• 【计算机网络 - 第六章】链路层

    目录

    一、概述

    1、数据链路层提供的服务？ 

    二、差错检测

    1、奇偶校验

    2、循环冗余校验CRC

    三、多路访问链路和协议

    1、概述

    （1）多路访问协议

    2、信道划分协议

    ① 频分多路复用FDM

    ② 时分多路复用TDM

    ③ 波分多路复用WDM

    ④ 码分多路复用CDM

    3、ALOHA协议

    （1）纯ALOHA协议（效率低）

    （2）时隙ALOHA协议

    4、载波监听多址接入/碰撞检测  CSMA/CD

    （1）基本概念

    （2）争用期（碰撞窗口）

    （3）如何确定碰撞后的重传时机？

    （4）最小帧长问题

    （5）CSMA/CD协议——帧发送流程

    （6）CSMA/CD协议——帧接收流程

    （7）信道利用率

    5、载波监听多址接入/碰撞避免  CSMA/CA

    （1）帧间间隔IFS

    （2）CSMA/CA工作原理

    四、交换局域网

    1、链路层地址——MAC地址

    （1）单播MAC地址 ​编辑

    （2）广播MAC地址

    （3）多播MAC地址

    2、地址解析协议——ARP协议

    五、集线器与交换机

    1、集线器

    2、交换机 

    3、交换机与路由器比较 

    补充： 单工、半双工、全双工的区别

    一、概述

    1、封装成帧：指链路层向上层交付的协议数据单元添加帧头和帧尾使之成为帧

    有的帧的帧头和帧尾包含帧定界

    2、透明传输：指链路层对上层交付的传输数据没有任何限制，就像数据链路层不存在一样

    • 使用字节填充 
    • 使用比特填充 —— 每5个连续1后面插1个0

    1、数据链路层提供的服务？ 

    1. 成帧（网络层数据报经链路传送前，链路层协议将其用链路层帧封装起来）
    2. 链路接入（MAC协议规定了帧在链路传输的规则。链路的一段仅有一个发送方，另一端只有一个接收方的点对点链路）
    3. 可靠交付（保证无差错地经链路层移动每个网络数据报）
    4. 差错检验和纠正

    二、差错检测

    1、奇偶校验

    在待发送的数据后面添加1位奇偶校验位

    • "1"的个数为奇数【奇校验】
    • "1"的个数为偶数【偶校验】

    如果有奇数个位发生误码，奇偶性变化，可以检查出误码

    举例：

        奇校验                   1的个数变成偶数

    1 1 0 1 1 0 1 ———— 1 1 0 1 1 0 0           "1"的奇偶性改变，检测出错误

        偶校验                   1的个数变成奇数

    0 1 0 1 1 0 1 ———— 0 1 0 1 1 0 0           "1"的奇偶性改变，检测出错误

    2、循环冗余校验CRC

    收发方约定好一个生成多项式G(x) 

    G(x)=x^{4}+x^{2}+x+1

    生成的比特串：1 0 1 1 1

                             4 3 2 1 0

    发送方操作：

    接收方操作：

    检错码只能检测出是否出现差错，但不能定位错误，无法纠正错误

    三、多路访问链路和协议

    1、概述

    传输数据使用的两种链路：

    点对点链路：两个相邻节点通过一个链路相连，比如：PPP协议，常用于广域网

    广播式链路：所有主机共享通信介质，比如：以太网、无限局域网，常用于局域网

    （1）多路访问协议

    作用：节点通过这些协议来规范它们在共享的广播信道上的传输行为。

    2、信道划分协议

    ① 频分多路复用FDM

    用户在分配到一定频带后，在通信过程中至始至终都占用这个频带

    所有用户在同样的时间占用不同频率带宽

    ② 时分多路复用TDM

    将时间划分为一段段等长的TDM帧，每个用户在每个TDM帧中占用固定序号的时隙，所有用户轮流占用信道

    ③ 波分多路复用WDM

    通过光的不同波长来分解各路波长

    ④ 码分多路复用CDM

    码分多址CDMA是码分复用的一种方式

    可以在同样的时间使用同样的频带进行通信

    每一个比特时间再划分为m个短的间隔，称为码片，一般m=64或128

    使用CDMA的每一个站被指派一个m bit码片序列

    • 一个站如果要发送比特1，则发送自己的m bit码片序列
    • 一个站如果要发送比特0，则发送m bit码片序列的二进制反码

    码片序列挑选原则：

    • 分配给每个站的码片序列必须各不相同
    • 每个站的码片序列必须互相正交（规格化内积为0）
    • S\cdot T=\frac{1}{m}\sum_{i=1}^{m}S_{i}T_{i}=0
    • S\cdot T=0
    • S\cdot \bar{T}=0

    举例：假设给站S分配码片序列01011101，给站T分配码片序列为10111000，这样分配对吗？

            码片序列各不相同 ✓

            码片正交 ×

            S的码片序列（-1 +1 -1 +1 +1 +1 -1 +1）

            T的码片序列（+1 -1 +1 +1 +1 -1 -1 -1）

            S×T≠0

            分配不正确

     

    设收到的码片序列为E

    根据公式S\cdot T=\frac{1}{m}\sum_{i=1}^{m}S_{i}T_{i}=0

    A×E=1        ——发送比特1

    B×E=-1       ——发送比特0

    C×E=0        ——未发送

    D×E=1        ——发送比特1         

    3、ALOHA协议

    （1）纯ALOHA协议（效率低）

    想发就发

    冲突如何检测？ 发生冲突，接收方不予确认，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？ 超时后等待随机一时间再重传

    最大效率为 1/(2e)=0.185

    （2）时隙ALOHA协议

    把时间划分成若干个时隙，若发生冲突，必须等到下一个时隙开始时刻再发

    最大效率为 1/e=0.37，是纯ALOHA两倍

    4、载波监听多址接入/碰撞检测  CSMA/CD

    （1）基本概念

    多址接入MA：多个站连接在一条总线上，竞争使用总线

    载波监听CS：每个站发生帧前先检测一下总线是否被占用（先听后说）

    • 若检测到总线空闲96bit时间，发送该帧
    • 若检测到总线忙，继续检测，等待总线空闲96bit时间，再发送

    碰撞检测CD：正在发送帧的站边发送边检测碰撞（边听边说）

    一旦发现碰撞，立刻停止发送，过一段随机时间后再次发送

    不适用于无线网络

    （2）争用期（碰撞窗口）

    最迟多久知道自己发送的数据没和别人碰撞？

    答：最多是两倍的总线单程端到端传播时延 2\tau，也称为争用期 / 碰撞窗口

    （3）如何确定碰撞后的重传时机？

    截断二进制指数规避算法

    1、确定基本退避时间为争用期2\tau

    2、定义参数k表示重传次数，k=min{重传次数,10}

    3、从 [0,1,2\ ...\ 2^{k}-1]  中随机选一个数 \gamma ，重传所需退避时间就是 2\gamma \tau

    4、当重传达16次都不能成功，说明网络太拥挤，抛弃此帧并向高层报错

    举例：

    第一次重传，k=1，r从【0，1】里选，重传时间在0和2\tau里随机选一个

    如果再碰撞，k=2，r从【0，1，2，3】里选，重传时间在【0，2\tau，4\tau，6\tau】里选

    在以太网的二进制回退算法中，在11次碰撞后，站点会在0~？之间随机选一个数？

    k=min{11，10}=10

    在0~2^{10}-1=1023里随机选一个数

    （4）最小帧长问题

    最小帧长 = 2\tau × 数据传输速率

    （5）CSMA/CD协议——帧发送流程

    （6）CSMA/CD协议——帧接收流程

    （7）信道利用率

    S_{max}=\frac{T_{0}}{T_{0}+\tau }=\frac{1}{1+\frac{\tau }{T_{0}}}

    当信号传播时延\tau趋近于0时，信道利用率接近100%

    【例1】采用CSMA/CD协议的网络中，传输介质的传输速率为1Gbps，电缆中信号传播速度是200000kms，若最小帧长长度减少800 bit，则最远两个站点的距离至少为？

    设最远的两个站点之间距离为d，最小帧长为l

    最小帧长 = 争用期 × 数据传输速率 

    争用期 = 2倍端到端传播时延 = \frac{d}{200000\times10^{3} }\times 2

    l=\frac{d}{200000\times10^{3} }\times 2\times 10^{9}

    d=\frac{l}{10}

    因此若l减少800 m，d至少减少80 m 

    5、载波监听多址接入/碰撞避免  CSMA/CA

    适用于无线网络

    （1）帧间间隔IFS

    帧间间隔：站点必须在持续检测到信道空闲一段指定时间后才能发送帧

    帧间间隔长短取决于站点要发送帧的类型

    • 短帧间间隔SIFS：28μs，用于分隔开属于一次对话的各帧
    • DCF帧间间隔DIFS：128μs，用于发送帧和管理帧

    （2）CSMA/CA工作原理

    3.6.4 随机接入— CSMA/CA协议_哔哩哔哩_bilibili

    06:00开始

    四、交换局域网

    1、链路层地址——MAC地址

    • 当多个主机连接在同一个总线上，要实现两个主机间通信，每个主机需要一个唯一标识MAC地址
    • MAC地址又称LAN地址
    • MAC地址被称为物理地址，但并不属于物理层
    • MAC地址是适配器（网络接口）的链路层地址，不是各设备或路由器的链路层地址
    • MAC地址长6字节，共有2^{48}种MAC地址

     

    （1）单播MAC地址 

    （2）广播MAC地址

    （3）多播MAC地址

     

    2、地址解析协议——ARP协议

    • ARP协议：将网络层的IP地址转换成链路层的MAC地址
    • ARP分组有四个字段：源IP、MAC  +  目的IP、MAC
    • ARP表是自动建立的，不需要管理员配置
    • 工作方式：每台主机和路由器在其内存中具有一个ARP表，这张表包含IP地址到MAC地址的映射关系

    举例：

    • 主机B想给主机C发送数据包，但只知道C的IP地址，不知道MAC地址。

    • 主机B先在自己的ARP高速缓存中寻找C的IP地址，未找到

    • 主机B广播ARP请求报文来获取主机C的MAC地址

    • 主机C发现询问的IP地址是自己的，进行响应：

    1、主机C将B的IP地址和MAC地址记录到自己的ARP高速缓存中

    2、给主机B发送ARP响应，告知自己的MAC地址

     

    • 主机C将ARP响应报文进行单播，主机B接收到后，将C的IP地址和MAC地址记录到自己的ARP高速缓存中

     

    五、集线器与交换机

    1、集线器

    • 集线器是一种物理层设备，每个接口仅转发比特，不进行碰撞检测
    • 集线器作用于各个比特而不是作用于帧

     某主机要给另一主机发送单播帧，该单播帧会通过共享总线传输到总线上的各个主机（交给主机判断）

    2、交换机 

    • 交换机具有多个接口，每个接口可以直接与一台主机或另一个以太网交换机相连，采用全双工方式
    • 交换机有并行性，能同时连通多对接口，无碰撞（不使用CSMA/CD协议）
    • 交换机工作在链路层（包括物理层），收到帧后，在帧交换表中查找帧的目的MAC地址对应的接口号，然后进行转发

     交换机是一种即插即用设备，内部的帧交换表是通过自动学习算法自动建立的

     某主机要给另一主机发送单播帧，交换机会将该单播帧转发给目的主机（交给交换机判断）

    3、交换机与路由器比较 

    • 交换机是第二层链路层的分组交换机，使用MAC地址转发分组的存储转发分组交换机，即插即用，对于广播风暴不提供任何保护措施，即如果某主机出了故障并传输出没完没了的以太网广播帧，该交换机将转发所有这些帧，是以太网崩溃
    • 路由器是第三层网络层的分组交换机，使用IP地址转发分组的存储转发分组交换机，不是即插即用的，对第二层的广播风暴提供防火墙保护

    补充： 单工、半双工、全双工的区别

    单工：只支持数据在一个方向上传输；在同一时间只有一方能接受或发送信息，不能实现双向通信，举例：电视，广播。

    半双工：允许数据在两个方向上传输，在某一时刻只允许数据在一个方向上传输，实际上是一种切换方向的单工通信；在同一时间只可以有一方接受或发送信息，可以实现双向通信。举例：对讲机。

    全双工：允许数据同时在两个方向上传输，可以在同一时间可以同时接受和发送信息，实现双向通信，举例：电话通信。

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