计算机网络学习笔记——第三章 数据链路层(下)

第三章 数据链路层(下)

一、信道划分介质访问控制

1、传输数据使用的两种链路

  • 点对点链路:两个相邻节点通过一个链路相连,没有第三者。应用:PPP协议,常用于广域网。
  • 广播式链路:所有主机共享通信介质。应用:早期的总线以太网、无线局域网,常用于局域网。典型拓扑结构:总线型、星型(逻辑总线型)

2、介质访问控制

介质访问控制的内容就是:采取一定的措施,使得两对节点之间的通信不会发生互相干扰的情况
计算机网络学习笔记——第三章 数据链路层(下)_第1张图片

3、信道划分介质访问控制

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,把时域和频域资源合理地分配给网络上的设备。
计算机网络学习笔记——第三章 数据链路层(下)_第2张图片

4、频分多路复用FDM

用户在分配到一定的频带后,在通信过程中自始至终都占用这个频带。频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽(频率带宽)资源。
优点:充分利用传输介质带宽,系统效率较高;由于技术比较成熟,实现也比较容易。
计算机网络学习笔记——第三章 数据链路层(下)_第3张图片

5、时分多路复用TDM

将时间划分为一段段等长的时分复用帧(TDM帧)。每个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙,所有用户轮流占用信道。
注:TDM帧是在物理层传送的比特流所划分的帧,标志一个周期。
计算机网络学习笔记——第三章 数据链路层(下)_第4张图片

6、统计时分复用STDM(改进的时分复用)

每一个STDM帧中的时隙数小于连接在集中器上的用户数。各用户有了数据就随时发往集中器的输入缓存,然后集中器按顺序依次扫描输入缓存,把缓存中的数据放入STDM帧中,一个STDM帧满了就发出。
STDM帧不是固定分配时隙,而是按需动态分配时隙。
计算机网络学习笔记——第三章 数据链路层(下)_第5张图片

7、波分多路复用WDM

波分多路复用就是光的频分多路复用,在一根光纤中传输多种不同波长(频率)的光信号,由于波长(频率)不同,所以各光路信号互不干扰,最后再用波长分解复用器将各路波长分解出来。
计算机网络学习笔记——第三章 数据链路层(下)_第6张图片

8、码分多路复用CDM

计算机网络学习笔记——第三章 数据链路层(下)_第7张图片

二、ALOHA协议

1、介质访问控制

计算机网络学习笔记——第三章 数据链路层(下)_第8张图片

2、纯ALOHA协议

纯ALOHA协议思想:不监听信道,不按时间槽发送,随机重发。想发就发
计算机网络学习笔记——第三章 数据链路层(下)_第9张图片

3、时隙ALOHA协议

时隙ALOHA协议的思想:把时间分成若干个相同的时间片,所有用户在时间片开始时刻同步接入网络信道,若发生冲突,则必须等到下一个时间片开始时刻再发送。控制想发就发的随意性
计算机网络学习笔记——第三章 数据链路层(下)_第10张图片
①纯ALOHA比时隙ALOHA吞吐量更低,效率更低。
②纯ALOHA想发就发,时隙ALOHA只有在时间片段开始时才能发。

三、CSMA协议

1、CSMA协议

  • 载波监听多路访问协议CSMA(carrier sense multiple access)
  • CS:载波侦听/监听,每一个站在发送数据之前要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据。
  • 当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定门限值时,就认为总线上至少有两个站同时在发送数据,表明产生了碰撞,即发生了冲突。
  • MA:多点接入,表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。当几个站同时在总线上发送数据时,总线上的信号电压摆动值将会增大(互相叠加)。
  • 协议思想:发送帧之前,监听信道。
    计算机网络学习笔记——第三章 数据链路层(下)_第11张图片

2、1-坚持CSMA

  • 坚持指的是对于监听信道忙之后的坚持。
  • 1-坚持CSMA思想:如果一个主机要发送消息,那么它先监听信道。空闲则直接传输,不必等待。忙则一直监听,直到空闲马上传输。如果有冲突(一段时间内未收到肯定回复),则等待一个随机长的时间再监听,重复上述过程。
  • 优点:只要媒体空闲,站点就马上发送,避免了媒体利用率的损失。
  • 缺点:假如有两个或两个以上的站点有数据要发送,冲突就不可避免。

3、非坚持CSMA

  • 非坚持指的是对于监听信道忙之后就不继续监听。
  • 非坚持CSMA思想:如果一个主机要发送消息,那么它先监听信道。空闲则直接传输,不必等待。忙则等待一个随机的时间之后再进行监听。
  • 优点:采用随机的重发延迟时间可以减少冲突发生的可能性。
  • 缺点:可能存在大家都在延迟等待过程中,使得媒体仍可能处于空闲状态,媒体使用率降低。

4、p-坚持CSMA

  • p-坚持指的是对于监听信道空闲的处理。
  • p-坚持CSMA思想:如果一个主机要发送消息,那么它先监听信道。空闲则以p概率直接传输,不必等待;概率1-p等待到下一个时间槽再传输。忙则持续监听直到信道空闲再以p概率发送。若冲突则等到下一个时间槽开始再监听并重复上述过程。
  • 优点:既能像非坚持算法那样减少冲突,又能像1-坚持算法那样减少媒体空闲时间的这种方案
  • 缺点:发生冲突后还是要坚持把数据帧发送完,造成了浪费。

5、三种CSMA对比总结

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概率等到下一个时隙再发送
信道忙 继续坚持监听 放弃监听,等一个随机时间再监听 持续监听,直到信道空闲再以p概率发送

四、CSMA/CD协议

1、CSMA/CD协议

载波监听多点接入/碰撞检测CSMA/CD(carrier sense multiple access with collision detection)
CS: 载波侦听/监听,每一个站在发送数据之前以及发送数据时都要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据。
MA: 多点接入,表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。总线型网络
CD: 碰撞检测(冲突检测),“边发送边监听”,适配器边发送数据边检测信道上信号电压的变化情况,以便判 断自己在发送数据时其他站是否也在发送数据。半双工网络

2、传播时延对载波监听的影响

计算机网络学习笔记——第三章 数据链路层(下)_第12张图片

3、截断二进制指数规避算法

①确定基本退避(推迟)时间为争用期 2τ。
②定义参数k,它等于重传次数,但k不超过10,即k=min[重传次数,10]。当重传次数不超过10时,k等于重传次数;当重传次数大于10时,k就不再增大而一直等于10。
③从离散的整数集合[0, 1, , 2k-1]中随机取出一个数r,重传所需要退避的时间就是r倍的基本退避时间,即2rτ 。
④当重传达16次仍不能成功时,说明网络太拥挤,认为此帧永远无法正确发出,抛弃此帧并向高层报告出错。

第一次重传,k=1,r从{0,1}选;
重传推迟时间为0或 2τ,在这两个时间中随机选一个;
若再次碰撞,则在第二次重传时,k=2,r从{0,1,2,3}选;
重传推迟时间为0或 2τ或 4τ或 6τ,在这四个时间中随机选一个;
若再次碰撞,则第三次重传时,k=3,r从{0,1,2,3,4,5,6,7}选
……

4、最小帧长

计算机网络学习笔记——第三章 数据链路层(下)_第13张图片

五、CSMA/CA协议

1、CSMA/CA协议

载波监听多点接入/碰撞避免CSMA/CA(carrier sense multiple access with collision avoidance)
计算机网络学习笔记——第三章 数据链路层(下)_第14张图片

2、CSMA/CA协议工作原理

  • 发送数据前,先检测信道是否空闲。空闲则发出RTS(request to send),RTS包括发射端的地址、接收端的地址、下一份数据将持续发送的时间等信息;信道忙则等待。
  • 接收端收到RTS后,将响应CTS(clear to send)。
  • 发送端收到CTS后,开始发送数据帧(同时预约信道:发送方告知其他站点自己要传多久数据)。
  • 接收端收到数据帧后,将用CRC来检验数据是否正确,正确则响应ACK帧。
  • 发送方收到ACK就可以进行下一个数据帧的发送,若没有则一直重传至规定重发次数为止(采用二进制指数退避算法来确定随机的推迟时间)。

3、CSMA/CD与CSMA/CA

相同点:
CSMA/CD与CSMA/CA机制都从属于CSMA的思路,其核心是先听再说。换言之,两个在接入信道之前都须要进行监听。当发现信道空闲后,才能进行接入。
不同点:
①、传输介质不同:CSMA/CD 用于总线式以太网【有线】,而CSMA/CA用于无线局域网【无线】。
②、载波检测方式不同:因传输介质不同,CSMA/CD与CSMA/CA的检测方式也不同。CSMA/CD通过电缆中电压的变化来检测,当数据发生碰撞时,电缆中的电压就会随着发生变化;而CSMA/CA采用能量检测(ED)、载波检测(CS)和能量载波混合检测三种检测信道空闲的方式。
③、CSMA/CD检测冲突CSMA/CA避免冲突,二者出现冲突后都会进行有上限的重传。

六、轮询访问介质访问控制

1、介质访问控制

  • 信道划分介质访问控制(MAC Multiple Access Control )协议:基于多路复用技术划分资源。
    网络负载重:共享信道效率高,且公平
    网络负载轻:共享信道效率低
  • 随机访问MAC协议:用户根据意愿随机发送信息,发送信息时可独占信道带宽。
    网络负载重:产生冲突开销
    网络负载轻:共享信道效率高,单个结点可利用信道全部带宽
  • 轮询访问MAC协议/轮流协议/轮转访问MAC协议:轮询协议和令牌传递协议
    既要不产生冲突,又要发送时占全部带宽。

2、轮询协议

计算机网络学习笔记——第三章 数据链路层(下)_第15张图片

3、令牌传递协议

计算机网络学习笔记——第三章 数据链路层(下)_第16张图片

七、局域网基本概念和体系结构

1、局域网

局域网(Local Area Network):简称LAN,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。
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:网络拓扑传输介质介质访问控制方法

2、局域网拓扑结构

计算机网络学习笔记——第三章 数据链路层(下)_第17张图片

3、局域网传输介质

计算机网络学习笔记——第三章 数据链路层(下)_第18张图片

4、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,也用于树型网络。它是把总线型或树型网络中的各个工作站按一定顺序如按接口地址大小排列形成一个逻辑环。只有令牌持有者才能控制总线,才有发送信息的权力。
  • 令牌环:用于环形局域网,如令牌环网。

5、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。
  • FDDI网(Fiber Distributed Data Interface):物理上采用了双环拓扑结构,逻辑上是环形拓扑结构。
  • ATM网(Asynchronous Transfer Mode):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(Wireless Local Area Network;WLAN):采用IEEE 802.11标准。

6、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。

7、MAC子层和LLC子层

IEEE 802标准所描述的局域网参考模型只对应OSI参考模型的数据链路层与物理层,它将数据链路层划分为逻辑链路层LLC子层介质访问控制MAC子层
计算机网络学习笔记——第三章 数据链路层(下)_第19张图片

八、以太网

1、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:
    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。

2、以太网提供无连接、不可靠的服务

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。
以太网只实现无差错接收,不实现可靠传输。

3、以太网传输介质与拓扑结构的发展

计算机网络学习笔记——第三章 数据链路层(下)_第20张图片

4、10BASE-T以太网

10BASE-T是传送基带信号的双绞线以太网,T表示采用双绞线,现10BASE-T 采用的是无屏蔽双绞线 (UTP),传输速率是10Mb/s
计算机网络学习笔记——第三章 数据链路层(下)_第21张图片

5、适配器与MAC地址

计算机网络学习笔记——第三章 数据链路层(下)_第22张图片

6、以太网MAC帧

最常用的MAC帧是以太网V2的格式。
计算机网络学习笔记——第三章 数据链路层(下)_第23张图片

7、高速以太网

速率≥100Mb/s的以太网称为高速以太网。

高速以太网技术 特点
100BASE-T 以太网 双绞线上传送100Mb/s基带信号星型拓扑以太网,仍使用IEEE802.3的CSMA/CD协议。
支持全双工和半双工,可在全双工方式下工作而无冲突。
吉比特以太网 光纤或双绞线上传送1Gb/s信号
支持全双工和半双工,可在全双工方式下工作而无冲突。
10吉比特以太网 10吉比特以太网在光纤上传送10Gb/s信号
只支持全双工,无争用问题。

九、IEEE 802.11无线局域网

1、IEEE 802.11

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。
计算机网络学习笔记——第三章 数据链路层(下)_第24张图片

2、802.11的MAC帧头格式

计算机网络学习笔记——第三章 数据链路层(下)_第25张图片

3、无线局域网的分类

(1)有固定基础设施无线局域网
计算机网络学习笔记——第三章 数据链路层(下)_第26张图片
(2)无固定基础设施无线局域网的自组织网络
计算机网络学习笔记——第三章 数据链路层(下)_第27张图片

十、PPP协议&HDLC协议

1、广域网

广域网(WAN,Wide Area Network),通常跨接很大的物理范围,所覆盖的范围从几十公里到几千公里,它能连接多个城市或国家,或横跨几个洲并能提供远距离通信,形成国际性的远程网络。

广域网的通信子网主要使用分组交换技术。广域网的通信子网可以利用公用分组交换网、卫星通信网和无线 分组交换网,它将分布在不同地区的局域网或计算机系统互连起来,达到资源共享的目的。如因特网(Internet)是世界范围内最大的广域网。
计算机网络学习笔记——第三章 数据链路层(下)_第28张图片

2、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。

3、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

4、PPP协议无需满足的要求

纠错
流量控制
对帧进行编序号
不支持多点线路

5、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。

6、PPP协议的状态图

计算机网络学习笔记——第三章 数据链路层(下)_第29张图片

7、PPP协议的帧格式

计算机网络学习笔记——第三章 数据链路层(下)_第30张图片

8、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

9、HDLC的站

  • 主站、从站、复合站
HDLC站 主要功能
主站 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 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 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
    a、正常响应方式
    b、异步平衡方式
    c、异步响应方式

10、HDLC的帧格式

①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
②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
③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
计算机网络学习笔记——第三章 数据链路层(下)_第31张图片

11、PPP协议&HDLC协议

  • 相同点:
    HDLC、PPP只支持全双工链路。
    都可以实现透明传输。
    都可以实现差错检测,但不纠正差错。
  • 不同点:
PPP协议 面向字节 2B协议字段 无序号和确认机制 不可靠
HDLC协议 面向比特 没有 有编号和确认机制 可靠

计算机网络学习笔记——第三章 数据链路层(下)_第32张图片

十一、链路层设备

1、物理层扩展以太网

光纤调制解调器的作用就是进行电信号和光信号的转换
计算机网络学习笔记——第三章 数据链路层(下)_第33张图片

2、链路层扩展以太网

  • 网桥根据MAC帧的目的地址对帧进行转发过滤。当网桥收到一个帧时,并不向所有接口转发此帧,而是先检查此帧的目的MAC地址,然后再确定将该帧转发到哪一个接口,或者是把它丢弃(即过滤)。
  • 网段:一般指一个计算机网络中使用同一物理层设备(传输介质,中继器,集线 器等)能够直接通讯的那一部分。
  • 网桥优点:①过滤通信量,增大吞吐量。②、扩大了物理范围。③、提高了可靠性。④、可互连不同物理层、不同MAC子层和不同速率的以太网。
    计算机网络学习笔记——第三章 数据链路层(下)_第34张图片

3、网桥分类

(1)、透明网桥
透明网桥:“透明”指以太网上的站点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥,是一种即插即用设备——
自学习。
计算机网络学习笔记——第三章 数据链路层(下)_第35张图片

(2)、源路由网桥
源路由网桥:在发送帧时,把详细的最佳路由信息(路由最少/时间最短)放在帧的首部中。
方法:源站以广播方式向欲通信的目的站发送一个发现帧

4、以太网交换机(多接口网桥)

计算机网络学习笔记——第三章 数据链路层(下)_第36张图片

5、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。

6、冲突域和广播域

  • 冲突域:在同一个冲突域中的每一个节点都能收到所有被发送的帧。简单的说就是同一时间内只能有一台设备发送信息的范围。
  • 广播域:网络中能接收任一设备发出的广播帧的所有设备的集合。简 单的说如果站点发出一个广播信号,所有能接收收到这个信号的设备范围称为一个广播域。
能否隔离冲突域 能否隔离广播域
物理层设备(中继器、集线器) × ×
链路层设备(网桥、交换机) ×
网络层设备(路由器)

计算机网络学习笔记——第三章 数据链路层(下)_第37张图片

你可能感兴趣的:(计算机网络,网络)