本章概述：链路层的功能、链路层的两种信道、局域网、广域网、链路层的设备…
这里写目录标题
- 数据链路层功能概述
- 封装成帧和透明传输
- 差错控制
- 流量控制与可靠传输机制
- 停止-等待协议
- 后退N帧协议（GBN）
- 介质访问控制
- 局域网基本概念和体系结构
- 局域网重要类别
- 广域网
- 链路层设备
- 第三章总结
数据链路层功能概述
数据链路层的研究思想
数据链路层基本概念
- 结点：主机、路由器
-
链路：网络中两个结点之间的物理通道，链路的传输介质主要有双绞线、光纤和微波。
- 有线链路
- 无线链路
- 数据链路：网络中两个结点之间的逻辑通道，吧实现控制数据传输协议的硬件和软件加到链路上就构成数据链路。
- 帧：链路层的协议数据单元，封装网络层数据报
数据链路层负责通过一条链路从一个结点向另一个物理链路直接相连的相邻结点传送数据报。
数据链路层功能概述
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，其最基本的服务是将源自网络层来的数据可靠地传输到相邻节点的目标机网络层。
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成为逻辑上无差错的数据链路，使之对网络层表现为一条无差错的链路。
功能
封装成帧和透明传输
封装成帧
封装成帧就是在一段数据的前后部分添加首部和尾部，这样就构成了一个帧。接收端在收到物理层上交的比特流后，就能根据首部和尾部的标记，从收到的比特流中识别帧的开始和结束。
帧同步
接收方应当能从接收到的二进制比特流中区分出帧的起始和终止。
透明传输
指不管所传数据是什么，都能在链路上传送。因此，链路层看不见有什么妨碍数据传输的东西。
组帧的四种方法
差错控制
差错从何而来
总的来说，传输中的差说都是由于噪声引起的。
-
全局性
- 由于线路本身电气特性所产生的随机噪声（热噪声），是信道固有的，随机存在的。
- 解决方法：提高信噪比来减少或避免干扰。（对传感器下手）
-
局部性
- 外界特定的短暂原因所造成的冲击噪声，是产生差错的主要原因
差错
-
位错
- 比特位出错，1变0，0变1
-
帧错
- 丢失
- 重复
- 失序
数据链路层的差错控制
差错控制
编码VS编码
数据链路层和物理层的数据编码与调制不同。
物理层编码：
- 针对单个比特
- 解决传输工程中比特同步问题（曼切斯特编码）
数据链路层编码：
- 针对一组比特
- 通过冗余码的技术实现一组二进制比特串在传输过程中是否出现了差错
脑图
流量控制与可靠传输机制
数据链路层的流量控制
较高的发送速度和较低的接受能力的不匹配，会造成传输出错，因此流量控制也是数据链路层的一项重要工作。
数据链路层的流量控制是点对点，传输层的流量控制是端到端
- 数据链路层流量控制手段：接收方收不下就不回复确认
- 传输层流量控制手段：接收端给发送端一个窗口公告
流量控制的方法
-
停止等待协议
每发送完一个帧就停止发送，等待对方的确认，在收到确认后再发送下一个帧。
发送窗口=1，接收窗口=1
-
滑动窗口协议
-
后退N帧协议（GBN）
发送窗口>1，接收窗口=1
-
选择重传协议（SR）
发送窗口>1，接收窗口>1
-
可靠传输、滑动窗口、流量控制
- 可靠传输：发送端发啥，接收端收啥
- 流量控制：控制发送速率，使接收方有足够的缓冲空间来接收每一个帧
- 滑动窗口解决：
- 流量控制（收不下就不给确认，想发也发不了）
- 可靠传输：发送方自动重传
脑图
停止-等待协议
-
为什么要有停止等待协议
除了比特出差错，底层信道返回出现丢包问题。为了实现流量控制。
-
研究停等协议的前提
停等协议，每发送完一个分组就停止发送，等待对方确认，在收到确认后再发送下一个分组。
-
停等协议有几种应用情况
- 无差错情况
- 有差错情况
无差错情况
有差错情况
-
数据帧丢失或者检测到帧出错
- 发完一个帧后，要保留它的副本
- 数据帧和确认帧必须编号，可以检查重复
- 超时计时器：每次发送一个帧就启动一个计时器
- 超时计时器设置的重传时间应当比帧传输的平均RTT更长一些
-
ACK丢失
-
ACK迟到
停等协议性能分析
信道利用率
脑图
后退N帧协议（GBN）
停等协议的弊端
后退N帧协议中的滑动窗口
- 发送窗口：发送方维持一组连续的允许发送的帧的序号
- 接受窗口：接收方维持一组连续的允许接受帧的序号
GBN发送方必须响应的三件事
GBN接收方要做的事
- 如果正确收到n帧号，并且按序，那么接收方为n帧发送一个ACK，并该帧中的数据部分交付给上层。
- 其余情况都丢弃帧，并为最近按序接受的帧重新发送ACK。接收方无需缓存任何失序帧，只需要维护一个信息：expectedseqnum（下一个按序接受的帧序号）
运行中的GBN
- 等到一个ACK，滑动窗口会后移，然后发送端发送下一帧
- 发归发，帧号不满足接收端的exceptedseqnum，不收，不发ACK
- 等不到ACKn，出现超时，发送超时帧之后所有帧
滑动窗口长度
GBN协议重点总结
- 累计确认（偶尔捎带确认）
- 接收方只按序接受帧，不按序无情丢弃
- 确认序列号最大的、按序到达的帧
- 发送窗口最大为 2 n − 1 2^n - 1 2n−1 ，接受窗口大小为1
例题
GBN协议性能分析
- 因连续发送数据帧而提高了信道利用率
- 在重传时必须把原来已经正确传送的数据帧重传，使传送效率降低
脑图
介质访问控制
传输数据使用的两种链路
-
点对点链路
-
广播式链路
介质访问控制
采取一定的措施，使得两对结点之间的通信不会发生互相干扰的情况。
-
静态划分信道
-
信道划分介质访问控制
基于多路复用技术划分资源
网络负载重：共享信道效率高，且公平
网络负载轻：共享信道效率低
- 频分多路复用 FDM
- 时分多路复用 TDM
- 波分多路复用 WDM
- 码分多路复用 CDM
-
-
动态划分信道
-
轮询访问介质访问控制
既要不产生冲突，又要发送时占全部带宽
- 轮询协议
- 令牌传递协议
-
随机访问介质访问控制
用户根据意愿随机发送信息，发送信息时可独占信道带宽
网络负载重：产生冲突开销
网络负载轻：共享信道效率高，单个结点可利用全部带宽
- ALOHA协议
- CSMA协议
- CSMA/CD协议
- CSMA/CA协议
-
静态划分信道——信道划分介质访问控制
将使用介质的每个设备与来自同一信道的其他设备的通信隔离开，把时域和频域资源合理地分配给网络上的设备。
频分多路复用FDM
时分多路复用TDM
改进的时分复用——统计时分复用STDM
波分多路复用WDM
码分多路复用CDM
动态分配信道——随机访问介质访问控制
ALOHA协议
纯ALOHA协议
不监听信道，不按时间槽发送，随机重发。想发就发
时隙ALOHA协议
把时间分成若干个相同的时间片，所有用户在时间片开始时刻同步接入网络信道，若发生冲突，则必须等到下一个时间片开始时刻再发送。控制想法就发的随意性
关于ALOHA要知道的事
- 纯ALOHA比时隙ALOHA吞吐量更低，效率更低
- 纯ALOHA想发就发，时隙ALOHA只有在时间片段开始时才能发
CSMA协议
载波监听多路访问协议CSMA（carrier sense multiple accrss）
CS：载波监听，每一个站在发送数据之前要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据。
MA：多点接入，表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上
协议思想：发送帧之前，监听信道
接听结果：
-
信道空闲：发送完整帧
-
信道忙：推迟发送
-
1-坚持CSMA
坚持指的是对于监听信道忙之后的坚持
- 思想：
- 如果一个主机要发送消息，那么它先监听信道
- 空闲则直接传输，不必等待
- 忙则一直监听，直到空闲马上传输
- 如果有冲突（一段时间内未收到肯定回复），则等待一个随机长的时间再监听，重复上诉过程
- 优点
- 只要媒体空闲，站点就马上发送，避免媒体利用率的损失
- 缺点：
- 假如有两个或者两个以上的站点有数据要发送，冲突就不可避免
- 思想：
-
非坚持CSMA
非坚持指的是对于监听信道忙之后就不继续监听
- 思想：
- 如果一个主机要发送消息，那么它先监听信道。
- 空闲则直接传输，不必等待。
- 忙则等待一个随机的时间之后再进行监听
- 优点：
- 采用随机的重发时延时间可以减少冲突发生的可能性。
- 缺点：
- 可能存在大家都在延迟等待过程中，使得媒体仍然可能处于空闲状态，媒体使用率低。
- 思想：
-
p-坚持CSMA
p-坚持指的是对于监听信道空闲的处理。
- 思想：
- 如果一个主机要发送消息，那么它先监听信道。
- 空闲则以p概念直接传输，不必等待；概念1-p等待到下一个时间槽再传输。
- 忙则等待一个随机的时间之后再进行监听。
- 优点：
- 既能像非坚持算法那样减少冲突，又能像1-坚持算法那样减少媒体空间空闲时间。
- 缺点：
- 发生冲突后还是要坚持把数据帧发送完，造成了浪费。
- 思想：
三种CSMA对比
CSMA/CD协议
载波监听多点接入/碰撞检测CSMA/CD（carrier sense multiple access with collision detection）
CS：载波监听，每一个站在发送数据之前以及发送数据时都要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据。
MA：多点接入，表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。（总线型网络）
CD：碰撞检测（冲突检测），『边发送边监听』，适配器边发送数据边检测信道上信号电压的变化情况，以便判断自己在发送数据时其他站是否也在发送数据。（半双工网络）
传播时延对载波监听的影响
争用期：2掏
如何确定碰撞后的重传时机
截断二进制指数规避算法：
最小帧长
CSMA/CA协议
载波监听多点接入/碰撞避免CSMA/CA(carrier sense multiple access with collision avoidance)
为什么要有CSMA/CA：无线局域网
- 无法做到360° 全面检测碰撞
- 隐蔽站：
- 当A和C都检测不到信号，认为信道空闲时，同时向终端B发送数据帧，就会导致冲突
有礼貌的CSMA/CA，在发送数据的时候会广播自己即将发送数据
CSMA/CA协议工作原理
- 预约信道：
- 告诉别人我这要多久
- ACK帧：
- CRC检验
- 二进制退避算法重传
- RTS/CTS：
- 解决隐蔽站的问题
CSMA/CD和CSMA/CA
- 相同点：
- 都从属于CSMA的思路，先听再说。
- 二者出现冲突后都会进行有限的重传
- 不同点：
- 传输介质不同：
- CSMA/CD用于总线式以太网【有线】
- CSMA/CA用于无线局域网【无线】
- 载波检测方式不同：
- CSMA/CD通过电缆中电压的变化来检测，碰撞时，电缆中的电压会变化
- CSMA/CA采用：
- 能量检测（ED）
- 载波检测（CS）
- 和能量载波混合检测
- CSMA/CD检测冲突，CSMA/CA避免冲突
- 传输介质不同：
动态分配信道——轮询访问介质访问控制
轮询协议
主节点轮流邀请从属结点发送数据
问题：
- 轮询开销：主节点要一个个问
- 等待延迟：等主节点问从属结点
- 单点故障：主节点完了就完了
令牌传递协议
令牌：一个特殊格式的MAC控制帧，不含任何信息。控制信道的使用，确保同一时刻只有一个结点独占信道。
每个结点都可以在一定时间内（令牌持有时间）获得发送数据的权利，并不是无限制地持有令牌。
问题：
- 令牌开销
- 等待延迟
- 单点故障
应用于令牌环网：
- 物理星型拓扑
- 逻辑环型拓扑
- 常用于负载较重、通信量较大的网络中
脑图
局域网基本概念和体系结构
局域网
简称LAN，是指在某一区域内由多台计算机互联成地计算机组，使用广播信道。
特点：
- 覆盖范围小，一栋楼
- 使用专门铺设的传输介质，数据传输速率高
- 双绞线
- 同轴电缆
- 通信延迟时间短，可靠性高
- 各站为平等关系，共享传输信道
- 采用分布式控制和广播式通信，能进行广播和组播
决定因素：
- 网络拓扑
- 传输介质
- 介质访问控制方法
局域网拓扑结构
-
星型拓扑
-
总线型拓扑
-
环型拓扑
-
树形拓扑
局域网传输介质
- 有线局域网：
- 双绞线
- 同轴电缆
- 光纤
- 无线局域网
- 电磁波
局域网介质访问控制访问方法
- CSMA/CD
- 常用于总线型局域网，也用于树型网络
- 令牌总线：
- 常用于总线型局域网，也用于树型网络
- 把总线型或树型网络的各个工作站按一定顺序（按接口地址大小）排列成一个逻辑环。只有令牌持有者才能控制 总线，有发送信息的权利。
- 令牌环
- 用于环型局域网，令牌环网
局域网的分类
-
以太网
-
分类
- 标准以太网
- 快速以太网
- 千兆以太网
- 10G以太网
-
标准规范：
- IEEE802.3
-
介质控制：
- CSMA/CD
-
拓扑：
- 逻辑拓扑总线型
- 物理拓扑星型
-
-
令牌环网
-
标准规范：
-
IEEE 802.5
-
拓扑：
- 物理星型拓扑
- 逻辑环型拓扑
-
-
FDDI网
-
标准规范：
-
IEEE 802.8
-
拓扑：
- 物理双环拓扑
- 逻辑环型拓扑
-
-
ATM网
- 使用53字节固定长度的单元进行交换
-
无线局域网（WLAN）
- 标准规范：
- IEEE 802.11
- 标准规范：
IEEE 802 标准
MAC子层和LLC子层
局域网脑图
局域网重要类别
以太网
以太网（Ethernet）指的是一种基带总线局域规范，是当今世界现有局域网采用的最通用的通信协议标准。
802.3局域网/AKA/以太网
以太网优势
- 造价低廉
- 应用最为广泛的局域网技术
- 比令牌环网、ATM网便宜、简单
- 满足网络速率要求：10Mb/s~10GB/s
以太网标准
- DIX Ethernet V2
- 第一个局域网产品规约
- IEEE 802.3
- 第一个IEEE 以太网标准
以太网提供无连接、不可靠的服务
以太网只实现无差错接受，不实现可靠传输
- 无连接：
- 发送方和接收方无『握手过程』
- 不可靠：
- 不对发送方的数据帧编号，接收方不向发送方进行确认，差错帧直接丢弃，差错纠正由高层负责
以太网传输介质与拓扑结构的发展
10BASE-T以太网
传送基带信号的双绞线以太网，T表示双绞线（无屏蔽双绞线UTP），传输速率10Mb/s
- 拓扑结构
- 物理上星型拓扑
- 逻辑上总线型
- 每段双绞线最长100m
- 编码方式：
- 曼切斯特编码
- 介质访问控制：
- CSMA/CD
适配器与MAC地址
计算机与外界局域网的连接是通过通信适配器的。
局域网中，硬件地址又称为物理地址，或MAC地址。（实际是标识符）
MAC地址：每个适配器有一个全球唯一的48位二进制地址，前24位代表厂家（IEEE规定），后24位厂家自己制定。常用6个16进制数表示，02-6-8c-e4-b1-21.
以太网MAC帧
最常用的MAC帧是以太网V2的格式
- 数据链路层对数据报加头加尾
- FCS：CRC循环冗余检验
- 链路层最大数据传输单元MTU == 1500
- CSMA/CD最小帧长：64
- 曼切斯特编码：不需要帧结束定界符，数据结束位置即从FCS往前4字节
高速以太网
速率>100Mb/s的以太网称为高速以太网
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100BASE-T以太网
-
速率：100Mb/s
-
传输介质：
- 双绞线
-
拓扑：
- 星型拓扑
-
协议：
- IEEE 802.3 的CSMA/CD
-
通信方式
- 全双工和半双工
- 全双工方式下无冲突
-
-
吉比特以太网
- 速率：1Gb/s
- 传输介质：
- 光纤
- 双绞线
- 通信方式：
- 全双工和半双工
- 全双工下无冲突
-
10吉比特
- 速率：10Gb/s
- 传输介质：
- 光纤
- 通信方式：
- 全双工
- 无争用问题
以太网脑图
无线局域网
IEEE 802.11
IEEE 802.11 是无线局域网通用的标准。
@-@ 802.11的MAC帧头格式
- AP1、AP2：中转基站
- A、B：终端设备
无线局域网的分类
广域网
广域网（WAN，Wide Area Network），通常跨接很大的物理范围，所覆盖的范围从几十公里到几千公里，能连接多个国家，形成国际性的远程网络。
- 通信子网主要使用分组交换技术
- 将不同地区的局域网或计算机系统互联，达到资源共享，利用：
- 公用分组交换网
- 卫星通信网
- 无线分组交换网
- 因特网是世界范围内最大的广域网
广域网中常用的链路层协议
PPP协议
点对点协议PPP（point-to-point protocol）是目前使用最广泛的数据链路层协议，用户使用拨号电话接入因特网时一般使用PPP协议。
-
特点：
- 只支持全双工链路
-
ppp协议应满足的要求
-
ppp协议无需满足的要求
- 纠错
- 流量控制
- 序号
- 不支持多点线路
-
PPP协议的三个组成部分
- 一个将IP数据报封装到串行链路（同步串行/异步串行）的方法
- 链路控制协议LCP：
- 建立并维护数据链路连接。（身份验证）
- 网络控制协议NCP：
- PPP可支持多种网络层协议
- 每个不同的网络层协议需要一个相应的NCP来配置
- 为网络层协议建立和配置逻辑连接
-
ppp协议的状态图
HDLC协议
高级数据链路控制（High-Level Date Link Control），是一个在同步网上传输数据、面向比特的数据链路层协议，由ISO拓展开发。
特点：
- 数据报文可透明传输
- 0比特插入法：易于硬件实现
- 采用全双工通信
- 所有帧采用CRC检验，对信息帧顺序编号，防止漏收或重复，传输可靠性高
HDLC的站
-
主站
-
从站
-
复合站
三种数据操作方式：
- 正常响应模式
- 异步平衡模式
- 异步响应模式
HDLC的帧格式
PPP协议&HDLC协议
相同点：
- 都只支持全双工链路
- 都可以实现透明传输
- 都可以差错检测，但不纠错
不同点：
广域网脑图
链路层设备
扩展以太网
物理层扩展以太网
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光线调制和解调
-
集线器
链路层扩展以太网
-
网桥
网桥根据MAC帧的目的地址对帧进行转发和过滤。
当网桥收到一个帧时，并不向所有接口转发此帧，而是先检查此帧的MAC地址，然后再确定将该帧转发到哪一个接口，或者是丢弃（过滤）。
-
网段：一般指一个计算机网络中使用同一物理层设备（传输介质，中继器，集线器等）能直接通讯的那一部分
-
网桥优点：
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过滤通信量，增大吞吐量
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扩大了物理范围
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提高了可靠性
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可互联不同物理层、不同MAC子层和不同速率的以太网
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网桥分类
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透明网桥
"透明"指以太网的结点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥，是一种即插即用设备——自学习
转发表记录源地址，和接收这个帧的接口
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源路由网桥
在发送帧时，把详细的最佳路由信息（路由最少/时间最短）放在帧的首部
方法：
- 源站以广播方式向与欲通信的目的站发送一个发现帧
- 目的站原路返回一个帧
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交换机——多接口网桥
交换机分类：
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直通式交换机
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查完目的地址（6B）就立刻转发
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延迟小，可靠性低，无法支持具有不同速率的端口的交换
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储存转发式交换机
- 将帧放入高速缓存，并检查是否正确，正确则转发，错误则丢弃
- 延迟大，可靠性高，可以支持具有不同速率的端口的交换
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