计算机网络:组帧

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数据链路层之所以要把比特组合成帧为单位传输,是为了在出错时只重发出错的帧,而不必重发全部数据,从而提高效率。为了使接收方能正确地接收并检查所传输的帧,发送方必须依据一定的规则把网络层递交的分组封装成帧(称为组帧)。组帧主要解决帧定界、帧同步、透明传输等问题。

通常有4种方法实现组帧。

比较组帧与分组

组帧时要加首、尾部。原因是在网络中信息是以帧为最小单位进行传输的,所以接收端要正确地接收帧,必须要清楚该帧在一串比特流中从哪里开始到哪里结束(因为接收端收到的是一串比特流,没有首部和尾部是不能正确区分帧的)。而分组(即IP数据报)仅是包含在帧中的数据部分,所以不需要加尾部来定界。

1.字符计数法(不常用)

字符计数法是指在帧头部使用一个计数字段来标明帧内字符数(计数字段提供的字节数包含自身所占用的一个字节)。

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缺点:如果计数字段出错,即失去了帧边界划分的依据,那么接收方就无法判断所传输帧的结束位和下一帧的开始位,收发双方将失去同步,从而造成灾难性后果。

2.字符填充的首尾定界符法(不常用)

字符填充法使用特定字符来定界一帧的开始与结束。

  • 控制字符SOH(Start of Heading)表示帧的首部开始
  • 控制字符EOT(End Of Transmission)表示帧的结束。
  • 为了使信息位中出现的特殊字符不被误判为帧的首尾定界符,可在特殊字符前面填充一个转义字符(ESC,Escape character)来加以区分(注意,转义字符是ASCII码中的控制字符,是一个字符,而非“E”“S””C”三个字符的组合),以实现数据的透明传输。

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接收方收到数据后会自己删除这个插入的ESC字符, 得到原来的数据。但是实现复杂,不兼容,不常用。

3.零比特填充的首尾标志法(常用)

零比特填充法允许数据帧包含任意个数的比特,也允许每个字符的编码包含任意个数的比特。它使用一个特定的比特模式,即01111110来标志一帧的开始和结束。为了不使信息位中出现的比特流01111110被误判为帧的首尾标志,发送方的数据链路层在信息位中遇到5个连续的“1”时,将自动在其后插入一个“0”;而接收方做该过程的逆操作,即每收到5个连续的“1”时,自动删除后面紧跟的“0”,以恢复原信息。硬件实现容易,性能优于字符填充。

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4.违规编码法(常用)

在物理层进行比特编码时,通常采用违规编码法。

例如,曼彻斯特编码方法将数据比特“1”编码成“高-低”电平对,将数据比特“0”编码成“低-高”电平对,而“高-高”电平对和“低-低”电平对在数据比特中是违规的(即没有采用)。可以借用这些违规编码序列来定界帧的起始和终止。局域网IEEE 802标准就采用了这种方法。

违规编码法不需要采用任何填充技术,便能实现数据传输的透明性,但它只适用于采用冗余编码的特殊编码环境。

参考资料:

谢希仁.计算机网络(第8版)[M].北京:电子工业出版社,2021.

James F.Kurose,Keith W.Ross.计算机网络:自顶向下方法[M].北京:机械工业出版社,2019.

2023年王道计算机复习指导[M].北京:电子工业出版社,2021.

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作者: 一航技术

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