期末复习——数据链路层

数据链路层

• DLC子层：1. 负责物理介质拥塞管理(差错控制、流量控制) 2. 为帧分配序列、跟踪确认 3. 为网络层提供统一接口
• MAC子层：1. 解决局域网中共用信道的使用产生竞争时，如何分配信道使用权。（征用型 随机、确定型 有序）

功能

为网络层提供的服务

有连接就一定要确认

• 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

组帧

4种方法
3and4较为常用

• 1.字节计数法
  Byte Count
  很少使用
  第一个byte表示紧跟着(包括它自己)有多少个byte
  51234 51234 80123456 87890123

• 2. 字符填充的首尾定界符法

  标志字节 flag byte
  界定一帧的开始和结束。特殊字符FLAG填充
  转义字符ESC ！not 'ESC'！
  放在特殊字符之前
  例 A FLAG B ... A ESC FLAG B
  填充后 A ESC FLAG B ... A ESC ESC ESC FLAG B

  较复杂

• 3. 比特填充的标志比特法
     USB常用
     改进，在byte = 8 bits基础上改进，从而帧可以不再是8b的倍数长。
     性能better than 字符填充
     01111110标志一帧的开始and结束(中间是连续6个1)
     ∴发送方 在这一帧中间连续5个1后自动插入一个零
     接收方遇到连续5个1减掉后面那个0
• 4. 物理层编码违禁法
     曼彻斯特编码 高低——码元1，低高——码元0
     so, 高高or低低都是违禁的，可以用来标志帧的开始和终止

差错控制

detect检错 correct纠错

• ARQ 自动重传请求 3种
  ARQ Automatic Repeat reQuest 自动重传请求
  使用检错码

  ARQ控制方法：
  发送方将要发送的数据帧附加CRC 冗余校验码一起发送；
  接收方根据这部分CRC码进行校验；
  发现错误——丢弃-->发送方超时重传。

  • 1. 停止-等待 ARQ
  • 2. Go-Back-N 后退N帧 ARQ
  • 3. 选择性重传 ARQ

• FEC 前向纠错

  使用纠错码的技术

• 检错编码

  • 奇偶校验码

    只能发现奇数个 位错误，看1的个数
    偶校验：加上最后一位校验位，有偶数个1
    奇校验：加上最后一位校验位，有奇数个1

  • CRC循环冗余校验

    also. 多项式编码、Cyclic Redundancy Check
    除法皆为模2除法，不同为1相同为0
    几个量：
    G(x) ：CRC的生成多项式，接收方与发送方的约定，已经规定好了。传输过程中，始终保持不变。最高位、最低位都是1
    C(x)：发送的原始数据，原始多项式
    R(x)：CRC多项式，即余数
    T(x) = C(x) << R + R(x)
    K：C(x) 的位数，or 最高幂次 +1
    R：CRC码位数 = G(x) 位数 - 1
    原理：
    发送端、接收端预先商定一个生成多项式 G(x)
    K位的原始数据帧C(x)，比G(x)长
    在C(x)尾部附加校验和，生成T(x)，能够被G(x)除尽
    计算过程
    r位的G(x)，发送K位的原始帧C(x)
    1. C(x) 尾部加 R 位0
    2. C(x) 除以 G(x)，得到余数，即CRC校验码R(x)
    3. 余数替换末尾的 R 个0，得到T(x)，余数位数不够在前面补0
    4. 接收端收到T(x) + E(x)
    错误分析 接收端收到T(x) + E(x)
    奇数个位发生错误——E(x) 有x奇次项
    只有1位错误——E(x) = xⁱ
    两个独立的1位错误，E(x) = xⁱ + x^j

    举例 G(x) = x⁴ + x + 1 计算帧1101011111校验和
    解:
    G(x) = x⁴ + x + 1 即：10011
    G(x)5位，M(x)补上4个0--M(x)帧11010111110000，再除G(x)10011
    余10
    发出帧T(x) = 1101011110010，T(x)能被G(x)整除

• 纠错编码

  • 海明码

    海明距离
    多对数据取最小值

    海明距离(d + 1) 最多检测detect d个错误
    海明距离(2d + 1) 最多纠正correct d个错误
    m+r+1≤2^r
    海明码默认一串数据 只错一位，so只能检查一个错误位。
    原data = 1001101 r = 4；
    r1、r2、r4、r8 插入
    r1画一隔一、r2画二隔二、r4画4隔4、r8画8隔8
    偶校验，使得画出来的部分是偶数个1
    得到code
    检查code
    不要改变code，依次检查r1、r2、r4、r8 ，错误位记为1，正确记为0
    写成r8 r4 r2 r1，转换成十进制，即为错误位

  • 二进制卷积码

流量控制

点对点
限制发送方的数据流量，不超过接收方的接收能力。只看两端，不看中间
传输层的流量控制是端到端

• 停等

  发送方发一帧，等待接收方应答信号，等到之后才能发下一帧
  没收到就一直等

  效率低

• 滑动窗口

  • 单帧 停等

    发送窗口 size = 1
    接收窗口 size = 1
    源收到ACK才可以发下一帧，缓冲区才可以删除备份文件

  • Go-Back-N

    对ACK进行 n bit 编号：0 ~ 2ⁿ - 1 号码
    发送窗口 1 ≤ size ≤ 2ⁿ - 1
    接收窗口 size = 1 按顺序接收
    源可连发，对ACK进行 n bit 编号，每帧都有超时计时器；
    ACK_n 表示前n帧都已经正确接收

  • SR 选择性重传

    对ACK进行 n bit 编号，否定帧NAK，
    发送窗口 1 ≤ size ≤ 2^n-1
    接收窗口 size ＞ 1收发双方窗口大小相同

• 信道利用率

  针对发送方而言，一个发送周期内，有效发送数据时间/整个发送周期
  T发送周期，C 数据传输速率，L 共发送了L bits数据，( L/C) / T
  信道吞吐率 = 信道利用率 * 发送方发送速率

协议

HDLC

面向比特
使用序号、确认机制，提供可靠传输

SONET

PPP

面向字节
不使用序号、确认机制，只保证无差错接收CRC校验

ADSL 拨号上网

用户可以边打电话边上网，一条电话线可同时接听，拨打电话并进行数据传输，两者互不影响。
adsl传输的数据并不通过电话交换机，所以adsl上网
不需要缴付额外的电话费，节省了费用。

MAC子层 介质访问控制

信道分配

征用型 随机
确定型 有序

• 多路复用技术

  在一条介质上，同时携带多个传输信号，从而提高传输系统的利用率。共享空间or时间or both
  这也是实现信道划分介质访问的一个途径。
  多路复用将多个信号组合在一条物理信道上进行传输，从而多个计算机/终端设备 共享信道资源-->提高信道利用率

  • FDM 频分多路复用

    子信道带宽总和≤信道总带宽
    每个子信道带宽基本相同(Hz)，每个子信道传输一种信号
    不同频率同时发
    用于：
    电话网络
    蜂窝网络
    地面无线
    卫星网

  • TDM 时分多路复用

    信道传输时间作为分割对象，分成若干时间片，固定分配！ABCDABCDABCD这样发，共享带宽，分时利用信道。

    STDM：不固定分配时隙！异步时分多路复用。TDM改进version，当有数据要传的时候才被分到时间片。从而提高了线路利用率。

    用于：
    电话网络
    蜂窝网络

  • WDM 波分多路复用

    采用光的频分多路复用，在一根光纤中传输不同波长
    (λ = c/v(Hz))的信号。
    因为波长(频率)不同，各路光信号不互相干扰，好理解这个，真好记，md不像别的几个

  • CDM 码分多路复用

    每个用户有特定的地址码，用户会有 无消息(正交结果0)/发0(正交结果-1)/发1(正交结果1) 三种情况。 地址码两两之间正交性，这样频率、时间、空间上发送的信号都可能重叠，从而更加充分利用了有限的频率资源。

    例：向量T = （-1 -1 +1 -1 +1 +1 +1 -1）
    A站发消息 1给C：传了向量 (-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1)
    B站发消息 0给C：传了向量 (+1 +1 -1 +1 -1 -1 -1 +1)
    然后两个向量发生重叠 相加 ：R（0 0 -2 2 0 -2 0 2）
    C收到这个叠加后的向量，怎么求A/B发了0 1哪个呢？
    需要已知A的(-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1) 将 R与A点乘=2+2+2+2=8-->/8 = 1 so，A发了1
    需要已知B的 (+1 +1 -1 +1 -1 -1 -1 +1) 将 R与B点乘=-2-2-2-2=-8-->/8 = -1 so，B发了0

• 随机访问介质访问控制协议

  征用型
  实质上广播信道 转化成 点到点信道的行为

  因为总线型网络中，>1个用户同时发消息就会产生帧冲突，导致有冲突的用户发消息失败。不同于多路复用技术，这里不能共享空间and时间
  so要解决这个问题，用户们需要按照一些规则来反复重传自己的帧，直到无碰撞通过。

  • ALOHA 协议

    • 纯ALOHA

      Pure ALOHA 时间连续
      某站点要发数据时，直接发送；如果一段时间后还未收到确认，认为发生了冲突；冲突重发：等待一段时间后继续上述步骤；直到成功。

      可代表：总线型网络、无线信道情况
      最大吞吐量 S = 1/2e = 0.184，G = 0.5可见吞吐量低得很

      例：A pure ALOHA network transmits 200-bit frames on a shared channel of 200 kbps.
      What is the requirement to make this frame collision-free?

      一个帧需要用到 200b/200kb = 1ms 的时间
      vulnerable time？？ = 2ms
      所以任何站都不应该在这1ms中开始发送数据

      vulnerable time：顾前顾后。要不和前一个帧冲突，后一个帧也不能和它冲突，so = 2*T

      A pure ALOHA network transmits 200-bit frames on a shared channel of 200 kbps.
      What is the throughput吞吐量 if the system (all stations together) produces
      a. 1000 frames per second? 1 frame/ms G = 1
      S = G * e^-2G = 0.135
      throughput = 0.1351000 = 135
      b. 500 frames per second? 0.5 frame/ms G = 0.5
      S = G * e^-2G = 0.184
      throughput = 0.184500 = 82
      c. 250 frames per second? 0.25 frame/ms G = 0.25
      S = G * e^-2G = 0.152
      throughput = 0.152*250=38

    • 时隙ALOHA协议

      slot ALOHA also called 分槽ALOHA协议
      把时间分成一段段等长的时隙，每个时隙的开始才可以发送帧。减少了发送数据的随意性；帧到达后，缓存中等待一段时间，才能发出去；同一时隙中>1 个帧到达时，下一个时隙将产生冲突，然后和pure ALOHA一样重传。
      这样冲突只浪费了一个时隙，且冲突发生在时隙起点。

      最大吞吐量0.368

  • CSMA协议 载波侦听多路访问

    先听后发，信道空闲才发。
    ALOHA+载波侦听装置

    • 1-坚持CSMA

      两种情况发生冲突：
      信号传输延迟导致：由于时延，站1发送的信号还没到达站2，站2误认为信道空闲立即发送数据。
      多个站点同时监听空闲信道，同时发送。

    • 非坚持CSMA

      发送数据前，监听信号；信道空闲--立即发送；信道忙，放弃监听，随机等待一段时间再重复上述步骤

    • p-坚持CSMA

      概率p，直接与协议性能相关。用于时分信道。
      降低1-坚持CSMA多站点同时发送造成冲突的概率，和1-坚持一样坚持监听-->克服非坚持CSMA造成的时间延迟。
      信道空闲-->以概率p发送数据，(1 -q )概率推迟到下一时隙监听-发送。

  • CSMA/CD协议

    先听后发+边听边发。一旦冲突，立即停发。随机等待时机再发。发送过程中也持续监听信道，如果检测到冲突，立即停止发送，且发送一串阻塞信号--然后随机等待一段时间重新开始上述步骤。
    适用于：半双工、总线型网络环境。成功用于使用有线连接的LAN局域网，因为无线环境下存在“隐蔽站”问题，不一定能监听到

    CSMA/CD是经典局域网、以太网协议

    最小帧长 = 总线传播时延 * 数据传输速率 * 2
    最小帧长/数据传输速率 = 帧传播时延 >= 2 * 总线传播时延
    最小以太网帧长 64Bytes

    隐蔽站问题：B在A、C监听范围交界处，A和C监听结果为空闲时，都以为B空闲一起发送，结果导致碰撞冲突。
    一位空闲实际不空闲而发生冲突
    暴露站点：A是B的暴露站点——AC都在B可听范围，BD都在C可听范围，此时C发给D，而B想发A却不敢发(因为听到C在发，误以为A也收到误以为会有冲突，但是其实没有的。
    误以为不空闲实际空闲而发生冲突。

  • CSMA/CA协议

    无线网802.11 WiFi，CSMA/CA无线环境
    解决隐蔽站问题：RTS 请求发送控制帧 CTS 允许发送控制帧

    例：
    A向B发送RTS（Request To Send）帧，A周围的站点在一定时间内不发送数据，以保证B的CTS帧返回给A；
    B向A回答CTS（Clear To Send）帧，B周围的站点在一定时间内不发送数据，以保证A发送完数据；
    A开始发送，若发生冲突(两站点同时发送RTS)，则等待随机时间，再重试。

    发送站点刺激接收站点发送应答短帧，从而使得接收站点周围的站点监听到该帧，并在一定时间内避免发送数据。
    而非采用载道监听机制。

• 无冲突协议

  • bitmap 位图协议

    N个站点共享信道，编号 0~N-1。信道划分成一系列竞争周期(N个 1 bit竞争时隙 )and数据传输周期。
    一个竞争/预约周期 N个时隙，对应N个站点，要发送的站点会标记成1 。从0轮到N-1，发送也是从0轮到N-1
    预约结束之后，对这些站点按照bit顺序发送。
    so永不冲突，，但无法考虑发送的优先级。

    低负载：一轮只有一个站点要发送1帧。每帧开销为N，数据长度d个bit，信道利用率( d/ (N+d))
    高负载：一轮所有站点都要发送1帧。所以每一帧只加上额外的1位开销，信道利用率(d/(d+1)。
    最长等待时间 = 征用时隙N + 帧发送时间(N-1)d (bit)
    想预约，但刚好问完自己，同时其他所有站点都要发送b位的帧

  • 轮询访问

    令牌token传递协议
    令牌(特殊的MAC控制帧)随环形总线在各个计算机之间传递，确保同一时间只有一个站点独占信道。只有有令牌的站点才可以发送帧。

  • 二进制倒计数

• 有限竞争协议

  • 自适应树遍历协议

       1              level0
     /   \
    2      3          level1
   / \    |  \
  4  5    6   7       level2
  |\ |\   |\  |\
  A B C D E F G H     stations站点

！先左后右，冲突向下，空闲or成功回退。
例如

• A G要发，
  0槽：冲突在level0，节点1下所有站；；
  1号槽，节点1左子树 -->节点2下所有站，A成功；；
  2号槽，节点1右子树-->节点3下所有站，G成功

• AC要发
  0槽：冲突 level0，节点1下所有站；；
  1号槽，节点1左子树--冲突 level1；；
  2号槽，节点2左子树-->A成功；回退到结点2；
  3号槽，节点2右子树-->C成功

• CD要发
  0槽：冲突 level0，节点1下所有站；；
  1号槽，节点1左子树-->冲突 level1；；
  2号槽，节点2左子树-->空闲；回退；
  3号槽，节点2右子树-->冲突 level2；；
  4号槽，节点5左子树-->C成功；回退；
  5号槽，节点5右子树-->D成功；回回回OK

• 局域网

  LAN局域网三大特性
  拓扑结构：星型、总线、环形、星型+总线复合
  传输介质：双绞线、铜缆、光纤等。
  介质访问控制方式！！
  局域网分类
  以太网(目前使用最广泛的局域网)：总线型拓扑，有线网络，插网卡上网，提供无连接不可靠服务，CSMA/CD二进制退避算法
  令牌环网：环形拓扑
  无线局域网802.11WiFi：CSMA/CA
  ATM网
  FDDI网802.8 环形拓扑

  • 以太网

    可以说802.3简称为以太网(although有细小差别，不想管了
    总线型拓扑
    无连接不可靠，差错检验交给高层来
    使用曼彻斯特编码的信号，每个码元中间有一次电压转换-->同步信号提取
    每块网卡的MAC地址唯一
    以太网帧：由CSMA/CD最短64B

    以太网中，传输速率=10Mbps时，时间槽=51.2us；
    一个时间槽内可以发送512bits，即64字节（所以也称一个时间槽长度为64字节）
    6B目的MAC地址+6B原MAC地址+2B类型
    +数据data部分+填充(保证至少64B)+ 4B checksum校验和
    so除了数据+填充，有18B的header和尾部，至少要中间加入(64-18) =46B

    • MAC地址

      also called物理地址，6B=48bits
      第一个Byte的第八位(最后一位)：
      0：unicast单播一对一
      1：multicast组播一对多
      FF:FF:FF:FF:FF:FF ：broadcast 广播 6B全1

  • 无线局域网

    802.11MAC子层协议规定，所有的站在完成发送后，必须再等待一段很短的时间（继续监听）才能发送下一帧。这段时间的通称是帧间间隔IFS。
    IFS 帧间间隔
    SIFS：短帧间间隔。间隔需要立即响应的帧，如控制帧(RTS/CTS/ACK)等
    AIFS：任意帧间间隔。根据访问类别(即要传输的数据类型)对站点进行优先级排序，AISF的计算公式为：AISF编号*时隙+ SISF；
    PIFS：点协调IFS，中等长度。集中协调功能帧间间隔，只能够由工作于PCF模式的站点来使用
    DIFS：分布式协调IFS，最长。只能够由工作于DCF模式的站点来使用
    高优先级的帧需要等待的时间较短，因此可以优先获得发送权，但低优先级帧就必须等待较长的时间。

数据链路层设备

局域网交换机

• 直接交换

  交换机只接收数据帧头部，检测目的地址，立即转发（无论帧是否出错）
  帧出错检测由结点主机完成（延迟小，缺乏差错检测）

• 存储转发交换

  交换机完整地接收数据帧，并检测差错。若帧正确，则根据帧目的地址确定输出端口，进行转发出

  具有帧差错检测能力，延迟大

• 改进的二者结合

  接收到数据的前64B之后，判断数据的头部字段是否正确
  如果正确则转发出去。

  对于短数据,交换延迟与直接交换方式比较接近；
  而对于长数据 ,由于它只对数据前部的主要字段进行差错检测,因此交换延迟将会明显减少