【笔记】计算机网络-数据链路层

---

概念

封装成帧&透明传输

封装成帧

透明传输

字符计数法

如果第一个错误，后面将全部错误，所以不常用。

字符填充法

即在控制字符前加转义字符，防止判断错误。

零比特填充法

由于前后都是1个“0”+6个“1”+1个“0”，即解决方法是遇到5个连续的“1”，就在后面填充1个“0”。

违规编码法

由于曼彻斯特编码是通过高低、低高来表示“1”和“0”。所以将两个无效编码方式作为起始和结束。

总结

由于字节计数法Count字段的脆弱性（其值若有差错将导致灾难性后果）以及字符填充实现上的复杂性和不兼容性，目前普遍使用的帧同步方法是比特填充法和违规编码法。

差错控制

概括来说，传输中差错都是由于噪声引起的。其原因包含两个方面：

• 全局性：由于线路本身电器特征所产生的随机噪声（热噪声），时信道固有的，随即存在的。解决办法：提高信噪比来减少或避免干扰。（对传感器调整参数等）
• 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。解决办法：通常利用编码技术来解决。

差错控制分为检错编码和纠错编码。

数据链路层编码不同于物理层的数据编码。物理层针对单个比特，解决传输过程中比特同步问题。数据链路层的编码针对一组比特，通过冗余码实现一组二进制比特串在传输过程中是否出现差错。

检错编码

奇偶校验码

只能检查出奇数个比特错误，检错能力为50%。
CRC循环冗余码：

纠错编码

海明码：发现双比特错，纠正单比特错。

工作流程

流量控制和可靠传输机制

较高的发送速率和较低的接受能力不匹配，会造成传输出错，因此需要流量控制。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。

流量控制方法：

• 停止等待协议：发送窗口大小=1，接收窗口大小=1；
• 后退N帧协议（GBN）：发送窗口大小>1，接收窗口大小=1；
• 选择重传协议（SR）：发送窗口大小>1，接收窗口大小>1；

其中：

• 可靠传输：发送端发啥，接收端接受啥。
• 流量控制：控制发送速率，使接收方有足够的缓冲空间来接受每一帧。
  滑动窗口解决两者问题。

停止-等待协议

该协议有书上介绍是属于传输层，有介绍是数据链路层。主要原因是在之前错误率比较高的时候，需要数据链路层来进行部分纠错功能。随时代发展，数据链路层逐渐取消了这项功能。

无差错时

有差错-数据帧丢失或检测到帧出错

有差错-ACK丢失

有差错-ACK迟到

性能分析

小结

后退N帧协议（GBN）

停等协议弊端：太闲了，效率低。

GBN中滑动窗口

GBN发送方必须响应三件事

• 上层的调用
  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）。
• 收到了一个ACK
  GBN协议中，对n号帧的确认采用累计确认的方式，标明接收方已经收到n号帧和它之前的全部帧。
• 超时事件
  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，发送方重传所有已发送但未被确认的帧。

接收方做的事

• 如果正确接收到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：下一个按序接收的帧序号。

运行中的GBN
滑动窗口长度：尺寸W满足：1<=W<=2^n-1。n为采用n个比特对帧进行编号。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。

性能分析

good：因连续发送数据帧而提高了信道利用率。
bad：在重传时必须把原来已经正确传送的数据帧重传，是传送效率降低。

小结

重点总结：

• 累计确认。
• 接收方只按顺序接收帧，不按序无情丢弃。
• 确认序号最大的、按序到达的帧。
• 发送窗口最大为2^n-1，接收窗口为1.

选择重传协议（SR）

GBN的缺点：累计确认->批量重传。解决办法：设置单个确认，加大接受窗口，设置接收缓存，缓存乱序到达的帧。

滑动窗口

GBN发送方必须响应三件事

• 上层的调用
  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发送方将那个被确认的帧标记为已接收。如果该帧序号是窗口的下界，则窗口向前移动到未确认帧处。如果窗口移动了，并且有未发送的帧，则发送这些帧。
• 超时事件
  每个帧都有自己的定时器，一个超时事件发生后只重传一个帧。

接收方做的事

• SR接收方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，直到所有帧全部接收，这时才可以按序交付给上层，然后向前移动。
• 如果收到窗口序号外的帧（小于窗口下界），就返回一个ACK。其他情况，就忽略该帧。

运行中SR

窗口长度：W=2^(n-1)

小结

• 对数据帧逐一确认，收一个确认一个
• 只重传出错帧
• 接收方也有缓存

信道划分介质访问控制

传输数据使用的两种链路：

• 点对点链路：打电话一样，没有第三者听到。
  应用：PPP协议
• 广播式链路：所有主机共享通信介质。
  应用：总线以太网、无线局域网
  拓扑结构：总线型、星型

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不想干扰的情况。

静态划分信道

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。

频分多路复用FDM

时分多路复用TDM

改进->统计时分复用STDM：

波分多路复用WDM

码分多路复用CDM

动态分配-随机访问介质访问控制

ALOHA协议

改进->时隙ALOHA协议

• 纯ALOHA比时隙ALOHA吞吐量更低，效率更低。
• 纯ALOHA想发就发，时隙ALOHA只有在时间片段开始时才能发。

CSMA协议

	1-坚持CSMA	非坚持CSMA	p-坚持CSMA
信道空闲	马上发	马上发	p概率马上发，1-p概率等下一个时隙发
信道忙	继续坚持监听	放弃监听，等下一个随机事件再监听	放弃监听，等一个随机时间再监听

CSMA/CD协议

传播时延对载波监听会造成影响

通过截断二进制指数规避算法确定碰撞后重传时机

CSMA/CA协议

工作原理

CSMA/CD和CSMA/CA比较

动态分配-轮询访问介质访问控制

轮询协议

令牌传递协议

小结

局域网基本概念与体系结构

局域网

局域网拓扑结构

局域网传输介质：

• 有线局域网：双绞线、同轴电缆、光纤
• 无线局域网：电磁波

局域网介质访问控制方法：

• CSMA/CD：常用于总线型局域网，也用于树型网络
• 令牌总线：常用于总线型局域网，也用于树型网路
• 令牌环：用于环形局域网，如令牌环网

局域网分类：

IEEE 802现有标准

• IEEE 802.3：以太网介质访问控制协议以及物理层技术规范
• IEEE 802.5：令牌环网的介质访问控制协议以及物理层技术规范
• IEEE 802.8：光纤技术咨询组，提供光纤联网的技术咨询
• IEEE 802.11：无线局域网的介质访问控制协议以及物理层技术规范

MAC子层和LLC子层

小结

以太网

以太网实现无连接、不可靠服务

以太网拓扑结构和传输介质发展

10BASE-T以太网

适配器和MAC地址

以太网MAC帧

高速以太网

生成树协议STP

小结

无线局域网 IEEE 802.11

802.11的MAC帧头格式

无线局域网分类

• 有固定基础设施无线局域网
  

• 无固定基础设无线局域网的自组织网络

PPP协议和HDLC协议

局域网只涵盖物理层、数据链路层。广域网涵盖了物理层到网络层。

PPP协议

点对点PPP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一般使用PPP协议。只支持全双工链路。

该协议应满足的要求：

该协议无需满足的要求：

三个组成部分（功能）:

PPP状态图：

帧格式

HDLC协议

HDLC的站：

帧格式

两者对比&&小结

链路层设备

物理层扩展以太网

链路层扩展以太网

主要通过网桥和交换机

网桥

透明网桥:

源路由网桥：

多接口网桥–以太网交换机

两种交换方式：

广播域和冲突域

小结

总结

参考文献：王道-《计算机网络》、计算机网络微课堂