數據鏈路層

筆記源自王道視頻

• 計算機網絡概念組成功能分類
• 物理層
• 數據鏈路層
• 網絡層
• 傳輸層
• 應用層

數據鏈路層研究思想

數據鏈路層基本概念

結點:主機、路由器
鏈路：網絡中兩個結點之間的物理通道，鏈路的傳輸介質主要有雙絞線、光纖和微波。分為有線鏈路、無線鏈路。

數據鏈路﹔網絡中兩個結點之間的邏輯通道，把實現控制數據傳輸協議的硬件和軟件加到鏈路上就構成數據鏈路。

幀:鏈路層的協議數據單元，封裝網絡層數據報。

數據鏈路層負責通過一條鏈路從一個結點向另一個物理鏈路直接相連的相鄰結點傳送數據報。

數據鏈路層功能概念

數據鏈路層在物理層提供服務的基礎上向網絡層提供服務，其最基本的服務是將源自網絡層來的數據可靠地傳輸到相鄰節點的目標機網絡層。其主要作用是加強物理層傳輸原始比特流的功能，將物理層提供的可能出錯的物理連接改造成為邏輯上無差錯的數據鏈路，使之對網絡層表現為一條無差錯的鏈路。

• 功能一:為網絡層提供服務。無確認無連接服務（無需建立連接，主機收到也不用返回確認序列），有確認無連接服務（事先不需要建立連接，但是目的主機收到消息后必須發動一個確認序列，源主機在規定時間沒有收到應該收到的確認信息，則會重新傳輸一次數據幀），有確認面向連接服務（事先建立連接，返回確認序列，即TCP的三次握手）。
• 功能二:鏈路管理，即連接的建立、維持、釋放（用于面向連接的服務）。
• 組幀
• 流量控制（限制發送方）
• 差錯控制（幀錯/位錯）

封裝成幀&透明傳輸

封裝成幀

封裝成幀就是在一段數據的前后部分添加首部和尾部，這樣就構成了一個幀。接收端在收到物理層上交的比特流后，就能根據首部和尾部的標記，從收到的比特流中識別幀的開始和結束。
首部和尾部包含許多的控制信息，他們的一個重要作用:幀定界（確定幀的界限）。

組幀的四種方法: 1.字符計數法，2.字符（節）填充法，3.零比特填充法，4.違規編碼法。

透明傳輸

透明傳輸是指不管所傳數據是什么樣的比特組合，都應當能夠在鏈路上傳送。因此，鏈路層就“看不見”有什么妨礙數據傳輸的東西。

當所傳數據中的比特組合恰巧與某一個控制信息完全一樣時，就必須采取適當的措施，使收方不會將這樣的數據誤認為是某種控制信息。這樣才能保證數據鏈路層的傳輸是透明的。（數據鏈路層看不見自己所傳的數據是什么種類）

字符計數法

幀首部使用一個計數字段（第一個字節，八位）來標明幀內字符數。

字符填充法

過程：

零比特填充法

操作:

在發送端，掃描整個信息字段，只要
連續5個1，就立即填入1個0。

在接收端收到一個幀時，先找到標志字段確定邊界，再用硬件對比特流進行掃描。發現連續5個1時，就把后面的0刪除。

保證了透明傳輸:在傳送的比特流中可以傳送任意比特組合，而不會引起對幀邊界的判斷錯誤。

違規編碼法

就是利用編碼中不會使用到的頻段標記為結束和終止

由于字節計數法中Count字段的脆弱性（其值若有差錯將導致災難性后果）及字符填充實現上的復雜性和不兼容性，目前較普遍使用的幀同步法是比特填充和違規編碼法。

差錯控制（檢錯編碼）

差錯從何而來

概括來說，傳輸中的差錯都是由于噪聲引起的。
全局性 1.由于線路本身電氣特性所產生的隨機噪聲(熱噪聲)，是信道固有的，隨機存在的。
解決辦法:提高信噪比來減少或避免干擾。(對傳感器下手)
局部性 ⒉.外界特定的短暫原因所造成的沖擊噪聲，是產生差錯的主要原因。
解決辦法:通常利用編碼技術來解決。

數據鏈路層的差錯控制

數據鏈路層編碼和物理層的數據編碼與調制不同。物理層編碼針對的是單個比特，解決傳輸過程中比特的同步等問題，如曼徹斯特編碼。*而數據鏈路層的編碼針對的是一組比特，它通過冗余碼的技術實現一組二進制比特串在傳輸過程是否出現了差錯。

冗余編碼
在數據發送之前，先按某種關系附加上一定的冗余位，構成一個符合某一規則的碼字后再發送。當要發送的有效數據變化時，相應的冗余位也隨之變化，使碼字遵從不變的規則。接收端根據收到碼字是否仍符合原規則，從而判斷是否出錯。

檢錯編碼——奇偶校驗碼

如果一個字符S的ASCII編碼從低到高依次為1100101，采用奇校驗，在下述收到的傳輸后字符中，哪種錯誤不能檢測?
A.11000011 B.11001010 C.11001100 D.11010011

可以看出S的1的個數為偶數，采用奇校驗去檢驗，即S的的1會是5個，即能檢測出不是5個1的情況，明顯D5個1是檢測不出來的

奇偶校驗碼特點:

• 只能檢查出奇數個比特錯誤，檢錯能力為50%

檢錯編碼——CRC循環冗余編碼

接收端檢錯過程

把收到的每一個幀都除以同樣的除數，然后檢查得到的余數R。

余數為0，判定這個幀沒有差錯，接受。

余數為不為0，判定這個幀有差錯（無法確定到位)，丟棄。

FCS的生成以及接收端CRC檢驗都是由硬件實現，處理很迅速，因此不會延誤數據的傳輸。

在數據鏈路層僅僅使用循環冗余檢驗CRC差錯檢測技術，只能做到對幀的無差錯接收，即“凡是接收端數據鏈路層接受的幀，我們都能以非常接近于1的概率認為這些幀在傳輸過程中沒有產生差錯”。接收端丟棄的幀雖然曾收到了，但是最終還是因為有差錯被丟棄。“凡是接收端數據鏈路層接收的幀均無差錯”。

“可靠傳輸”:數據鏈路層發送端發送什么，接收端就收到什么。
鏈路層使用CRC檢驗，能夠實現無比特差錯的傳輸，但這還不是可靠傳輸。

差錯控制(糾錯編碼)

糾錯編碼——海明碼

海明碼:發現雙比特錯，糾正單比特錯。

工作原理:動一發而章全身

工作流程:

• 確定校驗碼位數r

• 確定校驗碼和數據的位置

• 求出校驗碼的值

• 檢錯并糾錯

確定校驗碼位數r

海明不等式

$$2^r\ge k+r+1(r:冗余信息位，k為信息位)$$

例:要發送的數據:D=101101
數據的位數k=6，
滿足不等式的最小r為4，
也就是D=101101的海明碼應該有6+4=10位，其中原數據6位，效驗碼4位。

⒉確定校驗碼和數據的位置

3.求出校驗碼的值

4.檢錯并糾錯

流量控制與可靠傳輸機制

數據鏈路層的流量控制

較高的發送速度和較低的接收能力的不匹配，會造成傳輸出錯，因此流量控制也是數據鏈路層的一項重要工作。

數據鏈路層的流量控制是點對點的，而傳輸層的流量控制是端到端的。

數據鏈路層流量控制手段:接收方收不下就不回復確認。

傳輸層流量控制手段:接收端給發送端一個窗口公告。

流量控制的方法

可靠傳輸、滑動窗口、流量控制

可靠傳輸:發送端發啥，接收端收啥。

流量控制:控制發送速率，使接收方有足夠的緩沖空間來接收每一個幀。

滑動窗口解決：

• 流量控制（收不下就不給確認，想發也發不了)
• 可靠傳輸（發送方自動重傳)

停止等待協議

停止-等待協議究竟是哪一層的?

以前的時候網絡傳輸質量不好，所以數據鏈路層就得擔負起可靠傳輸的職責，使用停止等待協議，但是現在的網絡質量變好了，通信技術也是十分的可靠，數據鏈路層就拋棄了可靠傳輸，將停止等待協議交給了傳輸層

1.為什么要有停止-等待協議?

除了比特出差錯，底層信道還會出現丟包問題。以及為了實現流量控制

丟包:物理線路故障、設備故障、病毒攻擊、路由信息錯誤等原因，會導致數據包的丟失。

⒉研究停等協議的前提?

雖然現在常用全雙工通信方式，但為了討論問題方便，僅考慮一方發送數據（發送方)，一方接收數據(接收方）。
因為是在討論可靠傳輸的原理，所以并不考慮數據是在哪一個層次上傳送的。
“停止-等待”就是每發送完一個分組就停止發送，等待對方確認，在收到確認后再發送下一個分組。

3.停等協議有幾種應用情況?

無差錯情況&有差錯情況

無差錯情況

有差錯的情況

停等協議性能分析

• 優點：簡單!
• 缺點：信道利用率太低!

信道利用率

發送方在一個發送周期內,有效地發送數據所需要的時間占整個發送周期的比率。

例題:一個信道的數據傳輸率為4kb/s，單向傳播時延為30ms，如果使停止-等待協議的信道最大利用率達到80%，要求的數據幀長度至少為()。

后退N幀協議（GBN協議）

停等協議的弊端

后退N幀協議中的滑動窗口

發送窗口:發送方維持一組連續的允許發送的幀的序號。

GBN發送方必須響應的三件事

1.上層的調用

上層要發送數據時，發送方先檢查發送窗口是否已滿，如果未滿，則產生一個幀并將其發送;如果窗口已滿，發送方只需將數據返回給上層，暗示上層窗口已滿。上層等一會再發送。(實際實現中，發送方可以緩存這些數據，窗口不滿時再發送幀)。

⒉收到了一個ACK

GBN協議中，對n號幀的確認采用累積確認的方式，標明接收方已經收到n號幀和它之前的全部幀。

3.超時事件

協議的名字為后退N幀/回退N幀，來源于出現丟失和時延過長幀時發送方的行為。就像在停等協議中一樣，定時器將再次用于恢復數據幀或確認幀的丟失。如果出現超時，發送方重傳所有已發送但未被確認的幀。

GBN接收方要做的事

如果正確收到n號幀，并且按序，那么接收方為n幀發送一個ACK，并將該幀中的數據部分交付給上層。

其余情況都丟棄幀，并為最近按序接收的幀重新發送ACK。接收方無需緩存任何失序幀，只需要維護一個信息: expectedseqnum(下一個按序接收的幀序號）。

運行中的GBN

滑動窗口長度

若采用n個比特對幀編號，那么發送窗口的尺寸W,應滿足:$1\le W_t<2^n?1$。因為發送窗口尺寸過大，就會使得接收方無法區別新幀和舊幀。

GBN 協議重點總結

• 累積確認（偶爾稍待確認）
• 接收方只按照順序接受幀，不按序無情丟棄
• 確認序列號最大的，按序到達的幀
• 發送窗口最大為$2^n?1$,接受窗口大小為1

數據鏈路層采用了后退N幀(GBN )協議，發送方已經發送了編號為O~7的幀。當計時器超時時，若發送方只收到0、2、3號幀的確認，則發送方需要重發的幀數是()。

GBN性能分析

優點：因連續發送數據幀而提高了信道利用率

弊端：在重傳時必須把原來已經正確傳送的數據幀重傳，是傳送效率降低。

選擇重傳協議（Selective Repeat）

GBN協議的弊端

累積確認————> 批量重傳

可不可以只重傳出錯的幀

解決辦法：設置單個確認，同時加大接收窗口，設置接收緩存，緩存亂序到達的幀

選擇重傳機制的發送窗口

SR發送方必須響應的三件事

1.上層的調用

從上層收到數據后，SR發送方檢查下一個可用于該幀的序號，如果序號位于發送窗口內，則發送數據幀;否則就像GBN一樣，要么將數據緩存，要么返回給上層之后再傳輸。

2.收到了一個ACK

如果收到ACK，加入該幀序號在窗口內，則sR發送方將那個被確認的幀標記為已接收。如果該幀序號是窗口的下界（最左邊第一個窗口對應的序號），則窗口向前移動到具有最小序號的未確認幀處。如果窗口移動了并且有序號在窗口內的未發送幀，則發送這些幀。

3.超時事件

每個幀都有自己的定時器，一個超時事件發生后只重傳一個幀。

SR接收方要做的事

來者不拒(窗口內的幀)

SR接收方將確認一個正確接收的幀而不管其是否按序。失序的幀將被緩存，并返回給發送方一個該幀的確認幀【收誰確認誰】，直到所有幀（即序號更小的幀）皆被收到為止，這時才可以將一批幀按序交付給上層，然后向前移動滑動窗口。

如果收到了窗口序號外(小于窗口下界)的幀，就返回一個ACK。

其他情況，就忽略該幀。

運行中的SR

滑動窗口的長度

SR協議重點總結

• 對數據幀逐一確認，收一個確認一個
• 只重傳出錯幀
• 接收方有緩存
• $W_{Tmax}=W_{Rmax}=2^{n?1}$

數據鏈路層采用了選擇重傳（SR)協議，發送方已經發送了編號為0~3的幀。現已收到1號幀的確認，而0、2號幀依次超時，則發送方需要重傳的幀數是(A)。
A. 2 B .3 c .4 D. 5

信道劃分介質訪問控制

數據傳輸使用的兩種鏈路

點對點鏈路

兩個相鄰節點通過一個鏈路相連，沒有第三者。

應用:PPP協議，常用于廣域網。

廣播式鏈路

所有主機共享通信介質。
應用:早期的總線以太網、無線局域網，常用于局域網。

典型拓撲結構:總線型、星型（邏輯總線型)

介質訪問控制

介質訪問控制的內容就是，采取一定的措施，使得兩對節點之間的通信不會發生互相干擾的情況。

介質訪問控制

• 靜態劃分信道
  • 信道劃分介質訪問控制
    • 頻分多路復用FDM
    • 時分多路復用TDM
    • 波分多路復用WDM
    • 碼分多路復用CDM
• 動態分配信道
  • 輪詢訪問介質訪問控制
    • 令牌傳遞協議
  • 隨機訪問介質訪問控制
    • ALOHA協議
    • CSMA協議
    • CSMA/CD協議
    • CSMA/CA協議

信道劃分介質訪問控制

信道劃分介質訪問控制:將使用介質的每個設備與來自同一信道上的其他設備的通信隔離開，把時域和頻域資源合理地分配給網絡上的設備。

多路復用技術：把多個信號組合在一條物理信道上進行傳輸，使得多個計算機或終端設備共享信道資源,提高信道利用率。

• 把一條廣播信道，邏輯上分成幾條用于兩個節點之間通信的互不干擾的子信道，實際就是把廣播信道轉變為點對點信道。

頻分多路復用

用戶在分配到一定的頻帶后，在通信過程中自始至終都占用這個頻帶。頻分復用的所有用戶在同樣的時間占用不同的帶寬（頻率帶寬）資源。

優點：充分利用傳輸介質帶寬，系統效率較高;由于技術比較成熟，實現也比較容易。

時分復用

將時間劃分為一段段等長的時分復用幀（TDM幀）。每一個時分復用的用戶在每一個TDM幀中占用固定序號的時隙,所有用戶輪流占用信道。

頻分復用——“并行”

時分復用――“并發”

統計時分復用（STDM）

STDM幀：物理層傳送流劃分的一個幀

每一個STDM幀中的時隙數小于連接在集中器上的用戶數。各用戶有了數據就隨時發往集中器的輸入緩存，然后集中器按順序依次掃描輸入緩存，把緩存中的輸入數據放入STDM幀中，一個STDM幀滿了就發出。STDM幀不是固定分配時隙,而是按需動態分配時隙。

波分多路復用

波分多路復用就是光的頻分多路復用，在一根光纖中傳輸多種不同波長（頻率）的光信號，由于波長（頻率)不同，所以各路光信號互不干擾，最后再用波長分解復用器將各路波長分解出來。

碼分多路復用

**碼分多址(CDMA）**是碼分復用的一種方式。

碼分多路復用的規定：把0寫成-1的形式

1個比特分為多個碼片/芯片(chip)，每一個站點被指定一個唯一的m位的芯片序列。

發送1時站點發送芯片序列，發送o時發送芯片序列反碼（通常把O寫成-1）。

如何不打架:多個站點同時發送數據的時候，要求各個站點芯片序列相互正交（站點序列諸位相乘再相加再除以位數，判斷是否等于0，等于0 就發送（即不打架））

如何合并:各路數據在信道中被線性相加。

如何分離:合并的數據和源站（源站1比特所對應的位）規格化內積。

ALOHA協議

動態分配信道

動態媒體接入控制/多點接入

特點:信道并非在用戶通信時固定分配給用戶。

隨機訪問介質訪問控制所有用戶可隨機發送信息。發送信息時占全部帶寬

純ALOHA協議

純ALOHA協議思想:不監聽信道，不按時間槽發送，隨機重發。想發就發

沖突如何檢測?

如果發生沖突，接收方在就會檢測出差錯,然后不予確認，發送方在一定時間內收不到就判斷發生沖突。

沖突如何解決?

超時后等一隨機時間再重傳。

時隙ALOHA協議

時隙ALOHA協議的思想:把時間分成若干個相同的時間片，所有用戶在時間片開始時刻同步接入網絡信道，若發生沖突，則必須等到下一個時間片開始時刻再發送。

控制想發就發的隨意性

關于ALOHA要知道的事

純ALOHA比時隙ALOHA吞吐量更低，效率更低。

純ALOHA想發就發，時隙ALOHA只有在時間片段開始時才能發。

CSMA協議

載波監聽多路訪問協議CSMA (carrier sense multiple access)

CS:載波偵聽/監聽，每一個站在發送數據之前要檢測一下總線上是否有其他計算機在發送數據。

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，即發生了沖突。

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。

協議思想:發送幀之前，監聽信道。

1-堅持CSMA

堅持指的是對于監聽信道忙之后的堅持。
1-堅持CSMA思想:如果一個主機要發送消息，那么它先監聽信道。
空閑則直接傳輸，不必等待。
忙則一直監聽，直到空閑馬上傳輸。

如果有沖突（一段時間內未收到肯定回復)，則等待一個隨機長的時間再監聽，重復上述過程。

優點:只要媒體空閑，站點就馬上發送，避免了媒體利用率的損失。

缺點:假如有兩個或兩個以上的站點有數據要發送，沖突就不可避免。

非堅持CSMA

非堅持指的是對于監聽信道忙之后就不繼續監聽。
非堅持CSMA思想:如果一個主機要發送消息，那么它先監聽信道。
空閑則直接傳輸，不必等待。
忙則等待一個隨機的時間之后再進行監聽。

優點:采用隨機的重發延遲時間可以減少沖突發生的可能性。
缺點:可能存在大家都在延遲等待過程中，使得媒體仍可能處于空閑狀態，媒體使用率降低.

p-堅持CSMA

p-堅持指的是對于監聽信道空閑的處理。

p-堅持CSMA思想:如果一個主機要發送消息，那么它先監聽信道。

空閑則以p概率直接傳輸，不必等待;概率1-p等待到下一個時間槽再傳輸。

忙則等待一個隨機的時間之后再進行監聽。

優點:既能像非堅持算法那樣減少沖突，又能像1-堅持算法那樣減少媒體空閑時間的這種方案。

缺點：發生沖突后還是要堅持把數據幀發送完，造成了浪費。

有沒有什么辦法可以減少資源浪費一沖突就能發現呢?

三種對比總結

1-堅持CSMA非堅持CSMAp-堅持CSMA

信道空閑	馬上發	馬上發	p概率馬上發，1-p概率等到下一個時隙再發送
信道忙	繼續堅持監聽	放棄監聽，等一個隨機時間再監聽	放棄監聽，等一個隨機時間再監聽

CSMA/CD協議

載波監聽多點接入/碰撞檢測CSMA/CD (carrier sense multiple access with collision detection)

CS:載波偵聽/監聽，每一個站在發送數據之前以及發送數據時都要檢測一下總線上是否有其他計算機在發送數據（檢測電壓擺動值）。

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。總線型網絡
CD:碰撞檢測（沖突檢測），“邊發送邊監聽”，適配器邊發送數據邊檢測信道上信號電壓的變化情況，以便判斷自己在發送數據時其他站是否也在發送數據。（半雙工網絡）

先聽后發為什么還會沖突?

因為電磁波在總線上總是以有限的速率傳播的。

傳播時延對載波監聽的影響（造成數據沖突和碰撞）

如何確定碰撞后的重傳時機?

截斷二進制指數規避算法

1.確定基本退避（推遲）時間為爭用期2t。
2.定義參數k，它等于重傳次數，但k不超過10，即k=min[重傳次數，10]。當重傳次數不超過10時，k等于重傳次數;當重傳次數大于10時，k就不再增大而一直等于10。
3.從離散的整數集合**[0,1,$2^k$-1]**中隨機取出一個數r，重傳所需要退避的時間就是r倍的基本退避時間，即2r t 。
4.當重傳達16次仍不能成功時，說明網絡太擁擠，認為此幀永遠無法正確發出，拋棄此幀并向高層報告出錯。

第一次重傳，k=1，r從{0，1}選;
重傳推遲時間為0或2t，在這兩個時間中隨機選一個﹔
若再次碰撞，則在第二次重傳時，k=2，r從{0，1，2，3}選;重傳推遲時間為0或2t或4t或6t，在這四個時間中隨機選一個;
若再次碰撞，則第三次重傳時，k=3，r從{0，1，2，3，4，5，6，7}選…

若連續多次發生沖突，就表明可能有較多的站參與爭用信道。使用此算法可使重傳需要推遲的平均時間隨重傳次數的增大而增大，因而減小發生碰撞的概率，有利于整個系統的穩定。

例:在以太網的二進制回退算法中，在11次碰撞之后，站點會在0~(? ）之間選擇一個隨機數。

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最小幀長問題

最小幀長

幀的傳輸時延至少要兩倍于信號在總線中的傳播時延。
$$\frac{幀長(bit)}{數據傳輸速率}\ge 2t$$

最小幀長=總線傳播時延x數據傳輸速率x2(2t x 數據傳輸速率)

以太網規定最短幀長為64B，凡是長度小于64B的都是由于沖突而異常終止的無效幀。

CSMA/CD協議

• CS、MA、CD
• 傳播時延對載波監聽的影響
• 截斷二進制指數規避算法
• 最小幀長=2×總線傳播時延×數據傳輸速率

CSMA/CA協議

載波監聽多點接入/碰撞避免CSMA/CA (carrier sense multiple access with collision avoidance)

為什么要有CSMA/CA?

• 無線局域網
  • CD無法做到360°全面檢測碰撞
  • 隱蔽站：當A和c都檢測不到信號，認為信道空閑時，同時向終端B發送數據幀，就會導致沖突.

CSMA/CA協議工作原理

發送數據前，先檢測信道是否空閑。
空閑則發出RTS(request to send）（幀、信號）,RTS包括發射端的地址、接收端的地址、下一份數據將持續發送的時間等信息;信道忙則等待。

接收端收到RTS后，將響應CTS (clear to send） 。

發送端收到CTS后，開始發送數據幀(同時預約信道:發送方告知其他站點自己要傳多久數據

接收端收到數據幀后，將用CRC來檢驗數據是否正確，正確則響應ACK幀。

發送方收到ACK就可以進行下一個數據幀的發送，若沒有則一直重傳至規定重發次數為止（采用二進制指數退避算法來確定隨機的推遲時間)。

預約信道

ACK幀

RTS/CTS幀（可選）：解決隱蔽站的問題

CSMA/CD與CSMA/CA

相同點:

CSMA/CD與CSMA/CA機制都從屬于CSMA的思路，其核心是先聽再說。換言之，兩個在接入信道之前都須要進行監聽。當發現信道空閑后，才能進行接入。

不同點:

1.傳輸介質不同:CSMA/CD用于總線式以太網【有線】，而CSMA/CA用于無線局域網【無線】。
⒉載波檢測方式不同:因傳輸介質不同，CSMA/CD與CSMA/CA的檢測方式也不同。CSMA/CD通過電纜中電壓的變化來檢測，當數據發生碰撞時，電纜中的電壓就會隨著發生變化;而CSMA/CA采用能量檢測(ED)、載波檢測(CS）和能量載波混合檢測三種檢測信道空閑的方式。

3.CSMA/CD檢測沖突，CSMA/CA避免沖突，二者出現沖突后都會進行有上限的重傳。

輪詢訪問介質訪問控制

介質訪問控制

信道劃分介質訪問控制(MAC Multiple Access Control）協議:

• 基于多路復用技術劃分資源。
• 網絡負載重:共享信道效率高，且公平
• 網絡負載輕:共享信道效率低

隨機訪問MAC協議:（會發生沖突）

• 用戶根據意愿隨機發送信息，發送信息時可獨占信道帶寬。
• 網絡負載重:產生沖突開銷
• 網絡負載輕:共享信道效率高，單個結點可利用信道全部帶寬

輪詢訪問MAC協議/輪流協議/輪轉訪問MAC協議:

• 既要不產生沖突，又要發送時占全部帶寬。

輪詢協議

主結點輪流“邀請”從屬結點發送數據。

問題：

輪詢開銷

等待延遲

單點故障

令牌傳遞協議

令牌:一個特殊格式的MAC控制幀，不含任何信息。控制信道的使用，確保同一時刻只有一個結點獨占信道。（令牌環網無碰撞）

每個結點都可以在一定的時間內（令牌持有時間）獲得發送數據的權利，并不是無限制地持有令牌。

問題:
1.令牌開銷 ⒉.等待延遲 3.單點故障
應用于令牌環網（物理星型拓撲，邏輯環形拓撲）。

采用令牌傳送方式的網絡常用于負載較重、通信量較大的網絡中。

局域網基本概念和體系結構

局域網

局域網(Local Area Network):簡稱LAN，是指在某一區域內由多臺計算機互聯成的計算機組，使用廣播信道。

特點1:覆蓋的地理范圍較小，只在一個相對獨立的局部范圍內聯，如一座或集中的建筑群內
特點2:使用專門鋪設的傳輸介質（雙絞線、同軸電纜）進行聯網，數據傳輸速率高(10Mb/s～~10Gb/s）。

特點3:通信延遲時間短，誤碼率低，可靠性較高。
特點4:各站為平等關系，共享傳輸信道。
特點5:多采用分布式控制和廣播式通信，能進行廣播和組播。

決定局域網的主要要素為:$網絡拓撲$，$傳輸介質與介質訪問控制方法$。

局域網拓撲結構

星型拓撲：中心節點是控制中心，任意兩個節點間的通信最多只需兩步，傳輸速度快,并且網絡構形簡單、建網容易、便于控制和管理。但這種網絡系統，網絡可靠性低，網絡共享能力差,有單點故障問題。

總線型拓撲;網絡可靠性高、網絡節點間響應速度快、共享資源能力強、設備投入量少、成本低、安裝使用方便,當某個工作站節點出現故障時，對整個網絡系統影響小。

環形拓撲：系統中通信設備和線路比較節省。有單點故障問題;由于環路是封閉的，所以不便于擴充，系統響應延時長，且信息傳輸效率相對較低。

樹形拓撲；易于拓展，易于隔離故障，也容易有單點故障。

局域網

• 有線局域網常用介質:雙絞線、同軸電纜、光纖
• 無線局域網常用介質:電磁波

局域網介質訪問控制

1.CSMA/CD 常用于總線型局域網，也用于樹型網絡
2令牌總線常用于總線型局域網，也用于樹型網絡

• 它是把總線型或樹型網絡中的各個工作站按一定順序如按接口地址大小排列形成一個邏輯環。只有令牌持有者才能控制總線，才有發送信息的權力。

3.令牌環用于環形局域網，如令牌環網

局域網分類

以太網 以太網是應用最為廣泛的局域網，包括標準以太網(10Mbps)、快速以太網(10OMbps) 、千兆以太網（1000 Mbps）和10G以太網，它們都符合IEEE802.3系列標準規范。邏輯拓撲總線型，物理拓撲是星型或拓展星型。使用CSMA/CD.

令牌環網 物理上采用了星形拓撲結構，邏輯上是環形拓撲結構。已是“明日黃花”

FDDI網(Fiber Distribubed Data Inberface) 物理上采用了雙環拓撲結構，邏輯上是環形拓撲結構。

ATM網（Asynchronous Transfer Mode）較新型的單元交換技術,使用53字節固定長度的單元進行交換。

無線局域網(Wireless LocalArea NetworkWLAN）采用IEEE 802.11標準。

IEEE802標準

IEEE 802系列標準是IEEE 802 LAN/MAN標準委員會制定的局域網、城域網技術標準（1980年2月成立）)。其中最廣泛使用的有以太網、令牌環、無線局域網等。這一系列標準中的每一個子標準都由委員會中的一個專門工作組負責。

MAC子層和LLC子層

IEEE 802標準所描述的局域網參考模型只對應OSI參考模型的數據鏈路層與物理層，它將數據鏈路層劃分為邏輯鏈路層LLC子層和介質訪問控制MAC子層。

• LLC負責識別網絡層協議，然后對它們進行封裝。LLC報頭告訴數據鏈路層一旦幀被接收到時，應當對數據包做何處理。為網絡層提供服務:無確認無連接、面向連接、帶確認無連接、高速傳送。
• MAC子層的主要功能包括數據幀的封裝/卸裝，幀的尋址和識別，幀的接收與發送，鏈路的管理，幀的差錯控制等。MAC子層的存在屏蔽了不同物理鏈路種類的差異性。

以太網

以太網概述

以太網(Ethernet)指的是由xerox公司創建并由Xerox、Intel和DEC公司聯合開發的基帶總線局域網規范，是當今現有局域網采用的最通用的通信協議標準。以太網絡使用CSMA/CD（載波監聽多路訪問及沖突檢測）技術。

以太網在局域網各種技術中占統治性地位:

造價低廉（以太網網卡不到100塊);

是應用最廣泛的局域網技術;

比令牌環網、ATM網便宜，簡單;

滿足網絡速率要求:10Mb/s~10Gb/s.

以太網兩個標準
DIX Ethernet V2:第一個局域網產品（以太網）規約。
IEEE 802.3: IEEE 802委員會802.3工作組制定的第一個IEEE的以太網標準。（幀格式有一丟丟改動)

又叫做802.3局域網AKA以太網

以太網提供無連接、不可靠的服務

無連接:發送方和接收方之間無“握手過程”。
不可靠:不對發送方的數據幀編號，接收方不向發送方進行確認，差錯幀直接丟棄，差錯糾正由高層負責。

以太網只實現無差錯接收，不實現可靠傳輸。

以太網傳輸介質與拓撲結構的發展

使用集線器的以太網在邏輯上仍是一個總線網，各站共享邏輯上的總線，使用的還是CSMA/CD協議。以太網拓撲:邏輯上總線型，物理上星型。

10BASE-T以太網

10BASE-T是傳送基帶信號的雙絞線以太網，T表示采用雙絞線，現10BASE-T采用的是無屏蔽雙絞線(UTP），傳輸速率是10Mb/s。

物理上采用星型拓撲，邏輯上總線型，每段雙絞線最長為100m.

采用曼徹斯特編碼。

采用CSMA/CD介質訪問控制。

適配器與MAC地址

計算機與外界有局域網的連接是通過通信適配器的。

• 網絡接口板
• 網絡接口卡NIC (network interface card)
• NOW，不再使用單獨網卡。
• 適配器上裝有處理器和存儲器（包括RAM和ROM)。
• ROM上有計算機硬件地址MAC地址。

在局域網中，硬件地址又稱為物理地址，或MAC地址。【實際上是標識符】

MAC地址:每個適配器有一個全球唯一的48位二進制地址，前24位代表廠家（由IEEE規定)，后24位廠家自己指定。常用6個十六進制數表示，如02-60-8c-e4-b1-21。

以太網MAC幀

最常用的MAC幀是以太網V2的格式。

與IEEE 802.3的區別:

第三個字段是長度/類型

當長度/類型字段值小于OxO600時，數據字段必須裝入LLC子層。

高速以太網

速率≥100Mb/s的以太網稱為高速以太網。

1.100BASE-T以太網
在雙絞線上傳送100Mb/s基帶信號的星型拓撲以太網，仍使用IEEE802.3的CSMA/CD協議。支持全雙工和半雙工，可在全雙工方式下工作而無沖突。

2.吉比特以太網
在光纖或雙絞線上傳送1Gb/s信號。
支持全雙工和半雙工，可在全雙工方式下工作而無沖突。

3.10吉比特
10吉比特以太網在光纖上傳送10Gb/s信號。

無線局域網

IEEE802.11

IEEE 802.11是無線局域網通用的標準，它是由IEEE所定義的無線網絡通信的標準。

802.11的MAC幀頭格式

有固定基礎設施無線局域網

無固定基礎設施無線局域網的自組織網絡

PPP協議和HDLC協議

廣域網

廣域網(WAN，Wide Area Network)，通常跨接很大的物理范圍，所覆蓋的范圍從幾十公里到幾千公里，它能連接多個城市或國家，或橫跨幾個洲并能提供遠距離通信，形成國際性的遠程網絡。
廣域網的通信子網主要使用分組交換技術。廣域網的通信子網可以利用公用分組交換網、衛星通信網和無線分組交換網，它將分布在不同地區的局域網或計算機系統互連起來，達到資源共享的目的。如因特網（Internet)是世界范圍內最大的廣域網。

PPP協議的特點

點對點協議PPP(Point-to-Point Protocol)是目前使用最廣泛的數據鏈路層協議，用戶使用撥號電話接入因特網時一般都使用PPP協議。
只支持全雙工鏈路。

PPP協議應滿足的要求

簡單 對于鏈路層的幀，無需糾錯，無需序號，無需流量控制。

封裝成幀 幀定界符
透明傳輸 與幀定界符一樣比特組合的數據應該如何處理。異步線路用字節填充，同步線職現練水聞來。

多種網絡層協議 封裝的IP數據報可以采用多種協議。
多種類型鏈路 串行/并行，同步/異步，電/光…

差錯檢測 錯就丟棄。
檢測連接狀態 鏈路是否正常工作。

最大傳送單元 數據部分最大長度MTU。
網絡層地址協商 知道通信雙方的網絡層地址。

數據壓縮協商

PPP協議無需滿足的要求

糾錯

流量控制

序號
不支持多點線路

PPP協議的三個組成部分

1.一個將IP數據報封裝到串行鏈路（同步串行/異步串行）的方法。
⒉鏈路控制協議LCP: 建立并維護數據鏈路連接。身份驗證
3.網絡控制協議NCP: PPP可支持多種網絡層協議，每個不同的網絡層協議都要一個相應的NCP來配置，為網絡層協議建立和配置邏輯連接。

PPP協議的狀態圖

PPP協議的幀格式

HDLC協議

高級數據鏈路控制(High-Level Data Link Control或簡稱HDLC)，是一個在同步網上傳輸數據、面向比特的數據鏈路層協議，它是由國際標準化組織(ISO)根據IBM公司的SDLC(SynchronousData Link Control)協議擴展開發而成的.

數據報文可透明傳輸，用于實現透明傳輸的“0比特插入法”易于硬件實現

采用全雙工通信
所有幀采用CRC檢驗，對信息幀進行順序編號，可防止漏收或重份，傳輸可靠性高。

HDLC的站

主站、從站、復合站
1.主站的主要功能是發送命令（包括數據信息）幀、接收響應幀，并負責對整個鏈路的控制系統的初啟、流程的控制、差錯檢測或恢復等。
⒉從站的主要功能是接收由主站發來的命令幀，向主站發送響應幀，并且配合主站參與差錯恢復等鏈路控制。
3.復合站的主要功能是既能發送，又能接收命令幀和響應幀，并且負責整個鏈路的控制。

三種數據操作方式:
1.正常響應方式

2.異步平衡方式

3.異步響應方式

HDLC的幀格式

1）信息幀(I）第1位為0，用來傳輸數據信息，或使用捎帶技術對數據進行確認;

2）監督幀(S)10，用于流量控制和差錯控制，執行對信息幀的確認、請求重發和請求暫停發送等功能

3）無編號幀(U) 11，用于提供對鏈路的建立、拆除等多種控制功能。

PPP協議& HDLC協議

HDLC、PPP只支持全雙工鏈路。

都可以實現透明傳輸（ppp既能實現0比特填充和字節填充，hdlc只能實現0比特填充）。

都可以實現差錯檢測（FCS字段CRC），但不糾正差錯。

鏈路層設備

物理層擴展以太網

網橋&交換機

網橋根據MAC幀的目的地址對幀進行轉發和過濾。當網橋收到一個幀時，并不向所有接口轉發此幀，而是先檢查此幀的目的MAC地址，然后再確定將該幀轉發到哪一個接口，或者是把它丟棄（即過濾）。

網段:一般指一個計算機網絡中使用同一物理層設備(傳輸介質，中繼器，集線器等）能夠直接通訊的那一部分。

網橋優點:

過濾通信量，增大吞吐量。

擴大了物理范圍。

提高了可靠性。

可互連不同物理層、不同MAC子層和不同速率的以太網。

網橋分類――透明網橋

透明網橋:“透明”指以太網上的站點并不知道所發送的幀將經過哪幾個網橋，是一種即插即用設備—―自學習。

網橋分類—―源路由網橋

源路由網橋:在發送幀時，把詳細的最佳路由信息(路由最少/時間最短）放在幀的首部中。

方法：源站以廣播方式向欲通信的目的站發送一個發現幀。

多接口網橋――以太網交換機

以太網交換機的兩種交換方式

直通式交換機

查完目的地址（6B）就立刻轉發。
延遲小，可靠性低，無法支持具有不同速率的端口的交換。

存儲轉發式交換機

將幀放入高速緩存，并檢查否正確，正確則轉發，錯誤則丟棄。延遲大，可靠性高，可以支持具有不同速率的端口的交換。

沖突域和廣播域

沖突域：在同一個沖突域中的每一個節點都能收到所有被發送的幀。簡單的說就是同一時間內只能有一臺設備發送信息的范圍。

廣播域：網絡中能接收任一設備發出的廣播幀的所有設備的集合。簡單的說如果站點發出一個廣播信號，所有能接收收到這個信號的設備范圍稱為一個廣播域。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的《王道计算机考研》：数据链路层的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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