4计算机网络复习提纲第四章.docx
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4计算机网络复习提纲第四章
第4章数据链路层
4.1数据链路层概述
4.1.1数据链路层的功能
数据链路层的功能是为网络层提供服务。
最主要的服务是将数据从源计算机的网络层传输到目标计算机的网络层。
1.链路管理
链路管理的主要功能是数据链路的建立、维持和释放。
2.帧定界和同步
帧定界是指在每个字段之间进行标识和分界。
帧同步是指双方应能从收到的比特流中准确的区分出一帧的开始和结束。
3.流量控制（滑动窗口机制）
流量控制提供保持发送和接收同步的方法和过程。
发送方发送数据的速率不能大于接收方的接收能力。
4.差错校验与恢复
包括对差错的检验、对正确信息的接收以及对出差错的信息请求再次传送等。
5.区分数据和控制信息
由于数据和控制信息都是在同一信道中传送的，而在许多情况下，数据和控制信息处于同一帧中，因此要有相应的措施使收方能够将它们区分开来。
6.透明传输
透明传输是指不管所传输的数据是什么样的比特组合，都应当能够在链路上传输，
7.寻址
在多点连接的情况下，必须保证每一帧都能送到正确的目的站。
4.1.2成帧
数据链路层从网络层获取到分组，然后将这些分组封装到帧中以便传输。
每一帧包含一个帧头、一个净荷域，以及一个帧尾。
帧管理构成了数据链路层工作的核心。
1.字符计数法
字符计数法利用头部中的一个域来制定该帧中的字符数。
2.含字节填充的分界符法（发送方和接收方要用相同的编码原则）
含字节填充的分界符法让每一帧都用一些特殊的字符作为开始和结束。
这些特殊的字符叫做标志字节（FLAG）。
两个连续的标志字节代表了当前帧的结束和下一帧的开始。
这种方法不适宜传输数据中包含二进制数的帧，因为在包含二进制数的帧中很可能出现与FLAG相同的bit序列。
一种方法是在二进制数中偶然出现的FLAG前再插入一个ESC转义字节，这种方法称为字节填充法。
3.含位填充的分界标志法
含位填充的分界标志法允许数据帧包含任意长度的位，也允许每个字符有任意长度的位。
每一帧的开始和结束都有一个特殊的位模式：
01111110。
当帧中出现一个与帧标志相同的位串，则在连续5个1后自动插入一个0，即变成，接收方将自动删除第5个1后的0。
标志序列只可能出现在帧边界上，不可能出现在数据中。
4.物理层编码标志法（局域网中用的比较多；曼彻斯特编码/差分曼彻斯特编码）
物理层编码标志法适用于物理介质上编码方法中包含冗余信息的网络。
高-高电平对和低-低电平对没有使用，如在二进制编码中出现则称为编码违例，但这两种违例编码正好可用作帧界符。
4.2数据链路层管理机制
流量控制和差错控制是保证数据链路层实现可靠数据传输的最主要的数据链路层管理机制。
数据链路层实现流量控制的一个重要方法是滑动窗口机制。
差错控制的基本方式是确认——重发状态。
4.2.1滑动窗口机制
发送窗口用来对发放进行流量控制，其大小WT表明在收到对方ACK（确认字符）之前的发送方最多可以发送多个数据帧，落在窗口内的数据帧是可以连续发送的。
接受窗口控制那些数据帧可以接收，只有到达的数据帧的序号落在接受窗口之内时才可以被接收，否则将被丢弃掉。
捎带确认是在双向数据传输的情况下，将确认信息放在自己的数据帧的首部字段中捎带出去。
当发送方收到接收方的确认后，发送窗口才能向前滑动，滑动长度取决于接收方确认的序号。
4.2.2自动重发请求
相关概念：
重发：
网络中采用检错码，无法纠正错误，由重发原来帧的方法来恢复正确的帧。
计时器：
控制何时重发。
帧序号：
防止重发时接收端收到的重复的帧，序号还用于接收时排序。
效率的计算方法：
有效数据/全部数据or有效时间/全部时间
1.空闲重发请求（停止—等待协议）（发送窗口WT=1，接收窗口WR=1）
帧编号采取一位二进制。
停止—等待协议的信道利用率：
信道利用率=（发送延时+传播延时）/（发送延时+传播延时+反馈信息传播延时+反馈信息发送延时）
发送延时=数据块长度/信道带宽
传播延时=信道长度/电磁波在信道上的传播速率
设信道容量为B，帧长度为L，信道长度为S，传播速率为V，反馈信息数据长度为M。
信道利用率=（L/B+S/V）/（L/B+2*S/V+M/B）
实现过程：
（1）发送方每次仅将当前信息帧作为待确认帧保留在缓冲存储器中；
（2）当发送方开始发送信息帧时，随机启动计时器；
（3）当接收方收到无差错信息帧后，即向发送方返回一个确认帧；
（4）当接收方检测到一个含有差错的信息帧时，便舍弃该帧；
（5）若发送方在规定时间内收到确认帧，即将计时器清零，继而开始下一帧的发送；
（6）若发送方在规定时间内未收到确认帧（即计时器超时），则应重发存于缓存器中的待确认信息帧。
停止—等待协议的算法和程序见附件。
优点：
所需的缓冲存储空间最小，多用于简单终端的环境。
2.连续重发请求（退回N算法）（发送窗口WT=7，接收窗口WR=1）
实现过程（不发生传输差错情况下）：
（1）发送方连续发送信息帧而不必等待确认帧的返回；
（2）发送方在重发表中保存所发送的每一个帧的备份；
（3）重发表按先进先出（FIFO）队列规则操作；
（4）接收方对每一个正确收到的信息帧返回一个确认帧；
（5）每一个确认帧包含一个唯一的序号，随相应的确认帧返回；
（6）接收方保存一个接受次序表，它包含最后正确收到的信息帧的序号；
（7）当发送方收到相应的信息帧的确认后，从重发表中删除该信息帧的备份；
（8）当发送方检测出失序的确认帧（即第N号信息帧和第N+2号信息帧的确认帧返回，而N+1号的确认帧未返回）后，便重发未被确认的信息帧。
优点：
链路传输效率大大提高。
缺点：
需要更大的缓冲存储空间。
出现差错情况下的退回N策略：
退回N的算法和程序见附件。
3.选择重发请求（发送窗口WT=4，接收窗口WR=4）
选择重发协议在退回机制的基础上做了如下改进：
接受窗口WR>1，这样就可以接收和保存正确达到的失序帧；出现传输差错时只重发出错的帧，后续的正确到达的帧不再重发。
这样可以提高利用率。
优点：
避免重复传送那些本已得到正确传输的帧。
缺点：
在接收端要设置具有相当容量的缓存空间。
选择重发协议的算法和程序见附件。
4.3差错控制
能校验差错的编码称为检错码，可以纠错的编码称为纠错码。
差错控制用的最广泛的方式还是反馈重发纠错。
发送端计算检错码并随信息一起发送，接收端按照同样的方式计算，若发现错误后反馈给发送端，发送端重发信息。
4.3.1奇偶校验
发送方根据发送的字符“0”和“1”的个数确定一个校验位“0”和“1”，接收方检查此位是否还保持数据位的正确关系，以判断是否重发。
奇偶校验码——是一种通过增加冗余位使得码字中“１”的个数为奇数或偶数的编码方法，是一种检错码。
1.水平奇偶校验
水平奇偶校验又称为横向奇偶校验,它是对各个信息段的相应位横向进行编码,产生一个奇偶校验冗余位。
若每个信息段就是一个字符的话,这里的q就是发送的信息块中的字符数。
水平奇偶校验的编码效率为R=q/（q+1）。
2.垂直奇偶校验
垂直奇偶校验又称为纵向奇偶校验,它是将要发送的整个信息块分为定长p位的若干段（比如说q段）,每段后面按"1"的个数为奇数或偶数的规律加上一位奇偶位。
垂直奇偶校验方法的编码效率为R=p/（p+1）。
水平或垂直奇偶校验只能检验出奇数个错误而不能检验出偶数个错误。
3.水平垂直奇偶校验
水平垂直奇偶校验的编码效率为R=pq/[（p+1）（q+1）]。
水平垂直奇偶校验能检出以下类型的错误：
（1）可检出某行、某列所有的奇数个错误
（2）能发现大部分偶数个错误
（3）能发现长度不大于N+1（N为行数，即码字长度）的突发性错误
（4）通过水平垂直奇偶校验码不仅可以检测出一位错误，还可以纠正一位错误
海明码，见附件。
4.3.2循环冗余检验（CRC,多用于局域网和广域网）
在数据后面附加上用于差错检验的冗余码，在数据链路层的帧结构中成为帧校验序列。
冗余的位数常有12、16和32位，一般要附加的用于校验的冗余码的位数越多，检错能力就越强，但传输的额外开销也就越大。
工作原理：
举例：
注：
冗余码的位数是G（x）的最高次数项的次数，即G（x）的位数减1
CRC-16G（x）=x16+x15+x2+1
CRC-CCITTG（x）=x16+x12+x5+1
CRC-32G（x）=x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1
4.3.3校验和
校验和是针对一个数据块（包）进行处理的。
在网络通信系统中，随着每一个数据块（包）一起发送一个校验和，目的是为接收方的计算机进行差错检验。
校验和的计算机方法有很多种，但发送方和接收方必须采用相同的方法。
4.4数据链路层协议
4.4.1HDLC帧格式和操作方式
1.HDLC帧的格式
注：
8比特=1字节
标志8比特：
标识符“01111110”，发送方“0比特插入”，接收方“0比特删除”。
地址8比特：
非平衡配置时总是写入从站地址，平衡配置时总是写入应答站的地址。
当地址全为“1”时表示广播地址，全为“0”时无效。
控制8比特：
定义不同类型的帧，进行链路的建立与拆除、信息的传输以及流量和差错的控制等。
信息不定长，信息字段携带用户数据。
帧校验序列16比特：
采用CRC，生成多项式是CRC—CCITT，校验范围包括地址字段到信息字段的全部比特。
2.三种类型的帧
（1）信息帧I
控制字段的第0比特为“0”，便表示该帧为信息帧。
信息帧包含信息字段，用于传输数据。
N（S）是发送序号，表示当前发送的数据帧的序号。
N（R）是接收序号，表示该站期待接收的下一帧的序号。
P/F是探询（Poll）和终止（Final）位。
P=1表示主站询问，F=1表示响应终止。
（2）监督帧S
若控制字段的第1、2比特为1、0，则对应的帧为监督帧。
监督帧共有四种，取决于第3位、第4位比特的值。
RR（ReceiveReady）帧，SS=00，接收准备就绪。
RNR（ReceiveNotReady）帧，SS=10，接收未准备好，暂停接收。
REJ（Reject）帧，SS=01，拒绝。
否认N（R）起的所有帧。
SREJ（SelectReject）帧，SS=11，选择拒绝。
只否认N（R）帧。
以上四种监督帧，前三种用于连续ARQ协议中，而最后一种只用于选择重发ARQ协议中。
所有的监督帧都不包含要传送的数据信息。
（3）无编号帧U
若控制字段的第1、2比特都是1时，这个帧就是无编号帧。
无编号帧本身不带编号，而是用5位来表示不同功能的无编号帧。
可以定义出32种附加命令和附加响应功能，目前已定义了15种无编号帧。
无编号帧主要起控制作用，在需要时随时发出。
3.HDLC的操作方式
三种类型的通信站：
主站、次站和复合站。
（1）主站：
在链路中用于控制目的的站成为主站。
功能：
发送命令帧、数据信息帧和响应帧；系统初始化、流量控制以及差错控制。
（2）次站
在链路中受主站控制的站。
功能：
接收主站发来的命令帧，向主站发送响应帧，并配合主站控制链路。
（3）复合站
既具备主站功能又具备次站的功能。
两种基本配置：
非平衡配置和平衡配置。
（1）非平衡配置：
由一个主站和一个或多个次站构成。
主站控制次站实现链路管理。
信道可以是点对点链路，也可以是多点共享的链路。
可支持全双工或半双工通信。
（2）平衡配置：
由两个复合站点对点地互连而成。
两个站点地位均等，负有同等的链路控制责任。
信道可支持全双工或半双工通信。
三种操作方式：
正常响应模式（NRM）、异常响应模式（ARM）和异步平衡模式（ABM）。
（1）正常响应模式（用于非平衡配置）：
主站具有选择、轮询次站的能力，并可向次站发送命令或数据；
次站只有在主站轮询时才能作出响应。
（2）异常响应模式（用于非平衡配置）：
主站具有初始化链路，差错校正、链路的建立和释放等功能；
次站可以主动传输数据。
（3）异步平衡模式（用于平衡配置）：
任一组合站均可控制链路，主动传送数据。
4.4.2PPP协议
1.PPP协议组成
一个将IP数据报封到串行链路的方法——异步链路或同步链路。
一个用来建立、配置和测试数据链路的链路控制协议（LCP）。
一套网络控制协议NCP，支持不同的网络层协议。
2.PPP帧格式
PPP帧格式和HDLC帧格式相似，二者主要的区别是：
PPP是面向字符的，而HDLC是面向位的。
PPP协议不是面向比特的，因而所有的PPP帧长度都是整数个字节。
0x7E
0xFF
0x03
0xC021
FCS
0x7E
标志字段
地址字段
控制字段
协议字段
信息字段
帧校验字段
标志字段
1B
1B
1B
2B
缺省1500B
2B
1B
3.PPP链路建立以及工作过程
三个阶段：
创建阶段、认证阶段和网络协商阶段。
4.PPP协议的应用
优点：
简单、具备用户验证能力、可以结局IP分配问题。
家庭拨号上网：
典型的应用是在ADSL（非对称数据用户环线）
利用以太网资源，在以太网上运行PPP来进行用户认证接入的方式称为PPPoE。
在ATM网络上运行PPP协议来管理用户认证的方式称为PPPoA。
数据链路层的工作方式：
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