第四章 数据链路层

计算机网络原理 ,自考,计算机应用专业(独立本科段)课程代码4741

计算机网络原理

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第四章 数据链路层一、学习目的与要求了解：面向字符型数据链路层协议实例----BSC 理解：数据链路层的基本概念 数据链路层的帧同步、差错控制、流量控制的功能 流量控制的基本概念和基本协议 数据传输过程中差错山生的原因与性质 线路、链路、数据链路的概念 误码率的定义与差错控制的方法 基本数据链路协议 INTERNET中的数据链路层协议 掌握：面向比特型数据链路层协议实例----HDLC

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二、学习重点以及难点学习重点： 1、数据链路层的帧同步、差错控制、流量控制的功能 2、流量控制的基本概念和基本协议 3、数据传输过程中差错产生的原因与性质 4、误码率的定义与差错控制的方法 5、基本数据链路协议 6、INTERNET中的数据链路层协议 学习难点： 1、面向字符型数据链路层协议实例----BSC 2、面向比特型数据链路层协议实例----HDLC

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三、教学方法和教具教学方法：

1、采用“问题牵引”的教学方法，在课堂上注重讲、 学、做相结合，注重以学生为主体，与学生加 强互 动，充分调动学生的积极性，提高学生的自学能力 2、加强实践动手能力培养，注重实践、强化技能。

教

具：

黑板和投影仪

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四、课时安排4.1 数据链路层的功能 4.2 差错控制 4.3 基本数据链路协议 4.4 链路控制规程 4.5 因特网的数据链路层协议 2课时 2课时 2课时 2课时 2课时

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五、引入新课本章介绍数据链路层功能与协议，其 功能是将物理层提供的传输原始比特流的 连接改造成逻辑上无差错的数据传输链路， 以向网络层提供透明、可靠的数据传输服 务。介绍差错控制方法和编码，介绍因特 网数据链路层的协议。

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第四章 数据链路层4.1 数据链路层的功能 4.2 差错控制 4.3 基本数据链路协议 4.4 链路控制规程 4.5 因特网的数据链路层协议 2课时 2课时 2课时 2课时 2课时

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第四章 数据链路层

数据链路层是OSI参考模型中的第二层,介乎于 物理层和网络层提供的服务的基础上向网络层提 供服务。数据链路层的作用是对物理层传输原始 比特流的功能的加强，将物理层提供的可能出错 的物理连接改造成为逻辑上无差错的数据链路， 即使之对网络层表现为一条无差错的链路。数据 链路层的基本功能是向网络层提供透明的和可靠 的数据传送服务。透明性是指该层上传输的数据 的内容、格式及编码没有限制，也没有必要解释 信息结构的意义；可靠的传输使用户免去对丢失 信息、干扰信息及顺序不正确等的担心。

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4.1数据链路层的功能数据链路层最基本的服务是将源机网络层来的 数据可靠的传输到相邻节点的目标机网络层。为 达到这一目的，数据链路

层必须具备一系列相应 的功能，它们主要有：如何将数据组合成数据块， 在数据链路层中将这种数据块称为帧，帧是数据 链路层的传送单位；如何控制帧在物理信道上的 传输，包括如何处理传输差错，如何调节发送速 率以使之与接收方相匹配；在两个网路实体之间 提供数据链路通路的建立、维持和释放管理。 四个功能：帧同步、差错控制、流量控制、链路 管理

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4.1.1 帧同步功能

为了使传输中发生差错后只将出错的有限数据 进行重发,数据链路层将比特流组织成以帧为单位 传送。帧的组织结构必须设计成使接收方法能够 明确的从物理层收到比特流中对其进行识别，也 即能从比特流中区分出帧的起始与终止，这就是 帧同步要解决的问题。由于网络传输中很难保证 计时的正确和一致，所以不能采用依靠时间间隔 关系来确定一帧的起始与终止的方法。下面介绍 几种常用的帧同步方法。 (1)、字节计数法 (2)、使用字符填充的首尾定界符法 (3)、使用比特填充的首尾定界符法 (4)、违法编码法

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字节计数法这种帧同步方法以一个特殊字符表征一帧的起始， 并以一个专门字段来标明帧内的字节数。接受方可 以通过对该特殊字符的识别从比特流中区分出帧的 起始，并从专门字段中获知该帧中随后跟随的数据 字节数，从而可确定出帧的终止位置。 面向字节计数的同步规程的典型实例是DEC公司的 数字数据通信报协议DDCMP(Digital DataCommunications Message Protocol)。DDCMP 采用的帧格式如下：

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字节计数法

格式中控制字符SOH标志数据帧的起始。Count字段共有14 位，用以指示帧中数据段中数据的字节数，数据段最大长度 为8×(214-1)=131064位，长度必须为字节(即8位)的整倍数， DDCMP协议就是靠这个字节计数来确定帧的终止位置的。 DDCMP帧格式中的Ask、Seg、Addr及Flag中的第2位。它 们的功能分别类似于本节稍后要详细介绍的HDLC中的N(S)、 N(S)、Addr字段及P/F位。CRC1、CRC2分别对标题部分和 数据部分进行双重校验，强调标题部分单独校验的原因是， 一旦标题部分中的Count字段出错，即失去了帧边界划分的 依据，将造成灾难性的后果。 由于采用字段计数方法来确定帧的终止边界不会引起数 据及其它信息的混淆，因而不必采用任何措施便可实现数据 的透明性，即任何数据均可不受限制地传输。

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使用字符填充的首尾定界符法

该法用一些特定的字符来定界一帧的起始与 终止，本节稍后要介绍的BSC规程便是典型 例子。为了不使数据信息位中出现的与特定 字符相同的字符被误判为帧的首尾定界符， 可以在这种数据字符前填充一个转义控

制字 符(DLE)以示区别，从而达到数据的透明性。

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使用比特填充的首尾定界符法

该法以一组特定的比特模式(如01111110)来标 志一帧的起始与终止。本节稍后要详细介绍的 HDLC规程即采用该法。为了不使信息位中出现的 与该特定模式相似的比特串被误判为帧的首尾标志， 可以采用比特填充的方法。比如，采用特定模式 01111110,则对信息位中的任何连续出现的5个 “1”,发送方自动在其后插入一个“0”,而接受方 则做该过程的逆操作，即每收到连续5个“1”,则 自动删去其后所跟的“0”,以此恢复原始信息，实 现数据传输的透明性。比特填充很容易由硬件来实 现，性能优于字符填充方法。若HDLC帧的数据段中出现比特串“0111110011”,则比特填 充后的输出为( )

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违法编码法

该法在物理层采用特定的比特编码方法时采用。 例如，曼彻斯特编码方法，是将数据比特“1”编 码成“高-低”电平对，将数据比特“0”编码成 “低-高”电平对。而“高-高”电平对和“低-低” 电平对在数据比特中是违法的。可以借用这些违 法编码序列来定界帧的起始与终止。局域网IEEE 802标准中就采用了这种方法。违法编码法不需要 任何填充技术，便能实现数据的透明性，但它只 适用采用冗余编码的特殊编码环境。 由于字节计数法中Count字段的脆弱性(其值 若有差错将导致灾难性后果)以及字符填充实现上 的复杂性和不兼容性，目前较普遍使用的帧同步 法是比特填充法和违法编码法。

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2.差错控制功能

通信系统必须具备发现(即检测)差错的能力，并采取 措施纠正之，使差错控制在所能允许的尽可能小的范 围内，这就是差错控制过程，也是数据链路层的主要 功能之一。 接收方通过对差错编码(奇偶校验码或CRC码)的 检查，可以判定一帧在传输过程中是否发生了差错。 一旦发现差错，一般可以采用反馈重发的方法来纠正。 这就要求接受方收完一帧后，向发送方反馈一个接收 是否正确的信息，使发送方据此做出是否需要重新发 送的决定。发送方仅当收到接收方以正确接收的反馈 信号后才能认为该帧已经正确发送完毕，否则需要重 发直至正确为止。

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2.差错控制功能

物理信道的突发噪声可能完全“淹没”一帧，即使得整个数据帧 或反馈信息帧丢失，这将导致发送方永远收不到接受方发来的信 息，从而使传输过程停滞。为了避免出现这种情况，通常引入计 时器(Timer)来限定接收方发回方反馈消息的时间间隔，当发送 方发送一帧的同时也启动计时器，若在限定时间间隔内未能收到 接收方的反馈信息，即计时器超时(Timeout),则可认为传出的 帧以

出错或丢失，就要重新发送。 由于同一帧数据可能被重复发送多次，就可能引起接收方多 次收到同一帧并将其递交给网络层的危险。为了防止防止发生这 种危险，可以采用对发送的帧编号的方法，即赋予每帧一个序号， 从而使接收方能从该序号来区分是新发送来的帧还是已经接受但 又重发来的帧，以此来确定要不要将接收到的帧递交给网络层。 数据链路层通过使用计数器和序号来保证每帧最终都能被正确地 递交给目标网络层一次。 有关差错控制的详细内容，将在本节稍后再做介绍。

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3.流量控制功能

流量控制并不是数据链路层特有的功能，许多高层协议中也提供 流量控制功能，只不过流量控制的对象不同而已。比如，对于数 据链路层来说，控制的是相邻两节点这间数据链路上的流量，而 对于运输层来说，控制的则是从源到最终目的之间端对端的流量。 由于收发双方各自使用的设备工作速率和缓冲存储空间的差 异，可能出现发送方发送能力大于接收方接收能力的现象，若此 时不对发送方的发送速率(也即链路上的信息流量)做适当的限 制，前面来不及接收的帧将被后面不断发送来的帧“淹没”,从 而造成帧的丢失而出错。由此可见，流量控制实际上是对发送方 数据流量的控制，使其发送速率不致超过接收方的速率。也即需 要有一些规则使得发送方知道在什么情况下可以接着发送下一帧， 而在什么情况下必须暂停发送，以等待收到某种反馈信息后再继 续发送。

两种流量控制方案:停止等待方案和滑动窗口机制

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3.流量控制功能 (1)停止等待方案

停止等待方案:发送方发出一帧之后,等待应答信号到达之后发送下一帧;接受方每收到一帧后送回一个应答信号,表示愿意接 受下一帧,如果接受方不送回应答,则发送方必须一直等待. (2)滑动窗口机制 : 为了克服停止等待协议信道利用率低的问题，可以采用滑动窗 口控制方法。 当发送完一个数据帧后，不是停下来等待确认帧，而是继续 发送若干数据帧。由于在等待确认时可以继续发送数据，减少了 信道空闲时间，因而提高了整个通信过程的吞吐量。 “滑动窗口”机制是实现数据帧传输控制的逻辑过程，它要 求通信两端节点设置发送存储单元，用于保存已发送但尚未被确 认的帧，这些帧对应着一张连续序号列表，即发送窗口。接收方 则有一张接收序号列表，即接收窗口. 发送方每次发送一帧后，待确认帧的数目增加1,每收到一个确 认信息以后，待确认帧的数目变减少1.当待确认帧的数目等于发 送窗口尺寸时，便停止发送新帧。

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4.链路管理功能

链路管理

功能主要用于面向连接的服务。在链路 两端的节点要进行通信前，必须首先确认对方已 处于就绪状态，并交换一些必要的信息以对帧序 号初始化，然后才能建立连接。在传输过程中则 要维持该连接。如果出现差错，需要重新初始化， 重新自动建立连接。传输完毕后则要释放连接。 数据链路层连接的建立，维持和释放就称做链路 管理。 在多个站点共享同一物理信道的情况下(例 如在局域网中),如何在要求通信的站点间分配 和管理信道也属于数据层链路管理的范畴。

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4.2 差错控制差错引起的原因主要是噪声，噪声有两类：1、信 道固有的持续存在的的随机热噪声 2、由2外界特定的 短暂原因引起的冲击噪声。

用以使发送方确认接收方是否正确收到了由它发 送的数据信息的方法称为反馈差错控制。通常采用向 前纠错FEC和自动重发请求(ARQ)两种基本方法来实现。 差错控制编码分为检错码和纠错码

实际操作中试用ARQ更多一些。结合使用时，当码 字中的差错个数在一定范围以内时，就使用纠错码， 如果超过了纠正能力，则自动重发进行纠错。

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