数据链路层之信道:数字通信的桥梁与守护者


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目录

数据链路层

数据链路层使用的信道

数据链路层的简单模型

使用点对点信道的数据链路层

数据链路和帧

数据链路层像个数字管道

三个基本问题

1. 封装成帧

2. 透明传输

 3. 差错控制

帧检验序列 FCS

接收端对收到的每一帧进行 CRC 检验

应当注意


数据链路层

数据链路层使用的信道

数据链路层使用的信道主要有以下两种类型:

点对点信道。这种信道使用一对一的点对点通信方式。

广播信道。这种信道使用一对多的广播通信方式,因此过程比较复杂。广播信道上连接的主机很多,因此必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机的数据发送。

数据链路层的简单模型

 

使用点对点信道的数据链路层

数据链路和帧

链路 (link) 是一条无源的点到点的物理线路段,中间没有任何其他的交换结点。

  • 一条链路只是一条通路的一个组成部分。

数据链路 (data link) 除了物理线路外,还必须有通信协议来控制这些数据的传输。若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上,就构成了数据链路。

  • 现在最常用的方法是使用适配器(即网卡)来实现这些协议的硬件和软件。
  • 一般的适配器都包括了数据链路层和物理层这两层的功能。  

也有人采用另外的术语。这就是把链路分为物理链路和逻辑链路。

物理链路就是上面所说的链路。

逻辑链路就是上面的数据链路,是物理链路加上必要的通信协议。

早期的数据通信协议曾叫做通信规程 (procedure)。因此在数据链路层,规程和协议是同义语。

数据链路层像个数字管道

三个基本问题

数据链路层协议有许多种,但有三个基本问题则是共同的。

这三个基本问题是:

1. 封装成帧

封装成帧 (framing) 就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部,然后就构成了一个帧。确定帧的界限。 首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界。  

用控制字符进行帧定界的方法举例 

当数据是由可打印的 ASCII 码组成的文本文件时,帧定界可以使用特殊的帧定界符

控制字符 SOH (Start Of Header) 放在一帧的最前面,表示帧的首部开始。另一个控制字符 EOT (End Of Transmission) 表示帧的结束。

2. 透明传输

如果数据中的某个字节的二进制代码恰好和 SOH 或 EOT 一样,数据链路层就会错误地“找到帧的边界”。

解决透明传输问题 

解决方法:字节填充 (byte stuffing) 或字符填充 (character stuffing)。

  • 发送端的数据链路层在数据中出现控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入一个转义字符“ESC” (其十六进制编码是 1B)。
  • 接收端的数据链路层在将数据送往网络层之前删除插入的转义字符。
  • 如果转义字符也出现在数据当中,那么应在转义字符前面插入一个转义字符 ESC。当接收端收到连续的两个转义字符时,就删除其中前面的一个。

用字节填充法解决透明传输的问题

3. 差错控制

在传输过程中可能会产生比特差错:1 可能会变成 0 而 0 也可能变成 1。

在一段时间内,传输错误的比特占所传输比特总数的比率称为误码率 BER (Bit Error Rate)。

误码率与信噪比有很大的关系。

为了保证数据传输的可靠性,在计算机网络传输数据时,必须采用各种差错检测措施。

循环冗余检验的原理

在数据链路层传送的帧中,广泛使用了循环冗余检验 CRC 的检错技术。

在发送端,先把数据划分为组。假定每组 k 个比特。

假设待传送的一组数据 M = 101001(现在 k = 6)。我们在 M 的后面再添加供差错检测用的 n 位冗余码一起发送。  

冗余码的计算

用二进制的模 2 运算进行 2n 乘 M 的运算,这相当于在 M 后面添加 n 个 0。

得到的 (k + n) 位的数除以事先选定好的长度为 (n + 1) 位的除数 P,得出是 Q 而余数是 R,余数 R 比除数 P 少 1 位,即 R 是 n 位。

将余数 R 作为冗余码拼接在数据 M 后面发送出去。

冗余码的计算举例

现在 k = 6, M = 101001。

设 n = 3, 除数 P = 1101, 被除数是 2nM = 101001000。

模 2 运算的结果是: Q = 110101,余数 R = 001。

把余数 R 作为冗余码添加在数据 M 的后面发送出去。发送的数据是:2nM + R  

即:101001001,共 (k + n) 位。

循环冗余检验的原理说明

帧检验序列 FCS

在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列 FCS (Frame Check Sequence)。

循环冗余检验 CRC 和帧检验序列 FCS 并不等同。

  • CRC 是一种常用的检错方法,而 FCS 是添加在数据后面的冗余码。
  • FCS 可以用 CRC 这种方法得出,但 CRC 并非用来获得 FCS 的唯一方法。  
接收端对收到的每一帧进行 CRC 检验

(1) 若得出的余数 R = 0,则判定这个帧没有差错,就接受 (accept)。

(2) 若余数 R  0,则判定这个帧有差错,就丢弃

但这种检测方法并不能确定究竟是哪一个或哪几个比特出现了差错。

只要经过严格的挑选,并使用位数足够多的除数 P,那么出现检测不到的差错的概率就很小很小。

应当注意

仅用循环冗余检验 CRC 差错检测技术只能做到无差错接受 (accept)。

无差错接受”是指:“凡是接受的帧(即不包括丢弃的帧),我们都能以非常接近于 1 的概率认为这些帧在传输过程中没有产生差错”。

也就是说:“凡是接收端数据链路层接受的帧都没有传输差错”(有差错的帧就丢弃而不接受)。

要做到“可靠传输”(即发送什么就收到什么)就必须再加上确认和重传机制。  

应当明确,“无比特差错”与“无传输差错”是不同的概念。

数据链路层使用 CRC 检验,能够实现无比特差错的传输,但这还不是可靠传输。

本文介绍的数据链路层协议都不是可靠传输的协议

 

希望对你有帮助!加油!

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