2013年度全国司法行政系统理论研究规83

1、NETWORK PRINCIPLE 3- 1,CHAPTER 3 DATA LINK LAYER,Data Communications and Computer Networks,中国科学技术大学网络学院 李艺 ,NETWORK PRINCIPLE 3- 2,2.1 基本概念,基本概念 结点（node）：网络中的主机（host）和路由器（router）称为结点 链路(link，物理链路)： 就是一条无源的点到点的物理线路段。 数据链路(data link，逻辑链路)：把实现控制数据传输规程的软件、硬件加到链路上，就形成了数据链路。 现在最常用的方法是使用网卡来实现这些协议的硬件和软件。 网卡包括了数据链路层和物理层这两层的功能。 数据链路层像个数字传输管道 常常在两个对等的数据链路层之间画出一个数字管道，而在这条数字管道上传输的数据单位是帧。 早期的数据通信协议曾叫作通信规程(procedure)。因此在数据链路层，规程和协议是同义语,NETWORK PRINCIPLE 3- 3,2.1 基本概念,链路层提供的服务形式 不确认的无连接服务。 连接方式服务。 确认的无连接服务。 数据链

2、路层的主要功能 数据链路层的主要功能是在发送结点和接收结点之间进行可靠地、透明地数据传输，具体主要包括以下内容： 在物理连接的基础上，当有数据传输时，建立数据链路连接；在结束数据传输后，及时释放数据链路连接。 将要发送的数据组织成一定大小的数据块-帧，以此作为数据传输单元进行数据的发送、接收、应答和校验。 在接收端要对收到的数据帧进行差错检验，如发现差错，则必须重新发送出错的数据帧，这个功能叫做差错控制。 对发送数据帧的速率必须进行控制，以免发送的数据帧太多，接收端来不及处理而丢失数据，此功能叫做流量控制。,NETWORK PRINCIPLE 3- 4,数据链路层的简化模型,局域网,广域网,主机 H1,主机 H2,路由器 R1,路由器 R2,路由器 R3,电话网,局域网,主机 H1 向 H2 发送数据,从层次上来看数据的流动,NETWORK PRINCIPLE 3- 5,数据链路层的简化模( 续）,局域网,广域网,主机 H1,主机 H2,路由器 R1,路由器 R2,路由器 R3,电话网,局域网,主机 H1 向 H2 发送数据,链路层,应用层,运输层,网络层,物理层,链路层,应用层,运输

3、层,网络层,物理层,链路层,网络层,物理层,链路层,网络层,物理层,链路层,网络层,物理层,R1,R2,R3,H1,H2,仅从数据链路层观察帧的流动,NETWORK PRINCIPLE 3- 6,2.1 基本概念,链路管理 主要是发送数据前后的一些控制活动。 链路建立：在通信以前，通信双方要交换一些信息，确认对方已准备好 链路维护：通信过程中维持链路 拆除链路：通信结束后释放链路,NETWORK PRINCIPLE 3- 7,2.1 基本概念,帧定界 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，这就是帧界定要解决的问题。 网络传输中很难保证计时的正确和一致，不能采用依靠时间间隔关系来确定一帧的起始与终止。下面介绍几种常用的帧同步方法。,NETWORK PRINCIPLE 3- 8,2.1 基本概念,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

4、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。 使用字符填充的首尾定界符法：该法用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。,NETWORK PRINCIPLE 3- 9,2.1 基本概念,使用比特填充的首尾定界符法：该法以一组特定比特模式(如01111110)来标志帧的起始与终止。为了不使信息位中出现相同比特流而被误判为帧的首尾标志，我们在信息位中采用比特填充加以区别： 比特填充法：对信息位中的任何连续出现的5个“1”，发送方自动强行在其后插入一个“0”。接收方每收到连续5个“1”，则自动强行删去其后所跟的“0”。以此方法来实现数据传输的透明性。 违法编码法：在物理层采用特定的比特编码方法时采用。例如曼码，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。可用这些违法编码

5、来定界帧的起始与终止。,NETWORK PRINCIPLE 3- 10,2.1 基本概念,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。,NETWORK PRINCIPLE 3- 11,2.2 差错控制,产生差错的原因 物理信道本身电器特性造成的随机噪声； 信号幅度的衰减、频率和相位的畸变； 电器信号在线路上产生反射造成的回音效应； 相邻线路间的串扰以及各种外界因素。 噪声分类 热噪声：由传输介质导体的电子热运动产生的。其特点是时刻存在，幅度较小，频谱很宽，是一类随机的噪声。 冲击噪声：持续时间较长，因而冲击噪声引起的相邻多个数据位出错呈突发性。 在数据通信中，这些原因都会造成信号的失真, 使接受端收到的二进制数位和发送端实际发送的二进制数位不一致，从而造成由“0”变成“1”或由“1”变成“0”的差错。,NETWORK PRINCIPLE 3- 12,2.2 差错控制,差错的控制方法 最常用的差错控制方法是差错控制编码。信息在向信道发送之前，先按照某种数学关系附加上一定的冗余

6、位，构成一个码字后再发送，这个过程称为差错控制编码过程。接收端收到该码字后，检查接收到的数据中信息位和附加的冗余位之间的数学关系是否仍然成立，以确认传输过程中是否有差错发生，这个过程称为检验过程。 差错控制方法分类 检错码能自动发现差错的编码；接收端发现差错时，就设法通知发送端重发，直到收到正确的码字为止。常用的有CRC码。 纠错码接收端不但能发现差错，而且能确定二进制码元发生错误的位置，从而加以纠正。常用的有海明码。,NETWORK PRINCIPLE 3- 13,2.2 差错控制,编码效率 衡量编码性能好坏的一个重要参数是编码效率R，它是码字中信息位所占的比例。编码效率越高，即R越大，信道中用来传送信息码元的有效利用率就越高。编码效率计算公式为： R = k/n = k/(k+r) 式中 k为码字中的信息位位数 r为编码时外加冗余位位数 n为编码后的码字长度,NETWORK PRINCIPLE 3- 14,2.2 差错控制,循环冗余校验(CRC) CRC ( Cyclic Redundancy Code)是一种通过多项式除法检测错误的、很不寻常而又巧妙的方法。它将比特串 bn-1b

7、n-2bn-3b2b1b0 解释成多项式 bn-1xn-1+ bn-2xn-2+ bn-3xn-3+ +b2x2+ b1x1+ b0 因为每个bi或者是0，或者是1，我们只写出bi为1的项，而不写出为0的项。 例如，1011011有7位，表示成多项式是X6+X4+X3+X+1；而多项式X5+X4+X2+X对应的位串是110110。 f(x)= X6+X4+X3+X+1 系数对应 1011011 g(x)= X5+X4+X2+X 系数对应 110110,NETWORK PRINCIPLE 3- 15,2.2 差错控制,CRC工作过程 下面给出CRC过程。所有的运算都是模2。 给定一个比特串，在其尾部追加几个0，并把它叫做B。让B(x)对应于B。 将B(x）除以一事先约定的生成多项式G(x) (Generator Polynomial)，求出余式R(x)。 定义T(x) =B(x)-R(x)。 传输与T(x)对应的比特串T。 设T 代表接收方收到的比特流T(x)为相应的多项式。接收方将T(x)除以G(x)。若余数为0，则接收方认为TT，传输未发生错误。否则，接收方认为(传输)发生了错误并要求重传。,NETWORK PRINCIPLE 3- 16,2.2 差错控制,示例：已知： 信息码:110011 信息多项式:K(X)=X5+X4+X+1, 生成码:11001 生成多项式:G(X)=X4+X3+1(r=4) 求：传送方编码和接收方解码步骤。 解：发送方编码及传送： 1) (X5+X4+X+1)*X4的积是 X9+X8+X5+X4 对应的码是1100110000。 2) 积G(X) (按模二算法)。 3) 冗余码求得是1001，码字就是它们的拼接：100111001。发送方传送码字。,NETWORK PRINCIPLE

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