[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。

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（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）
• 2. 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。

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（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）
• 2. 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。

2. 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）

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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。

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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：

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海明码纠错实例

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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

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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

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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：

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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

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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

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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回退协议和选择重传协议：
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

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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

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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

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3.5.2 回退N协议：

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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

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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）