数据链路层
2020-07-08 18:37:15 0 举报AI智能生成
《计算机网络》第三章 数据链路层
作者其他创作
大纲/内容
点对点协议PPP
特点
用户和ISP通信时使用的数据链路层协议
需求
简单
不需要纠错、序号、流量控制
封装成帧、透明等等
组成
将IP数据报封装到串行链路的方法
建立、配置和测试数据链路连接的链路控制协议LCP
网络控制协议NCP，支持IP、OSI的网络层等等
帧格式
首部
帧定界符
协议字段，表示信息部分为IP数据报或LCP数据等等
信息部分
帧数据
尾部
帧检验序列FCS
帧定界符
字节填充
为了保证透明传输
零比特填充
发送信息部分时，连续5个1则填入1个0，在接收段进行删除还原，保证透明传输
工作状态
成功流程：链路静止、链路建立、鉴别、网络层协议、链路打开、链路终止、链路静止
拓展的以太网
在物理层拓展以太网
借助光纤和集线器来扩大以太网的覆盖范围
缺点
连接的计算机越多，碰撞域就越大，越容易碰撞
在数据链路层拓展以太网
以太网交换机（交换式集线器）
多接口网桥，通过交换机相互通信的主机都是独占传输媒体，无碰撞传输数据
自学习
能通过帧信息建立交换表（地址表），从而实现无碰撞传输
从总线以太网到星形以太网
星形以太网使用交换机为核心，不使用CSMA/CD，采用全双工方式
虚拟局域网（VLAN）
通过多台交换机，使得处在不同局域网的计算机能够处在逻辑上的同一局域网
虚拟局域网
使用点对点信道的数据链路层
数据链路和帧
数据链路
链路
结点到结点的物理线路
数据链路：在链路上，还有一些必要的通信协议来控制数据传输的软硬件
采用实现方法
网络适配器
帧
协议数据单元
通信步骤
对网络层的IP数据报添加首部和尾部封装成帧
将帧发送给目标结点的数据链路层
目标结点的数据链路层收到帧并校验有无差错，无则从帧中提取IP数据报交给网络层；有则丢弃帧
三个基本问题
封装成帧
基本格式
帧首部
帧界定符
表示帧开始位置
帧数据
IP数据报，其长度不超过MTU（最大传送单元）
帧尾部
帧界定符
表示帧结束位置
透明传输
无论什么样比特组合的数据，都能无差错的通过数据链路层（数据链路层对这些数据是透明的）
问题
帧界定符的编码可能在帧数据部分出现，导致帧出错
解决方法
字符填充（字节填充）
在帧界定符前添加转义字符（若帧数据也存在转义字符，则也为其添加转义字符）。在接收方的数据链路层中，会将转义字符删除后再送往网络层
差错检测
比特差错
比特在传送过程中可能会产生差错
误码率（BER）
一段时间内，出错比特占总传输比特的比率
解决方法
循环冗余检验（CRC）
将数据进行模2运算，取其余数作为冗余码（校验码）发送给接收方，接收方将数据与冗余码拼接后若模2余0，则为无差错接收
帧检验序列（FCS）
冗余码
传输差错
帧丢失
接收方没有收到某帧
帧重复
接收方收到重复的帧
帧时序
接收方收到了乱序的几个帧
解决方法
通信质量好
数据链路层不进行处理，纠错由上层协议负责
通信质量差
通过帧编号、确认和重传机制处理传输差错
使用广播信道的数据链路层
局域网的数据链路层
局域网
网络为一个单位所有，且地理位置和站点数量有限
优点
具有广播功能
便于系统扩展演变
分类
星形网
中心为集线器
环形网
总线网
共享信道
共享信道
静态划分
复用技术
代价高，不适合局域网
动态媒体接入（多点接入）
随机接入
用户随机发送信息，多个用户在同一时刻发送消息则会产生碰撞
受控接入
用户发送信息受控制
网络适配器
数据串行传输和并行传输的转换
缓存数据
分配有一个MAC地址
CSMA/CD协议
在总线上（同一时间只允许一台计算机发送数据）使用的协议，意为载波监听多点接入/碰撞检测
以太网
不对帧编号，也不要求对方发回确认，是不可靠的交付
采用曼彻斯特编码
帧最小间隔
使接收端接收到的数据缓存来得及清理，准备接收下一帧
要点
载波监听
计算机不断检测信道是否空闲
多点接入
多个计算机接入到单总线
碰撞检测
边发送边监听，当发送过程中检测到其他站在发送数据时，表明发生碰撞
半双工
不能同时发送和接收
碰撞
原因
单程端到端传播时延τ（1km电缆为5μs）
最迟发现碰撞的时间（争用期）
2τ
碰撞处理
截断二进制指数退避算法
基本退避时间：2τ，标准规定为512比特时间（发送512比特所需的时间）
原理
重传推后时间为0到2^k-1之间的随机值r再乘上争用期2τ
k=min（重传次数，10）
特殊情况
某站发送帧极短，在检测到发生碰撞前已发送完毕
解决方法
设置最小帧长度
最小帧长度=2τ * 数据传输速率，标准规定为64B
强化碰撞
在检测到发送数据产生碰撞时，继续发送人为干扰信号使得所有用户得知碰撞
使用集线器的星形拓扑
逻辑上仍是总线网，使用CSMA/CD
以太网的信道利用率
提高利用率的方法
减小单程端到端实验与帧发送时间之比
定义单程端到端时延τ与帧发送时间T0之比α，即α=τ/T0
极限利用率
Smax=T0/(T0 + τ)=1/(1+α)
参数α远小于1才能得到高极限利用率；反之则极限利用率远小于1
以太网的MAC层
MAC地址
硬件地址、物理地址，固化在适配器的ROM中
MAC帧类型
单播（1对1）
接收的MAC地址与本站相同
广布（1对全体）
全1地址
多播（1对n）
发送给局域网中的一部分站点的帧
MAC帧格式
目的地址和源地址（各占6字节）
类型，如表示IP数据报（占2字节）
数据（占46—1500字节）
FCS（占4字节）
7字节同步数据和1字节定界符（添加在MAC帧前），同步码使目标适配器和比特流同步
高速以太网
100BASE-T以太网
以全双工或半双工（需CSMA/CD）工作
吉比特以太网
以全双工或半双工（需CSMA/CD）工作
10吉比特以太网和更快的以太网
以全双工工作
高速的以太网使得数据发送时间T0大大减少
使用以太网进行宽带接入
PPPoE
将PPP帧封装到以太网传输
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