Day8、9、10、11 计算机网络——数据链路层

我是大白(●—●)，这是我开始学习记录大白Java软件攻城狮晋升之路的第八、九、十、十一天。

文章目录

一、数据链路层概述
二、数据链路层的两种信道
三、局域网、广域网
四、数据链路层的基本设备

一、数据链路层概述

1. 数据链路层的研究思想

在真实通讯过程中，A程序先从应用层逐渐包装到物理层，然后再中间路由器等进行物理层、数据链路层、网络层的封装与拆解，在从物理层传输至B程序的物理层进行逐级分解。因此也可以看做为数据链路层的等级通讯。

2. 数据链路层基本概念

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。

3. 数据链路层的功能

4.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。

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。

📒组帧的四种方法

1.字符计数法

痛点：

2.字符（节）填充法

正确的做法（添加转义字符）：

3.零比特填充法

保证了透明传输：在传送的比特流中可以传送任意比特组合，而不会引起对帧边界的判断错误。

4.违规编码法

📒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”有什么妨碍数据传输的东西。
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。

5.差错控制(检错编码)

📒差错从何而来

概括的说，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

📒检错编码——奇偶校验码

📒检错编码——CRC循环冗余码

在数据链路层仅仅使用循环冗余检验CRC差错检测技术，只能做到对帧的无差错接收，即“凡是接收端数据链路层接受的帧，我们都能以非常接近于1的概率认为这些帧在传输过程中没有产生差错”。接收端丢弃的帧虽然曾收到了，但是最终还是因为有差错被丢弃。“凡是接收端数据链路层接收的帧均无差错”。

📒纠错编码——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

1. 确定校验码位数r

海明不等式：2r ≥ k+r+1 r为冗余信息位，k为信息位

2. 确定校验码和数据的位置

3. 求出校验码的值

4. 检错并纠错

📒脑图时刻

6. 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收能力的不匹配，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。

📒可靠传输、滑动窗口、流量控制

📒流量控制的方法

1. 停止-等待协议

无差错的情况：

有差错的情况：

发完一个帧后，必须保留它的副本。
数据帧和确认帧必须编号。

2.滑动窗口协议

停等协议的弊端

后退N帧协议中的滑动窗口

GBN发送方必须响应的三件事

GBN接收方要做的事

运行中的GBN

GBN滑动窗口长度

GBN协议重点总结

GBN协议性能分析

GBN协议的弊端

选择重传协议中的滑动窗口

SR发送方必须响应的三件事

SR接收方要做的事

运行中的SR

滑动窗口的长度

SR协议重点总结

二、数据链路层的两种信道

1. 信道划分介质访问控制

📒传输数据使用的两种链路

📒介质访问控制

📒信道划分介质访问控制

📒频分多路复用FDM

充分利用传输介质带宽，系统效率较高;
由于技术比较成熟，实现也比较容易。

📒时分多路复用TDM

📒改进的时分复用——统计时分复用STDM

📒码分多路复用CDM

码分多址(CDMA）是码分复用的一种方式。
1个比特分为多个码片/芯片(chip)，每一个站点被指定一个唯一的m位的芯片序列。
发送1时站点发送芯片序列，发送0时发送芯片序列反码（通常把O写成-1）。
如何不打架：多个站点同时发送数据的时候，要求各个站点芯片序列相互正交。
如何合并：各路数据在信道中被线性相加。
如何分离:合并的数据和源站规格化内积。

📒CD还是CS

2. ALOHA协议

📒介质访问控制

协议的不协调会导致冲突

📒ALOHA协议

ALOHA协议包括：

纯ALOHA协议
时隙ALOHA协议

📒纯ALOHA协议

冲突如何检测?
如果发生冲突，接收方在就会检测出差错，然后不予确认，发送方在一定时间内收不到就判断发生冲突。

冲突如何解决?
超时后等一随机时间再重传。

📒时隙ALOHA协议

📒关于ALOHA协议要知道的事

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。

3. CSMA协议

📒1-坚持CSMA

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

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。

📒p-坚持CSMA

优点：既能像非坚持算法那样减少冲突，又能像下1-坚持算法那样减少媒体空闲时间的这种方案。
缺点：发生冲突后还是要坚持把数据帧发送完，造成了浪费。

📒三种CSMA对比总结

4. 轮询访问介质访问控制

📒介质访问控制（MAC协议）

📒轮询协议

📒令牌传递协议

5. CSMA-CA协议

6. CSMA/CD协议

三、局域网、广域网

1. 局域网基本概念和体系结构

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。

📒局域网拓扑结构

总线型拓扑结构相对较好。

📒局域网传输介质

📒局域网介质访问控制方法

📒局域网的分类

📒MAC子层和LLC子层

2. 以太网

📒以太网概述

📒以太网提供无连接、不可靠的服务

📒10BASE-T以太网

📒适配器与MAC地址

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（由IEEE规定)，后24位厂家自己指定。常用6个十六进制数表示，如02-60-8c-e4-b1-21。

📒以太网MAC帧

📒高速以太网

3. 无线局域网

📒IEEE 802.11

📒802.11的MAC帧头格式

📒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

4. 广域网

5. PPP协议

📒PPP协议需要满足的要求

📒PPP协议无需满足的要求

📒PPP协议的三个组成部分

📒PPP协议的状态图

📒PPP协议的帧格式

6. HDLC协议

高级数据链路控制（High-Level Data Link Control或简称HDLC），是一个在同步网上传输数据、面向比特的数据链路层协议，它是由国际标准化组织(ISO)根据IBM公司的SDLC(SynchronousData Link Control)协议扩展开发而成的.数据报文可透明传输，用于实现透明传输的“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，对信息帧进行顺序编号，可防止漏收或重份，传输可靠性高。