《计算机网络》第三章：数据链路层（The Data Link Layer）
- Copyright(C)肖文栋教授@北京科技大学自动化学院
内容安排
- 3.1 Data Link Layer Design Issues数据链路层设计要点
- 3.2 Error Detection and Correction差错检测和纠正
- 3.3 Elementary Data Link Protocols基本数据链路协议
- 3.4 Sliding Window Protocols滑动窗口协议
- 3.5 Example Data Link Protocols数据链路层协议实例
3.1 Data Link Layer Design Issues数据链路层设计问题
数据链路层的特定功能：
- 为网络层提供良好的服务接口
Services Provided to the Network Layer
- 成帧Framing
将物理层传输的比特，组织成数据帧
- 差错控制Error Control
处理传输中的差错
- 流量控制Flow Control
调整数据帧的流动速度，使慢速的接收方不被快速的发送方所“淹没”
- 数据包和帧的关系
- 数据链路层传送的是帧
3.1.1 Services Provided to the Network Layer为网络层提供的服务
- 虚拟通信与实际通信
- 数据链路层的简单模型
- 概念：数据链路
链路(link)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。一条链路只是一条通路的一个组成部分。 数据链路(data link) 除了物理线路外，还必须有通信协议来控制这些数据的传输。若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。 -现在最常用的方法是使用适配器（即网卡）来实现这些协议的硬件和软件。 -一般的适配器都包括了数据链路层和物理层这两层的功能。
- 数据链路层的基本功能
数据链路管理，负责在两个相邻结点间建立、维护和拆除链路，并通过差错控制、流量控制将不太可靠的物理链路改造成无差错的数据链路。提高链路的可靠性，为网络通信提供一条在逻辑上无差错的数据链路。
三种基本服务
- 无确认的无连接服务：
目的结点不作确认，差错由上层负责；
- 有确认的无连接服务：
目的结点对收到的帧要作确认，发送结点可以知道已发出的帧是否安全到达目的结点；误帧重传；
- 面向连接服务：
可靠地传送数据的服务，即提供在网络实体间建立、维持和释放数据链路的功能；
- 无确认的无连接服务
源机器向目的机器发送独立的帧，而目的机器对收到的帧不做确认。事先没有建立连接，事后也不存在释放。如果由于线路上的噪声而造成帧丢失，数据链路层不做努力去恢复它，恢复工作留给上层去完成。
- 有确认的无连接服务
源机器向目的机器发送独立的帧，而且目的机器对收到的每一帧进行单独确认。仍然不需要建立连接，事后也不存在释放。以这种方式，发送方就可以知道帧是否安全地到达。如果在某个特定的时间间隔内，帧没有到达，就必须重新发送该帧。
- 有确认的面向连接服务
源机器和目的机器在传递任何数据之前，先建立一条连接。在这条连接上所发送的每一帧都被编上号，数据链路层保证所发送的每一帧都确实已收到。而且它保证每帧都收到一次，而且所有的帧都是按正确顺序收到的。 采用无连接服务时，如果确认信息丢失，将会引起一帧多次发送，因此也会收到多次。而面向连接的服务为网络层进程间提供了可靠的传送比特流的服务。
3.1.2 Framing 成帧
为了解决可靠成帧问题，提出以下4种成帧的办法：
- 字节记数法；
- 带字节填充的标志字节法；
- 比特填充的标志比特法；
- 物理层编码违例法。
成帧方法：字节计数法
用帧头中一个字符表示帧内的字节数。 算法：在每帧的帧头使用一个字段，用来标明帧内的字节数。 例. 1、2、3、4帧的字节数分别为5、5、8、8。
- 字节计数法缺点：字符数可能由于传输差错而被“篡改”，出错。
例. 若第2帧的字符计数值应是5，由于传输差错而被“篡改”为7，致使发送方与接收方不同步，而且无法据此确定下一帧的开始位置。此时，若目的主机已知校验和不正确，但仍无法从出错帧中得知下一帧将从哪里开始。即使向源主机发回“请求重传”的信息也没有用，因为目的主机不知道应该回跳多少字符开始重传。
字节填充的标志字节法
每个帧用特殊字节作为开始与结束，即标志字节（flag byte）。 当标志字节出现在数据中时，加入转义字节（ESC）（字节填充） 当转义字节出现在数据中时，其前亦加入转义字节（ESC）
比特填充的标志比特法
允许数据帧中包含任意长度的位。 每一帧是用一个特殊的位模式，即01111110 作为开始和结束的标志字节。当发送方的数据链路层在数据中遇到5个连续的1时，为了区分数据和位模式，则自动在数据后插入一个“0”到输出比特流中。这就是比特填充技术。
- 比特填充
- 接收方看到5个连续的“1”，并且后面是“0”时，就自动去掉这个“0”位，使之还原为原始数据。
- 位填充过程对网络层也是完全透明的。
- 在位填充机制中，通过标志模式可以明确地识别出两帧之间的边界。如果接收方失去了帧同步，只需在输入数据流中扫描标志序列即可。
物理层编码违禁法
- 只适用于物理层编码有冗余的网络
- 通过物理层的冗余比特（非常规数据）来推断帧的开始和结束.
3.1.3 Error Control 差错控制
问题：
- 怎样保证所有的帧能正确地交付给目的机器的网络层；
常用方法：
- 向数据发送方提供有关接收方接收情况的反馈信息；
典型做法：
- 协议要求接收方发回特殊的控制帧，作为对输入肯定或否定的确认。如果发送方收到了关于某* 个帧的肯定确认，则知道此帧已正确到达；一个否认性确认意味着发生了某种差错，相应的帧必须被重传。
死锁问题：
- 如果发方发出的数据帧在传输过程中丢失，收方因没有收到数据帧，当然不会向发方发任何应答帧，若发方要等收到应答帧后再发送下一个数据帧，必然永远等待下去，出现死锁。同理，若收方发给发方的应答帧丢失，也会产生死锁。
典型做法：
- 发方每发完一个数据帧，就启动一个定时器，若超过定时器所设置的定时时间仍未收到收方的应答帧，则发方重传前面所发送的数据帧。
定时时间：
- 一般选为略大于“从发完数据帧到收到应答帧所需的平均时间”。
帧的序号：
- 发送方为发送出去的帧分配序号, 这样接收方可根据帧的序号区分原始帧与重传帧.
3.1.4 Flow Control 流量控制
- 问题：发送方的传送能力比接受方接受能力大;
- 目的：限制发送方所发送的数据流量，使其发送速率不要超过接收方能处理的速率；
- 解决方法：流量控制;
-基于反馈的流量控制 -基于速率的流量控制（传输层）
- 典型做法：协议中包括一些定义完整的规则，这些规则描述发送方在什么时候发送下一帧，在未获得接收方直接或间接允许之前，禁止发出帧。
3.2 Error Detection and Correction差错检测和纠正
处理差错的两种基本策略
- 使用纠错码：发送方在每个数据块中加入足够的冗余信息，使得接收方能够判断接收到的数据是否有错，并能纠正错误。
- 使用检错码：发送方在每个数据块中加入足够的冗余信息，使得接收方能够判断接收到的数据是否有错，但不能判断哪里有错。
差错类型
- 差错类型：随机错码(independent)、突发错码(burst)
- 信道(channel)类型与差错类型的关系
随机信道：错码的出现是随机的，且错码之间是统计独立的。 突发信道：错误成串出现，在一些短促的时间区间内会出现大量错码，而这些短促的时间区间之间却又存在较长的无错码区间。原因：有线信道—脉冲干扰，无线信道—脉冲干扰、衰落。
差错控制编码的效用
- (以随机信道为例)假设在随机信道中发送“0”时的错误概率与发送“1”时的相等，都等于p，且p<<1，在码长为n的码组中恰好发生e个错码的概率为
当n=7, p=10-3时，p7(1)≈710-3，p7(2)≈2.110-5，p7(3)≈3.5*10-8.
- 结论：所采用的差错控制编码，即使仅能纠正(或检测)这种码组中1~2个错误，也可以使误错率下降几个数量级！
3.2.1 纠错码
码字（codeword）：
一个帧包括m个数据位(信息位)，r个校验位(监督位)，n = m + r，则此n比特单元称为n位码字。
海明距离（Hamming distance）：
两个码字之间不同的比特位数目。 例：0000000000 与0000011111的海明距离为5 如果两个码字的海明距离为d，则需要d个单比特错就可以把一个码字转换成另一个码字；
奇偶校验
最简单的例子是奇偶校验，在数据后填加一个奇偶位（parity bit） 例：使用偶校验（“1”的个数为偶数） 10110101——>101101011 10110001——>101100010 奇偶校验可以用来检查单个错误。
纠错码
- 设计纠错码:要求：m个信息位，r个校验位，纠正单比特错；对2^m个有效信息中任何一个，有n个与其距离为1的无效码字，因此有：(n+1) 2^m<=2^n,利用n=m+r，得到(m+r+1)<=2^r
- 给定m，利用该式可以得出校正单比特误码的校验位数目的下界
海明码
–码位从左边开始编号，从“1”开始； –位号为2的幂的位是校验位，其余是信息位； –每个校验位使得包括自己在内的一些位的奇偶值为偶数（或奇数）。 –为看清数据位k对哪些校验位有影响，将k写成2的幂的和。 –例：11 = 1 + 2 + 8
- 海明码校验位个数
M=7→r=? 7+4+1<2^4,而7+3+1>2^3→r=4,n=m+r=11 换句话说，对m=7的分组码而言，为能纠正一位错码，要求r≥4
- 海明码校验位计算
- 位关系：
3 = 1+2 5= 1+4 6= 2+4 7= 1+2+4 9= 1+8 10= 2+8 11 = 1 + 2 + 8
- 校验位与信息位之间的关系：
a1=a3+a5+a7+a9+a11 a2=a3+a6+a7+a10+a11 a4=a5+a6+a7 a8=a9+a10+a11
- 海明码工作过程
–每个码字到来前，接收方计数器清零； –接收方检查每个校验位k (k = 1, 2, 4 …)的奇偶值是否正确； –若第k 位奇偶值不对，计数器加k； –所有校验位检查完后，若计数器值为0，则码字有效；若计数器值为m，则第m位出错。 –若校验位1、2、8出错，则第11位变反。
- 海明码
3.2.2检错码
最简单的检错法：奇偶校验
- 编码规则：
将要传输的数据码元分组，每一组数据后面附加一校验位，使得该组数据连同校验位在内的码中“1”的个数为偶数（偶校验）或奇数（奇校验）。在接收端，按同样的规则检查，如不符，则出差错。
- 如：
1011010发送10110100（偶校验）
1011010发送10110101（奇校验）
- 检测突发错误
CRC（Cyclic Redundancy Check）循环冗余校验码/多项式编码
- 基本思想：
先建立应发送的二进制之间的数量关系，即发方对数据帧的二进制数按一定规则运算，产生二进制形式的校验码，随后把这些二进制数一起发送出去，接收方收到後按同样的规则检验这些二进制数之间的关系，从而可判断出传输过程中有无差错发生。
- 具体做法：
收发双方约定一个生成多项式G(x)（其最高阶和最低阶系数必须为1），发送方在帧的末尾加上校验和，使带校验和的帧的多项式能被G(x)整除；接收方收到后，用G(x)除多项式，若有余数，则传输有错。
- 编码与码多项式
在代数编码理论中，为了便于计算，把码组中各码元当作是一个多项式的系数，即把(a(n-1),a(n-2),…,a(1),a(0))(长度为n)的码组表示成：T(x)=a(n-1)x^(n-1)+a(n-2)x^(n-2)+…+a(1)x+a(0) 例: (1100101)的码多项式为x6+x5+x2+1 说明：码多项式中的x仅是码元位的标记，我们并不关心x的取值！
- 模2运算
特点：加法无进位、减法无借位，加、减法相同，与异或等价！1+1=0(无进位)、0-1=1(无借位)
(x^2+1)/(x+1)=x+1,余数为0(x^4+x+1)(x+1)=x^5+x^4+x^2+1,而不是x^5+x^4+x^2+2x+1
- 生成多项式G(x) (generator polynomial)
–G(x)是一个唯一的r阶多项式(r –校验和（checksum）加在帧尾，使带校验和的帧的多项式能被G(x)除尽；收方接收时，用G(x)去除它，若有余数，则传输出错。 –设G(x)为r 阶，在帧的末尾加r 个0，使帧为m + r位，相应多项式为x^rM(x)； –按模2除法用对应于G(x)的位串去除对应于x^rM(x)的位串，余式R(x)； –按模2减法从对应于x^rM(x)的位串中减去余数（等于或小于r位），结果就是要传送的带校验和的多项式T(x)→编出的码组T(x)=x^rM(x)+R(x)。 –发送：T(x)；接收：T(x) + E(x)； –余数((T(x) + E(x)) / G(x)) = 0 + 余数(E(x) / G(x)) –若余数(E(x) / G(x)) = 0，则差错不能发现；否则，可以发现。 任意一个二进制分组信息串：b0,b1,……bm,都可用一个m阶多项式表示：M(x) =b(0)x^m+b(1)x^(m-1)+……+b(m)；预先选取一个生成多项式G(x)=g(0)x^r+g(1)x^(r-1)+……+1； -发方发送数据前，对数据进行编码：按模2除法用xrM(x) 除以G(x)，得商多项式Q(x)和余数多项式R(x)； x^r* M(x) = Q(x) * G(x) + R(x)；T(x) = x^rM(x) –R(x) -发送方发送编码信息； -收方收到编码后，再表示成T(x)； -收方进行校验，如果T(x)/G(x)的余数R(x)不为0，则传输有错，否则传输正确； -取数据信息；把收到的正确编码信息去掉尾部，即数据信息。 CRC-16: X^16+X^15+X^2+1 CRC-CCITT:X^16+X^12+X^5+1 CRC-32: X^32+X^26+X^23+X^22+X^16+X^12+X^11+X^10+X^8+X^7+X^5+X^4+X^2+X^1+1 A Simplex Stop-and-WaitProtocol for a Error-Free Channel A Simplex Stop-and-WaitProtocol for a Noisy Channel –什么时候重传——定时 –重复帧怎么办——发送帧头中放入序号 –为了使帧头精简，序号取多少位—--1位，模2增1 A positive acknowledgement with retransmission protocol –优点：充分利用信道带宽，减少帧的数目意味着减少“帧到达”中断； –带来的问题：复杂。 例：–卫星信道传输速率50kbps，往返传播延迟500ms，若传1000bit的帧，使用协议4，则传输一个帧所需时间为：发送时间+ 信息信道延迟+ 确认信道延迟（确认帧很短，忽略发送时间）= 1000bit / 50kbps + 250ms + 250ms = 520ms；信道利用率=20/520约等于4% 一般情况：–信道带宽b比特/秒，帧长度L比特，往返传播延迟R秒，则信道利用率为(L/b)/(L/b+R)=L/(L+ Rb) 结论：–传输延迟大，信道带宽高，帧短时，信道利用率低。 –一种成帧方法，面向字符的，采用字符填充技术 –一种链路控制协议LCP（Link Control Protocol），用于启动线路、测试线路、协商参数、关闭线路 –一种协商网络层选项的方式，针对每一种支持的网络层都有相应的网络控制协议NCP（Network Control Protocol）, 可支持多种网络层协议。 –当协议字段为0x0021 时，PPP 帧的信息字段就是IP 数据报。 –若为0xC021, 则信息字段是PPP 链路控制数据。 –若为0x8021，则表示这是网络控制数据。
3.3基本的数据链路层协议
Assumptions
Protocol Definitions
/*自己敲了一遍，有可能敲得不准，凑合看:protocol.h*/
/*Some definitions needed in the protocols(protocol.h)*/
#define MAX_PKT 1024 /*determines packet size in bytes*/
typedef enum{false,true}boolean; /*boolean type*/
typedef unsigined int seq_nr; /*sequence or ack numbers*/
typedef struct{unsigined char data[MAX_PKT];}packet; /*packet defintion*/
tyoedef enum{data,ack, nak}frame_kind; /*frame_kind defintion*/
typedef struct { /*frames are transported in this layer*/
frame_kind kind; /*what kind of grame is it?*/
seq_nr seq; /*sequence number*/
seq_nr ack; /*acknowledgement number*/
packet info; /*the network layer packet*/
}frame;
/*wait for an event to happen; return its type in event*/
void wait_for_event(event_type *event);
/*Fetch a packet from the nework layer for transmission on the channel*/
void from_network_layer(packet *p);
/*deliver information from an inbound frame to the network layer*/
void to_network_layer(packte *p);
/*go get an inbound frame from the physica layer and copy it to r*/
void from_physical_layer(frame *r);
/*pass the frame to the physical layer for transmission*/
void to_physical_layer(frame *p);
/*start the clock running and enable the timeout event*/
void start_timer(seq_nr k);
/*stop the clock and disable the timeout event*/
void stop_timer(seq_nr k);
/*start an auxiliary timer and enable the ack_timeout event*/
void start_ack_timer(void);
/*stop the auxiliary timer and disable the ack_timeout event*/
void stop_ack_timer(void);
/*allow the network layer to cause a network_layer_ready event*/
void enable_network_layer(void);
/*forbid the network layer from causing a network_layer_reasy event*/
void disable_network_layer(void);
/*macro inc is expanded in-line: increment k circularly*/
#define inc(k) if(k
3.3.1 一个乌托邦式的单工协议（AUtopianSimplex Protocol）
工作在理想情况(Utopian，不现实，无流量控制、纠错等)
工作过程
乌托邦式的单工协议的实现
/**
* Protocol 1 (Utopia) privides for data transmission in one direction only,
* from sender to receiver. The communication channel is assumed to be error
* free and the receiver is assumed to be able to process all the input
* infinitely quickly. Consequently, the sender just sits in a loop pumping
* data out onto the line ad fast ad it can.
*/
typedef enum{frame_arrival}event_type;
#include "protocol.h"
void sender1(void)
{
frame s; /*buffer for an outbound frame*/
packet buffer; /*buffer for an outbound packet*/
while(true){
from_network_layer(&buffer);/*go get something to send*/
s.info = buffer; /*copy it into s for transmission*/
to_physical_layer(&s); /*tomorrow, and tomorrow, and tomorrow,
creeps in this petty pace from day to day
To the last syllable fo recorded time.
--Macbeth. V. v */
}
}
void receiver1(void)
{
frame r;
event_type event; /*filled in by wait, but not used here*/
while(true)
{
wait_for_event(&event); /*only possibility is frame_arrival*/
from_physical_layer(&r); /*go get the inbound frame*/
to_network_layer(&r.info); /*pass the data to the network layer*/
}
}
无错信道上的单工停等协议
目的：Flow control
无错信道上的单工停等协议（实现）
/**
* protocol 2 (stop-and-wait) also privides for a one-directional
* flow of data from sender to receiver. The communication channel
* is once ageain assumed to be error free, as inprotocol 1.
* However, this time the receiver has only a finite buffer capacity
* and a finite processing speed, so the protocol mast explicitly
* prevent the sender from flooding the receiver with data faster
* than it can be handled.
*/
typedef enum{frame_arrival}event_type;
#include "protocol.h"
void sender2(void)
{
frame s; /*buffer for an outbound frame*/
packet buffer; /*buffer for an outbound packet*/
event_type event; /*frame_arrival is the only possibility*/
while(true){
from_network_layer(&buffer);/*go get something to send*/
s.info = buffer; /*copy it into s for transmission*/
to_physical_layer(&s); /*bye-bye little frame*/
wait_for_event(&event); /*do not proceed until given the go ahead*/
}
}
void receiver2(void)
{
frame r,s; /*buffers for frames*/
event_type event; /*frame_arrival is the only possibility*/
while(true)
{
wait_for_event(&event); /*only possibility is frame_arrival*/
from_physical_layer(&r); /*go get the inbound frame*/
to_network_layer(&r.info); /*pass the data to the network layer*/
to_physical_layer(&s); /*send a dummy frame to awaken sender*/
}
}
3.3.3 有噪声信道的单工停等协议
有噪声信道的单工停等协议
带有重传机制的肯定确认机制
3.4滑动窗口协议Sliding Window Protocol
滑动窗口协议工作原理
大小为1的滑动窗口
一比特滑动窗口协议A One Bit Sliding Window Protocol
A 1-bit sliding windows protocol
一比特滑动窗口协议A One Bit Sliding Window Protocol
3.4.2退后n帧协议A Protocol Using Go-Back-n
为提高传输效率而设计
提高效率方法
退后n协议
选择重传（selective repeat）
3.5数据链路层协议实例
点到点协议PPP ——Point-to-Point Protocol
PPP 协议的帧格式
PPP中的字符填充
用户到ISP 的链路使用PPP 协议
PPP 协议的工作状态
