【网络原理】第四章 数据链路层（三）

【网络原理】第四章 数据链路层（三）

三、常用的数据链路协议（HDLC、PPP）

（一）分析协议的思路

步骤一：了解协议的概貌,知道这个协议设计的目的、基本特征

步骤二：以协议数据单元（对于数据链路层而言是帧）的格式为主要线索来研究协议的      具体实现

步骤三：协议如何解决实际问题？

（二）HDLC协议（高级数据链路控制规程）（面向比特协议）

HDLC协议是一个面向比特的协议，其主要解决了数据链路层链路管理、寻址、帧同步、差错控       制、流量控制，其具有了平衡系统的和非平衡系统两个特性。

1、HDLC的组成：

帧结构（语法）

规程元素（语法）

规则类型（语义）

使用HDLC语法可以定义多种具有不同操作特点的链路层协议。

2、HDLC的描述

HDLC在描述时提出了三个层次的概念：

（1）所有参与通信的节点分类（数据站）：主站、次站、组合站。

在以前的以单处理机为中心的多终端联机系统的集中式控制，主站和次站时成对出现的，而对于现在的分布式结构（如分组交换网络）来说，所有的站点都是组合站。

（2）链路类型：平衡型，非平衡型。

集中式控制属于非平衡型，而分布式控制则属于平衡型

（3）操作模式：正规响应模式、异步响应模式、异步平衡模式

对于平衡型来说其只有异步平衡模式，即每个站点自主发出通信，是自治系统。而对于由主站和次站构成的非平衡型来说，有正规响应模式，即次站必须受到主站的控制，在没有得到主站许可的情况下，不能主动发起数据传输。而在异步响应模式下，次站可以主动发起数据传输。

3、HDLC协议数据单元的格式（帧格式）

（1）标志字段：帧首字段和帧尾字段在内容上看都是由“01111110”组成，其用来划分帧的起始位置和结束位置

（2）地址字段：其有两个缺陷：一，由于当时是为以单处理机为中心的多终端联机系统设计的，所以只有一个地址（终端地址），不适用于现在的分布式计算机系统。二，地址只有8位，即最多只能表示256个节点。

（3）信息字段：协议数据单元的用户数据部分，长度可变，但是一般情况下是1500个字节。

（4）帧校验序列:使用CRC校验法。

(5)信息帧：发送方在发送数据时使用了固定尺寸的滑动窗口协议（窗口大小固定为7）

4、HDLC帧的类型

帧类型：（1）信息帧：替上层的实体传送数据使用的帧

（2）监控帧：进行差错控制和流量控制

（3）无序号帧：链路管理控制，负责协商双方如何通信、如何使用信道

（三）协议工程设计

1、协议说明（需求分析、功能设计）：一般不用自然语言描述（冗余、多义性、结构性不           好）。而用有限状态机（FSM）、Petri网等形式描述

2、协议验证（协议工作模式是否把网络环境所遇到的问题考虑全、是否能够正常运行）

3、协议测试：一致性测试、互操作性测试、性能测试

4、有限状态机：其认为任何一个协议，就是要描述网络中的各种状态，而状态是有限的。

（1）有限状态机是一个四元组（S,M,I,T）

S为状态的集合，M是标号的集合，I是状态的集合，T是变迁的集合

其基本思想为：当出现一个变迁时，会由一个状态迁移到另外一个状态，而变迁产生的原因是来自用户的命令，信息的到达，内部的超时等事件

（2）状态举例：信道有错的单工停等协议

用三元组XYZ来表示状态：XYZ

X:发送方正发送的帧序号，为0或1

Y:接收方正在等待的帧序号，为0或1；

Z：信道状态：为0（表示正在传送序号为0的帧），

1（表示正在传送序号为1的帧），

A（信道正在传送应答帧）

或-（空）（表示信道没有传送数据或者传送的数据出错）

其初始状态为000

（3）优点：简单明了，比较精确

缺点：对于复杂协议来说，事件数和状态数会增加，处理困难。

5、perti网

（1）元素：

位置：描述系统状态，用一个圆圈表示

变迁：描述修改系统状态的事件，用一个长方形或线段表示

弧：描述状态与事件之间的关系，包括输入弧和输出弧，用用有向弧表示。

黑点：标记，是当前的状态

如图为有错单工停等协议的preti描述，其最大特点在于可以单独描述三种不同的状态

（四）Internet的数据链路层

1、点到点通信的两种主要情形（intenet工作的主要场合）：

（1）路由器到路由器：

（2）通过调制解调器拨号上网，或者连入接入服务器

接入INTERNET的方法：拨号接入（用户要想连入internet，有一个路由器或主机相连，必须申请连入才能接入）、专线接入（线路实时开放，不需要申请就可以完成数据传输）

2、SLIP（Serial LINE IP 串行线路IP协议）

本协议1984年提出，发送原始IP数据包，用一个标记字节（0Xc0）来定界，采用字符填充技术。其存在的问题主要有不提供差错校验、只能支持IP协议且IP地址不能动态分配，不支持身份验证，多版本不兼容等问题，现在已经不再使用。

3、PPP（point-to-point Protocol）协议（RFC 1661 16621663）

(1)特点：提供差错校验、支持多种协议、允许动态IP地址、支持身份认证

（2）与SLIP不同的是，其发送的不是原始IP数据包，而是以帧位单位传输。

（3）PPP协议为了增加协议的适应性和灵活性，协议被分为了两个部分，一部分为链路控制协议LCP(LinkControl Protocol),可以建立、测试多种物理层服务，使得本数据链路层可以支持更加丰富的类型

(4)PPPoE(Point to Point Protocol over Ethernet) 是基于以太网的点对点通讯协议

（5）帧格式：PPP协议的帧格式与HDLC协议的帧格式基本相同，但是有以下两点不同：第一，HDLC协议面向比特，而PPP协议面向的是字符，其要求所有通信的节点支持ASCII字符集；第二，PPP协议是HDLC的简化版本：（1）帧首与帧尾的定界符与HDLC协议相同（00111111），（2）地址字段保留了8位（为8个1），其不需要地址（应用环境是一条链路对应的两段，不需要地址）（3）控制字段（无序号帧）（4）协议字段：处理完成之后指向哪个应用进程进行处理（IP/IPX。。）（5）净负荷域：缺省为1500字节（6）校验和域：2或4个字节

参考资料：  [1]韩立刚，计算机网络原理创新教程[M],水利水电出版社，2017.1

[2]陈妍，计算机网络原理[M].西安交通大学，2012.6

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