计算机网络之数据链路层

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1. 功能概述

1.1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。

1.2MAC地址

以太网规定，连入网络的所有设备，都必须具有”网卡”接口。数据包必须是从一块网卡，传送到另一块网卡。网卡的地址，就是数据包的发送地址和接收地址，这叫做MAC地址。长度为6字节，共48比特，通常用十六进制表示法，地址的每个字节被表示为一对十六进制数,每个适配器具有一个唯一的MAC地址,一台路由器的每个接口都有一个ARP模块和一个适配器.

1.3ARP协议

1.4广播

1号计算机向2号计算机发送一个数据包，同一个子网络的3号、4号、5号计算机都会收到这个包。它们读取这个包的”标头”，找到接收方的MAC地址，然后与自身的MAC地址相比较，如果两者相同，就接受这个包，做进一步处理，否则就丢弃这个包。这种发送方式就叫做”广播”（broadcasting）。广播时，它不需要知道所有的主机的地址，只要目的主机发送广播地址，那么在同一个以太网下的所有主机都会接收到这台主机发送的广播。

2. 封装成帧与透明传输

封装成帧： 就是将网络数据报加头加尾，相当于将数据打包。
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。

2.1字符计数法

2.2 字符填充法

2.3 零比特填充法

2.4 违规编码法

3. 差错控制

3.1 产生差错的原因

概括来说，传输中的差错都是由于噪声引起的。
全局性：1.由于线路本身电气特性所产生的随机噪声(热噪声)，是信道固有的，随机存在的。
解决办法:提高信噪比来减少或避免干扰。(对传感器下手)
局部性： ⒉.外界特定的短暂原因所造成的冲击噪声，是产生差错的主要原因。
解决办法:通常利用编码技术来解决。

3.2 为什么进行差错控制？

因为错误可以尽早发现，不会让一个错误的数据包发送了很长时间到达最终目的地之后才被发现，从而导致网络资源的浪费

3.3奇偶校验码

奇偶校验：只需包含1个附加比特。
对于偶校验，选择一个值，使得所有比特中1出现偶数次。
对于奇校验，选择一个值，使得所有比特中1出现奇数次。接收方通过检测1出现的次数判断是否出现差错。如果出现偶数个比特差错，则检验不出
缺点：只能检测出1，3，5，7…等等奇位数错误，检测成功率位50%

3.4循环冗余码CRC

发送方和接收方协商一个r+1比特的生成多项式(G)，要起其最高比特位为1。发送方通过在d比特的数据后附加r比特，使得整个(d+r)比特的值能够被G整除。接收方用G去除(d+r)比特，如果余数非0，则出现差错

4. 数据链路层的流量控制和可靠传输

流量控制是为了让传输过程中的发送速度和接受速度匹配，减少传输出错与资源浪费
可靠传输是发送端发送什么，接收端就要受到什么

4.1停止等待协议

4.2 后退N帧协议（GBN）

4.3 选择重传协议

在GBN中，仅有接收端有一个窗口来存放数据帧，在SR中，两者都有窗口了。和GBN的区别其实就是做了一个数据缓存，已经收到的帧不用扔了，等待之前因意外丢失的帧收到的时候确认即可，但是只能缓存窗口尺寸内的包含的帧

5. 介质访问控制技术

5.1 频分多路复用FDM

用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽（频率带宽）资源。

5.2 时分多路复用TDM

将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧）。每一个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙，所有用户轮流占用信道。

5.3 统计时分复用STDM

每一个STDM帧中的时隙数小于连接在集中器上的用户数。各用户有了数据就随时发往集中器的输入缓存，然后集中器按顺序依次扫描输入缓存，把缓存中的输入数据放入STDM帧中，一个STDM帧满了就发出。STDM帧不是固定分配时隙，而是按需动态分配时隙。

5.4 码分多路复用CDM

每个节点分配一种不同的编码，每个节点使用其唯一的编码来对发送的数据进行编码

5.5ALOHA协议

5.6 CSMA协议

1-坚持CSMA： 发送信息时监听信道，一空闲下来就立即传输，信道忙也一直监听，如果发送时冲突就等待随机时长之后再监听 立即发送，利用率高 如果多台设备同时监听，那么会发生冲突
非坚持CSMA ：发送信息时监听信道，如果空闲就立即传输，信道忙就随机等待一段时间后再监听 冲突发生的几率减少 因为需要等待，所以利用率不高
p-坚持CSMA ：发送信息时监听信道，空闲时以概率p进行传输，概率1-p不传输。信道忙就随机等待一段时间后再监听 冲突减少的同时效率也比较高 即使发生冲突也要坚持发送数据，资源被浪费

5.7 CSMA/CD协议

5.8CSMA/CA协议

发送数据前，先检测信道是否空闲。空闲则发出RTS (request to send)，RTS包括发射端的地址、接收端的地址、卜一份数据特持续反达的时同等信息;信道忙则等待。接收端收到RTS后，将响应CTS (clear to send） 。发送端收到CTS后，开始发送数据帧（同时预约信道:发送方告知其他站点自己要传多久数据）。接收端收到数据帧后，将用CRC来检验数据是否正确，正确则响应ACK帧。
发送方收到ACK就可以进行下一个数据帧的发送，若没有则一直重传至规定重发次数为止(采用二进制指数退避算法来确定随机的推迟时间)。

6.局域网

6.1 局域网的网络拓扑结构

6.2 局域网的传播介质

有线局域网：双绞线，同轴电缆，光纤
无线局域网：电磁波

6.4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。

7.广域网

7.1 PPP协议（Point-to-Point Protocol）

PPP协议是目前使用最广泛的数据链路层协议，拨号基本都是PPP协议，PPP协议仅支持全双工链路

7.2 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“o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。

8. 链路层设备

8.1 网桥

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）。

透明网桥：
通过自学习来构建转发表。每一个通过网桥的数据包都会被记录下网桥收到数据时数据对应的地址和网桥自己的接口，通过许许多多的数据包的构造的缓存，网桥就可以知道哪个数据包在哪个接口，以后如果要穿数据包就知道要往哪个接口发送数据包了

原路由网桥：
在发送时，直接将最佳路径放到帧首部。那么网桥如何获得最佳路径？通过广播方式想目标地址发送广播，此时可能会经过不同路由产生不同的路径，目标地址收到后再将每一条路径都发一个响应帧给网桥，网桥经过对比就知道哪个接口最快了

8.2 交换机

网桥接口越来越多，网桥就变成了交换机，交换机的任务是接收入链路层帧并将它们转发到出链路，交换机自身对节点透明：某节点向另一节点寻址一个帧，顺利地将该帧发送进LAN，而不知道这个帧经过了某个交换机的接收与转发。