数据链路层总结——计网

第三章 数据链路层

3.1 设计要点

1. 数据链路层作用：

   • 实现帧的传输（物理层实现比特流传输）
   • 差错控制
   • 流量控制和可靠传输
   • 广播信道中介质访问控制

2. 信道类型

   • 点对点
   • 广播信道

3. 成帧方法：

   • 字符计数法，在头部字段指明本帧字节数
   • 字符填充的首尾定界法，专门的字符作为帧的起始或者结束标志，用字符填充方法区分
   • 比特填充的首尾定界法，专门的比特序列作为…，用比特填充方式区分
   • 物理编码违例法，使用无效的物理编码作为开始或者结束标志

3.2 错误检测和纠正

检错编码

• 误码率

• 纠错码

  通过增加冗余信息检测错误发生的位置，便于纠错，又被称为前向纠错

  • 海明编码
  • 检错纠错只能保证帧的无差错接受，但是不意味着可靠传输，帧丢失、帧重复、帧失序等问题仍然等待解决（保证帧内部不错）

• 检错码：

  • 奇偶校验：

    • 可以发现单比特的翻转
    • 奇校验：通过校验位来使传输数据有奇数个1

  • 简单累加和（校验和）：就是for循环累加

  • 循环冗余校验（CRC）：

    • 硬件实现，事先算好，存在数组内，用时查表

  这里的除法是模2除法，不是日常除法。它的规则是若被除数高位是1，则商1，否则为0

3.3 基本数据链路协议

无限制单工协议

这种情况没有考虑接收方的接收速率

单工停-等协议

增加了对接收方的接受速率考虑，发送方接收到应答帧以后再进行发送下一帧

有噪声信道的单工协议

需要考虑的问题：

1. 帧本身出错：校验和解决

2. 接收方回传确认帧出错后者丢失：帧序号，如果接收方确认帧出错，对于发送方来说约等于一直没收到，则超时重发，此时重发后有帧序号，接受方检测到重复就不上交该帧，只返回确认帧

3. 帧丢失以后处理：超时重发

3.4 滑动窗口协议

补充：

时延带宽积：时延*带宽

滑动窗口协议原理

• 用滑动窗口实现流量控制

错误处理：

如果采用方案1，那么该帧之后全部被丢弃，从出错帧开始重新发送，为了能够挨个确定发对，所以实际接受窗口宽度为1

如果采用方案2，选择性重发该帧，接收方发送否定确认，在错误帧之后接收方在数据链路层缓冲，接收到重发的出错帧再上交。

3.5 点对点协议PPP（point-to-point protocol)

组成部分

• 将IP数据报封装到串行链路的方法
• 链路控制协议LCP
• 网络控制协议NCP

帧格式

• PPP面向字节，因此帧长度都是字节的整数倍
• F字段是标志字段，识别帧的开始
  

透明传输问题

• 同步传输：零比特填充、高带宽传输
• 异步传输：字符填充

填充

• 字符填充

• 零比特填充：

PPP协议的工作状态

身份认证协议：

• PAP传密码去核对
• CHAP时间戳口令传过来和输入核对，避免传输密码的敏感信息（相当于利用时间对输入加密）

3.6 介质访问控制

局域网的数据链路层

核心：介质访问控制技术

• 静态划分信道（较少使用，因为节点数不固定）：频分复用、时分复用、波分复用。。。
• 动态介质访问控制：
  • 随机访问：随机发送信息，可能产生碰撞
  • 受控访问：多点线路探询或者轮询，在局域网中使用较少

局域网技术标准

• IEEE802将数据链路层分为：
  • LLC（logic link control)：逻辑链路控制子层
  • MAC（media access control）介质访问控制子层

• CSMA/CD协议（以太网核心）

  载波监听多点访问/碰撞检测

  • 载波监听：发送前先听

  • 碰撞检测：监听总线上传输的信号检测信道上是否发生了碰撞，边发送边听

  • 碰撞强化：发送方检测到碰撞以后立即停止发送，并且发送32bit或者48bit的人为干扰信号，来通知用户发生了碰撞

  • 碰撞退避：

  • 争用期：

    在2tao时间内没有检测到碰撞，则证明此次发送没有发生碰撞

    以太网的争用期：
    

    相当于这64字节的帧是探路用的

  • 优缺点：

    • 负载少时效率高
    • 实现简单
    • 负载重时碰撞概率增大，网络效率低
    • 实时性较差

3.7 以太网

物理层

• 最初为总线节后，但是单点故障会导致全网瘫痪，维护困难
• 之后使用非屏蔽双绞线，利用集线器连接各个节点，物理上为星型结构（集线器类似多借口的转发器，工作在物理层）
• 采用曼彻斯特编码，用电平的跳变表示0或1（1是低跳高，0是高跳1，连续0或1会在一个周期结束瞬间回到原始态）

MAC层

• 以太网采用CSMA/CD协议

• 给每个节点分配唯一的MAC地址

• 帧格式：

3.8 局域网互连

物理层扩展局域网

使用中继器或者集线器（实现电信号再生，将两根总线连接在一起）

数据链路层扩展局域网

使用网桥，根据MAC帧的目的地址对收到的帧进行转发

• 网桥分类：

  • 透明网桥：站点不知道发送帧将通过几个网桥，网桥对各站透明，即插即用，按照自回归算法建立转发表
    

    当网桥连接在一起时，会导致帧不断转发（相当于进入了死循环，一直没有找到地方，但是一直在转发），因此要建立生成树，并且定期更新

  • 源路由网桥：发送帧时将路由信息放在帧的首部

  • 多接口网桥——交换机

    • 早起被叫做交换式集线器
    • 内部工作原理是网桥，每个接口被视为一个网段
    • 工作在数据链路层，集线器所有接口共享传输介质的带宽，交换机为每个接口独享带宽

  • 虚拟局域网：