计算机网络——数据链路层

目录

数据链路基本概念

透明传输

差错控制

数据链路层的流量控制和可靠传输

介质访问控制

局域网

广域网

链路层设备

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数据链路基本概念

结点:主机、路由器
链路：网络中两个结点之间的物理通道，链路的传输介质主要有双绞线、光纤和微波。分为有线链路、无线链路。
数据链路：网络中两个结点之间的逻辑通道，把实现控制数据传输协议的硬件和软件加到链路上就构成数据链路。
帧：链路层的协议数据单元，封装网络层数据报。
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数据报。
 

数据链路层功能概述
数据链路层在物理层提供服务的基础上向网络层提供服务，其最基本的服务是将源自网络层来的数据可靠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传输原始比特流的功能，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，使之对网络层表现为一条无差错的链路。
功能一: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。有连接一定有确认!
功能二:链路管理，即连接的建立、维持、释放（用于面向连接的服务）
功能三:组帧
功能四:流量控制（限制发送方)
功能五:差错控制（帧错/位错）

封装成帧

封装成帧就是在一段数据的前后部分添加首部和尾部，这样就构成了一个帧。接收端在收到物理层上交的比特流后，就能根据首部和尾部的标记，从收到的比特流中识别帧的开始和结束。
首部和尾部包含许多的控制信息，他们的一个重要作用:帧定界（确定帧的界限)。
帧同步:接收方应当能从接收到的二进制比特流中区分出帧的起始和终止。
组帧的四种方法:1.字符计数法，2.字符(节）填充法，3.零比特填充法，4.违规编码法。

透明传输

透明传输是指不管所传数据是什么样的比特组合，都应当能够在链路上传送。因此，链路层就“看不见”有什么妨碍数据传输的东西。
当所传数据中的比特组合恰巧与某一个控制信息完全一样时，就必须采取适当的措施，使收方不会将这样的数据误认为是某种控制信息。这样才能保证数据链路层的传输是透明的。

1、字符计数法
帧首部使用一个计数字段（第一个字节，八位)来标明帧内字符数。

 2.字符填充法

 当传送的帧是由文本文件组成时（文本文件的字符都是从键盘上输入的，都是ASCII码）。不管从键盘上输入什么字符都可以放在帧里传过去，即透明传输。
当传送的帧是由非ASCII码的文本文件组成时（二进制代码的程序或图像等）。就要采用字符填充方法实现透明传输。

 解决方法：添加转义字符

 

 3.零比特填充法

 4.违规编码法

因为曼彻斯特编码不使用高-高，低-低来表示，所以如果使用高-高，低-低来表示帧起始和终止就不会与数据冲突

 差错控制

差错的由来

 

 数据链路层编码和物理层的数据编码与调制不同。物理层编码针对的是单个比特,解决传输过程中比特的同步等问题,如曼彻斯特编码。而数据链路层的编码针对的是一组比特,它通过冗余码的技术实现一组二进制比特串在传输过程是否出现了差错。
 

检错编码（奇偶校验码，循环冗余码CRC）

奇偶校验码

缺点：只能检测出1，3，5，7…等等奇位数错误，检测成功率位50%

循环冗余码CRC

异或运算就是相同得0，不同得1

接收端检验过程：

把收到的每一个帧都除以同样的除数，然后检查得到的余数R。
1.余数为o，判定这个帧没有差错，接受。
⒉.余数为不为o，判定这个帧有差错（无法确定到位)，丢弃。
FCS的生成以及接收端CRC检验都是由硬件实现，处理很迅速，因此不会延误数据的传输。

纠错编码——海明码

海明码:发现双比特错，纠正单比特错。

下面四个步骤：

第一步 确认校验码位数r

 第二步 确定校验码和数据的位置

注释：
1.为什么是10为数据位？因为4位校验码+6位信息位=10位
2.校验码放到2的几次方的位置，其他的地方按顺序放已知的信息位

 

 求出校验码的值

3.顺序计算出P2,P3,P4,然后填入表格

 第四步 检测并纠错

将所有校验位进行运算，得出的结果的值就是错误的位

  数据链路层的流量控制和可靠传输

流量控制
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。

流量控制方法

①停止等待协议（Stop-and-Wait）

概念：每发送完一个帧就停止发送，等待对方的确认，在收到确认后再发送下一个帧。

 停止等待协议的有差错情况

停止等待协议的特点

1.简单
2.信道利用率低。

②滑动窗口协议【后退N帧协议（GBN）， 选择重传协议（SR）】

后退N帧协议（GBN）

 GBN发送方必须响应的三件事

运行中的GBN

选择重传协议（SR）

选择重传协议中的滑动窗口

 SR发送方必须响应的三件事

 运行中的SR

 信道划分介质访问控制

传输数据使用的两种链路
点对点链路两个相邻节点通过一个链路相连，没有第三者。应用:PPP协议，常用于广域网。

广播式链路所有主机共享通信介质。
应用:早期的总线以太网、无线局域网，常用于局域网。典型拓扑结构:总线型、星型（逻辑总线型)
 

介质访问控制

介质访问控制的内容就是，采取一定的措施，使得两对节点之间的通信不会发生互相干扰的情况。

 

  频分多路复用FDM

 时分多路复用TDM

TDM的缺点就是利用率低，所以又衍生出了STDM

 统计时分复用STDM

STDM的原则是先到先走，满了就发，相对于TDM提高了利用率

 码分多路复用CDM

 ALOHA协议

所有用户都可以随机发送信息，发送时可以占用全部带宽，理论上个人使用时比静态分配信道的速度更快

纯ALOHA协议

 时隙ALOHA协议

相对于纯ALOHA协议就是固定了发送的时间（只能在一个时间片的开始），提高了效率

 CSMA协议

  

CSMA/CD协议

 图示传播时延对载波监听的影响

CSMA/CA协议

 CSMA/CA协议工作原理

 CSMA/CD 与 CSMA/CA的区别

 轮询访问介质访问控制

主要包括两大类，一个是轮询协议（就是选出一个代表，让他控制所有的传输），另一个是令牌传递协议

 局域网

局域网的概念

概括：范围大小，速度快，延迟低，节点平等

  局域网的网络拓扑结构

常用的是总线型拓扑

 局域网的传播介质

局域网	常用介质
有线局域网	双绞线，同轴电缆，光纤
无线局域网	电磁波

局域网介质访问方法

局域网的分类

  IEEE802标准

 IEEE802描述的局域网参考模型

 以太网

以太网概述 

以太网提供无连接、不可靠的服务

 以太网传输介质与拓扑结构的发展

适配器和MAC地址 

 以太网MAC帧

 10BASE-T以太网

 高速以太网

 无线局域网

802.11的MAc帧头格式
 

 

两种无线局域网

 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
 

广域网

 PPP协议（Point-to-Point Protocol）

PPP协议是目前使用最广泛的数据链路层协议，拨号基本都是PPP协议
PPP协议仅支持全双工链路

PPP协议需要满足的要求

 PPP协议不需要满足的要求

纠错，流量控制，序号，不支持多点线路

PPP协议组成成分以及功能

 PPP协议的帧格式

 HDLC协议（High-Level Data Link Control）

 HDLC的三种站

 HDLC的帧格式

 PPP协议和HDLC协议对比

 链路层设备

集线器（Hub）

可以扩展以太网，但是集线器会无脑将一个设备的所有消息转发到集线器所连的所有设备，故会将所连接的所有设备变成一个大的冲突域，同时只能有两台设备进行通信，且设备越多，冲突越多。由此诞生了网桥

 网桥（Bridge）

  两种网桥

透明网桥

通过自学习来构建转发表。每一个通过网桥的数据包都会被记录下网桥收到数据时数据对应的地址和网桥自己的接口，通过许许多多的数据包的构造的缓存，网桥就可以知道哪个数据包在哪个接口，以后如果要穿数据包就知道要往哪个接口发送数据包了

原路由网桥

在发送时，直接将最佳路径放到帧首部。那么网桥如何获得最佳路径？通过广播方式想目标地址发送广播，此时可能会经过不同路由产生不同的路径，目标地址收到后再将每一条路径都发一个响应帧给网桥，网桥经过对比就知道哪个接口最快了

交换机

网桥接口越来越多，网桥就变成了交换机

冲突域和广播域