4.1 概述

為什么要設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)鏈路層

• 在原始的物理傳輸線路上傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)是有差錯(cuò)的，存在一定的誤碼率。
• 在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)鏈路層的目的就是如何在有差錯(cuò)的線路上，進(jìn)行無(wú)差錯(cuò)傳輸。向網(wǎng)絡(luò)層提供高質(zhì)量的服務(wù)。
• 從網(wǎng)絡(luò)參考來(lái)看，物理層之上各層都有改善數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的要求，數(shù)據(jù)鏈路層是重要的一層。

定義和功能

• 要解決的問(wèn)題：如何在有差錯(cuò)的線路上，進(jìn)行無(wú)差錯(cuò)傳輸。
• ISO關(guān)于數(shù)據(jù)鏈路層的定義：數(shù)據(jù)鏈路層視為了提供功能上和規(guī)程上的方法，以便建立、維護(hù)和釋放網(wǎng)絡(luò)實(shí)體間的數(shù)據(jù)鏈路。
• 數(shù)據(jù)鏈路：從數(shù)據(jù)發(fā)送點(diǎn)到數(shù)據(jù)接收點(diǎn)（點(diǎn)到點(diǎn)）所經(jīng)過(guò)的傳輸途徑。
  • 虛擬數(shù)據(jù)鏈路：
    • 
  • 實(shí)際數(shù)據(jù)通路
    • 
  • 分組和幀的關(guān)系
  • 
• 功能
  • 數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程
    • 為使數(shù)據(jù)能迅速、正確、有效地從發(fā)送點(diǎn)到接收點(diǎn)所采用的控制方式
  • 數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議應(yīng)提供的最基本功能
    • 數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)鏈路層上的正常傳輸（建立、維護(hù)和釋放）
    • 幀定界（幀同步）
    • 差錯(cuò)控制
    • 流量控制
    • 區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)和控制信息
    • 透明傳輸
    • 尋址
• 數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的位置
  • 
• 數(shù)據(jù)鏈路連接
  • 數(shù)據(jù)鏈路層為網(wǎng)絡(luò)層提供三種基本服務(wù)
    • 無(wú)確認(rèn)無(wú)連接服務(wù)
      • 由上層完成差錯(cuò)控制，適合于誤碼率低，實(shí)時(shí)性要求高的場(chǎng)所，如大部分有線局域網(wǎng)。
    • 有確認(rèn)無(wú)連接服務(wù)
      • 進(jìn)行簡(jiǎn)單的差錯(cuò)控制。適合于不可靠的信道，如無(wú)線網(wǎng)。
    • 面向連接確認(rèn)服務(wù)
      • 在發(fā)送前需要建立連接，保證了幀的正確按序傳輸，適合于可靠性要求較高的場(chǎng)合，適合于大多數(shù)廣域網(wǎng)。
• 應(yīng)答方式：
  • 正向應(yīng)答：只對(duì)正確的信息應(yīng)答
    • 工作方式：
      • 
  • 負(fù)向應(yīng)答：只對(duì)錯(cuò)誤的信息應(yīng)答
  • 雙向應(yīng)答：既對(duì)正確的信息應(yīng)答，也對(duì)錯(cuò)誤的信息應(yīng)答
    

4.2 幀邊界劃分方法

• 成幀
  • 將比特流分成離散的幀，并計(jì)算每個(gè)幀的校驗(yàn)和。
  • 成幀方法：
    • 字符計(jì)數(shù)法
      • 在幀頭用一個(gè)域來(lái)表示整個(gè)幀的字符個(gè)數(shù)
      • 缺點(diǎn)：若計(jì)算出錯(cuò)，對(duì)本幀及后面幀有影響，因此很少采用。
      • 
    • 帶字符填充的首尾字符定界法
      • 用DLE**·**STX表示幀的開始
      • 用DLE**·**ETX表示幀的結(jié)束
      • 用DLE**·**DLE表示傳送信息中的DLE
      • 
      • 缺點(diǎn)：局限于8位字符和ASCII字符傳送，也不被普遍采用
    • 帶位填充的首位標(biāo)記定界法
      • 幀的起始和結(jié)束都用一個(gè)特殊的位串“01111110”，稱為標(biāo)記。
      • 0比特插入刪除技術(shù)，在傳送數(shù)據(jù)信息中每遇到5個(gè)連續(xù)的1后加0
      • 
    • 物理層編碼違例法
      • 只適用于物理層編碼有冗余的網(wǎng)絡(luò)，如曼徹斯特編碼。
    • 在很多數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議中，使用字符計(jì)數(shù)法和一種其他方法的組合。
      

4.3 差錯(cuò)控制

4.3.1 差錯(cuò)原因及特點(diǎn)

• 差錯(cuò)出現(xiàn)的特點(diǎn)：隨機(jī)、連續(xù)突發(fā)
• 差錯(cuò)產(chǎn)生的原因
  • 信道的電氣特性引起的信號(hào)幅度、頻率、相位的畸變
  • 信號(hào)反射
  • 串?dāng)_
  • 閃電、大功率電機(jī)的啟停等
• 出錯(cuò)情況
  • 幀（包括發(fā)送幀和響應(yīng)幀）出錯(cuò)
  • 幀（包括發(fā)送幀和響應(yīng)幀）丟失
    

4.3.2 差錯(cuò)控制方法

• 差錯(cuò)控制的方法
  • 差錯(cuò)控制的目的
    • 保證幀正確、按序送交上層。在接收方能夠判斷接收的數(shù)據(jù)是否正確，若錯(cuò)誤還可能要恢復(fù)錯(cuò)誤。
  • 差錯(cuò)控制的方法
    • 自動(dòng)糾錯(cuò)機(jī)制=向前糾錯(cuò)FEC
    • 檢錯(cuò)反饋重發(fā)機(jī)制ARQ（常用）
    • 混合方式（糾錯(cuò)檢錯(cuò)混合）
  • 碼字
    • 一個(gè)幀包括m個(gè)數(shù)據(jù)位，r個(gè)校驗(yàn)位，稱為n位碼字（n = m+r ）
  • 糾錯(cuò)碼
    • 加入了足夠多的冗余位，使接收方不僅知道有差錯(cuò)發(fā)生，并知道哪些位發(fā)生差錯(cuò)。
  • 檢錯(cuò)碼
    • 加入了冗余位，使接收方知道差錯(cuò)發(fā)生，但不知道什么差錯(cuò)，然后請(qǐng)求重發(fā)。
      

4.3.3 海明碼

• 海明定理
  • 海明距離
    • 兩個(gè)編碼的海明距離：兩個(gè)編碼不相同位的個(gè)數(shù)。
    • 編碼方案的海明距離：編碼方案中任兩個(gè)編碼海明距離的最小值。
    • 
  • 海明定理
    • 為檢測(cè)d位錯(cuò)，編碼方案的海明距離至少為d+1
    • 當(dāng)發(fā)生d位錯(cuò)時(shí)，不會(huì)由一種合法編碼變成另一種合法編碼
    • 為糾正d位錯(cuò)，編碼方案的海明距離應(yīng)至少為2d+1
    • 當(dāng)發(fā)生d位錯(cuò)時(shí)，出錯(cuò)編碼仍然最接近于原始的正確編碼。
      

4.3.4 垂直水平奇偶校驗(yàn)碼

• 奇偶校驗(yàn)碼
  • 在數(shù)據(jù)后添加一個(gè)奇偶位
  • 
  • 若接收方接收到的字節(jié)奇偶結(jié)果不正確，就可以知道傳輸中發(fā)生了錯(cuò)誤。
  • 增加奇偶校驗(yàn)位后海明距離由1變成2，因此可以檢查出一位二進(jìn)制位的差錯(cuò)。
    

4.3.5 循環(huán)冗余檢驗(yàn)碼

• 循環(huán)冗余碼（CRC）
  • 
  • 生成多項(xiàng)式
    • 發(fā)方、收方事前約定
    • 生成多項(xiàng)式的高位和低位必須為1
    • 生成多項(xiàng)式必須比傳輸信息對(duì)應(yīng)的多項(xiàng)式短
  • CRC校驗(yàn)基本思想
    • CRC碼（即校驗(yàn)和）加在幀尾，使帶CRC碼的幀的多項(xiàng)式能被G（x）除盡，若有余數(shù)，則傳輸出錯(cuò)
    • 
    • 
    • 注：R階為r+1位
  • 
    

4.3.6 校驗(yàn)和

• 檢驗(yàn)字段初始置0
• 數(shù)據(jù)拆分成檢驗(yàn)字段等長(zhǎng)的分片，不足部分補(bǔ)0
• 將所有分片按位取反，并連續(xù)累加，丟棄最高進(jìn)位
• 計(jì)算結(jié)果置入檢驗(yàn)字段
• 接收段執(zhí)行相同進(jìn)程，并將結(jié)果和傳輸過(guò)來(lái)的檢驗(yàn)和進(jìn)行比較，以決定數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)差錯(cuò)。
• 適用于高層協(xié)議，如IP、TCP、UDP等。
• 舉例：
  • 
    

4.4 停等協(xié)議

4.4.1 簡(jiǎn)單停等協(xié)議

• 單工傳輸
• 發(fā)送方無(wú)休止工作（要發(fā)送的信息無(wú)限多）
• 接收方無(wú)休止工作（緩沖區(qū)無(wú)限大）
• 發(fā)送數(shù)據(jù)的速率低于接收數(shù)據(jù)的速率
• 通信線路（信道）不損壞或丟失信息幀（無(wú)錯(cuò)）
• 工作過(guò)程
  • 發(fā)送數(shù)據(jù) 取數(shù)據(jù)、構(gòu)成幀、發(fā)送幀
  • 接收數(shù)據(jù) 等待、接收幀、送數(shù)據(jù)給高層
    

4.4.2 帶流量控制的停等協(xié)議

• 單工停等協(xié)議（無(wú)錯(cuò)情況）
  • 增加約束條件：接收方不能無(wú)休止接收
    • 例如：緩沖區(qū)數(shù)量有限，接收速率比發(fā)送速率低等。
  • 解決辦法：
    • 接收方每收到一個(gè)幀，給發(fā)送方回送應(yīng)答。發(fā)送方收到應(yīng)答前不發(fā)送后續(xù)幀。
  • 工作過(guò)程
    • 發(fā)送數(shù)據(jù) 取數(shù)據(jù)，成幀，等待應(yīng)答幀
    • 接收數(shù)據(jù) 接收幀，數(shù)據(jù)送高層，發(fā)送應(yīng)答幀
      

4.4.3 帶差錯(cuò)控制的停等協(xié)議

• 增加約束條件：信道有差錯(cuò)，信息幀可能損壞或丟失
• 解決辦法：
  • 常使用正向應(yīng)答+重發(fā)機(jī)制來(lái)解決差錯(cuò)控制。
  • 數(shù)據(jù)序號(hào)采用循環(huán)序號(hào)機(jī)制。
  • 應(yīng)答幀的兩種方式：
    • 單幀應(yīng)答：應(yīng)答序號(hào)為某一個(gè)正確幀的序號(hào)
    • 成批應(yīng)答：應(yīng)答序號(hào)為下一個(gè)期望接收的序號(hào)
  • 通常采用附載應(yīng)答方式：將數(shù)據(jù)幀攜帶應(yīng)答信息的通信方式稱為附載應(yīng)答?？梢园褢?yīng)答幀的序號(hào)加在信息幀中一并發(fā)送，以提高效率。
• 
  

4.4.4 停等協(xié)議效率分析

4.5 連續(xù)ARQ協(xié)議

4.5.1 連續(xù)ARQ協(xié)議的工作原理

• 工作原理
  • 連續(xù)停等協(xié)議是指不需要收到應(yīng)答幀就可以連續(xù)不斷的發(fā)送下面的幀
• 出錯(cuò)后處理
  • 全部重發(fā)流水線協(xié)議
    • 當(dāng)一個(gè)幀出錯(cuò)，需要重發(fā)出錯(cuò)幀后所有幀
    • 接收方的緩沖區(qū)數(shù)量只需要一個(gè)
  • 選擇重發(fā)流水線協(xié)議
    • 當(dāng)一個(gè)幀出錯(cuò)，只重發(fā)出錯(cuò)幀
    • 接收方的緩沖區(qū)數(shù)量足夠多
    • 
  • 
  • 
    

4.5.2 連續(xù)ARQ協(xié)議的定量分析

4.5.3 滑動(dòng)窗口

• 滑動(dòng)窗口協(xié)議是對(duì)連續(xù)停等協(xié)議的改進(jìn)，它能夠控制已發(fā)送但未確認(rèn)的數(shù)據(jù)幀的個(gè)數(shù)（滑動(dòng)窗口的大小）
• 發(fā)送窗口
  • 窗口尺寸：允許連續(xù)發(fā)送未應(yīng)答幀的個(gè)數(shù)
  • 數(shù)據(jù)允許發(fā)送條件：上界-下界<窗口尺寸
  • 窗口滑動(dòng)的條件：
    • 窗口上界滑動(dòng)：發(fā)送數(shù)據(jù)幀
    • 窗口下界滑動(dòng)：收到應(yīng)答幀
  • 
• 接收窗口
  • 窗口尺寸：允許連續(xù)接收未處理幀個(gè)數(shù)
  • 數(shù)據(jù)允許接收的條件：數(shù)據(jù)序號(hào)落在接收窗口中
  • 滑動(dòng)窗口發(fā)送的條件
    • 發(fā)送應(yīng)答幀后上下界同時(shí)移動(dòng)
  • 
    

4.6 選擇重傳協(xié)議

• 窗口大小與序號(hào)關(guān)系
• n為編號(hào)位數(shù)，Wr為接收窗口個(gè)數(shù)

4.7 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)鏈路接入控制

• Internet中的數(shù)據(jù)鏈路層
  • 點(diǎn)到點(diǎn)通信的主要情形
    • 路由器到路由器
    • 通過(guò)modem撥號(hào)上網(wǎng)，連接路由器到服務(wù)器
    • 
      

4.7.1 串行線路網(wǎng)際協(xié)議（SLIP）

• 1984年，Rick Adams提出，RFC1055，發(fā)送原始IP包，用一個(gè)標(biāo)記字節(jié)（0xC0）定界，采用字符填充技術(shù)
• 新版本提供TCP和IP頭壓縮技術(shù)，RFC 1144
• 存在的問(wèn)題
  • 不提供差錯(cuò)檢驗(yàn)
  • 只支持IP
  • IP地址不能動(dòng)態(tài)分配
  • 不提供身份認(rèn)證
  • 多種版本共存，互聯(lián)困難
    

4.7.2 點(diǎn)到點(diǎn)協(xié)議（PPP協(xié)議）

• RFC 1661，RFC 1662，RFC 1663
• 提供差錯(cuò)校驗(yàn)、支持多種協(xié)議、允許動(dòng)態(tài)分配IP地址、支持認(rèn)證等
• 以幀為單位發(fā)送，而不是原始IP包
• 包括
  • 鏈路控制協(xié)議LCP
    • 建立、配置和測(cè)試多種物理層服務(wù)：modem，HDLC串線，SDH/SONET，以太網(wǎng)等
  • 網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議NCP
    • 建立、配置不同網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議
• PPP的幀格式
  • 
  • 標(biāo)記域：01111110，字符填充；
  • 地址域：11111111
  • 控制域：缺省值為00000011，表示無(wú)序號(hào)幀，缺省情況下，PPP不提供使用序號(hào)和確認(rèn)的可靠傳輸；但是在不可靠線路上，也可使用有序號(hào)的可靠傳輸。
  • 協(xié)議域：指示凈負(fù)荷中是何種包，比如IP，IPX等。缺省大小為2個(gè)字節(jié)。
  • 凈負(fù)荷域：變長(zhǎng)，缺省為1500字節(jié)；
  • 校驗(yàn)和域：2或4個(gè)字節(jié)
• PPP工作過(guò)程
  • 
    

簡(jiǎn)答題

有人認(rèn)為：每一幀的結(jié)束處是一個(gè)標(biāo)志字節(jié)，而下一個(gè)幀的開始處又是另外 一個(gè)標(biāo)志字節(jié)，這種方法非常浪費(fèi)空間。用一個(gè)標(biāo)志字節(jié)就可以完成同樣的 任務(wù)，這樣就可以節(jié)省一個(gè)字節(jié)。你同意這種觀點(diǎn)嗎？

• 不同意
• 如果一直處于正確地發(fā)送或接收數(shù)據(jù)幀，則一個(gè)標(biāo)志字節(jié)可以
• 如果一個(gè)數(shù)據(jù)幀結(jié)束后在長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有新的幀，則接收方無(wú)法得知上一個(gè)數(shù)據(jù)幀是否結(jié)束，且接收方無(wú)法知道下一個(gè)字節(jié)是新幀起始位還是路線上的噪聲。
  

奇偶檢驗(yàn)的一個(gè)改進(jìn)是按 n 行、每行 k 位來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，并且在每行和每列上加上奇偶位。其中右下角是一個(gè)檢查它所在行和列的奇偶位。這種方案能夠檢測(cè)出所有的單個(gè)、2 位和三位錯(cuò)嗎？

• 可以
  

利用 CRC 方法來(lái)傳輸位流 10011101，假設(shè)生成多項(xiàng)式是 CRC-8，請(qǐng)給出實(shí)際被傳輸?shù)奈淮?。如果在傳輸過(guò)程中左邊第三位發(fā)生錯(cuò)誤。試證明：該錯(cuò)誤可以在接收方被檢測(cè)出來(lái)。

生成多項(xiàng)式的二進(jìn)制表示為：100000111，將 10011101 按 CRC 方法除以 100000111 可得余數(shù) 11011010，故實(shí)際被傳輸?shù)奈淮疄椋?001110111011010。
若左邊第三位發(fā)生錯(cuò)誤，即接收到的數(shù)據(jù)位串為 10111101，
則接收端對(duì)接收的位串重新計(jì)算其 CRC 檢驗(yàn)值，肯定不等于 11011010。

數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議幾乎總是將檢錯(cuò)碼放在尾部，而不是頭部，請(qǐng)問(wèn)這是什么原因？

數(shù)據(jù)幀每經(jīng)過(guò)一跳都會(huì)修改其源mac、目的mac以及其他的一些選項(xiàng)，檢錯(cuò)碼放在尾部可以經(jīng)過(guò)一次掃描前述變化內(nèi)容進(jìn)行計(jì)算。

試描述滑動(dòng)窗口是如何實(shí)施流量控制的？

• 滑動(dòng)窗口使用了發(fā)送窗口和接收窗口來(lái)實(shí)施流量控制
• 發(fā)送窗口是允許發(fā)送的數(shù)據(jù)幀集合，其大小表明了發(fā)送端當(dāng)前允許的發(fā)送能力，每發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀，發(fā)送窗口上沿向前滾動(dòng)一個(gè)位置，若上沿減去下沿的差值達(dá)到窗口的最大值，則發(fā)送端停止發(fā)送（即使存在待發(fā)送數(shù)據(jù)）
• 發(fā)送端一旦接收到某個(gè)數(shù)據(jù)幀的應(yīng)答，則將下沿向前滾動(dòng)一個(gè)位置，是的發(fā)送端重新具備發(fā)送能力。
• 在接收端，接收窗口是指接收端允許接收的數(shù)據(jù)幀集合，接收到數(shù)據(jù)幀后，接收窗口上沿向前滾動(dòng)一個(gè)位置，一旦數(shù)據(jù)幀被上層取走后，則窗口下沿向前滾動(dòng)一個(gè)位置，并發(fā)送對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)幀的應(yīng)答。
  

一條 3000 公里長(zhǎng)的 T1 干線被用來(lái)傳輸 64 字節(jié)的幀，通信的兩端使用了連續(xù) ARQ 協(xié)議。如果信號(hào)傳播速度為 6μs/公里，則序列號(hào)應(yīng)該設(shè)置為多少位？

利用地球同步衛(wèi)星在一個(gè) 1Mbps 的信道上發(fā)送 1000b 的幀，該信道離開地球的傳播延遲為 270ms。確認(rèn)信息總是被捎帶在數(shù)據(jù)幀上。頭部非常短，使用3b 序列號(hào)。在下面的協(xié)議中，最大可獲得的信道利用率是多少？（a）停等協(xié)議；（b）連續(xù) ARQ 協(xié)議；（c）選擇重傳 ARQ 協(xié)議。

對(duì)應(yīng)三種協(xié)議的發(fā)送窗口大小分別為 1、7 和 4。

• 1000b 長(zhǎng)的幀需要的發(fā)送時(shí)間為 1ms。若在 t=0 表示傳輸開始，則 t=1ms 時(shí)第一 幀發(fā)送完畢，t=271ms 時(shí)第一幀完全抵達(dá)接收方。
• t=272ms 時(shí)對(duì)第一幀的確認(rèn)幀發(fā)送完畢，t=542ms 時(shí)帶有確認(rèn)的幀完全抵達(dá)發(fā)送方
• 因此，發(fā)送周期為 542ms。
• 如果在 542ms 內(nèi)能夠發(fā)送 k 個(gè)幀（發(fā)送一個(gè)幀耗時(shí) 1ms），則信道利用率為 k/542，
  • 停等協(xié)議，k=1，最大信道利用率=1/542=0.18%；
  • 連續(xù) ARQ 協(xié)議，k=7，最大信道利用率=7/542=1.29%；
  • 選擇重傳 ARQ 協(xié)議，k=4，最大信道利用率=4/542=0.74%；s

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