计算机网络之数据链路层

[复习提示]

王道：本章是历年考试中考查的重点。要求在了解数据链路层基本概念和功能的基础上，重点掌握滑动窗口机制、三种可靠传输协议、各种MAC协议、HDLC协议和PPP协议，特别是CSMA/CD协议和以太网帧格式，以及局域网的争用期和最小帧长的概念、二进制指数退避算法。此外，中继器、网卡、集线器、网桥和局域网交换机的原理及区别也要重点掌握。

一、数据链路层的功能

• 为网络层提供服务
• 链路管理
• 帧定界、帧同步与透明传输
• 流量控制（对发送方控制）
• 差错控制

注：

• 为终端结点隐蔽物理传输的细节是物理层的功能，数据链路层不必考虑如何实现无差别的比特传输；

为网络层提供服务

1. 无确认的无连接服务。
2. 有确认的无连接服务。
3. 有确认的面向连接服务。 

无确认的无连接服务是指源机器向目标机器发送独立的帧，目标机器并不对这些帧进行确认。 事先并不建立逻辑连接，事后也不用释放逻辑连接。当错误率很低时，这一类服务非常合适，这时恢复任务可以留给上面的各层来完成。这类服务对于实时通信也是非常合适的，因为实时通信中数据的迟到比数据损坏更不好。若由于线路上有噪声而造成某一帧丢失，则数据链路层并不会检测这样的丢帧现象，也不会回复。

• 为防止在传输过程中帧丢失，在可靠的数据链路层协议中，发送方对发送的每个数据帧设计一个定时器，当计时器到期而该帧的确认帧仍未到达时，发送方将重发该帧。
• 为保证接收方不会接收到重复帧，需要对每个发送的帧进行编号；海明码和循环冗余校验码都用于差错控制。

二、组帧

组帧的目的：是为了在出错时只重发出错的帧，而不必重发全部数据，从而提高效率。

• 字符计数法（如：第一个帧：51239，第二个帧：7123456。。。）
• 字符填充的首尾定界符法
• 零比特填充的首尾标志法（遇到5个“1”后，就插入一个“0”）
• 违规编码法

 字符计数法

违规编码法： 在物理层进行比特编码时，通常采用违规编码法。例如，曼彻斯特编码方法将数据比特“1”编码成“高一低”电平对，将数据比特“0”编码成“低一高”电平对，而“高一高”电平对和“低一低”电平对在数据比特中是违规的（即没有采用）。

三、差错控制

实际通信链路都不是理想的，比特在传输过程中可能会产生差错，1可能会变成0，0也可能会变成1，这就是比特差错。比特差错是传输差错中的一种，本节仅讨论比特差错。

检错编码 

• 奇偶校验码（附加一个校验元后，数量为奇数个或偶数个）
• 循环冗余码（CRC）

CRC

计算实际发送的数据：

1）为原始数据M0加0（加r位）;

2）加0后的原始数据模2除以G(x)位串；

3）用结果的余数替代1）中加的0; 

校验是否出错：

1）用收到的二进制序列模2除以G(x)位串；

2）余数为0则没有出错；

正向例题：设G(x)=1101（即r=3)，待传送数据M=101001（即m=6)

101001000 

发送出的数据为： 101001001,共有m+r位。

反向例题：在数据传输过程中，若接收方收到的二进制比特序列为10110011010，接收双方采用的生成多项式为G(x)=x^4+x^3+1,则该二进制比特序列在传输中是否出错？如果未出现差错，那么发送数据的比特序列和CRC检验码的比特序列分别是什么？

 G(x)=1*x^4+1*x^3+0*x^2+0*x^1+1*x^0

纠错编码 

•  海明码

效信息的位数：n，

校验位的位数：k，

n+k≤2^k-1（若要检测两位错，则需再增加1位校验位，即k+1位）

海明距离：两个合法编码（码字）的对应比特取值不同的比特数称为这两个码字的码距 （如001和000的码距是1）

检测D位错，需要码距D+1

纠错D位，需要码距2D+1

一般来说，数据的传输差错是由噪声引起的。通信信道的噪声可以分为两类:热噪声和冲击噪声。热噪声一般是信道固有的，引起的差错是随机差错，可以通过提高信噪比来降低它对数据传的影响。冲击噪声一般是由外界电磁干扰引起的，引起的差错是突发差错，它是引起传输差错的主要原因，无法通过提高信噪比来避免。

四、流量控制与可靠传输机制

• 停止-等待流量控制
• 滑动窗口流量控制
• 可靠传输机制 

停止-等待流量控制：发送方每发送一帧，都要等待接收方的应答信号，之后才能发送下一帧；

在连续ARQ协议中，发送窗口的大小≤窗口总数-1。

 

滑动窗口流量控制：

• 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。
• 接收窗口的大小为1时，可保证帧的有序接收。
• 发送窗口+接收窗口≤帧序号

可靠传输机制 ：

• 确认
• 重传

信道最大利用率例题：一个信道的数据传输速率为4kb/ s ，单向传播时延为30ms，如果使停止﹣等待协议的信道最大利用率达到80%，那么要求的数据帧长度至少为（)。
(L/C) / (L/C+ 2R)= L/(L+ 2RC)= L/(L + 2x30msx4kb/s)= 80%，得出L = 960bit。

GBD

• GBN一般采用累积确认，如果收到了对5号帧的确认意味着接收方已收到1~5号帧，因此发送方仅需要重传后面的帧
• 在后退N帧的协议中，序列号个数不小于MAX_ SEQ+ 1,题中发送窗口的大小是32,那么序列号个数至少33个
• 后退N帧的ARQ协议中，发送窗口WT≤(2^n)-1。

SR

• 在选择重传协议中，若采用n比特对帧进行编号，为避免接收端向前移动窗口后，新的窗口
  与旧的窗口产生重叠，接收窗口的最大尺寸应该不超过序号范围的一半，即WR≤2^(n-1)
• [2011统考真题]数据链路层采用选择重传协议(SR)传输数据，发送方已发送0~3号数据帧，现已收到1号帧的确认，而0、2号帧依次超时，则此时需要重传的帧数是(2)。重传0和

五、介质访问控制 

采用一定的措施，使得两对节点之间的通信不会互相干扰。

信道划分介质访问控制 （静态分配信道）

• 频分多路复用/ FDM（类似并行）
• 时分多路复用/ TDM（类似并发）
• 波分多路复用/ WDM（光的频分多路复用）
• 码分多路复用/ CDM（主要用于无线通信系统，特别是移动通信系统。)

没有码分多路复用

 TDM与FDM相比，抗干扰能力强，可以逐级再生整形，避免干扰的积累，而且数字信号比较容易实现自动转换，所以根据FDM和TDM的工作原理，FDM适合于传输模拟信号，TDM适合于传输数字信号。

 随机访问介质访问控制（动态分配信道）

所有用户可随机发送信息。发送信息时占全部带宽。

• ALOHA协议
• CSMA协议
• CSMA/CD协议
• CSMA/CA协议 
• 轮询访问：令牌传递协议（谁有令牌谁老大）

ALOHA协议

• 纯 ALOHA协议
• 时隙ALOHA协议。

CSMA协议

• 1-坚持CSMA(监听到信道忙后，继续坚持监听信道；监听到信道空闲后，发送帧的概率为1，即立刻发送数据。)
• 非坚持CSMA(一个结点要发送数据时，首先监听信道；如果信道空闲，那么立即发送数据；如果信道忙，那么放弃监听，等待一个随机的时间后再重复上述过程。)
• p-坚持CSMA( p,1-p,p,1-p )

CSMA/CD协议

• 适用于总线型网络和半双工网络
• “先听后发，边听边发，冲突停发，随机重发”。
• 碰撞检测（Collision Detection)就是边发送边监听，如果监听到了碰撞，则立即停止数据发送，等待一段随机时间后，重新开始尝试发送数据。
• CSMA/CD协议中定义的冲突检测时间(即争议期)是指，信号在最远两个端点之间往返传输的时间。
• 最短帧长等于争用期时间内发出的比特数。因此当传输速率提高时，可减少电缆介质的长度(使争用期时间减少，即以太网端到端的时延减小)，或增加最短帧长。
• 最小帧长=总线传播时延x数据传输速率x2
• CSMA/CD协议已成功应用于使用有线连接的局域网

 CSMA/CD协议

• 广泛应用于无线局域网

CSMA/CD与CSMA/CA主要区别：

• CSMA/CD可以检测冲突，但无法避免；CSMA/CA发送数据的同时不能检测信道上有无冲突，本结点处没有冲突并不意味着在接收结点处就没有冲突，只能尽量避免。
• 传输介质不同。CSMA/CD用于总线形以太网，CSMA/CA用于无线局域网802.11a/b/g/n等。
• 检测方式不同。CSMA/CD通过电缆中的电压变化来检测；而CSMA/CA采用能量检测、载波检测和能量载波混合检测三种检测信道空闲的方式。
• 总结：CSMA/CA协议的基本思想是在发送数据时先广播告知其他结点，让其他结点在某段时间内不要发送数据，以免出现碰撞。CSMA/CD协议的基本思想是发送前监听，边发送边监听，一旦出现碰撞马上停止发送。