《计算机网络》复习整理 三 数据链路层

三 数据链路层

3.1 数据链路层的概述

• 数据链路层的功能
  • 向网络层提供一个定义良好的服务接口
  • 处理传输错误
  • 调节数据流，确保慢速的接收方不会被快速的发送方淹没
  • 帧的管理构成了数据链路层工作的核心
    

3.2成帧

• 数据是数据链路层的基本单位
• 成帧是指将数据组合成数据块
  一个数据帧由一个数据字段和若干个头部字段和尾部字段组成。数据字段是网络层递交给数据链路层的数据，头部字段和尾部字段则使接收方的数据链路层能够从接收方物理层递交的比特流中能够正确地进行帧对别。
• 常见的成帧的方法：
  • 字节计数法
  • 首尾定界法
  • 首尾标志法
  • 违规编码法

3.3 差错控制

• 最常用的方法：差错控制编码

• 简单的差错控制编码

  • 奇偶校验
    • 发送方：附加1位冗余位，使码字中“1”的个数保持为奇数或偶数；
      接收方：根据所收到的码字中“1”的个数是奇数或偶数判别是否有传输差错。
  • 定比码
  • 正反码

• 循环冗余码

  • 计算过程：

    • 收发双方预先商定一个生成多项式G(x)
    • 最高次数为r （r就是G（X）的阶）
    • 将发送方要发送的信息位转换为对应的多项式K(x)
    • 将信息位K(X)后面补r个0，得到新的多项式
    • G(X)去除 这个新的多项式
    • 得到的余式就是冗余位对应的多项式R(X)

  • 信道上 传输的数就是 K(X）补 R(X)

  • 注意在接受到对方的传输的数据之后，对方也要用这种方法进行计算，如果计算结果为0，则传输正确，如果数据结果不是0，则丢弃这个数。

  • CRC不能检验出是哪位的错误，也有可能有错误没有检验出来，位数越多，检测的结果也越可靠。

• 海明码

  • 可以纠正一位错误

3.4流量控制

• 流量控制要解决的是发送方的发送速率和接收方的接收速率相匹配的问题
• 流量控制涉及链路上字符或帧发送速率的控制，以使接收方在接收前有足够的缓存存储空间接收每一个字符或帧
• 常用方法：
  基于反馈的流控制
  基于速率的流控制
  • XON/XOFF协议
    • 接收方过载时，发送XOFF，当过载恢复后发送XON
  • 滑动窗口机制
    
    黑色部分表示已经发送但是接收方未收到。
    滑动窗口协议中可根据发送窗口和接收窗口的尺寸，分为三种具体协议
    • 停等协议 最简单。

      • 发送窗口和接收窗口的大小都是1，发送方每发送一帧都要停下来等待对方已经正确接收的确认，再继续发送。

      • 大部分通信系统都采用全双工通信，通常采用 捎带确认。

      • 窗口大小：
        发送窗口 接收窗口都=1

    • 回退n协议
      
      会重传很多未出错的帧，从而造成了信道浪费。
      • 窗口大小：
        接收窗口=1
        发送窗口<=2m-1(m次方)。
    • 选择重传协议
      
      检测到错误的时候发送否定确认（Nak），其后的帧虽然不能递交给网络层，但是接收方仍然可以接收下来，放在一个缓冲区里，不需要计时器。
    • 窗口大小：
      • 接收窗口，发送窗口都>1
        接收窗口≤发送窗口≤2m-1，才能保证在最坏的情况下也不至于发生错误
• 注意：流量控制并不只是数据链路层要完成的功能流量控制更多的是交由网络层以上的层次处理。如互联网中，流量控制由传输层协议TCP完成。

3.5 介质访问控制

• 数据链路层在IEEE 802 参考模型中被划分为介质访问控制MAC子层和逻辑链路LLC子层两个子层，其中MAC子层用来解决信道共享问题。

• 网络链路可以分成两大类：使用点到点连接和使用广播信道

  • 点到点链路
    将一对单独的机器连接起来，点-点传输只有一个发送方和一个接收方，有时候也称单播（unicasting）
  • 广播链路：
    通信信道被网络上的所有及其所共享；

• 用来确定多路访问信道下一个使用者的协议属于数据链路层的一个子层，该层称为介质访问控制（MAC，Medium Access Control）子层，用来实现广播的分配，从而解决信道争用的问题。

• 信道分配策略

  • 静态分配策略 适用于网络结点数目少，且每个结点都有大量数据要发送的场合
    • 频分多路复用
    • 同步时分多路复用
  • 动态分配策略：（各站点当且仅当有数据需要发送时，才占用信道进行数据传输）
    • 本质上属于异步多路复用
    • 包括随机访问和控制访问
      • 随机访问，又称争用
        各网络节点在发送前不需要申请信道的使用权，有数据就发送，发生冲突后再解决
      • 控制访问：轮转和预约
        发送数据前首先获得信道的使用权，然后发送，无冲突
        在这里插入图片描述

• 介质访问控制协议
  
  1.(载波监听多路访问）CSMA：

  • 1-坚持CSMA
    • 当监听到信道忙后，继续坚持监听信道，当监听到信道空闲后，其发送数据的概率为1，即立刻发送数据。忙则监听 闲必发送
  • 非坚持CSMA
    • 当一个节点要发送数据时，首先监听信道；如果信道空闲就立即发送数据；如果信道忙则放弃监听、随机等待一段时间，再开始监听信道。
  • P-坚持 用于时分信道
    • 当一个节点要发送数据时，首先监听信道，
      如果信道忙则坚持监听到下一个时隙；如果信道空闲，便以概率p发送数据，以概率1-p推迟到下一个时隙；
      如果下一个时隙信道仍然空闲，则仍以概率p发送数据，以概率1-p推迟到下一个时隙；
      这个过程一直持续下去，直到数据被发送出去，或因其他节点发送而检测到信道忙为止，若是后者，则等待一段随机的时间后重新开始监听。
  • 带冲突检测的CSMA（CSMA with Collision Detection, CSMA/CD）广泛应用于局域网的MAC子层中。
    当一个节点要发送数据时，首先监听信道，如果信道空闲就发送数据，并继续监听；如果数据发送过程中监听到了冲突，就立即停止发送数据，等待一段随机时间之后再每个站快速检测到发生冲突后立即停止传输帧（而不是继续完成传输）。
  • 与简单的CSMA区别
    • CSMA数据发送过程中检测到冲突仍将剩余数据发送完，浪费时间和信道；
    • CSMA/CD边发送边监听，一旦监听到冲突就立刻停止发送，使信道能很快空闲下来，提高了信道利用率；

2 无冲突协议
（1）位图协议
（2）二进制到技术协议
对不同地址的节点是不公平的
高地址节点优先级高，
低地址节点优先级低
3 信道分配策略性能评定指标：

• 轻负载下的时间延迟、重负载下的信道利用率
  • 争用协议
    轻负载时，性能较优，时延短；
    重载时，信道分配开销打，性能差；
  • 无冲突协议
    轻载时，时延较长；
    重载时，信道利用率提高。
  • 有限争用协议
    综合争用协议和无冲突协议的优点而产生的一种些协议，轻载时采用争用协议的信道分配策略，使时间延迟较短，重载时采用无冲突协议的信道分配策略，使信道利用率高。
    • 将系统中的网络节点分组，每个争用时隙只允许一个分组争用信道。
    • 适应树步行协议(adaptive tree Walk protocol)
      

3.6局域网 IEEE 802

• 简介 LAN

  • 一种私有网络，一般在一座建筑物内或附近，如家庭，办公室或工厂
  • 用来连接个人计算机和消费类电子设备，是的它们能够共享资源和交换信息
  • 物理层：关注一条通信信道上传输原始比特
  • 介质访问控制子层：控制对共享信道的访问
    CSMA/CD
    CSMA/CA

• 局域网多属于广播网，局域网的数据链路层划分为MAC子层和LLC（Logic Link Control）子层。

• IEEE 802:局域网标准委员会 在OSI参考模型看，主要涉及到物理层和数据链路层。

• 局域网和以太网的区别和联系

  • 局域网：其实就是学校里面、各个大的公司里，自己组件的一个小型网络，这种就属于局域网。
  • 以太网：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，并以10M/S的速率运行在多种类型的电缆上。
  • 联系：是以太网就一定是局域网，但是局域网不一定就是以太网。 因为以太网就是一个规范，而大多数局域网都使用这个规范，所以才有这个话。

• MAC子层

  • 在以太网中，采用媒体访问控制（Media Access Control, MAC）地址进行寻址，MAC地址被烧入每个以太网网卡中。这在多点连接的情况下非常必需，因为在这种多点连接的网络通信中，必须保证每一帧都能准确地送到正确的地址，接收方也应当知道发送方是哪一个站。MAC地址，也称”物理地址”、”硬件地址”，而不是IP地址。
  • MAC地址的格式：　
    48bit，6个字节，前3个字节是由管理机构给各个厂家分配的。也就是说如果有厂家想生产网卡这类需要mac地址的东西，必须先像管理机构申请前三位字节，所以网卡上的前三个字节就代表着某个厂家，后三个字节就是由厂家自己来设定的。每个网卡都拥有识别数据帧中mac地址的功能。

• 令牌环网

  • IEEE802.5标准
  • 环的比特长度 环不是真正的广播介质而是点对点链路组成的闭合环路
    • 一个比特的物理长度——1比特在环上占有的长度
    • 环的比特长度——就是指环上能同时容纳的比特数
    • 环必须容纳一个完整的令牌:
  • 环形网络
    *一系列点到点链路组成闭合环路
    *可以使用多种传输介质
    *环网络接口之间通过点到点线路连接而成
    *帧沿环的某一方向传递
    
  • 环型网络工作原理
    
  • 令牌产生策略
    发完数据之后立即产生出新的令牌；
    将所发数据全部撤销后再产生新令牌；
  • 多种数据传输速率（1Mb/s、4Mb/s、16Mb/s等）
  • 多种传输介质， 数据编码采用差分曼彻斯特编码
  • 令牌环网必须选一个站点作为环上的监控站点来总管全环：监控站保证环只有一个令牌
  • 令牌环的性能特点 ：
    • *重载时可以高效工作
    • 数据字段的长度没有下限，但其上限受站点令牌持有时间的限制。
    • 令牌持有时间的缺省值为10毫秒，数据帧必须在该时段内发送完，超过令牌持有时间，必须释放令牌

• 令牌总线

  • IEEE 802.4
    
  • 工作原理：
    • 在物理上，令牌总线是一根线形或树形的电缆，其上连接着若干站点。
    • 但在逻辑上，所有工作的站点被组织在一个逻辑环里面
  • 优先级策略 ：首先保证最高优先级的数据占用一定的带宽进行发送，仅当带宽有富余时才发送较低优先级的数据。

• 高速以太网
  

  • 高速以太网快速发展，得益于下列技术：
    • 高速传输介质技术
      交换技术 （以太网交换机）
      全双工技术
      编码技术 采用不归零制的特殊编码方式
  • 百兆以太网：又称快速以太网
  • 千兆以太网
  • 万兆以太网

• 无线局域网 无线局域网的主要标准是IEEE 802.11

  • 分为固定设施和无固定设施
    
    BSS：基本服务集
    AP：接入点 又称基站
    BSA：基本服务区
    DS：分配系统

  • IEEE 802.11

    • 物理层使用无线通信信道
      红线外技术、跳频扩频、直接序列扩频、正交频分多路复用、高速率的直接序列扩频
    • MAC子层
      采用CSMA/CA协议
    • 隐蔽站问题：就是A与C相距较远，如果想要发送数据都要向B发，某一时刻发现B是空闲的，同时发送数据则会发生碰撞。这种未能察觉到其他站点的信号的问题称为隐蔽站问题。
      

  • 暴露站问题：B想向A发送信息，同时C想向D发送信息。但是C检测信道的时候，发现信道是忙的，于是不能够发送消息。但是显然此时B向A发送消息，不影响C向D发送消息。
    

    • 解决隐蔽站和暴露站问题的方法：
      将CSMA/CD改成CSMA/CA，把冲突检测改为冲突避免：
      ①若站点最初有数据要发送并且检测到信道空闲，则等待DIFS时间后，发送整个数据帧；
      ②否则，站点执行退避算法；
      ③当退避计时器时间减少为0时，站点发送整个数据帧并等待确认；
      ④若发送站点在规定时间内收到确认则表明数据帧发送成功，此时若要继续发送帧，则从②开始执行；若发送站点在规定时间内没有收到确认就必须重传，直到收到确认或者若干次重传后放弃发送。

• 局域网互连设备：

• 网桥

  • 过滤和转发，扩大物理范围，可互连不同物理层、不同 MAC 子层和不同速率（如10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太网）的局域网

• 交换机

  • 独占带宽、无冲突

计算机网络中各层的设备
第一层设备：
集线器 hub
第二层设备：
网桥、交换机 （隔离从图与）
第三层设备：
路由器

• 虚拟局域网
  • 虚拟局域网 VLAN 是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组。
  • 这些网段具有某些共同的需求。每一个 VLAN 的帧都有一个明确的标识符，指明发送这个帧的工作站是属于哪一个 VLAN。
  • 虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务，而并不是一种新型局域网。
  • 划分VLAN的方法
    • 按交换端口号划分VLAN
      通过将交换设备端口进行分组来划分VLAN
    • 按MAC地址划分VLAN
      由网管人员指定属于同一个VLAN的各网络节点的MAC地址。
    • 按第三层协议划分VLAN
      基于第三层协议的VLAN划分在决定VLAN成员身份时主要是考虑协议类型或网络层地址。此种类型的VLAN划分需要将子网地址映射到VLAN，交换设备则根据子网地址而将各机器的MAC地址同一个VLAN联系起来。

3.7 数据链路层协议

典型的数据链路层协议：HDLC 和PPP

• HDLC
  高级链路通信规程
  支持全双工通信
  采用比特填充的成帧技术
  基于滑动窗口协议提供可靠服务
• PPP
• 广域网应用最广发的数据链路协议之一