數據鏈路層概念

數據鏈路層的簡單模型：

主機H1向H2發送數據
H1到H2所經過的網絡可以是多種的
僅從數據鏈路層觀察幀的流動
不同的鏈路層可能采用不同的數據鏈路層協議
只考慮數據在數據鏈路層的流動

數據鏈路和幀：

鏈路是一條無緣的點到點的物理線路段，中間沒有任何其他的交換結點
一條鏈路只是一條通路的一個組成部分

數據鏈路除了物理線路外，還必須有通信協議來控制這些數據的傳輸。若把視線這些協議的硬件和軟件加到鏈路上，就構成了數據鏈路
現在最常用的方法是使用適配器（即網卡）來實現這些協議的硬件和軟件
一般的適配器都包括了數據鏈路層和物理層這兩層的功能

鏈路分為：物理鏈路和邏輯鏈路

物理鏈路是上面所說的鏈路
邏輯鏈路就是上面的數據鏈路，是物理鏈路加上必要的通信2協議
早期的數據通信協議曾叫做通信規程。因此在數據鏈路層，規程和協議是同義語。

數據鏈路層傳送的是幀
（數據鏈路層里會把幀頭幀尾去掉取出數據）
數據鏈路層像個數據管道：
數據鏈路層不必考慮物理如何實現比特傳輸的細節。甚至可以更簡單地設想好像是沿著兩個數據鏈路層之間的水平方向把幀直接發送到對方。

三個基本問題：

封裝成幀
封裝成幀：就是一段數據在前后分別添加首部和尾部，然后就構成了一個幀。確定幀的界限。
首部和尾部的一個重要作用就是進行幀定界

用控制字符進行幀定界的方法舉例：

當數據是由可打印的ASCII碼組成的文本文件時，幀定界可以使用特殊的幀定界符。
控制字符SOH放在一幀的最前面，表示幀的首部開始。另一個控制字符EOT表示幀的結束。

解決透明傳輸問題：

如果數據中的某個字節的二進制代碼恰好和SOH或EOT一樣，數據鏈路層就會錯誤的”找到幀的邊界“
解決辦法：
字節填充或字符填充
發送端的數據鏈路層在數據中出現控制字符”SOH“或”EOT“的前面插入一個轉義字符”ESC“（其十六進制編碼是1B）
接受端的數據鏈路層在將數據送我網絡層之前刪除插入的轉義字符
如果轉義字符也出現在數據當中，那么應在轉義字符ESC。當接收端收到連續的兩個轉義字符時，就刪除其中前面的一個。

差錯檢測

在傳輸過程中可能會產生比特差錯：1可能會變成0而0也可能變成1
在一段時間內，傳輸錯誤的比特占所傳輸比特總數的比率稱為誤碼率BER
誤碼率與信噪比有很大關系
為了保證數據傳輸的可靠性，在計算機網絡傳輸數據時，必須采用各種差錯檢測的措施

循環冗余檢驗的原理

冗余碼的計算：
冗余碼計算方法：當二進制的模2運算進行2^n乘M的運算，這相當于在M后面添加n個0，得到（k+n）位的數除以選定好的除數p，得出商Q，余數R，余數R比除數P少1位，即R是n位。將余數R作為冗余碼，添加到M后

發送數據是：2^nM+R

點對點協議

對于點對點的鏈路，目前使用最廣泛的是PPP協議
用戶使用撥號電話線接入互聯網時，用戶計算機和ISP進行通信時所使用的數據鏈路層協議就是PPP協議

用戶到ISP的鏈路使用PPP協議

PPP協議應滿足的要求
PPP協議不需要的功能：糾錯、流量控制、序號、多點線路、半雙工或單工鏈路（只工作在點對點鏈路）
PPP協議的組成

(1)當協議字段為0x0021時，PPP幀的信息字段就是IP數據報。
(2)當協議字段為0xC021時，PPP幀的信息字段就是PPP鏈路控制協議LCP的數據。
(3)當協議字段為0x8021時，PPP幀的信息字段就是網絡層的控制數據。
(4)當協議字段為0xC023時，PPP幀的信息字段就是鑒別數據。

零比特填充

不提供使用序號和確認的可靠傳輸
PPP協議之所以不使用序號和確認機制是出于以下的考慮“
在數據鏈路層出現差錯的概率不大時，使用比較簡單PPP協議較為合理
在因特網環境下，PPP的信息字段放入的數據是IP數據報。數據鏈路層的可靠傳輸并不能夠保證網絡層的傳輸也是可靠的
幀檢驗序列FCS字段可保證無差錯接受

PPP協議的工作狀態
當用戶撥號接入ISP時，路由器的調制解調器對撥號做出確認，并建立一條物理連接
PC機向路由器發送一系列的LCP分組（封裝成多個PPP幀）
這些分組及其響應選擇一些PPP參數，并進行網絡層配置，NCP給新接入的PC機分配一個臨時的IP地址，使PC機成為因特網上的一個主機
通信完畢時，NCP釋放網絡層連接，收回原來分配出去的IP地址。接著，LCP釋放數據鏈路層連接。最后釋放的是物理層的連接
可見,PPP協議已不是純粹的數據鏈路層的協議，它還包含了物理層和網絡層的內容

適配器的作用

網絡接口板又稱為通信適配器或網絡接口卡NIC或網卡
計算機通過適配器和局域網進行通信

CSMA/CD

MA："多點接入"表示許多計算機以多點接入的方式連接在一根總線上
CS:“載波監聽”是指每一個站在發送數據之前先要檢測一下總線上是否有其他計算機在發送數據，如果有，則暫時不要發送數據，以免發生碰撞
CD：“碰撞檢測”就是計算機邊發送數據邊檢測信道上的信號電壓大小
當幾個站同時在總線上發送數據時，總線上的信號電壓擺動值將會增大（互相疊加）
當一個站檢測到的信號電壓擺動值超過一定的門限值時，就認為總線上至少有兩個站同時在發送數據，表明產生了碰撞
所謂“碰撞”就是發送了沖突。因此“碰撞檢測”也稱為“沖突檢測”

檢測到碰撞后：
在發送碰撞時，總線上傳輸的信號產生了嚴重的失真，無法從中恢復出有用的信息來
每一個正在發生數據的站，一旦發現總線上出現了碰撞，就要立即停止發送，免得繼續浪費網絡資源，然后等待一段隨機時間后再次發送

電磁波在總線上總是以有限的速率傳播
當某個站監聽到總線是空閑時，也可能總線并非真正是空閑的
A向B發出信息，要經過一定的時間后才能傳送到B
B若在A發送信息到達B之前發送自己的幀（因為這時B的載波監聽檢測不到A所發送的信息），則必然要在某個時間和A發送的幀發送碰撞

CSMA/CD重要特性

使用CSMA/CD協議的以太網不能進行全雙工通信而只能進行雙向交替通信（半雙工通信）
每個站在發送數據之后的一小段時間內，存在著遭遇碰撞的可能性
這種發送的不確定性使整個以太網的平均通信遠小于以太網的最高數據率

問題

問題1：
每一站在發送數據之前已經監聽到信道為“空閑”，為什么還會出現碰撞？
問題2
某站點最多經過多長時間能夠檢測到沖突（碰撞）？

問題3
為什么爭用期是2τ而不是τ？
每個站點作為執行CSMA/CD協議的主體，需要自己主觀上得到這個信息

問題4
產生碰撞之后如何進行避讓

檢測到碰撞——數據失真——停發
退避一段時間——重傳
退避時間（何時啟動重傳）如何確定？

兩個量化參數
爭用期：
10 Mbit/s以太網（傳統以太網）取51.2 us為爭用期的長度
最短有效幀長：
對于10 Mbit/s以太網（傳統以太網），在爭用期內可發送512 bit，即64字節

課后思考
CSMA/CD到底完成哪一層任務？

以太網的MAC層

MAC層的硬件地址：
在局域網中，硬件地址又稱為物理地址，或MAC地址
802標準所說的“地址”嚴格地來講應當是每個站的“名字”或標識符
但鑒于大家都早已習慣了將這種48為的“名字”稱為“地址”，所以本書也采用這種習慣用法，盡管這種說法并不太嚴格
（請注意，如果連接在局域網上的主機或路由器安裝有多個適配器，那么這樣的主機或路由器就有多個“地址”。更準確寫些說，這種48為“地址”應當是某個接口的標識符）

48位的MAC地址：
IEEE 802標準規定MAC地址字段可采用6字節（48位）或2字節（16位）這兩種中的一種
IEEE的注冊管理機構RA負責向廠家分配地址字段6個字節的前三個字節（即高位位，稱為組織唯一標識符）
地址字段6個字節中的后三個字節（即低位24位）由廠家自行指派，稱為擴展唯一標識符，必須保證生產出的適配器沒有重復地址。

一個地址快可以生成2^24個不同的地址。這種48位地址稱為MAC-48，它的通用名稱是EUI-48
生產適配器時，6字節的MAC地址已被固化在適配器的ROM，因此，MAC地址也叫做硬件地址
“MAC”地址實際上就是適配器地址或適配器標識符EUI-48

單站地址、組地址、廣播地址：
當I/G位分別為0和1時，一個地址塊可分別生成2^{23個單個站地址和2}23個組地址
當所有48位都為1時，為廣播地址。只能作為目的地址使用

全球管理與本地管理
IEEE把地址字段第一字節的最低第2位規定為G/L位，表示Global/Logal
當G/L位=0時，是全球管理（保證在全球沒有相同的地址），廠商向IEEE購買的OUI都屬于全球管理
當G/L位=1時，是本地管理，這時用戶可任意分配網絡上的地址

適配器檢查MAC地址
適配器從網絡上每收到一個MAC幀就首先用硬件檢查MAC幀中的MAC地址。
如果是發往本站的幀則收下，然后再進行其他的處理
否則就將此幀丟棄，不再進行其他的處理

發送本站的幀，包括：…

適配器檢查MAC地址
所有的適配器都至少能夠識別前兩種幀，即能夠識別單播地址和廣播地址
有的適配器可用編程方法識別多播地址
只有目的地址才能使用廣播地址和多播地址
以混雜方式工作的以太網適配器只要“聽到”有幀在以太網上傳輸就都接受下來

無效的MAC幀

數據字段的長度與長度字段的值不一致
幀的長度不是整數個字節
用收到的幀檢驗序列FCS查出有差錯
數據字段的長度不在46～1500字節之間
有效的MAC幀長度為64～1518字節之間

對于檢查出的無效MAC幀就簡單地丟棄。以太網不負責重傳丟棄的幀
以太網V2 MAC幀格式相似，區別在于：
（1）IEEE 802.3規定的MAC幀的第三個字段是“長度類型"
當這個字段值大于0x0600時（相當于十進制的1536）就表示類型。這樣的幀和以太網V2 MAC幀一樣
（2）當“長度/類型”字段值小于0x0600時，數據字段必須裝入上面的邏輯鏈路控制LLC子層的LLC幀

無限局域網WLAN

分兩大類：
有固定基礎設施的WLAN
無固定基礎設施的WLAN

IEEE 802.11

IEEE 802.11是一個有固定基礎設施的WLAN的國際標準
IEEE 802.11就是無線以太網的標準：
它使用星形拓撲，其中心叫做接入點AP
在MAC層使用CSMA/CA協議
凡使用802.11系列協議的局域網又稱為Wi-Fi

ESS還可以通過叫做用戶為無線用戶提供到非802.11無線局域網（例如，到有線連接的互聯網）的接入。門戶的作用就相當于一個網橋。
移動站A從某一個基本服務集漫游到另一個基本服務集（到A‘的位置），仍可保持與另一個移動站B進行通信

建立關聯：
一個移動站若要加入到一個基本服務集BSS，就必須先選擇一個接入點AP，并與此接入點建立關聯
建立關聯就表示這個移動站加入選定的AP所屬的子網，并和這個AP之間創建了一個虛擬線路
只有關聯的AP才向這個移動站發送數據，而這個移動站也只有通過關聯的AP才向其他站點發送數據幀

移動站與AP建立關聯的方法：

被動掃描：
移動站等待接入站周期性發出的信標幀
信標幀中包含有若干系統參數（如服務集標識符SSID以及支持的速率等）
主動掃描：
移動站主動發出探測請求幀，然后等待從AP發回的探測響應幀

移動自組網絡：

移動自組網絡又稱為自組網絡。自組網絡是沒有固定基礎設施（即沒有AP）的無線局域網
這種網絡是由一些處于平等狀態的移動站之間相互通信組成的臨時網絡
自組網絡的服務范圍通常是受限的，而且一般也不和外界的其他網絡相連接

無線傳感器網絡 WSN：

無線傳感器網絡WSN是由大量傳感器結點通過無線通信技術構成的自組網絡
無線傳感器網絡的應用是進行各種數據的采集、處理和傳輸，一般并不需要很高的帶寬，但是在大部分時間必須保持低功耗，以節省電池的消耗
由于無線傳感結點的存儲容量受限，因此對協議棧的大小有嚴格的限制

無線傳感器網絡 WSN：

無線傳感器網絡主要的應用領域就是組成各種的物聯網IoT，例如：
環境監測與保護（如洪水預報、動物棲息的監控）；
戰爭中對敵情的監測和對兵力、裝備、物資等的監控；
醫療中對病房的監測和對患者的護理；
在危險的工業環境（如礦井、核電站等）中的安全監測；
城市交通管理、建筑內的溫度/照明/安全控制等；

IEEE 802.11

802.11的物理層和MAC層：
802.11局域網的物理層
802.11標準中物理層相當復雜。根據物理層的不同（如工作頻段、數據率、調制方法等），對應的標準也不同
最早流行的無線局域網是802.11b，802.11a和802.11g.2009年頒布了標準802.11n
802.11的物理層有以下幾種實現方法：
直接序列擴頻DSSS
正交頻分復用OFDM
調頻擴頻FHSS（已很少用）
紅外線IR（已很少用）

802.11局域網的MAC層：
MAC層通過協調功能來確定在基本服務集BSS中的移動站在什么時間能發送數據或接受數據

PCF子層使用集中控制的接入算法把發送數據權輪流交給各個站從而避免了碰撞的產生。自組網絡就沒有PCF子層

幀間間隔 1FS
所有的站在完成發送后，必須再等待一段很短的時間（繼續監聽）才能發送下一幀。這段時間的通稱是幀間間隔

幀間間隔 1FS：
所有的站在完成發送后，必須再等待一段很短的時間（繼續監聽）才能發送下一幀。這段時間的通稱是幀間間隔IFS
幀間間隔長度取決于該站欲發送的幀的類型。高優先級幀需要等待的時間較短，因此可優先獲得發送權
若低優先級幀還沒來得及發送而其他站的高優先級幀已發送到媒體，則媒體變為忙態，因此低優先級幀就只能再推遲發送了。這樣就減少了發生碰撞的機會

SIFS，即短幀間間隔，長度為28US，是最短的幀間間隔，用來分隔開屬于一次對話的各幀。一個站應當能夠在這段時間內從發送方式切換到接收方式

使用SIFS的幀類型有：ACK幀、CTS幀、由過長的MAC幀分片后的數據幀，以及所有回答AP探詢的幀和在PCF方式中接入點AP發送出的任何幀

DIFS，即分布協調功能幀間間隔，它比SIFS的幀間間隔要長的多，長度為128us。在DCF方式中，DIFS用來發送數據幀和管理幀

CSMA/CA協議

不能簡單搬用CSMA/CD協議

無線局域網不能簡單地搬用CSMA/CD協議。這里主要有兩個原因：
“碰撞檢測”要求一個站點在發送本站數據的同時，還必須不間斷地檢測信道，但接收到的信號強度往往會遠遠小于發送信號的強度，在無線局域網的設備中要實現這種功能就花費過大
即使能夠實現碰撞檢測的功能，并請求在發送數據時檢測到信道是空閑的時候，在接收端仍有可能發送碰撞的

無線局域網的特殊問題：

未能檢測出媒體上已存在的信號的問題叫做隱蔽站問題

B向A發送數據并不影響C向D發送數據，這就是暴露站問題

不能簡單搬用CSMA/CA協議：
無線局域網不能使用CSMA/CD，而只能使用改進的CSMA協議
改進的辦法是把CSMA增加一個碰撞避免CA功能
802.11就使用CSMA/CA協議。而在使用CSMA/CA的同時，還增加使用停止等待協議

CSMA/CA原理：

欲發送數據的站先檢測信道
通過收到的相對信號強度是否超過一定的門限數值就可判定是否有其他的移動站在信道上發送數據
當源站發送它的第一個MAC幀時，若檢測到信道空閑，則在等待一段時間DIFS后就可發送

為什么信道空閑還要等待：
這是考慮到可能有其他的站有高優先級的幀要發送。
如有，就要讓高優先級幀先發送

如果沒有高優先級的幀發送，則
源站發送了自己的數據幀。
目的站若正確收到此幀，則經過時間間隔SIFS后向源站發送確認幀ACK
若源站在規定時間內沒有收到確認幀ACK，就必須重傳此幀，直到收到確認為止，或者經過若干次的重傳失敗后放棄發送

虛擬載波監聽

虛擬載波監聽的機制是讓源站將它要占用信道的時間（包括目的站發回確認幀所需的時間）通知給所有其他站，以便使其他所有站在這一段時間都停止發送數據
這樣大大減少了碰撞的機會

“虛擬載波監聽”是表示其他站并沒有監聽信道，而死由于其他站收到了“源站的通知”才不發送數據
虛擬載波監聽這種效果好像是其他站都監聽了信道
所謂“源站的通知”就是源站在其MAC幀首部中的第二個字段“持續時間”中填入了在本幀結束后還要占用信道多少時間（以微妙為單位），包括目的站發送確認幀所需的時間

網絡分配向量

當一個站檢測到正在信道中傳送的MAC幀首部的“持續時間”字段時，就調整自己的網絡分配向量NAV
NAV指出了必須經過多少時間才能完成數據幀的這次傳輸，才能使信道轉入到空閑狀態

信道預約

為了能更好地解決隱蔽站帶來的碰撞問題。802.11允許要發送數據的站對信道進行預約

使用RTS幀和CTS幀會使整個網絡的通信效率有所下降。但與數據幀相比，開銷不算大
相反，若不使用這種控制幀，則一旦發生碰撞而導致數據幀重發，浪費的時間更多

雖然如此，協議還是設有三種情況供用戶選擇：
使用RTS幀和CTS幀
只有當數據幀的長度超過某一數值時才使用RTS幀和CTS幀（顯然，當數據幀本身就很短時，再用RTS幀和CTS幀只能增加開銷）
不使用RTS幀和CTS幀
雖然協議經過精心設計，但碰撞仍然會發生

CSMA/CA協議

爭用窗口

信道從忙態變為空閑時，任何一個站要發送數據幀時，不僅都必須等待一個DIFS的間隔，而且還要進入爭用窗口，并計算隨機退避時間以便再次重新試圖接入到信道
在信道從忙態轉為空閑時，為了避免幾個站同時發送信息，各站就要執行退避算法。這樣做就減少了發生碰撞的概率
802.11使用二進制指數退避算法

二進制指數退避算法

退避計時器

凍結退避計時器剩余時間的做法是為了使協議所有站點更加公平

總結

以上是生活随笔為你收集整理的计算机网络知识点三的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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