第三章 数据链路层

思维导图:

一、 数据链路层概述

保证数据传输的有效、可靠

• 　　差错检测和控制
• 　　流量控制
  • 　　　基于速率
  • 　　　基于反馈

帧（frame） = 帧头（head）+ 载荷 （payload field）+  帧尾（Trailer）

• 　　head中有物理地址，trailer中有校验

成帧

• 　　将原始的位流分散到离散的帧中  

 

四种成帧的方法

1.  字符统计法

• 　　在每个帧中第一个字段，标识长度。缺点：一旦出错，无法恢复

2.  字节填充的标志字节法

• 　　考虑了重新同步问题，每一帧采用一个特殊字节做帧界
• 　　标志/标记字节（flag byte）
• 　　传输数据中有特殊字节时，可以在前面加上转义符

3.  比特填充的标志比特法

• 　　位填充法（零比特填充法/透明传输）
• 　　以01111110作为帧界，如果数据中出现该子段，在第五个1后面加上一个0即可

4.  物理层编码违例法

• 　　使用冗余信号，作为帧界
• 　　如：4B/5B编码，32个模式只用了16个，剩下的作帧界

 

 二 、差错处理概述

错误类型

• 　　单个错误
• 　　突发错误

处理类型

• 　　纠错：能够恢复正确，主要用于无限网络
• 　　检错：仅仅检测出错误，不恢复，通常伴随重传，主要用于以太网

码字

• 　　包含数据位和校验位的n位单元（模式）

海明距离

• 　　两个码字之间不同位的数目，可用异或计算
• 　　全部码字海明距离，取最小值
• 　　海明距离为d+1的编码能检测出d位差错，如奇偶校验码，海明距离为2，可检测1位数字
• 　　海明距离为2d+1的编码，能纠正d位差错。如：海明距离为5，可纠正2位的数字
  • 　　接受方与合法码字校验，取海明距离最小的那个合法码字

 

 三、纠一位错的海明码

纠一位错需要的冗余位跟数据位的关系

　　　　，

从而得到：

　　　　

其中，r:冗余位，m：传输数据数目

 

校验位：凡是编号为2的乘幂的位

• 校验位：1、2、4、8、16、32
• 数据位：3、5、6、7、9、10、11

校验位可以设置，依据为包括自身在内的一些位的集合的奇偶值

•  将某一位数据位的编号展开成2的乘幂的和，那么每一项所对应的位即为该数据位的校验位（收方使用），反过来，校验位的校验集合也包括这个数据位
•  如：11 = 1 + 2 +8 ，29 = 1+ 4 + 8 +16
•  校验位1的校验集合为所有奇数位；校验位为2的校验集合：2、3、6、7、10、11

 

具体流程

• 　　发送方：根据校验集合填充校验位；数据直接填入数据位
• 　　接受方：根据校验集合判定校验位是否出错，出错的位编号累加到计数器中。计数器为0，就没出错，否则相应的位数出错。

　　

 可以用其解决一些突发性错误

• 　　如，在k行，m+r列，按照列发送数据。纠正的突发性错误的个数小于等于发送矩阵的行数k
•  

 

 四、检错码

常见的检错码

• 奇偶校验和
  • 　　奇偶取值等同于对数据位进行模2和运算
• 互联网校验和
  • 　　校验和：进行模2加运算
  •        追加到报文尾部
  •        16位互联网校验和
• 循环冗余校验和

 

循环冗余检错码CRC

• 　　工作原理：K位的帧 = K-1 次的多项式
• 　　如1011001，（6阶7项多项式）
• 　　生成多项式：G(x)，G(x)为r阶
• 　　m位帧的多项式：m > r , M(x) > G(x)

发送方：发送的码字就是被除数减去模2除法的余数

　　　　

发送方：判定余数是否为零，为零就无错误

　　　　

模2运算，等同于异或运算

生成多项式国际标准，通常采用CRC32标准：

　　　　

 

 五、基本数据链路协议

协议一（无限制的单工协议）

• 数据单项传递
• 收发双方的网络层都处于就绪状态（随时待命）
• 处理的时间可以忽略不记（瞬间完成）
• 可用的缓存空间无穷大（无限空间）
• 信道不损坏、不丢帧（完美通道）

协议二（半双工）

• 取消接受方无限量允许发送
  • 接受方能够接收，就向发送方发送哑帧

协议三（肯定确定重传）PAR(Positive Acknowledgement with Retransmission)

也可叫做自动重传请求，ARQ（Automatic Repeat ReQuest）

• 取消完美信道——有噪声
  • 接收方采用对正确帧的确认
  • 发送方启动一个定时器，过时就重传
  • 每个帧具有一个独一无二的序号，可以用来重排、重组和防止重复接收

　　　　　　

以下途径可提高效率：

• 使用全双工（双方既可以是发送方，又是接收方）
• 捎带确定——确认帧搭上外发的数据帧，启动一个捎带确认的定时器
• 批发数据，也叫管道化的数据

六、滑动窗口协议 ——协议四

发送窗口：已经发送，未被确认

接收窗口：期待被接收的帧的序列号

• 发送窗口在规定时间内，没收到确认，导致重复发送，可以工作，但是浪费信道
• 协议四，有了一个假设：忽略接收方处理到达帧的时间，RTT（Round Trip Time）来回时间，发送方，发出帧后，等待确定的这段时间，被阻塞

提高带宽的利用率——批量发送

• 信道容量：一帧从发出到目的期间，信道上能够容纳的帧数量
• 带宽延迟积：B*D
• 窗口值：W = 2*BD + 1，实际情况W比计算出来的值小

出错处理策略

• 　　丢弃出错帧和后续帧——协议五
• 　　重传出错的帧——协议六

小结

• 

七、回退n帧——协议五

适合出错率较少的高速信道

• 有一个隐含的接收窗口
• 定义序列号seq的取值范围和滑动窗口W
• 发送方连续发送至发送窗口满
• 接收窗口为1，对出错帧不确认（引发超时）
• 发送方超时重传，从未被确认帧开始

发送方和接收方

• 

 注意：

• 采用统计确认，发送方一直保存着未被确认的帧
• 滑动窗口长度（发送窗口）:  W <= MAX_SEQ，防止确认帧的情况混淆

 

八、 选择性重传——协议六

工作原理

•  

否定确认NAK：接收方发送帧要求重传出错帧

 

 回退n帧和选择性重传的比较

• 

窗口选择

• 　　发送窗口： W = (MAX_SEQ + 1) / 2
• 　　发送窗口通常小于接收窗口

 

 

 三个协议窗口大小比较

•