文章目录

  • 数据链路层
    • 数据链路层的功能
      • 为网络层提供服务
      • 链路管理
      • 帧定界、帧同步与透明传输
      • 流量控制
    • 组帧
      • 字符计数法
      • 字符填充的首尾定界符法
      • 零比特填充的首尾标志法
      • 违规编码法
    • 差错控制
      • 检错编码
        • 奇偶校验码
        • 循环冗余码
      • 纠错编码
    • 流量控制与可靠传输机制
      • 流量控制、可靠传输与滑动窗口机制
        • 停止-等待流量控制基本原理
        • 滑动窗口流量控制基本原理
        • 可靠传输机制
      • 单帧滑动窗口与停止-等待协议
      • 多帧滑动窗口与后退N帧协议(GBN)
        • 为何GBN协议最大窗口为2n-1
      • 多帧滑动窗口与选择重传协议(SR)
        • 为何SR协议最大窗口为2n-1
      • 信道利用率
    • 介质访问控制
      • 信道划分介质访问控制
        • 频分多路复用FDM
        • 时分多路复用TDM
        • 波分多路复用WDM
        • 码分多路复用CDM
      • 随机访问介质访问控制
        • ALOHA协议
        • CSMA协议
        • CSMA/CD协议
        • CSMA/CA协议
      • 轮询访问介质访问控制：令牌传递协议
    • 局域网
      • 局域网的基本概念和体系结构
      • 以太网与IEEE802.3
        • 以太网的MAC帧
      • 令牌环网的基本原理
    • 广域网
      • 广域网的基本概念
    • PPP协议和HDLC协议
      • PPP协议
      • HDLC协议
        • 站
        • 数据操作方式
        • HDLC帧
      • PPP协议和HDLC协议区别
    • 数据链路层设备
      • 网桥的概念及其基本原理
        • 透明网桥
        • 源路由网桥
        • 两种网桥的比较
      • 局域网交换机极其工作原理
        • 局域网交换机
        • 原理
        • 特点
        • 两种交换模式

数据链路层

数据链路层的功能

  • 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，其主要作用是加强物理层传输原始比特流，将物理层提供的可能出错的物理连接改造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；

为网络层提供服务

  1. 无确认的无连接服务

    • 源机器发送数据帧时不需要事先建立链路层连接，目的机器收到数据帧时不需要发挥确认；
    • 对丢失的帧，数据链路层不负责重发而交给上层处理；
    • 适用于实时通信或误码率较低的通信信道，如以太网；
  2. 有确认的无连接服务
    • 源机器发送数据帧时不需先建立链路连接，目的机器收到数据帧时必须发回确认；
    • 源机器在所规定的时间内未收到确认信号时，就重传丢失的帧，以提高传输的可靠性；
    • 适用于误码率较高的通信信道，如无线通信；
  3. 有确认的面向连接服务
    • 帧传输过程分为三个阶段：建立数据链路，传输帧，释放数据链路；
    • 目的机器对收到的每一帧都要给出确认，源机器收到确认后才能发送下一帧，因而该服务的可靠性最高；
    • 适用于通信要求较高的场合，可靠性，实时性等；

注意

  • 有连接就一定要有确认，即不存在无确认的面向连接的服务；

链路管理

  • 数据链路层连接的建立、维持和释放的过程称为链路管理，主要用于面向连接服务；

帧定界、帧同步与透明传输

  • 帧定界：首部和尾部中含很多控制信息，他们重要的一个作用就是确定帧的界限，即帧定界；
  • 帧同步：接收方应能从接收到的二进制比特流中区分出帧的起始与终止；
  • 透明传输：不管所传数据是什么样的比特组合，都应当能在链路上传送；
  • 以HDLC协议为例：
    1. 标识位F（01111110）来识别帧的开始和结束；
    2. 最大传输单元MTU：帧的数据部分的长度上限；

流量控制

  • 实际上就是限制发送方的数据流量，使其发送速率不超过接收方的接收能力；
  • 这个过程需要通过某种反馈机制使发送方能够知道接收方是否能跟上自己，即需要有一些规则使得发送方知道在什么情况下可以接着发送下一帧，而在什么情况下必须暂停发送，以等待收到某种反馈信息后继续发送；

组帧

  • 组帧：发送方必须依据一定的规则把网络层递交的分组封装成帧；
  • 组帧原因：在出错时重发出错的帧，而不必重发全部数据，从而提高效率；
  • 主要解决：帧定界、帧同步、透明传输等问题；

字符计数法

  • 在帧头部使用一个计数字段来标明帧内字符数；
  • 最大问题：如果计数字段出错，即失去了帧边界划分的依据，那么接收方就无法判断所传输帧的结束位和下一帧的开始位，收发双方将失去同步，从而造成灾难性后果；

字符填充的首尾定界符法

  • 使用特殊字符来定界一帧的开始与结束，为了使信息位中出现的特殊字符不被误判为帧的首尾定界符，可在特殊字符前面填充一个转义字符（ESC）来加以区分，以实现数据的透明传输；

零比特填充的首尾标志法

  • 零比特填充法允许数据帧包含任意个数的比特，也允许每个字符的编码包含任意个数的比特；
  • 使用一个特定的比特模式，即01111110来标志一个帧的开始和结束，
  • 为了不使信息位中出现的比特流“01111110”被误判为帧的首尾标志，发送方遇到5个连续的“1”，自动在其后插入一个“0”；接收方做相关操作的逆操作；

违规编码法

  • 可以用“高-高”，“低-低”来定界帧的起始和终止；
  • 由于字节计数法中Count字段的脆弱性（其值若有差错将导致灾难性后果）及字符填充实现上的复杂性和不兼容性，目前较普遍使用的帧同步法是比特填充和违规编码法；
  • 违规编码法不需要采用任何填充技术，便能实现数据传输的透明性，但它只适用于采用冗余编码的特殊编码环境；
  • 局域网IEEE802标准就采用这种方法

差错控制

检错编码

奇偶校验码
  • 由n-1位信息元和1位校验位组成，如果是奇校验码，那么附加一个校验码后，码长为n的码字中“1”的个数为奇数；如果是偶校验码，那么附加一个校验码后，码长为n的码字中“1”的个数为偶数；
  • 只能检测奇数位的出错情况，但并不能纠错，也不能发现偶数位的错误；
循环冗余码
  • 又称多项式码；
  • 运算过程：假设一个帧有m位，其对应多项式位M(x)，
    1. 加0，假设G(x)的阶为r，在帧的低位端加上r个0；
    2. 模2除，利用模2除法，得到的余数就是冗余码，共r位，前面0不可忽略；
  • 一个例子：G(x) = 1101，待传送数据M = 101001

    1. G(x) = 1101，即r = 3，在m后加3个0

    2. 模2除

    3. 最终发送数据：101001 001

纠错编码

  • 海明码
  • 运算过程：
    1. 确定海明码位数：n为有效信息的位数，k为校验位位数，n + k ≤ 2k - 1成立
    2. 确定校验位分布；
    3. 分组形成校验关系；
    4. 校验位取值；
  • 一个例子：数据码1010

    1. 确定海明码位数：k = 3；

    2. 确定校验位分布：

      • P1 = 20 = 1，H1 = P1;
      • P2 = 21 = 2，H2 = P2;
      • P3 = 22 = 4，H4 = P3;
      • 分布为:

    3. 分组形成校验关系：

      • P1 - D1 - D2 - D4
      • P2 - D1 - D3 - D4
      • P3 - D2 - D3 - D4

    4. 校验位取值：各位求异或

      • P1 = D1 ⊕ D2 ⊕D4 = 0
      • P2 = D1 ⊕ D3 ⊕D4 = 1
      • P3 = D2 ⊕ D3 ⊕D4 = 0

    5. 对应位填充：最终数据1010010

  • 海明码校验原理：
    • 每个校验组分别利用校验位和参与形成该校验位的信息位进行奇偶校验检查，构成k个校验方程；
    • 如上例，形成各个方程数据排成：S3S2S1，若值为“000”则无错，若为其他值，则表明该位错误，如为“001”表示第1位出错；
    • 错误位取反即可成功纠错；

流量控制与可靠传输机制

流量控制、可靠传输与滑动窗口机制

  • 流量控制涉及及时对链路上的帧的发送速率的控制，以使接收方有足够的缓冲空间来接收每个帧；
停止-等待流量控制基本原理
  • 发送方每发送一帧，都要等待接收方的应答信号，之后才能发送下一帧；
  • 接收方每接收到一帧，就要反馈一个应答信号，表示可接受下一帧，如果接收方不反馈应答信号，那么发送方必须一直等待；
  • 传输效率很低；
滑动窗口流量控制基本原理

  • 在任意时刻，发送方都维持一组连续的允许发送的帧的序号，称为发送窗口；

  • 接收方也维持一组连续的允许接收帧的序号，称为接收窗口；

  • 发送窗口用来对发送方进行流量控制，而发送窗口的大小WT代表在还未收到对方确认信息情况下发送方最多还能发送多少个数据帧；

  • 发送窗口工作原理：

  • 接收窗口工作原理：

  • 滑动窗口重要特性：

    1. 只有接收窗口向前滑动，同时接收方发送了确认帧时，发送窗口才有可能向前滑动，只有发送方接收到确认后才一定向前滑动；
    2. 发送窗口与接收窗口大小区别：
      • 停止-等待协议：发送窗口 = 1，接收窗口 = 1；
      • 后退N帧协议：发送窗口 > 1，接收窗口 = 1；
      • 选择重传协议：发送窗口 > 1，接收窗口 > 1；
    3. 接收窗口大小为1时，可保证帧的有序接收；
    4. 数据链路层的滑动窗口协议中，窗口的大小在传输过程中是固定的；
可靠传输机制
  • 数据链路层的可靠传输通常使用确认和超时重传两种机制完成：

    • 确认：无数据的控制帧，使接收方可以让发送方知道哪些内容被正确接收；
    • 超时重传：发送方在发送某个数据帧后就开启一个定时器，在一定时间内如果没有得到发送的数据帧的确认帧，就重新发送直到发送成功为止；
  • 自动重传请求ARQ：通过接收方请求发送发重传出错的数据帧来恢复出错的帧，是通信中用于处理信道所带来差错的方法之一；
  • 数据链路层中流量控制机制和可靠传输机制是交织在一起的；

单帧滑动窗口与停止-等待协议

  • 源站发送单个帧后必须等待确认，在目的站的回答到达源站之前，源站不能发送其他的数据帧；
  • 停止-等待协议中数据帧和确认帧的发送时间关系：

多帧滑动窗口与后退N帧协议(GBN)

  • GBN协议中，发送方在发完一个数据帧后，连续发送若干个数据帧，即使在连续发送过程中收到了接收方发来的应答帧，也可以继续发送。且发送方在每发送完一个数据帧时都要设置超时定时器。只要在所设置的超时时间内仍未收到确认帧，就要重发相应的数据帧。如：当发送方发送了N个帧后，若发现该N帧的前一个帧在计时器超时后仍未返回其确认信息，则该帧被判为出错或丢失，此时发送方就不得不重新发送出错帧及其后的N帧；
  • 接收帧只允许按顺序接收帧。为了减少开销，累计确认允许接收端在连续收到好几个正确的确认帧后，只对最后一个数据帧发确认信息，或者可以在自己有数据要发送时才将对以前正确收到的帧加以捎带确认。这就是说，对某一数据帧的确认就表明该数据帧和这以前所有的数据帧均已正确无误地收到了；
  • 后退N帧协议的接受窗口为1，可以保证按序接受数据帧。若采用n个比特对帧编号，则其发送窗口的尺寸应满足：1~2n-1。若发送窗口的尺寸大于2n-1，则会造成接收方无法分辨新帧和旧帧；
为何GBN协议最大窗口为2n-1
  • 假设n = 3，则3个比特可编写出8个不同的序号
  • 使用反证法，假设发送窗口大小设置为8
    • 发送端发送0~7号共计8个数据帧，发送窗口已满则发送端暂停，假设8个数据均正确到达接收端，并且对于每个数据帧，接收端都发送出了确认帧，则有可能出现以下两种情况：

      1. 所有确认帧均正确到达发送端，发送端继续开启发送，发送新的序号为0~7的数据帧；
      2. 所有确认帧均丢失，经过一定时间后，发送端到达重传时间，重新开启发送端，重新将旧的0~7序号的数据帧发往接收端；
    • 对于接收端：以上两种情况造成的结果均是接收端收到了0 ~ 7号数据帧，但接收端并不能区分此时收到的0 ~ 7号数据帧是那种情况下的数据帧，即不知道此时0~7数据帧是新的还是旧的
  • 则发送窗口大小为8会在接收端造成歧义；
  • 故假设不成立，发送窗口大小不能为8，必须小于8；
  • 继续证明可得发送窗口大小可为7；
  • 运用数学归纳法，综上所述：GBN协议最大窗口为2n-1

多帧滑动窗口与选择重传协议(SR)

  • 发送方的事件与动作：

    • 从上层收到数据：当从上层接收到数据后，SR 发送方检查下一个可用于该分组的序号。如果序号位于发送方的窗口内，则将数据打包并发送；否则就像在 GBN 中一样，要么将数据缓存，要么将其返回给上层以便以后传输；
    • 超时：定时器再次被用来防止丢失分组。然而，现在每个分组必须拥有其自己的逻辑定时器，因为超时发生后只能发送一个分组；
    • 收到ACK：如果收到 ACK，倘若该分组序号在窗口内，则 SR 发送方将那个被确认的分组标记为已接收。若该分组的序号等于 send_base，则窗口基序号向前移动到具有最小序号的未确认分组处。如果窗口移动了并且有序号落在窗口内的未发送分组，则发送这些分组；
  • 接收方的事件与动作：
    • 序号在 [rcv_base, rcv_base+N-1] 内的分组被正确接收：在此情况下，收到的分组落在接收方的窗口内，一个选择 ACK 被回送给发送方。如果该分组以前没收到过，则缓存该分组。如果该分组的序号等于接收端的基序号（rcv_base），则该分组以及以前缓存的序号连续的（起始于 rcv_base 的）分组交付给上层。然后，接收窗口按向前移动分组的编号向上交付这些分组；
    • 序号在 [rcv_base-N, rcv_base-1] 内的分组被正确收到：在此情况下，必须产生一个 ACK，即使该分组是接收方以前确认过的分组；
    • 其他情况：忽略该分组；
为何SR协议最大窗口为2n-1
  • 使用反证法证明，步骤类似对GBN的证明

信道利用率

  • 信道的效率，是对发送方而言的，指发送方在一个发送周期的时间内，有效的发送数据所需要的时间占整个发送周期的比率；
  • 发送周期T，共发送L比特数据，发送发数据传输速率C
    • 发送有效数据时间为 L/C
    • 信道利用率为 (L/C)/T
  • 信道吞吐量 = 信道利用率 × 发送方的发送速率

介质访问控制

  • 主要任务：为使用介质的每个结点隔离来自同一信道上其他结点所传送的信号，以协调活动结点的传输；
  • 用来决定广播信道中信道分配的协议属于数据链路层的一个子层，称为介质访问控制子层MAC；

信道划分介质访问控制

  • 多路复用技术把多个信号组合在一条物理信道上进行上传输，使多个计算机或终端设备共享信道资源，提高了信道的利用率；
  • 采用多路复用技术可把多个输入通道的信息整合到一个复用通道中，在接收端把收到的信息分离出来并传送到对应的输出通道；
频分多路复用FDM
  • 频分多路复用：一种将多路基带信号调制到不同频率载波上，再叠加一个复合信号的多路复用技术；
  • 每个子信道分配的带宽和不相同，但它们的总和必须不超过信道的总带宽，在实际应用中，为了防止子信道之间的干扰，相邻信道之间需要加入“保护频道”
  • 优点：
    • 充分利用了传输介质的带宽，系统效率较高；
    • 由于技术比较成熟，实现也较容易；
  • 原理图：
时分多路复用TDM
  • 时分多路复用：将一条物理信道按时间分成若干时间片，轮流地分配给多个信号使用；
  • 就某个时刻来看，时分多路复用信道上传输的仅是某一对设备之间的信号；
  • 就某段时间而言，传送的是按时间分割的多路复用信号；
波分多路复用WDM
  • 波分多路复用：即光的频分多路复用，它在一根光纤中传输多种不同波长（频率）的光信号，由于波长不同，各路光信号互不干扰，最后再用波长分解复用器将各路波长分解出来；
码分多路复用CDM
  • 码分多路复用：采用不同编码来区分各路原始信号；
  • 既共享信道的频率，又共享时间；

随机访问介质访问控制

  • 在随机访问协议中，不采用集中控制方式解决发送信息的次序问题，所有用户能根据自己的意愿随机地发送信息，占用信道全部速率；
  • 核心思想：胜利者通过争用获得信道，从而获得信息的发送权；
  • 随机访问介质访问控制协议又称争用性协议；
ALOHA协议

  • 纯ALOHA协议

    • 基本思想：当网络中的任何一个站点需要发送数据时，可以不进行任何检测就发送数据，如果在一段时间内未收到确认，那么该站点就认为传输过程中发生了冲突，发送站点需要等待一段时间后再发送数据，直至发送成功；

  • 时隙ALOHA协议

    • 把所有各站在时间上同步起来，并将时间划分为一段段等长的时隙slot，规定只能在每个时隙开始时才能发送一个帧；
    • 避免了用户发送数据的随意性，减少了数据产生冲突的可能性，提高了信道的利用率；
    • 时隙ALOHA网络比纯ALOHA网络吞吐量大了1倍；
CSMA协议
  • CSMA协议是在ALOHA协议基础上提出的一种改进协议，它与ALOHA协议的主要区别是多了一个载波侦听装置；
  • 三种CSMA协议：
    • 1-坚持CSMA

      • 基本思想：

        • 一个结点要发送数据时，首先监听信道；
        • 如果信道空闲，那么立即发送数据；
        • 如果信道忙，那么等待，同时继续监听直至信道空闲；如果发送冲突，那么随即等待一段时间后，再重新开始侦听信道；
      • “1-坚持”含义：
        • 侦听到信道忙，继续坚持侦听信道；
        • 侦听到信道空闲后，发送帧的概率为1，即立刻发送数据；
    • 非坚持CSMA
      • 基本思想：

        • 一个结点要发送数据时，首先侦听信道；
        • 如果信道空闲，那么立即发送数据；
        • 如果信道忙，那么放弃侦听，等待一个随机的时间后再重复上述过程；
      • 非坚持CSMA协议在侦听到信道忙后就放弃侦听，因此降低了多个结点等待信道空闲后同时发送数据导致冲突的概率，但也会增加数据在网络中的平均延迟；
        • 信道利用率的提高是以增加数据在网络中的延迟时间为代价的；
    • p-坚持CSMA
      • 基本思想：

        • 一个结点要发送数据时，首先侦听信道；
        • 如果信道忙，就持续侦听，直至信道空闲；
        • 如果信道空闲，那么以概率p发送数据，以概率1-p推迟到下一个时隙；
        • 如果下一个时隙信道仍然空闲，那么仍以概率p发送数据，以概率1-p概率推迟到下一个时隙；
        • 这个过程一直持续到数据发送成功或因其他结点发送数据而检测到信道忙为止；
  • 三种不同类型CSMA协议比较
信道状态 1-坚持 非坚持 p-坚持
空闲 立即发送数据 立即发送数据 以概率p发送数据，以概率1-p推迟到下一个时隙
忙 继续坚持侦听 放弃侦听，等待一个随机的时间后再侦听 持续侦听，直至信道空闲
CSMA/CD协议
  • 载波侦听多路访问/碰撞检测；
  • 是CSMA协议的改进方案，适用于总线型网络或半双工网络；
  • 工作流程：先听后发，边听边发，冲突停发，随即重发
    1. 适配器从网络层获得一个分组，封装成以太网帧，放入适配器的缓存，准备发送；
    2. 如果适配器侦听到信道空闲，那么他开始发送该帧，如果适配器侦听到信道忙，那么他持续侦听直至信道上没有信号能量，然后开始发送该帧；
    3. 在发送过程中，适配器持续检测信道，若一直未检测到碰撞，则顺利地把这个帧发送完毕，若检测到碰撞，则终止数据的发送，并发送一个拥塞信号，以让所有用户都知道；
    4. 在中止发送后，适配器就执行指数退避算法，等待一段随机时间后返回步骤ii；
  • 为了确保发送站在发送数据地同时能检测到可能存在的碰撞，需要在发送完帧之前就收到自己发出去的数据，所以CSMA/CD总线网中地所有数据帧都必须要大于一个最小帧长；
    • 最小帧长 = 总线传播时延 × 数据传输速率 × 2
    • 以太网MAC帧长度不小于64B
  • 二进制指数退避算法：
    1. 确定基本退避时间，一般取两倍的总线端到端传播时延2τ（即争用期）；
    2. 定义参数k，它等于重传次数，但k不超过10，即k = min[重传次数，10]，当重传次数不超过10次时，k等于重传次数，当重传次数大于10时，k就不再增大一直等于10；
    3. 从离散整数集合[0，1，…，2k-1]中随机取出一个数r，重传所需要退避的时间，即2rτ；
    4. 当重传达到16次仍然不成功时，说明网络太拥挤，认为此帧永远无法正确发出，抛弃此帧并向高层报告出错；
  • 使用二进制值税退避算法可使重传需要推迟的平均时间随重传次数的增大而增大（也称动态规避），因而能降低发生碰撞的概率，有利于整个系统的稳定；
CSMA/CA协议

  • 在无线局域网环境下，却不能简单地搬用CSMA/CD协议，主要原因：

    1. 接收信号地强度往往会远小于发送信号的强度，且在无限介质上信号强度的动态变化范围很大，因此要实现碰撞检测，则硬件上的花费就会过大；
    2. 在无线通信中，并非所有的站点都能够听见对方，即存在“隐蔽站”问题；

  • 为了避免碰撞，802.11规定，所有的站完成发送后，必须再等待一段很短的时间（继续侦听）才能发送下一帧，这段时间成为帧间间隔（IFS）

    1. SIFS（短IFS）：最短的IFS，用来分隔属于一次对话的个各帧，使用SIFS的帧类型有ACK帧、CTS帧、分片后的数据帧，以及所有回答AP探寻的帧；
    2. PIFS（点协调IFS）：中等长度IFS，在PCF操作中使用；
    3. DIFS（分布式协调IFS）：最长的IFS，用于异步帧竞争访问的时延；

  • 使用退避算法的具体算法：

    1. 在发送第一个帧前检测到信道忙；
    2. 每次重传；
    3. 每次成功发送后要发送下一帧；

  • CSMA/CA算法：

    1. 若站点最初有数据要发送（而不是发送不成功再进行重传），且检测到信道空闲，在等到时间DIFS后，就发送整个数据帧；
    2. 否则，站点执行CSMA/CA退避算法，选取一个随机回退值，一旦检测到信道忙，退避计时器就保持不变，只要信道空闲，退避计时器就进行倒计时；
    3. 当退避计时器减到0时（这时信道只可能是空闲的），站点就发送整个帧并等待确认；
    4. 发送站若收到确认，就知道已发送的帧被目的站正确接收，这时如果要发送第二帧，就从步骤ii开始；

  • 处理隐蔽站问题：RTS和CTS

    • CTS帧的目的：

      1. 给源站明确的发送许可；
      2. 指示其他站点在预约期间内不要发送；
    • 协议三种情况选择：
      1. 使用RTS和CTS帧；
      2. 只有当数据帧长度超过某一阈值时才使用RTS和CTS帧；
      3. 不使用RTS和CTS帧；

  • CSMA/CD与CSMA/CA主要区别：

    1. CSMA/CD可以检测冲突，但无法避免；CSMA/CA发送数据的同时不能检测信道上有无冲突，本结点处没有冲突并不意味着在接收结点处就没有冲突，只能尽量避免；
    2. 传输介质不同，CSMA/CD用于总线型以太网，CSMA/CA用于无线局域网802.11a/b/g/n等；
    3. 检测方式不同：CSMA/CD通过电缆中的电压变化来检测，而CSMA/CA采用能量载波检测和能量载波混合检测信道空闲的方式；

  • A和B同时向AP发送信号，发生碰撞

  • 使用RTS和CTS帧的碰撞避免

轮询访问介质访问控制：令牌传递协议

  • 令牌传递又称“标记传送”，局部网数据送取的一种控制方法，多用于环形网；
  • 令牌由专用的信息块组成，典型的令牌由连续的8位“1”组成。当网络所有节点都空闲时，令牌就从一个节点传送到下一个节点。当某一节点要求发送信息时，它必须获得令牌并在发送之前把它从网络上取走。一旦传送完数据，就把令牌转送给下一个节点，每个节点都具备有发送/接收令牌的装置。使用这种传送方法决不会发生碰撞，这是因为在某一瞬间只有一个节点有可能传送数据。最大的问题是令牌在传送过程中丢失或受到破坏，从而使节点找不到令牌从而无法传送信息；

局域网

局域网的基本概念和体系结构

  • 局域网：在一个较小地理范围内，将各种计算机、外部设备和数据库系统等通过双绞线、同轴电缆等连接介质互相连接起来，组成资源和信息共享的计算机互联网络；
  • 主要特点：
    1. 为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限；
    2. 所有站点共享较高的总带宽，即较高的数据传输速率；
    3. 较低的时延和较低的误码率；
    4. 各站点为平等关系而非主从关系；
    5. 能进行广播和组播；
  • 三要素：拓扑结构，传输介质，介质访问控制方式
    • 拓扑结构

      1. 星型结构；
      2. 环形结构；
      3. 总线形结构；
      4. 星形和总线型结合的复合型结构；
    • 传输介质
      1. 双绞线；
      2. 铜缆；
      3. 光纤；
    • 介质访问控制方式
      1. CSMA/CD；
      2. 令牌总线和令牌环；

以太网与IEEE802.3

以太网的MAC帧
  • MAC地址也称物理地址；
  • 前导码：使接收端与发送端同步；
    • 第一个字段共7字节，是前同步码，用来快速实现MAC帧的比特同步；
    • 第二个字段是帧开始定界符，表示后面的信息就是MAC帧；
  • 以太网V2标准的MAC帧格式

注意
- MAC帧并不需要帧结束符，因为以太网在传输帧时，各帧之间必须有一定的间隙，因此接收端只要找到帧开始定界符，其后面连续到达的比特流就都属于同一个MAC帧，但在数据链路层上，帧既要加首部，也要加尾部；

  • 地址：通常使用6字节（48bit）地址（MAC地址）；
  • 类型：2字节，指出数据域中携带的数据应交给哪个协议实体处理；
  • 数据：46~1500字节，包含高层的协议消息；
  • 填充：0~46字节，当帧长太短时填充帧，市值达到64字节最小长度；
  • 校验码：4字节，校验范围从目的地址段到数据段末尾，算法采用32位循环冗余码，不但需要检验MAC帧的数据部分，还要检验目的地址、源地址和类型字段，但不校验前导码；

令牌环网的基本原理

  • 令牌环网的基本原理

  • 令牌环网每一站通过电缆与环接口干线耦合器（TCU）相连；

    • TCU主要作用：

      • 传递所有经过的帧，为接入站发送和接收数据提供接口；
    • TCU状态：
      • 收听状态和发送状态；

  • 令牌环网中有一个令牌沿着环形总线在入网结点计算机间依次传递，令牌实际上是一个特殊格式的MAC控制帧，他本身不包含信息，仅控制信道使用，确保同一时刻只有一个结点能够独占信道，站点只有在取得令牌后才能发送数据帧，因此令牌环网不会发生碰撞，令牌在环网上按顺序依次传递，因此对所有入网计算机而言，访问权是公平的；

  • 令牌环网中令牌和数据传递过程：

    1. 网络空闲时，环路中只有令牌帧在循环传递；
    2. 令牌传递到有数据要发送的站点处，该站点就修改令牌中的一个标志位，并在令牌中附加自己需要传输的数据，将令牌变成一个数据帧，然后将这个数据帧发送出去；
    3. 数据帧沿着环路传输，接收到的站点一边转发数据，一边查看帧的目的地址，如果目的地址和自己的地址相同，那么接收站就复制该数据帧以便进一步处理；
    4. 数据帧沿着环路传输，直到到达帧的源站点，源站点接收到自己发出去的数据帧后便不再进行转发，同时，发送方可以通过检验返回的数据帧来查看数据传输过程中是否有错，若有错则重发该帧；
    5. 源站点传送完数据后，重新产生一个令牌，并将令牌传递给下一个站点，以交出对媒体的访问权限；

  • 令牌环网在物理上采用星型拓扑结构，逻辑上仍是环形拓扑结构；

广域网

广域网的基本概念

  • 广域网又称外网、公网。是连接不同地区局域网或城域网计算机通信的远程网。通常跨接很大的物理范围，所覆盖的范围从几十公里到几千公里，它能连接多个地区、城市和国家，或横跨几个洲并能提供远距离通信，形成国际性的远程网络；广域网并不等同于互联网；

  • 由局域网和广域网组成的互联网

  • 广域网和局域网的区别及联系

广域网 局域网
覆盖范围 很广，通常跨区域 较小，通常在一个区域内
连接方式 结点之间都是点到点连接，但为了提高网络的可靠性，一个结点交换机往往与多个结点交换机相 普遍采用多点接入技术
OSI参考模型层次 三层：物理层，数据链路层，网络层 两层：物理层，数据链路层
联系与相似点
1. 广域网和局域网都是互联网的重要组成构件，从互联网的角度上看，两者平等
2. 连接到一个广域网或一个局域网上的主机在该网内进行通信时，只需要使用其网络的物理地址
着重点 强调资源共享 强调数据传输

PPP协议和HDLC协议

PPP协议

  • 使用串行线路通信的面向字节的协议，该协议应用在直接连接两个结点的链路上；设计的目的主要是用来通过拨号或专线方式建立点对点连接发送数据，使其成为各种主机、网桥和路由器之间简单连接的一种共同的解决方案；

  • 组成部分：

    1. 链路控制协议LCP：一种拓展链路控制协议，用于建立、配置、测试和管理数据链路；
    2. 网络控制协议NCP：PPP协议允许同时采用多种网络层协议，每个不同的网络层协议要用一个相应的NCP来配置，为网络协议建立和配置逻辑链接；
    3. 一个将IP数据报封装到串行链路的方法：IP数据报在PPP帧中就是其信息部分，信息部分长度受最大传送单元MTU的限制；

  • PPP帧的格式

  • PPP协议的状态图

注意

  1. PPP提供差错检测但不提供纠错功能，保证无差错传输，但本身是不可靠的传输协议，因此不使用序号和确认机制；
  2. 仅支持点对点的链路通信，不支持多点线路；
  3. 只支持全双工链路；
  4. 两端可以运行不同的网络层协议，但仍可以用同一个PPP进行通信；
  5. 面向字节的协议，当信息字段出现和标志字段一致的比特组合：
    • 异步线路：字节填充法；
    • 同步线路：采用硬件来完成比特填充；

HDLC协议

  • 高级数据链路控制协议使ISO指定的面向比特的数据链路层协议；
  • 基本配置：
    • 非平衡配置：有一个主站控制整个链路工作；
    • 平衡配置：链路两端的两个站都是复合站，每个复合站都可以平等地发起数据传输，而不需要得到对方复合站地允许；
站
  • 3种类型：主站、从站、复合站；

    • 主站：负责控制链路的操作，主站发出的帧称为命令帧；
    • 从站：受控于主站，按主站的命令进行操作，发出的帧称为响应帧；
    • 复合站：既有主站又有从站功能，可以发出命令帧和响应帧；
数据操作方式
  1. 正常响应方式

    • 非平衡结构；
    • 主站向从站传输数据，从站响应传输，但从站只有在收到主站的许可后，才能进行响应；
  2. 异步平衡方式
    • 平衡结构；
    • 每个复合站都可以进行对另一站地数据传输；
  3. 异步响应方式
    • 非平衡结构；
    • 从站即使未收到主站的允许，也可以进行传输；
HDLC帧

  • HDLC的帧格式

  • 三类HDLC帧（“无间隙”）

    1. 信息帧I：第1位为0，用来传输数据信息，或使用捎带技术对数据进行确认；
    2. 监督帧S：第1、2位分别为1、0，用于流量控制和差错控制，执行对信息帧的确认、请求重发和请求暂停发送等功能；
    3. 无编号帧U：第1、2位均为1，用于提供对链路建立、拆除等多种控制功能；

PPP协议和HDLC协议区别

  1. PPP协议是面向字节的，HDLC是面向比特的；
  2. PPP帧比HDLC帧多一个2字节的协议字段，当协议字段值为0x0021时，表示信息字段时IP数据报；
  3. PPP协议不使用序号和确认机制，只保证无差错接收，而端到端差错检测由高层协议负责；HDLC协议的信息帧使用了编号和确认机制，能够提供可靠传输；

数据链路层设备

网桥的概念及其基本原理

  • 两个或多个以太网通过网球连接后，就成为一个覆盖范围更大的以太网，而原来的每个以太网就称为一个网段，网桥工作在链路层的MAC子层，可以使以太网各网段成为隔离开的碰撞域；
  • 网桥基本特点：
    1. 网桥必须具备寻址和路径选择能力，以确定帧的传输方向；
    2. 从源网络接收帧，以目的网络的介质访问控制协议向目的网络转发该帧；
    3. 网桥在不同或相同类型的LAN之间存储并转发帧，必要时还进行链路层上的协议转换；
      • 一般情况下，存储转发类设备都能进行协议转换，即连接的两个网段可以使用不同协议；
    4. 网桥对接收到的帧不做任何修改，或只对帧的封装格式做很少的修改；
    5. 网桥可以通过帧翻译互联不同类型的局域网，即把原协议信息段的内容作为另一种协议的信息部分封装在帧中；
    6. 网桥应有足够大的缓冲空间，因为在短时间内帧的到达速率可能高于转发速率；
  • 网桥优点：
    1. 能过滤通信量；
    2. 扩大物理范围；
    3. 可使用不同的物理层；
    4. 可互联不同类型的局域网；
    5. 提高了可靠性；
    6. 性能得到改善；
  • 网桥缺点：
    1. 增大了时延；
    2. MAC子层没有流量控制功能；
    3. 不同的MAC子层的网段桥接在一起时，需要进行帧格式的转换；
    4. 网桥只适合于用户数不多和通信量不大的局域网，否则有时还会因传播过多的广播信息而产生网络拥塞，即造成广播风暴；
透明网桥
  • 接收与之连接的所有LAN传送的每一帧；
  • 到达帧的路由选择过程取决于源LAN和目的LAN：
    1. 如果源LAN和目的LAN相同，那么丢弃该帧；
    2. 如果源LAN和目的LAN不同，那么转发该帧；
    3. 如果目的LAN未知，那么扩散该帧；
  • 透明网桥使用一种生成树算法，确保每个源到每个目的地只有唯一的路径；
  • 生成树使得整个拓展局域网在逻辑上形成树形结构，所以工作时逻辑上没有闭环，但生成树一般不是最佳路由；
源路由网桥
  • 路由选择由发送数据帧的源站负责，网桥只根据数据真正的路由信息对帧进行接收的转发；
  • 源路由的生成过程：
    1. 在未知路径前，源站要先发送一个发现帧；
    2. 途中每个网桥都转发该帧，最终该发现帧可能从多个途径到达目的站；
    3. 目的站也将一一发送应答帧；
    4. 每个应答帧将通过原路径返回，途径的网桥把自己的标志记录在应答帧中；
    5. 源站点选择出一个最佳路由，以后凡是从这个源站点向该目的站发送的帧首部，都必须携带这一路由信息；
  • 发送帧还可以帮助源站确当整个网络可以通过的帧的最大长度，由于帧的数量指数式增加，可能会造成网络严重拥塞；
两种网桥的比较
  • 使用源路由网桥可以利用最佳路由；
  • 若在两个以太网之间使用并联的源路由网桥，则还可以使通信量较平均地分配给每个网桥；
  • 这里提到的最佳路由并不是经过路由器最少的路由，而可以是发送帧往返时间最短地路由，真正地进行负载平衡；

局域网交换机极其工作原理

局域网交换机
  • 本质上说，以太网交换机是一个多端口网桥，工作在数据链路层；
  • 能经济地将网桥分成小的冲突域，为每个工作站提供更高的带宽；
  • 可以实现虚拟局域网VLAN，可以隔离冲突域和广播域；
原理
  • 检测从以太端口来的数据帧地源和目的地的MAC地址，然后与系统内部的动态查找表进行比较，若数据帧的MAC地址不在查找表中，则将该地址加入查找表，并将数据帧发送给相应的目的端口；
特点
  1. 每个端口都直接与单台主机相连，一般工作在全双工方式；
  2. 能同时连通许多对端口，使每对相互通信的主机都能向独占通信媒体那样，无碰撞地传输数据；
  3. 即插即用设备，内部的帧的换发表也是通过自学习算法自动地逐渐建立起来的；
  4. 使用了专用的交换结构芯片，交换速率较高；
  5. 独占传输媒体地带宽；
两种交换模式
  • 直通式和存储转发式：

    1. 直通式交换机只检查帧的目的地址，这使得帧在接收后几乎能马上被传出去，这种方式速度快，但缺乏智能性和安全性，也无法支持具有不同速率地端口的交换；
    2. 存储转发式交换机先将接收到的在帧缓存到高速缓存器中，并检查数据是否正确，确认无误后通过查找表转换成输出端口将该帧发送出去，如果发现该帧有错，那么就将其丢弃；
      • 优点：可靠性高，并能支持不同速率端口间的转换；
      • 缺点：延迟较大；

【计算机网络】数据链路层(完整版)相关推荐

  1. 2020计算机网络pdf,(完整版)2020计算机网络学习心得体会.pdf

    2020 计算机网络学习心得体会 计算机网络技术的发展和提高给网络带来了很大的冲 击,网络的安全问题成了信息社会安全问题的热点之一.下 面是有 20xx 计算机网络学习心得体会,欢迎参阅. 20xx ...

  2. 计算机网络谢希仁第七版课后答案完整版 微课视频 配套课件

    课后答案完整版 腾讯文档: https://docs.qq.com/doc/DRXNVYWRDRHN0VExi 如何下载腾讯在线文档? https://blog.csdn.net/COCO56/art ...

  3. 计算机网络自考第一章知识点,完整版18版自考04741计算机网络原理知识点第一章...

    <完整版18版自考04741计算机网络原理知识点第一章>由会员分享,可在线阅读,更多相关<完整版18版自考04741计算机网络原理知识点第一章(5页珍藏版)>请在人人文库网上搜 ...

  4. 初中信息技术面试计算机网络,2019下半年中学信息技术教师资格面试真题完整版...

    以下是希赛网教师资格频道为广大考生整理的2019下半年中学信息技术教师资格面试真题完整版,只有 通过多做真题才能更好的把握考试出题的规律,才能找到做题的感觉,到了真正上考场的时候才不会慌 .看看这些真 ...

  5. 小学计算机教师证面试题目,2019下半年小学信息技术教师资格面试真题完整版...

    以下是希赛网教师资格频道为广大考生整理的2019下半年小学信息技术教师资格面试真题完整版,只有 通过多做真题才能更好的把握考试出题的规律,才能找到做题的感觉,到了真正上考场的时候才不会慌 .看看这些真 ...

  6. 计算机网络——数据链路层介质访问控制

    文章目录 前言 一.介质访问控制概述 二.信道划分介质访问控制 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) 三.随机访问介质访问控制 ...

  7. 数据与计算机通信实验报告,完整版通信工程专业综合实验报告

    <完整版通信工程专业综合实验报告>由会员分享,可在线阅读,更多相关<完整版通信工程专业综合实验报告(18页珍藏版)>请在人人文库网上搜索. 1.通信工程专业综合实验 实验报告( ...

  8. 终于有华为高工整理网工基础知识完整版，看完就入门

    前言 网络工程师是通过学习和训练,掌握网络技术的理论知识和操作技能的网络技术人员.根据招聘网站最新一年数据统计,网络工程师月平均工资可以达到12.3K,而2021年较2020年增长了18%. 网络工程 ...

  9. 计算机网络——数据链路层局域网、以太网、PPP协议和HDLC协议、链路层设备

    文章目录 前言 一.局域网简介 1.局域网的基本概念和特点 2.局域网的主要要素 3.局域网的分类与 IEEE 802 标准 4.LLC 子层和 MAC 子层 二.以太网 三.无线局域网 四.PPP ...

最新文章

  1. 量子力学 一 基础7 酉算符与Hausdorff-Campbell公式
  2. 国内大学毕业论文LaTeX模板集合
  3. python快速安装pip
  4. vue axios 配置上服务器后报错'Access-Control-Allow-Origin' header]（亲测）
  5. Android fastjson
  6. c语言结果九位数,C语言实例:九位累进可除数
  7. 图片在线转换base64
  8. win7纯净版系统锁定系统时间的设置方法
  9. python系统关键字_Python基础教程 - global关键字及全局变量的用法
  10. Oracle小复习(1)
  11. 关于OPENCV 访问外部传进来的Mat矩阵元素的问题
  12. linux yum安装python3_在Linux - Centos上安装Python3（上）
  13. c语言输出英文字母表,菜鸟求助，写一个随机输出26个英文字母的程序
  14. 计算机辅助绘图包括,计算机辅助绘图实用教程
  15. 汽车软件常用名称缩写
  16. 如何打造以人为本的移动游戏
  17. java实现一台电脑控制多台手机_一台电脑控制多部手机怎么实现?
  18. SpringCloud 09 - Gateway 网关
  19. 豆瓣评分高于8.8分的计算机书籍
  20. Sklearn-GBDT(GradientBoostingDecisonTree)梯度提升树

热门文章

  1. 下载并运行 Synopsys Detect
  2. 2022年焊工（初级）试题及答案
  3. HttpURLConnection实现参数+文件传输
  4. 1-计算机系统概述（CO）
  5. 投资理财的十大经典电影
  6. 剑指 Offer 40. 最小的k个数
  7. 伟大的数学家们是在多大的时候改变的世界？
  8. iOS开发之开源项目库总汇
  9. 2019上海ICPC H.Tree Partition
  10. ubuntu16安装中文输入法