网络数据链接控制

本文概述

• 线学科
• 流量控制
• 错误控制

数据链路控制是数据链路层提供的服务, 用于在物理介质上提供可靠的数据传输。例如, 在半双工传输模式下, 一个设备一次只能传输数据。如果链路末端的两个设备同时传输数据, 则它们将发生冲突并导致信息丢失。数据链路层提供了设备之间的协调, 因此不会发生冲突。

数据链接层提供三个功能：

• 线规
• 流量控制
• 错误控制

线学科

• 线路纪律是数据链路层的功能, 可在链路系统之间提供协调。它确定可以发送的设备以及何时可以发送数据。

线路纪律可以通过两种方式实现：

• ENQ / ACK
• 投票/选择

END / ACK

END / ACK代表“查询/确认”, 当链路上没有可用的错误接收器, 并且在两个设备之间具有专用路径时, 便可以使用能够接收传输的设备。

END / ACK协调哪个设备将开始传输以及接收者是否准备就绪。

END / ACK的工作

发送器发送称为询问（ENQ）的帧, 询问接收器是否可用于接收数据。

接收器以肯定确认（ACK）或否定确认（NACK）进行响应, 其中肯定确认表示接收器已准备好接收传输, 而否定确认表示接收器无法接受传输。

以下是接收方的响应：

• 如果对ENQ的响应为肯定, 则发送方将发送其数据, 并且一旦发送完所有数据, 则设备将以EOT（发送结束）帧结束其发送。
• 如果对ENQ的响应是否定的, 则发送方将断开连接并在另一时间重新开始传输。
• 如果响应既不是否定的也不是肯定的, 则发送方认为ENQ帧在传输过程中丢失了, 并在放弃之前进行了三次尝试建立链接。

投票/选择

线路规则的“轮询/选择”方法适用于将一个设备指定为主站, 而其他设备作为辅助站的拓扑。

投票/选择的工作

• 在这种情况下, 主设备和多个辅助设备由一条传输线组成, 并且所有交换都通过主设备进行, 即使目的地是辅助设备也是如此。
• 主设备具有对通信链路的控制, 而辅设备遵循主设备的指令。
• 主设备确定允许哪个设备使用通信信道。因此, 可以说它是会话的发起者。
• 如果主设备要从辅助设备接收数据, 它会询问辅助设备它们要发送的数据, 此过程称为轮询。
• 如果主设备要向辅助设备发送一些数据, 则它告诉目标辅助设备准备好接收数据, 此过程称为选择。

选择

• 当主要设备要发送东西时, 将使用选择模式。
• 当主设备要发送一些数据时, 它会通过发送选择（SEL）帧来提醒辅助设备即将进行的传输, 该帧的一个字段包括预期辅助设备的地址。
• 当辅助设备接收到SEL帧时, 它将发送一个指示辅助就绪状态的确认。
• 如果辅助设备准备好接受数据, 则主设备将两个或多个数据帧发送到预期的辅助设备。一旦数据被发送, 辅助设备发送一个确认信息, 表明已经接收到数据。

轮询

• 当主设备要从辅助设备接收某些数据时, 将使用“轮询”模式。
• 当主设备要接收数据时, 它会询问每个设备是否有任何要发送的数据。
• 首先, 主服务器询问（轮询）第一辅助设备, 如果它以NACK（否定确认）做出响应, 则意味着它没有任何可发送的内容。现在, 它接近第二个辅助设备, 它以ACK响应, 意味着它有要发送的数据。辅助设备可以一个接一个地发送多个帧, 或者有时可能需要在发送每个帧之前发送ACK, 具体取决于所使用协议的类型。

流量控制

• 它是一组过程, 告诉发送方在数据淹没接收方之前可以发送多少数据。
• 接收设备的速度和存储数据的内存有限。因此, 接收设备必须能够通知发送设备在达到限制之前暂时停止传输。
• 它需要一个缓冲区, 一个内存块, 用于存储信息, 直到信息被处理为止。

已经开发出两种方法来控制数据流：

• 停止等待
• 滑动窗口

停止等待

• 在Stop-and-wait方法中, 发送方在发送每个帧之后都等待确认。
• 收到确认后, 仅发送下一帧。交替发送和等待帧的过程继续进行, 直到发送方发送EOT（传输结束）帧为止。

停止等待的优势

Stop-and-wait方法很简单, 因为在发送下一帧之前检查并确认每个帧。

停止等待的缺点

停止等待技术效率低下, 因为每个帧都必须一直穿越到接收器, 并且确认要一直发送到下一帧才发送。发送和接收的每个帧都使用遍历链接所需的整个时间。

滑动窗口

• 滑动窗口是一种流控制方法, 其中发送方可以在获得确认之前发送几个帧。
• 在滑动窗口控制中, 由于可以有效利用通信信道的容量, 因此可以一个接一个地发送多个帧。
• 单个ACK确认多个帧。
• 滑动窗口是指发送方和接收方两端的虚构框。
• 该窗口可以在任一端保存帧, 并且它提供了在确认之前可以传输的帧数的上限。
• 即使窗口没有完全填满, 也可以确认帧。
• 窗口具有特定的大小, 其中它们的编号为模n, 表示它们的编号从0到n-1。例如, 如果n = 8, 则帧从0、1、2、3、4、5、6、7、0、1、2、3、4、5、6、7、0、1编号。 ……
• 窗口的大小表示为n-1。因此, 在确认之前最多可以发送n-1个帧。
• 当接收方发送ACK时, 它包含要接收的下一帧的编号。例如, 要确认帧号为4的帧的字符串, 接收方将发送包含数字5的ACK。当发送方看到编号为5的ACK时, 便知道从0到4的帧已经收到。

发件人窗口

• 传输开始时, 发送方窗口包含n-1个帧, 发送出去时, 左边界向内移动, 从而缩小了窗口的大小。例如, 如果发送三个帧时窗口的大小为w, 则发送方窗口中遗漏的帧数为w-3。
• ACK到达后, 发送方窗口将扩展到与ACK确认的帧数相等的数字。
• 例如, 窗口的大小为7, 并且如果发送了第0到第4帧并且未到达确认, 则发送方窗口仅包含两个帧, 即5和6。现在, 如果ACK到达并带有一个数字4表示0到3帧已完好无损, 并且发送方窗口已扩展为包括接下来的四个帧。因此, 发送方窗口包含六个帧（5, 6, 7, 0, 1, 2）。

接收器窗口

• 在传输开始时, 接收器窗口不包含n个帧, 但包含n-1个帧空间。
• 当新框架到达时, 窗口的大小将缩小。
• 接收器窗口不代表接收到的帧数, 但是代表发送ACK之前可以接收的帧数。例如, 窗口的大小为w, 如果接收到三帧, 则窗口中可用的空间数为（w-3）。
• 发送确认后, 接收器窗口将以等于确认的帧数的数量扩展。
• 假设窗口的大小为7, 则意味着接收器窗口包含7个帧的7个空格。如果接收到一帧, 则接收器窗口会缩小并将边界从0移到1。这样, 窗口就会一一缩小, 因此窗口现在包含六个空格。如果发送了从0到4的帧, 则在发送确认之前, 窗口包含两个空格。

错误控制

错误控制是一种错误检测和重新传输的技术。

错误控制类别：

停止等待ARQ

停止等待ARQ是一种用于在帧损坏或丢失的情况下重新传输数据的技术。

该技术基于以下原理工作：发送方直到接收到最后发送的帧的确认, 才发送下一帧。

重传需要四个功能：

• 发送设备保留最后发送的帧的副本, 直到接收到确认为止。如果未正确接收帧, 保留副本将使发送方重新传输数据。
• 数据帧和ACK帧都交替编号为0和1, 以便可以分别对其进行标识。假设数据1帧确认数据0帧意味着数据0帧已正确到达, 并期望接收数据1帧。
• 如果在最后发送的帧中发生错误, 则接收器发送未编号的NAK帧。在接收到NAK帧后, 发送方将重新发送数据。
• 它与计时器一起使用。如果在指定的时间内未收到确认, 则发送方认为该帧在传输过程中丢失, 因此它将重新传输该帧。

重传的两种可能性：

• 损坏的帧：当接收方收到损坏的帧（即, 该帧包含错误）时, 它将返回NAK帧。例如, 当发送数据0帧, 然后接收方发送ACK 1帧时, 意味着数据0已正确到达, 并发送数据1帧。发送方发送下一帧：数据1。它到达未损坏的状态, 并且接收方返回ACK0。发送方发送下一帧：数据0。接收方报告错误并返回NAK帧。发送方重新发送数据0帧。
• 丢失帧：发送方配备了计时器, 并在发送帧时开始。有时, 帧尚未到达接收端, 因此无法肯定或否定地对其进行确认。发送方等待确认, 直到计时器关闭。如果计时器关闭, 它将重新发送最后发送的帧。

推拉窗ARQ

SlidingWindow ARQ是用于连续传输错误控制的技术。

用于重传的三个功能：

• 在这种情况下, 发送方将保留所有已传输帧的副本, 直到它们被确认为止。假设已经发送了从0到4的帧, 并且最后一个确认是针对帧2的, 则发送方必须保留帧3和4的副本, 直到它们正确接收为止。
• 接收器可以根据情况发送NAK或ACK。 NAK帧告诉发送者数据已被损坏。由于滑动窗口是一种连续的传输机制, 因此必须对ACK和NAK都进行编号以标识帧。 ACK帧由一个数字组成, 代表接收者希望接收的下一帧。 NAK框架由代表损坏框架的数字组成。
• 滑动窗口ARQ配备有计时器来处理丢失的确认。假设在接收到任何确认之前已发送了n-1个帧。发送方等待确认, 因此它将启动计时器并等待再发送。如果分配的时间用完, 发送方将根据使用的协议重新发送一个或所有帧。

滑动窗口ARQ中使用的两种协议：

• Go-Back-n ARQ：在Go-Back-N ARQ协议中, 如果一帧丢失或损坏, 则它将重新传输所有帧, 此后, 该帧将不会收到肯定的ACK。

重传可能出现三种可能性：

• 损坏的帧：当帧损坏时, 接收器将发送NAK帧。

在上图中, 在第三个帧中发现错误之前已传输了三个帧。在这种情况下, 将返回ACK 2, 告知已成功接收帧0, 1, 没有任何错误。接收器发现数据2帧中的错误, 因此它返回NAK 2帧。框架3在损坏的框架之后传输时也被丢弃。因此, 发送者重新发送帧2, 3。

• 丢失的数据帧：在滑动窗口协议中, 数据帧按顺序发送。如果丢失任何帧, 则下一帧到达接收器的顺序不正确。接收器检查每个帧的序列号, 发现已跳过的帧, 然后为丢失的帧返回NAK。发送设备重新发送由NAK指示的帧以及丢失帧之后发送的帧。
• 丢失的确认：发送方可以在等待任何确认之前发送窗口允许的最大帧数。一旦达到窗口的限制, 发送方便不再有要发送的帧。它必须等待确认。如果确认丢失, 则发送者可以永远等待。为避免这种情况, 发送方配备了计时器, 只要达到窗口容量, 计时器便开始计数。如果在该时限内未收到确认, 则发送方自上次ACK起重新发送该帧。

选择性拒绝ARQ

• 选择性拒绝ARQ技术比Go-Back-n ARQ更有效。
• 在此技术中, 仅重发已接收到否定确认（NAK）的那些帧。
• 接收器存储缓冲区将保留所有损坏的帧, 直到正确接收到错误的帧。
• 接收器必须具有适当的逻辑, 以便以正确的顺序重新插入帧。
• 发送方必须包含一个搜索机制, 该机制仅选择请求的帧进行重传。