计网复习03-数据链路层

这里的数据链路层指的是原理体系结构的数据链路层,对应OSI七层体系结构中的数据链路层,对应TCP/IP四层体系结构中的网络接口层的一部分。它提供介质访问和链路管理,为网络层提供服务。其最基本的服务是将源自网络层来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:

  1. 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
  2. 链路管理,即连接的建立、维持、释放(用于面向连接的服务)。
  3. 组帧。
  4. 流量控制。
  5. 差错控制(帧错/位错)。

两种信道

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广播信道需要介质访问控制:采取一定的措施,使得两对节点之间的通信不会互相干扰。

有静态划分信道和动态分配信道两种方法:

静态划分信道

把一条广播信道,逻辑上分成几条用于两个节点之间通信的互不干扰的子信道,实际就是把广播信道转变为点对点信道。

  • 频分复用 FDM
    • 用户在分配到一定的频带后,在通信过程中自始至终都占用这个频带。频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽(频率带宽)资源
  • 时分复用 TDM
    • 将时间划分为一段段等长的时分复用帧(TDM帧)。每一个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙,所有用户轮流占用信道。
    • 频分复用——“并行”,时分复用——“并发”
    • 改进版本的统计时分复用:先收集各用户的使用情况,动态分配时隙
  • 波分复用 WDM
    • 波分多路复用就是光的频分多路复用,在一根光纤中传输多种不同波长(频率)的光信号,由于波长(频率)不同,所以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。
  • 码分复用 CDM
    • 码分多址(CDMA)是码分复用的一种方式。1个比特分为多个码片/芯片(chip),每一个站点被指定一个唯一的m位的芯片序列。发送1时站点发送芯片序列,发送0时发送芯片序列反码(通常把0写成-1)。
    • 如何不打架:多个站点同时发送数据的时候,要求各个站点芯片序列相互正交。
    • 如何合并:各路数据在信道中被线性相加。
    • 如何分离:合并的数据和源站规格化内积。

动态分配信道

随机接入

ALOHA协议

想发就发,冲突重发。

如何检测冲突?超时之后没有收到确认帧就认为冲突了。

超时之后等待一随机时间后重传

如果重传也冲突了,继续等待一随机时间后重传,直到收到了确认。

改进后的时隙ALOHA协议:把时间分成若干个相同的时间片,所有用户在时间片开始时刻同步接入网络信道,若发生冲突,则必须等到下一个时间片开始时刻再发送。

CSMA协议

载波监听多路访问协议CSMA:

  • CS:载波侦听/监听,每一个站在发送数据之前要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据。
  • MA:多点接入,表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。

如何检测:当几个站同时在总线上发送数据时,总线上的信号电压摆动值将会增大( 互相叠加)。当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定门限值时,就认为总线上至少有两个站同时在发送数据,表明产生了碰撞,即发生了冲突。

  • 1-坚持CSMA思想: 如果一个主机要发送消息,那么它先监听信道。空闲则直接传输,不必等待。忙则一直监听,直到空闲马上传输。如果有冲突(一段时间内未收到肯定回复),则等待一个随机长的时间再监听,重复上述过程。
  • 非坚持CSMA思想: 如果一个主机要发送消息,那么它先监听信道。空闲则直接传输,不必等待。忙则等待一个随机的时间之后再进行监听。
  • p-坚持CSMA思想: 如果一个主机要发送消息,那么它先监听信道。空闲则以p概率直接传输,不必等待;概率1-p等待到下一个时间槽再传输。忙则等待一个随机时间之后再进行监听。

受控接入

令牌环局域网

令牌:一个特殊格式的MAC控制帧,不含任何信息。控制信道的使用,确保同一时刻只有一个结点独占信道。

每个结点都可以在一定的时间内(令牌持有时间)获得发送数据的权利,并不是无限制地持有令牌。

令牌环网物理星型拓扑,逻辑环形拓扑

问题:
1. 令牌开销
2. 等待延迟
3. 单点故障

多点线路探询

主结点轮流“邀请”从属结点发送数据。

问题:
1. 轮询开销
2. 等待延迟
3. 单点故障

链路和数据链路

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协议的三个基本问题

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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的标记,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是帧定界(确定帧的界限)。

一个帧分为首部、数据部分、尾部,为了传输效率一般是数据部分占比越大越好。但如果帧过长可能会导致一些传输问题(报文传输没有很好的效果)。所以规定了最大传输单元MTU,即数据部分不能超过这个长度。

组帧的四种方法:
1. 字符计数法:帧首部使用一个计数字段(第一个字节,八位)来标明帧内字符数。容易出错。
2. 字符(节)填充法:使用SOH和EOT。
3. 零比特填充法:SOH和EOT都使用01111110,信息字段只要有连续5个1,就立即填入一个0。
4. 违规编码法。使用违规表示的码元来表示SOH和EOT。

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透明传输

透明传输是指不管所传数据是什么样的比特组合,都应当能够在链路上传送。因此,链路层就“看不见”有什么妨碍数据传输的东西。

当所传数据中的比特组合恰巧与某一个控制信息完全一样时,就必须采取适当的措施,使收方不会将这样的数据误认为是某种控制信息。 这样才能保证数据链路层的传输是透明的。

差错控制

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。
解决办法:通常利用编码技术来解决。

差错通常分为位错和帧错,假设发来一个[#1]-[#2]-[#3]的帧,帧错又分为:
+ 帧丢失:[#1]-[#3]
+ 帧重复:[#1]-[#2]-[#2]-[#3]
+ 帧失序:[#1]-[#3]-[#2]

差错控制技术分为差错检测和差错纠正。

差错检测

  • 奇偶校验码,假设一个信息元共n位,用n-1位来表示数据,剩下一位用于满足整个位串中1个数的奇偶性,奇校验码要求1的个数为奇数,偶校验码要求1的个数为偶数。奇偶校验码的检错能力只能说一般,如果偶数个比特同时出现错误,就不能检测出。
  • 循环冗余码CRC,发送端将数据划分为组,每组n(约定好的)位冗余码附在数据的最后,和接收端约定一个生成多项式P,这个P必须为n+1位。冗余码的计算方法为M*n/P得到的余数。接收端将得到的组除以R,如果余数为0(除尽),则说明无误,否则有误。

差错检测检测出差错帧就会将其丢弃,保证接收端数据链路层接收的帧均无差错,但这还不是可靠传输。

差错纠正

海明码:能发现双比特错,只能纠正单比特错。

工作流程:

  1. 确定校验码的位数r

如何确定r?

海明不等式: 2r≥k+r+1,k为信息位。例如要发送的数据的位数为6,则满足不等式的最小r为4,也就是校验码应有4位。

  1. 确定校验码和数据的位置

校验码只能填在2的几次方的位置,例如这4位校验码只能分别填在第1、2、4、8位。其他位置用于填写数据位。

  1. 求出校验码的值

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对于任一校验码位,它的位置的二进制表示中有某一位为1,它负责校验的是数据位中位置的二进制表示中该位也为1的数据位。它的任务是令所有要校验的位(包括它本身)异或等于0。

例如对于校验位P1,它负责校验D1,D2,D4,D5。其中1⊕0⊕1⊕0=1,则它需要为0才能满足加上它后异或的结果等于0。

  1. 检错并纠错

局域网

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局域网拓扑结构

  • 星型拓扑
  • 总线型拓扑
  • 环形拓扑
  • 树形拓扑

其中总线型拓扑不容易出现单点故障问题,比较常用。

局域网介质访问控制方法

  1. CSMA/CD:常用于总线型局域网,也用于树型网络。
  2. 令牌总线:常用于总线型局域网,也用于树型网络。它是把总线型或树型网络中的各个工作站按一定顺序如按接口地址大小排列形成一个逻辑环。只有令牌持有者才能控制总线,才有发送信息的权力。
  3. 令牌环:用于环形局域网,如令牌环网。

局域网的分类

  1. 以太网:以太网是应用最为广泛的局域网,包括标准以太网(10Mbps) 、快速以太网(100Mbps) 、千兆以太网(1000 Mbps)和10G以太网,它们都符合IEEE802.3系列标准规范。逻辑拓扑总线
    型,物理拓扑是星型或拓展星型。使用CSMA/CD协议。
  2. 令牌环网:物理上采用了星形拓扑结构,逻辑上是环形拓扑结构。已是“明日黄花”。IEEE802.5
  3. FDDI网:物理上采用了双环拓扑结构,逻辑上是环形拓扑结构。
  4. ATM网:较新型的单元交换技术,使用53字节固定长度的单元进行交换。
  5. 无线局域网(WLAN):采用IEEE802.11标准。

MAC子层和LLC子层

IEEE802标准所描述的局域网参考模型只对应OSI参考模型的数据链路层与物理层,它将数据链路层划分为逻辑链路层LLC子层和介质访问控制MAC子层。

LLC:LLC负责识别网络层协议,然后对它们进行封装。LLC报头告诉数据链路层一旦帧被接收到时,应当对数据包做何处理。为网络层提供服务:无确认无连接、面向连接、带确认无连接、高速传送。

MAC子层的主要功能包括数据帧的封装/卸装,帧的寻址和识别,帧的接收与发送,链路的管理,帧的差错控制等。MAC子层的存在屏蔽了不同物理链路种类的差异性。

MAC地址

前三个字节为组织唯一标识符OUI,后三个字节为拓展标识符,由厂家自行指派。

MAC帧

  • 6字节长目的地址
  • 6字节长源地址
  • 2字节长类型字段
  • 46到1500字节之间的数据字段
  • 4字节长帧检验序列FCS,是发送和接收都要使用循环冗余校验码(CRC)算法所产生的FCS字段的CRC码。

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MAC帧被物理层包装之后通常还会在前面插入一个八字节的前导码。

以太网

使用DIX Ethernet V2或IEEE 802.3就称为以太网,以太网提供无连接、不可靠的服务

  • 无连接:发送方和接收方之间无“握手过程”。
  • 不可靠:不对发送方的数据帧编号,接收方不向发送方进行确认,差错帧直接丢弃,差错纠正由高层负责。

CSMA/CD协议

CD:碰撞检测(冲突检测),“边发送边监听” ,适配器边发送数据边检测信道上信号电压的变化情况,以便判断自己在发送数据时其他站是否也在发送数据。

以太网端到端的往返时间2t称为争用期(碰撞窗口),最大不会超过这个时间就能监听到碰撞。

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了解:截断二进制指数退避算法

拓展的以太网

物理层拓展以太网

光纤代替铜线,使用集线器

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链路层拓展以太网

通过网桥、交换式集线器或是第二层交换机

网桥是交换机的前身,交换机又称为多端口网桥。

交换机根据MAC帧的目的地址对帧进行转发和过滤。当交换机收到一个帧时,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)。

自学习:动态填充转发表。交换机在收到一个MAC帧的时候,就知道对应的设备与哪个端口相连,从而动态扩充转发表。

交换机、网桥的每一个端口隔离一个冲突域,但不能隔离广播域。

集线器中的设备是共享带宽的,交换机中的设备是独占带宽的。

交换机类型:

  • 直通式交换机:查完目的地址就立刻转发。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。

原创文章,作者:彭晨涛,如若转载,请注明出处:https://www.codetool.top/article/%e8%ae%a1%e7%bd%91%e5%a4%8d%e4%b9%a003-%e6%95%b0%e6%8d%ae%e9%93%be%e8%b7%af%e5%b1%82/

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