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       数据链路层协议
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        数据链路层协议有HDLC、PPP、SDLC等,本节主要介绍HDLC和PPP协议。
               HDLC协议
               HDLC源于IBM开发的SDLC,SDLC是由IBM开发的第一个面向位的同步数据链路层协议。随后,ANSI和ISO均采纳并发展了SDLC,并且分别提出了自己的标准,ANSI提出了高级数据链路控制规程(Advanced Data Communication Control Procedure,ADCCP),而ISO提出了HDLC。
               作为面向位的同步数据控制协议的典型,HDLC只支持同步传输。但是HDLC既可工作在点到点线路方式下,也可工作在点到多点线路方式下;同时HDLC既适用于半双工线路,也适用于全双工线路。HDLC协议的子集被广泛用于X.25网络、帧中继网络以及局域网的逻辑链路控制(Logic Link Control,LLC)子层作为链路层协议以支持相邻节点之间可靠的数据传输。
                      HDLC帧格式
                      HDLC协议的帧格式如下图所示。
                      
                      HDLC协议的帧格式
                      每个字段的含义如下:
                      (1)标志字段F(Flag)。该字段为01111110的位模式,用以标识帧的开始与结束,也可以作为帧与帧之间的填充。在连续发送多个帧时,同一个标识既可用于表示前一帧的结束,又可用于表示下一帧的开始。通常在不进行帧传送的时刻,信道仍处于激活状态,在这种状态下发送方不断地发送标识字段,而接收方则检测每一个收到的标识字段,一旦发现某个标识字段后面不再是一个标识字段,便可认为新的帧传输已经开始。采用“0位插入法”可以实现用户数据的透明传输。
                      (2)地址字段A(Address)。该字段的内容取决于所采用的操作方式。每个节点都被分配一个唯一的地址。控制帧中的地址字段携带的是对方节点的地址,而响应帧中的地址字段所携带的地址是本节点的地址。某一地址也可分配给不止一个节点,这种地址称为组地址。利用一个组地址传输的帧能被组内所有的节点接收。还可以用全“1”地址来表示包含所有节点的地址,全“1”地址称为广播地址,含有广播地址的帧传送给链路上所有的节点。另外,还规定全“0”的地址不分配给任何节点,仅作为测试用。
                      地址字段长度通常是8位,可表示256个地址。当地址字段的首位为“1”时,表示地址字段只用8位;若首位为“0”时,表示本字节后面1个字节是扩充地址字段。这就意味着HDLC地址字段可以标识超过256个以上的站点地址。
                      (3)控制字段C(Control)。控制字段占用1个字节长度。控制字段用于构成各种命令及响应,以便对链路进行监视与控制。该字段是HDLC帧格式的关键字段。控制字段中的第1位或第2位表示帧的类型,即信息帧I帧、监控帧S帧和无编号帧U帧。3种类型的帧控制字段的第5位是P/F(Poll/Final,轮询/终止)位。
                      (4)信息字段I(Information)。信息字段可以是任意的二进制位串,长度未作限定,其上限由FCS字段或通信节点的缓冲容量来决定。目前,国际上用得较多的是1000~2000位,而下限可以是0,即无信息字段。另外,监控帧中不可有信息字段。
                      (5)帧校验序列。在HDLC协议的所有帧中都包含一个16位的帧校验序列(Frame Check Sequence,FCS),用于差错检测。HDLC协议的校验序列是对整个帧的内容进行CRC循环冗余校验,但标志字段和0位插入部分不包括在帧校验范围内。HDLC协议帧校验序列的生成多项式一般采用多项式x16+x12+x5+1。
                      HDLC帧类型
                      HDLC的控制字段有8位。如果第1位为“0”时,表示该帧为信息帧;第1、2位为“10”时,表示该帧为监控帧;第1、2位为“11”时,表示该帧为无编号帧。
                      (1)信息帧(Information Frame)用于传送有效信息或数据,通常简称为I帧,其控制字段的帧格式如下图所示。
                      
                      信息帧控制字段格式
                      I帧控制字段的第1位为0。HDLC协议采用滑动窗口机制,允许发送方不必等待确认而连续发送多个信息帧。控制字段中的N(S)用于存放发送帧的序列,N(R)用于存放接收方下一个预期要接收的帧的序号。N(S)与N(R)均为3位,可取值0~7。
                      (2)监控帧(Supervisor Frame)用于差错控制和流量控制,通常称为S帧。监控帧以控制字段第1、2位为10来标志。监控帧控制字段格式如下图所示。
                      
                      监控帧控制字段格式
                      监控帧控制字段的第3、4位为监控帧类型编码,共有4种不同的编码,如下表所示。
                      
                      监控帧的功能及N(R)字段含义
                      接收方可以用接收就绪(Receive Ready,RR)监控帧应答发送方,希望发送方发送序号为N(R)的信息帧。RR帧就相当于专门应答帧(因为一般情况下,应答信息都是通过反向数据帧的捎带来完成的)。
                      接收方可以用拒绝(REJect,REJ)监控帧来要求发送方重传编号为N(R)之后所有的信息帧(包括N(R)帧),同时暗示N(R)以前的信息帧被正确接收。
                      接收方返回接收未就绪(Receive Not Ready,RNR)监控帧,表示编号小于N(R)的信息帧已被收到,但目前正忙,尚未准备好接收编号为N(R)的信息帧,这可用来对链路进行流量控制。
                      接收方返回选择拒绝(Select REJect,SREJ)监控帧来要求发送方只发送编号为N(R)的信息帧,并暗示其他编号的信息帧已经全部正确接收到。
                      RR监控帧和RNR监控帧有两个主要功能:首先这两种监控帧用来表示接收方已经准备好或未准备好信息;其次确认编号小于N(R)的所有信息帧都正确接收到。
                      REJ监控帧和SREJ监控帧用于向发送方指出发生了差错,REJ监控帧用于GO-BACK-N策略用以请求重发N(R)起始的所有帧;SREJ帧用于选择重传协议,用于指定重发某个特定的帧。
                      (3)无编号帧U(Unnumbered Frame)用控制字段第1、2位为11来标识,如下图所示。
                      
                      无编号帧控制字段格式
                      无编号帧因为其控制字段中不包含编号N(S)和N(R)而得名,简称U帧。U帧用于提供对链路的建立、拆除以及多种控制工程。无编号帧U用5个修正(Modifier)位来进行定义,最多可以表示32种控制帧。
               PPP协议
               PPP是RFC1171/1172制定的,是在点对点线路上对包括IP在内的LAN协议进行中继的Internet标准协议。PPP被设计成支持多种上层协议,并设计成具有不依存于网络层协议的数据链路。在用PPP对各个网络层协议进行中继时,每个网络层协议必须有某个对应于PPP的规格,这些规格有一些已经存在。PPP是由两种协议构成的:一种是为了确保不依存于协议的数据链路而采用的LCP(Link Control Protocol,链路控制协议);另一种为了实现在PPP环境中利用网络层协议控制功能的NCP(Network Control Protocol,网络控制协议)。NCP的具体名称在对应的网络层协议中有所不同。更准确地说,PPP所规定协议只是LCP,至于将NCP及网络层协议如何放入PPP帧中,要由开发各种网络层协议的厂家完成。PPP帧具有传输LCP、NCP及网络层协议的功能。对利用LCP的物理层规格没有特殊限制。可以利用RS-232-C、RS-422/423、V.35等通用的物理连接器。传输速率的应用领域也没有特别规定,可以利用物理层规格所容许的传输速率。
                      PPP协议的应用
                      PPP协议是目前广域网上应用最广泛的协议之一,它的优点在于简单、具备用户验证能力、可以解决IP分配等。
                      家庭拨号上网就是通过PPP在用户端和运营商的接入服务器之间建立通信链路。目前,宽带接入已经成为取代拨号上网的新方式,在宽带接入技术日新月异的今天,PPP也衍生出新的应用。典型的应用是在ADSL接入方式当中,PPP与其他的协议共同派生出了符合宽带接入要求的新的协议,如PPPoE(PPP over Ethernet,以太网上的PPP),PPPoA(PPP over ATM,ATM网上的PPP)。
                      利用以太网资源,在以太网上运行PPP来进行用户认证接入的方式称为PPPoE。PPPoE既保护了用户方的以太网资源,又完成了ADSL的接入要求,是目前ADSL接入方式中应用最广泛的技术标准。
                      同样,在ATM网络上运行PPP协议来管理用户认证的方式称为PPPoA。它与PPPoE的原理、作用都相同;不同的是,PPPoA是在ATM网络上,而PPPoE是在以太网网络上运行,所以要分别适应ATM标准和以太网标准。
                      PPPoE协议简介
                      随着宽带网络技术的不断发展,以xDSL、Cable Modem和以太网为主的几种主流宽带接入技术的应用已如火如荼地展开。同时,又给各大网络运营商们带来了种种新的问题,无论使用哪种接入技术,对于他们而言,可盼和可求的是如何有效地管理用户,如何从网络的投资中收取回报,因此对于各种宽带接入技术的收费问题就变得更加敏感。在传统的以太网模型中,是不存在所谓的用户计费的概念,要么用户能获取IP地址上网,要么用户就无法上网。IETF(Internet Engineering Task Force,互联网工程任务组)的工程师们在秉承窄带拨号上网的运营思路,制定出了在以太网上传送PPP数据包的协议,这个协议出台后,各网络设备制造商也相继推出自己品牌的宽带接入服务器(Broadband Access Server,BAS),它不仅能支持PPPoE协议会话的终结,而且还能支持其他许多协议。例如,华为公司的MA5200和北电的Shasta5000。
                      PPPoE协议提供了在广播式的网络(如以太网)中多台主机连接到远端的访问集中器(称目前能完成上述功能的设备为宽带接入服务器)上的一种标准。在这种网络模型中,不难看出所有用户的主机都需要能独立地初始化自己的PPP协议栈,而且通过PPP协议本身所具有的一些特点,能实现在广播式网络上对用户进行计费和管理。为了能在广播式的网络上建立、维持各主机与访问集中器之间点对点的关系,那么就需要每个主机与访问集中器之间能建立唯一的点到点的会话。
                      PPPoE协议共包括两个阶段,即PPPoE的发现阶段(PPPoE Discovery Stage)和PPPoE的会话阶段(PPPoE Session Stage)。对于PPPoE的会话阶段,可以看成和PPP的会话过程是一样的,而两者的主要区别在于只是在PPP的数据报文前封装了PPPoE的报文头。无论是哪一个阶段的数据报文最终会被封装成以太网的帧进行传送。
                      PPPoE的数据报文是被封装在以太网帧的数据域内的。可以把PPPoE报文分成两大块,一大块是PPPoE的数据报头;另一块则是PPPoE的净载荷(数据域),对于PPPoE报文数据域中的内容会随着会话过程的进行而不断改变。下图所示为PPPoE的报文的格式。
                      
                      PPPoE数据报文格式
                      .PPPoE数据报文最开始的4位为版本域,协议中给出了明确的规定,这个域的内容填充0x01。紧接在版本域后的4位是类型域,协议中同样规定,这个域的内容填充为0x01。代码域占用1字节,对于PPPoE的不同阶段这个域内的内容也是不一样的。会话ID占用2字节,当访问集中器还未分配唯一的会话ID给用户主机的话,则该域内的内容必须填充为0x0000,一旦主机获取了会话ID后,那么在后续的所有报文中该域必须填充那个唯一的会话ID值。
                      长度域为2字节,用来指示PPPoE数据报文中净载荷的长度。数据域有时也称为净载荷域,在PPPoE的不同阶段该域内的数据内容会有很大的不同。在PPPoE的发现阶段时,该域内会填充一些Tag(标记);而在PPPoE的会话阶段,该域则携带的是PPP的报文。
 
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