[计算机网络]Ch.3 数据链路层

数据链路层

1.DLL层设计问题

1.1 DLL层·功能

数据链路层使用物理层提供的服务在通信信道上发送和接收比特。
(1) 向网络层提供一个定义良好的接口
(2) 处理传输错误
(3) 调节数据流,确保慢速的接收方不会被快速的发送方淹没
提供的服务
(1) 无确认的无连接服务 (局域网)
(2) 有确认的无连接服务 (无线通信)
(3) 有确认的有连接服务 (电话)
无线通信,信道使用率很低但数据传输的误码率相对较高,确认是必要的

1.2 成帧

成帧:将原始的位流分散到离散的帧中。
成帧的方法有:
(1)字符计数法
(2)带字节/字符填充的标志字节法
(3)比特填充的比特标志法
(4)物理层编码违例法

(1)字符计数法

字节计数法:利用帧头部的一个字段来标识该帧中的字符数
缺点:简单,无法恢复,已经很少使用

字符计数法

(2)带字节/字符填充的标志字节法

该方法考虑了错误之后重新开始同步的问题,用一些特殊字节(FLAG)作为帧开始和结束标志,用转义字符(ESC)来区分二进制数据中存在的特殊字节。

Paste_Image.png

(3)比特填充的比特标志法

    1. 以特殊的位模式01111110作为帧标志,即一个帧的开始(同时标志前一个帧的结束)
    1. 当帧内容中出现一个与帧标志相同的位串01111110,则在5个1后插入一个0,即变成01111101,接收方将自动删除第5 个1后的0。这称为位填充法,也称为透明传输。
Paste_Image.png

(4)物理层编码违例法

采用冗余编码技术,如曼切斯特编码,即两个脉冲宽来表示一个二进制位
数据0:低-高电平对
数据1:高-低电平对
高-高电平对和低-低电平对没有使用,可用作帧边界

2. 纠错和检错

  • 帧的校验
  •   超时与重发(计时器)
  •  帧的序号(解决重复帧的问题)
  • 流控 基于反馈的流控 基于速率的流控(发送端确定,在DLL 中几乎不采用)

2.1帧的校验

差错的种类:

  • 单个错误,错误分散在各块中
  • 突发错误,错误集中在某块中

差错的处理:

    1. 纠错码(需要太多的冗余位,纠错开销太大,主要用于无线网络
    1. 检错码 (不能恢复,可重传)

计算机网络中主要采用:

  • 检错码:循环冗余码(CRC)
  • 纠错码:海明码

2.1.1 海明码

海明距离的意义:如果海明距离为d,则一个码字需要发生d个1位错误才能变成另外一个码字
海明距离与检错和纠错的关系:

  1. 海明距离为d+1的编码能检测出d位差错。

因为在距离为d+1的检验码中,只改变d位的值,不可能产生另一个合法码。如奇偶校验码,海明距离为2,能查出单个错。

  1. 海明距离为2d+1的编码,能纠正d位差错。

因为此时,如果一个码字有d位发生差错,它仍然距离原来的码字距离最近,可以直接恢复为该码。(奇偶校验码,海明距离为2,可以检出单个错)


纠正单比特错的冗余位下界,m为数据位数r为校验位数

                                       (m+r+1)≤2^r
  1. 每一个码字从左到右编号,最左边为第1位
  2. 校验位和数据位
    凡编号为2的乘幂的位是校验位,如1、2、4、8、16、……。
    其余是数据位,如3、5、6、7、9、……。
  3. 每一个校验位设置根据:包括自己在内的一些位的集合的奇偶值(奇校验或偶校验)。
2.1.1.1 如何决定每个数据位的校验码

将某一位数据位的编号展开成2的乘幂的和,那末每一项所对应的位即为该数据位的校验位(收方使用)。
如: 11 = 1 + 2 + 8
29 = 1 + 4 + 8 + 16
校验位1的检验集合为所有奇数位。
校验位2的检验集合:2、3、6、7、10、11、…
校验位4的检验集合:4、5、6、7、……
校验位8的检验集合:8、9、10、11、……

海明码纠错过程(只纠错1位)
首先将差错计数器置“0”。
当海明码数据到达接收端后,接收端逐个检查各个校验位的奇偶性。
如发现某一校验位和它所检测的集合的奇偶性不正确,就将该检验位的编号加到差错计数器中。
待所有校验位核对完毕:
若差错计数器仍为“0”值,则说明该码字接收无误。
非“0”值,差错计数器的值为出错位的编号,将该位求反就可得到正确结果。


例子:

计算"1001000"的偶校验时的海明码字?

经计算需要的检验字个数的最小值 r应满足 ( 所以r最小值为4,再根据校验位的对应规则可得下表:

Paste_Image.png

海明码纠错实例

Paste_Image.png

Data: 1011010
Even: 1011010 0 (偶校验)
Odd: 1011010 1 (奇校验)

2.1.2 循环冗余检错码CRC

  • 可以检测到所有长度小于等于r的突发错误
  • 广泛用于各种网络,几乎所有的局域网

使用CRC编码时发送方和接收方必须预先商定一个生成多项式G(x),假设有一个m为的帧M(x),使用G(x)生成的帧的步骤如下:
假设G(x)的阶为r, 那么M(x)在末尾添加r个0,得到 m+r位的位模式 。
利用模2出发,用G(x)去除 ,得到对应的余数(总是小于等于r位)。
利用 减去(模2减法)第2步中得到的余数,得到的位模式就是即将被传输的带校验和的帧
Sender
在数据帧的低端加上r个零,对应多项式为XrM(x)
采用模2除法,用G(x)去除XrM(x),得余数
采用模2减法,用XrM(x)减去余数,得到带CRC校验和的帧
Receiver
用收到的幀去除以G(x)
为零:无错误产生。非零:发生了错误,重传

3.基本DLL层协议

3.1 协议1 乌托邦式单工协议(理想的)

在一定条件下运作:

  • 数据单向传送
  • 收发双方的网络层都处于就绪状态(随时待命)
  • 处理时间忽略不计(瞬间完成)
  • 可用的缓存空间无穷大(无限空间)
  • 假设DLL之间的信道永远不会损坏或者丢失帧(完美通道)
  • “乌托邦”

缺点

  • 不现实,没有任何流量控制
  • 处理过程接近无确认的无连接服务,却没有差错检测
协议1实现

3.2 协议2 无错信道上的单工停-等式协议

  • 添加了确认帧
    用于防止慢的接收方被数据淹没
    收方回发一个哑帧,发送方收到哑帧,表明收方允许接收数据,
    此时再次发送下一帧数据
    采用一个半双工的物理信道

缺点

  • 新旧帧无区别对待(详情看协议3)


    协议2实现

3.3 协议3 有错信道上的单工停-等式协议(重传+确认)【ARQ/PAR】

对协议2的改进:

Paste_Image.png

确认帧
只在接收无差错时才发确认帧,出错时不发确认帧。
重发
网络中采用检错码,无法纠正错误,由重发原来帧的方式来恢复正确的帧。
计时器
控制何时重发,防止无限期等待(死锁)。
帧序号
防止重发时接收端收到重复的帧,序号还用于接收时排序。
保证送给网络层的都是按序无重复的分组

帧格式:


****

协议3
Paste_Image.png
Paste_Image.png

3.3&3.4的夹缝 下一类协议:滑动窗口协议

与前三个协议不同,这是一个双向传递的协议。之后的三个协议都属于滑动窗口协议。

  • 捎带确认
    当发送方的数据帧到来,抑制自己并开始等待,直到网络层传给他下一个要发的数据包,将确认信息搭载在下一个外发的数据帧(s.ack)上。
    如无法“捎带”,当一个控制捎带确认的计时器超时后,单独发确认帧。
    捎带确认的作用:更好的利用了信道的可用带宽。帧头的确认信息只占用很少的几位,而单独的帧需要一个帧头、确认信息和校验和
滑动窗口本质
Paste_Image.png

滑动窗口协议
如果发送端可以连续发送一批数据帧,必须考虑接收端是否来得及接纳与处理这么多的帧,这里就提出了网络流量控制问题

N回退协议选择重传协议:
由于传输过程中存在延迟,即数据在传播过程中需要时间,那么如果使用上面所提及的协议,传输过程中有大量的时间存在阻塞状态,所以为了充分利用带宽,我们让发送方一次发送w个帧。所以就存在如何处理在传输过程中出现的帧错误的问题


3.4 协议4, 1位滑动窗口协议

协议四的基本工作原理:
窗口设置

  • 滑动窗口最大值: MAX_SEQ = 1
  • 通信双方初始值: seq =0, ack=1(期待接收seq=0)

窗口滑动机制

  • A首先发送数据帧( seq=0, ack=1, A0)
  • B收到A0,发送捎带确认帧(seq=0, ack=0, B0)
  • A收到对A0的确认,滑动窗口,发送帧(seq=1, ack=0, A1)

特点

  • 序列号seq和确认值ack“0”“1”交替
  • 滑动窗口长度W=1,收到确认才移动窗口
  • 保证按顺序将接收到的正确帧只一次上交网络层
  • 发送数据帧01,10交替,确认帧00,11交替
协议4-实现

出错情况
连续发送W个数据帧,其中有一帧出错,但其后续帧被成功发送

Paste_Image.png
Paste_Image.png

改进:针对出错情况接收方的接收策略选择
丢弃错帧及后续幁,其后续帧因不是期望接收帧也被丢弃
丢弃错帧,缓存后续正确接收帧
对应的发送方的重传策略选择
缓存在发送窗口中的出错帧以及其后续帧全部重发——协议5
只重发出错帧——协议6

3.5 协议5 回退N协议

连续发送W帧的原因

接收方的接收策略:丢弃错帧,其后续帧因不是期望接收帧也被丢弃(接收窗口为1)。
发送方的重传策略:缓存在发送窗口中的出错帧以及其后续帧全部重发

3.5.1 基本概念:

  • 定义序列号seq的取值范围和滑动窗口长度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
    w值:

W<=2BD+1(个帧)
BD:带宽-延迟乘积,bit乘积出来之后换算成帧的个数

Paste_Image.png

3.5.2 回退N协议:

Paste_Image.png
Paste_Image.png

该图的发送方和接收方的窗口大小都是7,那么也就是说发送方一次最多只能发送7个帧,刚开始发送方只能发送序号为0~6的数据帧,图中发送方收到序列号为第0和第1号帧的确认帧,那么整个窗口向前滑动,发送方可以发送序列号为7和8 的数据帧,但是不幸的是2号数据帧并没有收到确认帧,所以整个窗口并不会向前滑动,此时只能等待2号数据帧的计时器超时,那么超时后发送方将会从2号数据帧开始发送,重复这个过程。
实现

回退N协议实现.png
回退N协议实现.png
回退N协议的累计确认

出错情况

出错情况

3.6 协议6 选择重传协议

原因:如果错误很少发生,那么协议5可以很好的工作。一旦线路质量很差,那么重传帧需要浪费大量带宽。而选择重传节约了带宽,允许接收方缓存丢失帧之后的所有帧

接收方的接收策略:丢弃错帧,缓存后续正确接收帧
发送方的重传策略:只重发出错帧。

基本概念:

  • 接收窗口存储差错帧后继的所有正确帧
  • 发送方只重传差错帧
  • 接收方接收重传帧,按正确顺序将分组提交网络层

选择重传策略:
接收方丢掉坏帧,但接受并缓存坏帧后面的所有好帧。

  • 选择重传策略常与否定重传策略一起使用

否定重传策略
当接收方收到错误,他就发送一个否定确认(NAK)信息,而不需要等到相应的计数器超时,提高协议性能。

3.6.1 差错控制策略比较

  • 回退n帧
    发送方需要较大的缓冲区,以便重传
    重传帧数多,适于信道出错率较少的情况

  • 选择重传
    接收方需要较大的缓冲区,以便按正确顺序将分组提交网络层
    重传帧数少,适于信道质量不好的情况

滑动窗口长度w的选择
协议5(回退n帧)W = MAX_SEQ
协议6(选择重传)W= (MAX_SEQ + 1) / 2


发送方和接收方的窗口大小 W=((MAX_SEQ+1))/2,原因是防止窗口重叠,在确认帧丢失的情况下而导致的数据错误

窗口重叠1
重口重叠2.png
窗口重叠3
窗口重叠4
窗口重叠5

接收方在某个帧出错后继续接受和缓存后续发送的数据包,直到整个窗口的填满后,把帧进行排序后才传递给网络层。

4. DLL层协议实例

4.1 高级数据链路控制(HDLC),面向位的数据链路协议

  • 特性:
    面向比特、 同步传输( bit-synchronous)

  • 工作原理:数据帧的可靠传输
    面向连接(建立/释放逻辑连接)
    流控制(滑动窗口seq/ack )
    差错控制( go back n / select repeat)

4.2 点到点协议PPP

面向字符的数据链路协议
PPP 是一种在链路上传输分组的常用方法

  • 采用字节填充的帧界法 (0x7E)
  • “无序号帧” (无确认无连接) 用于承载IP分组
  • 采用校验和检错

3个主要特性:

  • 成帧:毫无歧义地区分出一帧的结束和下一帧的开始
  • 链路控制协议(LCP)
  • 网络控制协议(NCP)

PPP两种认证协议: PAP and CHAP

  • PAP是一种简单的明文验证方式
    简单的C发送账号密码到S,S再返回值给C
    这种验证方式的安全性较差,第三方可以很容易获取被传送的用户名和口令

  • CHAP是一种加密的验证方式,能够避免建立连接时传送用户的真实密码
    1.S发送随机数序列给C,C将账号密码与序列运算后发送给S,S返回值给C
    2.NAS 向远程用户发送一个挑战口令(challenge ),其中包括会话ID和一个任意生成的挑战字串(arbitrary challengestring )。远程客户必须使用MD5 单向哈希算法返回用户名和加密的挑战口令
    3.因为服务器端存有客户的明文口令,所以服务器可以重复客户端进行
    的操作,并将结果与用户返回的口令进行对照
    4.在整个连接过程中,CHAP 将不定时的向客户端重复发送挑战口令,从而避免第3 方冒充远程客户(remote client impersonation )进行攻击。

PPP的帧格式

PPP的帧格式.png

PPP成帧是面向字节填充的:
具体细节可以参考上面的字节填充法, 因为PPP重用了HDLC的技术,所以PPP使用标志字(0x7E 01111110)来标记帧的起始,使用0x7D来作为转义字符,具体操作如下:

  1. 使用0x7E来标记帧的开始
  2. 如果在Payload中存在0x7E则在该字节前,填充 0x7D(转义),把 0x7E 和 0x20 进行异或运算,对出现的0x7D 同样处理 0x7E --> 0x7D 0x5E 0x7D --> 0x7D 0x5D
  3. 若信息字段中出现ASCII码的控制字符(即数值小于0x20的字符),则在该字符前面要加入一个0x7D字节,同时将该字符的编码和0x20进行异或处理

接收方接收到帧后进行下面处理:
在帧中遇到0x7D 就把0x7D删除,在把紧跟在0x7D 后的字节和0x20进行异或运算,就得到对应的数据

  • 地址域:固定为11111111 ,可省略
    控制域:缺省为00000011,即无序号帧(即毋需确认),可省略
    协议域:不同的协议不同的代码
    载荷域:可变长,缺省1500字节
    校验和:缺省为2字节,也可定义为4字节

LCP ( Link Control Protocol)提供了建立、配置、维护和终止点对点链接的方法

PPP的工作过程

  • 发送端PPP首先发送LCP帧,以配置和测试数据链路
  • 在LCP建立好数据链路并协调好所选设备之后,发送端PPP发送NCP帧,以选择和配置一个或多个网络协议
  • 当所选的网络层协议配置好后,便可将各网络层协议的分组发送到数据链路上
  • 配置好的链路将一直保持通信状态,直到LCP帧或NCP帧明确提示关闭链路,或有其它的外部事件发生(如用户干预等)

推荐阅读更多精彩内容