数据链路层

概述

• 数据链路层主要功能
  在相邻节点之间保证数据帧的“透明” 传输。
• 数据帧
  数据帧是数据链路层的最小数据传输单元， 即DPDU。
  数据帧的一般格式：
  

差错控制

传输差错的特征

• 差错产生的主要原因
  热噪声: 传输介质内的分子热运动。
  冲击噪声： 外界干扰。
• 特征：
  热噪声: 干扰幅度小，持续性，对模拟通信影响大。
  冲击噪声： 干扰幅度大，突发性，对数字通信影响大。
  计算机网络中， 差错控制主要针对冲击噪声。

差错控制方法

通过特殊的编码（差错控制码） ， 使接收端能够发现甚至自动纠正错误。

• 差错控制编码
  检错码： 能够发现差错， 但无法自动纠正差错， 通过发送方重传来获得正确的数据。
  纠错码： 不但能过发现差错， 而且知道哪些位出错， 从而能够自动纠正差错。

流量控制

• 发送方A发送数据帧的速度过快，导致接收方B来不及接受而丢失。
• 数据帧丢失需要重发，浪费信道带宽。
• 流量控制基本思想： A必须获得B的许可才能发送数据帧，从而限制发送方A的发送速度。
• 流量控制策略（协议）：
  停—等协议
  滑动窗口协议
         顺序接收管道协议 （回退n协议 ）
         选择重传协议

停—等协议

协议描述:

• 发送端发送一帧后， 等待对方的应答。

• 接收端收到一帧后， 检查校验位串， 若出错， 则返回“否认” ；若无错， 则返回“确认” 信息。

• 发送端收到“确认” 后， 立即发送下一帧；收到“否认” ， 则重发该帧。

• 发送端发送一帧后， 立即启动超时计时器。 若超时， 则重发该帧。

• 接收端应保存最近收到的帧序号， 若下一个到达帧的序号与该序号相同， 则丢弃该帧， 并返回“确认” 信息。
  

• 缺点：信道利用率低

• 优点：简单

• 信道最大利用率$U=\frac{L/B}{L/B+2R}$
  其中， B为信道速率， L为帧长， R为信号的单程传播延时， U为信道的最大利用率。

滑动窗口协议

• 基本思想：
  为提高信道利用率， 允许发送方连续发送若干帧， 然后再等待对方应答。
• 基本概念
  窗口：可容纳数据帧的缓冲区。
  发送窗口:发送方用来保存已发送但尚未确认的数据帧。
  接收窗口:接收方用来保存已正确接收但尚未提交给主机(网络层)的数据帧。
  窗口尺寸：窗口中可容纳数据帧的数目。
  帧序号:为保证接收方能按正确次序向主机递交数据帧而设立的临时编号。 一般在数据帧的控制字段中用 n 位表示帧序号。 如果用3位表示， 则帧序号为0~7；当超过8帧时，则重复使用这8个帧序号。
  窗口号:对应帧序号。
• 滑动窗口协议的基本规则
  设发送窗口尺寸为2, 接收窗口尺寸为1，则：
  只有帧序号落入当前窗口的帧才有资格发送；发送方收到对方确认信息后， 发送窗口向前滑动（顺序改变当前窗号） 。
  只有帧序号落入当前窗口的帧才接收， 否则丢弃；接收窗口中的帧递交给主机后， 接收窗口向前滑动（顺序改变当前窗号） 。

顺序接收管道协议 （回退n协议）

1. 协议描述：
   设：发送窗口尺寸WT >1， 接收窗口尺寸WR=1。

• 发送方连续发送n帧而无需对方应答， 但需要将已发出但尚未得到确认的帧保存在发送窗口中， 以备重发。
• 接收方将正确且帧序号落入当前接收窗口的帧存入接收窗口，同时按序将接收窗口的帧送交给主机（网络层） 。 出错或帧序号未落入当前窗口的帧予以丢弃。
• 当某帧丢失或出错时， 则其后到达的帧均丢弃， 并返回应答信息， 请求对方从出错帧开始重发。
• 发送方设置一个超时计时器， 当连续发送n帧后， 立即启动超时计时器；若超时且未收到应答， 则重发这n帧。

2. 优点：仅需一个接收缓冲区。
3. 缺点：当信道误码率较高时，会产生大量重发帧。

选择重传协议

• 发送窗口尺寸WT >1， 接收窗口尺寸WR >1 。
• 若某一帧出错， 后面正确到达的帧虽然不能立即送网络层， 但可将其保存在接收窗口；因此， 仅需重传出错帧。
• 优点：仅需重传出错帧，不会产生大量重发帧。
• 缺点：需要多个接收缓冲区

停—等 、 顺序接收管道、 选择重传协议都可以看成是滑动窗口协议， 其差别仅在窗口的尺寸不同， 如下表所示 ：

设帧序号的位数为n， 则：
WT≥WR
WT+ WR≤2n

• 若WR >WT ， 则有 WR-WT个窗口永远用不上。
• WT+ WR≤2n保证了上一轮帧序号和下一轮序号在WT+WR范围内不会出现重复；否则， 接收端无法判断落入窗口的帧是属于哪一轮的。

数据链路层协议举例

HDLC协议

HDLC (High Level Data Link Control) 是一种典型的数据链路层协议，该协议“面向比特”，即以“比特”作为数据帧的基本数据单位。
HDLC帧格式

• 标志
  帧同步标志， 固定为“01111110” ， 标志着一个帧的开始与结束。
  连续发送多帧时， 可用一个标志字段， 既表示帧的开始， 又表示帧的结束。
  为了避免其它字段中出现“01111110”， HDLC采用插“0”技术：
         发送方：除标志位外，连续发送5个“1” 后自动插“0”。
         接收方：连续收到5个“1” 后，其后为“0” ，则自动去掉该“0” 。其后为“1” ，则检查下一位：为“0” 则为标志位。为“1” 则出错。

• 地址
  全“1”为广播地址， 全“0”为无效地址。
  在多点通信中， 表示目的地址。
  在点到点通信中， 地址没有太大意义， 一般用来区分发起方和响应方。

• 控制
  该字段表示帧类型，帧编号及其他控制信息。
  控制字段格式
  
  N(S): 表示信息帧的帧序号（0-7）。
  N®: 接收端期望接收的下一帧的序号。
  P/F ： 轮询/结束位，用于多点轮询访问方式。
  S:
         00:确认以前各帧，准备接受序号从N®开始的后继帧。
         10:确认以前各帧，但暂停接收后继帧，用来进行流量控制。
         01:否认N®起的各帧，请求重发序号从N®开始的各帧。
         11:仅否认 N®帧，请求重发序号为N®的单帧。
  M： 共5位，表示32种控制功能。

• 数据
  要传输的数据，即高层的报文分组， 可以是任意二进制位的组合。

• 帧校验
  16位CRC码， G(X)= CRC-CCITT = x16+x12+x5+1。

HDLC工作原理:

• 建立链路连接
  通过层间接口(服务)，请求建立物理连接。
  请求建立链路连接，即发送SNRM帧。
  接收方同意建立链路连接，即返回UA帧
• 传输数据帧
  数据链路建立完毕，发送/接收方按照某种流量控制策略（停-等、回退n、选择重传），发送和接收数据帧，并允许“捎带应答”。
• 拆除链路连接
  全部数据发送完毕，发送方发出“DISC” （拆除连接）无编号帧，接收方返回UA帧作为响应，释放链路层实体占用的资源。

PPP协议

PPP（Point to Point Protocol） 协议应用场合

ISP： Internet服务提供商，为用户提供接入线路、 IP地址和信息增值服务。

PPP帧格式
标志： 01111110， 标志一帧的开始和结束。
地址：总是固定为11111111。
控制：缺省00000011。
协议： PPP的高层协议， 如 十六进制0021表示IP协议。
数据：静载荷数据， 如 IP分组。
CRC: CRC码， 同HDLC。

在缺省的情况下， PPP没有采用帧序号和确认机制来进行可靠的传输，主要用于信道质量较好的场合，对于信道质量较差的场合（如无线信道），应采用其他协议。