数据链路层

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数据链路层的功能

为网络层提供服务

  1. 无确认的无连接服务
  2. 有确认的无连接服务
  3. 有确认的面向连接服务

链路管理

数据链路层连接的建立、维持和释放过程称为链路管理

  1. 帧定界、帧同步与透明传输
  • 帧定界：数据加首部和尾部构成帧，首尾用于帧的定界
  • 帧同步：接收端区分帧的起始和结束
  • 透明传输：若在数据中出现与定界符相同的比特组合，进行转意

流量控制

限制发送方数据流量，使其处在接收方接受能力之内

差错控制

差错控制用于确保接收方正确接受数据

  • 位错：帧中某位出现差错，通常采用循环冗余校验(CRC) 发现位错，通过自动重传请求(ARQ)来重传出错的帧
  • 帧错： 帧的丢失、重复或失序等，引入定时器和编号机制。

组帧

组帧主要解决帧定界、帧同步、透明传输问题。实现组帧的方法有以下四种

字符统计法

在帧头部使用一个计数字段来标明帧内字符数

字符填充的首尾定界符法

使用特点的定界字符来定界一帧的开始和结束，使用转意字符来实现透明传输

比特填充的首尾标志法

用01111110(16进制为7E)来标志一帧的开始和结束。
透明传输实现：发送方信息中每遇到5个连续的‘1’则在其后插入一个‘0’，接受方每遇到5个连续的‘1’则自动删除其后的‘0’。

违规编码法

如，曼切斯特编码中使用未定义的高-高电平对和低-低电平对作为定界帧

差错控制

检错编码

  1. 奇偶校验码
  2. 循环冗余码(CRC):
    发送方和接收方商定除数P，二进制数据A采用模2运算(加法不进位，减法不借位，类似异或)除以P，得到余数加在A末尾，并令其为B，将B传输给接收方，接收方将B除以P，若余数为0则传输未出错。
  3. 纠错编码
    最常见的纠错编码是海明码

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

  1. 停止-等待协议流量控制基本原理
    发送方每发一个帧要等待接收方应答才能继续发，接收方每接收一个帧都要反馈一个应答信号
  2. 滑动窗口流量控制基本原理
    发送方维护发送窗口，接收方维护接收窗口，发送窗口用来对发送方进行流量控制，接收窗口用来对接收数据帧进行控制。
    滑动窗口特性：只有接受窗口向前滑动时(接受窗口发送确认帧)，发送窗口才能向前滑动；当滑动窗口大小为1，可保证帧的有序接受；数据链路层的滑动窗口大小在传输过程中是固定的。
发送窗口大小 接受窗口大小
停止-等待协议 1 1
后退N帧协议 >1 1
选择重传协议 >1 >1
  1. 可靠传输机制
  • 确认：接受方对接收数据进行确认并告知发送方
  • 超时重传：
  • 自动重传请求(ARQ)：
    • 停-等式
    • 后退N帧
    • 选择重传

单帧滑动窗口与停止-等待协议

源站发送单个帧之后必须等待确认，在目的站的回答到达源站之前，源站不能发送其他数据帧

多帧滑动窗口与后退N帧协议(GBN)

发送方发送N个帧，如果该N帧的前一个帧被判为出错或丢失，则发送方重传该出错帧及其后N帧。
发送窗口大小WT: 1<= WT<=2n-1 (n为对帧编码的比特数)：

多帧滑动窗口与选择重传协议(SR)

一般情况下，发送窗口=接受窗口=2(n-1),只对出错或超时的数据帧进行重传。
信道的效率：发送方从开始发送数据，到接收到第一个确认帧为止，称为一个发送周期，设为T，发送方在这个周期内共发送L比特的数据，发送方的数据传输率为C，则发送方用于发送有效数据的时间为L/C ,在这种情况下，信道的利用率为(L/C)/T。
信道吞吐率：信道利用率 * 发送方的发送速率。

介质访问控制

介质访问控制的内容是：采取一定的措施，使任意两点之间的通信不会发送互相干扰的情况。

信道划分介质访问控制

  1. 频分多路复用(FDM)
    多路信号调制成不同频率载波后叠加成复合信号
  2. 时分多路复用(TDM)
    一条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
  3. 波分多路复用(WDM)
    即光的频分多路复用
  4. 码分多路复用(CDM)
    码分多路复用靠不同的编码来区分各路原始信号。
    码分多址(CDMA)是码分复用的一种方式
    CMDA原理:
    向量S表示A站的码片向量，T表示B站的码片向量,S和T均为m比特，则 即不同站码片正交，相同码片规格化内积为1，码片与其反码规格化内积为-1

随机访问介质访问控制

不采用集中控制方式解决发送信息的次序问题，胜利者通过争用获得信道，从而获得信息的发送权。

  1. ALOHA协议
  • 纯ALOHA协议：任意站点可以不经检测直接发送数据，若一段时间未收到确认，则等待一段时间再发送数据。
  • 时隙ALOHA协议：将时间划分为一段段等长的时隙，每个时隙开始时只能发送一个帧。其效率是纯ALOHA协议的两倍
  1. CSMA协议
    在ALOHA协议基础上增加了载波监听装置
    根据监听方式和处理方式不同，有3种CSMA协议
  • 1-坚持 CSMA：信道闲则发送数据，忙则等待并继续监听侦听，若发生冲突则随机一段时间后，再重新开始侦听
  • 非坚持 CSMA：信道闲则发送数据，忙则等待，并放弃侦听，等待一段时间后继续监听
  • p-坚持CSMA：用于时分信道。信道忙则等待下一个时隙再侦听，闲则以概率P发送数据，以概率(1-p)推迟到下一个时隙。

CSMA/CD 协议

CSMA/CD协议是CSMA协议的改进方案，CSMA/CD 只能进行半双工通信
CSMA/CD的工作流程：

  • 先听后发
  • 边听边发
  • 冲突停发
  • 随机重发

计算相关：

  • 单程传播时延/总线传播时延：数据从源点发送到目的点接收所用时间
  • 争用期(冲突窗口/碰撞窗口)：数据的往返时间，两倍单程传播时延
  • 最小帧长：为了确保发送数据的同时能检测可能的冲突，数据帧有个最小长度
    最小帧长=总线传播时延*数据传输速率*2

CSMA/CA 协议

CSMA/CD用于有线局域网，CSMA/CA用于无线局域网

轮询访问介质访问协议：令牌传递协议

令牌在环形网上游荡，只有持有令牌的计算机才能发送数据。

局域网

局域网的基本概念体系结构

  1. 局域网三要素
  • 拓扑结构
    • 星形
    • 环形
    • 总线形
    • 复合类型
  • 传输介质
    • 双绞线
    • 铜缆
    • 光纤
  • 介质访问控制方式
    • CSMA/CD
    • 令牌总线
    • 令牌环

以太网与IEEE 802.3

  1. 以太网传输介质与网卡
    传输介质：粗缆、细缆、双绞线、光纤
    网卡：局域网中连接计算机和传输介质的接口，工作在物理层和数据链路层
    Mac地址：介质访问控制地址用于控制主机在网络上的数据通信
    广播：以太网中的数据以广播形式发送
  2. 以太网的MAC帧
  3. 高速以太网

IEEE 902.3

IEEE 902.3是无线局域网的一系列协议标准

广域网

广域网基本概念

广域网是覆盖范围很广的长距离网络。局域网主要使用协议在数据链路层而广域网主要使用协议在网络层。常见的广域网数据链路层协议有PPP协议和HDLC协议。

PPP协议

PPP协议是使用串行路线通信的面向字节协议。
PPP协议组成部分：

  • 链路控制协议LCP
  • 网络控制协议NCP：
  • IP数据报封装到串行链路的方法
    PPP协议是点对点的，不是总线形的，故无需采用CSMA/CD，帧长度页没有限制。PPP协议只支持全双工通信

HDLC协议

HDCL协议是面向比特的数据链路层协议。与PPP协议不同，HDCL协议采用了编号和确认机制，可以实现可靠传输。

数据链路层设备

网桥

两个以太网通过网桥连接，原来的每一个以太网称为网段，网桥工作在数据链路层的MAC层，可以使以太网成为隔离开的碰撞域

  1. 透明网桥(选择的不是最佳路径)
  2. 源路径网桥(选择的是最佳路径)

交换机

交换机是一个多端口网桥，可以隔离冲突域和广播域

  1. 原理：
    检测数据帧的源和目的Mac地址，然后与系统内部动态查找表进行比较，如果MAC不再表中，则将该地址加入表中，并将数据帧发送到相应目的端口。
  2. 特点
  • 工作在全双工方式
  • 独占传输媒体的带宽
  1. 交换模式
  • 直通式
  • 存储转发式