计算机网络之第三章：数据链路层（笔记）

数据链路层功能概述

数据链路层负责通过一条链路从一个结点向另一个物理链路直接相连的相邻结点传送数据报。

• 节点：主机、路由器

• 链路：网络中两个结点之间的物理通道，链路的传输介质主要有双绞线、光纤和微波。分为有线链路、无线链路。

• 数据链路：网络中两个结点之间的逻辑通道，把实现控制数据传输协议的硬件和软件加到链路上就构成数据链路。

• 帧：链路层的协议数据单元，封装网络层数据报。
  
  功能

• 为网络层提供服务。无确认无连接服务，有确认无连接服务，有确认面向连接服务。（有连接一定有确认）

• 链路管理。即连接的建立、维持、释放（用于面向连接的服务）。

• 组帧。

• 流量控制。（限制发送方）

• 差错控制（帧错/位错）。

封装成帧＆透明传输

封装成帧

透明传输

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。

差错控制（检错编码）

差错控制（纠错编码）

流量控制与可靠传输机制

数据链路层的流量控制

较高的发送速度和较低的接收能力的不匹配，会造成传输出错，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

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”就是每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下一个分组。

停等协议有几种应用情况？

• 无差错情况
• 有差错情况

无差错情况

有差错情况

后退N帧协议（GBN）

滑动窗口长度

若采用n个比特对帧编号，那么发送窗口的尺寸WT 应满足：1≤ W_T≤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

1. 累计确认（偶尔捎带确认）
2. 接收方只按顺序接收帧，不按顺序无情丢弃
3. 确认序列号最大的、按序到达的的帧
4. 发送窗口最大为2ⁿ-1，接收窗口大小为1

例题

1、数据链路层采用了后退N帧（GBN）协议，发送方已经发送了编号为0～7的帧。当计时器超时时，若发送方只收到0、2、3号帧的确认，则发送方需要重发的帧数是（）

A．2 B．3 C．4 D．5

2、主机甲与主机乙之间使用后退N帧协议（GBN）传输数据，甲的发送窗口尺寸为1000，数据帧长为1000字节，信道带宽为100Mb/s，乙每收到一个数据帧立即利用一个短帧（忽略其传输延迟）进行确认，若甲、乙之间的单向传播时延是50ms，则甲可以达到的最大平均数据传输率约为（）

A．10Mb/s B．20Mb/s C．80Mb/s D．100Mb/s

答案：

1、C （分析：发送方收到3号帧确认，则表示3号帧已被接收，则其他未知，故需要重发4，5，6，7号帧）

2、C （分析：假设发送达到理想状态）

GBN协议性能分析

• 因连续发送数据帧而提高了信道利用率
• 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。

选择重传协议（Selective Repeat）

例题： 数据链路层采用了选择重传（SR）协议，发送方已经发送了编号为0～3的帧。现已收到1号帧的确认，而0、2号帧依次超时，则发送方需要重传的帧数是（）

A．2 B．3 C．4 D．5

答案： A，收到1号确认帧，和0、2号帧依次超时，3号帧未知，故此需要重发0，2号帧

ALOHA协议

ALOHA协议

• 纯ALOHA协议
• 时隙ALOHA协议

纯ALOHA协议

时隙ALOHA协议

关于ALOHA要知道的事

• 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

CSMA/CD协议

先听后发为什么还会冲突？

因为电磁波在总线上总是以有限的速率传播的。

CSMA/CA协议

CSMA/CA协议工作原理

轮询访问介质访问控制

局域网基本概念和体系结构

局域网（LAN）

局域网（Local Area Network）：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。

局域网特点

1. 覆盖的地理范围较小，只在一个相对独立的局部范围内联，如一座或集中的建筑群内。
2. 使用专门铺设的传输介质（双绞线、同轴电缆）进行联网，数据传输速率高（10Mb/s～10Gb/s）。
3. 通信延迟时间短，误码率低，可靠性较高。
4. 各站为平等关系，共享传输信道。
5. 多采用分布式控制和广播式通信，能进行广播和组播。

决定局域网的主要要素为：网络拓扑，传输介质与介质访问控制方法。

局域网传输介质

• 有线局域网
  • 常用介质：双绞线、同轴电缆、光纤
• 无线局域网
  • 常用介质：电磁波

局域网的分类

• 以太网：以太网是应用最为广泛的局域网，包括标准以太网（10Mbps）、快速以太网（100Mbps）、千兆以太网（1000 Mbps）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展星型。使用CSMA/CD.
• 令牌环网：物理上采用了星形拓扑结构，逻辑上是环形拓扑结构。（已是“明日黄花”）
• FDDI网：物理上采用了双环拓扑结构，逻辑上是环形拓扑结构。
• ATM网：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：采用IEEE 802.11标准。

IEEE 802标准

IEEE 802系列标准是IEEE 802 LAN/MAN 标准委员会制定的局域网、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。（IEEE 802委员会）

以太网

以太网概述： 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。以太网络使用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：

1. 造价低廉（以太网网卡不到100块）
2. 是应用最广泛的局域网技术
3. 比令牌环网、ATM网便宜，简单
4. 满足网络速率要求：10Mb/s~10Gb/s

以太网两个标准（满足任意一个即是）

• DIX Ethernet 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。

• 无连接：发送方和接收方之间无“握手过程”。
• 不可靠：不对发送方的数据帧编号，接收方不向发送方进行确认，差错帧直接丢弃，差错纠正由高层负责。

高速以太网： 速率≥100Mb/s的以太网称为高速以太网。

IEEE 802.11无线局域网

IEEE 802.11是无线局域网通用的标准，它是由IEEE所定义的无线网络通信的标准。

无线局域网的分类

• 有固定基础设施无线局域网
• 无固定基础设施无线局域网的自组织网络

PPP协议＆HDLC协议

PPP协议的特点

点对点协议PPP（Point-to-Point Protocol）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都使用PPP协议。只支持全双工链路。

PPP协议应满足的要求

• 简单：对于链路层的帧，无需纠错，无需序号，无需流量控制。
• 封装成帧：帧定界符
• 透明传输：与帧定界符一样比特组合的数据应该如何处理：异步线路用字节填充，同步线路用比特填充。
• 多种网络层协议：封装的IP数据报可以采用多种协议。
• 多种类型链路：串行/并行，同步/异步，电/光
• 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：数据部分最大长度MTU。
• 网络层地址协商：知道通信双方的网络层地址。
• 数据压缩协商

PPP协议无需满足的要求

• 纠错
• 流量控制
• 流量控制
• 不支持多点线路

PPP协议的三个组成部分

1. 一个将IP数据报封装到串行链路（同步串行/异步串行）的方法。
2. 链路控制协议LCP：建立并维护数据链路连接。 （身份验证）
3. 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相应的NCP来配置，为网络层协议建立和配置逻辑连接。

PPP协议的帧格式

HDLC协议

高级数据链路控制（High-Level Data Link Control或简称HDLC），是一个在同步网上传输数据、面向比特的数据链路层协议，它是由国际标准化组织(ISO)根据IBM公司的SDLC(SynchronousData Link Control)协议扩展开发而成的。

数据报文可透明传输，用于实现透明传输的“0比特插入法”易于硬件实现。

采用全双工通信。

所有帧采用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

• 主站的主要功能是发送命令（包括数据信息）帧、接收响应帧，并负责对整个链路的控制系统的初启、流程的控制、差错检测或恢复等。
• 从站的主要功能是接收由主站发来的命令帧，向主站发送响应帧，并且配合主站参与差错恢复等链路控制。
• 复合站的主要功能是既能发送，又能接收命令帧和响应帧，并且负责整个链路的控制。

三种数据操作方式

• 正常响应方式
• 异步平衡方式
• 异步响应方式

HDLC的帧格式

• 信息帧（I）第1位为0，⽤来传输数据信息，或使⽤捎带技术对数据进⾏确认。
• 监督帧（S）10，⽤于流量控制和差错控制，执⾏对信息帧的确认、请求重发和请求暂停发送等功能
• ⽆编号帧（U）11，⽤于提供对链路的建⽴、拆除等多种控制功能。

链路层设备

以太网交换机的两种交换方式

• 直通式交换机：查完目的地址（6B）就立刻转发

  • 延迟小，可靠性低，无法支持具有不同速率的端口的交换

• 存储转发式交换机：将帧放入高速缓存，并检查否正确，正确则转发，错误则丢弃

  • 延迟大，可靠性高，可以支持具有不同速率的端口的交换