数据链路层（帧）（一）

一、使用点对点信道的数据链路层

数据链路层使用的信道主要有以下两种类型：
点对点信道： 这种信道使用一对一的点对点通信方式。
广播信道： 这种信道使用一对多的广播通信方式，因此过程比较复杂。广播信道上连接的主机很多，因此必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机的数据 发送。

1.数据链路和帧

链路(link) 是一条无源的点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换结点。
一条链路只是一条通路的一个组成部分。

数据链路(data link) 除了物理线路外，还必须有通信协议来控制这些数据的传输。若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。
现在最常用的方法是使用适配器（即网卡） 来实现这些协议的硬件和软件。
一般的适配器都包括了数据链路层和物理层这两层的功能。

常常在两个对等的数据链路层之间画出一个数字管道，而在这条数字管道上传输的数据单位是帧。

早期的数据通信协议曾叫作通信规程(procedure)。因此在数据链路层，规程和协议是同义语。

2.三个基本问题

(1) 封装成帧
封装成帧(framing)就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部，然后就构成了一个帧。确定帧的界限。
首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界。


(2) 透明传输

解决透明传输的方法
发送端的数据链路层在数据中出现控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入一个转义字符“ESC”(其十六进制编码是 1B)。
字节填充(byte stuffing) 或字符填充(character stuffing)——接收端的数据链路层在将数据送往网络层之前删除插入的转义字符。

如果转义字符也出现数据当中，那么应在转义字符前面插入一个转义字符。当接收端收到连续的两个转义字符时，就删除其中前面的一个。

类似于C语言里面输出语句中的转义符”\”

(3) 差错控制
在传输过程中可能会产生比特差错：1可能会变成0而0也可能变成1。
在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比率称为误码率 BER (Bit Error Rate)。
误码率与信噪比有很大的关系。
为了保证数据传输的可靠性，在计算机网络传输数据时，必须采用各种差错检测措施。确保数据链路层提交给网络层的数据一定是正确的。

差错控制仅仅是可靠传输的保障技术之一，可靠传输还需要解决丢包、乱序等问题，这些问题差错控制解决不了。

循环冗余检验的原理
在数据链路层传送的帧中，广泛使用了循环冗余检验 CRC 的检错技术。
在发送端，先把数据划分为组。假定每组 k 个比特。
假设待传送的一组数据 M = 101001（现在 k = 6）。我们在 M 的后面再添加供差错检测用的 n 位冗余码一起发送。
实际标准需要给出用户数据长度和冗余码的长度的关系。
冗余码的计算
用二进制的模 2 运算进行 2n 乘 M 的运算，这相当于在 M 后面添加 n 个 0。
得到的 (k + n) 位的数除以事先选定好的长度为 (n + 1) 位的除数 P，得出商是 Q 而余数是 R，余数 R 比除数 P 少1 位，即 R 是 n 位。
先选定长度为（n+1）除数P，在M后面添加n个0（添加的0个数=P的长度-1），再使用模2除法计算余数R


在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列 FCS (Frame Check Sequence)。
循环冗余检验 CRC 和帧检验序列 FCS并不等同。
CRC 是一种常用的检错方法，而 FCS 是添加在数据后面的冗余码。
FCS 可以用 CRC 这种方法得出，但 CRC 并非用来获得 FCS 的唯一方法。

接收端对收到的每一帧进行 CRC 检验
(1) 若得出的余数 R = 0，则判定这个帧没有差错，就接受(accept)。
(2) 若余数 R  0，则判定这个帧有差错，就丢弃。
但这种检测方法并不能确定究竟是哪一个或哪几个比特出现了差错。
只要经过严格的挑选，并使用位数足够多的除数 P，那么出现检测不到的差错的概率就很小很小。

注：
仅用循环冗余检验 CRC 差错检测技术只能做到无差错接受(accept)。
“无差错接受”是指：“凡是接受的帧（即不包括丢弃的帧），我们都能以非常接近于 1 的概率认为这些帧在传输过程中没有产生差错”。
也就是说：“凡是接收端数据链路层接受的帧都没有传输差错”（有差错的帧就丢弃而不接受）。
要做到 “可靠传输”（即发送什么就收到什么）就必须再加上确认和重传机制。

二、点对点协议 PPP

1.PPP 协议的特点

现在全世界使用最广泛的数据链路层协议是点对点协议 PPP (Point-to-Point Protocol)。
用户使用拨号电话线接入因特网时，一般都是使用 PPP 协议。
ADSL使用的PPPOE协议

PPP协议参考了HDLC的帧结构，但没有使用HDLC帧类型（信息帧I、监控帧S）
FTTH光纤到户目前采用EPON（Ethernet Passive Optical Network）以太无源光网络。

I、PPP 协议应满足的需求：
（1）简单——这是首要的要求
IETF在设计网络体系结构时，最复杂的部分放在TCP协议，IP只提供不可靠的传输服务。所以数据链路层没有必要提供比IP层更多的功能，若纠错、序号、流量控制。
（2）封装成帧
PPP协议使用特殊字符作为帧定界符，指示帧的开始和结束位置
（3）透明性
当数据中出现和帧定界符一样的比特组合时，需要采取措施解决这个问题。
（4）多种网络层协议
PPP协议能够在同一条物理链路上支持多种网络协议（如IP和IPX，IPX是novell公司制定）
（5）多种类型链路
PPP还需要能在多种类型的链路上运行，若串行或者并行
（6）差错检测
对接收的帧进行检测，并立即丢弃有差错的帧。以免出错的帧进行传输，浪费网络资源。
（7）检测连接状态
PPP具有一种机制能够及时自动自动检测出链路是否处于正常状态，出现故障后的链路隔一段时间后能正常恢复，即掉线重连。
（8）最大传送单元
为每种类型的点对点链路设置了最大传送单元MTU，MTU规定的是数据部分的最大长度。
（9）网络层地址协商
使通信双方协商网络层地址
（10）数据压缩协商
使通信双方协商数据压缩的算法

II、PPP 协议不需要的功能
（1）纠错
PPP只进行检错，不纠错。PPP是不可靠的传输协议。
（2）流量控制
端到端的的流量控制由TCP负责，链路层的PPP协议不需要再重复进行流量控制
（3）序号
PPP为不可靠传输，不需要序号。
（4）多点线路
不支持点到多点的传输服务
（5）半双工或单工链路

III、PPP 协议的组成
1992 年制订了 PPP 协议。经过 1993 年和 1994 年的修订，现在的 PPP 协议已成为因特网的正式标准[RFC 1661]。
PPP 协议有三个组成部分
一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法。
链路控制协议 LCP (Link Control Protocol)： 建立、配置和测试数据链路测连接。
一套网络控制协议 NCP (Network Control Protocol)： 每个协议支持不同的网络层协议，如IP、DECnet、AppleTalk。

2.PPP 协议的帧格式

标志字段 F = 0x7E （符号“0x”表示后面的字符是用十六进制表示。十六进制的 7E 的二进制表示是 01111110）。
地址字段 A 只置为 0xFF。地址字段实际上并不起作用。
控制字段 C 通常置为 0x03，从HDLC继承过来的，无实际意义。
PPP 是面向字节的，所有的 PPP 帧的长度都是整数字节。

解决数据链路层三个问题之中的“1. 封装成帧”

透明传输问题：
两种方式：
当 PPP 用在异步传输时，就使用一种特殊的字符填充法。
当 PPP 用在同步传输链路时，协议规定采用硬件来完成比特填充（和 HDLC 的做法一样）。

解决数据链路层三个问题之中的“2. 透明传输”

字符填充：
将信息字段中出现的每一个 0x7E 字节转变成为 2 字节序列(0x7D, 0x5E)。
若信息字段中出现一个 0x7D 的字节, 则将其转变成为 2 字节序列(0x7D, 0x5D)。
若信息字段中出现 ASCII 码的控制字符（即数值小于 0x20 的字符），则在该字符前面要加入一个 0x7D 字节，同时将该字符的编码加以改变。（原因是避免双方的调制解调器指令当成自身的控制字符进行处理）

零比特填充：
PPP 协议用在 SONET/SDH 链路时，是使用同步传输（一连串的比特连续传送）。这时 PPP 协议采用零比特填充方法来实现透明传输。
在发送端，只要发现有 5 个连续 1，则立即填入一个 0。接收端对帧中的比特流进行扫描。每当发现 5 个连续1时，就把这 5 个连续 1 后的一个 0 删除，

不提供使用序号和确认的传输服务
PPP 协议之所以不使用序号和确认机制是出于以下的考虑：
在数据链路层出现差错的概率不大时，使用比较简单的 PPP 协议较为合理。
在因特网环境下，PPP 的信息字段放入的数据是 IP 数据报。数据链路层的可靠传输并不能够保证网络层的传输也是可靠的。
帧检验序列 FCS 字段可保证无差错接受。

3.PPP 协议的工作状态

①当用户拨号接入 ISP 时，路由器的调制解调器对拨号做出确认，并建立一条物理连接。
②PC 机向路由器发送一系列的 LCP 分组（封装成多个 PPP 帧）。LCP—链路控制协议
这些分组及其响应选择一些 PPP 参数，和进行网络层配置，NCP 给新接入的 PC机分配一个临时的 IP 地址，使 PC 机成为因特网上的一个主机。
通信完毕时，NCP 释放网络层连接，收回原来分配出去的 IP 地址。接着，LCP 释放数据链路层连接。最后释放的是物理层的连接。
（可直接看下图）

三、使用广播信道的数据链路层

1.局域网的数据链路层

局域网最主要的特点是：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。
局域网具有如下的一些主要优点：
具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网。局域网上的主机可共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源。
便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活调整和改变。
提高了系统的可靠性、可用性和残存性。

媒体共享技术：

静态划分信道： 频分复用、时分复用、波分复用、码分复用。
动态媒体接入控制（多点接入）：
随机接入：ALOHA→CSMA/CD
受控接入：如环形网和多点线路轮询。

纯ALOHA协议的思想很简单
（1）只要用户有数据要发送，就尽管让他们发送。当然，这样会产生冲突从而造成帧的破坏。
（2）由于广播信道具有反馈性，因此发送方可以在发送数据的过程中进行冲突检测，将接收到的数据与缓冲区的数据进行比较，就可以知道数据帧是否遭到破坏。
（3）研究证明，纯ALOHA协议的信道利用率最大不超过18.4%

载波监听多点接入/碰撞检测 CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）
CSMA/CD的两个关键技术：
（1）载波监听多点接入
“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。
“载波监听” 是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。 （总线上并没有什么“载波”。因此， “载波监听”就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号。）

（2）碰撞检测
“碰撞检测” 就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。
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的门限值时，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。
所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。

以太网的两个标准：
DIX Ethernet V2 是世界上第一个局域网产品（以太网）的规约。
IEEE 的 802.3 标准。
DIX Ethernet V2 标准与 IEEE 的 802.3 标准只有很小的差别，因此可以将 802.3 局域网简称为“以太网”。
严格说来，“以太网”应当是指符合 DIX Ethernet V2 标准的局域网

数据链路层的两个子层：
为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，802 委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层：
逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control)子层
媒体接入控制 MAC (Medium Access Control)子层。
与接入到传输媒体有关的内容都放在 MAC子层，而 LLC 子层则与传输媒体无关，不管采用何种协议的局域网对 LLC 子层来说都是透明的 （LLC屏蔽各种局域网的差异，向网络层提供一个统一的服务访问点SAP。）

由于 TCP/IP 体系经常使用的局域网是 DIX Ethernet V2 而不是 802.3 标准中的几种局域网，因此现在 802 委员会制定的逻辑链路控制子层 LLC（即 802.2 标准）的作用已经不大了。

适配器的作用：
网络接口板又称为通信适配器(adapter)或网络接口卡 NIC (Network Interface Card)，或**“网卡”**。
适配器的重要功能：
进行串行/并行转换： 电缆串行/计算机IO并行。
对数据进行缓存： 网络速率和计算机总线速率不一致。
把数据封装成帧： 按照协议格式对数据进行封装。
实现以太网协议： 以驱动形式安装在操作系统。

2.CSMA/CD 协议

最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。当初认为这样的连接方法既简单又可靠，因为总线上没有有源器件。

以太网的广播方式发送：
总线上的每一个工作的计算机都能检测到 B 发送的数据信号。
由于只有计算机 D 的地址与数据帧首部写入的地址一致，因此只有 D 才接收这个数据帧。
其他所有的计算机（A, C 和 E）都检测到不是发送给它们的数据帧，因此就丢弃这个数据帧而不能够收下来（不需要提交到网络层）。
具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。
为了通信的简便以太网采取了两种重要的措施：
采用较为灵活的无连接的工作方式，即不必先建立连接就可以直接发送数据。
以太网对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。（这样做的理由是局域网信道的质量很好，因信道质量产生差错的概率是很小的。）


以太网提供的服务：
以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。
当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，其他什么也不做。差错的纠正由高层来决定。
如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但以太网并不知道这是一个重传的帧，而是当作一个新的数据帧来发送。

电磁波在总线上的有限传播速率的影响：
当某个站监听到总线是空闲时，也可能总线并非真正是空闲的。
A 向 B 发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到 B （传播时延）。
B 若在 A 发送的信息到达 B 之前发送自己的帧(因为这时 B 的载波监听检测不到 A 所发送的信息)，则必然要在某个时间和 A 发送的帧发生碰撞。
碰撞的结果是两个帧都变得无用。


强化碰撞：
当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时：
立即停止发送数据；
再继续发送若干比特的人为干扰信号(jamming signal)，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。


检测到碰撞后：
在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来。
每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送。
二进制指数类型退避算法：
发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟（退避）一个随机时间才能再发送数据。
基本退避时间取为争用期 2τ。
从整数集合[0,1,…, (2^k-1)]中随机地取出一个数，记为 r。重传所需的时延就是 r 倍的基本退避时间。
参数 k 按下面的公式计算：
k = Min[重传次数, 10]
当 k <= 10 时，参数 k 等于重传次数。
当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。
争用期：
最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间 2τ （两倍的端到端往返时延）就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。
以太网的端到端往返时延 2τ 称为争用期，或碰撞窗口。
经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。
以太网争用期的长度：
以太网取 51.2 us 为争用期的长度。
对于 10 Mb/s 以太网，在争用期内可发送512 bit，即 64 字节。也可以说争用期是512比特时间
以太网在发送数据时，若前 64 字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。

以太网最短有效帧长：
如果发生冲突，就一定是在发送的前 64 字节之内。
由于一检测到冲突就立即中止发送，这时已经发送出去的数据一定小于 64 字节。
以太网规定了最短有效帧长为 64 字节，凡长度小于 64 字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。

帧间最小间隔：
帧间最小间隔为 9.6 us，相当于 96 bit 的发送时间。
一个站在检测到总线开始空闲后，还要等待 9.6 us 才能再次发送数据。
这样做是为了使刚刚收到数据帧的站的接收缓存来得及清理，做好接收下一帧的准备。

CSMA/CD协议的要点：
**（1）准备发送：**在网络层分组前加上首部和尾部组成以太网帧，放入适配层缓存。检测信道是否空闲；
**（2）检测信道：**若检测到信道空闲，并在96比特时间（帧间最小间隔）内信道保持空闲，发送这个帧；
**（3）碰撞检测：**适配器边发送边监听。根据监听结果：
a）发送成功，在争用期内未检测到碰撞。帧肯定发送成功，返回（1）；
b）发送失败，在争用期内检测到碰撞。立即停止数据发送，并强化冲突。适配器执行指数退避算法，等待r倍的争用期时间后，返回步骤（2）