Transcript 第三章：数据链路层
Chapter 3 The Data Link Layer 内容 a) b) c) d) e) f) 数据链路层设计要点 错误检测和纠正 基本数据链路协议 滑动窗口协议 协议验证 数据链路层协议示例 数据链路层设计要点 • • • • 为网络层提供的服务 分帧 错误控制 流控 数据链路层功能 • • • 向网络层提供一个定义良好的接口 处理传输错误 调节数据流 • 确保慢速的接收方不会被快速的发送方淹没 分组和帧之间的关系. 为网络层提供的服务 1. 无确认的无连接 服务 2. 有确认的无连接 服务 3. 有确认的面向连 接服务 P156 (a) 虚拟通信过程. (b) 实际通信过程. 示例：为网络层提供的服务 数据链路层协议的位置 3层看来，2层提供了某种连接服务 成帧 a) 目标：把位流分解到离散的帧中 • • • • 字符计数法 含字节填充的分界符法 含位填充的分界符法 物理层编码违例法 字符计数法成帧 字符流. (a) 无错. (b) 一位差错. 101111，计数值被破坏 含字节填充的分界符法成帧 (a) 使用标志字节作为帧的开始和结束 (b) 字节填充前后的4个字节序列例子 缺点是依赖于 8位字符模式 含位填充的分界符法分帧 位填充 标志位模式为01111110，每5个1填充1个0 (a) 原始数据. (b) 线路上的数据. (c) 删除填充之后存储在接收方存储器中的数据. 物理层编码违例法成帧 • • 如果物理介质上的编码方法中包含冗余信息，可以使用 例： • • +1表示高电平、－1表示低电平 +1－1表示比特“1”；－1＋1表示比特“0”，而+1+1和－1－1不表 示数据，有可能用于帧分界 注：多种方法的联合使用可能会提高帧边界检测的速度 内容 a) b) c) d) e) f) 数据链路层设计要点 错误检测和纠正 基本数据链路协议 滑动窗口协议 协议验证 数据链路层协议示例 错误检测和纠正 • 纠错码 • 检测码 突发错误：集中在某些比特位产生错误。 例如 1000×100位数据块，每一位错误概率 0.001； 如果错误是孤立的，那么每个1000位数据块 都可能有某1位发生错误； 如果错误每次发生都是连续的100位，那么 这些错误可能只发生在1－2块数据块中，大 部分数据块没有错误。 编码基础知识 • 汉明距离：两个码字中不相同的位的格式，设码字x,y，其 汉明距离为w(xy)，其中w(z)表示z比特串中1的个数 若x和y的汉明距离为d，则x至少需要d个错误位才会变成y。 所有可用码字之间最小的汉明距离称为最小汉明距离 一些结论： • • • • • 为了检测d位错误，需要d+1的最小汉明距离 为了纠正d位错误，需要2d+1的最小汉明距离 编码基础知识 • 奇偶校验码： • • • • 数据后面增加1位奇偶位，奇偶位的取值保证码字中1的数目是偶数 （偶校验）或者奇数（奇校验） 例如1011010，偶校验时发送10110100，奇校验时发送10110101 奇偶校验编码方法汉明距离为2？可以检测单个错误 一种距离为5的编码方案 • • A=0000000000 B=0000011111 C=1111100000 D=1111111111 可以纠正2个错误，例如0000000111会被纠正为B码字 纠错码之汉明码 考虑n位码字n=m+r 其中m位为报文，r 位为校验位。 r下界：m+r+12r 当m=7时,8 2r－r 可以计算r最小值4 汉明码手工计算 汉明码也能够纠正突发错 误，只需要把传输的码字 按照矩阵排列即可。 (1) 偶校验 (2) 3 (4) 5 6 7 (8) 9 10 11 H: 1 0 0 1 0 0 0 3=1+2; 5=1+4; 6=2+4; 7=1+2+4; 9=1+8; 10=2+8; 11=1+2+8; 3|5|7|9|11 0 3|6|7|10|11 0 m: 1 1 1 1 5|6|7 0 1 0 1 0 9|10|11 1 0 1 0 通常用于出错概率比较高的链路 检错码 •（7，4）汉明码可以纠正单 个错误，可以检测2位错误 （最小汉明距离为3） •奇偶校验编码方法汉明距离 为2，可以检测单个错误 •为了增加突发性错误的检测 概率，可以使用分组的奇偶校 验码 • • • • 可以纠正单个错误 是否能检测3位错误呢？ 码流A B…M-1 M 坏块被接受每一列都有 正确的奇偶位2－n a1 a2 … an-1 an H1 b1 b2 … bn-1 bn H2 … … … … … … m-11 m-12 … m-1n m-1n Hn-1 m1 m2 … mn-1 V1 V2 … Vm-1 Vm mn Hn Hn+1 检错码 • 循环冗余校验码 • • • • • 一帧有m位，对应M(x) 发送方和接收方有共同的生成多项式G(x)，阶为r 发送方M(x)×xr ÷G(x) = S(x) + R(x)，发送方发送 T(x)=M(x)×xr －R(x) 接收方计算T(x)/ G(x) ，如果整除则认为没有错误；如果不整除， 则认为发生了错误，错误可以用E(x)表示 • 所有长度小于等于r位的错误，可以检测（G(x)为r+1位） • 当G(x)含有x+1因子时，可以检测只影响奇数个位的突发错误 • 当长度大于r时，如果所有位模式等概，则错判概率约为(1/2)r 标准化的G(x)多项式 • P167 检测码 多项式编码校验和的计算过程. 基本数据链路层协议 • • • 无限制的单工协议 单工的停－等协议 有噪声信道的单工协议 通用头文件－1 5种数据类型： 帧类型可以是数据、ACK帧、NAK帧 帧的序列号用于接收方检测重复的帧 ACK序列号指出了接收方刚接收到的帧的序列号 分组信息在数据帧时有效，包含网络层分组 通用头 文件－2 •接口函数 •初始状态 •wait_for_event •层间接口 •from/to_network_layer •from/to_physical_layer •定时器 •发送方数据定时器 •start/stop_timer •接收方ACK定时器 •start/stop_ack_timer •层交互 •enable/disable_n.._l.. •内联宏 •inc 无限制的单工协议 • • • • • 信道单向 信道不会损坏或者丢失帧 网络层始终就绪 接收方缓存空间无限 处理时间可以忽略 无限制的 单工协议 发送数据 高层->低层 单向 接收数据 低层->高层 单工的停－等协议 • • • 信道半双工 信道不会损坏或者丢失帧 网络层始终就绪 • 接收方只能处理一帧，没有缓存和排队机制 • 处理时间不可忽略，发送方需要考虑接收方的处理时间 单工的 停－等 协议 需要等待 接收方响应 给发送方 响应 有噪声信道的单工协议 • • 信道半双工 网络层始终就绪 • • 信道会损坏和丢失帧 接收方只能处理一帧，没有缓存和排队机制 • • 损坏和丢失帧：定时器 避免冗余：序列号 • 序列号的位数？ • 接收方只需要判断一帧是新帧还是已经接收的帧 有重传的ACK协议－发送方 发送方 发送0帧 s.info=buffer; s.seq=n; to_phical_layer(&s) start_timer Wait for ACK0 n=0 正确接收了一帧 正确接收了一帧 && 该帧是ACK0 && 该帧是ACK1 stop_timer Inc(n) stop_timer Inc(n) Wait for ACK1 n=1 发送1帧 s.info=buffer; s.seq=n; to_phical_layer(&s) start_timer 有重传的ACK协议－接收方 接收方 接收到一帧&& 帧序号为0 to_network_layer; Inc(n); 发送ACK0 接收到一帧&& 不是帧1 接收到一帧&& 不是帧0 等待 帧n=0 等待 帧n=1 发送ACK1 接收到一帧&& 帧序号为1 to_network_layer; Inc(n); 发送ACK1 发送ACK0 滑动窗口协议 • 1位滑窗协议 • Go Back N • 选择重传 滑窗协议概述 • 全双工数据传输 • • • • • 两条数据单工信道 一条信道，数据帧和ACK帧混合，用帧头部信息区分不同帧 捎带确认：确认信息附在往外发送的数据帧上 • 需要增加定时器来决定是否使用捎带确认 滑动窗口协议 发送窗口 • • 发送方已经发送但没有确认的帧，和允许发送的帧。窗口大小 可能动态变化 接收窗口 • 接收方可以接受的帧 示例：窗口大小为1 序列号为3比特长. (a) 初始时. (b) 第一帧发送以后 (c) 第一帧接收以后 (d) 第一个确认帧收到以后. 1位滑窗协议－1 通常只有某一个数 据链路层程序需要 首先发送一帧，然 后才进入循环 Continued 1位滑窗协议－2 两个if条 件，4种 程序流程 更新buffer内 容，不执行时 buffer依旧是 刚发送的帧 1位滑窗协议－3 (a) 通常的情形. (b) 双方并发地发送初始分组（进入循环之前，都发送了一帧） 向量含义是(seq, ack, 分组号)；星号表示网络层接受了一个分组 停等协议的性能 • • • 考虑传播延迟，即考虑分组在路上的时间 使用停－等协议（窗口大小为1） 例: 1 Gbps链路, 15 ms 端到端传播延迟, 1KB 分组: T transmit – = 10/pkt L (packet length in bits) 8×2 = R (transmission rate, bps) 10^9 b/sec 8 us U sender: 利用率 – 发送方忙于发送数据的时间与发送时间之比 U sender = L/R RTT + L / R = .008 30.008 = 0.00027 – microsec onds 约每30ms可以发送1KB 分组 -> 每秒约33kB、即约0.26Mbps，而链路带 – 宽是 1 Gbps 后果：网络协议限制了物理资源的使用! 管道化 • • • • • 基本思想是允许发送方在阻塞(wait_for_event)之前发送w帧， w>1 w的取值与带宽时延积有关。带宽R为Xbps，时延为Ys， 那么带宽时延积为XYb，即时延期间发送方可以发送的数 据量，或者发送方填满链路所需要的数据量 把链路看作管道，则带宽时延积说明了管道的容量 管道化：在链路上发送多帧，使得链路上的数据量逼近管 道容量 管道化问题：在一个很长的帧流中，某一帧被损坏或者丢 失，接收方该如何损坏帧之后到达的正确帧呢？ Go Back N && 选择重传 回退n帧 接收方丢弃错误帧之后的所有 帧 发送方在没有被确认的帧超时 后，退回该帧，重新发送 选择重传 接收方缓存错误帧之后的正 确帧；发送方在没有被确认 的帧超时后重新发送该帧 使用NAK提高性能 检测到错误时，接收方主动 向发送方发送NAK，激发重 传操作 管道化与错误回复 (a) 接收窗口大小为1. (b) 接收窗口尺寸较大. 使用 Go Back N的滑窗协议 • • • 双向数据流 信道会损坏帧，丢失帧 网络层希望发送分组时，需要引发network_layer_ready事件； 链路层使用enable_network_layer和disable_network_layer来 阻止链路层引发ready事件 使用 Go Back N的 滑窗协议 用于检查b是否在 窗口 [a,c)内部 捎带确认发送数据 作为GBN接收方， 当期望接收的帧是 frame_expected时， 意味着刚接收到 frame_expected-1 这一帧 没有接收到任何帧时， 使用MAX_SEQ Continued Sliding Window Protocol Using Go Back N ack_expected指向发送方发送出去但没有被确 认的第一个帧 next_frame_to_send指向发送方发送下一帧 时使用的帧号 所以[ack_expected, next_frame_to_send） 表示发送方的发送窗口 nbuffered在发送一帧以后增加1，在正确接收 到一帧的ack后减少1，所以指明了已经发送但 是没有被确认的帧的数量，说明了窗口大小 frame_expected接收方期望接收的帧，在 GBN中，接收方按序接收，所以 frame_expected帧左侧的帧恰好是接收到需 要ACK的帧 Continued Sliding Window Protocol Using Go Back N 发 送 接 收 Continued Sliding Window Protocol Using Go Back N 发送方接收到 ack，滚动窗口 超 时 发 送 关于nbuffered大小 Assume MAX_SEQ=7 • nbuffered=8 • • • • • 0…7 0…7 0…7 … 0…7 Assume MAX_SEQ=7 • nbuffered=7 Ack0 Ack0 Ack1 … … ACK5 ACK7 ACK7 • • • • • 0…6 7…5 6…4 … x…y ACK6 ACK6 关于定时器 用软件来模拟多个定时器 三个超时事件分别在 10:00:00.5 10:00:00.5+00:00:00.8 10:00:00.5+00:00:00.8+00:00:00.6 缓存接收到的失序帧 • 线路质量比较差，就不应该把正确的帧抛弃，而应该利用 起来 选择重传: 序列号与窗口大小 a)例: b)序列号: 0, 1, 2, 3 c)窗口大小=3 d)接收方区分不了到底是窗 口大小只有3个还是序列号 小于等于3! e)接收方会不正确的把冗余 数据作为新的数据发送给上 层 f)Q: 序列号大小与窗口大小 的关系是什么? (MAX_SEQ+1)/2 选择重传带来的。。。 • • 接收方缓存区大小：显然应该与窗口大小一致 定时器 • • • • 数量：发送方缓存区的数量 间隔：紧一点，发送方较快超时 帧号：确定帧号较复杂，协议中假设为oldest_frame 辅助定时器 • • • • 接收方没有即时的反向流量时，辅助定时器超时激发ACK 发送方数据重传之前，接收方应该优先超时，然后主动发送ACK 帧 接收方在接收正确到达的帧时，启动辅助定时器 否定确认 • • 接收方接收到受损帧 接收方接收到的帧不是期望的帧，并且该期望的帧的NAK没有发 送过 A Sliding Window Protocol Using Selective Repeat 与协议5 含义相同 可以发送 数据帧和 nak帧 Continued A Sliding Window Protocol Using Selective Repeat (2) 三个缓存对应输 入输出窗口和到 每个缓存是否有 数据的指示 窗口上限 Continued A Sliding Window Protocol Using Selective Repeat (3) 指示将要发送的帧的序列号 发送方 怀疑有错，发送nak，不然准备 接收下来，先启动辅助定时器 接收方 当期望的帧到了 以后，期望目标 转移，需要重设 no_nak等与期望 帧相关的变量 是否在接收窗 口内？是则缓 存下来，并尝 试递交网络层 Continued A Sliding Window Protocol Using Selective Repeat (4) 发送方 滚动窗口 注意到发送方发送时ack是 frame_expected-1，此时 还原为frame_expected 协议验证 • 有限状态机模型 • Petri 网模型 有限状态机 • • • • • • • 发送方或者接收方在任意时刻总是处于某种状态 有限状态机是协议分析所常用的工具 描述等待方协议时，其主要状态为等待0或者1帧 描述整个发送方、接收方、信道所构成的系统的协议时， 系统的主要状态为各个组成部分主要状态的合理组合 状态转换指从一种状态到达另外一种状态，通常时事件触 发 初始状态即系统开始运行时，或者某个起始时刻系统所具 有的状态 从初始状态开始，经过状态转换，分析所有可能达到的状 态和不可能达到的状态称为可达性分析。可达性分析是分 析协议正确性的基本技术 Finite State Machined Models • • (a) 协议3的状态图. (b) 转换（变迁、跃迁）. SRC: Source Receive Channel Petri 网 • Petri网具有四个基本元素： • • • • • 库所Place、变迁transition、弧arc、标记token 所有可能的状态由Place表示，在图中用圆圈表示 系统当前所处的状态由token表示，图中为粗黑点 转换用水平或者垂直的线表示，基本上可以理解为瞬时态 arc是从库所到转换的输入弧，或者转换到库所的输出弧 下图为典型的包含两个库所和两个转换的Petri网. Petri Net Models (2) 初始态： S等待ACK0，0帧在C 上，R等待接收0 可能激活的转换：2，5， 10 Case1:超时则2激活， 发送方重发0帧，依旧 在等待ACK0状态，信 道接收到0帧，依旧在0 帧在C上的状态 Case2:接收方顺利接 收0帧则10激活，接收 方发送ACK，进入等待 1帧状态，信道进入 ACK在C状态，发送方 状态不变，但此时1可 能激活 协议3的Petri网描述 SRC的状态分别描述 Example Data Link Protocols • HDLC – High-Level Data Link Control • The Data Link Layer in the Internet High-Level Data Link Control Frame format for bit-oriented protocols. 序列号、确认等 成帧 检错、纠错 成帧 High-Level Data Link Control (2) 不同类型帧的控制域 (a) 信息帧（数据帧）. (b) 管理帧：确认帧、NAK帧（GBN）、选择重 传.等 (c) 控制或者提供不可靠连接. The Data Link Layer in the Internet 通过调制解调器拨号上网的点到点链路. PPP – Point to Point Protocol The PPP full frame format for unnumbered mode operation. •成帧 Flag（面向字符） •错误检测（校验和域） •序列号、确认（控制域，默认不提供可靠传输） •额外的： •NCP:可以协商承载的协议（IP,IPX等网络层协议或者其它协议） •LCP:用于启动线路、测试线路，协商参数、关闭连接 PPP – LCP 链路启动到关闭的简化状态图P203 PPP – Point to Point Protocol (3) 不同类型的LCP帧用于PPP所设计的目标，例如协商、测试、 管理连接等。其中协商机制是PPP的特色之一 思考 a) b) c) 链路层如何成帧 CRC校验如何工作 可靠数据传输都需要在终端设置哪些变量，各有什么作用？