网络（三）数据链路层

第三章 数据链路层

3.1 链路层的功能

物理层使得1010能够传到对端，而使1010有意义，就是数据链路层，通过组帧的方式实现的。
链路是一条无源的点到点的物理线路，中间没有其他任何交换节点

一. 数据链路层的功能

1. 链路管理，帧同步
2. 流量控制，差错控制
3. 数据和控制信息分开
4. 透明传输和寻址

二. 组帧

1. 组帧的概念
   （1）封装成帧是在一段数据的前后分别添加首部和尾部。
   （2）确定帧的界限：首部和尾部的作用就是帧的定界
   （3）MTU是帧的数据部分的最大长度，也是IP数据报的最大传输长度（相当于快递时限制传输包裹不能超过20公斤）
   

2. 用控制符进行帧定界
   （1）用控制字符进行帧定界的方法是，在帧的开始和结尾处加上特定的字符，这个字符一般是0X7E
   
   （2）透明传输：如果帧的数据部分出现了0X7E（SOH或EOT的字符），则要进行转义

3. 透明传输的转义方法：
   （1） 字符填充
        因为0x7E=0111 1110，字符填充是在这两个字节中，填充进0xD5。变为（0x7D,0x5E）的组合。
        即0111 1101 1001 1110
   （2）零比特填充
        因为0x7E=0111 1110，带有连续的6个1.因此发送端发送帧数据时，每当发现有连续的5个1，立即填充一个0发送。接收端对帧中的比特流扫描，每当发现5个连续的1，就把后面的1个0删除
        eg：0111 1110变成0111 1101 0进行传输

3.2 差错控制

1. 检测编码：循环冗余校验码
2. 纠错编码：汉明码

3.3 流量控制和可靠传输

一. 停止-等待协议

1. 基本概念
   （1）发送端A发送完帧，必须等待获得对端B对阵个帧发送确认帧，A才能继续发送下一个帧
   （2）由于帧可能再传输中由于线路问题而丢失，B收不到帧从而无法发送确认帧。因此A设置一个超时重传时间。在这个时间后如果还没收到确认帧，A就重新发送该帧。超时重传时间一般设置为2\(\tau^+\)。（\(\tau\)为A到B的传输时延）
   

2. 停止等待协议的特点
   （1）在发完一个分组后，必须暂时保留已发送的分组的副本
   （2）分组和确认都必须进行编号（才能知道是对哪个分组进行确认）
   （3）超时重传的时间比数据在分组传输的平均往返时间2\(\tau\)更长一些
   （4）ack报文丢失的结果：A向B发送数据帧，当B的ACK确认帧丢失后，A通过超时重传重传丢失的帧。这个帧实际上已经被B接收到了，如果这个帧没序号，B就无法识别这是收到的重复的帧
   （5）综上所述，停止等待协议使用的确认和重传机制，可以在不可靠的传输网路上实现可靠地通信。

3. ARQ协议
   （1）上面这种可靠传输协议常称为自动重传请求（ARQ--atomic repeat request）。是停止等待的一种实现
   （2）ARQ表明重传请求是自动进行的，接收方不需要请求发送方重传某个出错的数据帧。
   （3）停止等待协议的信道利用率：

\[\frac{T_d}{T_d + RTT + T_A} \]

                              

4. 流水线传输 - 连续的ARQ协议
   发送方可连续发送多个分组，不必发送完一个分组就停下来等待对方确认。可以使信道利用率达到100%。一直有数据向外发送。
   （1）连续的ARQ协议：
   连续的ARQ协议可以连续发送多个数据帧，连续发送的个数成为发送窗口的大小。发送窗口中的帧分为2部分：已发送没确认的帧和等待发送的帧。当收到第一个发送帧的ACK帧后，窗口向后滑动一个位置。
   

5. 累积确认
   （1）接收方的累计确认是指，接收方不必对分割受到的分组逐一确认，逐一发送ACK帧，而是对按需达到的最后一个分组发送方确认帧，表示这个分组及其之前的帧已经正确收到。
   （2）累计确认的优点：容易实现，即使ACK丢失也不必重传（因为后面的确认帧确认了前面的已经收到）
   （3）累计确认的缺点：不能反映出接收方已经正确接受的所有分组的信息。

二. 后退N帧协议（GBN）

1. GBN的基本概念
   设想一种场景：加入1到5号帧，如果只有3号帧接收失败，但是要重传3,4,5号帧），发送方要把后面的3个分组重新再传一遍。这种方法就叫做Go-Back-N（回退N）。表示需要退回来重传已经发送的N个分组。

三. 选择重传协议（SR）

1. SR的基本概念
   （1）当接收方发现某个帧传输出错后，气候继续达到的正确帧不能立即送给接收方得高层，需要先存放在一个缓冲区，同时要求发送方重传出错的一个帧。
   （2）一旦接收到重传的帧后，就可以和缓冲区中的正确帧按照顺序递交给上层
   （3）选择重传协议，使用连续ARQ发送，但不能使用累积确认。

2. 滑动窗口设置
   （1）发送方设置一个变量，作为发送窗口SWS（Send Window Size）：表示在没收到确认帧的情况下，发送端最多能发送的帧个数。（停止等待协议中SWS=1）
           接收方设置一个变量，作为接收窗口RWS（Recieve Window Size）
   （2）设置滑动窗口的目的是重复使用有限的序号列。（序号需要包含在帧头部，无限增加的序号会导致帧序号字段所占位数增大。eg：2bit帧序号能表示序号0 ~ 3）
   （3）发送窗口的规则：
           发送窗口内的帧都是允许发送的帧，不用考虑是否收到确认。
           每发送完一个帧，允许发送的帧数就减1，但是发送窗口的位置不变。
           如果允许发送的帧数都发送完毕，但没有收到任何确认，则不能继续发送任何数据。
           发送端没接受到一个ACK确认，发送窗口向前移动一个帧的位置。
   （4）接收窗口的规则（RWS）：

1. 接收窗口大小RWS，表示能够接受的帧序号的上限，规定了哪些序号的帧可以接受，哪些不能。即：当收到的帧的序号落在窗口内才允许接受该数据帧。（停止等待协议中的RWS = 1）
2. 为了减少开销，连续的ARQ协议还规定接收端不必每收到一个正确的数据帧就发送一个确认帧，而是连续收到几个正确帧后，才对最后一个数据帧确认。
3. 有时为了减少开销，也会采用捎带确认机制（ACK帧不包含发送时间，只有在信道上传播的时间）
4. 接收窗口的大小需要根据需要设定
   （1）RWS=1：表示一次只能接受一个帧
   （2）RWS=SWS：可以将发送端发送的帧全部接受
   （3）RWS>SWS：无意义
5. 接收窗口的规则：
   （1）只有当接收的帧序号和接受窗口的序号一致时才能接受该帧，否则丢弃该帧
   （2）没收到一个序号正确的帧，接受窗口向前滑动一个位置（使可接收序号变化），同时发送ACK确认。所以接收窗口的大小，只是起到了累积确认，按序重组数据帧的作用。
   （3）接受窗口滑动了，发送窗口才能滑动。

3. 如何设定发送窗口（SWS）的大小：
   （1）发送窗口的大小等于序号大小就一定最好吗
        （i） 假设序号为0到7，发送窗口大小设置为8(与序号个数一样)，接收窗口设置为1，这样好吗？答案是不好。
        （ii） 假设接收方返回的1到8号确认帧丢失了，使得发送方重传1到8号帧，这是发送方发送的其实是接收方已经接收到的重复帧，但是接收方并没意识到自己收到的是重复帧。
        （iii） 为了解决这个问题，只要把发送窗口大小，设置的比序号至少小1即可。
        
   （2）\(SWS_{max}\) = 序号个数 - RWS:
           保证发送窗口大小与接收窗口大小的和为n，就能保证接收方识别出重传的帧
   （3）退后N帧的发送窗口最大：\(2^n -1\)
           选择重传的发送窗口最大：\(2^{(n-1)}\)

3.4 介质访问

一. 介质访问控制

1、 信道划分介质访问控制
     复用是通信技术的基本概念
（1）频分复用FDM
     频分复用的所有用户在同样的时间使用不同的带宽资源（不同Hz的信道）
（2）时分复用TDM
     （i） 时分复用是将时间划分为一段登场的复用帧（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。
     （ii） 每一个用户所占时隙周期性的出现（周期就是TDM帧的长度）
     （iii）TDM信号也成等时
     （v） 时分复用的所有用户在不同时间占用相同的频带宽度
（3）波分复用（WDM）
     光纤通信中，每个用户占用不同的波长
（4）码分复用（CDM）
     码分多址CDMA（Code Division Multiple Access）
     （i） 每一个比特时间划分为m个短的间隔，成为码片。所有用户一起发送的结果就是这些码片向量的叠加
     （ii） 码片序列：
          每个站被指派一个唯一的m个码片序列
          eg：发送比特1，则发送m个bit的码片。
          发送比特0，就发送这m个bit码片的二进制反码
          eg：S站的码片序列为00011011，则如果发送比特0，则发送的是11100100。而CDMA往往用-1代表0（利于后面的正交计算）。所以S站的原始码片序列为（-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1）
     （iii） CDMA的特点：每个站分配的码片必须正交（使用伪随机码序列）

\[正交关系的公式：S*T = \frac{1}{m}\sum S_i*T_i = 0 \]

          eg：向量S为（-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1），向量T为（-1 -1 +1 -1 +1 +1 +1 -1）。把向量S和T的各分量之带入S*T。和为0.
     （v）CDMA分码，使得向量自己和自己做内积，结果是1。向量和自己的反码做内积，结果是-1.
          
          

二. 随机介质访问控制

1. ALOHA协议
   （1）用户有帧即可发送。采用冲突监听与随机重发机制。这种系统是竞争系统系统
   （2）帧长统一，但两帧冲突或重叠，则会被破坏，因此效率不高
   （3）在泊松分布下，每个帧时间为尝试发送次数G=0.5时，信道吞吐量S=0.184
   （4）只能用原信道吞吐量的18.4%

2. 载波监听多路访问CSMA
   （1）当一个站点需要发送数据前，需要先监听总线
   （2）如果总线上没有其他站点发送信号，则该站可以发送信号。如果有其他站点发送信号。则需要等待一段时间再重新监听总线，再根据总线的忙闲情况决定是否发送数据。

3. CSMA/CD协议
   （1）CSMA只是监听总线是否空闲，当两个站点同时监听到总线空闲后，会同时发送数据，还是会造成冲突。
   （2）CSMA/CD利用以太网广播的方式进行单播通信。即线路上的所有站点都能收到总线上的数据，但只有指定的接收方会对该信号作出回应。
   （3）CSMA/CD协议用于以太网。以太网的传输特点有以下2中方式：
        （i） 采用灵活的无连接工作方式。即不必先建立连接就可以发送数据
        （ii）以太网对发送的帧不进行编号，也不要求对方发回确认（因为局域网的信道质量很好，产生差错的概率很低）
   （4）以太网提供的服务
   以太网提供的是不可靠服务，尽最大努力交付
   当目的站收到有差错数据时就丢弃，其他的什么也不做、
   （5）CD的意思是碰撞检测：就是边发数据边检测是否有其他站点发送信号。发生碰撞时，总线上传输的信号产生严重失真，无法恢复有用的信息。因此，使用CSMA/CD协议的以太网不能进行全双工通信，而只能进行双向交替通信（半双工通信）。每个站在发送数据后的一小段时间内，都存在遭遇碰撞的可能性。最先发送数据帧的站，最多在发送数据后的2\(\tau\)时间后，就可以知道是否发生了碰撞。
   （6）以太网端到端的往返延时2\(\tau\)称为征用期或碰撞窗口
   （7）当发送的时候，检测到了碰撞，则要二进制指数退避算法延时后再次发送数据
        （i）重传次数k = Min[重传次数，10]，设随机数r是从0到$ （2^k-1）\(中随机取出来的整数。重传所需的时延就是r倍的2\)\tau\(      （ii）当重传16次仍发现冲突时，就丢弃该帧，向上层告报告 （8）以太网征用期的长度为51.2\)\mu s$
        因此对于10Mbps的以太网，征用期内能发送512字节的数据帧，即64字节。即如果在发生64自节后，还没检测到冲突，则此次发送不会砸发生冲突。
   （9）64字节称为最短有效帧长。
        若信道长度为L，带宽为c，传播速率为D，则最短有效帧长为\(2*C*\frac{L}{D}\)

4. CSMA/CA协议
   （1）CSMA/CA在无线网中使用、无线网由于没有一条确定的通信线路，因此cd算法的征用期无法计算，所以不适合用CSMA/CD协议
   （2）CSMA/CA协议尽量在发送时避免冲突，同时使用停止等待，一次只发送一个数据帧。
   （3）CSMA/CA的流程：当检测到信道空闲，还要等待一小段时间后才能发送数据帧，为了让高优先级的帧发送

3.5 局域网

一. 以太网与IEEE 802.3

1. 以太网是符合DIX Ethernet V2标准的局域网。

2. IEEE 802.3规定数据链路层分为2层：
   （1）LLC逻辑链路控制层：与媒体无关，与IP层打交道
   （2）MAC媒体控制接入子层

3. MAC地址
   （1）共48bit的物理地址：前24位（3字节）由RA负责向厂家分配。后3字节由厂家分配
   （2）MAC帧的结构：
   
        MAC帧的数据部分长度范围是46到1500字节。
        上限由MTU决定，下限由最短帧长决定。最短帧长为64字节（黄色部分+粉色的FCS部分占18个字节，加起来就是64字节）
   （3）无效MAC帧：
        数据字段长度不在46_{1500字节的，有效MAC帧长不在64}1518字节的帧都是无效帧。

4. 三种不同物理层标准

   标准	线路材质
   100BASE-TX	使用2对UTP5类线或屏蔽双绞线STP
   100BASE-FX	使用2对光纤
   100BASE-T4	使用4对UTP3类线或5类线

3.6 广域网

一. PPP协议 - 面向字节

1. 全世界使用最多的点对点协议PPP
2. ppp是点对点的，所以不是总线型，也就不用CSMA/CD协议。一次没有最短帧限制（不用2t的争用期），所以信息段范围是0~1500字节
3. 用户拨号上网电话线介入因特网时，一般使用PPP协议。
4. PPP协议由三个部分组成
   （1）将IP数据报封装到串行链路的方法
   （2）链路控制协议LCP
   （3）网络控制协议NCP
5. PPP在同步线路上采用零比特填充解决透明传输（同HDLAC），在异步线路上采用字符定界确定帧边界0x7E（默认做法）
6. PPP不采用帧序号和帧确认，是不可靠链路，只能进行全双工通信。只检错不纠错。

二. HDLAC - 面向比特

1. 主站和从站的概念：
2. 主站到从站的帧称为命令帧
   从站到主站的帧称为响应帧
3. 采用全双工通信，对帧编号，采用CRC校验
4. HDLAC只有3种帧：信息帧，监督帧，无编号帧。

3.7 数据链路层设备

一. 网桥

1. 网桥具备过滤帧的功能：
   网桥收到一个帧时，并不是向所有接口发送此帧。而是先检查此帧的目的地址。然后确定将该帧转发到哪一个接口。

2. 网桥内部结构
   

3. 网桥的好处
   （1）过滤通信量
   （2）扩大物理范围
   （3）提高可靠性
   （4）可互连不同物理层，不同速率的局域网。
   （5）网桥可以隔离碰撞域，可以引起广播风暴（目的地址为FFFFFF）

4. 网桥转发表的建立 - 自学习
   （1）若A站发出的帧从接口x进入了某网桥，那么从这个接口出发沿反方向一定可以吧一个帧发送到A
   （2）网桥每接收到一个帧，如果转发表中没有此项，就记下源地址和网桥接口，作为转发表的一项。如果有该站的表项，则更新表项。
   （3）如果发现转发的地址和源地址在一个接口，则不予转发
   （4）初始时，网桥的转发表为空，所以网桥会把帧转发到所有的接口。
   （5）网桥中的转标表项有三个部分：MAC地址，转发接口，倒计时。倒计时是用来限制转发表项的生存时间的，因为联路上的机器时常更新，所以转发表也要时常更新。比如如果倒计时设为10s，则如果在10秒内没有帧发往此站，则此转发表项将删除

二. 交换机

1. 交换机是有十几个接口的网桥
2. 以太网交换机分为共享式和独占式。如果是共享式，每个接口的带宽为总代快的n分之1
3. 交换机的性能指标 - 转发技术
   （1）直通式交换：收到数据包后，只看帧的前6个字节（目的地址），然后直接转发
   此种方法速度快，但是没有对帧进行校验，可能转发了无效帧
   （2）存储转发式交换
   存储转发技术要求交换机在接收到完整的数据报后决定如何转发。先进行校验正确性和完整性
   （3）碎片隔离式
   也是接收完整帧，但只校验帧长是否大于64字节，
4. 交换机时延：
   从交换机接收到数据包开始向目的端口复制数据包之间的间隔
   （1）采用直通转发的交换机有固定的时延。取决于交换机解读数据包前6字节目的地址的速率
   （2）采用存储转发技术的交换机由于要接受完整的数据包，因此时延和帧长度有关

【注】：网桥不能隔离广播域。但是交换机可以通过组建虚拟局域网来隔离广播域。