计算机网络-数据链路层

数据链路层

  • HDLC的零比特填充法 （5 1 1 0）

    HDLC的标志字段F为1111110，在通信过程中，当检测到帧标识F即认为是帧的开始，然后- . 旦检测到帧标识F即表示帧的结束。

    HDLC协议采用0比特填充法使- 帧中两个F字段之间不会出现6个连续1。在发送端，当一串比特流数据中有5
    个连续1时，就立即填入一个0。在接收帧时，先找到F字段以确定帧的边界:接着再对比特流进行扫描，每
    当发现5个连续1时，就将其后的一个0删除，以还原成原来的比特流。

数据链路层的功能

1568881660951

  • 链路(link)就是从一个结点到相邻结点的一段物理线路(有线或无线)，而中间没有任何其他的交换结点。
  • 数据链路(data link) 除了物理线路外，还必须有通信协议来控制这些数据的传输。若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。
  • 数据链路层传送的是帧

组帧

  1. 封装成帧：将网络层传下来的分组添加首部和尾部，用于标记帧的开始和结束。

1568882060239

  1. 透明传输：透明表示一个实际存在的事物看起来好像不存在一样。

    帧使用首部和尾部进行定界，如果帧的数据部分含有和首部尾部相同的内容，添加转义字符，用户察觉不到。

    1568882460475

  2. 差错控制

差错控制

检错编码

  • 循环冗余检验 CRC：目前数据链路层广泛使用了循环冗余检验（CRC）来检查比特差错。
  • 帧检验序列 FCS：在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列 FCS (Frame Check Sequence)。

1568881435377

CRC 是一种常用的检错方法，而 FCS 是添加在数据后面的冗余码。
FCS 可以用 CRC 这种方法得出，但 CRC 并非用来获得 FCS 的唯一方法。

纠错编码

流量控制与可靠传输机制

  • 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。

流量控制、可靠传输与滑动窗口机制

停止-等待协议

  • 在停止一等待协议中，发送方发送单个帧后必须等待确认，在接收方的确认到达发送方之前，发送方不能发送其他的数据帧。
  • 在停止-等待协议中，除了数据帧丢失，还可能出现以下两种差错：
    1. 数据帧被破坏，接收方简单地将该帧丢弃。
    2. 确认帧被破坏。
  • 在停止等待协议中，每发送一个数据帧就停止并等待，发送窗口=接收窗口=1。

后退N帧协议（GBN）

在后退N帧协议工作原理:

  • 发送方可以连续发送帧。当发送方发现某帧在计时器超时后仍未返回其确认信息，则该帧被判为出错或
    丢失，此时发送方就重传该帧及之后的所有帧。
  • 接收方只允许按顺序接收帧。当接收方检测出失序的信息帧后，要求发送方重发最后-一个正确接收的信息帧之后的所有未被确认的帧 。接收端只按顺序接收数据帧，因此虽然在有差错的2号帧后，又收到了正确的3、4..8号帧， 但都必须将它们丢弃。在到了所设置的超时时间而仍未收到2号帧的确认帧时，需要将2号帧及其以后的各帧全部进行重传。

在后退N帧协议中，若采用n比特对帧编号:①接收窗口=1;②1s发送窗口<2”-1。

选择重传协议（SR）

选择重传协议只重传出现差错的数据帧或者是计时器超时的数据帧。在接收方要设置具有相当容量的缓冲区，用来暂存那些未按序正确收到的帧，等到所缺序号的数据帧收到后再一并交付给 上一层。当某一个帧的计时器超时时，发送方仅重传该帧。

此外，选择重传协议使用了比其他协议更有效的差错处理策略，即一旦接收方怀疑帧出错，就会发-一个否定帧NAK给发送方，要求发送方对NAK中指定的帧进行重传。在选择重传协议中，若采用 $n$ 比特对帧编号:发送窗口 $s$ 接收窗口 $\leq 2^{n-1}$。

介质访问控制

信道划分

频分多路复用、时分多路复用、波分多路复用、码分多路复用的概念和基本原理

随机访问

ALOHA协议，CSMA协议， CSMA/CD协议，CSMA/CA协议。

Carrier Sense Multiple Access，载波侦听多路访问。CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection），即载波监听多路访问/冲突检测方法和CSMA/CA(Carrier Sense multiple Access/Collision Avoidance),即载波监听多路访问/冲突避免，都是争用型的介质访问控制协议，位于数据链路层，前者用于有线网络而后者用于无线网络。

CSMA/CD 协议：

  • CSMA/CD 表示载波监听多路访问/冲突检测。

    1. 多点接入 ：说明这是总线型网络（如以太网/局域网），许多主机以多点的方式连接到总线上。
    2. 载波监听 ：每个主机都必须不停地监听信道。在发送前，如果监听到信道正在使用，就必须等待。
    3. 碰撞检测 ：在发送中，如果监听到信道已有其它主机正在发送数据，就表示发生了碰撞。虽然每个主机在发送数据之前都已经监听到信道为空闲，但是由于电磁波的传播时延的存在，还是有可能会发生碰撞。

  • 具体内容

    1. 记端到端的传播时延为 τ，最先发送的站点最多经过 2τ 就可以知道是否发生了碰撞，称 2τ 为 争用期 。只有经过争用期之后还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。
    2. 当发生碰撞时，站点要停止发送，等待一段时间再发送。这个时间采用 截断二进制指数退避算法 来确定。从离散的整数集合 {0, 1, .., (2k-1)} 中随机取出一个数，记作 r，然后取 r 倍的争用期作为重传等待时间。

    1568896563017

CSMA/CA（波监听多路访问/冲突避免）：核心操作是ACK确认

img

轮询访问

令牌传递协议。

局域网

局域网的基本概念与体系结构

  • 局域网是一种典型的广播信道，主要特点是网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。
  • 主要有以太网、令牌环网、FDDI 和 ATM 等局域网技术，目前以太网占领着有线局域网市场。
  • 可以按照网络拓扑结构对局域网进行分类：星形网、环形网、总线网、树形网

以太网与IEEE802

1568897971757

以太网是一种计算机局域网技术。IEEE组织的IEEE 802.3标准制定了以太网的技术标准，它规定了包括物理层的连线、电子信号和介质访问层协议的内容。以太网是目前应用最普遍的局域网技术，取代了其他局域网技术如令牌环、FDDI和ARCNET。以太网只有两层：数据链路层（LLC、MAC）、物理层

  • 经典以太网：是总线网，核心为中继器，物理层使用曼彻斯特编码交换信息，运行速度3~10 Mbps不等
  • 交换式以太网：结构上星形网，逻辑上是总线网，核心为集线器、交换机，以快速以太网、千兆以太网和万兆以太网的形式呈现
    • 中继器：仅增加电路功率
    • 集线器：只有物理层，只无脑转发，以实现逻辑上的总线网
    • 交换机（交换式集线器）：交换机基于MAC地址识别，能完成封装转发数据功能，可实现“定向转发”

1568902533901

IEE802.11

IEEE 802.11是现今无线局域网通用的标准，它是由电气和电子工程师协会（IEEE）所定义的无线网络通信的标准。虽然经常将Wi-Fi与802.11混为一谈，但两者并不等同。

为了在不同的通讯环境下获取良好的通讯质量，采用CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance）硬件沟通方式。

令牌环网的基本原理

令牌环上传输的小的数据（3个字节的一种特殊帧）叫为令牌，谁有令牌谁就有传输权限。如果环上的某个工作站收到令牌并且有信息发送，它就改变令牌中的一位（该操作将令牌变成一个帧开始序列），添加想传输的信息，然后将整个信息发往环中的下一工作站。

广域网

广域网的基本概念

广域网（英语：Wide Area Network，缩写为 WAN），又称广域网、外网、公网。是连接不同地区局域网或城域网计算机通信的远程网。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，它能连接多个地区、城市和国家，或横跨几个洲并能提供远距离通信，形成国际性的远程网络。广域网并不等同于互联网。

PPP协议

特点：互联网用户通常需要连接到某个 ISP 之后才能接入到互联网，PPP 协议是用户计算机和 ISP 进行通信时所使用的数据链路层协议。

1568901427131

PPP 协议的工作过程：

  • 当用户拨号接入 ISP 时，路由器的调制解调器对拨号做出确认，并建立一条物理连接。
  • PC 机向路由器发送一系列的 LCP 分组（封装成多个 PPP 帧）。
  • 这些分组及其响应选择一些 PPP 参数，和进行网络层配置，NCP 给新接入的 PC机分配一个临时的 IP 地址，使 PC 机成为因特网上的一个主机。
  • 通信完毕时，NCP 释放网络层连接，收回原来分配出去的 IP 地址。接着，LCP 释放数据链路层连接。最后释放的是物理层的连接。

HDLC协议

HDLC 英文全称 High level Data Link Control，高级数据链路控制，HDLC 是一个在同步网上传输数据、面向位的数据链路层协议，由国际标准化组织(ISO)提出。在通信领域中，HDLC协议是应用最广泛的协议之一，其工作方式可以支持半双工、全双工传送，支持点到点、多点结构，支持交换型、非交换型信道。

数据链路层设备

网桥的概念及其基本原理

扩展以太网更常用的方法是在数据链路层进行。最初人们使用的是网桥(bridge)。网桥对收到的帧根据其MAC帧的目的地址进行转发和过滤。当网桥收到一个帧时，并不是向所有的接口转发此帧，而是根据此帧的目的MAC地，查找网桥中的地址表，然后确定将该帧转发到哪一个接口，或者是把它丢弃(即过滤)。

优点：

  • 过滤通信量； 扩大了物理范围；提高了可靠性。
  • 可互连不同物理层、不同 MAC 子层和不同速率（如10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太网）的局域网。

缺点：

  • 存储转发增加了时延。 在MAC 子层并没有流量控制功能。
  • 具有不同 MAC 子层的网段桥接在一起时时延更大。
  • 网桥只适合于用户数不太多(不超过几百个)和通信量不太大的局域网，否则有时还会因传播过多的广播信息而产生网络拥塞。这就是所谓的广播风暴。

局域网交换机及其工作原理

1990年问世的交换式集线器(switching hub),很快就淘汰了网桥。交换式集线器常称为以太网交换机(switch)或第二层交换机(L2 switch),强调这种交换机工作在数据链路层。

“交换机”并无准确的定义和明确的概念。著名网络专家Perlman认为:“交换机”应当是一个市场名词，而交换机的出现的确使数据的转发更加快速了[PERL00]。本书也使用这个广泛被接受的名词——以太网交换机。下面简单地介绍以太网交换机的特点。

  • 交换机具有自学习能力，学习的是交换表的内容，交换表中存储着 MAC 地址到接口的映射。
  • 正是由于这种自学习能力，因此交换机是一种即插即用设备，不需要网络管理员手动配置交换表内容。
    • 下图中，交换机有 4 个接口，主机 A 向主机 B 发送数据帧时，交换机把主机 A 到接口 1 的映射写入交换表中。为了发送数据帧到 B，先查交换表，此时没有主机 B 的表项，那么主机 A 就发送广播帧，主机 C 和主机 D 会丢弃该帧，主机 B 回应该帧向主机 A 发送数据包时，交换机查找交换表得到主机 A 映射的接口为 1，就发送数据帧到接口 1，同时交换机添加主机 B 到接口 2 的映射。

1568903056360