计算机网络第三章-数据链路层

数据链路层知识结构

一.数据链路层的功能

1.为网络层提供服务
对网络层而言，数据链路层的基本任务是将源机器中来自网络层的数据传输到目标机器的网络层。数据链路层通常为网络层提供如下服务

这里需要注意的是，有连接就一定有确认，也就是说，不存在无确认的面向连接服务。

2.链路管理
数据链路层连接的建立、维持和释放过程称为链路管理，它主要用于面向连接的服务。

3.帧定界、帧同步与透明传输
两个工作站之间传输信息时，必须将网络层的分组封装成帧，以帧的格式进行传送。将一段数据的前后分别添加首部和尾部，就构成了帧。首部和尾部中含有很多控制信息，它们的一个重要作用是确定帧的界限，即帧定界。

帧同步指的是接收方应能从接收到的二进制比特流中区分出帧的起始和终止。

如果在数据中恰好出现与帧定界符相同的比特组合（会误认为传输结束而丢弃后面的数据），那么就要采取有效的措施解决这个问题，即透明传输。透明传输就是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。

4.流量控制
由于收发双方各自的工作速率和缓存空间的差异，可能出现发送方的发送能力大于接收方接收能力的现象，如若此时不适当限制发送方的发送速率（即链路上的信息流量），前面来不及接收的帧将会被后面不断发送来的帧淹没，造成帧的丢失。因此，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。

流量控制并不是数据链路层特有的功能，许多高层协议中也提供此功能，只不过控制的对象不同。对于数据链路层来说，控制的是相邻两结点之间数据链路上的流量；对于运输层而言，控制的则是从源端到目的端之间的流量。

5.差错控制
由于信道噪声等各种原因，帧在传输过程中可能会出现错误，通常来说，这些错误可分为位错和帧错。用以使发送方确定接收方是否正确收到由自己发送的数据的方法称为差错控制。

二.组帧

数据链路层之所以要把比特组合成帧为单位传输，是为了在出错时只重发出错的帧，而不必重发全部数据，从而提高效率。为了使接收方能正确地接收并检查所传输的帧，发送方必须按照一定的规则把网络层递交的分组封装成帧（称为组帧）。组帧主要解决帧定界、帧同步、透明传输等问题。
注意：组帧时既要加首部，又要加尾部。原因是：在网络中信息是以帧为最小单位进行传输的，所以接收端要正确地接收帧，必须要清楚该帧在一串比特流中从哪里开始到哪里结束。
组帧通常有以下4种方法

1.字符计数法
字符计数法是指在帧头部使用一个计数字段来标明帧内字符数。目的结点的数据链路层收到字节计数值时，就知道后面跟随的字节数（计数字段提供的字节数包含自身所占用的1个字节），从而可以确定帧结束的位置。比如传51234，第一个字符5表示该帧共5个字符，包括计数的1个字符，所以帧的有效内容是1234四个字节。

2字符填充的首尾定界符法
字符填充法使用一些特定的字符来界定一帧的开始（DLE STX）与结束（DLE ETX）。为了使信息位种出现的特殊字符不被误判为帧的首尾定界符，可以在特殊字符前面填充一个转义字符（DLE）来加以区分（注意，注意字符是ASCII码中的控制字符，是一个字符），以实现数据的透明传输（透明传输：不管传送数据是什么样的比特组合，都应当能够在链路上传送，不会出现因内容中含有界定符而误判）。接收方收到转义字符后，就知道其后面紧跟的是数据信息，而不是控制信息。

3 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。它使用一个特定的比特模式01111110（6个“1”）来标志一帧的开始和结束。发送方的数据链路层在信息位中遇到5个连续的1时，将自动在后面插入1个0.而接收方做该过程的逆过程，每收到5个连续的1时，自动删除后面紧跟的0，以恢复原信息。

零比特填充法很容易由硬件来实现，性能优于字符填充法。

4 违规编码法
在物理层进行比特编码时，通常采用违规编码法。例如，曼彻斯特码将数据比特1编码成“高低”电平对，将数据比特0编码成“低高”电平对，而“高高”和“低低”电平对在数据比特中是违规的（即没有采用）。可以借用这种违规编码序列来定界帧的起始和终止。局域网IEEE 802 标准就采用了这种方法。

由于字节计数法中计数字段的脆弱性和字符填充法实现上的复杂性与不兼容性，目前较常用的组帧技术是比特填充法和违规编码法。

三.差错控制

四.流量控制与可靠传输机制

流量控制涉及对链路上的帧的发送速率的控制，以使得接收方有足够的缓冲空间来接收每个帧。流量控制的基本方法是由接收方控制发送方发送数据的速率，常见的方式有两种：停止等待协议和滑动窗口协议。

1.停止等待流量控制基本原理
发送方每发送一帧，

五.介质访问控制

介质访问控制所要完成的任务是，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子层），介质访问控制英文名称为Medium Access Control（简记为MAC）.

ALOHA协议

1）纯ALOHA协议
纯ALOHA协议的基本思想：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之后再发送数据，直到发送成功。

如果发送的帧在时间上有重叠（即发生了碰撞），碰撞的结果是，碰撞双方（也可能是多方）所发送的数据出现了差错，都要进行重传。纯ALOHA协议采用的重传策略是让各站等待一段随机的时间，然后再进行重传。

2）间隙ALOHA协议
间隙ALOHA协议
间隙ALOHA协议把时间划分为一段段等长的时隙（slot），间隙ALOHA仍然可以随意发送数据， 但是只能在每个间隙开始时才能发送一个帧。

CSMA协议
载波侦听多路访问（Carrier Sense Multiple Access,CSMA）协议的基本思想：每个站点再发送数据前先侦听一下共用信道，发现信道空闲后再发送。

三种CSMA协议的比较

六.局域网

1.局域网的基本概念和体系结构

局域网（Local Area Network，LAN）是指在一个较小的地理范围（如一所学校）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。

局域网的特性主要由三个要素决定：拓扑结构、传输介质、介质访问控制方式，其中最重要的是介质访问控制方式，它决定着局域网的技术特性。

常见的局域网拓扑结构主要有以下4大类：星形结构，环形结构，总线形结构，星形和总线形结构的复合型结构。

局域网可以使用双绞线、铜缆和光纤灯多种传输介质，其中双绞线为主流传输介质。

局域网的介质访问控制方法主要有CSMA/CD（先听再说，边说边听）、令牌总线和令牌环，其中前两种主要用于总线形局域网，令牌环主要用于环形局域网。

2.以太网与IEEE 802.3

IEEE 802.3标准是一种基带总线形的局域网标准，它描述物理层和数据链路层的MAC子层的实现方法。
以太网逻辑上采用总线形拓扑结构，以太网中的所有计算机共享同一条总线，信息以广播方式发送。为了保证数据通信的方便性和可靠性，以太网简化了通信流程并使用了CSMA/CD方式对总线进行访问控制。

以太网采用两项措施简化通信：采用无连接的工作方式；不对发送的数据帧编号，也不要求接收方发送确认，即以太网尽最大努力交付数据，提供的是不可靠服务，对于差错的纠正则由高层完成。

1.以太网的传输介质与网卡
以太网常用的传输介质有4种：粗缆、细缆、双绞线和光纤。
各种传输介质的适用情况如下表：

注意：该表的内容是常识，需要熟记，比如题目中出现10BASE5时，是不会显示地告诉你它的传输媒体、编码方式、拓扑结构等信息的。

七.广域网

八.数据链路层设备

冲突域和广播域的概念

冲突域：在同一个冲突域中的每一个节点都能收到所有被发送的帧。简单地说，就是同一时间内只能有一台设备发送信息的范围。
广播域：网络中能接收任一设备发出的广播帧的所有设备的集合。简单地说，如果站点发出一个广播信号，所有能接收到这个信号的设备范围称为一个广播域。

本章学习完之后的脑图

最后

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