【计算机网络】学习笔记:第三章数据链路层（八千字详细配图）【王道考研】

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一、数据链路层功能概述

1.数据链路层基本概念

结点：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。分为有线链路和无线链路。

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，封装网络层数据报数据链路层

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

没错和农夫山泉一样只是搬运工ヾ(≧ ▽ ≦)ゝ

2.数据链路层功能概述

数据链路层在物理层提供服务的基础上向网络层提供服务，其最基本的服务是将源自网络层来的数据可靠地传输到相邻节点的目标机网络层。其主要作用是加强物理层传输原始比特流的功能，将物理层提供的可能出错的物理连接改造成为逻辑上无差错的数据链路，使之对网络层表现为一条无差错的链路。差错控制

功能一：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!

功能二：链路管理，即连接的建立、维持、释放(用于面向连接的服务)

功能三：组帧。

功能四：流量控制

功能五：差错控制

二、封装成帧和透明传输

1.封装成帧

封装成帧就是在一段数据的前后部分添加首部和尾部，这样就构成了一个帧。接收端在收到物理层上交的比特流后，就能根据首部和尾部的标记，从收到的比特流中识别帧的开始和结束。

首部和尾部包含许多的控制信息，他们的一个重要作用：帧定界(确定的界限)。

帧同步：接收方应当能从接收到的二进制比特流中区分出帧的起始和终止。

组帧的四种方法：1.字符计数法，2.字符(节)填充法，3.零比特填充法，4.违规编码法。

2.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。

1）字符计数法

帧首部使用一个计数字段 (第一个字节，八位) 来标明帧内字符数。

2）字符填充法

使用的两种情况：

当传送的帧是由文本文件组成时 (文本文件的字符都是从键盘上输入的，都是ASCI码) 不管从键盘上输入什么字符都可以放在帧里传过去，即透明传输。

当传送的帧是由非ASCII码的文本文件组成时 (二进制代码的程序或图像等) 就要采用字符填充方法实现透明传输。

具体实现过程：

3）零比特填充法

4）违规编码法

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

三、差错控制

1.差错从何而来？

概括来说，传输中的差错都是由于噪声引起的。

全局性 1.由于线路本身电气特性所产生的随机噪声(热噪声)，是信道固有的，随机存在的。解决办法:提高信噪比来减少或避免干扰。(对传感器下手)

局部性 2.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。

2.差错控制——检错编码

1）检错编码——奇偶校验码

2）CRC循环冗余码

例：

要发送的数据是1101 0110 11，采用CRC校验，生成多项式是10011，那么最终发送的数据应该是？

接收端检错过程：

在数据链路层仅仅使用循环冗余检验CRC差错检测技术，只能做到对帧的无差错接收，即“凡是接收端数据链路层接受的帧，我们都能以非常接近于1的概率认为这些帧在传输过程中没有产生差错”。接收端丢弃的帧虽然曾收到了，但是最终还是因为有差错被丢弃。“凡是接收端数据链路层接收的帧均无差错”

“可靠传输”：数据链路层发送端发送什么，接收端就收到什么。

链路层使用CRC检验，能够实现无比特差错的传输，但这还不是可靠传输。

3.差错控制——纠错编码

海明码：

发现错误、找到位置、纠正错误

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海明距离（码距），一个有效编码集中,任意两个合法编码(码字)的海明距离的最小值称为该编码集的海明距离(码距)。

1 确定校验码位数r：

2 确定校验码和数据的位置：

3 求出校验码的值

4 检错并纠错

纠错方法一：

纠错方法二：

差错控制思维导图总结

四、流量控制与可靠传输机制

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

1.流量控制的方法

2.可靠传输、滑动窗口、流量控制

可靠传输：发送端发啥，接收端收啥

流量控制：控制发送速率，使接收方有足够的缓冲空间来接收每一个帧。

3.停止—等待协议

1）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

2）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。

3）停等协议有几种情况？

无差错情况&有差错情况

无差错情况：

有差错情况：

注意：

1.发完一个帧后，必须保留它的副本。

2.数据帧和确认帧必须编号。

性能分析：

停止等待协议优点：简单

缺点：信道利用率太低

信道利用率

发送方在一个发送周期内，有效地发送数据所需要的时间占整个发送周期的比率。

例题：

停止等待协议思维导图总结

4.后退N帧协议（GBN）

停等协议的弊端：发送方发送数据小，总是等待接收方回复，信道利用率低

后退N帧协议中的滑动窗口

发送窗口：发送方维持一组连续的允许发送的帧的序号

接收窗口 : 接收方维持一组连续的允许接收帧的序号

GBN发送方必须相应的三件事

1.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)。

2.收到了一个ACK

GBN协议中，对n号帧的确认采用累积确认的方式，标明接收方已经收到n号帧和它之前的全部帧。

3.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。

GBN接收方要做的事

如果正确收到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: expectedseqnum (下一个按序接收的帧序号)。

运行中的GBN（工作流程）

滑动窗口长度

GBN协议总结

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，使传送效率降低。

为了解决这种重传问题，可以使用选择重选协议

5.选择重传协议（SR）

选择重传协议中的滑动窗口

SR发送方必须响应的三件事

1.上层的调用

从上层收到数据后，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，要么返回给上层之后再传输。

2.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(最左边第一个窗口对应的序号)，则窗口向前移动到具有最小序号的未确认帧处。如果窗口移动了并且有序号在窗口内的未发送帧，则发送这些帧。

3.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。

SR接收方要做的事

来者不拒(窗口内的帧)

SR接收方将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【收谁确认谁】，直到所有(即序号更小的帧)皆被收到为止，这时才可以将一批帧按序交付给上层，然后向前移动滑动窗口。

运行中的SR（执行过程）

滑动窗口长度

发送窗口最好等于接收窗口（大了会溢出，小了没意义）

滑动窗口和接收窗口各占帧数一半，图中情况窗口内无交集。编码长度是窗口的2倍！！！

例：

SR协议重点总结

流量控制思维导图总结

五、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。

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。

频分多路复用FDM

时分多路复用TDM

统计时分复用STDM

改进的时分复用

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，所以各路光信号互不干扰，最后再用波长分解复用器将各路波长分解出来。

码分多路复用CDM

以上为静态划分信道，下面是动态分配信道，也叫动态媒体接入控制/多点接入。特点：信道并非在用户通信时固定分配给用户。所有用户可随机发送信息发送信息时占全部带宽，可能会有冲突问题，所以需要以下协议：

ALOHA协议

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

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。

关于ALOHA协议总结

CSMA协议

载波监听多路访问协议CSMA

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。

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。

协议思想:发送帧之前，监听信道。

1-坚持CSMA

非坚持CSMA

p-坚持CSMA

三种CSMA对比总结

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。总线型网路

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

传播时延对载波监听的影响

如何去确定碰撞后的重传时机？

最小帧长问题

CSMA/CD协议总结

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)

为什么要有CSMA/CA？

CSMA/CA协议工作原理

CSMA/CD与CSMA/CA

轮询访问介质访问控制

不同的访问协议区别：

轮询协议

主结点轮流“邀请”从属结点发送数据

令牌传递协议

MAC协议总结

六、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。

特点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)

特点3：通信延迟时间短，误码率低，可靠性较高

特点4：各站为平等关系，共享传输信道。

特点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。