计算机网络-数据链路层

1.功能概述

• 为网络提供服务——无确认连接服务、无确认无连接服务、有确认有连接服务

• 链路管理。连接的建立、维持、释放

• 组帧

• 流量控制（发送方的流量控制）

• 差错控制（位错/帧错）

2.概念

结点：主机、路由器

链路：两个结点之间的物理通路，分为有线链路和无线链路

逻辑链路：两个结点的逻辑通路

帧：链路层的数据单元，封装网络层数据

目的：负责两条相邻的物理链路之间的数据报传输

2.封装成帧和透明传输

封装成帧：在数据报添加首部和尾部构成一个帧

帧同步：接受方能从接受到的二进制中识别出帧的起始和终止

透明传输：不管所传的数据是什么比特组合，都能在链路上传输。链路层看不到有妨碍数据传输的东西

1.字符计数法

每一个帧的首部的第一个字节表示当前帧包含的字符数（包含计数位本身）

缺点：一个标识位发生错误，后面的帧的终止位都会发生错误

2.字符填充法

通过特定的传输协议在首部和尾部生成八位二进制编码

• 当传送的是文本文件（ASCII码）的时候，可以实现透明传输
• 传送非ASCII码的文件，需要使用字符填充方法

缺点：如果帧的内容处有内容与帧边界相同，则会导致异常终止

3.零比特填充法

首部和尾部都添加“01111110”，传输数据的时候凡是有5位1的后面添0，读取数据的时候凡是有5位1后面去0

• 保证了透明传输，不会出现帧边界的读取错误

4.违规编码法

将数据中永远不会使用的编码作为帧的起始和终止，例如曼彻斯特编码永远不会使用高-高，低-低电平

3.差错控制

1.差错起因

差错由噪声引起

• 随机热噪声
• 冲击噪声

差错类型

• 位错
• 帧错
  • 丢失
  • 重复
  • 失序

2.检错编码

冗余码：在数据发送之前，先按照某种关系附加上一定的冗余位，构成一个符合某一个规则的码字后在发送,比如接受快递的时候，如果快递清单上的物品与所接受的商品不符，则能够判断错误。

1.奇偶校验码

奇校验码确保1的个数位奇数，偶校验同理。这种方式只能检查出错误，无法纠错

2.CRC冗余校验

冗余码：要发送的数据%多项式

将要发送的数据+多项式发送给接收方，如果对多项式求模后值为0则判断无误

3.纠错编码-海明码

发现双比特错，纠正单比特错

1.根据海明不等式计算出冗余信息位的值

2.将冗余信息位的值一次放在1,2,4,…,2^n的位置上

3.把要传输的信息位依次填入

4.对应的校验位（二进制表示下的同一位为1）异或为0（比如0001,0011,0111末位都是1则将对应校验位异或）

5.检验的时候使要校验的位进行异或运算

4.流量控制和可靠传输

1.可靠传输

发送端发送的信息接收端都能够接收

2.为什么需要流量控制

较高的发送速度和较低的接受速度的不匹配

数据链路层的流量控制是点对点的，传输层的流量控制是端对端的

3.如何进行流量控制

接收方无法接受信息就不回复确认帧

传输层控制：接收端给发送端发送一个窗口公告

4.流量控制方法

1.停止等待协议

停止等待协议出现原因：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

理解：发送一个帧后就停止发送，等待对方确认之后开始下一个帧的发送

应用情况:

• 接收端检测出错或数据帧丢失
• 数据帧丢失（ACK丢失）
• 确认帧迟到（ACK迟到）

超时计时器：防止出现ACK帧丢失后，发送端未接收到ACK，双方进入互相等待的情况。每次发送一个帧之后就会启动一个计时器，如果计时器时间结束未收到对应的ACK帧，就重发。

性能分析：

• 简单
• 信道利用率低（每次发送一个帧，花费大量时间）

信道利用率：发送方在一个发送周期内，有效的发送数据占据整个发送周期的比率

信道吞吐率：信道利用率*发送方发送速率

2.滑动窗口协议

发送窗口：一个窗口之中存放着待发送的帧的序号

接受窗口：：一个窗口中维持着待接受帧的序号

1.后退N帧协议（GBN）

采用累计确认机制，接受方按顺序接收

累计确认：发送方接收到了n号帧的ACK，则表明n号帧及其之前的帧都已经被接受

按序接收：收到某个大于期望帧序号的帧，则直接丢弃

窗口大小：发送窗口大小最大为2^n-1

2.选择重传协议（SR）

GBN因为采取了按序接收的帧，所以接收窗口每次只有一个期望的接受帧，因此接收窗口内的其他帧无法被接受会被丢弃，重传的时候也会将所有的被接受方丢弃的帧重传，浪费大量的资源。

SR可以将乱序到达的帧放入缓存中，等到期望的帧到来之后与缓存内的帧一次性接收，重传也只用重传单个丢失的帧。

窗口大小：发送窗口大小最大为2^n-1

3.三个流量控制方法的窗口大小比较

5.信道介质访问控制

1.概念

采取一定的措施，使得两节点之间的通信不会发生互相干扰的情况

2.静态划分信道 - 信道划分介质访问控制

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来，把时域和频域资源合理地分配给网络上的设备

使用多路复用技术

1.频分复用技术FDM

所有的用户在同样的时间占用不同的带宽（频带带宽）资源

2.时分复用技术TDM

将时间划分成一段段等长的时分复用帧，每个用户在一个帧中占用固定序号的时隙，所用用户轮流占据使用

STDM统计时分多路复用

动态分配时隙而且固定时隙

3.波分多路复用 WDM

光的频分多路复用，在一根光纤中传输多种不同波长的信号

4.码分多路复用WDM

3.动态划分信道

1.轮询访问介质访问控制

令牌传递协议

2.随机访问介质访问控制

1.ALOHA协议

信息随机发送

时隙ALOHA协议：控制随机发送，发送必须要在某个时间点才能发送，如果冲突，必须要等到下一个时间点。

2.CSMA协议

1.1-坚持CSMA

2.非坚持CSMA

3.p-坚持CSMA

注意：如果发现信道忙，会一直监听信道，并不是等待随机时间之后去监听。

4.三种CSMA对比

3.CSMA/CA协议

• 避免冲突
• 适用于无线局域网

空闲时发送RTS（发送方地址、接收端地址、下一份数据发送需要的时间），忙则等待，接收端收到RTS，则发送CTS，发送端收到CTS，开始发送数据帧（预约信道：发送方告诉其他站点发送数据所需要的时间），接收端收到数据后使用CRC校验数据，数据正确响应ACK帧。

3.CSMA/CD协议

• 及时检测冲突
• 传播时延对载波监听的影响
• 二进制指数规避算法
• 最小帧长 = 2 * 总线传输速率 * 数据传输速率

4.CSMA/CD与CSMA/CD

6.局域网

1.特点

• 使用广播信道
• 范围小，传输速率快
• 延迟低，误码率低，可靠性高
• 共享传输信道，各站平等关系
• 采用分布式和广播式通信，能进行广播和组播
• 决定局域网的主要因素：拓扑结构、传输介质、介质访问控制方法

2.拓扑结构

• 星型
  易于管理和实施、传输速度快、共享能力差、可靠性低、、中心节点故障整个网络瘫痪
• 总线型（最常用）
  可靠性高、成本低、共享能力强、单点故障对整个网络影响小
• 环型
  节省通信设备和线路、不易于扩展、延迟长、传输速率低
• 树型
  易于单点拓展、易于隔离，根节点故障整个网络故障

3.链路层的两个子层

• LLC（逻辑链路控制）
  识别网络层协议，并进行封装。LLC报头告诉数据链路层一旦帧被接受，应对数据包做何处理，为网络层提供服务
• MAC（介质访问控制）
  数据帧的封装/拆卸，帧的寻址和识别，帧的接受和发送，链路的管理，帧的差错控制。屏蔽了不同物理层链路种类的差异性

4.介质访问控制

• CSMA/CD
  常用于总线型
• 令牌总线
  常用于总线型
• 令牌环
  用于环型网

5.局域网分类

• 以太网
  IEEE802.3标准，逻辑总线，物理星型或环型，使用CSMA/CD
• 令牌环网
  物理星型，逻辑环型
• FDDI
  物理上双环拓扑接口，逻辑上环型
• ATM
  固定53个字节长度的单元
• WLAN
  IEEE802.11

5.IEEE802

• IEEE802.11 ：无线局域网
• IEEE802.3：以太网介质访问控制（CSMA/CD）
• IEEE802.8：光纤标准（FDDI）
• IEEE802.5：令牌环网

7.以太网

1.概述

• Xerox、Inter、DEC公司联合开发的基带总线局域网规范
• 两个标准：DIX Enternet V2、IEEE802.3
• 统治性地位
  • 成本低（网卡造价低）
  • 应用广泛
  • 组网成本低、简单
  • 满足网络速率要求

2.提供无连接、不可靠服务

无连接：发送方和接收方没有“握手”过程
不可靠：不对发送方的数据帧进行编号、接受方不对接收到的数据帧进行确认，差错帧直接丢弃，差错纠错由高层负责

3.传输介质和拓扑结构发展

传输介质：粗同轴电缆 -> 细同轴电缆 -> 双绞线+hub
拓扑结构：总线 -> 星型

4.10BaseT以太网

• 10表示传输速率10Mb/s，T表示双绞线，通常采用UTP，base：基带传输
• 曼彻斯特编码
• 逻辑总线、物理星型，每一段长度100m
• CSMA/CD逻辑访问控制

5.适配器和MAC地址

6.MAC帧

• 最常用的是以太网V2的形式
• 加头：目的地址（6B）、源地址（6B）、类型（2B）
• 加尾：FCS（4B）采用CRC校验
• 数据：46B~1500B
• IEEE802.3
• 加头第三个字段是长度/类型
• 当长度/类型字段值小0x0600时，数据必须装入LLC子层

7.高速以太网

8.无线局域网

1.802.11的MAC帧格式

2.分类

1.有固定基础设施无线局域网

2.无固定设施设备无线局域网

9.PPP&HDLC协议

1.广域网

• 通信子网使用分组交换技术
• 实现资源共享的目的

2.PPP协议

1.特点：

2.要求

• 简单
• 封装成帧
• 透明传输
• 多种网络层协议
  封装的IP数据包可以采用多种网络层协议
• 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MTU
• 网络地址协商
  通信双方的网络地址协商
• 数据压缩协商

3.不需要满足的要求

• 纠错
• 流量控制
• 帧编号
• 多点线路

4.三个组成部分

• 链路控制协议LCP
  建立并维护数据链路连接-----身份验证
• 网络控制协议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响应的NCP来配置，为网络层协议建立和配置逻辑连接
• 将IP数据包封装到串行链路（同步/异步）的方法

5.状态图

6.帧格式

3.HDLC协议

1.概念

所有帧采用CRC校验，对信息帧进行顺序编号，可防止漏收或多收，传输可靠性高

2.HDLC的站

4.帧格式

5.两个协议的对比

10.扩展以太网

1.物理层扩展

• 光纤
• 集线器

2.链路层扩展以太网

1.网桥

1.透明网桥

自学习

2.源路由网桥

• 把最佳路由（路由最少/时间最少）放在帧的首部
• 源站以广播方式向欲通信的目的站发送一个发现帧

2.交换机

1.直通式交换机

• 查完地址直接转发
• 延迟小、可靠性低、无法支持具有不同速率的端口转换

2.存储转发式交换机

• 将帧放入高速缓存并检查，正确就转发，错误则丢弃
• 延迟大、可靠性高、支持具有不同速率的端口转换

3.冲突域和广播域

冲突域

同一时刻只能有一个设备发送信息

广播域

一个设备发出的信息，其余的设备都能接受到