)就是一条无源的点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换结点。数据链路(data link)则是另一个概念。这是因为当需要在一条线路上传送数据时，除了必须有一条物理线路外，还必须有一些必要通信协议来控制这些数据的传输(这将在后面讨论)。也有人采用另外的术语。这就是将链路分为物理链路和逻辑链路。物理链路就是上面所说的链路，而逻辑链路就是上面的数据链路，是物理链路加上必要的通信协议。,数据链路层的主要功能归纳如下：（1）链路管理 数据链路的建立、维持和释放就叫做链路管理。（2）帧同步（3）流量控制(flow control)（4）差错控制（5）将数据和控制信息区分开（6）透明传输（7）寻址,4.2 停止等待协议,停止等待(stop-and-wait)协议是最简单但也是最基本的数据链路层协议。4.2.1 不需要数据链路层协议的数据传输图4-1所示的简化模型对于一个计算机网络中任意一条链路上的数据传输情况都是适用的。,4.2.2 具有最简单流量控制的数据链路层协议由接收方控制发送方的数据流，乃是计算机网络中流量控制的一个基本方法。,假定：链路是理想的传输信道，即所传送的任何数据既不会出差错也不会丢失。在发送结点：（1）从主机取一个数据帧；（2）将数据帧送到数据链路层的发送缓存；（3）将发送缓存中的数据帧发送出去；（4）等待；（5）若收到由接收结点发过来的信息(此信息的格式与内容可由双方事先商定好)，则从主机取一个新的数据帧，然后转到（2）。,在接收结点：（1）等待；（2）若收到由发送结点发过来的数据帧，则将其放入数据链路层的接收缓存；（3）将接收缓存中的数据帧上交主机；（4）向发送结点发一信息，表示数据帧已经上交给主机；（5）转到(1)。图4-2是前面所述的两种情况的对比。,4.2.3 实用的停止等待协议传输数据的信道不能保证使所传的数据不产生差错，并且还需要对数据的发送端进行流量控制。图4-3(a)画的是数据在传输过程中不出差错的情况。当发现差错时，结点B就向主机A发送一个否认帧NAK，以表示主机A应当重传出现差错的那个数据帧。图4-3(b)画出了主机A重传数据帧。,有时链路上的干扰很严重，或由于其他一些原因，结点B收不到结点A发来的数据帧。这种情况称为帧丢失，如图4-3(c)所示。于是就出现了死锁现象。要解决死锁问题，可在结点A发送完一个数据帧时，就启动一个超时计时器(timeout timer)。若到了超时计时器所设置的重传时间tout而仍收不到结点B的任何确认帧，则结点A就重传前面所发送的这一数据帧，如图4-3(c)和图4-3(d)所示。一般可将重传时间选为略大于“从发完数据帧到收到确认帧所需的平均时间”。,4.2.4 循环冗余检验,4.2.5 停止等待协议的算法在发送结点：（1）从主机取一个数据帧。（2）V(S)0。发送状态变量初始化（3）N(S)V(S)；将发送状态变量的数值写入发送序号将数据帧送交发送缓存。（4）将发送缓存中的数据帧发送出去。（5）设置超时计时器。选择适当的超时重传时间tout,（6）等待。等待以下3个事件中最先出现的一个（7）若收到确认帧ACK，则：从主机取一个新的数据帧；V(S)1 V(S)；更新发送状态变量，变为下一个序号转到(3)。（8）若收到否认帧NAK，则转到(4)。重传数据帧（9）若超时计时器时间到，则转到(4)。重传数据帧,在接收结点：（1）V(R)0。接收状态变量初始化，其数值等于欲接收的数据帧的发送序号（2）等待。（3）当收到一个数据帧，就检查有无产生传输差错(如用CRC)。若检查结果正确无误，则执行后续算法；否则转到(8)。,（4）若N(S)=V(R)，则执行后续算法；收到发送序号正确的数据帧否则丢弃此数据帧，然后转到(7)。（5）将收到的数据帧中的数据部分送交主机。（6）V(R)1 V(R)。更新接收状态变量，准备接收下一个数据帧（7）发送确认帧 ACK，并转到(2)。（8）发送否认帧 NAK，并转到(2)。,状态变量的概念很重要，一定要弄清以下几点：（1）每发送一个数据帧，都必须将发送状态变量V(S)的值(即0或1)写到数据帧的发送序号N(S)上。但只有收到一个确认帧ACK后，才更新发送状态变量V(S)一次(将1变成0或0变成1)并发送新的数据帧。（2）在接收端，每接收到一个数据帧，就要将发送方在数据帧上设置的发送序号N(S)与本地的接收状态变量V(R)相比较。若二者相等就表明是新的数据帧，否则为重复帧。,（3）在接收端，若收到一个重复帧，则丢弃它(即不做任何处理)，且接收状态变量不变，但此时仍须向发送端发送一个确认帧ACK。由于发送端对出错的数据帧进行重传是自动进行的，所以这种差错控制体制常简称为ARQ(Automatic Repeat reQuest)，直译是自动重传请求，但意思是自动请求重传。,4.2.6 停止等待协议中的几个重要时间关系停止等待协议中的几个重要时间关系，如图4-5所示。,4.3 连续ARQ协议,4.3.1 连续ARQ协议的工作原理先用图4-6所示的简单例子来讨论连续ARQ协议的工作原理。它的要点就是在发送完一个数据帧后，不是停下来等待确认帧，而是可以连续再发送若干个数据帧。如果这时收到了接收端发来的确认帧，那么还可以接着发送数据帧。由于减少了等待时间，整个通信的吞吐量就提高了。,要注意两点：（1）接收端只按序接收数据帧。（2）结点A在每发送完每一个数据帧时都要设置超时计时器。,4.3.2 滑动窗口的概念发送窗口用来对发送端进行流量控制，而发送窗口的大小WT就代表在还没有收到对方确认信息的情况下发送端最多可以发送多少个数据帧。,发送窗口的规则归纳如下：（1）发送窗口内的帧是允许发送的帧，而不考虑有没有收到确认。发送窗口右侧所有的帧都是不允许发送的帧。图4-7(a)说明了这一情况。（2）每发送完一个帧，允许发送的帧数就减1。但发送窗口的位置不变。图4-7(b)说明已经发送了0号帧，因此允许发送的帧数就少了一个，即只有4个。（3）如果所允许发送的5个帧都发送完了，但还没有收到任何确认，那么就不能再发送任何帧了。图4-7(c)表示这种情况。这时，发送端就进入等待状态。,（4）每收到对一个帧的确认，发送窗口就向前(即向右方)滑动一个帧的位置。图4-7(d)表示发送端已经收到了0,1和2号帧共3个帧的确认，因此发送窗口可以向前滑动3个帧的位置。于是，发送端现在又可以继续发送3个帧(即5 7号帧)。,在接收端只有当收到的数据帧的发送序号落入接收窗口内才允许将该数据帧收下。接收窗口的规则很简单，归纳如下：（1）只有当收到的帧的序号与接收窗口一致时才能接收该帧。否则，就丢弃它。（2）每收到一个序号正确的帧，接收窗口就向前(即向右方)滑动一个帧的位置。同时向发送端发送对该帧的确认。图4-8(a)表明一开始接收窗口处于0号帧处，接收端准备接收0号帧。一旦收到0号帧，接收窗口即向前滑动一个帧的位置(图4-8(b)，准备接收1号帧，同时向发送端发送对0号帧的确认信息。当陆续收到1号至3号帧后，接收窗口的位置应如图4-8(c)所示。,4.3.3 信道利用率与最佳帧长数据帧长的选择与信道质量的好坏有很大的关系。,4.4 选择重传ARQ协议,为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计时器超时的数据帧。,4.5 面向比特的链路控制规程HDLC,4.5.1 HDLC概述HDLC可适用于链路的两种基本配置，即非平衡配置与平衡配置。非平衡配置的特点是由一个主站(primary station)控制整个链路的工作。主站发出的帧叫做命令(command)。受控的各站叫做次站或从站(secondary station)。次站发出的帧叫做响应(response)。在多点链路中，主站与每一个次站之间都有一个分开的逻辑链路。,4.5.2 HDLC 的帧结构1各字段的意义数据链路层的数据传送是以帧为单位的。一个帧的结构具有固定的格式，如图4-9所示。,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。零比特填充的具体做法是：在发送端，当一串比特流数据尚未加上标志字段时，先用硬件扫描整个帧(用软件也能实现，但要慢些)。只要发现有5个连续1，则立即填入一个0。因此经过这种零比特填充后的数据，就可以保证在数据中不会出现6个连续1。在接收一个帧时，先找到F字段以确定一个HDLC帧的边界。接着再用硬件对其中的比特流进行扫描。每当发现5个连续1时，就将这5个连续1后的一个0删除，以还原成原来的比特流，如图4-10所示。,HDLC帧划分为三大类，即信息帧、监督帧和无编号帧，其简称分别是I(Information)、S(Supervisory)和U(Unnumbered)。图4-11是对应于这3种帧的控制字段以及控制字段中的各比特的作用。,2信息帧若控制字段的第1比特为0，则该帧为信息帧。比特2 4为发送序号N(S)，而比特6 8为接收序号N(R)。N(S)表示当前发送的信息帧的序号，而N(R)表示这个站所期望收到的帧的发送序号。,3监督帧若控制字段的第1 2比特为1 0，则对应的帧即为监督帧S。监督帧共有四种，取决于第3 4比特的值(如图4-11中标有S的二比特)。表4-1是这四种监督帧的名称和功能。,4无编号帧若控制字段的第1 2比特都是1时，这个帧就是无编号帧U。,4.6 因特网的点对点协议PPP,虽然HDLC协议在历史上曾经起过很大的作用，但现在全世界使用得最多的数据链路层协议是非常简单的点对点协议PPP(Point-to-Point Protocol)。图4-12是用户拨号入网的示意图。因特网服务提供者ISP是一个能够提供用户拨号入网的经营机构。,SLIP协议的缺点很多，如：（1）SLIP没有差错检测的功能。（2）通信的每一方必须事先知道对方的IP地址。（3）SLIP仅支持IP，而不支持其他的协议。（4）SLIP并未成为因特网的标准协议，存在多种互不兼容的版本，影响网络的互连。,为了克服SLIP的这些缺点，1992年制定了PPP协议。PPP协议有如下三个组成部分：（1）一个将IP数据报封装到串行链路的方法。PPP既支持异步链路(无奇偶检验的8比特数据)，也支持面向比特的同步链路。IP数据报在PPP帧中就是其信息部分。这个信息部分的长度受最大接收单元MRU(Maximum Receive Unit)的限制。MRU的默认值是1500字节。,（2）一个用来建立、配置和测试数据链路连接的链路控制协议LCP(Link Control Protocol)。通信的双方可协商一些选项。在RFC 1661中定义了11种类型的LCP分组。（3）一套网络控制协议NCP(Network Control Protocol)，其中的每一个协议支持不同的网络层协议，如IP、OSI的网络层、DECnet以及AppleTalk等。PPP的帧格式和HDLC的相似，如图4-13所示。PPP不是面向比特而是面向字节的，因而所有的PPP帧的长度都是整数个字节。,当PPP用在同步传输链路时，协议规定采用硬件来完成比特填充(和HDLC的做法一样)。但当PPP用在异步传输时，它就使用一种特殊的字符填充法。PPP不提供可靠传输的服务。,PPP协议之所以不使用序号和确认机制是出于以下的几点考虑：（1）若使用可靠的数据链路层协议(如HDLC)，开销就要增大。（2）在因特网环境下，PPP的信息字段放入的数据是IP数据报。数据链路层的可靠传输并不能够保证网络层的传输也是可靠的。（3）PPP协议在帧格式中有帧检验序列FCS字段。,
