计算机网络--数据链路层正文

数据链路层

  1. 节点：主机、路由器

  2. 链路：网络中两个节点之间连接的物理通道

  3. 数据链路：网络上两个节点之间的逻辑链路，把实现控制数据传输协议和软件加到链路上就构成数据链路

  4. 帧：链路层的协议数据单元，封装网络层数据报

  5. 功能：向网络层提供服务，将源自网络层的数据可靠的传输到相邻节点的目标网络层，主要作用是加强物理层原始比特流的功能

    功能概述

差错控制

  • 全局性：线路本身电器特性产生的随机噪声，信道固有的，随机存在；可以提高信噪比减少避免干扰
  • 局部性：外接特定的短暂性原因造成的冲击噪声；利用编码技术解决

  1. 差错

    • 位错：比特位出错
    • 帧错：
      • 丢失：帧丢失
      • 重复：收到帧重复
      • 失序：收到帧顺序错误

  2. 差错控制

    • 纠错编码：循环冗余码CRC
    • 纠错编码：海明码

  3. 检错编码----奇偶校验码

    • 奇校验码：加上校验元，“1”的个数为奇数
    • 偶校验码：“1”的位数为偶数
    • 特点：
      • 检错能力为50%，检验出奇数个错误

  4. 检错编码---CRC循环冗余码

    • 硬件更快
    • 接收端数据链路层接受的帧都是正确的

  5. 可靠传输

    • 概念：数据链路层发送端发送什么，接收端收到什么
    • 链路层使用CRC检验，能够实现无比特差错的传输，但是不是可靠传输

循环冗余CRC

  1. 纠错编码---海明码

    • 发现双比特错，纠正单比特错

    • 工作流程

      • 确定校验码的位数R

        海明不等式：2^r >=k+r+1

      • 确定校验码和数据的位置

        P放在2的几次方位置

      • 求出校验码的值

      • 检错并纠错

流量控制

  1. 流量控制原因：发送方发送速度，接收端接受能力较差
  2. 流量控制：
    • 链路层：接收方收不下就不回复
    • 传输层：接收端给发送端一个窗口公告
  3. 流量控制的方法：
    • 停止等待协议
    • 滑动窗口协议
      • 后退N帧协议（GBN）
      • 选择重传协议（SR）
窗口时间
停止等待协议 发送窗口=1，接受窗口=1
后退N帧协议 发送窗口>1，接受窗口=1
选择重传协议 发送窗口>=1，接受窗口>=1
  1. 可靠传输：发送端发啥，接收端收啥
  2. 流量控制：控制发送速率，是接收端有足够的缓存空间接受每一个帧
  3. 滑动窗口解决
    • 流量控制：收不下就不给确认，不发
    • 可靠传输：发送方自动重发

停止等待协议

"停止-等待"协议就是每发送一次分组就停止发送，等待对方确认，收到确认之后再发送

  1. 应用情况：无差错情况和有差错情况
  2. 无差错情况
  3. 有差错情况

GBN协议

弊端：累计确认---》批量重传

  1. GBN发送方的三件事

    • 上层的调用：上层发送数据，发送方先检查是否窗口已满。未满，产生帧发送；满了就等待发送
    • 收到一个ACK：收到N之前的帧和n帧都接收到
    • 超时事件：超时就会重传所有已发送但未确认的帧

  2. GBN接收方做的事情：

    • n帧正确，就发送ACK，将数据发送给上层
    • 其余情况丢弃帧，并为之前正确的帧发送ACK，接收方只需要维护一个信息：expectedseqnum（下一个帧的序号）

  3. 滑动窗口长度

    WT:发送窗口；1<=WT<=2^n-1

  4. 重点总结

    • 累积确认
    • 接收方只按照顺序接受帧，不按照顺序无情丢弃
    • 确认序列号最大的，按序到达的帧
    • 发送窗口：2^n-1;接受窗口：1

  5. 性能分析

    • 连续发送帧提高信道利用率
    • 重传时正确的也要重发，效率低

选择重传协议

  1. SR发送方做的三件事：
    • 上层的调用：从上层收到数据后，SR发送方检查下一个可以用于该帧的序号，如果序号位于发送窗口内，则发送数据；否则，要么数据缓存，要么返回上层之后传输
    • 收到一个ACK：如果收到ACK，加入该帧序号在窗口内，则发送方将被确认的帧标记为已确认。如果该帧序号是窗口的下界（最左边的第一个窗口），则窗口向前移动到具有最小序号的未确认帧处。如果窗口移动了，有序号在窗口内没有发送帧，则发送这些帧
    • 超时事件：每个帧都有超时定时器，一个超时事件值重发一个帧
  2. SR接受方做的三件事
    • SR接受方确认一个正确接收的帧不管是否按序。失序的帧将被缓存，返回发送方一个该帧的确认帧，直到所有窗口内的帧皆被接受，这是会将一批帧发送给上层
  3. 滑动窗口：发送窗口=接收窗口(最大：2^(n-1))
  4. SR重点：
    • 对帧逐一确认，收到一个确认一个
    • 值重传出错帧
    • 接收方有缓存

传输数据使用的两种链路

  1. 点对点链路：两个相邻的节点通过链路连接
  2. 应用：PPP协议，适合广域网
  3. 广播式链路：所有主机共享通信介质
  4. 应用：以太网，无线局域网
  5. 介质访问控制：采取一定措施，是两个节点之间的通信不会发生互相干扰的情况
  6. 分类：
    • 静态划分信道----信道划分介质访问控制
    • 动态分配信道
      • 轮询访问介质访问控制
      • 随机访问介质访问控制
  7. 信道划分介质访问控制
  8. 轮询访问介质访问控制
    • 令牌传递协议
  9. 随机访问介质访问控制
    • ALOHA协议
    • CSMA协议
    • CSMA/CD协议
    • CSMA/CA协议

ALOHA协议

  1. 纯ALOHA协议

    • 不监听信道，不安时间槽发送，随机重发

  2. 时隙ALOHA协议

    • 将时间分成若干个时间片，所有用户在时间片开始时同步接入，如果发生冲突，就重新发送

    CSMA协议

    发送帧之前，监听信道

    1. 监听结果

      • 信道空闲：发送完整帧
      • 信道忙：推迟发送

    2. 信道空闲：

      • 1-坚持CSMA
      • 非坚持CSMA
      • p-坚持CSMA
    1-坚持CSMA 非坚持CSMA p-坚持CSMA
    信道空闲 马上发 马上发 p的概率发送，1-p的概率下一个时间片发送
    信道忙 继续持续监听 放弃监听，过一个随机时间再监听 放弃监听，过一个随机时间再监听

    轮询协议

    1. 主节点轮流邀请从属节点发送数据
    2. 问题
      • 轮询开销（询问的时间）
      • 等待延迟
      • 单点故障

    令牌传递协议

    1. 令牌：特殊的MAC帧，不含有任何信息，控制信道的使用，确保同一时刻只有一个节点传送
    2. 持有时间：令牌持有时间内，才可以发送数据
    3. 问题：
      • 令牌开销
      • 等待延迟
      • 单点故障
    4. 应用：令牌环网（物理星型结构）

    CSMA/CD协议（载波监听多点接入碰撞检测）

    CS：载波监听，每个站点发送数据之前以及数据时要检测一下总线上是否有其他计算机在发送

    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）

    CD：碰撞检测，“边发送边监听”，适配器边发送数据边检测信道上电压变化情况，判断自己发送数据时其他站是否也在发送数据（半双工）

    1. 确定碰撞后的重传时间（截断二进制退避算法）

      • 确定基本退避时间为2T
      • 定义参数，重传次数，但是不超过10，小于10时，k等于重传次数，大于10时，k不增加一支等于10
      • 从离散的整数集合【0,1,,2^k-1】中随机取r，重传所需退避时间是r倍的基本退避时间，即2rT

      CSMA/CD

    2. 最小帧长=2T*数据传输速率

    CSMA/CA协议

    CSMA/CA使用于无线局域网

    • 无法全方位检测
    • 隐蔽站，A和C检=检测没有信号，信道空闲，向B端发送，会产生冲突
    1. 工作原理

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（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。

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

局域网的分类

  1. 以太网：IEEE802.3系列
  2. 无线局域网：采用IEEE802.11标准
  3. 令牌环网：802.5
  4. IEEE802标准

MAC子层和LLC子层

以太网概述

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

以太网的两个标准

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工作组制定的第一个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，差错帧丢弃，差错纠正由高层解决

以太网的拓扑：物理上星型，逻辑上总线型

10BASE-T网络是指采用无屏蔽双绞线（UTP）实现10Mb/s传输速率的Ethernet，其标准为IEEE802.3i。

通信适配器和MAC地址

计算机与外界局域网连接是通过通信适配器的

在局域网中，硬件地址又成物理地址，MAC地址

以太网MAC帧

MAC帧

无线局域网的分类

  • 有固定的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
  1. 有固定基础设施无线局域网

广域网

广域网介绍

PPP协议

点对点协议，是目前最广泛使用的数据链路层协议，用户使用拨号电话接入因特网时一般使用PPP协议

只支持全双工链路

  1. 满足的要求
    • 简单
    • 封装成帧
    • 透明传输
    • 多种网络层协议
    • 多种类型链路
    • 差错检测
    • 检测连接状态
    • 最大传送单元：MTU
    • 网络层地址协商
    • 数据压缩协商
  2. 无需满足的要求
    • 纠错
    • 流量控制
    • 序号
    • 不支持多点线路
  3. 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都要一个相应的NCP来配置，为网络层协议建立和配置逻辑连接。
  4. HDLC协议（没看

链路层设备

  1. 网桥
    • 概念：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，而是先检查此帧的目的MAC地址，然后再确定将该帧转发到哪一个接口，或者是把它丢弃（即过滤）。
    • 分类
      • 透明网桥：“透明”指的是以太网上的站点不知道发送的帧需要经过的网桥，是一种即插即用的设备---自学习。
      • 源路由网桥：发送帧时，将最详细路由信息放在帧首部的位置（路由最短/时间最短）
        • 方法：源站以广播的方式向通信的目的站发送一个发现帧
      • 多接口网桥---以太网交换机
        • 独占媒体带宽
        • 交换方式
          • 直通式交换机：查看目的地址就发送
          • 存储转发式交换机：查看帧并且检查
隔离冲突域 隔离广播域
物理层设备（中继器、集线器） 不可以 不可以
链路层设备（网桥、交换机） 可以 不可以
网络层设备（路由器） 可以 可以
posted @ 2022-10-06 22:50  小张的笔记  阅读(293)  评论(0)    收藏  举报