计算机网络第三章数据链路层

3.1数据链路层功能概述

链路层的功能，链路层的两种信道，局域网，广域网，链路层的设备

数据链路层基本概念：
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
结点：主机，路由器
链路：网络中两个节点之间的物理通道，主要传输介质为双绞线，光纤，微波，分为有线链路，无线链路
数据链路：网络中两个节点之间的逻辑通道，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

数据链路层功能概述：
将源自网络层来的数据可靠地传输到相邻结点的目标机网络层，主要作用为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

功能：
为网络层提供服务，无确定无连接服务，有确认无连接服务，有确认面向连接服务
链路管理，连接的建立，维持，释放(用于面向连接的服务)
组帧
流量控制
差错控制(帧错/位错)

3.2封装成帧和透明传输

封装成帧是在一段数据前后部分添加首部和尾部，构成一个帧，接收端在收到物理层上交的比特流后，根据首部尾部的标记，从比特流中识别帧的开始于结束，首部和尾部包含许多控制信息，一个作用是帧定界
帧同步：接收方应能从接受到的二进制比特流中区分帧的起始和终止
传送时为提高效率，帧的数据部分应尽可能的长，且不应超过最大传送单元MTU
组帧的四种方法：1.字符计数法，2.字符填充法，3.零比特填充法，4.违规编码法
透明传输：不管所传数据是什么，都应能在链路中传输(链路层不管传送的东西是什么)
字符计数法：第一个字节表示该帧长多少，然后后续为该帧，然后是第二个帧，极易出错
字符填充法：SOH(00000001)为帧开始，EOT(00000100)为帧结束，假如ESC(00011011)进行转移， 在数据中如果遇到SOH，EOT，ESC前都加一个ESC(比如://表示/)
零比特填充法：首部和尾部都是(01111110)，数据中，每遇到5个1在后面填一个0，接收时每五个1删 一个0
违规编码法：以正常来说不会出现的情况作为定界帧的起始和终止，比如曼彻斯特编码先高后低代表 1，先低后高代表高，可以用高高，低低代表帧的起始和终止
目前较普遍使用的帧同步法是比特填充和违规编码法

3.3.1差错控制(检错编码)

噪声会影响线路传播的信号，产生查错
全局性：线路本身电气特性产生的随机噪声，提高信噪比缓解
局部性：外界无意的冲击噪声，利用编码问题强行缓解

查错：位错：1,0互换，帧错：丢失，重复，失序

差错控制(比特错)：
检错编码：
奇偶校验码：n-1信息元，1位校验元，分为奇校验和偶校验，事先规定即可
CRC循环冗余码：时限规定的生成多项式(n位)，传送前后面添加n-1位使得是生成多项书的整倍数，检测接受的数据是否是生成多项式的整倍数，除法规则为模2除法 FCS的生成和接收端的CRC检验是硬件实现，处理快，不会延误数据的传输

3.3.2差错控制(纠错编码)

纠错编码： 海明码：发现双比特错，纠正单比特错 海明不等式$2^{r}$ >= k+r+1 r为冗余信息为，k为信息位 例：101101 ：|0|0|1|0|011|1|01冗余信息位为2的幂次方位置，值为所有位置在该幂的位置有的所有值的异或(比如1位，就是所有奇数位置的异或和)

3.4.1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受能力的不匹配，会造成传输出错，流量控制是数据链路层的重要工作 数据链路层的流量控制是点对点，传输层的流量控制是端到端 数据链路层流量控制手段：接收方不收就不回复确认 传输层流量控制手段：接收端给发送端一个窗口公告

流量控制方法：(发送--->确认)
停止-等待协议:发送窗口 = 1，接收窗口 = 1 可靠传输
滑动窗口协议:后退N帧协议(GBN) 发送窗口 > 1，接收窗口 = 1
选择重传协议(SR)) 发送窗口 > 1，接收窗口 > 1
可靠传输：发送方发啥，接收方收啥
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
滑动窗口解决：流量控制(不收不给确认)，可靠传输(发送方自动重传)

3.4.2停止-等待协议

丢包问题：物理线路故障，设备故障，病毒故障，路由器信息错误等多个原因，会导致数据包丢失 讨论前提：半双工通信 每次发送后会保留副本，且会有一个超时计时器，每次发送一个帧启动一个计时器，重传时间比帧传输的平均RTT更久一点，数据帧和确认帧必须编号 优点：简单 缺点：信道利用率(U)太低

U = $T_{D}$/($T_{D}$ + RTT + $T_{A}$)
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(L/C)/T
L为T内发送L比特数据，C为发送方数据传输率，T为发送周期
信道吞吐率=信道利用率*发送方的发送速率

3.4.3后退N帧协议(GBN)

必须增加序号范围
发送方需要缓存多个分组
发送窗口：发送方维持一组连续的允许发送帧的序号(收到确认后窗口前移)
接收窗口：接收方维持一组连续的允许接收帧的序号(接收后窗口前移)
上层的调用：上层发送数据时，会检查发送窗口是否已满，如果未满，会产生一个帧并发送，否则推迟发送 收到了一个ACK：GBD协议中，对n号帧的确认采用累计确认的方式，表明接收方已收到n号帧和它之前的全部帧
超时：发送方重传所有已发送但未被确认的帧
接收方按序收到了n号帧：为n号帧发送一个ACK，并将该帧中的部分交付上层，否则直接丢弃,发送一个最近接受的帧的ACK
如果采用n个比特对帧编号，那么发送窗口的尺寸应在1到2^n-1中
连续发送数据帧提高了信道利用率

3.4.4选择重传协议(SR)

接收窗口内的帧都可以接收，收谁确认谁 发送窗口最好等于接收窗口 = 2^（n-1） 对数据帧逐一确认，只重传出错帧，接收方有缓存

3.5.1信道划分介质访问控制

传播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 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)
介质访问控制：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
静态划分信道：信道划分介质访问控制(频分多路复用FDM，时分多路复用TDM，波分多路复用WDM，码分多 路复用CDM)
动态划分信道：轮询访问介质访问控制(令牌传递协议)，随机访问介质访问控制(ALOHA协议，CSMA协议， CSMA/CD协议，CSMA/CA协议)
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它设备的通信隔离开，把时域和频 域资源合理地分配给网络上的设备
多路复用技术：把多个信号组合在一条物理信道上进行传输，使得多个计算机或终端设备共享信道资源， 提高信道利用率
频分多路复用FDM：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，效率高，实现 易，'并行'
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)每一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，'并发'
统计时分复用STDM：改进版时分复用，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 的输入数据放入STDM帧中，一个STDM帧慢了发出，STDM帧是按序动态分配时隙
波分多路复用WDM：光的频分多路复用，在一根光纤中传输多种不同波长(频率),波长(频率)不同，各路光 信号互不干扰,波长分解复用器可以将各路波长分解出
码分多路复用CDM：
码分多址：1个比特分为多个码元/芯片，每一个站点被指定一个唯一的m位芯片序列，发送1时，发送芯片 序列，发送0时，发送芯片序列反码(通常0写作-1),多个站点同时发送数据，要求站点芯片序列 互相正交，各路数据在信道中被线性相加，合并的数据和源站规格化内积

3.5.2ALOHA协议

纯ALOHA协议： 不监听信道，不按时间槽发送，随机重发 冲突检测：如果发生冲突，接收方会检测出差错，不予确认，发送方一定时间内收不到确认判断发生冲突 冲突解决：超时重传

时隙ALOHA协议：
把时间分成若干个相同时间片，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在发送

纯ALOHA比时隙ALOHA吞吐量更低，效率更低
纯ALOHA想发就发，时隙ALOHA只能时间片段开始才能发

3.5.3CSMA协议

载波监听多路访问协议CSMA CS：载波监听 MA：多点接入
检测总线的信号电压摆动值，如果一个站检测到的信号电压摆动值超过一定门限值，认为至少有两个站同时发送数据，表明了碰撞(发生了冲突)
协议思想：发送帧之前监听信道
监听结果：
信道空闲：发送完整帧(坚持CSMA，非坚持CSMA，P-坚持CSMA)
信道忙：推迟发送
坚持CSMA：空闲直接传输，忙持续监听，有冲突等待一个随机长的时间再监听
非坚持CSMA：空闲直接传输，忙等待一个随机长的时间再监听
P-坚持CSMA：空闲p概率直接传输，1-p概率等到下一个时间槽传输，忙等待一个随机长的时间再监听 但发生冲突后还是要坚持把数据帧发送完，造成了浪费

3.5.4CSMA-CD协议

发送数据前，发送数据时都要检测总线上是否有其他计算机在发送数据 CD：碰撞检测，冲突检测，边发送边监听

单程端到端的传播时延：τ
传播时延对载波监听的影响：最多2τ才能判断是否碰撞
截断二进制指数规避算法：
确定基本退避时间为争用期2τ
定义参数k为重传次数，k＝min[重传次数，10]
从离散的整数集合0,1,2^k-1中随机取出一个数r，重传所需要退避的时间2rτ
重传次数达16次不成功时，认定无法到达，抛弃此帧并向高层报告出错
最小帧长：帧的传输时延至少要两倍于信号在总线中的传播时延，2τ*数据传输速率(以太网规定最小帧长64B，凡是长度小于64B的都由于冲突而异常终止的无效帧)

3.5.5CSMA-CA协议

CA:碰撞避免 应用于无线局域网，无线局域网360度，无法全面检测碰撞，假设a和c同时给b发，那么都会失败(隐蔽站) 发送数据前检测信道是否空闲，空闲发出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，忙则等待 接收端收到RTS，响应CTS(clear to send) 发送方收到CTS后，发送数据帧(同时预约信道，告知使用时间) 接收方收到数据帧后，使用CRC检验是否正确，正确响应ACK帧 发送方收到ACK后进行下一个帧的发送，没收到就重发，二进制指数退避算法确定随机推迟时间

CSMA/CD与CSMA/CA
相同点：接入信道前要监听，信道空闲后能接入
不同点：
传输介质不同：总线式以太网[有线]；无线局域网[无线]
检测方式不同：电压变化；能量检测，载波检测，能量载波混合检测
CSMA/CD检测冲突，CSMA/CA避免冲突，出现冲突后都会进行有上限的重传

3.5.6轮询访问介质访问控制

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，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，发送信息时刻独占信道带宽 网络负载重：产生冲突开销 网络负载轻：共享效率高，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：既不产生冲突，也要发送时占全部带宽

轮训协议：主结点轮流'邀请'从属结点发送数据
问题：轮训开销，等待延迟，单点故障

令牌传递协议：
令牌：一个特殊格式的MAC控制帧，不含任何信息，控制信道的使用，确保同一时刻只有一个结点独占信道
使用时，改变令牌状态，携带数据信息传递，使用完，修改会令牌状态
每个结点可以在一定时间内(令牌持有时间)获得发送数据的权利，不是无限制持有令牌
问题：令牌开销，等待延迟
应用于令牌环网(物理上星型拓扑，逻辑环形拓扑)，常用于负载较重，通信量较大的网络中

3.6.1局域网基本概念和体系结构

局域网LAN：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：覆盖的地理范围小，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)
通信延迟短，误码率低，可靠性较高
各站平等，共享传输信道
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

局域网拓扑结构：
星型拓扑：集线器连接，中间节点是控制中心，传输速度快，健忘容易，便于控制管理，网络可靠性低，
共享能力差，单点故障问题
总线型拓扑：网络可靠性高，节点间响应速度快，共享资源能力强，设备投入量少，成本低，某节点出现
问题时，对整个网络系统影响少(优)
环形拓扑：单点故障问题，环路封闭，不便于扩充，相应延迟长，信息传输速率相对较低
树形拓扑：易于扩展，易于脱离故障，单点故障

局域网介质访问控制方法：
CSMA/CD：常用于总线型局域网，树形网络
令牌总线：常用于总线型局域网，树形网络
令牌环：环形局域网

局域网的分类：
以太网：逻辑拓扑总线型，物理拓扑星型或拓展星型
令牌环网：物理星型拓扑，逻辑环形拓扑
FDDI网：物理双环拓扑，逻辑环形拓扑
ATM网：单元交换技术，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

3.6.2以太网

由Xerox公司创建并由Xerox，Inter和DEC公司联合开发的基带总线局域网规范，是当前现有局域网才用的最通用的通信协议标准，使用CSMA/CD技术，以太网在局域网各种技术中占统治地位：便宜，广泛，简单

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：第一个IEEE的以太网标准

以太网提供无连接，不可靠的服务，现在通常使用双绞线+集线器，物理星型，逻辑总线型

适配器与MAC地址：计算机与外界有局域网的连接通过通信适配器，硬件地址为物理地址也称MAC地址
MAC地址：每个适配器有一个全球唯一的48位二进制地址，前24位代表厂家，后24位厂家自己指定
以太网MAC帧：[前同步码(7B),帧开始定界符(1B)，目的地址(6B)，源地址(6B)，类型(2B)，数据(46B到1500B)，FCS(4B)]
速率超过100Mb/s的以太网是高速以太网：100BASE-T以太网(100Mb/s)，吉比特以太网(1Gb/s)，10吉比特(10Gb/s)

3.6.3无线局域网

802.11的MAC帧头格式：[帧控制(2B)，生存周期ID(2B)，地址1(6B)，地址2(6B)，地址3(6B)，序列控制(2B)，地址4(6B)] 地址1：RA接收端，地址2：TA发送端)，地址3：DA目的地址，地址4：SA源地址

无线局域网分类
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

3.7PPP协议和HDLC协议

广域网：国际性远程网络，通信子网主要使用分组交换技术，可以利用公用分组交换网，卫星通信网，无线分组交换网，将分布在不同地区的局域网或计算机系统互连，使得资源共享，例：因特网

PPP协议应满足要求：
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处理方式，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
多种数据链路：串行/并行，同步/异步，电/光等
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协议三个组成部分：
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
链路控制协议LCP：建议并维护数据链路连接 例：身份验证
网络控制协议NCP：每个不同的网络层协议都要一个相应的NCP来配置，为网络层协议建议和配置逻辑连接

PPP协议的帧格式

HDLC协议
高级数据链路控制，在同步网上传输出具，面向比特的数据链路层协议，由ISO根据IBM公司的SDLC协议扩展开发而成，数据报文可透明传输(0比特插入法，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，传输可靠性高

HDLC的帧格式

HDLC的控制帧类型：信息帧(第1位是0)，监督帧（10），无编号帧（11）

3.8链路层设备

链路层扩展以太网：网桥和交换机

网桥：根据MAC帧的目的地址对帧进行转发和过滤，当网桥收到一个帧，并不向所有借口转发该帧，根据该帧的目的MAC地址，确认改发哪里，或者丢弃
网桥优点：
过滤通信量，增大吞吐量
扩大了物理范围
提高了可靠性
可互连不同物理层，不同MAC自层和不同速率的以太网

透明网桥：以太网上的站点并不知道所发送的帧会经过哪几个网桥，即插即用，自学习方法
[地址，接口]，假如a经过接口1，发送到d，网桥中没有a，d，就会将[a，1]记录网桥，向所有非入口接口发送查找，有d就会直接通过通往d的接口发送

源路由网桥：在发送帧时，把详细的最佳路由信息放在帧的首部中
方法：源站以广播的方式向预通信的目的站发送一个发现帧，到达后将路线原路返回

多接口网桥----以太网交换机：可以独占媒体带宽
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，无法支持不同速率端口的交换
存储转发式交换机：将帧放入高速缓存，并检查是否正确，正确转发，否则丢弃，延迟大，可靠性高，支
持不同速率端口的交换

冲突域：在同一个冲突域中的没一个节点都能收到所有被发送的帧，同一时间内只能有一台设备发送信息
的范围
广播域：网络中能接受任一设备发出的广播帧的所有设备的集合，如果站点发出一个广播信号，所有能接
收到这个信号的设备范围称为一个广播域

物理层的中继器，集线器不能隔离冲突域，广播域
链路层的网桥，交换机能隔离冲突域，不能隔离广播域
物理层的中继器，集线器能隔离冲突域，广播域