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(jì)數(shù)法（面向字符）

        

        在幀頭用一個(gè)計(jì)數(shù)字段來(lái)表示整個(gè)幀中字符（包括自己）的個(gè)數(shù)。

        工作方式：接收方接收到的第一個(gè)字符放入計(jì)數(shù)器中，之后每接收一個(gè)字符，計(jì)數(shù)器的值減                  一，當(dāng)計(jì)數(shù)器減為0時(shí)，則幀結(jié)束，同時(shí)下一幀開(kāi)始。

        優(yōu)點(diǎn)：接收機(jī)制簡(jiǎn)單。

        缺點(diǎn)：每一個(gè)幀的定界依賴于前一個(gè)幀，一旦一個(gè)幀定界出錯(cuò)，后面的幀就無(wú)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(kāi)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(kāi)始結(jié)束標(biāo)志，當(dāng)數(shù)據(jù)中出現(xiàn)DLE時(shí)，把其加倍來(lái)填充。

 優(yōu)點(diǎn)：每個(gè)幀單獨(dú)定界，一個(gè)幀出錯(cuò)不會(huì)影響后面的幀

        缺點(diǎn)：信道浪費(fèi)大，接收方不能用計(jì)數(shù)器的方式來(lái)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(lái)標(biāo)識(shí)幀的開(kāi)始和結(jié)束

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

   1、差錯(cuò)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(cuò)的原因：受到了噪聲的干擾（電氣特性變化、信號(hào)反射、串?dāng)_、大功率電氣的起                     停（比如熒光燈管開(kāi)啟突然的大電流））

   3、出錯(cuò)的形式：

   幀（包括發(fā)送幀和響應(yīng)幀）出錯(cuò)：接受方接收了，但是數(shù)據(jù)無(wú)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(cuò)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(cuò)控制方法：

                 在理論上，差錯(cuò)控制分為自動(dòng)糾錯(cuò)和檢錯(cuò)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(guò)接收方檢錯(cuò)，然后接收方通過(guò)正向應(yīng)答的方式進(jìn)行反饋，對(duì)于發(fā)送方          來(lái)說(shuō)，一旦計(jì)時(shí)器超時(shí)，則重發(fā)數(shù)據(jù)。

         下面對(duì)檢錯(cuò)或糾錯(cuò)機(jī)制進(jìn)行理論分析。

     如果一個(gè)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(cuò)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(méi)有直接關(guān)系的冗余位，校驗(yàn)位的增加會(huì)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(gè)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(cuò)發(fā)生，并且知道哪些位        出現(xiàn)了差錯(cuò)，這種編碼就是糾錯(cuò)碼（error-correcting code）。但是如果加入了冗余位，使接        收方知道有差錯(cuò)，但是不知道發(fā)生了什么差錯(cuò)，只能請(qǐng)求重發(fā)的方式叫做檢錯(cuò)碼（error-            decting code）。

    顯然，為了達(dá)到相同的檢錯(cuò)率，糾錯(cuò)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(cuò)        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(shí)間長(zhǎng)。

         在計(jì)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(gè)生成多項(xiàng)式G（x）（在數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議制定時(shí)已規(guī)        定），其最高位和最低位必須為1,必須比傳輸信息對(duì)應(yīng)的多項(xiàng)式短。

      其基本思想為：CRC加入的r位為檢錯(cuò)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(gè)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(gè)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(duì)應(yīng)的G（x）的位串去除對(duì)應(yīng)于x^Rm(x)的位串。

    按模2除法從對(duì)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(jì)算邊發(fā)送，有        助于提高處理能力。

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

   （三）流量控制

       1、數(shù)據(jù)是如何發(fā)送的？

         

        對(duì)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(shí)，數(shù)據(jù)鏈路層的發(fā)送方會(huì)把這個(gè)數(shù)據(jù)構(gòu)         成一個(gè)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(dòng)接受的，且這些幀不是        直接送到上層的，而是儲(chǔ)存在緩存中然后發(fā)送，當(dāng)確認(rèn)幀發(fā)送成功時(shí)，緩存中的數(shù)據(jù)才可以刪        除。

        對(duì)于接收方而言，同樣有一個(gè)緩存，因?yàn)閿?shù)據(jù)在提交給高層時(shí)必須保證數(shù)據(jù)的正確，所以需要        在緩存中計(jì)算校驗(yàn)和來(lái)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(shí)，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(shí)重發(fā)的機(jī)制來(lái)進(jìn)行差錯(cuò)的檢測(cè)與恢復(fù)，那么數(shù)據(jù)的應(yīng)答發(fā)送的時(shí)機(jī)是        什么時(shí)候呢？是在數(shù)據(jù)提交給高層緩沖區(qū)清空之后才會(huì)產(chǎn)生應(yīng)答。

        2、不同層解決的流量控制的問(wèn)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(wèn)題。

        對(duì)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(gè)點(diǎn)（點(diǎn)到點(diǎn)）的問(wèn)題，網(wǎng)絡(luò)層         解決的是源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的問(wèn)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(wèn)題。雖然每個(gè)層次處理的問(wèn)題不同，但是處理問(wèn)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(wú)休止的工作（發(fā)送方          要發(fā)送的信息無(wú)限多，接收方的緩沖區(qū)無(wú)限大），且發(fā)送速率低于接收速率，通信線路不損          壞沒(méi)有丟失信息幀。（無(wú)錯(cuò)）

         工作過(guò)程：

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

           接收過(guò)程：等待、接收幀、送數(shù)據(jù)給高層

        （2）單工停等協(xié)議（無(wú)錯(cuò)情況）

        增加約束條件：接收方不能無(wú)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(gè)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(guò)程：

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

            接收過(guò)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(cuò)情況）

         增加約束條件：信道有差錯(cuò)，信息可能損壞或者丟失。

         解決辦法：a、使用正向應(yīng)答+超時(shí)重發(fā)機(jī)制來(lái)解決差錯(cuò)問(wèn)題

 B、數(shù)據(jù)序號(hào)采用循環(huán)序號(hào)機(jī)制（序號(hào)是為了保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性，且數(shù)據(jù)序號(hào)會(huì)循     環(huán)使用）

 C、兩種應(yīng)答方式：

      單幀應(yīng)答：應(yīng)答序號(hào)為某一個(gè)正確序號(hào)（簡(jiǎn)化模型使用）

      成批應(yīng)答：應(yīng)答序號(hào)為下一個(gè)期望收到的序號(hào)（實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境使用，分                 析：實(shí)際計(jì)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(huì)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(lái)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(wèn)題，但是其效率、吞吐率很低。我們能不能想一個(gè)辦法把信道本身當(dāng)作一個(gè)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(cuò)后處理：

            處理策略1： 出錯(cuò)以后，他將重發(fā)這個(gè)幀后續(xù)的所有幀，接收方只需一個(gè)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(cuò)以后，他只重發(fā)出錯(cuò)幀，接收方緩沖區(qū)需要把之前接收幀緩存起來(lái)，                      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(guò)程中，流水線協(xié)議無(wú)法滿足緩沖區(qū)動(dòng)態(tài)分配的問(wèn)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(jì)算機(jī)體系中使用最多的協(xié)議——滑動(dòng)窗口協(xié)             議。

         (5)滑動(dòng)窗口協(xié)議

         滑動(dòng)窗口協(xié)議是對(duì)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(gè)數(shù)（即滑          動(dòng)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(gè)數(shù)(其尺寸與緩沖區(qū)的數(shù)量一致)

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

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

          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(dòng)的條件：發(fā)送數(shù)據(jù)幀

          窗口下界移動(dòng)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(shí)下一個(gè)發(fā)送序號(hào)和下一個(gè)期望得到應(yīng)答的序號(hào)都          是0，現(xiàn)在發(fā)送數(shù)據(jù)。其數(shù)據(jù)編號(hào)取上界的編號(hào)，即發(fā)送了一個(gè)序號(hào)為0的幀，則其期望得到          的序號(hào)由0變?yōu)榱?，即這個(gè)窗口的上界滑動(dòng)了一個(gè)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(shí)允許連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。這時(shí)如果收到         了一個(gè)（或多個(gè)）應(yīng)答，則下界會(huì)滑動(dòng)一個(gè)（或多個(gè)）位置，重新滿足條件，可以繼續(xù)發(fā)送數(shù)         據(jù)幀。通過(guò)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(gè)幀，但是這個(gè)幀與我們期望的序號(hào)不一致，首先要判斷這個(gè)幀時(shí)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(hào)，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(gè)數(shù)有限，后續(xù)幀也不一定會(huì)保存，我們要存哪些幀呢？接收窗口會(huì)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(gè)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(hào)落在接收窗口中。

         接收窗口的上下界：對(duì)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(guò)設(shè)定一個(gè)特定時(shí)間，如果特定時(shí)間到了而沒(méi)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(gè)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(huì)導(dǎo)致發(fā)送方錯(cuò)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(shí)延增長(zhǎng)，整個(gè)發(fā)送效率變低。如果使用雙向應(yīng)答，則要在每一個(gè)應(yīng)答幀前加入一個(gè)表示來(lái)指明數(shù)據(jù)是正確應(yīng)答還是錯(cuò)誤應(yīng)答，信道利用率會(huì)降低，同時(shí)由于多加入了一位數(shù)據(jù)，會(huì)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)
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