【深入理解计算机网络05】数据链路层：组帧，差错控制，流量控制与可靠传输

目录

组帧

差错控制

流量控制与可靠传输

停止-等待协议（S-W）

后退N帧协议（GBN）

选择重传协议（SR）

三种协议的理想信道利用率

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物理链路：传输介质（0层） + 物理层（1层）实现了相邻节点之间的物理链路

物理链路受到噪声的干扰有可能会发生比特的跳变，因此需要逻辑链路

逻辑链路：数据链路层需要基于物理链路，实现相邻节点之间逻辑上无差错的数据链路（逻辑链路）

组帧

其本质是将网络层传递下来的 “无结构数据块” 封装成 “有明确边界的帧（Frame）”，同时为帧添加必要的控制信息，确保数据能在物理链路中可靠、准确地传输。

字符计数法

• 在每个 帧开头，用一个定长计数字段表示帧长
• 任何一个计数字段出错，导致后续所有帧无法定界

字节填充法

• 使用控制字符SOH表示帧的开头，控制字符EOT表示帧的结尾
• 数据部分可能会有数据和控制字符是相等的，这种数据被称为特殊比特串。因此需要在种数据前加上转义字符ESC来确保其被数据接收方正确识别。同样的道理，如果有数据和转义字符是相等的，也可以在这个数据前面加上转义字符

零比特填充法

• 有特殊比特串表示帧开始和结束
• 由于数据部分可能出现特殊比特串，因此发送方需要对帧的数据部分进行处理，每遇到连续的5个1，就在其后填充一个0。接受方需要进行逆处理，每遇到连续的5个1，就在其后删除一个0

违规编码法

• 基于曼彻斯特编码实现，由于曼彻斯特编码规定比特的中间位必须跳变，如果没有跳，可以将其看作违规信号，用来标记帧的开头和结尾
• 需要物理层的配合，物理层在帧的前后插入一个时钟周期的违规信号

差错控制

为了发现并解决一个帧内部的位错

奇偶校验码

• 在有效信息位前加一个奇偶校验位称为奇偶校验码。奇（偶）校验确保奇偶校验码中1的个数位奇（偶）数
• 偶校验的硬件实现：对各信息进行异或运算，得到的结果即为偶校验为

循环冗余校验码

• 发送方根据待传输数据块，通过特定的数学运算生成一段 “校验码”（CRC 码），并将其附加在数据后一起传输；接收方收到数据后，用同样的运算验证 “数据 + 校验码” 是否符合预设规则，若不符合则判定数据出错，需请求重传
• 数据发送方和接收方约定一个除数，信息位+校验位作为被除数，需要保证被除数 / 除数的余数位0。若余数为非0说明数据出错

海明校验码

• 海明码的本质是通过在原始数据中插入若干 校验位（Parity Bit），让每个数据位都被多个校验位共同监督
• 当数据传输出错时，通过校验位的错误状态，可精准定位错误位置，进而完成纠错

流量控制与可靠传输

停止-等待协议（S-W）

• 滑动窗口机制：发送窗口 Wt=1，接收窗口 Wr=1
• 确认机制：

• • 确认帧：ACK_i
  • 若接收方收到 i 号帧，且没有检测出 “差错”，需要给发送方返回确认帧 ACK_i

• 重传机制：

• • 超时重传
  • 若发送方超时未收到 ACK_i，则重传 i 号帧

• 帧编号：

• • 仅需 1bit 给帧 “编号”
  • 要求：W_T + W_R ≤ 2ⁿ

后退N帧协议（GBN）

• 滑动窗口机制：发送窗口 Wt>1，接收窗口 Wr=1
• 确认机制：

• • 确认帧：ACK_i
  • 若接收方收到 i 号帧，且没有检测出 “差错”，需要给发送方返回确认帧 ACK_i

• 重传机制：

• • 超时重传
  • 若发送方超时未收到 ACK_i，则重传 i 号帧

• 帧编号：

• • 为了支持以上机制正确运行，至少需要用 n bit 给帧 “编号”
  • 要求：W_T + W_R ≤ 2ⁿ

• GBN 的特殊规则：

• • 关于确认帧：接收方可以 “累积确认”。即连续收到多个数据帧时，可以仅返回最后一个帧的 ACK
  • 关于超时重传：若发送方超时未收到 ACK_i，则重传 i 号帧，及其之后的所有帧
  • 收到一个非法帧（即接受方收到的帧超出了当前的窗口），接受方会将此帧丢弃，并返回目前已接受的最后一个正确帧的ACK_i

选择重传协议（SR）

• 滑动窗口机制：发送窗口WT>1；接收窗口WR>1
• 确认机制：

• • 确认帧：ACK_i
  • 若接收方收到 i 号帧，且没有检测出 “差错”，需要给发送方返回确认帧 ACK_i，SR 协议不支持 “累计确认”，必须一帧一确认

• 重传机制：

• • 超时重传
  • 若发送方超时未收到 ACK_i，则重传 i 号帧

• 帧编号：

• • 为了支持以上机制正确运行，至少需要用 n bit 给帧 “编号”
  • 要求：WT+WR≤2n

• SR 的特殊规则：

• • 否认帧：NAK_i

• • • 若接收方收到 i 号帧，但检测出 i 号帧有 “差错”，需要丢弃该帧，并给发送方返回否认帧 NAK_i

• • 请求重传

• • • 若发送方收到 NAK_i，则重传 i 号帧

• • 要求：WR≤WT，即接受窗口不能大于发送窗口

三种协议的理想信道利用率

• S-W：U=TD / TD+RTT+TATD

• • TD：一个数据帧的传输时延（发送时延）
  • TA：一个 ACK 确认帧的传输时延（发送时延）
  • RTT：往返时延，即两倍的单向传播时延

• GBN、SR：U=N*TD / TD+RTT+TANTD

• • N 表示发送窗口大小
  • 注意：信道利用率不能超过 1
  • 常结合 “帧编号” 考察

• • • 用 n bit 给帧 “编号”，要求 WT+WR≤2^n
    • GBN 协议 WR=1，SR 协议 WR>1。因此，同样 n bit 给帧编号，GBN 的发送窗口 WT 更大，GBN 的信道利用率也会更高