第五章 数据链路层与局域网

1.数据链路层负责通过一条链路，从一个结点向另一个物理链路直接相连的相邻结点，传送 网络层数据报，中间不经过任何其他交换结点。
2.网络层数据报被封装到数据链路层的 帧中传送。
3.数据链路层是在物理线路之上，基于通信协议来控制数据帧传输的逻辑数据通路，实现数据链路层功能的典型硬件实体是 网络适配器NIC，即网卡

第一节 数据链路层服务

1.沿着通信链路连接的相邻结点的通信信道称为链路，数据链路层传输的协议数据单元PDU称为帧
2.数据链路层的功能
（1）组帧

数据链路层一般将要传输的网络层数据报封装成帧，简称组帧或成帧。
组帧过程：增加帧头帧尾，帧头主要包含接收和发送地址等信息，帧尾通常主要包含差错检测的差错编码。
（2）链路接入
物理链路可以分为点对点链路和广播链路两大类
点对点链路中，通信链路被独占，空闲时可随时发送
广播链路中，通信链路被共享，多个结点同时发送会被干扰，需要运行媒介访问控制协议，即MAC协议
（3）可靠交付
数据链路层提供的可靠交付多用于出错率低的链路
（4）差错控制
3.在一段时间内，传输过程中出现差错的比特数，占所传比特总数的比率，称为误比特率。
4.误比特率与线路的信噪有很大关系

第二节 差错控制

1.差错控制就是通过差错编码技术，实现对信息传输差错的检测，并基于某种机制进行差错纠正和处理，是计算机网络中实现可靠传输的重要手段。
2.信号在信道传输的过程中，会受到噪声的干扰导致传输差错，噪声分为随机噪声和突发噪声。
3.根据噪声类型引发的差错，分别称为随机差错或独立差错，突发差错。

1.差错控制的基本方式

1.检错重发
对于出错的数据要求重新发送，较常用和典型
2.前向纠错
前向纠错是接收端进行纠错的一种方式，利用发送端发送的纠错编码进行纠错。
前向纠错机制比较适用于单工链路或者对实时性要求较高的应用。
3.反馈校验
接收端将接收到的数据原封不动的发给发送端，发送端进行对比确认是否正确无误。
优点：原理简单，易于实现
缺点：传输率低，实时性差
4.检错丢弃
发现错误直接丢弃数据，适用于允许有一定误差的数据传输

2.差错编码的基本原理

1.基于香农信道编码定理
2.差错编码的基本原理就是在待传输数据信息的基础上，附加一定的冗余信息，该冗余信息建立起数据信息的某种关联关系，将数据信息以及附加的冗余信息一同发送给接收端，接收端检测有无错误。

3.差错编码的检错与纠错能力

1.不同差错编码的检错或纠错能力时不同的。
2.差错编码的检错或纠错能力与编码集的汉明距离有关。
3.两个等长码字之间，对应位不同的位数，称为这两个码字的汉明距离。
4.差错编码的所有有效码字的集合称为该差错编码的码字集。

4.典型的差错编码

1.奇偶校验码
（1）奇偶校验码利用1位冗余信息实现差错控制，1位冗余位的取值为0或1，使得编码后的码字中“1”的个数为奇数。
（1）例如101101中，“1”的个数为4，利用奇偶校验法编码可得1011011,101111中，"1"的个数为5，则编码后为1011110
2.汉明码
（1）汉明码是典型的线性分组码，可以实现单个比特差错纠正，在数据通信及数据存储系统中被广泛使用。
3.循环冗余码CRC
（1）现在的计算机网络中，广泛使用的差错编码是循环冗余检测编码，简称循环冗余码，即CRC码，也属于线性分组码。

第三节 多路访问控制协议

1.链路层使用的信道主要分为两种：点对点信道和广播信道。
2.点对点信道使用一对一的通信方式，信道被通信双方独享。
3.广播信道使用一对多的广播通信方式，信道被共享，必须使用多路访问控制（MAC）协议来协调结点的数据发送。
4.主要的MAC协议有三种，即信道划分MAC协议，随机访问MAC协议，以及受控接入MAC协议。
5.介质访问控制协议也称为MAC协议。

1.信道划分MAC协议

1.MAC协议的根本任务是解决信道的共享问题。
2.多路复用技术是实现物理信道共享的经典技术。
3.多路复用基本思想：将信道资源划分后，分配给不同的结点，各结点通信时只使用其分配的信道资源，从而实现信道共享，并避免了多结点通信时的相互干扰。
4.采用多路复用技术实现信道共享的MAC协议，称为信道划分MAC协议。
5.多路复用主要包括频分多路复用FDM，时分多路复用TDM,波分多路WDM，和码分多路复用CDM
6.采用不同多路复用技术的MAC协议分别称为FDMA,TDMA，WDMA和CDMA
7.频分多路复用FDM：
（1）简称频分多路，是频域划分制，即在频域内将信道划分为多个子信道，并利用载波调制技术，将原始信号调制到对应的子信道的载波信号上，使得同时传输的多路信号在整个物理链路带宽允许的范围内频谱不重叠，从而公用一个信道。
（2）FDM常用于模拟传输的宽带网络中
（3）优点：分路方便
（4）缺点：各路信号之间会产生串扰，不提供差错控制技术
8.时分多路复用TDM

（1）简称时分多路，是一种时域划分，即将通信信道的传输信号在时域内划分为多个等长的时隙，每路信号占不同的时隙，在时域上互不重叠，使多路信号合用单一的通信信道，从而实现信道共享。
（2）时分多路分为同步时分多路STDM和异步时分多路ATDM
（3）同步时分多路STDM：即按照固定的顺序把时序分配给各路信号。
（4）异步时分多路ATDM：为有大量数据要发送的用户分配较多的时隙，数据量小的分配较少的时隙，没有数据的不分配
9.波分多路复用WDM
（1）波分多路复用简称波分多路，广泛应用于光纤通信中，其实质是一种频分多路复用，只是由于在光纤通信中，光载波频率很高通常使用光的波长来讨论，所以称波分多路复用。
（2）波分多路是指在一根光纤中，传输多路不同波长的信号，由于波长不同，所以各路光信号互不干扰，最后再用波长解复用器将各路波长的光载波分解出来。

（3）在光纤通信中，为了实现长距离的高速传输，通常采用波分多路复用技术和光纤放大器。
（4）光纤通信中的波分多路复用技术还包括密集波分复用DWDM，DWDM的波长划分更密集，复用度更高，信道利用率更高，通信容量更大。
10.码分多路复用CDM
（1）码分多路复用简称码分多路，通过利用更长的相互正交的编码分组分别编码各路原始信息的每个码元，使得编码后的信号在同一信道中混合传输，接受端利用码组的正交特性分离各路信号，从而实现信道共享。
（2）CDM的实质是基于扩频技术，即将需要传输的，具有一定信号带宽的信息用一个带宽远大于信号带宽的码组进行调制，使原信号的带宽得到扩展，经载波调制后再发送出去，接收端则利用不同码序列之间的相互正交的特性，分离特定信号。

2.随机访问MAC协议

随机访问实际上就是争用接入，典型的随机访问协议有ALOHA协议，波载监听多路访问协议和带冲突检测的波载监听多路访问协议。
1.ALOHA协议
（1）ALOHA是最早，最基本的无线数据通信协议

（2）ALOHA协议分为纯ALOHA和时隙ALOHA两种
1）纯ALOHA协议的工作原理较为简单，任何一个站点有数据要发送时就直接发送至总线信道，如果接收到接收端发来的应答信号则说明发送成功，否则则失败，重新等待时间发送。
2）有关ALOHA协议新能的两个指标：吞吐量，网络负载
3）时隙ALOHA的基本思想是把信道时间分为离散的时隙，每个时隙为发送一帧所需的发送时间，每个通信站只能在每个时隙开始时发送帧，如果在一个时隙内发送帧出现冲突，则下一个时隙重新发送，直至成功。
2.载波监听多路访问协议CSMA
（1）载波监听多路访问协议的特点是通过硬件装置，在数据发送之前监听信道上是否还有其他的数据在发送，如果有则推迟发送。
（2）3种不同类型的CSMA协议
1）非坚持CSMA：有数据需发送时先监听信道是否空闲，若空闲则尝试发送，否则就等待下一个随机事件继续监听是否空闲，直到发送成功。
2）1-坚持CSMA：有数据发送时先监听是否空闲，若空闲则立即发送，否则就等待下一个随机事件
3）P-坚持CSMA
3.带冲突检测的载波监听多录访问协议CSMA/CD

1）一旦发现冲突所有通信站点立即停止发送
2）信道的3种状态：传输，空闲，竞争

3.受控接入MAC协议

1.受控接入MAC协议又分为集中式控制和分散式控制
2.特点：用户不能随意接入信道，必须接收一定的控制。
3.集中式控制
（1）集中式控制接入中，系统中有一个主机负责调度其他通信站接入信道，从而避免冲突。主要方式是轮询技术，又分为轮叫轮询和传递轮询。
（2）轮叫轮询即表示主机轮流查询各站，询问有无数据要发送

4.分散式控制
（1）比较典型的分散式控制方法是令牌技术Token。
（2）最典型的使用令牌实现多路访问控制的是令牌环网。

第四节 局域网

1.局域网是局部区域网络，特点是覆盖面积小，网络传输速率高，误码率低。
2.局域网的主要拓扑结构有 星型，环形，总线型。

1.数据链路层寻址与ARP

1.数据链路层的帧，需要携带发送帧结点的数据链路层地址，以及接受帧结点的数据链路层地址，标识帧的发送方与接收方
2.链路层交换机的接口没有相关联的链路层地址
3.MAC地址具有唯一性，即两块网络适配器必须具备不同的MAC地址
4.ARP即地址解析协议，用于根据本网内目的主机或默认网关的IP地址获取其IP地址

2.以太网

1.经典的以太网是采用粗同轴电缆连接的总线型以太网，数据传输速率为10Mbit/s
2.冲突域是指，在一个局域网内，如果任意两个结点同时向物理介质发送信号，这两路信号一定会在物理节点产生冲突，导致数据发送失败，那么就说这两个结点位于一个冲突域。
3.以太网采用的是CSMA/CD协议，利用曼彻斯特编码发送，使用截断二进制指数后退算法来确定碰撞后重传的时机。
4.以下是以太网的帧结构

5.以太网提供的是无连接不可靠服务。
6.以太网技术：10base-T,快速以太网，千兆位以太网，万兆位以太网
7.以太网的连接设备包括数据链路层的以太网交换机和物理层的集线器

3.交换机

1.交换机之前，网桥是曾经用于局域网互连的第二层设备
2.网桥工作在数据链路层，网桥可以扩展局域网范围或连接多个局域网，扩大网络的物理范围，可互连不同物理层，不同MAC子层和不同速率的以太局域网。
3.目前使用最多的是透明网桥
4.从工作角度看，交换机就是多端口的网桥，是目前应用最广泛的数据链路层设备。
5.以太网交换机转发和过滤
（1）交换机的工作原理：当一帧到达时，交换机首先需要决策将该帧丢弃还是转发，如果转发，则进一步决策需要转发到哪个端口去。
（2）交换机的交换表是在网络的运行过程中，通过自学习算法自动逐渐建立起来的。
（3）作为第二层设备的以太网交换机，可以实现帧的选择性转发，通过交换机互连的主机，不再属于一个冲突域，交换机实现了冲突域的分割。
6.以太网交换机是一种即插即用设备，以太网交换机由于使用了专用的交换结构芯片，用硬件转发，其转发速率比用软件转发的网桥快得多。
7.以太网交换机的优点：
（1）消除冲突
（2）支持异质链路
（3）网络管理

4.虚拟局域网

1.路由器作为网络层设备，可以隔离广播域，可以提取帧中封装的网络层数据报，并且根据数据报中的网络层地址，实现跨越子网的数据转发。
2.虚拟局域网是一种基于交换机的逻辑分割广播域的局域网应用形式
3.划分虚拟局域网的方法
（1）基于交换机端口
（2）基于MAC地址
（3）基于上层协议类型或地址划分

第五节 点对点链路协议

1.PPP

1.目前应用最广泛的点对点的数据链路层协议是点对点协议PPP
2.PPP提供的主要功能
（1）成帧
（2）链路控制协议LCP
（3）网络控制协议NCP
3.PPP中不要求实现的功能
（1）差错纠正
（2）流量控制
（3）按序交付
4.PPP的一个典型的应用场景是家庭用户拨号上网
5.PPP需要提供透明传输服务，即无论上层协议的分组中包含什么样的位串和字节，都应该能够通过PPP正确传输
6.PPP提供了一个特殊的控制转义字节：01111101
7.PPP只工作在具有单个发送方和单个接收方的点对点链路中

2.HDLC协议

1.高级数据链路控制协议HDLC可以应用于点对多点的链路中
2.HDLC是面向位的协议

3.HDLC有3种类型的帧：信息帧，管理帧，无序号帧
4.HDLC是面向位的协议，为确保数据透明传输，HDLC使用位填充
5.HDLC采用位填充，可以传输任意组合的比特流，而不会对位的边界产生错误的判断。