计算机网络

第三章 数据链路层

author:slightwjq
2023年1月3日

3.1 数据链路层的功能

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，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为逻辑上无差错的数据链路。

为网络层提供服务：无确认的无连接服务、有确认的无连接服务、有确认的面向连接服务。

帧定界、帧同步与透明传输：将一段数据前后添加首部和尾部就构成了帧，确定帧的界限即帧定界。如果数据中恰好出现与帧定界符相同的比特组合，那么就要采取有效的措施解决这个问题，即透明传输。

流量控制：限制发送方的数据流量，使其发送速率不超过不超过接收方的接收能力。

差错控制：由于各种原因，帧的传输过程中可能会出现错误。用以使发送方确定接收方是否正确收到由其发送的数据的方法称为差错控制。

3.2 组帧

发送方依据一定的规则把网络层递交的分组封装成帧，称为组帧。组帧主要解决帧定界、帧同步、透明传输的等问题。
字符计数法：在帧头部用一个计数字段表明帧内字符数。
字符填充的首尾定界符法：字符填充法使用特定的字符来定界一帧的开始于结束。
零比特填充的首尾标志法：使用一个特定的比特模式来标志一帧的开始和结束。

3.3 差错控制

检错编码

检错编码都采用冗余编码技术，核心思想是在有效数据被发送前，先按某种关系附加一定的冗余位。
奇偶校验码：只能检测奇数位的出错情况。
循环冗余码CRC：给定一个帧生成一个帧检验序列FCS，有纠错能力，但链路层仅使用了检错功能。

纠错编码

海明码的原理是在有效信息位中加入几个检验位形成海明码，并把海明码的每个二进制位分配到几个奇偶校验组中。当某一位出错时，就会引起有关的校验值发生变化。

3.4 流量控制与可靠传输机制

流量控制、可靠传输与滑动窗口机制

停止-等待流量控制：发送方每发送一帧，都要等待接收方的应答信号，之后才能发送下一帧。
滑动窗口流量控制：发送方维持一组连续的允许发送的帧的序号，称为发送窗口；同时接收方也维持一组连续的允许接收帧的序号，称为接收窗口。发送窗口用来进行流量控制；在接收方，只有收到的数据帧的序号落入接收窗口才能接收，否则一律丢弃。

自动重传请求ARQ：通过接收方请求发送方重传出错的数据帧来恢复出错的帧。实际上链路层很少采用可靠传输。

单帧滑动窗口与停止-等待协议

停止-等待协议相当于发送窗口和接收窗口大小均为1的滑动窗口协议。若连续出现相同发送序号的数据帧，表明发送端进行了超时重传。连续出现相同序号的确认帧时，表明接收端收到了重复帧。

多帧滑动窗口与后退N帧协议GBN

可以发送连续的帧，接收方只允许按顺序接收帧。
GBN协议还规定接收端不一定每收到一个争取的数据帧就必须确认，可以进行累计确认，即对某一帧的确认表明该数据帧和此前所有的数据帧均已正确收到。
接收窗口大小为1，发送窗口大小WT满足1<=WT<=2^n^-1

多帧滑动窗口协议与选择重传协议SR

为每个发送缓冲区对应一个计时器，当计时器超时，缓冲区的帧就会重传。发送窗口和接收窗口满足WTmax = WRmax = 2^(n-1)^。

3.5 介质访问控制

介质访问控制为使用介质的每个结点隔离来自同一信道上其他结点所传的信号，以协调活动结点的传输。

信道划分介质访问控制

把使用介质的每个设备与来自同一信道上的其他设备隔离开，把时域和频域资源合理地分配给网络上的设备。逻辑上分为几条用于两个结点之间通信的互不干扰的子信道，实际上就是把广播信道转变为点对点信道。

• 频分多路复用FDM：将多路基带信号调制到不同频率载波上，再叠加成一个复合信号的多路复用技术。
• 时分多路复用TDM：物理信道按时间分成若干时间片，轮流地分配给多个信号使用。
• 波分多路复用WDM：即光的频分多路复用。
• 码分多路复用CDM：采用不同的编码来区分原始信号的复用方式。更常用名词是码分多址CDMA，略。

随机访问介质访问控制

• ALOHA协议：
  • 纯ALOHA协议：当网络中任何一个站点需要发送数据时，想发就发。如果一段时间内未收到确认，即发生了冲突，等待一段时间后再发，直至成功。
  • 时隙ALOHA协议：将时间划分成等长的时隙，规定只能在每个时隙开始时才能发送一个帧。减少了冲突的可能性，提高了信道利用率。
• CSMA协议：载波监听多路访问
  • 1-坚持CSMA：一个结点要发送数据时，首先监听信道，空闲则发送，忙则等待。1-坚持含义是，侦听到信道空闲后，发送概率为1，即立刻发送。
  • 非坚持CSMA：信道忙则随机等待一个时间后再侦听。
  • p-坚持CSMA：如果信道空闲则以p概率发送数据，以1-p概率推迟到下一个时隙。
• CSMA/CD协议：载波监听多路访问/碰撞检测，可概括为“先听后发，边听边发，冲突停发，随机重发”。设2τ（端到端传播时延的二倍）为争用期，只有经过争用期这段时间还未检测到碰撞，才能确定不会发生碰撞。最小帧长 = 2×数据传输速率×总线传播时延，以太网规定51.2μs为争用期长度。算法精髓是确定r倍的2τ，设k为重传次数，r来自[0,1,2,…,2^k^-1]，若重传16次仍未成功，则认为网络拥挤。
• CSMA/CA协议：应用于无线局域网CA代表碰撞避免。存在隐蔽站问题，通过RTS和CTS解决。算法如下:
  • 若站点有数据发送，若检测信道且空闲，在等待DIFS时间后发送。
  • 否则，执行CSMA/CA退避算法，选取一个随机回退值。一旦信道忙，退避计时器不变。信道空闲则继续倒计时。
  • 当退避计时器为0，则发送数据帧。
  • 若收到确认，则知道已被正确接收。
  • 在规定时间内未收到确认帧ACK，则必须重传。

轮询访问：令牌传递协议

应用于令牌环局域网，存在一个令牌控制信道使用，适合高负债信道。

3.6 局域网

局域网是指在较小的地理范围内，将各种连接介质互相连接起来，组成的计算机网络。局域网的特性由三个要素决定：拓扑结构、传输介质、介质访问控制。
常见的局域网拓扑结构有：星形结构、环形结构、总线型结构、星形和总线形复合结构。
局域网的介质访问控制方法主要有：CSMA/CD、令牌总线、令牌环。

以太网与IEEE802.3

IEEE802.3标准是一种基带总线形局域网标准，以太网逻辑上采用总线形拓扑结构，采用CSMA/CD方式对总线进行控制。
以太网：采用无连接方式，尽最大努力交付，差错纠正由高层完成。

以太网的MAC帧：MAC地址也称为物理地址，MAC地址长6字节，帧的数据部分长46-1500字节，首部和尾部长18字节。

超过100Mb/s的称为高速以太网，有100BASE-T以太网、吉比特以太网、10吉比特以太网。

IEEE802.11

AP是基本服务集中的基站。
802.11帧帧有三种类型：数据帧、控制帧、管理帧。
帧检验序列FCS是尾部，占4字节。

VLAN

虚拟局域网VLAN是把一个较大的局域网，分割成一些较小与地理位置无关的逻辑上的VLAN，每个VLAN是一个较小的广播域。

3.7 广域网

指覆盖范围很广的长距离网络。广域网由一些结点交换机及连接这些交换机的链路组成。
PPP协议是使用串行线路通信的面向字节的协议，只支持全双工，封装成帧、透明传输、多种网络层协议、多种类型的链路、差错检测。
高级链路控制HDLC协议是面向比特的链路层数据协议。

3.8 数据链路层设备

局域网交换机

局域网交换机又称以太网交换机，本质上说是多端口网桥，工作在数据链路层。能将网络分成小的冲突域。以太网交换机还可以实现VLAN，VLAN可以隔离冲突域，也可以隔离广播域。
以太网交换机特点：每个端口直接与单台主机相连，全双工；能同时连接多对端口；转发表通过自学习算法建立；独占传输媒体带宽。

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