第五章 数据链路层与局域网

数据链路层服务

• 组帧；将要传输的数据封装成帧
• 链路接入；可分为点对点链路（独占）和广播链路（共享）
• 可靠交付；即在相邻节点间经数据链路实现数据报的可靠传输
• 差错控制；检错纠错

差错控制

• 噪声可分为随机噪声和冲击噪声
  • 随机噪声：热噪声、传输介质引起的噪声等，具有典型的随机特征。
  • 冲击噪声：突然发生的噪声，如雷击、电机启停等，具有很强的突发性，并且容易造成一段时间的传输差错。
  • 随机噪声引起的传输差错称为随机差错或独立差错，具有独立性、稀疏性和非相关性等特点
  • 冲击噪声引起的差错称为突发差错，通常是连续或成片的信息差错，差错之间具有相关性，差错通常几种发生在某段信息

差错控制的基本方式

• 检错重发；接收方利用差错编码检测数据是否出错，对于出错的数据，接收端请求发送端重发数据加以纠正
• 前向纠错（FEC）；发送端对数据进行纠错编码，发生包含纠错编码信息的帧，接收端收到帧后利用纠错编码进行差错检测，对于发生错误的帧直接进行纠错
• 反馈校验；接收端将受到的数据原封不动发回发送端，发送端对比判断是否正确
• 检错丢弃；不纠正出错的数据，直接丢弃数据

差错编码的基本原理

• 香农信道编码定理指出：对于一个给定的有干扰信道，只要发送端以低于信道容量C的数据速率R发送信息，则一定存在一种编码方式，使得编码错误概率P随着码长n的增加而按指数下降至任意小的值

差错编码的检错和纠错能力

• 汉明距离：两个等长码字之间，对应位不同的位数。差错编码的检错或纠错能力与编码的汉明距离有关；例如码字01100101与码字10011101之间的汉明距离为5
• 对于检错编码，如果编码集的汉明距离为r+1，则该差错编码可以检测r位的差错
• 对于纠错编码，如果编码集的汉明距离2r+1,则该差错编码可以纠正r位的差错

典型的差错编码

异或（XOR）运算：位相同结果为0，位不同结果为1

• 奇偶校验码——50%检错率，使用1位冗余信息实现差错检测，补0或1确保1的个数位1或0；示例如下：

• 汉明码——可实现单个比特差错纠正
• 循环冗余码CRC，示例如下：

多路访问控制协议

• MAC协议分类：信道划分MAC协议、随机访问MAC协议、受控接入MAC协议

信道划分MAC协议

• 频分多路复用FDM——常用于模拟传输的宽带网络中
• 时分多路复用TDM——分为同步时分多路复用（STDM）、异步时分多路复用（ATDM）
• 波分多路复用WDM——广泛应用于光纤，实质是一种频分多路复用
• 码分多路复用CDM

随机访问MAC协议

• ALOHA协议
  • 纯ALOHA——工作原理：任何一个站点有数据要发送时就可以直接发送至信道
  • 时隙ALOHA——基本思想：把信道时间分成离散的时隙，每个时隙为发送一帧所需要的发送时间，每个通信站只能在每个时隙开始时刻发送帧，如果在一个时隙内发生帧出现冲突，下一个时隙以概率P重发帧，以概率1-P不发该帧，直到帧发送成功
• 载波监听多路访问协议CSMA
  • 非坚持CSMA——基本原理：若通信站有数据发送，先侦听信道，若空闲，立即发送，若忙，则等待一个随机时间，然后重新侦听信道，尝试发送数据，若冲突，则等待一个随机事件，重新开始侦听信道，尝试发送数据
  • 1-坚持CSMA——若通信站有数据发送，先侦听信道，若空闲，立即发送，若忙，则继续侦听信道直至发现信道空闲，然后立即发送数据
  • P-坚持CSMA——若通信站有数据发送，先侦听信道，若空闲，则以概率P在最近时隙开始时刻发送数据，以概率1-P延迟至下一个时隙发送；若信道忙，则等待下一个时隙，重新开始发送过程；若发送数据时发送冲突，则等待一个随机时间，然后重新开始发送过程
• 带冲突检测的载波监听多路访问协议——CSMA/CD基本原理：通信站使用CSMA进行数据发送，发送期间如果检测到碰撞，立即终止发送，并发出一个冲突强化信号，使所有通信站都知道冲突的发生；发出冲突强化信号后，等待一个随机时间，再重复上述过程。
• CSMA/CD的工作状态分为如下三种：
  • 传输状态；一个通信站使用信道，其他站禁止使用
  • 竞争状态；所有通信站都有权尝试对信道的使用权
  • 空闲状态：没有通信站使用信道

受控接入MAC协议

• 集中式控制——系统中有一个主机负责调度其他通信站接入信道，从而避免冲突。主要方法是轮询技术，又分为轮叫轮询和传递轮询
  • 轮叫轮询——主机轮流查询各站，询问有无数据要发送，主机也可以主动将数据发给各站
  • 传递轮询——主机先向站N发出轮询帧，站N在发送数据后或在告诉主机没有数据发送时，即将其相邻站（站N-1）的地址附上
• 分散式控制
  • 比较典型的分散式控制方法就是令牌技术——令牌代表了通信站使用信道的许可，在信道空闲时抑制在信道上传输，一个通信站如果想发送数据就必须首先获得令牌，然后在一定时间内发送数据，在发送完数据后重新产生令牌并发送到信道上，以便其他通信站使用信道
  • 令牌环主要操作过程：
    • 网络空闲时，只有一个令牌在环路上绕行
    • 当一个站点要发送数据时，必须等待并获得一个令牌，将令牌标志位置为“1”随后便可发送数据
    • 环路中每个站点边转发数据，边检查数据帧中目的地址，若为本站点地址，便读取其中所携带的数据
    • 数据帧环绕一周返回时，发送站将其从环路上撤销，即“自生自灭”
    • 发送站点完成数据发送后，重新产生一个令牌传至下一个站点，以使其他站点获得发送数据帧的许可权

局域网

• IEEE802委员会将局域网的数据链路层拆分为两个子层：逻辑链路控制（LLC）子层和介质访问控制MAC子层

数据链路层寻址与ARP

• MAC地址——MAC地址长度为6字节，共有2的48次方个可能的MAC地址；MAC地址具有唯一性
• 地址解析协议ARP——用于根据本网内目的主机或默认网关的IP地址获取其MAC地址
• DNS与ARP比较
  • 解析内容不同；DNS将主机域名解析为对应的IP地址，ARP将IP地址解析为对应的MAC地址
  • 解析范围不同；DNS可以解析Internet内任何位置的主机域名，ARP只为在同一个子网上的主机和路由器接口解析IP地址
  • 实现机制不同；DNS是一个分布式数据库，DNS解析需要在层次结构的DNS服务器之间进行查询，ARP是通过局域网内广播ARP查询，维护ARP表，获取同一子网内主机或路由器接口的IP地址与MAC地址映射关系

以太网

• 以太网帧结构

• 以太网向网络层提供的是无连接不可靠服务
• 以太网技术
  • 10Base-T——采用UTP作为介质，传输速率为10Mbit/s
  • 快速以太网——数据传输速率提高到100Mbit/s
  • 千兆位以太网
  • 万兆位以太网

交换机

• 交换机基本工作原理：当一帧到达后，交换机首先要决策该帧丢弃还是转发，如果是转发的化，还必须进一步决策应将该帧转发到哪个（或哪些）端口去
• 以太网交换机的自学习

A向B发送一个帧，从端口1进入交换机；交换机收到该帧后，查找交换表，查询无果；交换机将该帧的源MAC地址A和端口1写入交换表，（一次学习），并向出端口1意外的所有端口泛洪该帧；C和D丢弃该帧,B收下写入交换表

• 以太网交换机的优点：
  • 消除冲突
  • 支持异质链路
  • 网络管理

虚拟局域网

• 划分虚拟局域网的方法：
  • 基于交换机端口划分——每个交换机端口属于一个VLAN，如Trunk端口
  • 基于MAC地址划分——每个连接到交换机的主机MAC地址定义VLAN成员
  • 基于上层协议类型或地址划分——根据链路层帧所携带数据中的上层协议类型（如IP）或地址（如IP地址）定义VLAN成员；优点：有利于组成基于应用的VLAN

点对点链路协议

PPP

• 主要功能：成帧、链路控制协议、网络控制协议
• 不能实现的功能：差错纠正、流量控制、按序交付

• PPP中的一个典型应用场景是家庭用户拨号上网
• PPP需要提供透明传输服务，即无论上层协议的分组中包含什么样的位串或字节，都应该能够通过PPP正确传输
• PPP定义了一个特殊的控制转义字节01111101

HDLC协议

• 高级数据链路控制（HDLC）是面向位的协议，其帧格式如下：

• HDLC有三种类型帧：信息帧（I格式）、管理帧（S格式）、无序号帧（U格式），如下图所示：

• HDLC使用位填充，首先，发送端扫描整个数据字段，只要发现5个连续的1，就立即插入一个0；接收端先找到标志字段01111110确定帧边界，接着利用硬件扫描整个比特流，发现5个连续1后删除其后的0