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文檔簡介
1、長治學院計算機系侯慧玲12本章學習要求:n理解:數據傳輸過程中理解:數據傳輸過程中差錯產生的原因與性質差錯產生的原因與性質n掌握:誤碼率的定義與差錯控制方法掌握:誤碼率的定義與差錯控制方法n掌握:數據鏈路層的基本概念掌握:數據鏈路層的基本概念n了解了解:面向字符型數據鏈路層協議實例:面向字符型數據鏈路層協議實例BSCn掌握:面向比特型數據鏈路層協議實例掌握:面向比特型數據鏈路層協議實例 HDLCn掌握:掌握:Internet中的數據鏈路層中的數據鏈路層PPP協議協議34.1 差錯產生與差錯控制方法4.1.1 為什么要設計數據鏈路層為什么要設計數據鏈路層n在原始物理傳輸線路上傳輸數據信號是有差錯
2、的;在原始物理傳輸線路上傳輸數據信號是有差錯的;n設計數據鏈路層的主要目的:設計數據鏈路層的主要目的: 將有差錯的物理線路改進成邏輯上無差錯的數據鏈路;將有差錯的物理線路改進成邏輯上無差錯的數據鏈路; 方法方法 差錯檢測差錯檢測 差錯控制差錯控制 流量控制流量控制n作用:改善數據傳輸質量,向網絡層提供高質量的服務。作用:改善數據傳輸質量,向網絡層提供高質量的服務。44.1.2 差錯產生的原因和差錯類型 n傳輸差錯傳輸差錯 通過通信信道后接收的數據與發送數據不一致的現象通過通信信道后接收的數據與發送數據不一致的現象;n差錯控制差錯控制 分析差錯產生的原因與類型,檢查是否出現差錯以及如分析差錯產生
3、的原因與類型,檢查是否出現差錯以及如 何糾正差錯;何糾正差錯;n通信信道的噪聲分為兩類:通信信道的噪聲分為兩類: 熱噪聲:由傳輸介質導體的電子熱運動產生;熱噪聲:由傳輸介質導體的電子熱運動產生; 特點:特點:時刻存在,幅度較小,強度與頻率無關,但頻譜很寬;時刻存在,幅度較小,強度與頻率無關,但頻譜很寬; 隨機差錯隨機差錯,出錯的數據位不相鄰,出錯的數據位不相鄰 ; 沖擊噪聲:由外界電磁干擾引起;沖擊噪聲:由外界電磁干擾引起; 特點:特點:幅度較大,是引起傳輸差錯的幅度較大,是引起傳輸差錯的主要原因主要原因; 突發差錯突發差錯,出錯的數據位相鄰;,出錯的數據位相鄰; 突發長度:引起突發差錯的位長
4、;突發長度:引起突發差錯的位長;n在通信過程中產生的傳輸差錯,是由隨機差錯與突發差錯共同構成的。在通信過程中產生的傳輸差錯,是由隨機差錯與突發差錯共同構成的。5傳輸差錯產生過程6 4.1.3 誤碼率的定義 n誤碼率定義誤碼率定義:二進制比特在數據傳輸系統中被傳錯的概率,二進制比特在數據傳輸系統中被傳錯的概率,它在數值上近似等于:它在數值上近似等于: Pe = Ne /N其中,其中,N為傳輸的二進制比特總數為傳輸的二進制比特總數 Ne為被傳錯的比特數為被傳錯的比特數7正確理解誤碼率正確理解誤碼率n誤碼率應該是衡量數據傳輸系統誤碼率應該是衡量數據傳輸系統正常工作狀態正常工作狀態下下傳輸可靠性的參傳
5、輸可靠性的參數;數;n對于一個實際的數據傳輸系統,對于一個實際的數據傳輸系統,不能籠統地說誤碼率越低越好,不能籠統地說誤碼率越低越好,要根據實際傳輸要求提出誤碼率要求;要根據實際傳輸要求提出誤碼率要求;n對于實際數據傳輸系統,如果傳輸的不是二進制比特,要折合成對于實際數據傳輸系統,如果傳輸的不是二進制比特,要折合成二進制比特來計算;二進制比特來計算;n差錯的出現具有隨機性,在實際測量一個數據傳輸系統時,只有差錯的出現具有隨機性,在實際測量一個數據傳輸系統時,只有被測量的傳輸二進制比特數越大,才會越接近于真正的誤碼率值。被測量的傳輸二進制比特數越大,才會越接近于真正的誤碼率值。 84.1.4 檢
6、錯碼與糾錯碼(差錯控制的兩種策略) 差錯控制差錯控制差錯檢測與校正(差錯檢測與校正(部分部分差錯)差錯)n糾錯碼糾錯碼: 每個傳輸的分組帶上足夠的冗余信息;每個傳輸的分組帶上足夠的冗余信息; 接收端能發現并自動糾正傳輸差錯;接收端能發現并自動糾正傳輸差錯; 看似優越,但實現困難,一般不采用。看似優越,但實現困難,一般不采用。n檢錯碼檢錯碼: : 分組僅包含足以使接收端發現差錯的冗余信息;分組僅包含足以使接收端發現差錯的冗余信息; 接收端能發現出錯,但不能確定哪一比特是錯的,接收端能發現出錯,但不能確定哪一比特是錯的,并且自己不能糾正傳輸差錯;并且自己不能糾正傳輸差錯; 需要重傳機制的輔助完成糾
7、錯,但工作原理簡單,需要重傳機制的輔助完成糾錯,但工作原理簡單,實現容易,得到廣泛使用。實現容易,得到廣泛使用。 9常用的檢錯碼n奇偶校驗碼奇偶校驗碼 垂直奇(偶)校驗垂直奇(偶)校驗 水平奇(偶)校驗水平水平奇(偶)校驗水平 水平垂直奇(偶)校驗(方陣碼)水平垂直奇(偶)校驗(方陣碼) n循環冗余編碼循環冗余編碼CRC 檢錯能力強、容易實現,目前應用最廣的檢錯檢錯能力強、容易實現,目前應用最廣的檢錯碼編碼方法之一碼編碼方法之一104.1.5 循環冗余編碼工作原理 (又稱多項式編碼)(又稱多項式編碼)11多項式和二進制數的對應關系 nx x的最高冪次對應二進制數的最高位,以下各位對應的最高冪次
8、對應二進制數的最高位,以下各位對應多項式的各冪次,有此冪次項對應多項式的各冪次,有此冪次項對應1 1,無此冪次項對,無此冪次項對應應0 0。 n例如:例如: 多項式:多項式:x x4 4+x+x3 3+x+1 +x+1 對應對應 二進制數:二進制數:11011 11011 二進制數二進制數1111 1111 對應對應 多項式:多項式:x x3 3+x+x2 2+x+1+x+112 舉例:1 1 0 0 1 1發送數據比特序列CRC校驗碼比特序列1 0 0 1帶CRC校驗碼的發送數據比特序列1 1 0 0 1 1 1 0 0 11 1 0 0 11 1 0 0 11 1 0 0 11 1 0 0
9、 101 0 0 0 0 11 1 0 0 1 1 0 0 0 01 1 0 0 1G(x)1 1 0 0 11 0 0 0 01 1 0 0 11 0 0 1R(x)1 0 0 0 0 1Q(x)f(x).xk發送數據比特序列為發送數據比特序列為110011110011(6 6比特),對應多項式為?比特),對應多項式為?生成多項式比特序列為生成多項式比特序列為1100111001(5 5比特,比特,k k4 4),對應),對應多項式為?多項式為?將發送數據多項式乘以將發送數據多項式乘以x x4 4,得到多項式?對應二進制序列?得到多項式?對應二進制序列?將所得乘積用生成多項式比將所得乘積用生
10、成多項式比特序列去除,注意按特序列去除,注意按模二算法模二算法計算計算,求得余數比特序列為?,求得余數比特序列為?將余數比特序列加到乘積中,將余數比特序列加到乘積中,得發送數據比特序列為?得發送數據比特序列為?若數據傳輸過程沒有發生錯若數據傳輸過程沒有發生錯誤,接收端收到的帶有誤,接收端收到的帶有CRCCRC校校驗碼的數據比特序列一定能被驗碼的數據比特序列一定能被相同的生成多項式整除。相同的生成多項式整除。13標準CRC生成多項式G(x)nCRC-12 G(x)= x12+x11+x3+x2+x+1nCRC-16 G(x)= x16+x15+x2+1nCRC-CCITT G(x)= x16+x
11、12+x5+1nCRC-32 G(x)= x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+ x10+x8+x7+x5+x4 + x2+x+1 G(x)多項式由協議規定,其結構及檢錯效果是經過嚴多項式由協議規定,其結構及檢錯效果是經過嚴格的數學分析與實驗后確定的。格的數學分析與實驗后確定的。14CRC校驗碼的檢錯能力nCRC校驗碼能檢查出全部單個錯;校驗碼能檢查出全部單個錯;nCRC校驗碼能檢查出全部離散的二位錯;校驗碼能檢查出全部離散的二位錯;nCRC校驗碼能檢查出全部奇數個錯;校驗碼能檢查出全部奇數個錯;nCRC校驗碼能檢查出全部長度小于或等于校驗碼能檢查出全部長度小于或等于K位的突
12、發錯;位的突發錯;nCRC校驗碼能以校驗碼能以1-(1/2)K-1的概率檢查出長度為(的概率檢查出長度為(K+1)位的突發錯;位的突發錯; 例如:假設例如:假設K=16,則該則該CRC校驗碼能全部檢查出小于或等于校驗碼能全部檢查出小于或等于16 位的所有的突發差錯,并能以位的所有的突發差錯,并能以1-(1/2)16-1=99.997的的概率檢查出長度為概率檢查出長度為17位的突發錯,漏檢概率為位的突發錯,漏檢概率為0.003%; 154.1.6 差錯控制機制 反饋重發機制反饋重發機制 (ARQ)16反饋重發機制的分類 n 停止等待方式停止等待方式 接接收收端端發發送送端端ACKNAKACK12
13、23122317連續工作方式 n拉回方式拉回方式n選擇重發方式選擇重發方式 發送端發送端接收端接收端ACK0ACK1NAKACK2ACK3(a)ACK0ACK1NAKACK2ACK6(b)ACK3ACK4ACK5丟棄丟棄重傳重傳重傳重傳01234523456012345234560123452678901234526789發送端發送端接收端接收端丟棄丟棄184.2 數據鏈路層的基本概念4.2.1 物理線路與數據鏈路物理線路與數據鏈路n物理線路物理線路 數據鏈路數據鏈路194.2.2 數據鏈路控制功能 數據鏈路層協議數據鏈路層協議 為實現數據為實現數據鏈路控制功能鏈路控制功能而而 制定的規程或協
14、議。制定的規程或協議。n鏈路管理鏈路管理 n幀同步幀同步 n流量控制流量控制 n差錯控制差錯控制 n幀的透明傳輸幀的透明傳輸 n尋址尋址 204.2.3 數據鏈路層向網絡層提供的服務 n所處位置:數據鏈路層是所處位置:數據鏈路層是OSI參考模型的第參考模型的第2層;層;n為下層:設立數據鏈路層的主要目的是將原始的、有差為下層:設立數據鏈路層的主要目的是將原始的、有差錯的物理線路變為對網絡層無差錯的數據鏈路;錯的物理線路變為對網絡層無差錯的數據鏈路;n所具功能:為了實現這個目的,數據鏈路層必須實現鏈所具功能:為了實現這個目的,數據鏈路層必須實現鏈路管理、幀傳輸、流量控制、差錯控制等功能;路管理、
15、幀傳輸、流量控制、差錯控制等功能;n為上層:數據鏈路層為網絡層提供的服務主要表現在:為上層:數據鏈路層為網絡層提供的服務主要表現在:正確傳輸網絡層的用戶數據,為網絡層屏蔽物理層采用正確傳輸網絡層的用戶數據,為網絡層屏蔽物理層采用的傳輸技術的差異性。的傳輸技術的差異性。214.3 面向字符型協議實例n什么是面向字符型協議什么是面向字符型協議? 將字符作為傳輸控制信息的基本單元將字符作為傳輸控制信息的基本單元n特點:特點:利用已定義好的一種標準字編碼(如利用已定義好的一種標準字編碼(如ASIIC碼,碼,EBCDIC碼)的一碼)的一個子集來執行通信控制功能。個子集來執行通信控制功能。nASIIC碼:
16、碼: 格式字符:格式字符: SOH(start of heading) STX(start of text) ETB(end of transmission block) ETX(end of text) 控制字符:控制字符: ACK(acknowledge) NAK(negative acknowledge) ENQ(enquire) EOT(end of transmission) SYN(synchrous) DLE(data link escape)n缺點:缺點: 使用不同字符集的兩臺計算機很難通信;使用不同字符集的兩臺計算機很難通信; 用戶數據傳輸用戶數據傳輸“透明性透明性”差。差。
17、22n面向字符型面向字符型BSC協議的數據報文格式:協議的數據報文格式:n轉義字符的使用:轉義字符的使用: 當正文字段中出現與控制字符相同編碼時,發送硬件自動在當正文字段中出現與控制字符相同編碼時,發送硬件自動在其后插入一個其后插入一個DLE字符。字符。23面向字符型面向字符型協議的執行協議的執行過程過程屬于停止等待型協議屬于停止等待型協議圖中:圖中:n虛線表示虛線表示協議控制信息交換協議控制信息交換n實線表示實線表示數據信息的交換數據信息的交換244.4 典型數據鏈路層協議分析 面向比特型4.4.1 HDLC產生的背景產生的背景 面向字符型數據鏈路層協議的缺點面向字符型數據鏈路層協議的缺點:
18、n控制報文與數據報文格式不一致;控制報文與數據報文格式不一致;n等待發送方式,傳輸效率低;等待發送方式,傳輸效率低;n只對數據部分進行差錯控制,控制字符出錯無法控制,可靠性差;只對數據部分進行差錯控制,控制字符出錯無法控制,可靠性差;n新功能對應增加新控制字符,功能擴展困難;新功能對應增加新控制字符,功能擴展困難;n傳輸透明性不好。傳輸透明性不好。面向比特型協議的設計目標面向比特型協議的設計目標:n以比特作為傳輸控制信息的基本單元;以比特作為傳輸控制信息的基本單元;n數據幀與控制幀格式相同;數據幀與控制幀格式相同;n傳輸透明性好;傳輸透明性好;n連續發送,傳輸效率高。連續發送,傳輸效率高。25
19、4.4.2 數據鏈路的配置和數據傳送方式數據鏈路的配置數據鏈路的配置n非平衡配置非平衡配置n平衡配置平衡配置 非平衡配置中的主站與從站非平衡配置中的主站與從站n主站:控制數據鏈路的工作過程。主站發出命令主站:控制數據鏈路的工作過程。主站發出命令 n從站:接受命令,發出響應,配合主站工作從站:接受命令,發出響應,配合主站工作 非平衡配置中的結構特點非平衡配置中的結構特點n點點- -點方式點方式n多點方式多點方式26數據鏈路的非平衡配置方式27非平衡配置兩種數據傳送方式正常響應模式(正常響應模式(normal response mode,NRM)n主站可以隨時向從站傳輸數據幀;主站可以隨時向從站傳
20、輸數據幀;n從站只有在主站向它發送命令幀進行探詢(從站只有在主站向它發送命令幀進行探詢(poll),),從站從站響應后才可以向主站發送數據幀。響應后才可以向主站發送數據幀。 異步響應模式(異步響應模式(asynchronous response mode,ARM)n主站和從站可以隨時相互傳輸數據幀;主站和從站可以隨時相互傳輸數據幀;n從站可以不需要等待主站發出探詢就可以發送數據;從站可以不需要等待主站發出探詢就可以發送數據;n主站負責數據鏈路的初始化、鏈路的建立、釋放與差錯恢主站負責數據鏈路的初始化、鏈路的建立、釋放與差錯恢復等功能。復等功能。28平衡配置方式 n鏈路兩端的兩個站都是復合站(鏈
21、路兩端的兩個站都是復合站(combined station););n復合站同時具有主站與從站的功能;復合站同時具有主站與從站的功能;n每個復合站都可以發出命令與響應;每個復合站都可以發出命令與響應;n平衡配置結構中只有異步平衡模式(平衡配置結構中只有異步平衡模式(asynchronous balanced mode,ABM););n異步平衡模式的每個復合站都可以平等地發起數據傳輸,異步平衡模式的每個復合站都可以平等地發起數據傳輸,而不需要得到對方復合站的許可。而不需要得到對方復合站的許可。29數據鏈路的平衡配置方式304.4.3 HDLC的幀結構 nF(flag) :固定格式固定格式 0111
22、1110 作用作用 幀同步幀同步 傳輸數據的透明性(傳輸數據的透明性(零零比特插入與刪除)比特插入與刪除) nA(address) :地址地址nC(control) :幀的類型、幀的編號、命令與控制信息幀的類型、幀的編號、命令與控制信息nI(information) :網絡層數據,網絡層數據,Nmax = 256BnFCS(checksum) :校驗校驗A、C、I字段的數據字段的數據 G(X)= X16+X12+X5+1標志字段F(8位)地址字段A(8/16位)控制字段C(8/16位)信息字段I(長度可變)幀校驗字段FCS(16/32位)標志字段F(8位)31零比特插入/刪除工作過程32幀類型
23、及控制字段的意義33幀類型nI幀幀 : N(S) 發送發送幀的順序號幀的順序號 N(R) 接收幀的順序號接收幀的順序號 P/F= Poll / Final, P=1 詢問,詢問,F=1 響應響應 P與與F成對出現成對出現nS幀幀 :監控功能位監控功能位,對于接收到的以前各幀的監控,用于對于接收到的以前各幀的監控,用于表示接收狀態,同時進行流量控制和差錯控制。表示接收狀態,同時進行流量控制和差錯控制。 S = 00,RR(receive ready) S = 10,RNR(receive not ready) S = 01,RJE(reject) S = 11,SREJ(select rejec
24、t) RR幀和幀和RNR幀:幀:確認確認流量控制流量控制; RJE幀和幀和SREJ幀:幀:確認確認差錯控制差錯控制。nU幀幀 :用于實現數據鏈路控制功能用于實現數據鏈路控制功能34U幀的格式與鏈路控制功能354.4.4 數據鏈路層的工作過程數據鏈路層的工作過程n簡化的信息幀結構的表示方法簡化的信息幀結構的表示方法n一個信息幀的表示一個信息幀的表示 I, N(S)=3, N(R)=4, P=136n無編號幀的表示方法無編號幀的表示方法 nSNRM幀與幀與UA幀結構的表示方法幀結構的表示方法 U , SNRM , P=1U , UA , F=1置置異異步步響響應應模模式式:無無編編號號確確認認:0
25、1111110A11001001FCS 0111111001111110A11001110FCS 01111110置置異異步步響響應應模模式式:無無編編號號確確認認:置正常響應模式:置正常響應模式:無編號確認:無編號確認:無編號確認:無編號確認:置正常響應模式:置正常響應模式:37正常響應正常響應模式數據模式數據鏈路工作鏈路工作38討論:數據鏈路層與物理層的關系394.5 Internet中的數據鏈路層 Internet中主要的數據鏈路層協議中主要的數據鏈路層協議nSLIP (Serial Line IP) 串行線路的串行線路的Internet數據鏈路層協議數據鏈路層協議nPPP ( Poin
26、t-to-Point Protocol) 點對點協議點對點協議nSLIP與與PPP用于串行通信的撥號線路上,是目前家庭用于串行通信的撥號線路上,是目前家庭計算機或公司用戶通過計算機或公司用戶通過ISP接到接到Internet主要的協議。主要的協議。 40PPP協議基本特點協議基本特點nPPP協議是協議是Internet標準,標準,RFC 1660、RFC 1661定定義了義了PPP協議與幀結構;協議與幀結構;nPPP協議處理了差錯檢測,支持面向字符型協議與面協議處理了差錯檢測,支持面向字符型協議與面向比特型協議向比特型協議,可以支持可以支持IP協議及其他一些網絡層協議協議及其他一些網絡層協議(
27、例如(例如IPX協議);協議);nPPP協議不僅在撥號電話線,并且在路由器協議不僅在撥號電話線,并且在路由器路由器路由器之間的專用線上廣泛應用之間的專用線上廣泛應用;nPPP協議是在大多數家庭協議是在大多數家庭個人計算機和個人計算機和ISP之間使用的之間使用的協議協議,它可以作為在高速廣域網和社區寬帶網協議族,它可以作為在高速廣域網和社區寬帶網協議族的一部分。的一部分。 41點對點點對點PPP鏈路通信過程鏈路通信過程建立數據鏈路建立數據鏈路PPP鏈路控制幀鏈路控制幀LCP選擇和配置網絡層協議選擇和配置網絡層協議PPP網絡控制幀網絡控制幀NCP網絡層數據包在網絡層數據包在PPP協議控制下傳輸協議
28、控制下傳輸PPP信息幀信息幀42PPP信息幀格式n 標志(標志(flag):):01111110n 地址地址(address):值為值為“FF”(11111111),),表示網中所有的表示網中所有的站都接收該幀。站都接收該幀。n 控制控制(control):值為值為“03”(00000011)n 協議(協議(protocol):):長度為長度為2字節,它標識出網絡層協議數據域字節,它標識出網絡層協議數據域的類型。的類型。 常用的網絡層協議的類型主要有:常用的網絡層協議的類型主要有: 0021HTCP/IP 0027HDEC 0023HOSI 002BHNovelln信息字段:信息字段:長度可變長度可變n幀校驗字段幀校驗字段43鏈路控制幀(LCP)與網絡控制
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