計算機網絡第三章數據鏈路層

3.1 概述

（都是重點）

數據鏈路層的功能
電路層的兩種信道
局域網、廣域網
鏈路層的設備

數據鏈路層的基本概念

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。分爲有線鏈路、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。

功能

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爲邏輯上無差錯的數據鏈路，使之對網絡層表現爲一條無差錯的鏈路。
1 爲網絡層提供服務。無確認無連接服務，有確認無連接服務，有確認面向連接服務。（有連接一定有確認）
2. 鏈路管理，即連接的建立、維持、釋放（用於面向連接的服務）
3. 組幀
4. 流量控制
5. 差錯控制（幀錯/位錯）

3.2 封裝成幀和透明傳輸

封裝成幀

封裝成幀就是在一段數據的前後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後，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控制信息，其中一個重要作用：幀定界（確定幀的界限）。
**幀同步：**接收方應當能從接收到的二進制比特流中區分幀的起始和終止
最大傳輸單元 MTU

透明傳輸

透明傳輸是指不管所傳數據是什麼樣的比特組合，都應當能夠在鏈路上傳送。因此，鏈路層就“看不見”有什麼妨礙數據傳輸的東西。
當所傳數據中的比特組合恰巧與某一一個控制信息完全一樣時，就必須採取適當的措施，使收方不會將這樣的數據誤認爲是某種控制信息。這樣才能保證數據鏈路層的傳輸是透明的。

組幀的四種方法

1.字符計數法

幀首部使用一個計數字段（第一個字節，八位）來表明幀內字符數。

2.字符（節）填充法

開始添加SOH，末尾添加EOT，作爲開始結束的標誌。
如果數據部分也有這個標誌命令，那麼填充轉義字符ESC。

3.零比特填充法

開始結尾都是01111110，數據中遇到5個1，後面無腦加0

4.違規編碼法

用編碼中不會用到的編碼方式，比如曼徹斯特編碼中不會出現高-高和低-低。

3.3.1 差錯控制（檢錯編碼）

差錯來源

概括來說，傳輸中的差錯都是由於噪聲引起的。
全局性：1.由於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：2.外接特定的短暫原因所造成的衝擊噪聲，是產生差錯的主要原因。
解決辦法：通常利用編碼技術解決。
差錯分爲：位錯和幀錯。

數據鏈路層的差錯控制

比特錯

檢錯編碼：奇偶校驗碼+ 循環冗餘碼CRC
糾錯編碼：海明碼

檢錯編碼奇偶校驗碼

n-1個信息，1個校驗碼
奇校驗是n箇中，1的個數爲奇數
偶校驗是n箇中，1的個數爲偶數
只能檢查出奇數個比特錯誤，檢錯能力爲50%。

檢錯編碼 CRC循環冗餘碼

求出冗餘碼，加到數據中即可。最終發送的數據：要發送的數據+幀檢驗序列FCS。
計算冗餘碼：
（1）加0：假設生成多項式G(x)的階爲r，則加r個0。TIPS：多項式N位，階爲N-1。
（2）模2除法：數據加0後除以多項式，餘數爲冗餘碼/FCS/CRC檢驗碼的比特序列。
除的時候算差要異或。

3.3.2 差錯控制（糾錯編碼）海明碼

可以發現雙比特錯，糾正單比特錯。

1.確定校驗碼位數r

海明不等式： $2^r \geq k+r+1$ ，其中r爲冗餘信息位，k爲信息位。

2.確定校驗碼和數據的位置

設D=101101
假設4位校驗碼分別爲P1，P2，P3，P4；數據從左到右爲D1，D2，…D6。
P放在2的幾次方的位置，D按照順序把空填滿。

3.求出校驗碼的值

求P：包括自身和所有校驗位異或和爲0。（要檢驗的位是二進制位上對應這個P是1的）

4.檢錯並糾錯

再算一遍，然後按照P4P3P2P1的順序組合，就是出錯的地方。取反碼即可。

3.4.1 流量控制與可靠傳輸（1）

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覆確認。
傳輸層流量控制手段:接收端給發送端一一個窗口公告。
這是兩個路由之間的控制，而不是兩個主機之間的。

流量控制的方法概述

（1）停止-等待協議

每發送完一個幀就停止發送，等待對方的確認，在收到確認後再發送下一個幀。

（2）滑動窗口 - 後退N幀協議（GBN）+ 選擇重傳協議（SR）

多個等待區。

3.4.2 停止-等待協議

最初是在數據鏈路層，現在更可靠了，所以會放在傳輸層，增快底層速率。

背景

丟包。

應用

（1）無差錯

（2）有差錯 1-數據幀丟失或檢測到幀出錯

無ACK，超時重傳即可。

（3）有差錯 2-ACK丟失

對於發送方來說還是沒有ACK，所以超時重傳，對於接收方第二次要覆蓋第一次。

（4）有差錯 3-ACK遲到

發送方超時重傳，加一步發現ACK不對啊，所以丟棄，對於接收方繼續覆蓋。

性能分析

信道利用率信道吞吐率計算

信道利用率=(L/C)/T
T是發送週期
L是T時間內發送L比特的數據
C是發送方數據傳輸率
信道吞吐率=信道利用率*發送方的發送速率
例題：

3.4.3 後退N幀協議（GBN）

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。（維持多個備份）
接收窗口：接收方維持一組連續的允許接收幀的序號。

GBN發送方必須響應的三件事

1.上層的調用，如果自己滿了就告訴上層等等
2…收到ACK，GBN協議中，對n號幀的確認採用累計確認，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：如果超時，那發送方要重發所有已經發送但是沒有被確認的幀。

GBN接收方要做的事

1.如果正確收到n號幀，並且按序，那麼接收方爲n幀發送一個ACK，並且將該幀中的數據部分交付給上層。
2.其他情況都丟幀，並且爲最近按序接收的幀重新發送ACK。接收方需要維護一個下一個按序接收的幀序號，自己用變量法存儲。

例子圖解

滑動窗口長度

取決於用多少個比特對幀編號，比如用n個，發送窗口的大小W應該滿足：1 <= W <= 2^n-1
如果等於1，就是停等了，但是也合法。

GBN協議重點總結

累計確認（偶爾捎帶確認）
接收方只按順序接受幀，不按序無情丟棄
確認序列號最大的、按序到達的幀
發送窗口最大爲2^n-1，接受窗口大小爲1

例題

3.4.4 選擇重傳協議（SR）

窗口分配

SR 發送方必須相應的三件事

注意的是2,3跟之前的區別。

SR 接收方要做的事

注意的是，如果來的是之前的幀，要重新發送一份ACK。

滑動窗口大小

$W_{Tmax}=W_{Rmax}=2^{(n-1)}$ 。
當不滿足這個式子的一個典型錯誤舉例：

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
$W_{Tmax}=W_{Rmax}=2^{(n-1)}$ 。

3.5.1 信道劃分介質訪問控制

傳輸數據使用的兩種鏈路

點對點鏈路：相鄰結點，一個鏈路相連。PPP協議，常用於廣域網。
廣播式鏈路：所有主機共享同心介質。早起的總線以太網、無線局域網，常用於局域網。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是：採取一定的措施，使得兩對節點之間的通信不會發生互相干擾的情況。

信道劃分介質訪問控制（靜態）

頻分多路複用 FDM

所有用戶在同樣的時間用不同的帶寬

時分多路複用 TDM

將時間劃分爲一段段登場的時分複用幀（TDM幀）。每一個用戶在每一個TDM幀中佔用固定序號的時隙，所有用戶輪流佔用信道。
改進的時分複用——統計時分複用 STDM
集線器有一個緩存等待輸入

波分多路複用 WDM

跟頻分多路複用差不多，這裏是指逛的頻率，光信號波長不同，互不干擾，用合波器合成，用分波器分解。

碼分多路複用 CDM

碼分多址（CDMA）是碼分複用的一種方式。
每個主機有一個碼，這些碼相互正交。發送的比特是1，那麼就是這個芯片序列，否則反相。然後多個處理後的芯片序列相加一起發出去。（正交所以相互不影響）
解析：

3.5.2 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。
遇到衝突，發送方不知道，等超時或者錯誤返回再重發。

時隙ALOHA協議

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開始同步接入網絡信道，如果發生衝突，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）。

ALOHA小總結

1.純ALOHA比時隙ALOHA吞吐量更低，效率更低。
2.純ALOHA想發就發，時隙ALOHA只有在時間片段開始時才能發。

3.5.3 CSMA協議

概念

載波監聽多路訪問協議 CSMA（carrier sense multiple access）
CS：載波偵聽/監聽
MA：多點接入
協議思想：發送幀之前，先監聽信道

三種CSMA對比總結

3.5.4 CSMA-CD協議

CD：碰撞檢測 collision detection，邊發送邊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。適用於半雙工網絡。
CS：比之前多一點，除了在發送數據前監聽，在發送數據時也要監聽。

傳播時延對載波監聽的影響

電磁波在傳輸的過程中發生了碰撞，可能檢測的範圍 $(0,2 \tau )$

確定碰撞後重傳時機

截斷二進制指數規避法，步驟：

確定基本退避（推遲）時間爲徵用期 $2\tau$
定義參數k，等於重傳次數據，但k不超過10，即當重傳次數小於等於10時，k=重傳次數，否則k最大爲10。
從離散的整數集合 $[0,1,,2^k-1]$ 中隨機取出一個數r，重傳所需要的退避時間就是r倍的基本退避時間，即 $2r * \tau$ 。
當重傳次數達16次仍不成功時，說明網絡太擁擠，認爲此幀永遠無法正確發出，拋棄此幀並且向高層報告出錯。

最小幀長問題

防止檢測到碰撞幀已經發完了……
所以，幀的傳輸時延至少要兩倍於信號在總線中的傳播時延。

以太網規定最短幀長爲64B，凡是長度小於64B的都是由於衝突而異常終止的無效幀。

CSMA/CD 協議大綱

3.5.5 CSMA-CA協議

載波監聽多點接入/碰撞避免
CA是碰撞避免，CD是碰撞檢測。

工作原理

檢測，信道忙等待，不忙發送RTS。
接收端收到RTS之後，將對其響應CTS。
發送端收到CTS之後，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）

CSMA/CD與CSMA/CA的異同

3.5.6 輪詢訪問介質訪問控制/輪詢訪問MAC協議/輪流協議/輪轉訪問MAC協議

三者的對比，產生衝突的是第二個。
本節課講的分爲：輪詢協議+令牌傳遞協議*

輪詢協議

主節點輪流“邀請”從屬節點發送數據
問題：1.輪詢開銷（詢問開銷） 2.等待延遲（詢問時間依次） 3.單點故障（主節點宕機）

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佔信道。
令牌環網無碰撞。
每一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，並不是無限制地持有令牌。
問題：1. 令牌開銷 2.等待延遲 3.單點故障
應用於令牌環網（物理星型拓撲，邏輯環形拓撲）
採用令牌傳送方式的網絡常用於負載較重、通信量較大的網絡中。

3.6.1 局域網基本概念和體系結構

局域網，LAN，廣播信道。

決定局域網的主要要素

1. 網絡拓撲

星型拓撲，總線型拓撲（常用），環形拓撲，樹形拓撲

2. 傳輸介質

有線局域網：雙絞線，同軸電纜，光纖
無線局域網：電磁波

3. 介質訪問控制方法

（1） CSMA/CD 常用於總線型局域網，（也可以樹形網絡）
（2）令牌總線常用於總線型局域網，（也可以樹形網絡）
（3）令牌環用於環形局域網，如令牌環網

局域網的分類

1.以太網 802.3 2.令牌環網 3.FDDI網 4,.ATM網 5.無線局域網 802.11 > WIFI

IEEE 802標準

局域網、城域網的技術標準。
IEEE 802.3 以太網
IEEE 802.5 令牌環網
IEEE 802.8 FDDI 光纖
IEEE 802.11 無線局域網

MAC子層和LLC子層

IEE 802的局域網描述的是OSI的數據鏈路層和物理層，把數據鏈路層分爲了邏輯鏈路層LLC子層和介質訪問控制MAC
子層。作用如下：

3.6.2 以太網

概述

以太網 Ehternet，基帶總線局域網規範，CSMA/CD。
優點：

以太網的兩個標準
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）
所以別名：802.3局域網

以太網提供無連接、不可靠的服務

無連接：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

10BASE-T以太網

BASE - 傳輸基帶信號， T表示使用雙絞線，現在採用無屏蔽雙絞線（UTP），傳輸速率10Mb/s。
特點：1. 物理上採用星型拓撲，邏輯上總線型，每段雙絞線最長100m。
2.採用曼徹斯特編碼。
3.採用CSMA/CD介質訪問控制。

適配器與MAC地址

以太網MAC幀

現在常用的是以太網V2的格式。
FCS是CRC校驗。
爲什麼沒有結束標誌？正常傳輸的曼徹斯特是有2個電壓變化的，發送完了沒有電壓就代表結束了。

高速以太網

速率待遇100Mb/s

100BASE-T以太網，全雙工就不用了CSMA/CD了，交換機會處理衝突域。
吉比特以太網
10吉比特以太網

3.6.3 無線局域網 IEEE802.11

WIFI 是IEEE802.11/g

802.11的MAC幀頭格式

前兩個地址是路由器，後兩個是真正通信的手機。
還有其他的幀類型。BSSID是AP基站的MAC地址。

無線局域網的分類

1. 有固定設施的無線局域網

WIFI名字叫服務集標識符。

2. 無固定基礎設施的無線局域網的自組織網絡

3.7 PPP協議 & HDLC協議（廣域網）

分組交換技術
目的：資源共享
因特網是世界範圍內最大的廣域網
廣域網點對點比較多。

PPP協議

比如撥號電話連入因特網。
只支持全雙工鏈路。

PPP協議應該滿足的要求

PPP協議無需滿足的要求

PPP協議的三個組成部分

LCP建立物理連接，NCP根據不同過的網絡層協議建立邏輯連接。

PPP協議的狀態圖

PPP協議的幀格式

面向字節。

HDLC協議

在同步網，傳輸數據，面向比特，ISO開發的。
同樣可以透明傳輸，“0比特插入法”，用硬件實現
全雙工通信
所有幀CRC檢驗，可以編號，可防止漏收或重份，傳輸可靠性高。

HDLC的站

主站、從站、複合站
三種數據操作方式：

正常響應方式
異步平衡方式：每一個複合站都平等
異步響應方式：從站可以不經過主站同意。

HDLC的幀格式

地址A：1和3是從站地址，2是應答站的地址
控制C：只看前兩位，具體分類如下

PPP協議和HDLC協議異同

只全雙工
透明傳輸，PPP皆可以0比特填充，也可以字節填充，HDLC只能0比特
都可以實現差錯檢測（CRC），但不糾錯

3.8 鏈路層設備

在物理層擴展以太網

在衝突域中同時只有1個計算機可以通信。
2種方式：

在鏈路層擴展以太網

2個設備：網橋 & 交換機

網橋

網橋會根據MAC幀的目的地址對幀進行轉發的過濾。
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。
網橋的兩端是2個網段。
網橋的優點：

過濾通信量，增大吞吐量。
擴大了物理範圍
提高了可靠性（網絡故障對其他網段無影響）
互聯不同物理層、不同MAC層和不同速率的以太網。

網橋分類1 透明網橋

透明網橋：“透明”是指以太網上的站點並不知道所發送的幀將經過哪幾個網橋，是一種即插即用的設備——
自學習：第一次在線路上傳輸遇到的時候要記錄，進行學習，構建轉發表。轉發表更新很快，幾分鐘就重建一次。

網橋分類2 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：源站以廣播的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

獨佔傳輸媒體帶寬：每一個集線器端口線路可以佔用總帶寬

以太網交換機的兩種交換方式

（1）直通式交換機
查完目的地址（6B）就直接立刻轉發。
延遲小，可靠性低，無法支持具有不同速率的端口的交換。
（2）存儲轉發式交換機（常用）
將幀放入高速緩存，並檢查是否正確，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。

衝突域和廣播域

例題：

計算機網絡第三章 數據鏈路層