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第三章 数据链路层3.1 数据链路层定义和功能一.链路层模型及环境链路（link）通信路径上连接相邻结点的通信信道称为链路点到点（point to point）与端到端（end to end）—从源结点（source node）到目的结点（destination node）的 通信称为端到端通信，通信路径（path）可能由多个链路组成—在相邻结点间的一条链路上的通信称为点到点通信物理链路—逻辑链路（数据链路）逻辑链路=物理链路+链路协议虚拟数据通路—实际数据通路链路层物理层高层链路层物理层高层帧头控制信息数据帧尾链路协议数 据单元L-PDU数据链路层协议定义了一条链路的两个结点间交换的数据单元格 式，以及结点发送和接收数据单元的动作局域网广域网主机 H1主机 H2路由器 R1路由器 R2路由器 R3网局域网链路层应用层运输层网络层物理层链路层应用层运输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R1R2R3H1H2从层次上来看数据的流动二.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。

三. 为网络层提供三种类型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适用于要求可靠的应用四. 数据链路层的功能数据链路层最重要的作用就是：通过一些数据链路层协议（即链路控 制规程），在不太可靠的物理链路上实现可靠的数据传输其主要功能如 下：(1) 链路管理 (2) 帧定界 (3) 流量控制(4) 差错控制 (5) 将数据和控制信息区分开 (6) 透明传输 (7) 寻址(1)链路管理-当网络中的两个结点要进行通信时，数据的发方 必须确知收方是否已处在准备接受的状态为此，通信的双方 必须先要交换一些必要的信息， 用术语讲必须先建立一条数据 链路在传输数据时要维持数据链路，而在通信完毕时要释放 数据链路数据链路的建立、维持和释放就叫做链路管理2)帧同步-在数据链路层，数据的传送单位时帧数据一帧一 帧地传送，就可以在出现差错时，将有差错的帧再重传一次， 避免了全部数据的重传帧同步是指收方应当能从受到的比特 流中准确地区分出一帧的开始和结束3)流量控制-发方发送数据的速率必须使收方来得及接收当 收方来不及接收时，就必须及时控制发方发送数据的速率。

4)差错控制-在计算机通信中，一般都要求有极低的比特差错 率为此广泛地使用了编码技术，主要有两大类，一类是前向 纠错，即收方收到有差错的数据 帧时能自动将差错改正过来 这种方法的开销较大，不适合于计算机通信另一类是检错 重发，即收方可以检测出收到的帧中有差错，于是就让发方重 复发 送这一帧，直到收方正确收到这一帧为止这种方法在 计算机通信中是最常用的5)将数据和控制信息区分开-由于数据和控制信息都是在同一 信道中传输， 在许多情况下，数据和控制信息处于同一帧中 ，因此一定要有响应的措施使收方 能够将他们区分开来6)透明传输-所谓透明传输就是不管所传数据是什么样的比特组 合，都应当能够在链路上传送当所传数据中的比特组合恰巧与 某一个控制信息完全一样 时，就必须采取适当的措施，使收方不 会将这样的数据误认为是某种控制信息 这样才能保证数据链路 层的传输是透明的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 地址双方也应当知道发方是哪一个站 五. 应答的方式4正向应答只对正确的信息应答在网络中最常使用的方式2.负向应答只对错误的信息应答2.双向应答即对正确的信息确认应答，也对错误的信息否定应答 。

正向应答工作方式D0 D0A0 A0D1启动计时器 D1A1计时器超时D1A1(1)正常的数据传送 （2）数据帧丢失及出错六. 典型链路协议最常用的方法是使用适配器（如网卡）来实现这些协议的硬件和软件一般的适配器都包括了数据链路层和物理层这两层的功能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 七. 成帧（Framing）帧—又称链路协议数据单元（L-PDU),含上层数据及链路控制信息的一组 位流序列标志 F帧校验序列 FCS信息Info控制 C地址 A标志 F某帧格式—举例常见成帧方法：字符计数法带字符填充的首尾字符定界法带位填充的首尾标记定界法 物理层编码违例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6868LLCAI16FCSL个字符带字符填充的首尾字符定界法带位填充的首尾标记定界法物理层编码违例法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。

3.2 流量控制—停止等待协议（stop_wait Protocol)1.一. 无约束单工协议（An Unrestricted Simplex Protocol）工作在理想情况，几个前提：§单工传输§发送方无休止工作（要发送的信息无限制）§接收方无休止工作（缓冲区无限大,提交能力不低于发送）§通信线路（信道）不损坏或丢失信息帧工作过程发送程序:取数据，构成帧，发送帧；接收程序：等待，接收帧，送数据给高层二、单工停等协议（A Simplex Stop-and-Wait Protocol）n增加约束条件：接收方不能无休止接收n解决办法：接收方每收到一个帧后，给发送方回送一个响应 n工作过程•发送程序：取数据，成帧，发送帧，等待响应帧；•接收程序：等待，接收帧，送数据给高层，回送响应帧 DATA0ACKACKACKDATA2DATA1等待； 将收到的数据帧 上交主机； 发送应答信息； 转到第一步发出一帧； 等待； 直到收到ACK 才发送下一帧发送方接收方由收方决定发送速度，是流量控制的基本方法三. 有噪声信道的单工协议（A Simplex Protocol for a Noisy Channel）n增加约束条件：信道（线路）有差错，信息帧可能损坏或丢失。

n解决办法：出错重传n带来的问题：•什么时候重传 —— 定时•响应帧损坏怎么办（重复帧）—— 发送帧头中放入序号•为了使帧头精简，序号取多少位 —— ？位n发方在发下一个帧之前等待一个肯定确认的协议叫做PAR（Positive Acknowledgement with Retransmission）或ARQ（Automatic Repeat reQuest）DATA0ACKACKDATA1DATA1丢失DATA0ACKACKACKDATA1DATA1丢失数据帧丢失应答帧丢失送主机送主机丢弃送主机送主机AABBtouttout超时计时器超时计时器§结点A发送完一个数据帧时，就启动一个超时计时器(timeout timer)§若到了超时计时器所设置的重传时间 tout而仍收不到结点 B 的任 何确认帧，则结点 A 就重传前面所发送的这一数据帧§一般可将重传时间选为略大于“从发完数据帧到收到确认帧所需 的平均时间”解决重复帧的问题解决重复帧的问题§使每一个数据帧带上不同的发送序号每发送一个新的数据帧就把它的 发送序号加 1 §若结点 B 收到发送序号相同的数据帧，就表明出现了重复帧这时应 丢弃重复帧，因为已经收到过同样的数据帧并且也交给了主机 B。

§但此时结点 B 还必须向 A 发送确认帧 ACK，因为 B 已经知道 A 还没 有收到上一次发过去的确认帧 ACK从网络层取数，成帧发送帧帧到否应答到否NY Y 丢弃N 成功 Y N 丢弃YNN超时否重复否正确否 接收帧，送网络层发应答停止等待协议的性能分析ABDATADATAACK传播时延 tp处理时间 tpr确认帧发送时间 ta 传播时延 tp处理时间 tprtT时间两个成功发送的 数据帧之间的 最小时间间隔数据帧的 发送时间tf设置的 重传时间tout重传时间§重传时间的作用是：数据帧发送完毕后若经过了这样长的时间还没有收 到确认帧，就重传这个数据帧 §设重传时间为tout = tp + tpr+ ta + tp + tpr 设上式右端的处理时间 tpr 和确认帧的发送时间 ta 都远小于传播时延 tp，因此可将重传时间取为两倍的传播时延，即tout = 2tp§两个发送成功的数据帧之间的最小时间间隔是tT = tf + tout = tf + 2tp 设数据帧出现差错(包括帧丢失)的概率为 p，但假设确认帧不会出现差错。

§设正确传送一个数据帧所需的平均时间 tavtav = tT ( 1 + 一个帧的平均重传次数)当传输差错率增大时，tav 也随之增大当无差错时，p = 0, tav = tT §优点：比较简单 §缺点：通信信道的利用率不高，也就是说，信道还远远没有被数据 比特填满§为了克服这一缺点，就产生了另外两种协议，即连续 ARQ 和选择 重传 ARQ一.连续ARQ协议原理3.3 流量控制—连续ARQ协议允许发送方不等确认帧返回就连续发送多个数据帧接收端只按序接收数据帧，不按序号到来的帧被丢弃确认帧中包含着期望下次收到的帧的序号在发送端发送完一帧后都要设置该帧的超时计时器65432543210tf时间DATAAB出错送主机tout丢弃重传 送主机1.结点B收到出错的帧时有两种选择：发NAK 、不做响应 2.接收端只按序接收数据帧 3.结点A每发送完一个数据帧时都要设置超时计时器若传输信道的质量很差时，连续ARQ协议不一定优于停止等待协议二.滑动窗口的概念21076543210发送窗口WT（a ）21076543210（b ）21076543210（a ）已收到确认已收到确认发送窗口的大小WT代表在还没有收到对方确认信息的情况下发送端最多可以 发送多少个数据帧滑动窗口协议是对连续停等协议的改进，它控制了已发送未确认的帧的个 数，即滑动窗口的大小。

1.发送窗口n窗口最大尺寸：允许连续发送未应答的帧的个数n数据允许发送的条件：窗口尺寸小于最大尺寸n窗口滑动的条件：收到应答帧，发送帧2.接收窗口n窗口最大尺寸：允许连续接收未处理的帧的个数n数据允许接收的条件：窗口尺寸小于最大尺寸n窗口滑动的条件：发送应答帧，接收帧n发送的信息帧都编有一个序号，从0到某个最大值：0 - 2n - 1 ，一般用n个二进制位表示；最大尺寸= 2n - 1n发送端始终保持一个已发送但尚未确认的帧的序号表，称为发 送窗口发送窗口的上界表示要发送的下一个帧的序号，下界表 示未得到确认的帧的最小编号发送窗口大小 = 上界 - 下界， 大小可变；n发送端每发送一个帧，序号取上界值，上界加1；每接收到一个 正确响应帧，下界加1；n接收端有一个接收窗口，大小固定，但不一定与发送窗口相同 接收窗口的上界表示允许接收的序号最大的帧，下界表示希望 接收的帧；n接收窗口容纳允许接收的信息帧，落在窗口外的帧均被丢弃 序号等于下界的帧被正确接收，并产生一个响应帧，上界、下界 都加1接收窗口大小不变。