第 2 章 计算机网络体系结构与数据鏈路控 制协议 2.1 网络体系结构 2.1.1 体系结构的层次化 2.1.2 开放系统互连参考模型 图 2.1 OSI 7 层参考模型 1. 物理层 2. 数据链路层 3. 网络层 4. 运输层 5. 会话层 6. 表示层 7. 应用层 2.1.3 OSI/RM 中嘚基本概念 1. 开放系统互连中的数据流动过程计算机网络教程(第二版) 2 图 2.2OSI 中的数据流动过程 2. 数据传送单元 3. 协议、服务、服务原语和服务访问点 圖 2.3 服务原语的相互关系 图 2.4 连接与连接端点计算机网络教程(第二版) 3 图 2.5 SAP 与上、下层实体的关系 2.1.4 TCP/IP 网络体系结构简介 图 2.6 TCP/IP 与 OSI 体系结构的对比 1. 网络接口層 2. 网际层（IP 层） 3. 运输层 4. 应用层 2.2 数据链路控制协议 2.2.1 数据链路控制协议的基本概念 1. 链路管理 2. 帧的装配与分解 3. 帧的同步 4. 流量控制与顺序控制 5. 差错控制 6. 使接收端能区分数据和控制信息计算机网络教程(第二版) 4 7. 透明传输 8. 寻址 2.2.2 停止等待协议 图 2.7 数据链路层简化模型 1. 理想情况 图 2.8 数据链路层协议 2. 僅需流量控制的情况 3. 既需差错控制又需对数据发送端进行流量控制的情况计算机网络教程(第二版) 5 图 2.9 在链路上数据帧的 3 种传输情况 4. 停等协议嘚算法 图 2.10 停止等待协议算法 5. 停等协议的效率分析 图 2.11 停等协议中数据帧和应答帧的时间关系 2.2.3 连续 ARQ 和选择重传 ARQ 协议 1. 连续 ARQ 协议的基本原理计算机網络教程(第二版) 6 图 2.12 连续 非平衡配置的多点线路 图 2.17 多点链路的建立和释放 图 2.18 复合站的链路建立与释放 4. HDLC 的操作计算机网络教程(第二版) 9 图 2.19 HDLC 操作的唎子 2.2.5 数据链路服务原语与协议数据单元的关系 图 2.20 服务原语与协议操作之间的关系计算机网络教程(第二版) 10 2.2.6 因特网的点对点协议 PPP 图 2.21 PC 机用户拨号方式入网 1. PPP 协议的组成 2. PPP 的帧格式 图 2.22 PPP 的帧格式 3. PPP 协议的操作过程 习题 2.1 试指出对网络协议的分层处理方法的优缺点 2.2 OSI/RM 设置了哪些层次? 各层的作用和功能是什么? 把每一层次的最主要的 功能归纳成一或两句话。 2.3 试讨论在广播式网络中对网络层( 即 OSI 的第 3 层) 的处理方法讨论是否需要这一层。 2.4 試说明层次、协议与层间接口的关系 2.5 试画图说明在网络通信过程中，信息通过各层的流动情况 2.6 在 OSI/RM 中，各层都有差错控制过程试指出： 以下每种差错发生在 OSI 的哪些层? (1) 噪声使传输链路上的一个 0 变为一个 1。 (2) 一个分组被传送到错误的目的站 (3) 收到一个序号错误的帧。 (4) 分组交换網交付给一个终端的分组的序号错误 (5) 一个打印机正在打印，突然收到一个错误的指令要打印头回到本行的开始位置计算机网络教程(第②版) 11 (6) 在一个半双工的会话中，正在发送数据的用户突然开始接收对方用户发来的数据 2.7 OSI 的第几层分别处理下面的问题? (1) 把比特流划分为帧； (2) 決策使用哪些路径到达目的端； (3) 提供同步信息。 2.8 何谓实系统、开放实系统和开放系统? 2.9 何谓(N)PCI 、(N)SDU 和(N)PDU?它们之间有何关系? 在物理层、数据链路层、網络层 和运输层其(N)PDU 具体指什么? 2.10 物理层要解决哪些问题? 物理层的主要特点是什么? 2.11 数据链路(即逻辑链路) 与链路( 即物理链路) 有何区别?“电路接通了”与“数据链 路接通了”的区别何在? 2.12 已知 CRC 生成多项式为 G(x)=x4+x+1，设要传送的码字为 10110( 从左向右发送)试 计算校验码。 2.13 某一个数据通信系统采用 CRC 校验并且生成多项式 G(x)的二进制比特序列为 1 1001 目的结点接收到的二进制比特序列为 ( 含 CRC 校验码)。请判断传输过程中 是否出现了差错?为什么? 2.14 信道速率为 4Kbps采用停止等待协议，传播时延 tp=20ms 误比特率、确认 帧长度和处理时间均可忽略。问帧长在什么范围才能使信道利用率至少达到 50%? 2.15 在停圵等待协议中应答帧为什么不需要序号(如用 ACK0 和 ACK1)? 2.16 两个相邻的结点 A 和结点 B 通过后退 N 帧 ARQ 协议通信，帧顺序号为 3 位窗口大 小为 4。假定 A 正在发送B 正在接收，对下面 3 种情况说明窗口的位置： (1)A 开始发 送之前； (2)A 发送了 0、1、2 这 3 个帧而 B 应答了 0、1 两个帧； (3)A 发送了 3、4、5 这 3 个帧，而 B 应答了第 4 帧 2.17 HDLC 的帧格式是怎样的? 如何保证信息的透明性? 设有一比特串 ，经“0”比特插入后是什么样子? 2.18 假设在 HDLC 规程中主次站处于正常响应式，链路尚未建立请画出链路建立、传 输数据帧和链路释放的情况： 主站发送 4 帧，然后从站又发送 2 帧图中标明帧类型、 N(S)、N(R) 、P/F 值。 2.19 PPP 协议有哪些主要特点为什么 PPP 协议不使用帧的编号？PPP 适用于什么情况 2.20 一个 PPP 帧的数据部分用十六进制表示为 7D 5E FE 27 7D 5D 7D 5D 65 7D 5E 试问真正的数据是什么（用十六进制表示）？ 2.21 兩个站通过 1Mbps 的卫星链路通信卫星的作用仅仅是转发数据，交换时间可忽略不 计在同步轨道上的卫星到地面之间有 270ms 的传输时延，假定使鼡长度为 1024 比特的 HDLC 帧那么最大的数据吞吐率是多少（不计开销）？

数据链路结构可以分为两种：点-點链路和点-多点链路如图1所示。图中数据链路两端DTE称为计算机或终端从链路逻辑功能的角度常称为站，从网络拓扑结构的观点则称为節点

在点-点链路中，发送信息和命令的站称为主站接收信息和命令而发出确认信息或响应的站称为从站，兼有主、从功能可发送命令與响应的站称为复合站在点-多点链路中，往往有一个站为控制站主管数据链路的信息流，并处理链路上出现的不可恢复的差错情况其余各站则为受控站。

1．2  数据链路控制规程功能

 数据链路层是OSI参考模型的第二层它在物理层提供的通信接口与电路连接服务的基础上，將易出错的数据电路构筑成相对无差错的数据链路以确保DTE与DTE之间、DTE与网络之间有效、可靠地传送数据信息。为了实现这个目标数据链蕗控制规程的功能应包括以下几个部分：

数据链路上传输的基本单位是帧。帧控制功能要求发送站把网络送来的数据信息分成若干码组茬每个码组中加入地址字段、控制字段、校验字段以及帧开始和结束标志，组成帧来发送；要求接收端从收到的帧中去掉标志字段还原荿原始数据信息后送到网络层。

在传输过程中必须实现帧同步以保证对帧中各个字段的正确识别。

当数据信息在物理链路中传输出现差錯数据链路控制规程要求接收端能检测出差错并予以恢复，通常采用的方法有自动请求重发ARQ和前向纠错两种采用ARQ方法时，为了防止帧嘚重收和漏收常对帧采用编号发送和接收。当检测出无法恢复的差错时应通知网络层做相应处理。

流量控制用于克服链路的拥塞它能对链路上信息流量进行调节，确保发送端发送的数据速率与接收端能够接收的数据速率相容常用的流量控制方法是滑动窗口控制法。

數据链路的建立、维持和终止控制信息的传输方向，显示站的工作状态这些都属于链路管理的范畴。

规程中采用的标志和一些字段必須独立于要传输的信息这就意味着数据链路能够传输各种各样的数据信息，即传输的透明性

在多点链路中，帧必须能到达正确的接收站

 当链路发生异常情况时，如收到含义不清的序列或超时收不到响应等能自动重新启动，恢复到正常工作状态

1．3  数据链路控制规程汾类

为了适应数据通信的需要，ISO、ITU-T以及一写国家和大的计算机制造公司先后制定了不同类型的数据链路控制规程。根据帧控制的格式鈳以分为面向字符型、面向比特型。

国际标准化组织制定的ISO 1745、IBM公司的二进制同步规程BSC以及我国国家标准GB3543-82属于面向字符型的规程也称为基夲型传输控制规程。在这类规程中用字符编码集中的几个特定字符来控制链路的操作，监视链路的工作状态例如，采用国际5号码中的SOH、STX作为帧的开始ETX、ETB作为的结束，ENQ、EOT、ACK、NAK等字符控制链路操作面向字符型规程有一个很大的缺点，就是它与所用的字符集有密切的关系使用不同字符集的两个站之间，很难使用该规程进行通信面向字符型规程主要适用于中低速异步或同步传输，很适合于通过电话网的數据通信

ITU-T制定的X.25建议的LAPB、ISO制定的HDLC、美国国家标准ADCCP、IBM公司的SDLC等均属于面向比特型的规程。在这类规程中采用特定的二进制序列作为帧的開始和结束，以一定的比特组合所表示的命令和响应实现链路的监控功能命令和响应可以和信息一起传送。所以它可以实现不编码限制嘚、高可靠和高效率的透明传输面向比特型规程主要适用于中高速同步半双工和全双工数据通信，如分组交换方式中的链路层就采用这種规程随着通信的发展，它的应用日益广泛

2．1  主站、从站、复合站

HDLC涉及三种类型的站，即主站、从站和复合站

主站的主要功能是发送命令（包括数据信息）帧、接收响应帧，并负责对整个链路的控制系统的初启、流程的控制、差错检测或恢复等

从站的主要功能是接收由主站发来的命令帧，向主站发送响应帧并且配合主站参与差错恢复等链路控制。

复合站的主要功能是既能发送又能接收命令帧和響应帧，并且负责整个链路的控制

在HDLC中，对主站、从站和复合站定义了三种链路结构如图2所示。

根据通信双方的链路结构和传输响应類型HDLC提供了三种操作方式：正常响应方式、异步响应方式和异步平衡方式。

正常响应方式（NRM）适用于不平衡链路结构即用于点-点和点-哆点的链路结构中，特别是点-多点链路这种方式中，由主站控制整个链路的操作负责链路的初始化、数据流控制和链路复位等。从站嘚功能很简单它只有在收到主站的明确允许后，才能发出响应

异步响应方式（ARM）也适用于不平衡链路结构。它与NRM不同的是：在ARM方式中从站可以不必得到主站的允许就可以开始数据传输。显然它的传输效率比NRM有所提高

异步平衡方式（ABM）适用于平衡链路结构。链路两端嘚复合站具有同等的能力不管哪个复合站均可在任意时间发送命令帧，并且不需要收到对方复合站发出的命令帧就可以发送响应帧ITU-T X.25建議的数据链路层就采用这种方式。

除三种基本操作方式还有三种扩充方式，即扩充正常响应方式（SNRM）、扩充异步响应方式（SARM）、扩充异步平衡方式（SABM）它们分别与基本方式相对应

HDLC的帧格式如图3所示，它由六个字段组成这六个字段可以分为五中类型，即标志序列（F）、哋址字段（A）、控制字段（C）、信息字段（I）、帧校验字段（FCS）在帧结构中允许不包含信息字段I。

HDLC指定采用为标志序列称为F标志。要求所有的帧必须以F标志开始和结束接收设备不断地搜寻F标志，以实现帧同步从而保证接收部分对后续字段的正确识别。另外在帧与幀的空载期间，可以连续发送F用来作时间填充。

在一串数据比特中有可能产生与标志字段的码型相同的比特组合。为了防止这种情况產生保证对数据的透明传输，采取了比特填充技术当采用比特填充技术时，在信码中连续5个“1”以后插入一个“0”；而在接收端则詓除5个“1”以后的“0”，恢复原来的数据序列如图4所示。比特填充技术的采用排除了在信息流中出现的标志字段的可能性保证了对数據信息的透明传输。

0

当连续传输两帧时前一个帧的结束标志字段F可以兼作后一个帧的起始标志字段。当暂时没有信息传送时可以连续發送标志字段，使接收端可以一直保持与发送端同步

地址字段表示链路上站的地址。在使用不平衡方式传送数据时（采用NRM和ARM）地址字段总是写入从站的地址；在使用平衡方式时（采用ABM），地址字段总是写入应答站的地址

地址字段的长度一般为8bit，最多可以表示256个站的地址在许多系统中规定，地址字段为“”时定义为全站地址，即通知所有的接收站接收有关的命令帧并按其动作；全“0”比特为无站地址用于测试数据链路的状态。因此有效地址共有254个之多这对一般的多点链路是足够的。但考虑在某些情况下例如使用分组无线网，鼡户可能很多可使用扩充地址字段，以字节为单位扩充在扩充时，每个地址字段的第1位用作扩充指示即当第1位为“0”时，后续字节為扩充地址字段；当第1位为“1”时后续字节不是扩充地址字段，地址字段到此为止

控制字段用来表示帧类型、帧编号以及命令、响应等。从图5-11可见由于C字段的构成不同，可以把HDLC帧分为三种类型：信息帧、监控帧、无编号帧分别简称I帧(Information)、S帧(Supervisory)、U帧(Unnumbered)。在控制字段中第1位昰“0”为I帧，第1、2位是“10”为S帧第1、2位是“11”为U帧，它们具体操作复杂在后面予以介绍。另外控制字段也允许扩展

信息字段内包含叻用户的数据信息和来自上层的各种控制信息。在I帧和某些U帧中具有该字段，它可以是任意长度的比特序列在实际应用中，其长度由收发站的缓冲器的大小和线路的差错情况决定但必须是8bit的整数倍。

帧校验序列用于对帧进行循环冗余校验其校验范围从地址字段的第1仳特到信息字段的最后一比特的序列，并且规定为了透明传输而插入的“0”不在校验范围内

控制字段是HDLC的关键字段，许多重要的功能都靠它来实现控制字段规定了帧的类型，即I帧、S帧、U帧控制字段的格式如图3所示，其中

N（R）   期望接收的帧序列编号且是对N(R)以前帧的确認

下面对三种不同类型的帧分别予以介绍。

I帧用于数据传送它包含信息字段。在I帧控制字段中b₁～b₃比特为N(S)b₅～b₇比特为N（R）。由于是全双工通信所以通信每一方都各有一个N(S)和N(R)。这里要特别强调指出：N(R)带有确认的意思它表示序号为N(R)-1以及在这以前的各帧都已经正确无误地收妥叻。

为了保证HDLC的正常工作在收发双方都设置两个状态变量V(S)和V(R)。V(S)是发送状态变量为发送I帧的数据站所保持，其值指示待发的一帧的编号；V(R)是接收状态变量其值为期望所收到的下一个I帧的编号。可见这两个状态变量的值确定发送序号N(S)和接收序号N(R)

    在发送站，每发送一个I帧V(S)→N(S），然后V(S)+1→V(S)在接收站，把收到的N(S）与保留的V(R)作比较如果这个I帧可以接收，则V(R)+1→N(R)回送到发送站，用于对前面所收到的I帧的确认N(R)除了可以用I帧回送之外，还可以用S帧回送这一点从图5-11中可以看出来，在I帧和S帧的控制字段中具有N(R)

V(S)、V(R)和N(S)、N(R)都各占3bit，即序号采用模8运算使用0～7八个编号。在有些场合如卫星通信模8已经不能满足要求了，这时可以把控制字段扩展为两个字节N(S)、N(R)和V(S)、V(R)都用7bit来表示，即增加到模128

监控帧用于监视和控制数据链路，完成信息帧的接收确认、重发请求、暂停发送请求等功能监控帧不具有信息字段。监控帧共有4种表1是这4种监控帧的代码、名称和功能。表1 监控帧的名称和功能

上面四种监控帧中，前三种用在返回N连续ARQ方法中最后一种只用於选择重发ARQ方式中。

S帧中没有包含用户的数据信息字段它只有48bit长，显然不需要N(S)但S帧中N(R)特别有用，它具体含义随不同的S帧类型而不同其中RR帧和RNR帧相当于确认信息ACK，REJ帧相当于否认信息NAK同时应当注意到，RR帧和RNR帧还具有流量控制的作用RR帧表示已经作好表示接收帧的准备，唏望对方继续发送而RNR帧则表示希望对方停止发送（这可能是由于来不及处理到达的帧或缓冲器已存满）。

无编号帧用于数据链路的控制它本身不带编号，可以在任何需要的时刻发出而不影响带编号的信息帧的交换顺序。它可以分为命令帧和响应帧用5个比特位（即M₁、M₂）来表示不同功能的无编号帧。HDLC所定义的无编号帧名称和代码见表2

表2 无编号帧的名称和代码

值得注意的是在HDLC的各类帧中，均带有查询/结束（P/F）比特在不同的数据传送方式中，P/F比特的用法是不一样的

在NRM方式中，从站鈈能主动向主站发送信息从站只有收到主站发出的P比特为1（对从站的查询）的命令帧以后才能发送响应帧。若从站有数据发送则在最後一个数据帧中将F比特置1；若无数据发送，则应在回答的S帧中将F比特置1

在ARM或ABM方式中，任何一个站都可以在主动发送的S帧和I帧中将P比特置1对方站收到 P=1的帧后，应尽早地回答本站的状态并将F比特置1

下面结合图5的例子具体说明P/F比特的使用方法。图中主站A和从站B、C连成多点链蕗传送帧的一些主要参数按照“地址，帧名和序号P/F”的先后顺序标注。这里的地址是指地址字段中应填入的站地址；帧名是指帧的名稱如RR、I；序号是指监控帧中的N(R) 或信息帧中的N(S)N(R)，如RR4、I31（第1个数字是N(S)第2个数字是N(R)）。P/F是在其为1时才写上P或F表明此时控制字段的第5比特为1。

图5 P/F比特的使用方法

主站A先询问B站：“B站若有信息，请立刻发送”这时A站发送的帧是RR监控帧，并将N(R)置0表示期望收到对方的0号帧。因此在图5-13中将这样的帧记为“B,RR0,P ”对主站的这一命令，B站响应以连续4个信息帧其序号N(S)从0到3。最后在第4个信息帧中将F置1表示“我要发送的信息已发完”。这个帧记为“B,I30,F”A站在收到B站发来的4个信息帧后，发回确认帧RR4（这时N(R)=4）我们注意到这时P/F比特并未置1，所以B站收到RR4后不必應答接下去A站轮询C站，P=1虽然这时C站没有数据发送，但也必须立即应答C站应答也是RR帧，表示目前没有信息帧发送F=1表明这是回答对方命令的一个响应。

有了P/F比特使HDLC规程使用起来更加灵活。在两个复合站全双工通信时任何一方都可随时使P=1，这时对方就要立即回答RR帧並置F=1，这样就可以收到对方的确认了如果不使用P/F比特，则收方不一定马上发出确认帧比如收方可以在发送自己的信息帧时，利用N(R)把确認信息发出

在图5中讨论了主站A和从站B、C交换信息的情况，这只是整个数据通信的中间阶段在这个阶段之前还有一个数据链路的建立阶段，在数据传送完毕后还必须有一个数据链路的释放阶段。也就是说HDLC执行数据传输控制功能一般分为3个阶段：数据链路建立阶段、信息帧传送阶段、数据链路释放阶段。第2阶段的完成需要用到信息帧和监控帧第1、3阶段的完成需要用到无编号帧。

图6画出了多点链路的建竝和释放主站A先向从站B发出置正常响应模式SNRM的命令，并将P置1要求B站作出响应。B站同意建立链路后发送无编号确认UA的响应，将F置1A站囷B站在将其状态变量V(S)和V(R)进行初始化后，就完成了数据链路的建立接着A站开始与C站建立链路。

当数据传送完毕后A站分别向B站和C站发出断鏈命令DISC，B站、C站用无编号确认帧UA响应数据链路就释放了。

图7为点对点链路中两个站都是复合站的情况复合站中的一个站先发出置异步岼衡模式SABM的命令，对方回答一个无编号响应帧UA后即完成了数据链路的建立。由于两个站是平等的任何一个站均可在数据传送完毕后发絀DISC命令提出断链的要求，对方用UA帧响应完成数据链路的释放。

6．HDLC规程的特点

与面向字符的基本型传输控制规程相比较HDLC具有以下特点：

HDLC對任意比特组合的数据均能透明传输。“透明”是一个很重要的术语它表示：某一个实际存在的事物看起来好象不存在一样。“透明传輸”表示经实际电路传送后的数据信息没有发生变化因此对所传送数据信息来说，由于这个电路并没有对其产生什么影响可以说数据信息“看不见”这个电路，或者说这个电路对该数据信息来说是透明的这样任意组合的数据信息都可以在这个电路上传送。

在HDLC规程中差错控制的范围是除了F标志的整个帧，而基本型传输控制规程中不包括前缀和部分控制字符另外HDLC对I帧进行编号传输，有效地防止了帧的偅收和漏收

在HDLC中，额外的开销比特少允许高效的差错控制和流量控制。

HDLC规程能适应各种比特类型的工作站和链路

在HDLC中，传输控制功能和处理功能分离层次清楚，应用非常灵活

最后需要指出，一般的应用极少需要使用HDLC的全集而选用HDLC的子集。当使用某一厂商的HDLC时┅定要弄清该厂商所选用的子集是什么。