数据链路层基本概念

结点：主机、路由器。

链路：网络中两个结点之间的物理通道，链路的传输介质主要有双绞线、光纤和微波。分为有线链路、无线链路。

数据链路：网络中两个结点之间的逻辑通道，把实现控制数据传输协议的硬件和软件加到链路上就构成数据链路。

帧：链路层的协议数据单元，封装网络层数据报。

数据链路层负责通过一条链路从一个结点向另一个物理链路直接相连的相邻结点传送数据报

数据链路层功能

• 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，其最基本的服务是将源自网络层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。

  

功能一：为网络层提供服务。无确认无连接服务，有确认无连接服务，有确认面向连接服务。【有链接一定有确认】 功能二：链路管理，即连接的建立、维持、释放（用于面向连接的服务）。 功能三：组帧。 功能四：流量控制。【限制发送方】 功能五：差错控制（帧错/位错）。

封装成帧

封装成帧就是在一段数据的前后部分添加首部和尾部，这样就构成了一个帧。接收端在收到物理层上交的比特流后，就能根据首部和尾部标记，从收到的比特流中识别帧的开始和结束。首部和尾部包含许多的控制信息，他们的一个重要作用：帧定界（确定帧的界限）。 帧同步：接收方应当能从接收到的二进制比特流中区分出帧的起始和终止。

组帧的四种方法

字符计数法

字符（节）填充法

零比特填充法

违规编码法

差错

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：2.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。解决方法：通常利用编码技术来解决。

数据链路层的差错控制

检错编码

• 奇偶校验码 --奇校验保证由奇数个1 --偶校验保证由偶数个1 --若发送前后1个数的奇偶性都变了那说明有问题。

  

• 循环冗余码CRC

  

  

纠错码

• 海明码 工作原理：动一发而牵全身 1.确定校验码位数r

  

  2.确定校验码和数据位置

  

  3.求出校验码的值

  

  4.检错并纠错

  

编码VS编码 数据链路层编码和物理层的数据编码与调制不同。物理层编码针对的是单个比特，解决传输过程中比特的同步等问题，如曼彻斯特编码。 而数据链路层的编码针对的是一组比特，它通过冗余码的技术实现一组二进制比特串在传输过程是否出现了差错。

冗余编码 在数据发送之前，先按某种关系附加上一定的冗余位，构成一个符合某一规则的码字后再发送。当要发送的有效数据变化时，相应的冗余位也随之变化，使码字遵从不变的规则。接收端根据收到的码字是否符合原规则，从而判断是否出错。

流量控制与可靠传输机制

数据链路层的流量控制

• 较高的发送速度和较低的接受能力的不匹配，会造成传输出错，因此流量控制也是数据链路层的一项重要工作。

• 数据链路层的流量控制是点对点的，而传输层的流量控制是端到端的。

• 数据链路层流量控制手段：接收方收不下就不回复确认。 传输层流量控制手段：接收端给发送端一个窗口公告。

流量控制的方法

停止-等待协议

每发送完一个帧就停止发送，等待对方的确认，在收到确认后再发送下一个帧。

滑动窗口协议

可靠传输：发送端发啥，接收端收啥。 流量控制：控制发送速率，使接收方有足够的缓冲空间来接收每一个帧。

停止等待协议属于那一层？ 1.为什么要有停止等待协议？ 除了比特差错，底层信道还会出现丢包问题。为了实现流量控制。

丢包：物理线路故障、设备故障、病毒攻击、路由信息错误等原因、会导致数据包的丢失。

2.研究停等协议的前提？ 虽然现在常用全双工通信方式，但为了讨论问题方便，仅考虑一方发送数据（发送方），一方接收数据（接收方）。

因为是在讨论可靠传输的原理，所以并不考虑数据是在哪一层上传输的。

“停止-等待”就是每发送一个分组就停止发送，等对方确认，在收到确认后再发送下一个分组。

3.停等协议有几种应用情况？

信道利用率：发送放在一个发送周期内，有效地发送数据所需要的时间占整个发送周期的比率。

信道利用率 :(L/C)/T

信道吞吐率：信道利用率×发送方的发送速率

后退N帧协议（GBN）中的滑动窗口

发送窗口：发送方维持一组连续的允许发送的帧的序号。 接收窗口：接收方维持一组连续的允许接收帧的序号。

GBN发送方必须响应的三件事

• 上层的调用 上层要发送数据时，发送方先检查发送窗口是否已满，如果未满，则产生一个帧并将其发送；如果窗口已满，发送方只需将数据返回给上层，暗示上层窗口已满。上层等一会再发送。（实际实现中，发送方可以缓存这些数据，窗口不满时再发送帧）

• 收到了一个ACK GBN协议中，对n号帧的确认采用累积确认的方式，标明接收方已经收到n号帧和它之前的全部帧。

• 超时事件 协议的名字为后退N帧/回退N帧，来源于出现丢失和时延过长帧时发送方的行为。就像在停等协议中一样，定时器将再次用于恢复数据帧或确认帧的丢失。如果出现超时，发送方重传所有已发送但未被确认的帧。

GBN接收方要做的事

• 如果正确收到n号帧，并且按序，那么接收方为n帧发送一个ACK，并将该帧中的数据部分交付给上层。

• 其余情况都丢弃帧，并为最近按序接收的帧重新发送ACK。接收方无需缓存任何失序帧，只需要维护一个信息：expectedseqnum（下一个按序接收的帧序号）。

滑动窗口长度

若采用n个比特对帧编号，那么发送窗口的尺寸WT应满足：1≤WT≤2^n-1。因为发送窗口尺寸过大，就会使得接收方无法区别新帧和旧帧。

GBN协议重点总结

1.累计确认（偶尔稍待确认） 2.接收方只按序接收帧，不按序无情丢弃。 3.确认序列号最大的、按序到达的帧。4.发送窗口最达为2^n-1，接收窗口大小为1。

GBN协议性能分析

优点：因连续发送数据而提高了信道利用率。 缺点：在重传时必须把原来已经正确传送的数据帧重传，使传送效率降低。

选择重传协议

对于GBN的丢弃行为能不能做个改善？从而只重传出错的帧。 解决办法：设置单个确认，同时加大接受窗口，设置接收缓存，缓存乱序到达的帧。

SR发送方必须响应的三件事

• 上层的调用 从上层收到数据后，SR发送方检查下一个可用于该帧的序号，如果序号位于发送窗口内，则发送数据帧；否则就像GBN一样，要么将数据缓存，要么返回给上层之后再传输。

• 收到了一个ACK 如果收到ACK，加入该帧序号在窗口内，则SR发送方将那个被确认的帧标记为已接收。如果该序号是窗口的下界（最左边第一个窗口对应的序号），则窗口向前移动到具有最小序号的未确认帧处。如果窗口移动了并且有序号在窗口内的未发送帧，则发送这些帧。

  

  

• 超时事件 每个帧都有自己的定时器，一个超时事件发生后只重传一个帧。

GBN接收方要做的事

• 来者不拒（窗口内的帧） SR接收方确认一个正确接收的帧而不管其是否按序。失序的帧将被缓存，并返回给发送方一个该帧的确认帧【收谁确认谁】，直到所有帧（即序号更小的帧）皆被收到为止，这时才可以将一批帧按序交付给上层，然后向前移动滑动窗口。

  

  

  

  

  

  如果收到了窗口序号外（小于窗口下界）的帧，就返回一个ACK。其他情况，就忽略该帧。

  

发送窗口最好等于接收窗口。（大了会溢出，小了没意义）

SR协议重点

1.对数据帧逐一确认，收一个确认一个。 2.只重传出错帧。 3.接收方有缓存。 4.WTmax=WRmax=2^(n-1)

传输数据使用的两条链路

点对点链路：两个相邻节点通过一个链路相连，没有第三者。 应用：PPP协议，常用于广域网。

广播式链路：所有主机共享通信介质。 应用：早期的总线以太网、无线局域网，常用于局域网。 典型拓扑结构：总线型、星型（逻辑总线型）

链路层设备

如何减少冲突同时扩大以太网的范围？ 链路层扩展以太网【网桥和交换机】 网桥根据MAC帧的目的地址对帧进行转发和过滤，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）

每个冲突域可视为一个网段。

网段：一般指一个计算机网络中使用同一物理层设备（传输介质，中继器，集线器等）能够直接通讯的那一部分。

网桥的优点： 1.过滤通信量，增大吞吐量。 2.扩大了物理范围。 3.提高了可靠性。 4.可互连不同物理层、不同MAC子层和不同速率的以太网。

网桥分类

• 透明网桥：“透明”指以太网上的站点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥，是一种即插即用设备--自学习。

  

  源路由网桥：在发送帧时，把详细的最佳路由信息（路由最少/时间最短）放在帧的首部中。 方法：源站以广播方式向欲通信的目的站发送一个发现帧。

  

  多接口网桥--以太网交换机

  

  以太网交换机的两种交换方式

• 直通式交换机： 查完目的地址（6B）就立刻转发。

延迟小，可靠性低，无法支持具有不同速率的端口的交换。

存储转发式交换机：将帧放入高速缓存，并检查是否正确，正确则转发，错误则丢弃。

延迟大，可靠性高，可以支持具有不同速率的端口的交换。

最后

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