第五章 数字链路控制及其协议

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第五章 数据链路控制及其协议

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主要内容5.1 定义和功能5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.1.4 5.1.5 定义 为网络层提供服务 成帧 差错控制 流量控制纠错码 检错码 无约束单工协议 单工停等协议 有噪声信道的单工协议

5.2

错误检测和纠正5.2.1 5.2.2

5.3

基本的数据链路层协议5.3.1 5.3.2 5.3.3

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5.4

滑动窗口协议5.4.1 5.4.2 5.4.3 一比特滑动窗口协议 退后n帧协议 选择重传协议通信协议中的形式化描述技术 有限状态机模型 Petri网模型 高级数据链路控制规程 HDLC X.25的链路层协议LAPB Internet数据链路层协议 ATM数据链路层协议

5.5

协议说明与验证5.5.1 5.5.2 5.5.3

5.6

常用的数据链路层协议5.6.1 5.6.2 5.6.3 5.6.4

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5.1 定义和功能(1)5.1.1 定义

要解决的问题- 如何在有差错的线路上，进行无差错传输。

ISO关于数据链路层的定义- 数据链路层的目的是为了提供功能上和规程上的方法 ，以便建立、维护和释放网络实体间的数据链路。

数据链路- 从数据发送点到数据接收点(点到点 point to point) 所经过的传输途径。

虚拟数据通路，实际数据通路- Fig. 3-14

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5.1 定义和功能(2)数据链路控制规程- 为使数据能迅速、正确、有效地从发送点到达接收点所 采用的控制方式。

数据链路层协议应提供的最基本功能数据在数据链路上的正常传输(建立、维护和释放) 定界与同步，也处理透明性问题 差错控制 顺序控制 流量控制

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5.1 定义和功能(3)5.1.2 为网络层提供服务 为网络层提供三种合理的服务- 无确认无连接服务，适用于 误码率很低的线路，错误恢复留给高层； 实时业务 大部分局域网 - 有确认无连接服务，适用于不可靠的信道，如无线网。 - 有确认有连接服务

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5.1 定义和功能(4)5.1.3 成帧(Framing) 将比特流分成离散的帧，并计算每个帧的校验和。 成帧方法：- 字符计数法 在帧头中用一个域来表示整个帧的字符个数 缺点：若计数出错，对本帧和后面的帧有影响。 Fig. 3-3 - 带字符填充的首尾字符定界法 起始字符 DLE STX,结束字符DLE ETX 字符填充 Fig. 3-4 缺点：局限于8位字符和ASCII字符传送。8

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5.1 定义和功能(5)- 带位填充的首尾标记定界法 帧的起始和结束都用一个特殊的位串“01111110”, 称为标记(flag) “0”比特插入删除技术 Fig. 3-5 - 物理层编码违例法 只适用于物理层编码有冗余的网络 802 LAN:Manchester encoding or Differential Manchester encoding 用high-low pair/low-high pair 表示1/0,high-high/low-low不表示数据，可以用来 做定界符。

注意：在很多数据链路协议中，使用字符计数法 和一种

其它方法的组合。9

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5.1 定义和功能(6)5.1.4 差错控制 一般方法：接收方给发送方一个反馈(响应)。 出错情况- 帧(包括发送帧和响应帧)出错； - 帧(包括发送帧和响应帧)丢失

通过计时器和序号保证每帧最终交给目的网络层 仅一次是数据链路层的一个主要功能。

5.1.5 流量控制 基于反馈机制 流量控制主要在传输层实现13

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5.2 错误检测和纠正(1)

差错出现的特点：随机，连续突发(burst) 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。

5.2.1 纠错码 码字(codeword):一个帧包括m个数据位，r个 校验位，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。14

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5.2 错误检测和纠正(2)- 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； - 为了检查出d个错(单比特错),需要使用海明距离为 d + 1 的编码； - 为了纠正d个错，需要使用海明距离为 2d + 1 的编码；

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。

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5.2 错误检测和纠正(3)

设计纠错码- 要求：m个信息位，r个校验位，纠正单比特错； - 对2m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) 2m 2n 利用 n = m + r,得到 (m + r + 1) 2r 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 + 816

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5.2 错误检测和纠正(4)

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。 - Fig. 3-6 -

使用海明码纠正突发错误- 可采用k个码字(n = m + r)组成 k

n 矩阵，按列发送，接收 方恢复成 k n 矩阵 - kr个校验位，km个数据位，可纠正最多为k个的突发性连续比 特错。17

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5.2 错误检测和纠正(5)5.2.2 检错码 使用纠错码传数据，效率低，适用于不可能重传 的场合；大多数情况采用检错码加重传。 循环冗余码(CRC码，多项式编码)- 110001,表示成多项式 x5 + x4 + 1

生成多项式G(x)- 发方、收方事前商定； - 生成多项式的高位和低位必须为1 - 生成多项式必须比传输信息对应的多项式短。

CRC码基本思想- 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。19

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5.2 错误检测和纠正(6)

校验和计算算法- 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xrM(x); - 按模2除法用对应于G(x)的位串去除对应于xrM(x)的位串； - 按模2减法从对应于xrM(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)。 - Fig. 3-7

CRC的检错能力- 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。

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5.2 错误检测和纠正(7)- 如果只有单比特错，即E(x) = xi,而G(x)中至少有两项， 余数(E(x) / G(x)) 0,所以可以查出单比特错； - 如果发生两个孤立单比特错，即E(x) = xi + xj = xj (xi-j + 1),假定G(x)不能被x整除，那么能够发现两个比特错的 充分条件是：xk + 1不能被G(x)整除 (k i - j); - 如果有奇数个比特错，即E(x)包括奇数个项，G(x)选(x + 1)的倍数就能查出奇数个比特错； - 具有r个校验位的多项式能检查出所有长度 r 的突发性 差错。长度为k的突发性连续差错(并不表示有k个单比 特错)可表示为 xi (xk-1 + … + 1),若G(x)包括x0项，且 k - 1小于G(x)的阶，则 余数(E(x) / G(x)) 0; - 如果突发差错长度为 r + 1,当且仅当突发差错和G(x)一 样时， 余数(E(x) / G(x)) = 0,概率为1/2r-1; - 长度大于 r + 1的突发差错或几个较短的突发差错发生后 ，坏帧被接收的概率为 1/2r。21

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