计算机网络学习笔记(三)：数据链路层_数据链路层透明传输的含义

数据链路层

数据链路层概述

链路：就是从一个结点到相邻结点的一段物理链路，中间没有任何其他的交换节点

数据链路：指把实现通信协议的硬件和软件加到链路上，构成数字链路

数据链路层以帧为数据单位传输数据

数据链路层的三个问题

封装成帧 差错检验 可靠传输

封装成帧

两种帧格式

数据链路层将上层交付的协议数据单元添加帧头和帧尾使之称为帧

• 帧头和帧尾中包含重要的控制信息
• 帧头和帧尾的重要作用是帧定界

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，跟透明一样

向计算机网络这种分层的结构，我认为每一层都需要做到透明传输，每一层只需要做好自己本层的事，然后交付给下一层。

帧头和帧尾有一个很重要的作用就是帧定界，我们可以把帧看成这样

那如果上层交付数据中也包含和帧定界符相同的值，那么接受方将不能正确识别帧。

数据链路层协议需要去解决这种情况

• 发送前扫描数据，待发送数据中包含帧定界符前加转义字符

• 对于数据中存在转义字符的情况也是这样处理

实现透明传输的方式：

• 面向字节的物理链路层使用字节填充的方式来实现透明传输
• 面向比特的物理链路层使用比特填充的方式来实现透明传输

bit填充

差错检测

比特差错：实际的信道链路都不是理想的，比特在传输过程中可能会产生差错，1可能变成0，0也可能变成1

误码率 ： 一段时间内，传输错误bit占所传输bit的比率称为误码率BER

差错检验码：使用差错检验码来检测数据在传输过程中是否产生了比特差错(FCS标志位)

两种校验方式

奇偶校验

循环冗余校验CRC

可靠传输

• 不可靠传输：仅仅丢弃有误码的帧
• 可靠传输：发送方发什么，接受方接收到什么

一般情况下，有线链路的误码率比较低，为了减少开销，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，误码率较高，因此要求数据链路层必须向上层提供可靠传输服务

停止-等待协议SW

发送方发送数据之后，接收方正确收到后发送ACK确认数据包，出现误码的话会丢弃数据并发送否认分组NAK，接收方收到NAK后重发数据，发送方收到ACK时才能继续发送数据。

数据丢失的情况：

接收方收不到数据分组，不会发送ACK或NAK，所以发送方发送完一个数据分组时会启动一个超时计时器，如果到了超时计时器所设置的重传时间，发送方仍收不到接收方的任何ACK或NAK，则重传数据分组这就是超时重传。

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

小于可能会导致对方发送的ACK或NAK在路上呢，发送方就已经重传了

ACK丢失导致数据重传的情况：

ACK迟到导致数据重传的情况

信道利用率

当往返时延RTT远大于数据帧发送时延TD时，信道利用率非常低

回退N帧协议

在发送方维护一个发送窗口，接收方维护一个接收窗口

例：采用三个bit给分组编号 序号 0 - 7

发送窗口的尺寸Wt取值 1 < Wt <= 2^3 - 1，本次取5

序号在发送窗口内的数据可以发送，窗口外的数据不可以发送

接收方窗口大小只能为1

无差错情况下，接受方依次接受发送方发送的数据，接受窗口位置后移到5处

接收方不一定要对收到的分组逐个发送确认，而是可以在收到几个具体的数据分组后，对按序到达的最后一个数据分组发送确认。如ACK4 表示序号4及以前的数据分组已正确接收

有差错情况

数据分组五丢失，其他四个分组序号不匹配，不能接受数据，将之前按序接受的最后一个数据分组进行确认，接收方收到后重发分组。

回退N帧的概念就是，数据分组5出错了发送窗口内发送的数据都不会被接受。

超出范围的两种情况

1. 等于 1 ： 与停止- 等待协议相同
2. 等于2^分组比特数。 接收方无法辨别新旧分组

解释：

总结

选择重传协议SR

回退N帧协议接收窗口尺寸只能为1，接收方只能按序接受正确到达的数据分组

为了进一步提高性能，设法只重传出现误码的数据分组，接受窗口的尺寸不应等于1，以便接收方收下失序到达但无误码并且序号落在接受窗口内的哪些数据分组 这就是选择重传协议

此时数据分组2丢失，未被接受，接收方发送ACK0 ACK1 ACK3

接收窗口：

总结：

PPP协议

点对点协议PPP是目前使用的最广泛的点对点数据链路层协议

PPP协议在点对点链路传输各种协议数据报提供了一个标准方法，主要由一下三部分组成：

• 对各种协议数据报的封装方法
• 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

透明传输：

面向字节的异步链路采用字节填充法，插入转义符

面向比特的异步链路采用比特填充法，插入bit ‘0’

字节：

比特：

工作状态

媒体接入控制

基本概念

媒体介入控制MAC ：共享信道需要着重考虑的是如何协调多个发送和接受沾点对一个共享传输媒体的占用

分类：

随着技术的发展，交换技术的成熟和成本的降低，具有更高性能的使用点对点链路和链路层交换机的交换式局域网在有线领域已完全的取代了共享式局域网，由于无线新到的广播天性，无线局域网仍然使用的是共享媒体技术

静态划分信道

复用：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。

信道复用分类：

• 频分复用FDM(根据频带划分不同的子信道)

  

• 时分复用TDM(将时间分成一个一个时隙，按时隙轮流分配给用户，每对用户只在分配的时隙里使用线路传输数据，每个用户占用时隙的时机是按周期的，每个周期称为一个TDM帧，所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度)

  

• 波分复用(光的频分复用)

  

• 码分复用CDM（另一种共享信道的方法，主要用于多址接入，更常用的名词是码分多址CDMA）

  与FDM和TDM不同，CDM的每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信

  各用户使用经过特殊挑选的不同码型，各用户之间不会造成干扰

  在CDMA中，每一个比特时间再划分成m个短的间隔，称为码片。m的值通常为64或128

  • 如果一个站要发送比特1，则发送它自己的m bit码片序列
  • 如果一个站要发送比特0，则发送它自己的m bit码片序列的二进制反码

例题：

复用与多址的概念

• 复用是将单一媒体的频带资源划分成很多子信道，子信道之间相互独立互不干扰，从多媒体的频带资源上看，每个子信道只占用该媒体频带资源的一部分
• 多址是指动态分配信道给用户

动态接入控制

争用期：

最少帧长：

最小帧长主要考虑是，一个帧过小，该帧已经发送完了才出现碰撞的情况，此时发送主机已经不再针对该帧进行碰撞检测。

最大帧长：

最大帧长主要考虑的是接收方的缓冲区，和发送帧占据总线的时间

截断二进制指数退避算法

退避时间 = 基本退避时间 (2τ) 随机数(1 - 2^k - 1 k = Min(重传次数，10))*

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，使用上述退避算法可以使重传需要推迟的平均时间随重传次数而增大，来减小发生碰撞的概率

当重传达16次仍不能成功是，表示同时打算发送帧主机太多，以至于连续发生碰撞，则丢弃该帧，并向高层报告。

信道利用率

理想情况：

• 各主机发送帧都不会发生碰撞

• 总线一旦空闲就有某个主机立即发送帧

  发送一帧占用总线的时间为 T0 + τ，帧发送时间为T0

  极限信道利用率 Smax = T0/(T0 + τ) =

帧接受过程

CSMA/CA协议

802.11无线局域网使用CSMA/CA协议，在CSMA的基础上增加一个碰撞避免CA功能，不在实现碰撞检测功能。

由于不可避免所有的碰撞，且无线信道误码率较高，802.11标准还是用数据链路层确认机制(停止-等待协议)来保证数据被正确接收

帧间间隔IFS

所有的站点必须在连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

帧间间隔的长短取决于该站点要发送的帧的类型

• 高优先级帧需要等待的时间较短，因此可优先获得发送权
• 低优先级帧需要等待的时间较长。如果某个站的低优先级帧还没来得及发送，而其他站的高优先级帧已发送到信道上，则信道变为忙态，因而低优先级帧就只能推迟发送，这样就减少了发生碰撞的机会。

两种帧间间隔：

工作原理

为什么间隔DIFS发送帧？

考虑到其他的站有高优先级的帧要发送

为什么收到后间隔SIFS发送ACK？

用来分隔属于一次对话的各帧，在这段时间内一个站点应该能够从发送方式切换到接受方式。

CSMA/CA协议的退避算法

信道预约

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。

虚拟载波监听机制

A在给B发送数据帧是发送RTS进行预约，虽然C收不到RTS但是可以收到B发送的CTS，C就知道了A要对B发送数据帧，信道要被占用多长时间，多长时间内C不能向B发送数据帧。

MAC，IP与ARP协议

MAC地址是以太网MAC子层所使用的地址属于数据链路层

IP地址是TCP/IP体系结构网际层使用的地址

ARP协议属于TCP/IP体系结构网际层，根据已知设备的IP地址获取其MAC地址

MAC

当多个主机连接到一个广播信道上，要实现两个主机之间的通信，每个主机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，这类地址用于媒体接入控制MAC，这类地址称为MAC地址（又称硬件地址 有时也称为物理地址）

严格来说，MAC地址是对网络上个接口的唯一标识，而不是对网络上各设备的唯一标识

单播MAC地址

主机B向C发送单播帧，将目标MAC地址和源MAC地址构成单播帧发送出去，接收方判断接收到帧中的目的MAC地址与自己的MAC地址是否相同，不同抛弃相同则接受。

广播MAC地址

多播组概念：

每个主机只能接收自己多播组列表中主机的广播地址

ARP协议

地址解析协议ARP实现 通过IP找到对应的MAC地址

每个主机有自己的ARP高速缓存表，记录IP地址和MAC地址的对应关系

ARP请求报文(广播)

响应报文(单播)

类型中的动态和静态：

动态：自动获取，生命周期默认为2分钟

静态：手动设置，不同操作系统下的生命周期不同

ARP协议不能跨网络使用，只能在一段链路或一个网络中使用

集线器与交换机的区别

以太网交换机自学习和转发帧的过程

虚拟局域网VLAN

隔离广播域的方法

• 使用路由器(默认情况下不对广播数据包进行转发，但成本较高)
• 虚拟局域网

虚拟局域网VLAN: 一种将局域网内的设备划分成语物理设备位置无关的逻辑组的技术，这些逻辑组具有某些共同的需求。

实现机制

IEEE 802.1Q帧对以太网MAC帧格式进行了拓展，出入了4字节的VLAN标记

VLAN标记的最后12比特称为VLAN标识符VID，唯一的标志以太网帧属于那个VLAN

范围 0~4095 其中 0 和 4095都不用来表示VLAN

IEEE 802.1Q帧 又交换机处理，而不是有用户主机来处理

打标签和去标签：

打标签：当交换机收到普通的以太网帧是，会将其插入4字节的VLAN标记转变为802.1Q帧

去标签： 当交换机转发802.1Q帧时，可能会删除其4字节VLAN标记转变为普通以太网帧

交换机的端口类型：

• Access

• Trunk

• Hybrid

端口的缺省VLAN ID

• 思科交换机称为Native VLAN 本征VLAN
• 华为交换机上称为Port VLAN ID 即端口VLAN ID ，PVID

参考资料

计算机网络微课堂