数据链路层

Posted 流年素心

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了数据链路层相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

一、定义

借助于物理层,为网络层提供服务。

定义一个合适的传输差错率。

对传输的数据流进行管理,以免快速的发送淹没了慢速的接收端。

传输单元是帧。

二、功能

任务:把网络层的数据组合成帧,加上一定的校验,交给物理层用比特流传输到目的计算机。

为网络层提供了一条可靠的数据链路。

相连:物理介质 的连接。当采用多路复用技术时,也可以是信道的连接,特征是传输的数据是顺序的。

物理链路:无源的点到点的物理连接,中间没有交换节点。没有可靠性保证。

数据链路:包括一条物理连接和配置在两端的硬件和相关的数据链路层协议。

三、数据链路层服务的区分规则

通过有无连接、有无确认来区分。

1. 无确认无连接

接收到数据帧后,不发确认。

数据传输前,不建立链接。

应用场景:传输距离短,可靠信道。例如:局域网。

无确认并非不可靠,其可靠性由上层负责。

2. 有确认无连接

不建立连接。接收到数据帧后,必须发出确认。

应用场景:信号传播延时大(建立连接耗时),线路状态不一定很可靠(确认)。例如:无线通信。

3. 有确认有连接

最可靠的方式。

使用前先建立连接。每帧传输必须得到确认。最后要释放连接。

例如:电话。实时应用,需要面向连接来保证实时。

四、可靠传输

解决三个问题:将传输的信息组合成帧;校验和重发;流量控制。

五、数据帧

保证能识别一个完整的帧,保证一旦出现传输差错导致的前一个帧丢失后,也能识别后一个帧——再同步功能。

1. 字符计数法

每帧的第一个字节记录该帧的长度,即1个计数字节+(n-1)个数据字节。

缺点:一旦帧长度计数出错,就无法再同步。

2. 带字符填充的首尾界符法

用特殊的字符作为帧头和帧尾界符。

面向字符的帧格式,传输的数据都是字符(ASCII, EBCDIC字符)。帧中不允许出现帧界符标志。

在面向字符的串行通信中常使用这种格式。

优点:接收方一旦丢失了一个FLAG,只要继续向下搜索下一个FLAG,就可重新确定帧边界。——再同步能力。

面向字符的帧格式不适宜传输数据中包含二进制数的帧,因为这样的帧可能出现与FLAG相同的字符。(一般FLAG用ASCII字符7EH定义)

解决办法:字符插入方法,对于二进制数中偶然出现的FLAG,在它前面插入一个ESC(ASCII字符1BH)。——字符填充法。

如果要传输1B,则再添加1个1B(去掉1个还有1个)。类似于C语言中的转义符。

 

3. 带位填充的首尾界符法

在实际应用中,传输的都是二进制比特串,所以更经常使用位填充的首尾界符法。位插入法,也称透明传输。

面向二进制位的同步串型通信中,常使用位填充,如HDLC

以特殊的位模式01111110为帧标志。

如果由于 干扰,一个帧标志没有正确接收,就继续扫描接收串,一旦扫描到01111110,新的一帧就开始了。

当帧中出现连续的5个1时,插入1个0.

接收时检查连续的5个1后面的位,如果是0就删除,如果是1就结束。

4. 物理层编码违例法

曼彻斯特编码中,连续高电平或低电平,可用作帧界符。因为高-高电平和低-低电平对没有在数据中使用,就称这两种为编码违例,可以用作帧界符。在令牌环网中使用编码违例格式。

六、差错控制

避免帧错误:校验

避免帧丢失:超时和重发

避免帧重复:序号。

1. 确认

接收方收到帧后,如果校验出有问题,接收方可以扔掉,或发送否定性确认。

如果帧正确,就发送肯定性确认。

必须先检测,后发送确认。

2. 差错检测和校正

传输出错的情况:超时,数据中一位或几位因噪声干扰出错。

通常接收方应能检错,甚至 纠错。

纠错码是除m个数据位外,增加r个冗余位作为纠错位,传输总长度为m+r=n。

常用的纠错码是汉明码。

【检错码:校验和】

算法简单,实现容易,但检错强度较弱。如一个位从0变1,另一位从1变0,则分辨不出。

看成二进制整数序列,划分为固定长度(8位,16位,32位等),计算各分段的和,将校验和与数据一起发送。

在接收端重新计算校验和,比较,如果相同则认为正确。

【块校验码BCC】

常用,强度较弱。同校验和,偶数位出错不能检测到。

将所有字符的ASCII码作异或操作。

【循环冗余校验CRC】

把一个K位的帧看成一个K-1次的多项式m(x )

设定一个生成多项式g(x ),r阶。k>r。

R(x ) = x^r M(x ) / G(x )

将CRC码接在帧后一起发送。

接收方只要计算CRC,所得余数为0,就正确。

(例子)1101011011

M(x ) = x^9 + x^8 + x^6 + x^4 + x^3 + x + 1

G(x ) = x^4 +x + 1 = 10011

T(x ) = x^4 *M(x ) = 1101 0110 11 0000

CRC = T(x ) / G(x ) = 1110

最后发送的码为: 1101 0110 11 1110

接收方只需要取前面9位,后4位视为CRC, 用原数据减去CRC,一定可以被G(X )整除。(因为CRC就是余数)

3. 重复帧

帧编号。

如果编号已接收过,则认为是重复帧。

重发机制导致了发送方多次发送同一帧,可能产生重复帧。

【帧的格式】

帧类型TYPE

帧序号SEQ_NO

确认号ACK_NO

信息INFO

前三个是帧头内容,接收方会去掉帧头帧尾,取出信息。

七、流量控制

发送方与接收方的速率匹配。

通常接收方的缓冲区达到一定量时,应及时通知发送方,暂停发送,等候通知。——流量控制机制

 

基本数据链路协议

1. 无限制的单工协议

理想简化:主机A,B的信道是理想信道,信息传输不会出错,没有差错控制。接收方的接收能力无限,不需要流量控制。

只需要简单的帧封装,和上下层的交互。

发送方的数据链路层接口不断询问网络层是否有消息,while(true){…}

如果网络层有信息传输,就把信息传递给数据链路层。数据链路层负责封装帧,然后把帧交给物理层。

接收方等待物理层的事件发生,从物理层取一个帧,解封装,交给网络层。

2. 单工的停-等协议

考虑接收方的处理能力有限,CPU、缓冲区。这就得增加流量控制。

发送方发送一个帧以后,必须停下来,等待接收方处理完后发送回来的确认帧,再发送下一帧。——流量控制。

3. 噪声信道单工协议

发送方发完一帧后,启动定时器,等待确认消息。超时后启动差错控制机制,重发该帧。

问题:效率低。无论是由于接收方收到一个错帧而不发ACK,还是由于帧标志错而导致帧丢失,甚至接收方发送的ACK丢失,发送方的定时器都会超时,而需要一定长的时间才能确认是真的需要重发。

另一个问题是接收方会收到重复帧。

帧序号字段:只需要1个比特,0和1。发送方要记录下一个准备发送的顺序号,接收方要记录下一个期待接收的顺序号。

由于是单工噪声信道,发送和接收过程将严格交替。

应答号字段:仅需要一个比特,接收方期待接收的下一个帧序号。

如果发送方收到的应答号和下一个帧序号相同,则表明发送成功。就停止计时器,从物理层取下一个帧。

如果接收方收到的帧序号和等待的序号相同,就解封装,交给网络层。否则,可能是个重复帧,就不处理。但仍然会向发送方回应确认。

两个问题:

单工通信,不能双向传输,效率低。

如发送方的定时器设定的初值较小,可能出现系统死锁。(实际正确接收的包,被认为丢弃)

4. 双向传输

用四条信道,两条数据,两条应答。信道利用率很低。

用两条信道,一条A到B,一条B到A。接收方采用捎带确认。数据帧和确认帧采用不同的帧格式。

接收到帧后,首先检查格式,如果是数据帧,就给网络层;如果是应答帧,就准备发送下一帧。

捎带确认的方式就是节省了应答帧。不单独发一个确认帧,而是把确认消息附加在数据帧里,可以等待到下一次发送数据时才确认。

5. 滑动窗口协议

收发使用两条信道。

发送窗口、接收窗口

假设发送窗口是5, 接收窗口是3,则发送方可连续发送5个帧,超过5个就停止、等待接收方处理,接收方一次可接收3个,确认一个之后发送方再发送一个。这样,一次发送一批帧是可能的。

两者窗口数相加 是8, 则帧序号可以用3个比特表示。0~7号。

【双向的一位滑动窗口协议】

发送窗口1, 接收窗口1, 则帧序只需要1比特。信道利用率太低。

双向意味着发送方同时也是接收方。既有等待接收的序号,也有等待发送的序号。

发送方发送下一个数据帧之前,必须收到接收方的捎带确认。

凡是接收到一个正确的帧,即使是重复帧,也要发送确认。

每一方发送出去后,就启动计时器。如果是帧的到达,则先判断帧序号是否是等待的帧,如果是则交给网络层,等待的帧序号加1。然后判断应答号是否是上一帧的序号,如果是,说明发送成功,停止计时器,发送下一帧。如果应答号不正确,说明前一个帧没有正确接收,就重发上一帧。

【后退n帧的滑动窗口协议】管道化协议,是一个实用的点对点可靠传输的协议,适合出错较少的情况

发送窗口大于1, 接收窗口为1。总窗口大小是不定的,帧序号的比特数不定。

假设发送窗口为7,则需要3个比特。

每次接收方只等待1个帧序号,其他帧扔掉。如果有一个帧出错了没收到,后面的帧就都收不到。这样,后面N帧全部要重发。——后退N帧。

在发送窗口未满时,允许网络层请求发送。enable_network_layer()。

frame_expected,等待接收的帧号。只有0和1即可。

next_frame_to_send,要发送的下一帧的序号。

ack_expected,滑动窗口期待应答的帧号。

nbuffered,已发送的帧数。

等待事件:

事件1:网络层有消息,

事件2:有帧到达

事件3:帧错误

事件4:超时。

如果已发送的帧数小于最大窗口,允许网络层请求,否则关闭网络层请求接口。

事件1的处理:装配一个数据帧,发送;发送缓冲区数+1, 帧序+1, 启动计时器;准备发送下一帧。

事件2的处理:如果帧是等待接收的帧,就给网络层,等待帧号+1.  如果是一个ACK,如果在已发送的帧序区间,则释放对应的缓冲区,定时器复位,准备接收下一个ACK。如果不在已发送的帧序范围,就说明该帧发送失败,该帧和它后面的帧全部都要重发。——后退N帧。

【选择性重发滑动窗口协议】

一旦帧出错了,不是全部重发,只是重发出错的帧。没有出错的帧,就不重发。可以提高信道效率。但带来的麻烦是,不能随便扔掉不符合的帧,接收方要保存这些收到的帧。因此,接收窗口不能为1,接收窗口和发送窗口都大于1.

例如发送窗口7, 接收窗口7, 则接收方可以保存7个帧。

假设接收完1号帧后,2号帧丢了,接收方仍然可以接收3,4,5,6,7,8号帧,不过应答时ACK都是2,并且收到3号帧时,发送一个否定性确认NAK,确认号为2,表示期待接收2。当发送方定时器超时后,它就发现2号帧发送失败了,重发2号帧,接收方收到2号帧以后,应答时ACK=8,表示这8个帧都收到了。

有一个差错时仅重发一帧,而不是全部重发。

接收方定义了一个辅助计时器,到目前为止多长时间没有发送过确认了,超时时专门发送一个确认帧,以免发送方的定时器超时导致的重发。

定义了一个否定性确认的帧格式。接收方收到一个有问题帧时,发送一个否定性确认NAK。

初始时:

enable_network_layer()

ack_expected=0,

next_frame_to_send=0,

frame_expected=0,

too_far=NR_BUFS,

nbuffered=0,

初始化arrived[]为false。

数据帧的处理包括作为接收方和作为发送方。作为接收方:看帧序是否和等待的帧号相同,如果是,就接收处理,交给网络层。如果不是,如果在接收的窗口之内,就得缓存起来,把arrived[]对应位置1,表示收到。另外,这说明等待的帧丢失了,需要发一个NAK帧告诉发送方丢失了,设置对应标志记录已发送过NAK。

如果接收的是一个NAK,则重发对应帧。

如果接收的是一个ACK,则转动窗口。

详细过程另外总结。

 

【注意】发送窗口+接收窗口<=2^n,发送窗口>=接收窗口。

 

八、

以上是关于数据链路层的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

计算机网络—— 数据链路层:数据链路层概述

计算机网络(3) 数据链路层

数据链路层-第一节:数据链路层概述

计算机网络-数据链路层

数据链路层

计算机网络数据链路层总结