chapter3 数据链路层

Posted 2021-06-11 VanHope

目录

• 3.1 数据链路层设计要点
• 3.2 错误检测和纠正
  • 3.2.1 检错编码：
  • 3.2.2 纠错编码
• 3.3 基本数据链路协议
• 3.4 滑动窗口协议 【重点】
  • 3.4.2 滑动窗口协议原理
  • 3.4.3 后退N帧的滑动窗口协议（Go Back N）
  • 3.4.5 选择性重传的滑动窗口协议（selective repeat）
• 3.5 点对点协议PPP
• 3.6 介质访问控制
  • 3.6.1 局域网的数据链路层
  • 3.6.2 CSMA/CD【以太网核心，重要】
  • 3.6.3 局域网技术标准
• 3.7 以太网
• 3.8 局域网互连

3.1 数据链路层设计要点

• 物理层：实现了比特流的传输

• 数据链路层：在物理层基础上实现了帧（frame）的传输

数据链路层传输的协议数据单元（PDU）是 帧

数据链路层使用的信道类型

• 点对点信道：
  • 一对一
• 广播信道：
  • 一对多
  • 广播信道上连接多个主机

数据链路层涉及的问题

• 封装成帧（framing）：

  • 帧定界、最大传送单元（MTU）

• 差错控制：

  • 循环冗余校验 CRC
  • 帧检验序列 FCS
  • 帧丢失、帧重复、帧失序

• 流量控制及可靠传输

• 广播信道中的介质访问控制

成帧方法：

1. 成帧要考虑的问题：接收方如何识别帧边界
2. 常用的成帧方法
   • 字符计数法：帧头部指明帧的字节数
   • 字符填充的首尾定界法：定义专门的字符为帧的起始/开始标志，并用字符填充
   • 比特填充的首尾定界法：定义专门的字符为帧的起始/开始标志，并用比特填充
   • 物理编码违例法： 使用无效的物理编码作为帧的开始/结束标志

3.2 错误检测和纠正

一般用误码率BER表示链路可靠性，

误码率 = 出错的比特数/传送的总比特数

处理方法

• 纠错码
• 检错码

3.2.1 检错编码：

常用检错编码方法

• 奇偶校验
• 简单累加和（校验和）
• 循环冗余校验CRC

循环冗余校验CRC原理！！【会计算CRC冗余码】

常用生成多项式表示除数

在网络的具体实现时，通常使用硬件电路生成CRC校验和

3.2.2 纠错编码

【又称：前向纠错】

方法：

• 海明编码

3.3 基本数据链路协议

无限制的单工协议

单工停-等协议

• 问题：接收方处理帧不及时的问题
• 解决方法：增加流量控制机制（flow control）

有噪声的单工协议

• 问题：在有噪声的信道中，帧传输过程中可能出错
• 解决方法：ARQ协议
  • 校验和
  • 确认帧
  • 超时重发
  • 帧序号

3.4 滑动窗口协议 【重点】

信道利用率

3.4.2 滑动窗口协议原理

基本思想

• 允许发送方连续发送多个帧
• 通过滑动窗口实现流量控制
  • 每个待发送的帧都有一个序列号
  • 发送方：维护一个发送窗口
  • 接收方：维护一个接受窗口

3.4.3 后退N帧的滑动窗口协议（Go Back N）

重点

3.4.5 选择性重传的滑动窗口协议（selective repeat）

重点

3.5 点对点协议PPP

早期的数据链路层协议：HDLC(High-level Data Link Control)

PPP协议特点：

• Point-to-Point Protoco l：一种数据链路层协议，广泛应用于点到点链路的数据传输
• 三个组成部分
  • 将IP数据报封装到串行链路的方法
  • 链路控制协议LCP
  • 网络控制协议NCP

PPP帧格式

• PPP是面向字节的，所有PPP帧的长度都是整数字节
• 标志字段F
• 地址字段A
• 控制字段C
• 协议字段
• 校验字段FCS：2字节的CRC校验

PPP透明传输问题

• 同步传输：零比特填充
• 异步传输：字符填充

字符填充：

• 用0x7D、0x5E代替 0x7E

• 用0x7D、0x5D代替0x7D

• 信息字段中的每一个ASCII 码控制字符(小于 0x20 的字符)前面加入 0x7D，且编码改变

零比特填充：

• 发送端：只要发现5个连续1，就立即填入1个0
• 接收端：每当发现5个连续1，就删去5个1后面的1个0

PPP支持两种身份认证协议：

• PAP
• CHAP

3.6 介质访问控制

介质访问控制：media access control

3.6.1 局域网的数据链路层

局域网的主要特点

• 网络为一个单位所拥有，地理范围、站点数目有限

局域网要解决的重要问题：介质访问控制

问题缘由：因为局域网需要经常使用广播信道

• 静态划分信道
  • 频分复用
  • 时分复用
  • ……
• 动态介质访问控制
  • 随机访问：CSMA/CD、CSMA/CA
  • 受控访问：多点线路探寻（polling）

3.6.2 CSMA/CD【以太网核心，重要】

Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection： 载波监听多点访问/碰撞检测

CSMA/CD几个核心概念

• 载波监听
• 碰撞检测
• 碰撞强化
• 碰撞退避

争用期、以太网的争用期

CSMA/CD协议优缺点

• 优点
• 缺点

3.6.3 局域网技术标准

IEEEE802标准将局域网的数据链路层分为两个子层【为什么要划分？】

• LLC：逻辑链路控制子层
• MAC：介质访问控制子层

3.7 以太网

Ethernet

最初以太网为总线结构，后发展为星形结构

MAC地址

• MAC地址为48 bit，高24bit为厂商标识符，低24位由厂商自行分配，须保证每个网络接口具有全球唯一的MAC地址

以太网的帧格式

• 目的地址、源地址
• 类型
• 数据
• FCS

高速以太网：

• 快速以太网：传输速率100Mb/s

• 千兆以太网：传输速率1Gb/s

• 万兆以太网(10Gbps以太网)

3.8 局域网互连

1. 在物理层扩展局域网：使用中继器或集线器 可实现局域网在物理层的互连

   • 优点：可以方便第实现网络扩展，成本较低
   • 缺点：碰撞域增大、碰撞发生概率增大、可能影响网络性能

2. 在数据链路层扩展局域网：使用网桥

   • 网桥的基本工作原理

多接口网桥——交换机，其内部工作原理为网桥，每个网络接口被视为一个网段，因此交换机是一个多接口网桥

交换机的自学习算法原理：若从 A 发出的帧从接口 x 进入了某网桥，那么从这个接口出发沿相反方向一定可把一个帧传送到

交换机的自学习过程：

透明网桥还使用生成树算法(spanning tree)

虚拟局域网(VLAN)