第 4 章数据链路层

第第 44 章数据链路层章数据链路层

《计算机网络》第 4 章数据链路层

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本章学习要求：

• 了解：数据传输过程中差错产生的原因与性质。• 掌握：误码率的定义与差错控制方法。• 掌握：数据链路层的基本概念。• 了解：面向字符型数据链路层协议实例— BSC 。• 掌握：面向比特型数据链路层协议实例— HDLC 。• 掌握： Internet 中的数据链路层协议。


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4.1 差错产生与差错控制方法4.1.1 为什么要设计数据链路层• 在原始物理传输线路上传输数据信号是有差错的；

• 设计数据链路层的主要目的：将有差错的物理线路改进成无差错的数据链路；方法 — 差错检测差错控制流量控制

• 作用：改善数据传输质量，向网络层提供高质量的服务。


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4.1.2 差错产生的原因和差错类型

• 传输差错 — 通过通信信道后接收的数据与发送数据不一致的现象 ;

• 差错控制 — 检查是否出现差错以及如何纠正差错；• 通信信道的噪声分为两类：热噪声和冲击噪声；• 由热噪声引起的差错是随机差错，或随机错；• 冲击噪声引起的差错是突发差错，或突发错；• 引起突发差错的位长称为突发长度；• 在通信过程中产生的传输差错，是由随机差错与突发

差错共同构成的。


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传输差错产生过程

信源通信信道信宿

数据噪声 +数据噪声

(a)

0

0

1

1

0

0

1 1

1 1

0

0 0

1

1

1

1

1 0

0

0

0

1

1

0

0

0

1

0

0

0 1 0 1 1 0 0 11 0 0 1 0 1 0传输数据

数据信号波形

噪声

数据信号与噪声信号叠加后的波形

采样时间

接收数据

原始数据

出错的位

(b)


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4.1.3 误码率的定义

误码率定义：

二进制比特在数据传输系统中被传错的概率，它在数值上近似等于：

Pe = Ne/N

其中， N 为传输的二进制比特总数； Ne 为被传错的比特数。


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讨论

• 误码率应该是衡量数据传输系统正常工作状态下传输可靠性的参数；

• 对于一个实际的数据传输系统，不能笼统地说误码率越低越好，要根据实际传输要求提出误码率要求；

• 对于实际数据传输系统，如果传输的不是二进制比特，要折合成二进制比特来计算；

• 差错的出现具有随机性，在实际测量一个数据传输系统时，只有被测量的传输二进制比特数越大，才会越接近于真正的误码率值。


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4.1.4 检错码与纠错码

• 纠错码：每个传输的分组带上足够的冗余信息；接收端能发现并自动纠正传输差错。

• 检错码 : 分组仅包含足以使接收端发现差错的冗余信息；接收端能发现出错，但不能确定哪一比特是错的，并

且自己不能纠正传输差错。


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常用的检错码

• 奇偶校验码垂直奇（偶）校验水平奇（偶）校验水平垂直奇（偶）校验（方阵码）

• 循环冗余编码 CRC

目前应用最广的检错码编码方法之一


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4.1.5 循环冗余编码工作原理

发送方接收方

f(x)发送数据

G(x)生成多项式

f(x) xk.G(x)

=Q(x)+R(x)

G(x)

: f(x)实际发送 xk. +R(x)

数据字段校验字段

f(x) xk. R(x)

f '(x)发送数据

G(x)生成多项式

R'(x)=R(x) 接收正确

R'(x)=R(x) 接收出错

发送

f'(x) xk.G(x)

=Q(x)+R'(x)

G(x)


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• 举例：

1 1 0 0 1 1

发送数据比特序列

CRC校验码比特序列

1 0 0 1

CRC带校验码的发送数据比特序列

1 1 0 0 1 1 1 0 0 11 1 0 0 11 1 0 0 1

1 1 0 0 11 1 0 0 1

0

1 0 0 0 0 1

1 1 0 0 1 1 0 0 0 01 1 0 0 1G(x)1 1 0 0 1

1 0 0 0 01 1 0 0 1

1 0 0 1 R(x)

1 0 0 0 0 1 Q(x)

f(x) .xk


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标准 CRC 生成多项式 G （ x ）

• CRC-12 G（ x） = x12+x11+x3+x2+x+1

• CRC-16 G（ x） = x16+x15+x2+1

• CRC-CCITT G（ x） = x16+x12+x5+1

• CRC-32 G（ x） = x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+ x10

+x8+x7+x5+x4 + x2+x+1


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CRC 校验码的检错能力

• CRC 校验码能检查出全部单个错；• CRC 校验码能检查出全部离散的二位错；• CRC 校验码能检查出全部奇数个错；• CRC 校验码能检查出全部长度小于或等于 K 位的突发

错；• CRC 校验码能以 [1- （ 1/2 ） K-1] 的概率检查出长度为

（ K+1 ）位的突发错；• 如果 K=16 ，则该 CRC 校验码能全部检查出小于或等

于 16 位的所有的突发差错，并能以 1- （ 1/2 ） 16-1=99.997 ％的概率检查出长度为 17 位的突发错，漏检概率为0.003% ；


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4.1.6 差错控制机制

反馈重发机制

信源校验码编码器

存储器

发送装置

传输信道

接收装置

发送端

校验码译码器

接收端

信宿

反馈信号控制器

反馈信号控制器


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反馈重发机制的分类

• 停止等待方式

接收端

发送端

ACK NAK ACK

1 2 2 3

1 2 2 3


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连续工作方式

• 拉回方式

• 选择重发方式

发送端

接收端

ACK0ACK1

NAK ACK2ACK3

(a)

ACK0

ACK1

NAK ACK2

ACK6

(b)

ACK3

ACK4

ACK5

丢弃

重传

重传

0 1 2 3 4 5 2 3 4 5 6

0 1 2 3 4 5 2 3 4 5 6

0 1 2 3 4 5 2 6 7 8 9

0 1 2 3 4 5 2 6 7 8 9

发送端

接收端

丢弃


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4.2 数据链路层的基本概念4.2.1 物理线路与数据链路• 线路 — 链路• 物理线路 — 数据链路

电话交换网

modem modem计算机计算机

物理线路

数据链路


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4.2.2 数据链路控制

• 链路管理 • 帧同步 • 流量控制 • 差错控制 • 帧的透明传输 • 寻址

数据链路层协议 — 为实现数据链路控制功能而制定的规程或协议。


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4.2.3 数据链路层向网络层提供的服务

数据链路层服务的类型：

• 面向连接确认服务（ acknowledged connection-oriented service ）；

• 无连接确认服务（ acknowladged connectionless service ）；

• 无连接不确认服务（ unacknowledged connectionless service ）。


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实际数据路径与虚拟数据路径

网络层

数据链路层

物理层

传输介质

应用层

表示层

会话层

传输层

网络层

数据链路层

物理层

2主机

虚拟数据路径

应用层

表示层

会话层

传输层

1主机

a（）虚拟数据路径

网络层

数据链路层

物理层

传输介质

应用层

表示层

会话层

传输层

网络层

数据链路层

物理层

2主机

实际数据路径

应用层

表示层

会话层

传输层

1主机

b（）实际数据路径


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4.3 面向字符型数据链路层协议实例： BSC4.3.1 数据链路层协议的分类

数据链路层协议

-点点线路

广播线路

面向字符型

面向比特型

逻辑链路子层

逻辑链路子层

IBM BSC

ISO BM

IBM SDLC

ANSI ADLC

ISO HDLC

IEEE 802.2

IEEE 802.3

IEEE 802.4

IEEE 802.5

类型

子层


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4.3.2 面向字符型协议实例： BSC

• 什么是面向字符型协议 ? 以字符为控制传输信息的基本单元• ASIIC 码：格式字符： SOH （ start of heading ） STX （ start of text ） ETB （ end of transmission block ） ETX （ end of text ）控制字符： ACK （ acknowledge ） NAK （ negative acknowledge ） ENQ （ enquire ） EOT （ end of transmission ） SYN （ synchrous ） DLE （ data link escape ）


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面向字符型 BSC 协议的数据报文格式

SYN SYN SOH 报头 STX 正文 ETB/ETX BCC

报文开始

同步字符用户定义

报头结束分组结束报文结束

校验字段正文字段


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建立、维护与释放数据链路流程图

ENQ发送

ACK接收

ACK?

发送数据

接收应答

ACK/NAK

?结束

重发

EOT发送准备数据

ENQ放送

ACK发送

,EOT接收数据

ACK发送 NAK发送

ENQ?

EOT?

BCC ?正确

结束

结束Y

Y

Y

Y

N

NN

N

N Y

ACK

NAK


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4.4 典型数据链路层协议分析 — 面向比特型4.4.1 HDLC 产生的背景

面向字符型数据链路层协议的缺点：• 报文格式不一样；• 传输透明性不好；• 等待发送方式，传输效率低。

面向比特型协议的设计目标：• 以比特作为传输控制信息的基本单元；• 数据帧与控制帧格式相同；• 传输透明性好；• 连续发送，传输效率高。


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4.4.2 数据链路的配置和数据传送方式数据链路的配置• 非平衡配置• 平衡配置

非平衡配置中的主站与从站• 主站：控制数据链路的工作过程。主站发出命令 • 从站：接受命令，发出响应，配合主站工作

非平衡配置中的结构特点• 点 -点方式• 多点方式


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数据链路的非平衡配置方式

调制解调器组

主站

从站

从站

从站

从站

主站发出命令

从站进行响应


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非平衡配置方式

正常响应模式（ normal response mode ， NRM ）

• 主站可以随时向从站传输数据帧；• 从站只有在主站向它发送命令帧进行探询（ poll ），从站响应后才可以向主站发送数据帧。

异步响应模式（ asynchronous response mode ， ARM ）

• 主站和从站可以随时相互传输数据帧；• 从站可以不需要等待主站发出探询就可以发送数据；• 主站负责数据链路的初始化、链路的建立、释放与差错恢复等功能。


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平衡配置方式

• 链路两端的两个站都是复合站（ combined station ）；

• 复合站同时具有主站与从站的功能；• 每个复合站都可以发出命令与响应；• 平衡配置结构中只有异步平衡模式（ asynchronous

balanced mode ， ABM ）；• 异步平衡模式的每个复合站都可以平等地发起数据传

输，而不需要得到对方复合站的许可。


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数据链路的平衡配置方式

调制解调器组

复合站

复合站

复合站

复合站

复合站

复合站发出命令或进行响应

复合站发出命令或进行响应


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4.4.3 HDLC 的帧结构

• F （ flag ）：固定格式— 01111110

作用— 帧同步传输数据的透明性（零比特插入与删除）

• A （ address ）：地址• C （ control ）：帧的类型、帧的编号、命令与控制信息• I （ information ）：网络层数据， Nmax = 256B

• CRC （ checksum ）：校验 A 、 C 、 I 字段的数据 G(X)= X16+X12+X5+1

F标志字段(8 )位

A地址字段(8/16 )位

C控制字段(8/16 )位

I信息字段( )长度可变

FCS帧校验字段(16/32 )位



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零比特插入 /删除工作过程

01111110

F

100110111011111 010011111 11001001111110

I F

100110111011111 010011111 1100100 0

01111110 01111110

1001101110111110010011111011001001111110 01111110

5 1连续个

1001101110111110010011111011001001111110 01111110

100110111011111 010011111 11001001111110 011111100 0

01111110 100110111011111 010011111 11001001111110

发送数据：

0比特插入：

实际发送：

实际接收：

0比特删除：

接收数据：

发送端

接收端


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帧类型及控制字段的意义

F标志字段8（位）

A地址字段8/ 16（位）

C控制字段8（位）

I信息字段( )长度可变

FCS帧校验字段16/ 32（位）


0 N(S) P/ F N(R)

1 0 监控 P/ F N(R)

1 1 未分配 P/ F 未分配

( I )信息帧：

(S)监控帧：

无编号帧(U)：

b0 b4 b7b1 b2 b3 b5 b6


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帧类型

• I帧： N （ S — ）发送帧的顺序号 N （ R — ）接收帧的顺序号 P/F= Poll / Final ， P=1 询问， F=1 响应 P 与 F 成对出现• S帧：监控功能位 S = 00 ， RR （ receive ready ） S = 01 ， RNR （ receive not ready ） S = 10 ， RJE （ reject ） S = 11 ， SREJ （ select reject ）• U帧：用于实现数据链路控制功能


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U帧的格式与链路控制功能

M P/F M1 1A01111110 FCS 01111110

1 1 0 0 0

0 0 0 0 1

1 1 1 0 0

0 0 0 1 0

0 0 1 1 0

1 0 0 0 1

UA

CMAD

SARM

SNRM

SABM

DISC

命令响应

置异步响应

置正常响应

置异步平衡响应

拆链

无编号确认

命令拒绝

-建立主从的点点结构

建立主从的多点结构

建立复合站的平衡结构

结束已建立的数据链路

从站响应主站的命令

从站报告帧传输异常


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4.4.4 数据链路层的工作过程

• 简化的信息帧结构的表示方法

• 一个信息帧的表示

I N(S) N(R) P/F Data

高层数据

/探询终止位

接收帧序号

发送帧序号

I帧标志

I N(S)=3 N(R)=4 P=1，，，


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• 无编号帧的表示方法

• SNRM帧与 UA帧结构的表示方法

U SNRM P=1，，

U UA F=1，，

置异步响应模式：

无编号确认：

01111110 A 11001001 FCS 01111110

01111110 A 11001110 FCS 01111110

置异步响应模式：

无编号确认：


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正常响应模式数据链路工作

主站从站

U SNRM P=1，，

I N S =3 N R =4 P=1，（），（），

I N S =1 N R =0，（），（）

I N S =2 N R =0 P=1，（），（），

U UA F=1，，

I N S =1 N R =3，（），（）

I N S =2 N R =3，（），（）

I N S =3 N R =3 F=1，（），（），

I N S =4 N R =4，（），（）

I N S =5 N R =4 F=1，（），（），

U DISC P=1，，

U UA F=1，，


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讨论：数据链路层与物理层的关系

建立物理线路连接

实现比特流传输

释放物理线路连接

建立数据链路

传输帧

释放数据链路

探询

确认

I帧

I帧

I帧

I帧

探询

确认

主站从站


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4.5 Internet 中的数据链路层 4.5.1 Internet 中主要的数据链路层协议

• SLIP （ Serial Line IP ） — 串行线路的 Internet 数据链路层协议

• PPP （ Point-to-Point Protocol ） — 点 -点协议

• SLIP 与 PPP 用于串行通信的拨号线路上，是目前家庭计算机或公司用户通过 ISP 接到 Internet 主要的协议。


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4.5.2 SLIP 协议

• SLIP 出现于 20世纪 80年代初，最早是在 BSD UNIX 4.2版操作系统上实现的 ;

• SLIP 协议支持 TCP/IP 协议 ;

• 对数据报进行了简单的封装，然后来用 RS-232 接口串行线路进行传输 ;

• SLIP 通常也用来将远程终端连接到 UNIX 主机，也可通过租用或拨号串行线路进行主机到路由器，以及路由器到路由器的通信。


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典型的 SLIP 接入方式• Internet 的家庭或小型公司用户通过调制解调器、电话网

络连接到 ISP 的调制解调器；• ISP 的调制解调器再通过它的路由器接入 Internet ；• SLIP 系统一般可以发送和接收 1006B 的 IP 数据报。

ISP端

路由器 Modem组

用户端

计算机Modem

Internet 电话交换网


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SLIP 协议的帧结构• RFC 1055文件对 SLIP帧格式进行了讨论 ;

• SLIP帧头与帧尾的“ CO” ，是协议使用的惟一的一个控制字符 ;

• CO 的二进制编码比特序列是 1000011 0000000;

• CO 的使用将影响 SLIP帧数据的透明性 ;

IP数据包End End

IP数据包

C0 C0

C0 “DB”“DC”在数据传送中以表示DB “DB”“DD”在数据传送中以表示


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SLIP 协议的缺点

• 使用 SLIP 协议时，通信的双方都必须知道对方的 IP地址，因为 SLIP 协议没有为它们提供相互交换地址信息的方法；

• 没有设置协议类型字段，不具备同时处理多种网络层协议的能力；

• 没有校验和字段，差错控制功能由高层的协议承担；• SLIP 协议并不是 Internet 的协议标准，因此不同版本

的之间就会存在着差别，使得互连变得困难。


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4.5.3 CSLIP 协议• SLIP 协议通常运行于传输速率相对较低的串行线路上 ;

• 在常用于 Telnet 之类的应用程序中，人们提出了一种压缩的 SLIP （ CSLIP ）协议 ;

• RFC 1144 对 CSLIP 进行了定义 ;

• Telnet 是一种交互式的应用程序，每次常常只传送几个字节的信息，通信效率低。

IP (20 )报头位 TCP (20 )报头位数据

TCP/IP压缩报头(3 5 )到位数据

SLIP帧：

CSLIP帧：


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4.5.4 PPP 协议基本特点• PPP 协议是 Internet 标准， RFC 1660 、 RFC 1661 定

义了 PPP 协议与帧结构；• PPP 协议处理了差错检测，支持面向字符型协议与面

向比特型协议 , 可以支持 IP 协议及其他一些网络层协议（例如 IPX 协议）；

• PPP 协议不仅在拨号电话线，并且在路由器─路由器之间的专用线上广泛应用 ;

• PPP 协议是在大多数家庭个人计算机和 ISP 之间使用的协议，它可以作为在高速广域网和社区宽带网协议族的一部分。


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PPP 信息帧格式

• 标志（ flag ）： 01111110• 地址（ address ）：值为“ FF” （ 11111111 ），表示网中所

有的站都接收该帧• 控制（ control ）：值为“ 03” （ 00000011 ）• 协议（ protocol ）：长度为 2 字节，它标识出网络层协议数

据域的类型。常用的网络层协议的类型主要有： 0021H—TCP/IP 0023H—OSI 0027H—DEC• 数据字段：长度可变

标志字段(7E)

地址字段(FF)

控制字段(03)

信息字段帧校验字段

(FCS)标志字段

(7E)协议字段(C021)


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链路控制帧（ LCP ）与网络控制帧（ NCP ）

• 链路控制帧（ LCP ）

• 网络控制帧（ NCP ）

标志字段(7E)

地址字段(FF)

控制字段(03)

链路控制数据帧校验字段(FCS)

标志字段(7E)

协议字段(C021)

标志字段(7E)

地址字段(FF)

控制字段(03)

网络控制数据帧校验字段(FCS)

标志字段(7E)

协议字段(8021)


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小结• 物理传输线路上传输数据信号是有差错的；• 误码率是指二进制比特在数据传输过程中被传错的概率；• 数据链路层是将一条原始的、有差错的物理线路变为对

网络层无差错的数据链路；• 数据链路层完成链路管理、帧传输、流量控制、差错控

制等功能；


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• 数据链路层协议基本可以分为两类：面向字符型与面向比特型；

• 数据链路层的数据传送单位是帧，帧具有固定的结构；• HDLC 的帧分为信息帧（ I帧）、无编号帧（ U帧）

与监控帧（ S帧）；• Internet 数据链路层主要的协议是 SLIP 与 PPP 协议；• PPP 协议不仅用于拨号电话线，并且可以用于路由器─路由器之间的专用线路上。

第 4 章 数据链路层

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