数据链路层
数据链路层
概念
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链路（link）/物理链路：从一个结点到相邻结点的一段物理线路，中间无任何其他交换结点，只是一条路径的组成部分
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数据链路（data link）/逻辑链路：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
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透明传输：不管从键盘上输入什么字符都可以放在这样的帧中传输过去
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可靠传输：数据链路层的发送端发送什么，在接收端就接收到什么
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CRC是一种检错方法，FCS是添加在数据后面的冗余码
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无线局域网使用IEEE802.11标准
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以太网的两个标准：
- IEEE802.3 10Mb/s 802.3局域网也成以太网
- DIX Ethernet V2
以太网提供的是无连接不可靠服务，只实现无差错接收，不实现可靠传输
使用CSMA/CD的局域网即以太网
以太网规定最短帧长是64B即512bit
以太网成功发送一个帧的时间是T0（帧长/发送速率）+τ（一个单程端到端时延）
则极限信道利用率Smax=T0/T0+τ
一般不考虑LLC子层：由于TCP/IP体系经常使用的局域网是DIX Ethernet V2 而不是802.3标准中的几种局域网，因此LLC的作用已经不大了；很多厂商生产的适配器上仅装有MAC协议而没有LLC协议
以太网的MAC子层 ：
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帧的封装、卸装、寻址、识别、接收、发送
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链路管理
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帧差错控制
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屏蔽不同物理链路种类差异
IEEE802.3MAC格式：
FSC不包括前8B
若使用SONET/SDH进行同步传输不需要前同步码
以太网不需要使用帧定界结束符，也不需要使用字节插入来保证透明传输
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IEEE802.3还可以使用光纤作为传输媒体，如10BASE-F
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网段 ：一个计算机网络中使用同一个物理层设备能直接通讯的那部分
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生成树协议STP（Spanning Tree Protocol）可以解决广播风暴（当广播数据充斥网络无法处理，并占用大量带宽，导致正常业务不能运行甚至瘫痪）
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快速以太网：100Mb/s
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10吉比特以太网只支持全双工
功能
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为网络层提供服务：
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无确认无连接
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有确认面向连接
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有确认无连接
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封装成帧和透明传输：
- 字符计数法
- 字符填充法
- 零比特填充法
- 违规编码法
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差错控制：
噪声：
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随机噪声（全局性）：信道固有，随机存在（可对传感器下手）
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冲击噪声（局部性）：产生错差的主要原因，可通过编码技术解决
帧错：
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丢失
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重复
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失序
位错：1变0，0变1
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检错编码：
- 奇偶校验码：50%概率
- CRC：只能做到对帧的无（比特）差错接收 即凡是接收端数据链路层接受的帧均无差错
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纠错编码：
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海明码：发现双比特错，纠正单比特错
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对通信质量较差的无线传输链路，数据链路层协议使用确认和重传机制来向上提供可靠传输的服务
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流量控制 和可靠传输：链路层的滑动窗口大小是固定的、点对点，接收不下则不回复确认
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停止等待协议（半双工、效率较低）：发送窗口=接收窗口=1
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滑动窗口协议（全双工、效率较高）：
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GBN：
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采用累计确认
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发送窗口（最大发送窗口=2^n -1）>1 接收窗口=1
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超时重传已发送但未确认的帧
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SR：
- 发送窗口>1 接收窗口>1 （最大发送窗口=接收窗口=2^(n-1)）
- 设置单个确认，加大接收窗口，设置接收缓存，缓存乱序到达的帧
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设备
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网桥：可互连不同物理层，不同MAC子层和不同速率的以太网
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透明网桥：即插即用、自学习
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源路由网桥：把最佳路由信息放在帧头 （广播发送发现帧）
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NIC网卡（Network Interface Card）网络接口卡：（涉及数据链路层和物理层 ）
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实现数据串行/并行转换
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当收到错误的帧直接丢弃 ，不通知计算机；收到正确的帧则使用中断 来通知计算机
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计算机的MAC地址（48位）在网卡的ROM中
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可以对数据进行缓存
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必须把该设备的设备驱动安装在计算机的操作系统中
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能实现以太网协议
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交换机独占传输媒体带宽 ：即插即用、自学习 一般工作在全双工方式 ：
- 直通（cut-through）式：接收到目的MAC地址就转发，无法支持具有不同速率的端口交换，不检错
- 存储转发式
两种链路/信道
点对点信道 （广域网）
数据链路层协议：
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PPP（Point-to-Point Protocol）点对点协议 ：面向字节
支持同步传输（SONET/SDH）（比特填充：5 1 1 0）和异步传输（字节填充）
需满足：
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简单 （首要）
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支持多种网络层协议
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保证数据传输的透明性
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规定特殊字符作为帧定界符
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能够在多种类型链路上运行
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检错
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检测连接状态
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设置最大传输单元MTU（数据链路层的帧可以载荷的数据部分的最大长度） 数值
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通信双方知道彼此网络层地址
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数据压缩协商
不需满足：不需纠错，不需序号，不需流量控制
PPP协议组成 ：
- 一个将IP数据报封装到串行链路的方法
- 一个用来建立、配置和测试数据链路连接的链路控制协议LCP（Link Control Protocol）
- 一套网络控制协议NCP（Network Control Protocol）
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HDLC（High-level Data Link Control）高级数据链路控制 面向比特，只支持同步传输 不属于TCP/IP协议族 可靠、有编号、有确认
HDLC帧格式：
广域网的特点：
- 覆盖的地理区域大
- 广域网连接常借用公用网络
- 传输速率比较低
- 网络拓扑结构复杂
来源
广播信道 （局域网）
局域网主要特点 ：
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网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限
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具有广播功能
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便于系统扩展，各设备灵活调整
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提高系统可靠性
决定局域网的主要要素：
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网络拓扑 ：
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总线：最常用
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星型：中间是集线器（hub），共享型差，单点故障（逻辑总线）
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环形：单点故障
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树形：单点故障
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传输介质 ：
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双绞线、同轴电缆、光纤
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电磁波
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介质访问控制 ：
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静态划分信道（信道划分介质访问控制）：
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FDM
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TDM
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WDM
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CDM
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
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动态划分信道：
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轮询介质访问控制（不冲突，占全部带宽） ：令牌环网 用于负载重，通信量大的网络
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随机介质访问控制（有冲突，占全部带宽） ：
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ALOHA：
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纯ALOHA：随时发送
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时隙ALOHA：只在时间片开始时发送
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CSMA（Carrier Sense Multiple Access）载波监听多点接入 ：不管在发送前还是发送中，都必须不停检测信道
1-坚持CSMA 非-坚持CSMA P-坚持CSMA 信道空闲 发 发 P概率发 信道忙 继续监听 放弃监听，等待一随机时间再监听 继续监听，直到空闲以P概率发
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CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）载波监听多点接入/碰撞避免：
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用于无线局域网
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无法做到全面检测碰撞，隐蔽站问题
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通过预约信道、ACK帧、RTS/CTS技术
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CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）载波监听多点接入/碰撞检测：
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用于总线型、半双工网络
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当电压的变化幅度超过一定的门限值时，表明产生了冲突
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当发送数据前已经监听信道为空闲依然发送碰撞是因为：电磁波在总线上以有限速率传播
以太网分析中，用单程 端到端传播时延记为τ，2τ称为争用期（contention period）、碰撞窗口（collision window）
当经过争用期还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞
当发生碰撞后，立即停止发送数据，还要发送32bit或48bit人为干扰信号（jamming signal）
以太网使用截断二进制指数退避算法（truncated binary exponential backoff）来确定碰撞后的重传时机
基本退避时间为争用期2τ 即51.2μs
k=Min[重传次数，10]
从离散的整数集合[0,1,...,2^k -1]随即取出一个数，记为r,重传应推后的时间为r倍2τ
当重传次数达16 次仍不能成功时，则丢弃该帧，并向高层报告
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VLAN（可以隔离广播域）
虚拟局域网VLAN是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组，而这些网段具有某些共同的需求
虚拟局域网只是局域网给用户提供的一种服务，而不是一种新型局域网
虚拟局域网允许在以太网的帧格式中插入一个4B的标识符，称为VLAN标记（tag） ，这样的帧称为802.1Q帧
因此，以太网最大帧长为1518+4B
以太网交换机不向虚拟局域网外的计算机传送广播信号，限制了接收广播信息的计算机数
划分 VLAN 的方法：
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基于交换机端口：也称静态vlan，最为常用
常见的接口类型分为三类：
- Access接口：一般用于和不能识别Tag的用户终端（如用户主机、服务器）相连，或者不需要区分不同VLAN成员时使用
- Trunk接口：一般用于连接交换机、路由器、AP以及可同时收发Tagged帧和Untagged帧的语音终端
- Hybrid接口：既可以用于连接不能识别Tag的用户终端（如用户主机、服务器）和网络设备（如Hub），也可以用于连接交换机、路由器以及可同时收发Tagged帧和Untagged帧的语音终端、AP
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基于计算机网卡MAC地址：也称动态vlan
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基于IP子网地址
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基于协议类型：如:IPv4、IPv6等
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基于高层应用或服务
