考研笔记

组帧

四种组帧方法合为一页。它们要解决的是同一个问题：接收方收到的只是一串比特，怎么知道一帧从哪里开始、到哪里结束，而且帧里的数据恰好长得像定界符时也不出错。 四种方法分别给出了四种答案，真正要会动手算的是零比特填充（2013 年考过），字节填充次之。

机制

为什么要组帧，为什么首尾都要加

发送方依据一定的规则将网络层递交的分组封装成帧，也称组帧。数据链路层之所以要把比特组合成以帧为单位传输，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。组帧主要解决帧定界、帧同步、透明传输等问题。

组帧时既要加首部，又要加尾部。原因是在网络中信息以帧为最小单位进行传输，接收方收到的是一串比特流，没有首部和尾部就不能正确区分帧。而分组（IP 数据报）只是包含在帧的数据部分里，所以分组不需要加尾部来定界。

实现组帧的方法通常有以下四种。

3.2.1 字符计数法

在帧首部使用一个计数字段来记录该帧所含的字节数（包括计数字段自身所占用的 1 字节）。接收方读出帧首部的字节计数值，就知道后面跟随的字节数，从而确定帧的结束位置；因为帧与帧之间是连续传输的，所以也就能确定下一帧的开始位置。

例如依次收到 5 1 2 3 4 | 5 6 7 8 9 | 8 0 1 2 3 4 5 6 | 8 7 8 9 0 1 2 3，第一个 5 表示第 1 帧共 5 个字符（含 5 本身），于是 5 1 2 3 4 是一帧，接着的 5 开始第 2 帧，依此类推。

这种方法最大的问题是计数字段一旦出错，就失去了帧边界划分的依据：接收方无法判断所传输帧的结束位置和下一帧的开始位置，收发双方将失去同步，造成灾难性后果——一个计数字段错了，后面的每一帧都会被切错。

3.2.2 字节填充法

使用特定字节来定界一帧的开始与结束。例如控制字符 SOH 放在帧的最前面表示帧的开始，控制字符 EOT 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，在特殊字符之前填充一个转义字符 ESC 来加以区分。注意，转义字符是 ASCII 码中的一个控制字符，是一个字符，而不是”E""S""C”三个字符的组合。接收方收到转义字符后，就知道其后面紧跟的是数据信息，而不是控制信息。

帧内容
网络层发出的数据SOH A EOT ESC B EOT
经链路层填充后SOH A ESC EOT ESC ESC B EOT
接收方交给网络层SOH A EOT ESC B EOT

数据段中出现 EOT 或 SOH 字符时，发送方在每个 EOT 或 SOH 前再插入一个 ESC；若转义字符 ESC 本身也出现在数据中，解决方法仍是在它前面插入一个转义字符。接收方收到数据后自己删除这个插入的 ESC，仍得到原来的数据。这也正是”字符填充法”名称的由来。PPP 在异步线路上用的就是这种方法，转义字符为 0x7D（3.7.2）。

3.2.3 零比特填充法

零比特填充法允许数据帧包含任意个数的比特，它使用一个特定的比特串 01111110 来标志一帧的开始和结束。为了不使数据字段中出现的比特流 01111110 被误判为帧的首尾标志：

  • 发送方先扫描整个数据字段，每遇到 5 个连续的”1”，就自动在其后插入一个”0”；
  • 接收方执行逆操作，每收到 5 个连续的”1”，就自动删除后面紧跟的”0”，恢复原始数据。

经过这种比特填充后，就可以保证数据字段中不会出现 6 个连续的”1”，也就不会与标志 01111110 混淆。数据链路层早期使用的 HDLC 协议，便是采用这种比特填充的首尾标志法来实现透明传输的；PPP 在同步线路上也用它。零比特填充法很容易由硬件来实现，性能优于字节填充法。

3.2.4 违规编码法

在物理层进行比特编码时，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（没有采用），因此可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——以太网帧不需要结束定界符正是这个道理（3.6.2）。

违规编码法不采用任何填充技术便能实现数据的透明传输，但它只适用于采用冗余编码的特殊编码环境。

四种方法怎么取舍

因为字符计数法中计数字段的脆弱性，以及字节填充法实现上的复杂性与不兼容性，目前较常用的组帧方法是零比特填充法和违规编码法。

计算模板：零比特填充

  1. 把所有要填充的字节首尾相接成一个比特流——连续的 1 可以跨字节边界。
  2. 从左往右数连续的 1，数到 5 个就在其后插 0，并把计数清零，从插入的 0 之后重新数。
  3. 插不插 0 与第 6 位是什么无关：哪怕原数据第 6 位本来就是 0，也要插。
  4. 首尾标志 01111110 本身不参与填充。

例（2013 真题，王道 3.2.5 第 1 题）：HDLC 协议对 01111100 01111110 组帧后，对应的比特串为？

原始：0 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0
填充：0 1 1 1 1 1 [0] 0 0 0 1 1 1 1 1 [0] 1 0

第一个字节里 5 个 1 之后本来就跟着 0，但仍要插入一个 0；第二个字节是标志图样本身，数到第 5 个 1 后插 0，破坏掉 6 个连续的 1。结果 01111100 00111110 10，选 A。

例（王道 3.2.5 综合应用第 1 题）：字符编码 A = 01000111，B = 11100011，ESC = 11100000，FLAG = 01111110，用 FLAG 作首尾标志、ESC 作转义字符，传送 A、B、ESC、FLAG 四个字符：

方法实际发送的位序列
字符计数法00000101 01000111 11100011 11100000 01111110（计数 5 含自身）
字节填充法01111110 01000111 11100011 11100000 11100000 11100000 01111110 01111110
零比特填充法01111110 01000111 110100011 111000000 011111010 01111110

零比特填充那一行的三处插 0 全部跨越了字节边界或落在字符内部：A 末尾的 3 个 1 与 B 开头的 2 个 1 凑成 5 个，在 B 的第 2 位后插 0；B 末尾的 2 个 1 与 ESC 开头的 3 个 1 凑成 5 个，在 ESC 的第 3 位后插 0；FLAG 作为数据时 5 个 1 后插 0。只按字节单独数 1 的话三处都会漏掉。

边界

字符计数法里的计数值包括计数字段自己。 这是读题最容易漏的一点，教材图示里的”5”就是 1 个计数字节 + 4 个数据字节。

字节填充法转义的对象包括转义字符本身。 数据里出现 ESC 也要在前面加一个 ESC，否则接收方会把原本的 ESC 当成转义标记，吃掉它后面的那个字节。

零比特填充只插 0、不插 1，接收方只删 5 个 1 后面的那个 0。 所以线路上永远不会出现 6 个连续的 1——标志 01111110 由此唯一。

违规编码法不需要填充，但不是所有编码都能用。 它依赖编码本身有冗余（曼彻斯特编码每比特用两个电平，才有”违规”组合可用），非冗余编码没有可借的违规序列。

帧要首尾定界，分组不需要。 帧在链路上以比特流形式到达，需要自己定界；IP 数据报装在帧的数据部分里，边界由帧给出，所以 IP 首部里只有”总长度”而没有尾部。

对照速查

方法定界手段透明传输缺点实例
字符计数法首部计数字段天然透明计数出错则全部失步—
字节填充法SOH / EOT 等特殊字符特殊字符前插 ESC实现复杂、不兼容PPP 异步线路
零比特填充法011111105 个 1 后插 0—HDLC、PPP 同步线路
违规编码法编码中的违规序列无须填充只适用于冗余编码IEEE 802 局域网

考点

  • 以帧为单位的目的：出错时只重发出错的帧
  • 字符计数法：计数含自身；计数字段出错失去同步
  • 字节填充法：特殊字符（含 ESC 本身）前插 ESC
  • 零比特填充法：5 个 1 后插 0，连续 1 跨字节计数（2013）
  • 违规编码法：借用曼彻斯特的”高-高""低-低”，无须填充，802 局域网采用
  • 常用的是零比特填充法和违规编码法

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