【網(wǎng)絡(luò)原理】第四章數(shù)據(jù)鏈路層（二）-創(chuàng)新互聯(lián)

二、數(shù)據(jù)鏈路層的重要功能

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（一）劃分幀的邊界（幀同步）

·方法一：字符計數(shù)法（面向字符）

【網(wǎng)絡(luò)原理】第四章數(shù)據(jù)鏈路層（二）

在幀頭用一個計數(shù)字段來表示整個幀中字符（包括自己）的個數(shù)。

工作方式：接收方接收到的第一個字符放入計數(shù)器中，之后每接收一個字符，計數(shù)器的值減一，當(dāng)計數(shù)器減為0時，則幀結(jié)束，同時下一幀開始。

優(yōu)點(diǎn)：接收機(jī)制簡單。

缺點(diǎn)：每一個幀的定界依賴于前一個幀，一旦一個幀定界出錯，后面的幀就無法定界

·方法二：帶字符填充的首位字符定界法（面向字符）

用DLE STX標(biāo)志幀的開始，用DLE ETX標(biāo)志幀的結(jié)束

為了防止誤把數(shù)據(jù)中的DLE當(dāng)成開始結(jié)束標(biāo)志，當(dāng)數(shù)據(jù)中出現(xiàn)DLE時，把其加倍來填充。

優(yōu)點(diǎn)：每個幀單獨(dú)定界，一個幀出錯不會影響后面的幀

缺點(diǎn)：信道浪費(fèi)大，接收方不能用計數(shù)器的方式來判斷結(jié)束與否，處理復(fù)雜（發(fā)送方需要把有效數(shù)據(jù)掃描一遍，防止有dle出現(xiàn)在幀中）。

·方法三：帶位填充的首尾標(biāo)記定界法（面向字符）

用“01111110”來標(biāo)識幀的開始和結(jié)束

為了防止誤把數(shù)據(jù)中的“01111110”當(dāng)成開始結(jié)束標(biāo)志，數(shù)據(jù)中每出現(xiàn)5個1，都要在后面補(bǔ) 一個“0”

例如：0111111001101111101011111000101111110

優(yōu)缺點(diǎn)同第二種方法

·方法四：物理層編碼違例法（面向字符）

是適用于物理層編碼有冗余的網(wǎng)絡(luò)（如曼徹斯特編碼持續(xù)高電平或持續(xù)低電平是冗余編碼（二）差錯控制

1、差錯出現(xiàn)的形式：隨機(jī)，連續(xù)若干位突發(fā)出現(xiàn)

2、出現(xiàn)差錯的原因：受到了噪聲的干擾（電氣特性變化、信號反射、串?dāng)_、大功率電氣的起停（比如熒光燈管開啟突然的大電流））

3、出錯的形式：

幀（包括發(fā)送幀和響應(yīng)幀）出錯：接受方接收了，但是數(shù)據(jù)無效

幀（包括發(fā)送幀和響應(yīng)幀）丟失：接受方?jīng)]有收到

4、差錯控制的目的：保證幀正確，按序（保證按照發(fā)送方發(fā)送的原始正確順序提交）提交給上層。

5、差錯控制方法：

在理論上，差錯控制分為自動糾錯和檢錯反饋加重發(fā)的機(jī)制。在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，用途最廣的是第二種，即先通過接收方檢錯，然后接收方通過正向應(yīng)答的方式進(jìn)行反饋，對于發(fā)送方來說，一旦計時器超時，則重發(fā)數(shù)據(jù)。

下面對檢錯或糾錯機(jī)制進(jìn)行理論分析。

如果一個幀如果要發(fā)送m位的數(shù)據(jù)，為了使這m位的數(shù)據(jù)中出錯的能夠被發(fā)現(xiàn)，則需要增加r位的校驗(yàn)位，校驗(yàn)位是與數(shù)據(jù)沒有直接關(guān)系的冗余位，校驗(yàn)位的增加會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)信道的壓力增大。我們通常把m+r的數(shù)據(jù)叫做碼字。

如果在一個數(shù)據(jù)中加入了足夠多的校驗(yàn)位，使得接收方不僅知道有差錯發(fā)生，并且知道哪些位出現(xiàn)了差錯，這種編碼就是糾錯碼（error-correcting code）。但是如果加入了冗余位，使接收方知道有差錯，但是不知道發(fā)生了什么差錯，只能請求重發(fā)的方式叫做檢錯碼（error- decting code）。

顯然，為了達(dá)到相同的檢錯率，糾錯碼（奇偶校驗(yàn)碼，每一位數(shù)據(jù)后都加一位校驗(yàn)碼）比檢錯碼（海明碼，每7位數(shù)據(jù)后加4位校驗(yàn)碼）加的冗余位多，即占用信道的時間長。

在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)鏈路層中，使用最多的方法被稱為循環(huán)冗余校驗(yàn)法（CRC）。

6、循環(huán)冗余校驗(yàn)法（CRC，多項(xiàng)式編碼）

例如：數(shù)據(jù)110001，表示成多項(xiàng)式為：x^5+x^4+1

通信的雙方在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，要約定一個生成多項(xiàng)式G（x）（在數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議制定時已規(guī) 定），其最高位和最低位必須為1,必須比傳輸信息對應(yīng)的多項(xiàng)式短。

其基本思想為：CRC加入的r位為檢錯碼（校驗(yàn)和），加在幀尾，如果滿足約定：加了r位的冗余位后，整個多項(xiàng)式n位（m+r位），能夠被生成多項(xiàng)式G（x）整除

CRC碼算法：

設(shè)生成多項(xiàng)式G（x）為r階，在幀的末尾加r個0（左移r位），使幀為m+r位，相應(yīng)多項(xiàng)式為 x^Rm(x)

按模2除法用對應(yīng)的G（x）的位串去除對應(yīng)于x^Rm(x)的位串。

按模2除法從對應(yīng)于x^Rm(x)的位串中減去余數(shù)（等于或者小于r位），結(jié)果就是要傳送的帶校驗(yàn)和的多項(xiàng)式T（x）。

即： T（x）= x^Rm(x)+{ x^Rm(x) MOD2 G（x）}

CRC為什么要把校驗(yàn)和加在尾部呢？根據(jù)算法原理可知，CRC加在尾部可以邊計算邊發(fā)送，有助于提高處理能力。

CRC的檢錯率不是100%的，當(dāng)錯誤位串恰好被生成多項(xiàng)式除盡時，則錯誤不能被檢測到。

（三）流量控制

1、數(shù)據(jù)是如何發(fā)送的？

對于發(fā)送方而言，當(dāng)上層要求數(shù)據(jù)鏈路層傳送數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)鏈路層的發(fā)送方會把這個數(shù)據(jù)構(gòu) 成一個幀（數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元）。需要注意，數(shù)據(jù)是下層被動接受的，且這些幀不是直接送到上層的，而是儲存在緩存中然后發(fā)送，當(dāng)確認(rèn)幀發(fā)送成功時，緩存中的數(shù)據(jù)才可以刪除。

對于接收方而言，同樣有一個緩存，因?yàn)閿?shù)據(jù)在提交給高層時必須保證數(shù)據(jù)的正確，所以需要在緩存中計算校驗(yàn)和來確保數(shù)據(jù)的正確。其次，需要按序提交，如果分段發(fā)送，則必須等所有的幀到達(dá)合并完成后才可以向上層提交。當(dāng)數(shù)據(jù)正確送到高層并確認(rèn)收到時，在可以將緩存中的數(shù)據(jù)刪除。

如果采用正向應(yīng)答加超時重發(fā)的機(jī)制來進(jìn)行差錯的檢測與恢復(fù)，那么數(shù)據(jù)的應(yīng)答發(fā)送的時機(jī)是什么時候呢？是在數(shù)據(jù)提交給高層緩沖區(qū)清空之后才會產(chǎn)生應(yīng)答。

2、不同層解決的流量控制的問題不同

H代表主機(jī)，R代表路由器。

流量控制主要所解決的是由于收發(fā)方處理能力不匹配而導(dǎo)致接收方?jīng)]有足夠的能力處理數(shù)據(jù)的問題。

對于數(shù)據(jù)鏈路層，其主要解決的是一條物理鏈路直接相連的兩個點(diǎn)（點(diǎn)到點(diǎn)）的問題，網(wǎng)絡(luò)層解決的是源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的問題，而傳輸層要解決的是源主機(jī)到目的主機(jī)之間（端到端）的問題。雖然每個層次處理的問題不同，但是處理問題的方法卻是大同小異的。

3、流量控制的基本方法

（1）單工停等協(xié)議（理想狀況）

假設(shè)理想狀況：通信基于單工信道傳輸，發(fā)送方和接收方是固定的，無休止的工作（發(fā)送方要發(fā)送的信息無限多，接收方的緩沖區(qū)無限大），且發(fā)送速率低于接收速率，通信線路不損壞沒有丟失信息幀。（無錯）

工作過程：

發(fā)送過程：取得數(shù)據(jù)、構(gòu)成幀、發(fā)送幀

接收過程：等待、接收幀、送數(shù)據(jù)給高層

（2）單工停等協(xié)議（無錯情況）

增加約束條件：接收方不能無休止的接收（如：緩沖區(qū)數(shù)量有限，接收速率比發(fā)送速率低）

解決辦法：接收方每收到一個幀，給發(fā)送方回送應(yīng)答，發(fā)送方收到應(yīng)答之前不能發(fā)送后續(xù) 幀。

工作過程：

發(fā)送過程：取得數(shù)據(jù)、構(gòu)成幀、發(fā)送幀，等待應(yīng)答幀

接收過程：等待、接收幀、送數(shù)據(jù)給高層，發(fā)送應(yīng)答幀

（3）單工停等協(xié)議（有錯情況）

增加約束條件：信道有差錯，信息可能損壞或者丟失。

解決辦法：a、使用正向應(yīng)答+超時重發(fā)機(jī)制來解決差錯問題

B、數(shù)據(jù)序號采用循環(huán)序號機(jī)制（序號是為了保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性，且數(shù)據(jù)序號會循環(huán)使用）

C、兩種應(yīng)答方式：

單幀應(yīng)答：應(yīng)答序號為某一個正確序號（簡化模型使用）

成批應(yīng)答：應(yīng)答序號為下一個期望收到的序號（實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境使用，分析：實(shí)際計算機(jī)通訊的是雙工通訊，如果需要讓幀正確到達(dá)目的地，需要加入幀頭幀尾，這樣會造成信道浪費(fèi)，所以需要讓數(shù)據(jù)幀攜帶應(yīng)答信息，來避免應(yīng)答幀單獨(dú)成幀浪費(fèi)帶寬）

在實(shí)際情況下，雖然單工停等協(xié)議確實(shí)能夠流量控制的問題，但是其效率、吞吐率很低。我們能不能想一個辦法把信道本身當(dāng)作一個緩沖區(qū)呢？于是人們發(fā)明了連續(xù)停等協(xié)議（流水線協(xié)議）

（4）連續(xù)停等協(xié)議（流水線協(xié)議）

工作原理：不需要收到應(yīng)答幀就可以連續(xù)不斷地發(fā)送下面的后續(xù)幀

出錯后處理：

處理策略1：出錯以后，他將重發(fā)這個幀后續(xù)的所有幀，接收方只需一個緩沖區(qū)（全部重發(fā)流水線協(xié)議）（浪費(fèi)信道帶寬）

處理策略2：出錯以后，他只重發(fā)出錯幀，接收方緩沖區(qū)需要把之前接收幀緩存起來，等待期望幀的發(fā)送，這要求接收方的緩沖區(qū)足夠多（選擇重發(fā)流水線協(xié)議）

（需要足夠大的緩沖區(qū)）

在實(shí)際過程中，流水線協(xié)議無法滿足緩沖區(qū)動態(tài)分配的問題，有可能造成資源分配不足或浪費(fèi)或者出現(xiàn)死鎖的情況。所以出現(xiàn)了目前計算機(jī)體系中使用最多的協(xié)議——滑動窗口協(xié) 議。

(5)滑動窗口協(xié)議

滑動窗口協(xié)議是對連續(xù)停等協(xié)議的改進(jìn)，他能夠控制已發(fā)送但未確認(rèn)的數(shù)據(jù)幀的個數(shù)（即滑動窗口的大?。?/p>

A、發(fā)送窗口

窗口尺寸：規(guī)定了允許連續(xù)發(fā)送未應(yīng)答幀的個數(shù)(其尺寸與緩沖區(qū)的數(shù)量一致)

上界（前沿）：下一個發(fā)送的序號，即要發(fā)送的下一個幀其幀的編號

下界（后沿）：下一個應(yīng)答的序號，即其期望得到的應(yīng)答幀的序號

數(shù)據(jù)允許發(fā)送的條件：上界-下界<窗口的尺寸

窗口上界移動的條件：發(fā)送數(shù)據(jù)幀

窗口下界移動的條件：收到應(yīng)答幀

其工作原理：假設(shè)窗口尺寸為4，在初始時下一個發(fā)送序號和下一個期望得到應(yīng)答的序號都是0，現(xiàn)在發(fā)送數(shù)據(jù)。其數(shù)據(jù)編號取上界的編號，即發(fā)送了一個序號為0的幀，則其期望得到的序號由0變?yōu)榱?，即這個窗口的上界滑動了一個單位，這樣不能連續(xù)發(fā)送，其限制為上界- 下界<窗口的尺寸，這樣就可以控制在未收到應(yīng)答時允許連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)的個數(shù)。這時如果收到了一個（或多個）應(yīng)答，則下界會滑動一個（或多個）位置，重新滿足條件，可以繼續(xù)發(fā)送數(shù) 據(jù)幀。通過這種方式，可以控制發(fā)送的幀小于或等于緩沖區(qū)的空間，大程度上加大效率。

思考：當(dāng)收到一個幀，但是這個幀與我們期望的序號不一致，首先要判斷這個幀時重發(fā)幀還是后續(xù) 幀，重發(fā)幀直接丟棄，而后續(xù)幀要存在緩沖區(qū)中，如果使用循環(huán)序號，大小不能區(qū)分。即使期望幀的后續(xù)幀到達(dá)，因?yàn)榫彌_區(qū)的個數(shù)有限，后續(xù)幀也不一定會保存，我們要存哪些幀呢？接收窗口會為我們解決。

B、接收窗口

窗口尺寸：允許連續(xù)接收未處理幀的個數(shù)（緩沖區(qū)大?。?/p>

數(shù)據(jù)允許接受的條件：數(shù)據(jù)序號落在接收窗口中。

接收窗口的上下界：對于接收窗口上界和下界的距離是固定不變的，就是接收窗口的尺寸

上期思考題答案：正向應(yīng)答。如果使用負(fù)向應(yīng)答，發(fā)送方通過設(shè)定一個特定時間，如果特定時間到了而沒有收到接收方的應(yīng)答，發(fā)送方認(rèn)為數(shù)據(jù)正確到達(dá)。這個協(xié)議存在缺陷。一，如果數(shù)據(jù)丟失或者應(yīng)答幀丟失，都會導(dǎo)致發(fā)送方錯誤的認(rèn)為數(shù)據(jù)已經(jīng)到達(dá)。二，如果每次節(jié)點(diǎn)都要判定數(shù)據(jù)是否到達(dá)，則發(fā)送的時延增長，整個發(fā)送效率變低。如果使用雙向應(yīng)答，則要在每一個應(yīng)答幀前加入一個表示來指明數(shù)據(jù)是正確應(yīng)答還是錯誤應(yīng)答，信道利用率會降低，同時由于多加入了一位數(shù)據(jù)，會增加整體系統(tǒng)處理的復(fù)雜性。

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網(wǎng)站題目：【網(wǎng)絡(luò)原理】第四章數(shù)據(jù)鏈路層（二）-創(chuàng)新互聯(lián)
標(biāo)題來源：http://muchs.cn/article22/djeijc.html

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