计算机网络-数据链路层

计算机网络-数据链路层

数据链路层在物理层提供服务的基础上向网络务是将源自网络层来的数据可地传输到相邻节点的目标机网络层。其主要作用是加强物理层原始比特的功能，将物理层提供的可能出错的物理连接改造成为逻辑上无差错的数据链路，使之对网络层表現为一条无差错的链路。

• 功能1：为网络层提供服务。

  无确认无连接服务，有确认无连接服务，有确认面向连接服务

• 功能2：链路管理

• 功能3：组帧

• 功能4：流量控制

• 功能5：差错控制（帧错、位错）

封装成帧、透明传输

字符计数法

字符填充法

零比特填充法

违规编码法

差错控制

位错

检错

• 奇偶校验码

  

• 循环冗余码CRC

  

纠错

• 海明码

帧错(介质访问控制)

流量控制、可靠传输

为什么需要？

较高的发送速度和较低的接收能力的不匹配，会造成传输出错，因此流量控制也是数据链路层的一项重要工作

和传输层的流量控制有什么区别？

数据链路层的流量控制是点对点的，而传输层的流量控制是端到端的

数据链路层流量控制手段：接收方收不下就不回复确认。传输层流量控制手段：接收端给发送端一个窗口公告。

停止等待协议

• 无差错情况

  

• 数据帧丢失或帧出错

  

• Ack丢失

  

• Ack迟到

  

• 信道利用率分析

  ​

滑动窗口协议

后退N帧协议GBN

选择重传协议SR

广域网点对点传输

广域网（WAN, Wide Area Network），通常跨接很大的物理范围，所覆盖的范围从几十公里到几千公里，它能连接多个城市或国家，或横跨几个洲并能提供远距离通信，形成国际性的远程网络

广域网的通信子网主要使用分组交换技术的通信子网可以利用公用分组交换网、卫星通信网和无线分组交换网，它将分布在不同地区的局域网或计算机系统互连起来，达到资源共享的目的。如因特网（Internet）是世界范围内最大的广域网

广域网太远了，传播延迟太高了，广域网包含网络层，局域网只包含到链路层

PPP协议

点对点协议 PpP (Point-to- Point Protocol）是目前使用最广泛的数据链路层协议，用户使用拨号电话接入因特网时一般都使用 PPP 协议。

只支持全双工链路。

PPP协议需要满足

简单 对于链路层的帧，无需纠错，无需序号，无需流量控制。

封装成帧 帧定界符 字符填充法

透明传输 与帧定界符一样比特组合的数据应该如何处理：异步线路用字节填充，同步线路用比特填充

多种网络层协议 封装的 IP 数据报可以采用多种协议

多种类型链路 串行/并行,同步/异步，电/光

差错检测 CRC错就丢弃

检测连接状态 链路是否正常工作

最大传送单元 数据部分最大长度 MTU

网络层地址协商 知道通信双方的网络层地址

数据压缩协商

PPP协议无须满足

纠错

流量控制

序号

不支持多点线路 只需要点对点

PPP的三个组成部分

1. 一个将IP数据报封裝到串行链路(同步串行/异步串行)的方法

2. 链路控制协议 LCP：建立并维护数据链路连接。身份验证【如拨号上网】

3. 网络控制协议 NCP: PPP 可支持多种网络层协议，每个不同的网络层协议都要一个相应的 NCP 来配置，为网络层协议建立和配置逻辑连接。

PPP状态图

PPP的帧格式

面向字节

HDLC协议

不属于TCP/IP协议簇

高级数据链路控制（High- Level Data Link Control 或简称 HDLC），是一个在同步网上传输数据、面向比特的数据链层协议，它是由国际标准化组织（ISO）根据 IBM 公司的 SDLC (Synchronousdata Link Control）协议扩展开发而成的

数据报文可透明传输，用于实现透明传输的“0 比特插入法”易于硬件实现

采用全双工通信

有帧采用 CRC 检验，对信息帧进行顺序编号，可防止漏收或重份，传输可靠性高

HDLC协议的站

主站：的主要功能是发送命令（包括数据信息）帧、接收响应帧，并负责对整个链路的控制系统的初启流程的控制、差错检测或恢复等

从站的主要功能是接收由主站发来的命令帧，向主站发送响应帧，并且配合主站参与差错恢复等链路控制

复合站的主要功能是既能发送，又能接收命令帧和响应帧，并且负责整个链路的控制

三种数据操作方式：

1. 正常响应方式 2. 异步平衡方式 3. 异步响应方式

HDLC帧格式

HDLC有哪些帧？无奸细

PPP协议&HDLC协议

可靠传输交给了传输层，所依HDLC协议很少使用。

局域网广播传输

信道划分介质访问控制（信道静态划分）

频分多路复用 FDM

时分多路复用 TDM

波分多路复用 WDM

码分多路复用 CDM

信道动态分配

轮询访问访问介质访问控制

令牌传输协议

随机访问介质访问控制

ALOHA 协议

CSMA 协议

CS：载波侦听/监听,每一个站在发送数据之前要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据

当几个站同时在总线上发送数据时。总线上的信号电压摆动值将会增大（互相叠加）。当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞，即发生了冲突。

MA：多点接入，表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。

协议思想：发送帧之前，监听信道。

• 1坚持CSMA

  坚持指的是对于监听信道忙之后的坚持

  • 1-坚持 CSMA 思想：如果一个主机要发送消息，那么它先监听信道
  • 空闲则直接传输，不必等待。
  • 忙则一直监听，直到空闲马上传输。
  • 如果有冲突（一段时间内未收到肯定回复），则等待一个随机长的时间再监听，重复上述过程。

  优点：只要媒体空闲，站点就马上发送，避免了媒体利用率的损失

  缺点：假如有两个或两个以上的站点有数据要发送，冲突就不可避免

• 非坚持CSMA

  非坚持指的是对于监听信道忙之后就不继续监听

  非坚持 CSMA 思想：

  • 如果一个主机要发送消息，那么它先监听信道。
  • 空闲则直接传输，不必等待。
  • 忙则等待一个随机的时间之后再进行监听。

  优点：采用随机的重发延退时间可以减少冲突发生的可能性。

  缺点：可能存在大家都在延迟等待过程中，使得媒体仍可能处于空闲状态，媒体使用率降低

• p坚持CSMA

  P-坚持指的是对于监听信道空闲的处理

  p-坚持 CSMA 思想：

  • 如果一个主机要发送消息，那么它先监听信道
  • 空闲则以 p 概率直接传输，不必等待,概率 1-p 等待到下一个时间槽再传输
  • 忙则持续监听直到信道空闲再以 p 概率发送。
  • 若冲突则等到下一个时间槽开始再监听并重复上述过程。

  优点：既能像非坚持算法那样减少冲突，又能像 1-坚持算法那样减少媒体空闲时间的这种方案

  但是发生冲突后还是要坚持把数据幀发送完，造成了浪费。

• 三种对比

  

CSMA/CD协议

载波监听多点接入/碰撞检测cSMA/CD(carrier sense multiple access with collision detection)

CS：载波侦听/监听,每一个站在发送数据之前以及发送数据时都要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据

MA：多点接入，表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。总线型网络

CD：碰撞检测（冲突检测），“边发送边监听”，适配器边发送数据边检测信道上信号电压的变化情况，以便判断自己在发送数据时其他站是否也在发送数据。半双工网络

何时发生碰撞？

重传时机算法

为什么要规定最小帧长？

CSMA/CA协议

载波监听多点接入/碰撞避免CSMA/CA(carrier sense multiple access with collision avoidance)

CDMA/CA原理

两者对比

局域网体系结构

局域网（Local Area Network）：简称 LAN，是指在某一区域内由多台计算机互联成的计算机组，使用广播信道

特点 1: 覆盖的地理范围较小，只在一个相对独立的局部范围内联，如一座或集中的建筑群内

特点2: 使用专门铺设的传输介质(双绞线、同轴电缆)进行联网,数据传输速率高(10Mb/s~10Gb/s)

特点 3: 通信延迟时间短，误码率低，可靠性较高

特点 4: 各站为平等关系，共享传输信道

特点 5: 多采用分布式控制和广播式通信，能进行广播和组播

决定局域网的主要要素为：网络拓扑，传输介质与介质访问控制方法。

局域网拓扑结构

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局域网传输介质

局域网介质访问控制访问方法

1. CSMA/CD常用于总线型局域网,也用于树型网络

2. 令牌总线常用于总线型局域网，也用于树型网络 。它是把总线型或树型网络中的各个工作站按一定顺序如按接口地址大小排列形成一个逻辑环。只有令牌持有者才能控制总线，才有发送信息的权力

3. 令牌环用于环形局域网，如令牌环网

局域网分类

局域网参考模型

、

以太网

概念

以太网（Ethernet）指的是由 Xerox 公司创建并由 Xerox、Intel 和 DEC 公司联合开发的基带总线局域网规范，是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。以太网络使用 CSMA/CD(载波监听多路访问及冲突检测）技术

以太网在局域网各种技术中占统治性地位：

1. 造价低廉（以太网网卡不到 100 块）:
2. 是应用最广泛的局域网技术；
3. 比令牌环网、ATM 网便宜，简单
4. 满足网络速率要求:10Mb/s~10Gb/s

以太网提供无连接、不可靠的服务

无连接：发送方和接收方之间无“握手过程”

不可靠：不对发送方的数据帧编号，接收方不向发送方进行确认，差错帧直接丢弃，差错纠正由高层负责

以太网的两个标准

DIX Ethernet V2: 第一个局域网产品（以太网）规约

IEEE802.3: IEEE802 委员会 802.3 工作组制定的第一个 IEEE 的以太网标准。（帧格式有一丢丢改动）

10BASE-T 以太网

10BASE-T 是传送基带信号的双绞线以太网，T 表示采用双绞线，现 10BASE-T 采用的是无屏蔽双绞线(UTP),传输速率是10Mb/s。

物理上采用星型拓扑，逻辑上总线型，每段双绞线最长为 100m。

采用曼彻斯特编码

采用 CSMA/CD介质访问控制。

以太网MAC帧

高速以太网

速率>=100Mb/s的以太网称为高速以太网

1. 100BASE-T 以太网

在双绞线上传送100Mb/s基带信号的星型拓扑以太网,仍使用IEE802.3的CSMA/CD协议支持全双工和半双工，可在全双工方式下工作而无冲突。

2. 吉比特以太网

在光纤或双绞线上传送1Gb/s信号。

支持全双工和半双工，可在全双工方式下工作而无冲突

3. 10吉比特

10吉比特以太网在光纤上传送10Gb/s信号。

只支持全双工，无争用问题。

无线局域网

概念

IEE802.11 是无线局域网通用的标准，它是由IEEE所定义的无线网络通信的标准

802.11 的 MAC 帧头格式

无线局域网分类

有固定基础设施无线局域网

无固定基础设施无线局域网的自组织网络