计算机网络学习笔记（Ⅲ）：数据链路层

目录

1 数据链路层概述

1.1 基本概念

1.2 主要功能

2 封装成帧和透明传输

2.1 封装成帧

2.2 透明传输

1.字符计数法

2.字符填充法

3.零比特填充法

4.违规编码法

3 差错控制

3.1 差错

3.1 检错编码

1.奇偶校验码

2.CRC循环冗余码

3.2 纠错编码

1.确定校验码位数

2.确定校验码和数据位置

3.求出校验码的值

4.检错并纠错

4 流量控制

4.1 流量控制与可靠传输机制

1.流量控制

2.可靠传输

4.2 停止-等待协议

1.无差错情况

2.有差错情况

3.性能分析

4.3 后退N帧协议

1.滑动窗口

2.响应要求

3.接收要求

4.滑动窗口长度

5.性能分析

4.4 选择重传协议

1.滑动窗口

2.响应要求

3.接收要求

4.滑动窗口长度

5 介质控制访问

5.1 信道划分介质访问控制

1.数据传输链路

2.介质访问控制

3.静态划分信道

4.频分多路复用FDM

5.时分多路复用TDM

6.波分多路复用WDM

7.码分多路复用CDM

5.2 ALOHA协议

5.3 CSMA协议

1.算法思想

2.坚持CSMA

3.非坚持CSMA

4.p-坚持CSMA

5.4 CSMA/CD协议

1.概念

2.碰撞与重传

3.最小帧长

5.5 CSMA/CA协议

1.工作原理

2.与CD协议比较

5.6 轮询访问控制

1.介质访问控制的不足

2.轮询协议

3.令牌传递协议

6 局域网

6.1 基本概念与体系结构

1.基本概念

2.拓扑结构

3.传输介质

4.介质访问控制方法

5.分类

6.IEEE802标准

7.MAC子层和LLC子层

6.2 以太网

1.概述

2.无连接不可靠服务

3.传输介质与拓扑结构

4.10BASE-T以太网

5.适配器与MAC地址

6.以太网MAC帧

7.高速以太网

6.3 无线局域网

1.802.11MAC帧头格式

2.分类

7 PPP和HDLC协议

7.1 PPP协议

1.广域网

2.PPP协议定义

3.要求

4.组成部分

5.状态图

6.帧格式

7.2 HDLC协议

1.定义

2.站

3.帧格式

7.3 对比

8 链路层设备

8.1 物理层拓展以太网

8.2 链路层拓展以太网

1.网桥

2.交换机 

8.3 冲突域和广播域

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1 数据链路层概述

1.1 基本概念

结点：主机、路由器等

链路：结点之间的物理通道，分为有线与无线链路

数据链路：结点间的逻辑通道

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。.

1.2 主要功能

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。

·为网络层提高服务

·链路管理

·组帧

·流量控制

·差错控制

2 封装成帧和透明传输

2.1 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。首部和尾部提供了一个帧定界

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：字符计数法；字符（节）填充法；.零比特填充法；违规编码法。

2.2 透明传输

无论数据是何种比特组合，都应能在链路上传送

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

在帧的数据两端设置起始与终止字符，在容易歧义的字符前添加转义字符

3.零比特填充法

4.违规编码法

利用违规编码定界帧的起始和终止 

3 差错控制

3.1 差错

差错由噪声引起，包括全局性噪声和局部性噪声。

全局性：由于线路本身电气特性所产生的随机噪声(热噪声)，是信道固有的，随机存在的。可以提高信噪比来减少或避免干扰。
局部性：外界特定的短暂原因所造成的冲击噪声，是产生差错的主要原因。通常利用编码技术来解决。

3.1 检错编码

1.奇偶校验码

包括奇校验码（1的个数为奇数）和偶校验码（1的个数为偶数），码中有1位校验元和 n-1 位信息元。只能检查出奇数个比特错误

2.CRC循环冗余码

发送：传入数据 + FCS冗余码

接收：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。R = 0，则接受；R = 1则丢弃。

3.2 纠错编码

海明码：发现双比特错误，纠正单比特错误 。

1.确定校验码位数

海明不等式： 2^r >= k + r + 1  （r为冗余信息位，k为信息位）

原数据为k位，求出r，其海明码应有k + r位。

2.确定校验码和数据位置

校验码放于2的幂位置，数据按序填空

3.求出校验码的值

4.检错并纠错

4 流量控制

4.1 流量控制与可靠传输机制

1.流量控制

发送与接收能力不匹配会造成传输出错，数据链路层的流量控制是点对点的。控制手段包括停止-等待协议、滑动窗口协议（BGN、SR协议）

2.可靠传输

接收端完全接收发送端的原始内容

4.2 停止-等待协议

1.无差错情况

2.有差错情况

·数据帧丢失或检测到帧出错

·ACK（确认帧）丢失

·ACK迟到

3.性能分析

停等协议信道利用率太低

信道利用率：(L / C) / T （T为发送周期，L为T内发送比特数据，C为发送方数据传输率）

发送方在一个发送周期内，有效地发送数据所需要的时间占整个发送周期的比率    

信道吞吐率 = 信道利用率 * 发送方的发送速率

4.3 后退N帧协议

1.滑动窗口

发送窗口：发送方维持一组连续的允许发送的帧的序号。 发送窗口:发送方维持一组连续的允许发送的帧的序号

接收窗口：接收方维持一组连续的允许接收帧的序号

2.响应要求

上层调用：上层要发送数据时，发送方先检查发送窗口是否已满，如果未满，则产生一个帧并将其发送;如果窗口已满,发送方只需将数据返回给上层，暗示上层窗口已满。上层等一会再发送。(实际实现中，发送方可以缓存这些数据，窗口不满时再发送帧）。

收到ACK：GBN协议中，对n号帧的确认来用累积确认的方式，标明接收方已经收到n号帧和它之前的全部帧。

超时时间：协议的名字为后退N帧/回退N帧，来源于出现丢失和时延过长帧时发送方的行为。就像在停等协议中一样,定时器将再次用于恢复数据帧或确认帧的丢失。如果出现超时，发送方重传所有己发送但未被确认的帧。

3.接收要求

如果正确收到n号帧，并且按序，那么接收方为n帧发送一个ACK，并将该帧中的数据部分交付给上层。
其余情况都丢弃帧，并为最近按序接收的帧重新发送ACK。接收方无需缓存任何失序帧，只需要维护一个信息: expectedseqnum(下一个按序接收的帧序号)。

4.滑动窗口长度

若采用n个比特对帧编号，那么发送窗口的尺寸W，应满足：因为发送窗口尺寸过大，就会使得接收方无法区别新帧和旧帧。

5.性能分析

提高了信道利用率，但累计确认导致的批量重传会使传送效率低

4.4 选择重传协议

1.滑动窗口

2.响应要求

上层调用：从上层收到数据后，SR发送方检查下一个可用于该帧的序号，如果序号位于发送窗口内，则发送数据帧;否则就像GBN一样，要么将数据缓存，要么返回给上层之后再传输。
收到ACK：如果收到ACK，加入该帧序号在窗口内，则sR发送方将那个被确认的帧标记为已接收。如果该帧序号是窗口的下界（最左边第一个窗口对应的序号），则窗口向前移动到具有最小序号的未确认帧处。如果窗口移动了并且有序号在窗口内的未发送帧，则发送这些帧。

超时事件：每个帧都有自己的定时器，一个超时时间后只重传一个帧

3.接收要求

窗口内的帧一概接收：SR接收方将确认一个正确接收的帧而不管其是否按序。失序的帧将被缓存，并返回给发送方一个该帧的确认帧，直到所有帧（即序号更小的帧）皆被收到为止，这时才可以将一批帧按序交付给上层，然后向前移动滑动窗口。

如果收到了窗口序号外（小于窗口下界)的帧，就返回一个ACK。其他情况，就忽略该帧。

4.滑动窗口长度

发送窗口 = 接收窗口

5 介质控制访问

5.1 信道划分介质访问控制

1.数据传输链路

点对点链路：常用于广域网

广播式链路：所有主机共享通信介质，常用于局域网

2.介质访问控制

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

3.静态划分信道

将使用介质的每个设备与来自同一信道上的其他设备的通信隔离开，把时域和频域资源合理地分配给网络上的设备。
多路复用技术：把多个信号组合在一条物理信道上进行传输，使得多个计算机或终端设备共享信道资源提高信道利用率。 

4.频分多路复用FDM

用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽（频率带宽）资源。
该划分方法充分利用传输介质带宽。系统效率高，实现容易

5.时分多路复用TDM

 将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧）。每一个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙，所有用户轮流占用信道。

·统计时分复用STDM

 每一个STDM帧中的时隙数小于连接在集中器上的用户数。各用户有了数据就随时发往集中器的输入缓存，然后集中器按顺序依次扫描输入缓存，把缓存中的输入数据放入STDM帧中，一个STDM帧满了就发出。STDM帧不是固定分配时隙,而是按需动态分配时隙。

6.波分多路复用WDM

波分多路复用就是光的频分多路复用，在一根光纤中传输多种不同波长（频率）的光信号，由于波长（频率）不同，所以各路光信号互不干扰，最后再用波长分解复用器将各路波长分解出来。

7.码分多路复用CDM

码分多址（CDMA)是码分复用的一种方式。

1个比特分为多个码片/芯片(chip)，每一个站点被指定一个唯一的m位的芯片序列。发送1时站点发送芯片序列，发送0时发送芯片序列反码（通常把0写成-1）。

例如A站点发送01，芯片序列1为 +1 -1 -1 +1 +1 +1 -1 -1，0为-1 +1 +1 -1 -1 -1 +1 +1
发送：多个站点同时发送数据的时候，要求各个站点芯片序列相互正交。
合并：各路数据在信道中被线性相加

分离：合并数据和源站规格化内积

5.2 ALOHA协议

·ALOHA协议

不监听信道，不按时间槽发送，随机重发。

如果发生冲突，接收方在就会检测出差错，然后不予确认，发送方在一定时间内收不到就判断发生冲突。 

该方法吞吐量低，效率低

·时隙ALOHA协议

把时间分成若干个相同的时间片，所有用户在时间片开始时刻同步接入网络信道，若发生冲突，则必须等到下一个时间片开始时刻再发送。

5.3 CSMA协议

载波监听多路访问协议

CS：载波监听，每一个站在发送数据前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，许多计算机以多点接入方式连接在一根总线上

1.算法思想

在发送帧之前，监听信道

2.坚持CSMA

若发信道忙，则保持监听状态。若有冲突，则等待一个随机长的时间再监听

优点：若媒体空闲，站点立即发送，避免媒体利用率损失

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。

3.非坚持CSMA

如果一个主机要发送消息，那么它先监听信道，忙则等待一个随机的时间之后再进行监听。
优点：采用随机的重发延迟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。

4.p-坚持CSMA

p-坚持指的是对于监听信道空闲的处理。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。
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。
缺点：冲突后仍然发送数据帧，造成浪费

5.4 CSMA/CD协议

1.概念

载波监听多点接入/碰撞检测CSMA/CD (carrier sense multiple access with collision detection)
CS：载波监听，每个站在发送数据前及发送数据时都要检测总线上是否有其他计算机在发送数据MA：多点接入                                                                                                                            CD：碰撞检测，边发送边监听

2.碰撞与重传

碰撞监测最迟时间：两倍的总线端到端传播时延 2τ 

重传：截断二进制指数规避算法（确定基本退避时间为争用期2τ；定义不大于10的重传次数K；从离散的整数集合[0,1,2^k - 1]中随机抽取r，重传的退避时间就是r倍的基本退避时间；重传16次仍不成功时，抛弃此帧并报错）

若连续多次发生冲突，就表明可能有较多的站参与争用信道,使用此算法可使重传需要推迟的平均时间随重传次数的增大而增大，因而减小发生碰撞的概率，有利于整个系统的稳定

3.最小帧长

帧的传输时延（帧长（bit） / 数据传播速率）至少要两倍于信号在总线中的传播时延。
最小帧长 = 总线传播时延 * 数据传输速率 * 2

5.5 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)
CSMA/CD协议适用于以太网环境，而在无线局域网使用时，因其无法做到全方位检测碰撞，且存在隐蔽站（当A、C检测不到信号，认为信道空闲时，同时向终端B发送数据帧，就会导致冲突）的问题

1.工作原理

发送数据前，先检测信道是否空闲

空闲则发出RTS (request to send），RTS包括发射端的地址、接收端的地址、下一份数据将持续发送的时间等信息;信道忙则等待。
接收端收到RTS后，将响应CTS (clear to send)。
发送端收到CTS后，开始发送数据帧（同时预约信道:发送方告知其他站点自己要传多久数据)。接收端收到数据帧后，将用CRC来检验数据是否正确，正确则响应ACK帧。
发送方收到ACK就可以进行下一个数据帧的发送，若没有则一直重传至规定重发次数为止（采用二进制指数退避算法来确定随机的推迟时间）。

2.与CD协议比较

5.6 轮询访问控制

1.介质访问控制的不足

2.轮询协议

主结点轮流请求从属结点发送数据。存在轮询开销、等待延迟、单点故障等问题

3.令牌传递协议

令牌：一个特殊格式的MAC控制帧，不含任何信息。控制信道的使用，确保同一时刻只有一个结点独占信道。每个结点都可以在一定的时间内(令牌持有时间）获得发送数据的权利，并不是无限制地持有令牌。应用于令牌环网，负载较重、通信量较大的网络中。

存在令牌开销、等待延迟、单点故障问题

6 局域网

6.1 基本概念与体系结构

1.基本概念

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。
覆盖范围小；使用专用传输介质联网，数据传输速率高；通信延迟时间短，可靠性高；各站共享传输信道；多采用分布式控制和广播式通信

2.拓扑结构

3.传输介质

4.介质访问控制方法

5.分类

·以太网：应用最为广泛的局域网，包括标准以太网（10Mbps）、快速以太网（100Mbps) ,千兆以太网(1000 Mbps）和10G以太网，它们都符合IEEE802.3系列标准规范。逻辑拓扑总线刑.物理拓扑是星刑式拓展星刑。伸田ccMA/cD

·令牌环网：物理上采用了星形拓扑结构，逻辑上是环形拓扑结构。

·FDDI网：物理上采用了双环拓扑结构，逻辑上是环形拓扑结构。

·ATM网：较新型的单元交换技术,使用53字节固定长度的单元进行交换。

·无线局域网：采用IEEE 802.11标准。

6.IEEE802标准

IEEE 802系列标准是IEEE 802 LAN/MAN标准委员会制定的局域网、城域网技术标准（1980年2月成立)。其中最广泛使用的有以太网、令牌环、无线局域网等。这一系列标准中的每一个子标准都由委员会中的一个专门工作组负责。

7.MAC子层和LLC子层

IEEE 802标准所描述的局域网参考模型只对应OSI参考模型的数据链路层与物理层，它将数据链路层划分为逻辑链路层LLC子层和介质访问控制MAC子层。

6.2 以太网

1.概述

Ethernet指基带总线局域网规范，使用CSMA/CD技术。 其造价低廉，使用广泛，能够满足网络速率要求。以太网满足DIX Ethernet V2或IEEE 802.3标准

2.无连接不可靠服务

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。

3.传输介质与拓扑结构

4.10BASE-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。

5.适配器与MAC地址

计算机与外界有局域网的连接是通过通信适配器的。

6.以太网MAC帧

 

与IEEE 802.3的区别：第三个字段是长度/类型；当长度/类型字段值小于ox0600时，数据字段必须装入LLC子层。

7.高速以太网

速率≥100Mb/s的以太网称为高速以太网。

6.3 无线局域网

1.802.11MAC帧头格式

2.分类

7 PPP和HDLC协议

7.1 PPP协议

1.广域网

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。广域网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。

2.PPP协议定义

点对点协议PPP(Point-to-Point Protocol）仅支持全双工链路，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—船都体田ppp协议。

3.要求

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
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：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

无需满足纠错、流量控制‘序号要求，不支持多点线路

4.组成部分

5.状态图

6.帧格式

面向字节

7.2 HDLC协议

1.定义

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、面向比特的数据链路层协议，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
所有帧采用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。

2.站

3.帧格式

7.3 对比

8 链路层设备

8.1 物理层拓展以太网

8.2 链路层拓展以太网

1.网桥

2.交换机 

包括直通式交换机（查完目的地址(6B）就立刻转发。延迟小，可靠性低，无法支持具有不同速率的端口的交换）和存储转发式交换机（将帧放入高速缓存，并检查否正确，正确则转发，错误则丢弃。延迟大，可靠性高，可以支持具有不同速率的端口的交换）

8.3 冲突域和广播域