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计算机网络Computer Network 2014年11月2日

课程目录 第1章概述第2章物理层与数据通信基础第3章数据链路层第4章局域网第5章网络层第6章网络互联技术第7章传输层第8章应用层第9章网络管理与信息安全第10章网络新技术专题计算机网络--刘桂江

本章提纲 第3章数据链路层 3.1 数据链路层的功能 3.2 差错检测和校正 3.3 数据链路层协议 3.4 协议描述与验证 3.5 数据链路层协议举例计算机网络--刘桂江

3.1 数据链路层的功能 3.1.1 帧同步 3.1.2 差错控制 3.1.3 流量控制 3.1.4 链路管理计算机网络--刘桂江

定义数据部分的字节数 特殊字符特殊字符转义字符 1帧 1帧 3.1.1 帧同步 • 帧同步：能从比特流中区分出帧的起始与终止。 1、字节计数法 • 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。 2、使用字符填充的首尾定界符法 • 用一些特定的字符来定界一帧的起始与终止。 • 数据的透明性 C count data C data D C C 计算机网络--刘桂江

0 1帧 1 1 1 1 0 0 0 0 3.1.1 帧同步 3、使用比特填充的首尾定界符法 • 以一组特定的比特模式(如01111110)来标志一帧的起始与终止。 • 数据的透明性 4、违法编码法 • 借用违法编码序列来定界帧的起始与终止。 • 例: 在物理层，若用曼彻斯特编码时，高→低表示”1”,低→高表示”0”，则可用高→高或低→低表示起止。 01111110 data 011111010 01111110 01111110 计算机网络--刘桂江

data ack 3.1.2 差错控制 • 通信系统必须具备发现(即检测)差错的能力，并采取措施纠正它，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。 • 反馈重发 • 计时器 • 帧序号防止死等待 A B 防止重复帧多次被接收方交给它的上一层计算机网络--刘桂江

3.1.3 流量控制 • 流量控制就是对发送方发送数据的流量进行控制，使其发送速率不超过接收方的接收速率。 • 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。计算机网络--刘桂江

3.1.4 链路管理 • 数据链路层连接的建立、维持和释放就称做链路管理。 • 链路管理功能主要是用于面向连接的服务。计算机网络--刘桂江

3.2 差错检测和校正 3.2.1 传输差错的特性 3.2.2 奇偶校验 3.2.3 循环冗余校验 3.2.4 海明码计算机网络--刘桂江

3.2.1 传输差错的特性 • 传输中的差错都是由于噪声引起的。噪声有两大类：一类是信道所固有的、持续存在的随机热噪声；另一类是由于外界特定的短暂原因所造成的冲击噪声。 • 误码率 • 编码效率 • 检错码和纠错码 • 差错控制的方式： • 自动请求重发（ARQ） • 前向纠错(FEC) 计算机网络--刘桂江

3.2.2 奇偶校验(1/2) • 奇偶校验的特点： • 奇偶校验码是一种通过增加冗余位使得码字中“1”的个数恒为奇数或偶数的编码方法,它是一种检错码。 • 偶校验: r=I1⊕I2⊕…⊕Ip • 奇校验: r=I1⊕I2⊕…⊕Ip⊕1 • 奇偶校验的分类： • 垂直奇偶校验 • 编码效率 R=p/(p+1) r1 r2 …… rq 冗余位计算机网络--刘桂江

3.2.2 奇偶校验(2/2) • 水平奇偶校验 • 编码效率 R=q/(q+1) • 水平垂直奇偶校验 • 编码效率 R=pq/(p+1)(q+1) 计算机网络--刘桂江

3.2.3 循环冗余校验(1/3) • 它是一种检错码。 • 思想：任何一个由二进制数位串组成的代码都可以和一个只含0和1两个系数的多项式建立一一对应的关系。 • k位信息位对应于一个k-1次多项式K(x)，r位冗余位对应于一个r-1次多项式R(x)，生成的n=k+r位码字则对应于一个n-1次多项式T(x)=xrK(x)+R(x)。 • 生成方法：发送方和接收方依据一事先约定的r次生成多项式G(x)（最高项xr和最低项的系数为1），用G(x)去除xrK(x)得到的余式就是R(x)，即得冗余位。计算机网络--刘桂江

3.2.3 循环冗余校验(2/3) • 示例：设信息位为1010001，即K(x)=x6+x4+1，取G(x)=x4+x2+x+1（对应的代码为10111），则x4 K(x)=x10+x8+x4（对应的代码为10100010000），则 • 所以冗余位为1101， R(x)=x3+x2+1 T(X)=x4K(x)+R(x)= x10+x8+x4+x3+x2+1 对应的发送代码为：10100011101 计算机网络--刘桂江

3.2.3 循环冗余校验(3/3) • 检测方法：接收端用接收到的码字多项式除以生成多项式G(x)，若余式不为0，则传输有差错；否则，认为传输无差错。计算机网络--刘桂江

3.2.4 海明码(1/4) • 是一种可以纠正一位差错的编码。 • 对于奇偶校验码，若信息位为an-1an-2…a1，加上一位偶校验位a0，在接收端校验时，可按关系式S=an-1⊕an-2⊕…⊕a0来计算，若S=0，则无错；若S=1，则有错。上式称为监督关系式，S称为校正因子。 • 思想：增加冗余位，也相应地增加监督关系式和校正因子，就能表示更多的差错情况，包括具体定出是哪一位出错。 Richard W Hamming 计算机网络--刘桂江

3.2.4 海明码(2/4) • 理论依据：当信息位为k位，增加r个冗余位，构成n=k+r位码字。若希望用r个监督关系式产生的r个校正因子来区分无错和在码字中n个不同的位置的一位错，则要求：2r≥k+r+1。 • 生成过程：（假设k=4，则r取3，信息位a6a5a4a3，冗余位a2a1a0）（1）构造监督关系式表计算机网络--刘桂江

3.2.4 海明码(3/4) （2）写出监督关系式由上表可知，a2 、a4 、a5或a6的一位错都应使S2=1，所以令 S2=a2 ⊕a4⊕a5⊕ a6 同理 S1=a1 ⊕a3⊕a5 ⊕ a6 S0=a0 ⊕a3 ⊕a4 ⊕ a6 （3）求出冗余位关系式令S0 、S1和S2为0，即可求出a0 、a1和a2： a2 =a4 ⊕a5 ⊕ a6 a1 =a3 ⊕a5 ⊕ a6 a0 =a3 ⊕a4 ⊕ a6 • 示例（P69 表3.2）计算机网络--刘桂江

3.2.4 海明码(4/4) • 纠错 • 在接收端收到每个码字后,按监督关系式算出校正因子,若它们全为“0”,则认为无错;若不全为“0”,在一位错的情况下,可查监督关系式表来判定是哪一位错,从而纠正之。（示例 P68 ） • 特点：（1）编码效率为k/k+r （上例4/7 ）；（2）较容易实现，但只能纠正1位错。计算机网络--刘桂江

3.3 数据链路层协议 3.3.1 基本链路控制协议 3.3.2 滑动窗口协议计算机网络--刘桂江

3.3.1 基本链路控制协议(1/7) • ARQ（自动重发请求）协议是数据链路层最基本的协议。它是指在接收站接收到包含出错数据的信息（帧）时，自动发出重传出错帧的请求。 • ARQ协议有三种形式： • 停等ARQ协议 • 连续ARQ协议 • 选择重传ARQ协议计算机网络--刘桂江

3.3.1 基本链路控制协议(2/7) 1、停等ARQ协议： • 工作原理 • 发送方发送一个数据帧后，必须停下来等待接收方的确认帧后才可以发送下一个数据帧； • 在接收方接收错误时，接收方则发一否认帧，要求发送方重发该帧； • 为防止发送的数据丢失，发送方内部设置一个定时器，当超过定时时间，而发送方仍未收到确认帧时，发送方重发该帧； • 为防止确认帧丢失而造成接收方接收并递交重复帧，要求发送方给每一个数据帧带上一个序列号。计算机网络--刘桂江

3.3.1 基本链路控制协议(3/7) • 停等ARQ协议的优缺点： • 停等ARQ协议虽然保证了传输的安全可靠，实现简单，但在传输过程中信道的利用率太低。计算机网络--刘桂江

3.3.1 基本链路控制协议(4/7) 2、连续ARQ协议： • 工作原理 • 连续ARQ是连续发送若干数据帧，如果发送方接收到接收端发回的确认帧，则继续发送；发送方在每发完一个数据帧后，就启动内部计时器，在设置的超时时间内未收到该帧的确认帧，则重发该数据帧及其后的N帧，故又称为回退N协议。计算机网络--刘桂江

3.3.1 基本链路控制协议(5/7) • 连续ARQ协议的优缺点： • 连续ARQ协议一方面因连续发送数据帧而提高了效率，但另一方面，在重传时又必须把原来已正确传送过的数据帧进行重传（但仅因这些数据帧之前有一个数据帧出了错），这样又使传送速率降低。 • 若传输信道的传输质量很差而误码率较大时，连续ARQ协议不一定优于停等ARQ协议。计算机网络--刘桂江

3.3.1 基本链路控制协议(6/7) 3、选择重传ARQ协议： • 工作原理 • 当接收方发现某帧出错后，其后继续送来的正确帧虽然不能立即递交给接收方的高层，但接收方仍可收下来，存放在一个缓冲区中，同时要求发送方重新传送出错的那一帧。一旦收到重新传来的帧后，就可以与原来已存于缓冲区中的其余帧一并按正确的顺序递交高层。计算机网络--刘桂江

3.3.1 基本链路控制协议(7/7) • 选择重传ARQ协议的优缺点： • 选择重传减少了浪费，但要求接收方有足够大的缓冲区空间，这在许多情况下是不够经济的。 • 以上三种协议各有利弊，停等ARQ协议最简单，但信道利用率最低；选择重传ARQ协议信道利用率最高，但它要求接收端的缓冲容量相当大；连续ARQ协议介于两者之间。计算机网络--刘桂江

3.3.2 滑动窗口协议(1/3) • 发送的信息帧都有一个序号（0～2n -1），一般用n个二进制位存储；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。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。计算机网络--刘桂江

3.3.2 滑动窗口协议(2/3) • 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。接收窗口容纳允许接收的信息帧，落在窗口外的帧均被丢弃。 • 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序号最小的帧。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。计算机网络--刘桂江

3.3.2 滑动窗口协议(3/3) • 主要的滑动窗口协议： • 滑动窗口协议的工作原理示意图：计算机网络--刘桂江

3.4 协议描述与验证 3.4.1 有限状态机模型 3.4.2 Petri网模型计算机网络--刘桂江

3.4.1 有限状态机模型 • 有限状态机（Finite State Machine，FSM）是一种用来描述系统的常用方法。在这个模型中，系统被描述成有限的状态，在一定的前提条件下会发生一系列的输入事件，这些事件使得系统采取相应的动作，并从一个状态转换成另一个状态，称为状态的变迁或转换（Transition）。计算机网络--刘桂江

3.4.2 Petri网模型 • Petri网是由德国学者C.A.Petri首先提出的一种描述方法,它本质上也是一种有限状态机模型。 • Petri网的描述中有四种基本元素： • 位置(Place)—位置是一圆圈，表示可能进入的状态 • 标记(Token)—位置中的小圆黑点，某个位置中有标记就表示已处于该状态 • 变迁(Transition)—用一根直线段来表示,指明了该变迁发生的条件 • 带箭头的弧线(Arc)—用弧线来表示,指明变迁产生的条件和变迁产生的结果计算机网络--刘桂江

3.5 数据链路层协议举例 3.5.1 数据链路层协议的分类 3.5.2 HDLC 3.5.3 SLIP和PPP 计算机网络--刘桂江

3.5.1 数据链路层协议的分类 • 链路控制协议的分类： • 异步协议——以字符为独立的信息传输单位，在每个字符的起始处开始对字符内的比特实现同步，但字符与字符之间的间隔时间是不固定的(即字符之间是异步的)。 • 同步协议——以帧为传输单位，在帧的起始处同步，使帧内维持固定的时钟。 • 同步协议的类型： • 面向字符的同步协议 • 面向比特的同步协议 • 面向字节计数的同步协议计算机网络--刘桂江

3.5.2 HDLC 1、HDLC的帧格式： 2、HDLC的帧类型： • 信息帧(I帧)—信息帧用于传送有效信息或数据。 • 监控帧(S帧)—监控帧用于差错控制和流量控制。 • 无编号帧(U帧)—无编号帧因其控制字段中不包含编号N(S)和N(R)而得名。U帧用于提供对链路的建立、拆除以及多种控制功能。计算机网络--刘桂江

3.5.3 SLIP和PPP (1/4) 1、SLIP协议： • 串行线路网际协议SLIP用于运行TCP/IP协议的面向字符的点对点串行连接，早在1984年就已经开始使用。 • SLIP通常专门用于路由器和路由器之间的串行连接，有时候也用于家庭主机和ISP的路由器之间的拨号连接。计算机网络--刘桂江

3.5.3 SLIP和PPP (2/4) • SLIP协议的缺点： • SLIP没有差错检测的功能。 • 通信的每一方必须事先知道对方的IP地址，这对拨号入网的用户是很不方便的。 • SLIP仅支持IP，而不支持其他的协议。 • SLIP并未成为Internet的标准协议。因此目前存在着多种互不兼容的版本，影响了不同网络的互联。计算机网络--刘桂江

3.5.3 SLIP和PPP (3/4) 2、PPP协议(Point to Point Protocol) • PPP协议的三个组成部分： • 一个将IP数据报封装到串行链路的方法。 • 一个用来建立、配置和测试数据链路连接的链路控制协议LCP（Link Control Protocol），通信的双方可协商一些选项。 • 一套网络控制协议NCP（Network Control Protocol），支持不同的网络层协议，如IP、IPX 。计算机网络--刘桂江

3.5.3 SLIP和PPP (4/4) • PPP协议的帧格式： • PPP协议的特点： • PPP不使用序号和确认，因此，PPP不提供可靠传输的服务。计算机网络--刘桂江

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