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,使之对网络层表现出一条无差错的链路。
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帧的其实和终止。
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: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。
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。
痛点:鸡蛋装在一个篮子里了。
操作:
保证了透明传输:在传送的比特流中可以传送任意比特组合,而不会引起对帧边界的判断错误。
曼彻斯特编码:
可以用 “高-高”, “低-低” 来定界帧的起始和终止。
由于字节计数法中Count字段的脆弱性(其值若有差错将导致灾难性后果)及字符填充实现上的复杂性和不兼容性,目前较普遍使用的帧同步法是比特填充和违规码法。
概来说,传输中的差错都是由于噪声引起的。
全局性 :
链路层为网络层提供服务:无确认无连接服务(通信质量好),有确认无连接服务(通信质量差的无线传输链路),有确认面向连接服务(有线传输链路)。
编码VS编码:数据链路层编码和物理层的数据编码与调至不同。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。
冗余编码:在数据发送之前,先按某种关系附加上一定的冗余位,构成一个符合某一规则的码字后在发送。当要发送的有效数据变化时,相应的冗余位也随之变化,使码字遵从不变的规则。接收端根据收到码字是否仍符合原规则,从而判断是否出错。
CRC
**循环冗余码在数据链路层仅仅使用循环冗余检验CRC
差错编码检测技术,只能做到对帧的无差错接收,即“凡是接收数据链路层接收接受的帧,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”。接收端丢弃的帧虽然曾收到了,但是最终还是因为差错被丢弃。“凡是接收端数据链路层接收的帧无差错”。
“可靠传输”:数据链路层发送端发送什么,接收端就收到什么。
链路层使用CRC
检验,能够实现无比特差错的传输,但这还不是可靠传输。
海明不等式:
2 r > = k + r + 1 2^r >= k+r+1 2r>=k+r+1
r 为冗余信息位,k为信息位
要发送的数据:D = 101101
数据的位数k=6,满足不等式的最小r为4,也就是D=101101的海明码应该有6+4=10位,其中原数据6位,校验码4位。
较高的发送速度和较低的接收能力的不匹配,会造成传输错误,因此流量控制也是数据链路层的一项重要工作。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。
停止等待协议:每次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。
GBN
)SR
)GBN
):发送窗口大小>1,接收窗口大小=1;SR
)::发送窗口大小>1,接收窗口大小>1;为什么要有停止等待协议?
除了比特出差错,底层信道还会出现丢包问题。为了实现流量控制。
丢包:物理线路故障、设备故障、病毒攻击、路由信息错误等原因,会导致数据包的丢失。
研究停等协议的前提?
虽然现在常用全双工通信方式,但为了讨论问题方便,仅考虑一方发送数据(发送方),一方接收数据(接收方)。
因为是在讨论可靠传输的原理,所以并不考虑数据是在哪一个层次上传送的。
“停止等待协议”就是每次发送完一个分组就停止发送,等待对方确认,在收到确认后再发送一下个分组。
停等协议有几种应用情况?
无差错情况&有差错情况
AC
K丢失ACK
迟到发送发在一个发送周期内,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 信道吞吐率=信道利用率*发送方的发送速率 信道吞吐率=信道利用率∗发送方的发送速率
SR
)GBN
协议的弊端 确认积累,批量重传
可不可以只传出错的帧?
解决办法:设置单个确认,同时加大接收窗口,设置接收缓存,缓存乱序到达的帧。
上层的调用: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。
收到了一个ACK
:如果收到ACK
,加入该帧序号在窗口内,则SR发送方将那个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,一个超时事件发送后只重传一个帧。
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。
W T m a x = W R m a x = 2 的 ( n − 1 ) 次 方 WTmax=WRmax=2 的 (n-1)次方 WTmax=WRmax=2的(n−1)次方
SR
协议重点总结GBN
)ACK
:GBN
协议中,对n号帧的确认采用积累确认的方式,标明接收方已经收到n号帧和它之前的全部帧。GBN
接收方要做的事ACK
,并将该帧中的数据部分交付给上层。ACK
。接收方无需缓存任何失序帧,只需要维护一个信息:expectedswqnum
(下一个按序接收的帧序号)。1 < = W t < = 2 n − 1 1<= Wt <= 2^n-1 1<=Wt<=2n−1
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。
GBN
协议重点总结GBN
协议性能分析PPP
协议,常用于广域网。FDM
TDM
WDM
CDM
ALOHA
协议CSMA
协议CSMA
/CD协议CSMA
/CA协议FDM
TDM
将时间划分为一段长时间的时分复用帧(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。
频分复用–“并发”
时分复用–“并发”
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。
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。
CDM
CDMA
)是码分复用的一种方式。冲突如何检测?
冲突后如何解决?
CMSA
协议CSMA
协议载波监听多路范问协议CSMA
(carrier sense multiple access)
CS
:载波侦听/监听,每一个站在发送数据之前要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据。
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)。当一个站检测到的电压摆动超过一定门限值时,就认为总线上至少两个站同时在发送数据,表明产生了碰撞,及发生了冲突。
MA: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。
协议思想:发送帧之前,监听信道。
CSMA
坚持指的是对于监听信道忙之后的坚持。
1-坚持CSMA
思想:如果一个主机要发送消息,那么它先监听信道。空闲则传输,不必等待。忙则一直监听,直到空闲马上传输。如果有冲突(一段时间内未收到肯定回复),则等待一个随机长的时间再监听,重复上述过程。
CSMA
非坚持指的是对于监听信道忙之后就不继续监听。
非坚持CSMA
思想:如果一个主机要发送消息,那么它先监听信道。空闲则传输,不必等待。忙则等待一个随机的时间之后再进行监听。
CSMA
协议 p-坚持指的是对于监听信道空闲的处理。
p-坚持CSMA
思想:如果一个主机要发送消息,那么它先监信道。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。忙则等待一个随机的时间之后再进行监听。
MAC Multiple Access Control
) 协议:
不产生冲突
,又要发送时占全部宽带
。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。
令牌环网无碰撞
每个结点都可以在一定时间内(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。
问题:
应用于令牌环网(物理星型拓扑,逻辑环形拓扑)。
采用令牌传送方式的网络常用于负载较重、通信量较大的网络中。
MAC
协议总结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。
10Mb/s ~ 10Gb/s
)决定局域网的主要要素为:网络拓扑,传输介质于介质访问控制方法。
星型拓扑
:中心节点是控制中心,任意两个节点间的通信最多只需要两步,传输速度快,并且网络构形简单、建网容易、便于控制和管理。但这种网络系统,网络可靠性低,网络共享能力差,有单点故障问题。总线型拓扑
:网络可靠性高、网络节点间响应速度快、共享资源能力强、设备量投入少、成本低、安装使用方便,当某个工作站节点出现故障时,对整个网络系统影响较小。环形拓扑
:系统中通信设备和线路比较节省。有单点故障问题;由于环路是封闭的,所以不便于扩充,系统响应延时长,且信息传输效率相对较低。树形拓扑
:易于隔离故障,也容易有单点故障。CSMA/CD
:常用于总线型局域网,也用于树型网络。以太网:以太网是应用最广泛的局域网,包括标准以太网(10Mbps
)、快速以太网(100Mbps
)、千兆以太网(1000Mbps
)和10G
以太网,它们都符合IEEE802.3
系列标准规范。逻辑拓扑总线型,物理拓扑是星型或拓扑型。使用CSMA/CD
。
令牌环网:物理上采用了星型拓扑结构,逻辑上是环形拓扑结构。已是“明日黄花”。
FDDI
(Fiber Distributed Data Interface
):物理上采用了双环拓扑结构,逻辑上是环形拓扑结构。
ATM网(Asynchronaous Transfer Mode
):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(Wireless Local Area Network;WLAN
):采用IEEE802.11
标准。
IEEE 802
标准 IEEE 802系列标准是IEEE 802LAN/MAN
标准委员会定制的局域网、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。
MAC
子层和LLC
子层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层MAC
子层。 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总线局域网规范,是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。以太网使用CSMA/CD
(载波监听多路访问及冲突检测)技术。
以太网在局域网各种技术中占统治性地位:
造价低廉(以太网卡不到100块);
是应用最广泛的局域网技术。
比令牌环网、ATM网便宜,简单。
满则网络速率要求:10Mb/s~10Gb/s
。
以太网两个标准:
DIX Ethrtnet V2
: 第一个局域网产品(以太网)规约。
IEEE 802.3: IEEE 802
委员会802.3
工作组制定的第一个IEEE的以太网标准。(帧格式有一丢丢改动)。
以太网只实现无差错接收,不实现可靠传输。
MAC
地址在局域网中,硬件地址又称为物理地址,或MAC地址。【实际上是标识符】
02-60-8c-e4-b1-21
。V2
的格式。100Mb/s
的以太网称为高速以太网。100BASE-T
以太网
100Mb/s
基带信号的星型拓扑以太网,仍然使用IEEE802.3
的CSMA/CD
协议。支持全双工和半双工,可在全双工方式下工作而无冲突。1Gb/s
信号。10Gb/s
信号。CSMA/CD
协议CSMA/CD
协议载波监听多点接入/碰撞检测CSMA/CD(carrier sense multiple access with collision detection)
。
CS:载波帧听/监听,每一个站在发送数据之前以及发送数据时都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,表示计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。总线型网络。
CD:碰撞检测(冲突检测),“边发送边监听”,适配器边发送数据变检测信道上信号电压的变化情况,以便判断自己在发送数据时其他站是否也在发送数据。半双工网络。
若连续多次发生冲突,就标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。
以太网规定最短帧长为
64B
,凡是长度小于64B
的都是由于冲突而异常终止的无效帧。
PPP
协议和HDLC
协议PPP
协议的特点PPP
协议。只支持全双工链路。PPP
协议应满足的要求MTU
PPP
协议无需满足的要求PPP
协议的三个组成部分IP
数据报封装到串行链路(同步串行/异步串行)的方法。LCP
:建立并维护数据链路连接。身份验证。NCP
:PPP
可支持多种网络层协议,每个不同的网络层协议都要一个相应的NCP
来配置,为网路层协议建立和配置逻辑连接。PPP
协议的状态图PPP
协议的帧格式HDLC
协议High-Level Data Link Control
或简称HDCL
),是一个在同步网上传输数据、面向比特的数据链路层协议,它由国际标准化组织(ISO)根据IBM公司的SDLC
(SynchronousData Link Contro
)l协议扩展开发而成的,采用全双工通信。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。HDLC
的站HDLC
的帧格式PPP
协议&HDLC
协议 HDLC、PPP只支持全双工链路。
都可以实现透明传输
都可以实现差错检测,但不纠正差错。
MAC
帧的目的地址对帧进行转发和过滤。当网桥收到一个帧时,并不向所有接口转发此帧,而是先检查此帧的目的MAC
地址,然后再确定将该帧转发到哪一个接口,或者是把它丢弃(即过滤)。MAC
子层和不同速率的以太网。直通式交换机:查完目的地址(6B
)就立刻转发。
存储转发式交换机:将帧放入高速缓存,并检查是否正确,正确则转发,错误则丢弃。
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