[网络协议] 计算机网络数据链路层

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[网络协议]计算机网络数据链路层

计算机网络概述
 计算机网络物理层
 计算机网络数据链路层

计算机网络数据链路层

考研重点
1.链路层的功能
2.链路层的两种信道
3.局域网、广域网
4.链路层的设备

3.1数据链路层的功能概述

数据链路层的研究思想
在这里插入图片描述

数据链路层基本概念

结点：主机，路由器

链路：网络层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，分为有线链路、无线链路

数据链路：网络中两个结点之间的逻辑通路，把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，封装网络数据报
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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。

数据链路层的功能概述

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。

其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。

功能一:为网络层提供服务。无确认无连接服务，有确认无连接服务，有确认面向连接服务。（有连接一定有确认）
功能二：链路管理，即连接的建立、维持、释放（用于面向连接的服务）
功能三：组帧
功能四：流量控制。限制发送方
功能五：差错检测（帧错、位错）

3.2封装成帧和透明传输

封装成帧
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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。

首部和尾部包含许多的控制信息，他们的一个重要作用:帧定界（确定帧的界限）。

帧同步：接收端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
组帧四种方法：

字符计数法
字符（节）填充法
零比特填充法
违规编码法

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透明传输
透明传输是指不管所传数据是什么样的比特组合，都应当能够在链路上传送。因此，链路层就“看不见”有什么妨碍据传输的东西。

当所传数据中的比特组合恰巧与某一个控制信息完全一样时，就必须采取适当的措施，使收方不会将这样的数据误认为是某种控制信息。这样才能保证数据链路层的传输是透明的。

3.3.1差错控制（检错编码）

概括来说，传输中的差错都是由于噪声引起的

数据链路层的差错控制
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3.3.2差错控制（纠错编码）

纠错编码–海明码（建议去看看这篇文章海明码.）

海明码：发现双比特错，纠正单比特错。
工作原理：动一发而牵全身
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1.确定校验码位数r

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差错控制小结

3.4.1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的，而传输层的流量控制是端到端的。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。

流量控制方法
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可靠传输、滑动窗口、流量控制
可靠传输：发送端发送啥，接收端接收啥
流量控制：控制发送速率，使接收方有足够的缓冲空间接收每一个帧
滑动窗口解决：（1）流量控制（收不下就不给确认，想法也发不了）
（2）可靠传输（发送方自动重传）
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3.4.2停止-等待协议

1.为什么使用停止-等待协议？
除了比特出差错，底层信道还会出现丢包问题。为了实现流量控制。（丢包：物理线路故障，设备故障，病毒攻击，路由信息错误等原因，会导致数据包的丢失）
2.研究停等协议的前提？
虽然现在常用全双工通信方式，但为了讨论问题方便，仅考虑一方发送数据（发送方)，一方接收数据（接收方)）。
因为是在讨论可靠传输的原理，所以并不考虑数据是在哪一个层次上传送的。
“停止-等待”就是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。
3.停等协议有几种应用情况?
无差错情况&有差错情况

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3.4.3后退N帧协议（GBN）

GBN协议中，发送方在发完一个数据帧后，连续发送若干个数据帧，即使在连续发送过程中收到了接收方发来的应答帧，也可以继续发送。且发送方在每发送完一个数据帧时都要设置超时定时器。只要在所设置的超时时间内仍未收到确认帧，就要重发相应的数据帧。

如：当发送方发送了N个帧后，若发现该N帧的前一个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，此时发送方就不得不重新发送出错帧及其后的N帧。

接受帧只允许按顺序接受帧。为了减少开销，累计确认允许接收端在连续收到好几个正确的确认帧后，只对最后一个数据帧发确认信息，或者可以在自己有数据要发送时才将对以前正确收到的帧加以捎带确认。这就是说，对某一数据帧的确认就表明该数据帧和这以前所有的数据帧均已正确无误地收到了。

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后退N帧协议的接受窗口为1，可以保证按序接受数据帧。若采用n个比特对帧编号，则其发送窗口的尺寸应满足：1~2^(n-1)。若发送窗口的尺寸大于2^(n-1)，则会造成接受方无法分辨新帧和旧帧。

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3.4.4选择重传协议（SR）

基本思想：
如果某一帧出错，其后续帧先存入接收方的缓冲区中，同时要求发送方重新传输出错帧，就和原先存在缓冲区的其余帧一起按照正确的顺序送到主机。选择重传协议避免了重复传输那些本来已经正确到达接收方的数据帧，进一步提高了信道利用率，代价是增加了缓冲空间。
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此时可能出现两种情况，所以无法确认是新的零号帧还是旧的零号帧，即产生了二义性，由此引出滑动窗口最佳长度

SR协议重点

1.对数据帧逐一确认，收到一个确认一个

2.只重传出错帧

3.接收方有缓存

4.W~T max _=WR max~=2 ^n-1(n来确认帧的数目，如n=2，则2 ²=4,数据帧序号为0，1，2，3)

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3.5.1信道划分介质访问控制

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介质访问控制

内容：

采取一定的措施，使得两对节点之间的通信不会发生相互干扰的情况
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信道划分介质访问控制

信道利用率较低，进行改进

码分多路复用
https://blog.csdn.net/tianlongtc/article/details/80152442

3.5.2ALOHA协议

纯ALONHA协议思想

不监听信道，不按时间槽发送，随即重发。（想发就发）
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关于ALOHA

1.纯ALOHA比时隙ALOHA吞吐量更低，效率更低

2.纯ALOHA想发就发，时隙ALOHA只有在时间片段开始时才发

3.5.3CSMA协议

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1-坚持CSMA
坚持指的是对于监听忙之后的坚持。

1-坚持CSMA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，重复上述过程。
优点:只要媒体空闲，站点就马上发送，避免了媒体利用率的损失。
缺点:假如有两个或两个以上的站点有数据要发送，冲突就不可避免。

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。

非坚持CSMA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:采用随机的重发延迟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，使得媒体仍可能处于空闲状态，媒体使用率降低。

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三种CSMA对比总结

	1-坚持CSMA	非坚持CSMA	p-坚持CSMA
信道空闲	马上发	马上发	p概论马上发；1-p概论等下一个时隙再发送
信道忙	继续坚持监听	放弃监听，等下一个随机时间再监听	放弃监听，等一个随机时间再监听

3.5.4CSMA/CD协议（重点）

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再把数据发送出去，然后确定碰撞后的重传时机

解决了重传时机，但是还有最小帧长问题，比如举个例子说帧长过短

3.5.5CSMA/CA协议

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3.5.6轮询访问介质访问控制

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单点故障是指主结点故障，解决方法是提前准备好备用主结点

3.6.1局域网基本概念和体系结构

局域网
局域网(Local Area Network) :简称LAN,是指在某一区域内由多台计算机互联成的计算机组，使用广播信道。

特点1

覆盖的地理范围较小，只在一一个相对独立的局部范围内联，如一座或集中的建筑群内。

特点2

使用专门铺设的传输介质(双绞线、同轴电缆)进行联网，数据传输速率高(10Mb/s~ 10Gb/s)。

特点3

通信延迟时间短，误码率低，可靠性较高。

特点4

各站为平等关系，共享传输信道。

特点5

多采用分布式控制和广播式通信，能进行广播和组播。

决定局域网的主要要素为

网络拓扑，传输介质与介质访问控制方法。

局域网网络拓扑
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局域网传输介质

局域网

有线局域网常用介质：双绞线，同轴电缆，光纤

无线局域网常用介质：电磁波

局域网介质访问控制方法
1.CSMA/CD常用于总线型局域网，也用于树型网络
2.令牌总线常用于总线型局域网，也用于树型网络
它是把总线型或树型网络中的各个工作站按一定顺序如按接口地址大小排列形成-一
个逻辑环。只有令牌持有者才能控制总线，才有发送信息的权力。
3.令牌环
用于环形局域网，如令牌环网
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##3.6.2 以太网
以太网(Ethernet)指的是由Xerox公司创建并由Xerox、Intel 和DEC公司联合开发的基带总线局域网规范，是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。以太网络使用CSMA/CD (载波监听多路访问及冲突检测)技术。

以太网在局域网各种技术中占统治性地位:

1.造价低廉(以太网网卡不到100块) ;
2.是应用最广泛的局域网技术;
3.比令牌环网、ATM网便宜，简单;
4.满足网络速率要求: 10Mb/s~10Gb/s.

以太网两个标准

DIX Ethernet V2:第一个局域网产品( 以太网)规约。
IEEE 802.3: IEEE 802委员会802.3工作组制定的第- -个IEEE的以太网标准。 (帧格式有一丢丢改动)

以太网提供无连接、不可靠的服务

无连接:发送方和接收方之间无“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。
以太网只实现无差错接收，不实现可靠传输。

以太网传输介质与拓扑结构的发展
在这里插入图片描述
以太网中常见的一种：10BASE-T以太网

两种以太网MAC帧
以太网V2和IEEE 802.3 在这里插入图片描述以太网V2最后没有帧结束界定符的原因是：以太网编码形式是曼彻斯特编码（一个比特内两个码元），因此发送数据时可以感受到电压的变化，不发送数据时电压无变化，所以根据电压变化可以确定出帧发送结束位置。并且每个发送帧之间有一个最小间隔。

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3.6.3无线局域网

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满足 b 和 g的可以成为wifi

在这里插入图片描述
其中AP 指的是基站

无线局域网的分类

有固定基础设施无线局域网
无固定基础设施无线局域网的自组织网络

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广域网 PPP协议和HDLC协议

在这里插入图片描述

PPP协议应满足的要求

简单

对于链路层的帧，无需纠错，无需序号，无需流量控制。

封装成帧

帧定界符

透明传输

与帧定界符一- 样比特组合的数据应该如何处理:异步线路用字节填充，同步线路用比特填充。

多种网络层协议

封装的IP数据报可以采用多种协议。

多种类型链路

串行/并行，同步/异步，电…

差错检测

错就丢弃。

检测连接状态

链路是否正常工作。

最大传送单元

数据部分最大长度MTU。

网络层地址协商

知道通信双方的网络层地址。

数据压缩协商

发送数据时，对数据进行压缩

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
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PPP协议的状态图
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PPP协议的帧格式
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HDLC协议
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HDLC的站
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HDLC的帧格式
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HDLC和PPP协议

PPP协议	HDLC协议

面向字节	面向比特
2B字节协议	没有
无序号和确认机制	有序号和确认机制
不可靠	可靠
全双工

	PPP协议	HDLC协议
不同点	面向字节	面向比特
	2B字节协议	没有
	无序号和确认机制	有序号和确认机制
	不可靠	可靠
相同点	只支持全双工链路，都可以实现透明传输，都可以实现差错检验，但不纠正差错