计算机网络教程第五版|微课版 - 第三章 数据链路层 - 重点概念

第三章、数据链路层

本章的重要概念

• 链路是从一个节点到相邻节点的一段物理线路，数据链路则是在链路的基础上增加了一些必要的硬件（如网络适配器）和软件（如协议的实现）。
• 数据链路层使用的信道主要有点对点信道和广播信道两种。
• 数据链路层传送的协议数据单元是帧。数据链路层的三个重要问题是：封装成帧、差错检测和可靠传输。
• 封装成帧要解决帧定界和透明传输问题。针对面向字符和面向比特的物理链路，可以分别采用字符填充法和比特填充法来解决透明传输问题。
• 循环冗余检验CRC是一种差错检测方法，而帧检验序列FCS是添加在数据后面的冗余码。仅使用差错检测还不能实现可靠传输。
• 实现可靠传输的基本机制包括差错检测、确认、超时重传、序号、发送窗口和接受窗口。
• 停止等待协议能够在不可靠的传输网络上实现可靠的通信。每发送一帧就停止发送，等待对方的确认。在收到确认后在发送下一帧。若超过了一段时间仍然没有收到确认，就重传前面发送的帧（认为刚才发送的帧丢失了），这就是超时重传。这种自动重传方式常称为自动请求重传ARQ。为了区分重复帧，需要对帧进行编号。
• 回退N帧（Go-back-N，GBN）协议在流水线传输的基础上利用发送窗口来限制发送方连续发送分组的个数，是一种连续ARQ协议。为此，在发送方要维持一个发送窗口。发送窗口是允许发送方已发送但还没有收到确认的分组序号的范围，窗口大小就是发送方已发送但还没有收到确认的最大分组数。
• GBN协议发送窗口为N，接受窗口为1，使用累计确认。由于接收方只接受按序到达的分组，一旦某个分组出现差错，其后连续发送的所有分组都要被重传。
• 选择重传协议只重传出现差错的分组，因此其接受窗口为不为1，以便先收下失序到达但仍然处在接受窗口中的那些分组，等到所缺分组收齐后再一并送交上层。为了使发送方仅重传出现差错的分组，接收方不能再采用累积确认，而需要对每个正确接收到的分组进行逐一确认。
• 点对点协议PPP是因特网点对点数据链路层使用最多的一种协议，它的特点是：简单；只检测差错，而不是纠正差错；不使用序号，也不进行流量控制；可同时支持多种网络层协议。
• 共享通信媒体的方法有二：一是静态划分信道（各种复用技术），而是动态接入控制，包括随机接入和受控接入。共享通信媒体的问题又称为媒体接入控制或多址接入问题。
• IEEE 802委员会把局域网的数据链路层拆成两个子层，即逻辑链路控制（LLC）子层（与传输媒体无关）和媒体接入控制（MAC）子层（与传输媒体有关）。但是现在LLC子层已没有太大作用。
• 计算机与外界局域网的通信要通过通信适配器，它又被称为网络接口卡或网卡。计算机的硬件地址在适配器的ROM中。
• 以太网采用无连接的工作方式，对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。目的站收到有差错帧就把它丢弃，其他什么也不做。
• 以太网采用的媒体接入控制协议是具有碰撞检测的载波监听多址接入CSMA/CD。协议的要点是：发送前先监听，检测到信道空闲就发送数据，同时边发送边监听，一旦发现信道上出现了信号碰撞，就立即停止发送。然后按照退避算法等待一段随机时间后再次发送。每一个站点在自己发送数据之后的一小段时间内，存在这遭遇碰撞的可能性。以太网上各站点都平等地争用以太网信道。
• 使用集线器的双绞线以太网在物理上是星形网，但在逻辑上则是总线型网。集线器工作在物理层，它的每个接口仅仅简单的转发比特，不进行载波监听和碰撞检测。
• 以太网的硬件地址，即MAC地址，实际上就是适配器地址或适配器标识符，与主机所在的地点无关。源地址和目的地址都是48位长。以太网的适配器有过滤功能，它只接受单播帧，或广播帧，或多播帧。
• 使用集线器、转发器可以在物理层扩展以太网（扩展后的以太网仍然是一个网络），在物理层扩展的以太网仍然是一个碰撞域，不能连接过多的站点，否则平均吞吐量太低，且会导致大量的冲突。同时，其地理覆盖范围受以太网有争用期对端到端时延的限制。
• 使用网桥可以在数据链路层扩展以太网（扩展以后的以太网仍然是一个网络）。网桥在转发帧时，不改变帧的源地址。网桥的优点是：对帧进行转发和过滤，增大吞吐量；扩大了网络物理范围；提高了可靠性；可互联不同物理层、不同MAC子层和不同速率的以太网。网桥的缺点是：增加了时延；可能会产生广播风暴。
• 交换式集线器常称为以太网交换机、第二层交换机（工作在数据链路层）或简称为交换机。它就是一个多接口的网桥，当每个接口都直接与某台单主机或另一个交换机相连时，可工作在全双工方式。以太网交换机能同时连通许多对的接口，是每一对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样，无碰撞地传输数据。
• 高速以太网有100Mbit/s的快速以太网，1Gbit/s的吉比特以太网，10Gbit/s的10吉比特以太网，以及40/100吉比特以太网。在宽带接入技术中，用高速以太网进行接入也是一种可供选择的方法。
• IEEE的802.11是无线局域网的标准。使用802.11系列协议的局域网又称为Wi-Fi。802.11无线局域网支持有固定基础设施和无固定基础设施两种模式。在有固定基础设施模式中，使用星型拓扑，各站点需要通过叫做接入点AP的中心节点与外界或互相进行通信。在无固定基础设施模式（ad hoc模式）中，允许在通信范围内的各站点间直接进行单跳通信，组成一个无中心不与外界网络连接的自组网络。
• 802.11无线局域网在MAC层使用CSMA/CA协议，以尽量减小碰撞发生的概率。不能使用CSMA/CD的原因是因为在无线局域网中无法实现碰撞检测。在使用CSMA/CA的同时，还使用停止等待协议。
• 为了尽可能地避免各种可能的碰撞，CSMA/CA采用了一种不同于CSMA/CD的退避算法。当要发送帧的站点监测到信道从忙态转化为空闲时，都要执行退避算法。
• 802.11标准规定，所有的站在完成发送后，必须再等待一段帧间间隔时间才能发送下一帧。帧间间隔的长短取决于该站要发送的帧的优先级。
• 在802.11无线局域网的MAC帧首部有一个持续期字段，用来填入在本帧结束后还要占用信道多少时间，其它站点通过该字段可实现虚拟载波监听。
• 802.11标准允许要发送数据的站点对信道进行预约，即在发送数据帧之前先发送请求发送RTS帧。在收到响应允许发送CTS帧后，就可以发送数据帧。

转载自 《计算机网络教程第五版|微课版》著者：谢钧、谢希仁

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