计算机网络（三）——数据链路层（待完善）

核心考点：

１．流量控制与可靠传输机制、CSMA/CD原理，特别是争用期和截断二进制指数退避算法
２．网桥的概念和基本原理
３．组帧机制和差错控制机制，特别是循环冗余码和海明码
４．以太网的MAC帧格式

一、数据链路层的功能

数据链路层在物理层所提供的服务的基础上向网络层提供服务，即将原始的、有差错的物理线路该进程逻辑上无差错的数据链路，从而向网络层提供高质量的服务。
　　一般包括３种服务：无确认的无连接服务，有确认的无连接服务，有确认的有连接服务。
　　主要功能如下：
　　１）链路管理：负责数据链路的建立、维持和释放，主要用于面向连接的服务。
　　２）帧同步：接收方确定收到的比特流中一帧的起止。
　　３）差错控制：用于接收方确定接收到的数据就是由发送方发送的数据。
　　４）透明传输

二、组帧

网络中是以帧为最小单位进行传输。分组（IP数据报）仅为包含在帧的数据部分。
组帧共有一下4种方法。
１．字符计数法
　　用一个特殊的字符来表示一帧的开始，然后用一个计数字段来表明该帧包含的字节数。
　　缺点：一旦计数字段出现传输差错就无法实现帧同步。
２．字节填充的首位界符法
　　在控制字符中选择２个字符作为起止标志：SOH和EOT。同时设法将数据中出现的这两个字符转换为其他字符。
　　MAC帧不需要帧结束符。
3.比特填充的首尾标志法
　　使用01111110作为帧的开始和结束标志。
　　数据中若连续出现５个“１”则自动插入“０”，接收方作逆操作。
４．物理编码违例法
　　用物理介质上编码的违法标志来区分帧的开始与结束。

三、差错控制

１．检错编码
　　通过一定的编码和解码，能够在接收端解码时检查出传输的错误但不能纠正错误。常见的检错编码有奇偶校验码和循环冗余码（CRC）。
　　１）奇偶校验码
　　　　在信息码后面添加一位校验码，分为奇校验和偶校验。
　　　　奇校验：添加一位校验码后使整个码字里面１的个数是奇数。
　　　　偶校验：添加一位校验码后使整个码字里面１的个数是偶数。
　　２）循环冗余码
　　　　具有r检测位的多项式能够检测出所有小于或等于r的突发错误。
　　　　长度大于r+1的错误脱逃的概率是1/2^r。
２．纠错编码（待补充）
　　在接收端不但能检查错误，而且能纠正检查出来的错误。常见的纠错编码为海明码。
　　海明码：又称汉明码，在信息字段中插入若干位数据，具有以为纠错能力。假设信息有ｋ位，则整个码字有ｋ＋ｒ位。
　　编写步骤：１）确定校验码位数ｒ。2^r>=k+r+1
　　　　　　　２）确定校验码位置。校验码P_i在编码中的位置为2^i-1
　　　　　　　３）确定数据的位置。除校验码外就是数据的位置
　　　　　　　４）求出校验位的值。
　　校验步骤：１）直接写出出错位的对应关系并计算。
　　　　　　　２）求出二进制序列对应十进制的值，即出错的位数。
　　海明码如果要检测出d位错误，需要一个海明距为d+1的编码方案；如果要纠正d位错误需要一个海明距为2d+1的编码方案。

四、流量控制与可靠传输机制

１．流量控制
　　流量控制就是要控制发送方发送数据的速率，使接收方来得及接受。常见的方式有两种。
　　１）停止－等待流量控制
　　　　发送方发出一帧，然后等待应答信号到达再发出下一帧；接收方每收到一帧，返回一个应答信号表示可以接收下一帧，若接收方不返回应答则发送发必须一直等待。
　　２）滑动窗口流量控制
　　　　在任意时刻，发送方维持了一组连续的允许发送的帧的序号，称为发送窗口。接收方同理，称为接收窗口。二者上下界不一定一样，大小也可不同。发送窗口内的序号代表已经被发送但还没有确认的帧或可被发送的帧。发送端每收到一个帧的确认就向前滑动一帧的位置。接收端只有当接收到的数据帧的发送序号落入接收窗口内才允许接受并滑动一帧位置。接受窗口大小与发送窗口大小无关
２．可靠传输机制
　　传输差错分为两大类：一类是比特差错，可以通过ＣＲＣ来检测；一类是帧丢失、帧重复、帧失序。数据链路层使用CRC并不能做到无传输差错，只能做到无比特差错的传输。
３．滑动窗口机制
　　只有在接收窗口向前滑动时，发送窗口才有可能向前滑动。
　　可靠传输机制包括三种协议，从滑动窗口的层次上来看三者只是在两种窗口大小上有区别。
　　停止－等待协议：发从窗口＝１，接收窗口＝１
　　后退Ｎ帧协议：发送窗口＞１，接收窗口＝１
　　选择重传协议：发送窗口＞１，接收窗口＞１
　　接收窗口＝１时可保证帧按序接受。
４．停止－等待协议
　　实现可靠传输一般需要确认（发送确认帧）和超时重传两种机制共同完成，称为自动请求重发（ARQ）。
　　确认帧是一个没有数据部分的控制帧，用来告诉发送方发的某帧已经收到。捎带确认是发送数据时同时发送确认；累计确认是对超时的单独发ACK。
　　超时重传指发送方在发送一个数据帧时设置一个超时计时器，若在规定时间内没有收到确认则重传。
　　停止－等待协议的基本思想：发送方传输一个帧后，必须等待对方的确认才能发送下一帧。若在规定时间内没有收到确认则发送方超时，并重传原始帧。
５．后退Ｎ帧协议（GBN）
　　基于滑动窗口流量控制技术。若采用ｎ个比特对帧进行编号，其发送窗口尺寸W_T必须满足1T<=2ⁿ-1，接收窗口尺寸为１。
　　基本原理：发送方发送完一个数据帧后，不是停下来等待确认帧而是可以连续再发送若干个数据帧。若接收到接收方的确认帧则可以继续发送；若某个帧出错，则只能简单丢弃该帧及其所有的后续帧。只要接受到ACKn就可认为前面n-1帧全部接收到。
６．选择重传协议(SR)
　　基于窗口流量控制技术。接受窗口尺寸和发送窗口尺寸大于１，以便能一次性接受多个帧。发送窗口的最大尺寸应该不超过序列号范围的一半：W_T<=2^n-1，当发送窗口取最大值时发送窗口等于接收窗口。
　　基本思想：若一帧出错，则其后续帧先存入接收方的缓冲区中，同时要求发送方重传出错帧，一旦收到重传帧后就和原先存在缓冲区的其余帧一起按正确的顺序送至主机。
７．发送缓存和接受缓存
　　按序到达且没有被交付给主机的帧被放在接受缓存。
　　不是按序到达的数据且没有错误的帧放在接收窗口里，等缺少的帧收到后再一起放到接受缓存。

五、介质访问控制

１．介质访问控制分类
　　１）信道划分介质访问控制
　　２）随机访问介质访问控制
　　３）轮训访问介质访问控制
　　其中，１）是静态分配信道的方法；２）３）是动态分配信道的方法。
２．信道划分介质访问控制
　　多路复用即通过在一条介质上同时携带多个传输信号的方法来提高传输系统的利用率。
　　１）频分多路复用
　　　　将一条信道分割成多条不同频率的信道。每个子信道分配的带宽可以不相同，但总和不能超过总带宽，相邻频道之间要加入“保护频带”。
　　２）时分多路复用
　　　　统计时分复用，某信道空闲时立即跳过，动态时间分配，每个信道不在固定时间内占有介质，又称为异步时分复用。
　　　　同步时分复用即在固定周期内占有信道，空闲时不会跳过。
　　３）波分多路复用
　　　　即光的频分多路复用。光信号频率（波长）不同，各信号互不干扰。
　　４）码分多路复用（动态复用）
　　　　又称码分多址（CDMA），既共享信道频率又共享时间。
　　　　任意两个不同站的码片向量正交。
　　　　任意站点的码片向量与自身内积为1；任何站点码片向量与自身反码向量内积为1。
3.随机访问介质访问控制
　　动态划分信道分为随机接入和受控接入。
　　随机接入指所有用户都可以根据自己的意愿随机发送信息，但会产生冲突。需掌握以下四种协议
　　１）ALOHA协议
　　　　纯ALOHA：任何一个结点可以不进行任何检测就发送数据。如果在一段时间内没有收到确认就认为传输过程中发生了冲突。发生冲突的结点需要等待一段随机时间后再发送数据直至成功。
　　　　时分ALOHA：所有节点的时间被划分为时间间隔相同的间隙，并规定每个结点只有等到下一个时隙到来时才可发送数据。
　　２）CSMA协议
　　　　载波侦听多路访问（CSMA）是在ALOHA协议的基础上改进而来的一种多路访问控制协议。每个结点发送数据前使用载波侦听技术来判定通信信道是否空闲。
　　　　１－坚持CSMA：当监听到信道空闲时立即发送数据，否则继续监听。
　　　　ｐ－坚持CSMA：当监听到信道空闲时以概率ｐ发送数据，以概率（１－ｐ）延迟一段时间并重新监听。
　　　　非坚持CSMA：当监听到信道空闲时立即发送数据，否则延迟一段随机时间再重新监听。
　　３）CSMA/CD协议
　　　　全称带冲突检测的载波侦听多路访问协议。
　　　　计算机在发送数据的同时检测信道上是否有冲突发生。若有，则采用截断二进制指数类型退避算法来等待一段随机时间后再次重发。概括为“先听后发，边听边发，冲突停发，随即重发”。
　　　　争用期：以太网端到端的往返时延，又称冲突窗口或碰撞窗口。只有经过争用期还没有检测到冲突才能肯定这次发送不会发生冲突。
　　　　以太网规定最短帧长64B，小于此长度均是无效帧。最短有效帧长＝争用期＊传输速度。
　　　　截断二进制指数类型退避算法：发生碰撞的站在停止发送数据后要推迟一个随机时间才能再发送数据。退避时间按照以下算法计算：
　　　　①确定基本退避时间，一般为争用期２τ
　　　　②定义重传参数k,k=Min[重传次数，10]
　　　　③从整数集合{0,1，…，2^k-1}中随机选择一个数记为r，重传所需时延就是r倍的节本退避时间即2rτ
　　　　④当重传次数达到16次仍不能成功说明网络太拥挤，直接丢弃该帧并向高层报告。
　　４） CSMA/CA协议
　　　　主要用于无线局域网，由IEEE 802.11定义，在CSMA的基础上增加了冲突避免的功能。发送结点在发送完一个帧后，必须等待一段时间，检查接收方是否发回帧的确认。
　　
　　受控接入就是不能随机发送数据，必须得到某种东西才有权发送数据。
４．轮询访问介质访问控制
　　主要用在令牌环局域网中，发送数据需要拿到令牌，令牌在环形总线上依次传递所以不会发生冲突，即所谓的受控接入。

六、局域网

１．局域网的基本概念与体系结构
　　局域网(Local Area Network,LAN)指一个较小范围内多台计算机通过连接介质互联起来，以达到资源和信息共享的互联网络。
主要特点：１）局域网为一个单位所拥有
　　　　　２）地理范围和站点数目有限
　　　　　３）与非光纤广域网相比，局域网具有较高的数据率、较低的时延和较小的误码率
优点：１）具有广播功能，从一个站点可方便访问全网
　　　２）便于系统的扩展和演变
　　　３）提高了系统的可靠性、可用性
　　　４）各站为平等关系而不是主从关系
　　主要技术因素包括网络拓补结构、传输介质和介质访问控制方法。
　　主要介质访问控制方法包括CSMA/CD、令牌总线和令牌环。
２．以太网的工作原理
　　以太网最初规约为DIX Ethernet V2标准。在不太严格区分的时候，IEEE 802.3标准可以等同于以太网标准。
　　以太网采用总线拓扑结构，所有计算机都共享一条总线，信息以广播方式发送。
　　以太网采用CSMA/CD技术对总线进行控制访问。
　　采用无连接的工作方式；不对发送的数据帧编号也不要求对发送方发送确认。因此以太网提供的服务是不可靠服务，差错的纠正由传输层的TCP完成。
３．以太网的MAC帧
　　局域网中的每台计算机都有一个唯一的号码，称为MAC地址或物理地址、硬件地址。
　　MAC帧的格式有两种：IEEE 802.3和DIX Ethernet V2 标准，主要考察后者。
　　MAC帧组成部分详细分析如下：
　　1）前导码：8B，使接收端与发送端时钟同步。分为前同步码（7B）和帧开始定界符（1B）。
　　2）目的地址、源地址：均使用6B的MAC地址。IEEE 802.3规定源地址字段前8位的最后一位恒为“0”。目的地址前8位最后1位为“0”时，表示要发送给某一工作站即单站地址；部分为“1”时表示发送给一组工作站即组播地址；全为“1”是发送给所有工作站即广播地址。
　　所以源地址为单站地址，目的地址可为三者任意其一。
　　3）类型：2B，指出数据应交给哪个协议实体来处理。
　　4）数据：46~1500B。MAC首尾长度18B，最短有效长度64B，所以数据最小46B。
　　5）填充：0~46B。若数据长度小于46B则需要填充是帧长不小于64B。
　　6）校验码（FCS）：4B，采用循环冗余码，不仅校验数据部分还要校验地址和类型字段，但不校验前导码。
　　802.3帧格式与DIX不同之处：
　　1）帧起始标志：与802.4、802.5兼容。
　　2）长度与：替代了DIX帧中的类型域，指出数据与长度。
４．以太网的传输介质
　　传统以太网有４种介质：粗缆、细缆、双绞线和光纤。
５．高速以太网
　　数据传输率达到或超过100Mbit/s的以太网。
　　1）100Base-T 以太网
　　在双绞线上传送100Mbit/s基带信号的星型拓扑结构以太网，使用CSMA/CD协议。又称快速以太网。
　　全双工方式下无需使用CSMA/CD协议，半双工方式下需要使用协议。
　　保持最短帧长不变，但将一个网段的最大电缆长度减小到100m，帧间时间间隔从原来的的9.6ms改为现在的0.96ms。
　　2）吉比特以太网
　　又称千兆以太网。
　　允许在1Gbits/s下全双工和半双工两种方式工作。在半双工方式下使用CSMA/CD协议，若要提高数据传输率，只有减小最大电缆长度或增大帧的最小长度。
　　3）10吉比特以太网
　　保留IEEE 802.3标准，只使用光纤作为介质，制工作在全双工方式下。
６．无线局域网
　　IEEE802.11是无线局域网的协议标准，包括IEEE 802.11a和IEEE 802.11b。
　　１）无线局域网的组成
　　　　分为两大类：有固定基础设施和无固定基础设施。
　　有固定基础设施：最小构件为基本服务集（BSS）。一个基本服务集包括一个基站和若干移动站。BSS内科直接通信，和BSS外的站通信必须经过激战。因此BSS中的基站又称接入点（AP）。一个基本服务及可以是孤立的，也可以通过接入点连接到一个主干分配系统（DS），构成一个扩展服务集（ESS）。
　　无固定基础设施：又称自主网络。由一些处于平等状态的移动站之间户县工薪组成的临时网络。这些移动站都具有路由器的功能。
　　２）IEEE 802.11标准中的物理层
　　　　有三种实现方法。
　　　　①跳频扩频（FHSS）②直接序列扩频（DSS）③红外线（IR）
　　３）IEEE 802.11标准中的MAC层
　　　　在物理层之上，包括两个子层，从下往上为：分布协调功能（DCF）子层和点协调功能（PCF）子层。使用的是带有碰撞避免功能的CSMA/CA协议，同时增加确认机制。
７．令牌环网的工作原理
　　令牌是一种特殊的MAC控制帧，帧中有一位标志令牌（忙/闲）。令牌总是沿着物理环单向逐站传送，传送顺序与节点在环中的排列顺序相同。

七、广域网

１．广域网的基本概念
　　覆盖范围很广的长距离网络，使用结点交换机连接各主机而不是用路由器。
　　通过交换机连接多个局域网组成更大的局域网即广域网。因特网是由大小局域网共同通过路由器相连。
２．ＰＰＰ
　　点对点协议。主要由以下三个部分组成。
　　１）一个将ＩＰ数据报封装到串行链路的方法。
　　２）一个链路控制协议（LCP）。用于建立、配置、释放数据链路连接。
　　３）一套网络控制协议（NCP）。用来建立和配置不同的网络层协议。
　　PPP的帧格式：
　　１）标志字段（F）：首部和尾部各占1个字节，规定为0x7E。只有MAC帧有帧间隙，无需添加尾部标志。PPP帧与HDLC都需添加尾部标志。连续传输两个帧时前一个帧的结束标志字段可以同时作为后一个帧的起始标志字段。
　　２）地址字段（A）：占1个字节，规定为0xFF。
　　３）控制字段（C）：占1个字节，规定为0x03。
　　４）协议字段：占2个字节。
　　５）信息部分：0~1500字节。PPP帧无最短长度。
　　６）帧检验序列（FCS）：占2个字节，即循环冗余码校验中的冗余码。
　　总结：１）PPP是一个面向字节的协议。
　　　　　２）PPP不需要的功能：纠错、流量控制（TCP负责）、序号（不可靠传输协议）、多点线路（PPP是点对点通信）、半双工或单工（PPP只支持全双工链路）。
３．HDLC协议
　高级数据链路控制（HDLC）协议，能实现可靠传输，面向比特。
　非平衡配置：由一个主站控制整个链路的工作。
　平衡配置：链路两端是两个复合站，每个站可以平等地发起数据传输而不需要得到对方允许。
　帧格式：1）标志字段：8位，首尾各有一个“0”作为帧的边界。当一串未加控制信息的比特流出现5个连续的“1”就立即填入“0”。
　　　　　２）地址字段（A）：8位，非平衡配置为次站地址，平衡方式为确认站地址；全“1”为广播方式，全“0”为无效地址。
　　　　　３）控制字段（C）：8位，根据前两位的值将HDLC帧划分为3类：信息帧（I帧）、监督帧（S帧）、无编号帧（U帧）。
　　　　　４）信息字段：长度任意，存放来自网络层的协议数据单元。
　　　　　５）帧检验序列（FCS）：16位，即循环冗余码检验中的冗余码。检验区间包括地址字段、控制字段和信息字段。

八、数据链路层设备

１．网桥的概念和基本原理
　　在物理层扩展局域网使用的是中继器和集线器。在数据链路层扩展局域网使用的是网桥。
　　特点：具有过滤帧的功能。每从一个端口接收到一个帧，就先暂存缓存中。若该帧未出现差错，且欲发往的目的站MAC地址属于另一个网段，则通过查找转发表，将该帧从对应的端口发出。
　　优点：１）过滤通信量
　　　　　２）扩大物理范围
　　　　　３）提高了可靠性
　　　　　４）可互联不同物理层、不同MAC子层和不同速率的以太网
　　缺点：１）存储转发增加了时延
　　　　　２）在MAC子层没有流量控制功能
　　　　　３）具有不同MAC子层的网段桥接在一起时时延更大
　　　　　４）网桥只适用于用户数不太多和通信量不太大的局域网，否则会因传播过多广播信息而产生的网络堵塞
２．网桥的分类
　　１）透明网桥（选择的不是最佳路由）
　　　　“透明”指局域网上的站点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥。透明网桥不用人工配置转发表。自学习过程如下：
　　　　①收到一帧后先进行自学习。查找转发表中与收到帧的源地址有无相匹配的项目。若没有则增加，若有则更新。
　　　　②转发帧。查找转发表中与帧的目的地址有无匹配，若没有则通过所有接口进行转发，否则按指定接口转发。
　　２）源选径网桥（选择最佳路由）
　　　　路由选择由发送数据帧的源站负责，网桥只根据数据帧中的路由信息对帧进行接收和转发。
３．局域网交换机及其工作原理
　　局域网交换机实质上是多端口网桥，它工作在数据链路层。一般采用全双工方式。
　　交换机总容量：端口数＊每个端口带宽（半双工）；端口数＊每个端口带宽＊２（全双工）。
　　交换机最大优点是不仅每个端口结点所占用的带宽不会因为端口节点数量的增加而减少，而且整个交换机的总带宽会随着端口结点的增加而增加。
　　交换模式：直通式交换。只检查帧的目的地址，接收后能马上被转发出去。
　　　　　　　存储转发式交换。先将接收到的帧存储在高速缓存中，并检查无误后，查找转发表将其转发。
　　交换原理：检测从某端口进入交换机的帧的源MAC地址和目的MAC地址，然后与系统内部的动态查找表进行比较，若数据报的MAC地址不在查找表中，则将该地址加入查找表并将数据包发送给相应的目的端口。
4.各层设备广播域、冲突域及总结

设备名称	隔离冲突域	隔离广播域
集线器	×	×
中继器	×	×
交换机	√	×
网桥	√	×
路由器	√	√

参考文献：天勤and王道