差错检测防止差错的无效数据帧，浪费网络资源；在传输过程中可能会产生比特差错：1 可能会变成 0 而 0 也可能变成 1。
在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比率称为误码率 BER (Bit Error Rate)。
误码率与信噪比有很大的关系。
为了保证数据传输的可靠性，在计算机网络传输数据时，必须采用各种差错检测措施。

3️⃣可靠传输

可靠传输避免消息符号与帧定界符号相混淆；

使用广播信道的数据链路层

1️⃣共享式以太网的媒体接入控制协议CSMA/CD

2️⃣802.11局域网的媒体接入控制协议CSMA/CA

数据链路层的互连设备

网桥和交换机的工作原理

从某个端口收到的二层报文，解析二层报文的源MAC和目的MAC
根据源MAC学习形成MAC表
根据目的MAC，原封不动的将该报文转发到适当的出端口，从而保证最终目的设备能收到这个报文。这个转发过程有两个关键：
a. 原封不动的： 所谓原封不动，就是交换机不会修改报文内容，包括报文的源MAC，目的MAC（这一点与路由器形成区别，路由器工作在三层，在转发过程中每一跳都会修改源MAC和目的MAC）
b. 适当的：交换机要确保报文最终能安全可靠的到达目的地，为了达到这个目的，这儿的适当的目的端口有可能不是一个。比如：为了保证报文能最终达到这个目标，交换机在不知道目的设备在哪个端口的时候，会将一个报文复制多份，并从多个端口发送出去（除报文源端口以外的所有端口--这种行为成为泛洪-flood）。

交换机与网桥的区别

　　局域网交换机的基本功能与网桥一样，具有帧转发、帧过滤和生成树算法功能。但是，交换机与网桥相比还是存在以下不同：

　　1、交换机工作时，实际上允许许多组端口间的通道同时工作。所以，交换机的功能体现出不仅仅是一个网桥的功能，而是多个网桥功能的集合。即网桥一般分有两个端口，而交换机具有高密度的端口。

　　2、分段能力的区别

　　由于交换机能够支持多个端口，因此可以把网络系统划分成为更多的物理网段，这样使得整个网络系统具有更高的带宽。而网桥仅仅支持两个端口，所以，网桥划分的物理网段是相当有限的。

　　3、传输速率的区别

　　交换机与网桥数据信息的传输速率相比，交换机要快于网桥。

　　4、数据帧转发方式的区别

　　网桥在发送数据帧前，通常要接收到完整的数据帧并执行帧检测序列FCS后，才开始转发该数据帧。交换机具有存储转发和直接转发两种帧转发方式。直接转发方式在发送数据以前，不需要在接收完整个数据帧和经过32bit循环冗余校验码CRC的计算检查后的等待时间。

集线器（物理层互连设备）与交换机的区别

集线器和交换机的主要区别在于它们的OSI体系结构、工作方式和带宽分配方式。

1. OSI体系结构

集线器属于第一层物理层设备，而交换机属于第二层数据链路层设备。这意味着集线器只是对数据的传输起到同步、放大和整形的作用，而交换机不但可以对数据的传输做到同步、放大和整形，而且可以过滤短帧、碎片等，从而保证数据传输的完整性和正确性。

2. 工作方式

集线器采用广播模式，即某个端口工作的时候，其它所有端口都能够收听到信息。这可能会导致网络性能受到很大影响，尤其是当网络较大时。而交换机则能够避免这种现象，当交换机工作的时候，只有发出请求的端口与目的端口之间相互响应，而不影响其它端口，因此交换机就能够隔离冲突域并有效地抑制广播风暴的产生。

3. 带宽

集线器不管有多少端口，所有端口都是共享一条带宽，在同一时刻只能有两个端口传输数据，其他端口只能等待，同时集线器只能工作在半双工模式下。而对于交换机而言，每个端口都有一条独占的带宽，当两个端口工作时并不影响其他端口的工作，同时交换机不但可以工作在半双工模式下，而且可以工作在全双工模式下。

二、封装成帧

封装成帧相关概念

封装成帧：指数据链路层给上层交付的协议数据单元添加帧头和帧尾使之成为帧。

帧头和帧尾中包含有重要的控制信息。

帧头和帧尾的作用之一就是帧定界限。

透明传输

透明传输：指数据链路层对上层交付的传输数据没有任何限制,就好像数据链路层不存在一样。

1️⃣面向字节的物理链路使用字节填充实现

2️⃣面向比特的物理链路使用比特填充实现

为了提高帧的传输效率,应当使帧的数据部分的长度尽可能大些。

考虑到差错控制等多种因素,每一种数据链路层协议都规定了帧的数据部分的长度上限,即最大传送单元MTU (Maximum Transfer Unit)。

三、差错检测

比特差错

比特差错：比特在传输过程中可能会产生差错即1可能会变成0，而0也可能变成1。

误码率BER

误码率BER：在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比率。

差错检测码

使用差错检测码来检测数据在传输过程中是否产生了比特差错,是数据链路层所要解决的重要问题之一。

检错码只能检测出帧在传输过程中出现了差错，但并不能定位错误，因此无法纠正错误。

奇偶校验

在待发送的数据后面添加1位奇偶校验位，使整个数据(包括所添加的校验位在内)中"1”的个数为奇数(奇校验)或偶数(偶校验)。
如果有奇数个位发生误码，则奇偶性发生变化，可以检查出误码;
如果有偶数个位发生误码，则奇偶性不发生变化，不能检查出误码(漏检) ;

循环冗余校验CRC

收发双方约定好一个生成多项式G(x);
发送方基于待发送的数据和生成多项式计算出差错检测码(冗余码)，将其添加到待传输数据的后面一起传输;

接收方通过生成多项式来计算收到的数据是否产生了误码;

如果是判断传输是否误码，那第4步检查余数时：

余数为0，可认为传输过程无误码;
余数不为0，可认为传输过程产生误码。

循环冗余校验CRC有很好的检错能力(漏检率非常低),虽然计算比较复杂,但非常易于用硬件实现,因此被广泛应用于数据链路层。

检错码只能检测出帧在传输过程中出现了差错，但并不能定位错误，因此无法纠正错误。
要想纠正传输中的差错，可以使用冗余信息更多的纠错码进行前向纠错，但纠错码的开销比较大，在计算机网络中较少使用。
循环冗余校验CRC有很好的检错能力，漏检率非常低，虽然计算比较复杂，但非常易于用硬件来实现，因此被广泛应用于计算机网络的数据链路层。
在计算机网络中通常采用我们后续课程中将要讨论的检错重传方式来纠正传输中的差错，或者仅仅是丢弃检测到差错的帧，这取决于数据链路层向其上层提供的是可靠传输服务，还是不可靠传输服务。

四、可靠传输

发送方将封装好的帧通过物理层发送到传输媒体，帧在传输过程中遭遇干扰后可能会出现误码，也就是比特0可能变成了比特1，反之亦然。
在这里插入图片描述

那么接收方主机如何判断帧在传输过程中是否出现了误码？

这可以通过检错码来发现

发送方在发送帧之前，基于待发送的数据和检错算法，计算出检错码，并将其封装在帧尾。例如以太网版本2的MAC帧的帧尾，就是4字节的帧检验序列FCS字段。要写入该字段的内容，也就是我们所说的检错码：
在这里插入图片描述

接收方主机收到帧后，通过检错码和检错算法，就可以判断出真在传输过程中是否出现了误码。
在这里插入图片描述

可靠传输的基本概念

使用差错检测技术(例如循环冗余校验CRC)，检测是否产生了误码(比特错误)。

数据链路层向上层提供的服务类型

1️⃣不可靠传输服务 仅仅丢弃有误码的帧，其他什么也不做
2️⃣可靠传输服务 想办法实现发送端发送什么，接收端就接收什么。

一般情况下，有线链路的误码率比较低，为了减小开销，并不要求数据链路层向上提供可靠传输服务。即使出现了误码，可靠传输的问题由其上层处理。

无线链路易受干扰，误码率比较高，因此要求数据链路层必须向上层提供可靠传输服务。

比特差错只是传输差错中的一种
从整个计算机网络体系结构来看，传输差错还包括分组丢失、分组失序以及分组重复。

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分组丢失、分组失序以及分组重复这些传输差错，一般不会出现在数据链路层，而会出现在其上层。
可靠传输服务并不仅局限于数据链路层，其他各层均可选择实现可靠传输。

可靠传输的实现比较复杂，开销也比较大，是否使用可靠传输取决于应用需求。

可靠传输的实现机制——停止等待协议

停止等待就是每发送完一个分组就停止发送，等待对方的确认。在收到确认后再发送下一个分组。

注意事项

接收端检测到数据分组有误码时，将其丢弃并等待发送方的超时重传。但对于误码率较高的点对点链路，为使发送方尽早重传，也可给发送方发送NAK分组。
为了让接收方能够判断所收到的数据分组是否是重复的，需要给数据分组编号。由于停止-等待协议的停等特性，只需1个比特编号就够了，即编号O和1。
为了让发送方能够判断所收到的ACK分组是否是重复的，需要给ACK分组编号，所用比特数量与数据分组编号所用比特数量一样。数据链路层一般不会出现ACK分组迟到的情况，因此在数据链路层实现停止-等待协议可以不用给ACK分组编号。
超时计时器设置的重传时间应仔细选择。一般可将重传时间选为略大于“从发送方到接收方的平均往返时间”。
- 在数据链路层点对点的往返时间比较确定，重传时间比较好设定。
- 然而在运输层，由于端到端往返时间非常不确定，设置合适的重传时间有时并不容易。
停止-等待协议的信道利用率

可靠传输的实现机制——回退N帧GBN协议

停止-等待协议的信道利用率很低，若出现超时重传，则信道利用率更低。

回退N帧协议GBN(Go-Back-N)：在流水线传输的基础上，利用传输窗口，来限制发送方和连续发送分组个数。

累计确认

有差错情况

可见,当通信线路质量不好时,回退N帧协议的信道利用率并不比停止=等待协议高。
如果WT超过取值访问的上限。

GBN协议的发送方和接收方：

可靠传输的实现机制——选择重传SR协议

选择重传SR协议在 GBN 协议的基础上进行了改进，它通过让发送方仅重传那些它怀疑在接收方出错（即丢失或受损）的分组而避免了不必要的重传。选择重传协议只重传真正丢失的分组。

SR协议的发送方和接收方:

五、点对点协议ppp

用户如何接入因特网呢？ 点对点协议PPP(Point-to-Point Protocol)是目前使用最广泛的点对点数据链路层协议。

PPP协议的标准文档[RFC1661, RFC1662]

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PPP协议提供标准方法的三部分构成

★该方法是为在点对点链路传输各种协议数据报所提供的。

对各种协议数据报的封装方法（封装成帧）
链路控制协议LCP

用于建立、配置以及测试数据链路的连接
一套网络控制协议NCPs

其中的每一个协议支持不同的网络层协议

帧格式：

PPP帧的透明传输

1️⃣面向字节的异步链路使用字节填充法（插入转义字符）

2️⃣面向比特的同步链路使用比特填充法（零比特填充）

PPP协议的工作状态

六、媒体接入控制MAC

媒体接入控制的基本概念

共享信道着重考虑一个问题——如何协调媒体接入控制MAC(Medium Access Control)。

媒体接入控制——静态划分信道

1️⃣信道复用

复用(Multiplexing)是通信技术中的一个重要概念。复用就是通过一条物理线路同时传输多路用户的信号。

当网络中传输媒体的传输容量大于多条单一信道传输的总通信量时,可利用复用技术在一条物理线路上建立多条通信信道来充分利用传输媒体的带宽。

2️⃣频分复用FM

频分复用的所有用户同时占用不同的频带资源并行通信。

3️⃣时分复用TDM

时分复用的所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。

4️⃣波分复用WDM

5️⃣码分复用CDM

码分复用CDM是另一种共享信道的方法。实际上，由于该技术主要用于多址接入，人们更常用的名词是码分多址CDMA(Code Division Multiple Access)。

码分复用的应用举例

媒体接入控制——动态接入控制——随机接入

1️⃣CSMA/CD协议

载波监听多址接入/碰检测CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection)

2️⃣争用期（碰撞窗口）

主机最多经过2τ(即δ→0)的时长就可检测到本次发送是否遭受了碰撞
因此，以太网的端到端往返传播时延2τ称为争用期或碰撞窗口。
经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。
每一个主机在自己发送帧之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。这一小段时间是不确定的。它取决于另一个发送帧的主机到本主机的距离，但不会超过总线的端到端往返传播时延，即一个争用期时间。
显然，在以太网中发送帧的主机越多，端到端往返传播时延越大，发生碰撞的概率就越大。因此，共享式以太网不能连接太多的主机，使用的总线也不能太长。
- 10Mb/s以太网把争用期定为512比特发送时间，即51.2μs，因此其总线长度不能超过5120m，但考虑到其他一些因素，如信号衰减等，以太网规定总线长度不能超过2500m。

3️⃣最小帧长

以太网规定最小帧长为64字节，即512比特(512比特时间即为争用期) ;如果要发送的数据非常少，那么必须加入一些填充字节,使帧长不小于64字节。
以太网的最小帧长确保了主机可在帧发送完成之前就检测到该帧的发送过程中是否遭遇了碰撞;
如果在争用期(共发送64字节)没有检测到碰撞，那么后续发送的数据就一定不会发生碰撞;
如果在争用期内检测到碰撞，就立即中止发送，这时已经发送出去的数据一定小于64字节，因此凡长度小于64字节的帧都是由于碰撞而异常中止的无效帧。
最小帧长 = 争用期 × 数据传输速率
争用期 = 2 * 端到端距离 / 电磁波信号速率 = 2τ

4️⃣最大帧长

5️⃣截断二进制指数退避算法

若连续多次发生碰撞，就表明可能有较多的主机参与竞争信道。但使用上述退避算法可使重传需要推迟的平均时间随重传次数而增大(这也称为动态退避)，因而减小发生碰撞的概率，有利于整个系统的稳定。
当重传达16次仍不能成功时，表明同时打算发送帧的主机太多，以至于连续发生碰撞,则丢弃该帧,并向高层报告。

6️⃣信道利用率

7️⃣CSMA/CA协议

载波监听多址接入/碰撞避免 CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance)

帧间间隔IFS 802.11标准规定,所有的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,这段时间称为帧间间隔IFS。
CSMA/CA协议的工作原理

CSMA/CA协议的退避算法

CSMA/CA协议的信道预约和虚拟载波监听

为了尽可能减少碰撞的概率和降低碰撞的影响,802.11标准允许要发送数据的站点对信道进行预约。

(1) 源站在发送数据帧之前先发送一个短的控制帧,称为请求发送RTS(Request To Send),它包括源地址、目的地址以及这次通信(包括相应的确认顿)所需的持续时间。

(2) 若目的站正确收到源站发来的RTS帧,且媒体空闲,就发送一个响应控制帧,称为允许发送CTS(Clear To Send),它也包括这次通信所需的持续时间(从RTS帧中将此持续时间复制到CTS帧中)。

(3) 源站收到CTS帧后,再等待一段时间SIFS后,就可发送其数据帧。

(4) 若目的站正确收到了源站发来的数据帧,在等待时间SIFS后,就向源站发送确认帧ACK。

除RTS帧和CTS帧会携带通信需要持续的时间，数据帧也能携带通信需要持续的时间，这称为802.11的虚拟载波监听机制。

由于利用虚拟载波监听机制,站点只要监听到RTS帧、CTS帧或数据帧中的任何一个，就能知道信道被占用的持续时间，而不需要真正监听到信道上的信号，因此虚拟载波监听机制能减少隐蔽站带来的碰撞问题。

七、MAC地址、IP地址以及ARP协议

关于MAC地址、IP地址以及ARP协议的简要了解：

MAC地址

MAC地址是以太网的MAC子层所使用的地址;
当多个主机连接在同一个广播信道上，要想实现两个主机之间的通信，则每个主机都必须有一个唯一的标识，即一个数据链路层地址；
在每个主机发送的帧中必须携带标识发送主机和接收主机的地址。由于这类地址是用于媒体接入控制MAC(Media Access Control)，因此这类地址被称为MAC地址；

MAC地址一般被固化在网卡(网络适配器)的电可擦可编程只读存储器EEPROM中，因此MAC地址也被称为硬件地址;

MAC地址有时也被称为物理地址。

★注意：这并不意味着MAC地址属于网络体系结构中的物理层！

严格来说，MAC地址是对网络上各接口的唯一标识，而不是对网络上各设备的唯一标识。
IEEE局域网的MAC地址格式

扩展的唯一标识符EUI-48

IEEE 802局域网的MAC地址发送顺序

字节发送顺序：第一字节----->第六字节

字节内的比特发送顺序：b0------>b7

MAC地址举例

1️⃣单播MAC地址举例

表示一对一，其 MAC 地址第一个字节的最低位是 0；
MAC地址第一字节中的第八比特（1 Byte - 8 bit）。如果是0，则为单播；
由于在二进制中最后一位只能决定是奇数或者是偶数，因此可以由第一字节中第二个数字的奇偶来判断。偶数为单；

如：xxxxxxx0-xxxxxxxx-xxxxxxxx-xxxxxxxx-xxxxxxxx-xxxxxxxx

08-11-22-33-44-55

AA-99-88-77-66-55

2️⃣广播MAC地址举例

表示一对全体，其MAC 地址每个比特都是 1 。广播 MAC 地址是组播 MAC 地址的一个特例；
全部用F表示，FF-FF-FF-FF-FF-FF；

如：11111111-11111111-11111111-11111111-11111111-11111111

FF-FF-FF-FF-FF-FF

3️⃣多播MAC地址举例

表示一对多，其MAC 地址第一个字节的最低位是 1 ；
MAC地址第一字节中的第八比特（1 Byte - 8 bit）。如果是0，则为单播；是1，则为组播。
由于在二进制中最后一位只能决定是奇数或者是偶数，因此可以由第一字节中第二个数字的奇偶来判断。偶数为单，奇数为组；

如：xxxxxxx1-xxxxxxxx-xxxxxxxx-xxxxxxxx-xxxxxxxx-xxxxxxxx

1F-ED-CB-A9-87-65

01-00-5E-A0-B1-C3

IP地址

IP地址：指因特网(Internet)上的主机和路由器所使用的地址，用于标识两部分信息: 1️⃣网络编号：标识因特网上数以百万计的网络口。 2️⃣主机编号：标识同一网络上不同主机(或路由器各接口)。

从网络体系结构看IP地址与MAC地址

数据包转发过程中IP地址与MAC地址的变化情况

1️⃣数据包转发过程中源IP地址和目的IP地址保持不变；

2️⃣数据包转发过程中源MAC地址和目的MAC地址逐个链路(或逐个网络)改变。

ARP协议

源主机在自己的ARP高速缓存表中查找目的主机的IP地址所对应的MAC地址，若找到了，则可以封装MAC帧进行发送;若找不到，则发送ARP请求(封装在广播MAC帧中);
目的主机收到ARP请求后,将源主机的IP地址与MAC地址记录到自己的ARP高速缓存表中，然后给源主机发送ARP响应(封装在单播MAC帧中)，ARP响应中包含有目的主机的IP地址和MAC地址;

源主机收到ARP响应后，将目的主机的IP地址与MAC地址记录到自己的ARP高速缓存表中，然后就可以封装之前想发送的MAC帧并发送给目的主机;
ARP的作用范围：逐段链路或逐个网络使用。

八、集线器与交换机的区别

早期的总线型以太网

使用双绞线和集线器HUB的星型以太网

使用集线器的以太网在逻辑上仍然是总线网，使用CSMA/CD协议。
集线器只工作在物理层。

使用集线器HUB在物理层扩展以太网

以太网交换机

此时的前提条件：

忽略ARP过程
假设交换机的帧交换表已“学习好了”

对比集线器和交换机

九、以太网交换机自学习和转发帧的流程

以太网交换机工作在数据链路层（也包括物理层）
收到帧后进行登记。登记的内容为帧的源MAC地址及进入交换机的接口号
根据帧的目的MAC地址和交换机的帧交换表对帧进行转发，有以下三种情况: 1️⃣明确转发：交换机知道应当从哪个(或哪些)接口转发该帧(单播,多播,广播) 2️⃣盲目转发：交换机不知道应当从哪个端口转发帧,只能将其通过除进入交换机的接口外的其他所有接口转发(也称为泛洪) 3️⃣明确丢弃：交换机知道不应该转发该帧,将其丢弃
A->B