计算机网络（2）-----数据链路层

一.数据链路层的基本概念

二.数据链路层的功能概述

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。

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

透明传输:

1.字符计数法

2.字符(节)填充法

3.零比特填充法

4.违规编码法

功能四:差错控制(帧错/位错)

差错从何而来?

差错种类有哪些?

接收方如何检测发送方发来的帧是否错误,甚至纠正这一错误呢?

检错编码:

纠错编码:

功能五:流量控制。

一.数据链路层的基本概念

•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。

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。

二.数据链路层的功能概述

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。

数据链路的功能如下:

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。

无确认无连接服务:通常用于实时通信或者是误码率比较低的通信信道,也就是源主机在发送数据时,不需要事先与目的主机建立好链路连接(逻辑上的连接),而且目的主机收到数据也不需要返回确认,如果帧丢失了,数据链路层不负责重发,而是直接交给上一层处理(网络层)

有确认无连接服务:与无确认无连接的服务相同,事先不需要建立连接,但是目的主机在收到数据后需要发回确认,若源主机在规定时间(超时计时器计算是否超时)内没有收到确认帧,那么就把没有收到确认的帧重新发送一次(超时重传),若收到确认帧,则可以继续发送下一个数据帧。这样可以提高数据链路的可靠性。这种服务比较适合于误码率比较高的通信信道,例如无线通信

有确认面向连接服务:针对这种服务,需要事先建立好连接,同时接收端接收到数据后,需要返回确认帧,发送端收到确认帧,才可以继续发送下一个数据帧。

注:

1.无连接不等同于无线,无连接是指在数据传输过程中不需要事先建立连接或确认，而是直接将数据发送到目的主机，如果出现数据丢失，则由上一层协议负责处理。这种方式可以用于有线或无线通信。

无线通信是指通过无线信号（比如Wi-Fi、蓝牙等）在设备之间进行数据传输，不需要物理电缆连接。无线通信可以采用有连接或无连接的方式进行数据传输。

2.有连接的服务,一定是有确认的,所以不存在没有确认还面向连接的服务

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

封装成帧就是将网络层传输过来的IP数据报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。

首部和尾部含有许多的控制信息，包括差错控制,流量控制等相关信息,其中的帧定界符号:就是用来确定帧的界限的

如下图所示,帧的发送就是从帧首部开始到帧尾部结束发送

而接收方应当能从接收到的二进制比特流中区分出的起始和终止,也就是帧同步

帧的数据部分能取的最大值称为最大传送单元MTU,不同的协议MTU长度不同

透明传输:

发送端在组帧的过程中需要保证透明传输,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。

可以采用以下四种方法实现透明传输:

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。

采用这种方法,若某个计数字节发生错误,例如第一个帧的计数字段由"5"变为"4",那么第一个帧的结束位就会发生错误,并且接下来的所有帧的起始位和结束位都会发生错位,导致接收端接收的每一个帧都是错误的,所以这种方式风险太大,一般不使用

2.字符(节)填充法

SOH表示帧的开始字节,EOT表示帧的结束字节,如下图所示,开始字节为00000001,尾部字节为00000100(这里只是举例,每个协议的开始,结束字节不同)

当接收端收到00000001组合时表示这一帧开始了,收到00000100组合时表示这一帧结束了,但是这种简单的情况只出现在传输的帧是文本文件的时候:

当传送的帧是由文本文件组成时(文本文件的字符都是从键盘上输入的，都是ASClI码,ASCll码与开始或结束的8位bit是不会重复的)不管从键盘上输入什么字符都可以放在帧里传过去，即透明传输。

若传送的帧是由非ASCIl码的文本文件组成(二进制代码的程序或图像等),就要采用字符填充方法实现透明传输。

加入数据部分出现了与EOT一样的bit组合,这时接收端会误以为找到了帧的边界,从而把后面的数据部分丢弃,错误地接收帧,这就需要采用字符填充法

字符填充法的具体实现过程如下:
发送端发送信息时,会在控制信息(EOT,SOH)的字节前加入转义字节(ESC),填入这个字节就是在告诉接收端不需要理会后面的字节是什么,继续接收即可

接收端在接收时,如果遇到转义字符,就会将其去掉,这样才能得到原始数据

3.零比特填充法

对于零比特填充法而言,其帧首部和帧尾部标志是一样的

若在发送数据时也出现了和标志符一样的bit组合,就需要采用零比特填充法

零比特填充法的具体实现过程如下:

•在发送端，扫描整个信息字段，只要连续5个1，就立即填入1个0。

•在接收端收到一个帧时，先找到标志字段确定边界，再用硬件对比特流进行扫描。发现连续5个1时，就把后面的0删除,进而还原回原始数据

这种方法很好的保证了透明传输:在传送的比特流中可以传送任意比特组合，而不会引起对帧边界的判断错误

4.违规编码法

这种方法其实是在物理层bit编码时实现透明传输的:

对于曼彻斯特编码而言,前高后低(前低后高)标为1,前低后高(前高后低)标为0,不会出现高-高,低-低这种违规的编码,所以可以用“高-高”，“低-低”(不会用到的编码方式)来定界帧的起始和终止。

这种方法比较常用,因为实现的方法比较简单,局域网的IEEE802标准就采用了这种方法

总结:

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。

功能四:差错控制(帧错/位错)

差错从何而来?

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。

差错种类有哪些?

位错:比特位出错,1变成0,0变成1

帧错:假设发送的帧为 [#1]-[#2]-[#3]

① 丢失:收到[#1]-[#3]

② 重复:收到[#1]-[#]2-[#2]-[#3]

③ 失序:收到[#1]-[#3]-[#2]

所以,对通信质量好且有线的传输链路,采用无确认无连接服务,对通信质量差的无线传输链路,采用有确认无连接服务和有确认面向连接服务,即:

发送方发现有以上帧错误,则不会返回确认帧,接收端在一段时间没有收到确认帧,就会重新发送没有收到确认的帧(确认重传机制)

接收方如何检测发送方发来的帧是否错误,甚至纠正这一错误呢?

这就要提到数据链路层的差错控制(位错):

首先需要先学习一个概念:冗余码

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。接收端根据收到码字是否仍符合原规则，从而判断是否出错。

检错编码:

•奇偶校验码

对于奇偶校验而言,有n-1位信息元以及1位校验元(冗余码)

奇校验码:"1"的个数为奇数,偶校验码:"1"的个数为偶数,1的个数是奇数还是偶数就是发送方与接收方共识的规则,接收方收到数据后,就可以检验数据是否符合这一规则,如果符合,就接收

但是也存在一个问题,若采用偶校验码,发送方发送11101011(偶数个1),接收方接收10001011,同样是偶数个1,但是其实数据是不对的

例题:

如果一个字符S的ASCIl编码从低到高依次为1100101，采用奇校验，在下述收到的传输后字符中，哪种错误不能检测?
A.11000011 B.11001010 C.11001100 D.11010011

解读:因为采用奇校验,所以添加的校验元应该使得整个数据有奇数个"1",现在有偶数个字符(1100101),所以只需要再添加一个"1"(校验元),就是奇数个"1"了(11001011),接下来只需要查看每个选项中"1"的个数是奇数还是偶数即可

可以看到D选项,有奇数个"1"(5个"1"),但是收到的字符与原来的字符是不一样的,这种错误是检测不出来的

答案:D

奇偶校验码特点:只能检查出奇数个比特错误(自己举例子就知道,例如2个比特错误00,变成11,那么"1"的个数是偶是奇这一性质不会改变)，检错能力为50%(奇数个比特检错得出来,偶数个比特检测不出来)。

•循环冗余码CRC

循环冗余码的运算过程如下:

发送端将要传的数据/2,余下的数是冗余码,最后传送的数据是数据+冗余码

接收端接收到发来的数据后,同样/2,若发现余数是0,判定无错，则接受。

具体而言,发送方的操作:

① 准备待传有效数据

每个组都加上冗余码构成帧再发送,继续往下看

② 双方商定一个除数(生成多项式),位数为r+1(冗余位+1),题目会给:

除数:1101

对应的生成多项式: $x^{3}+x^{2}+1$ =1*x^3+1*x^2+0*x^1+1*x^0

③ FCS帧检验序列计算式:将数据后面添加r个0(阶数个0),上面的多项式就是添加3个0,接着除多项式(1101),得到r位的FCS,即3位的FCS

④ 将得到的r位FCS,补到实际要发的数的后面,就能得到真正要发的数

接收方的操作:

① 接收方检验:

将发送方发来的数据除以生成多项式,如果余数为0,则认为正确接收,如果余数不为0则丢弃

看着比较复杂,实际非常简单,计算的套路是固定的:
例:要发送的数据是1101011011，采用CRC校验，生成多项式是10011，那么最终发送的数据应该是?

10011表示成多项式为 $X^{4}+X^{1}+X^{0}$ ,阶为4,所以多项式N位,阶为N-1位

(1)加0 假设生成多项式G(x)的阶为r，则加r个0

数据后添加4个0----1101 0110 11 0000

(2)模2除法 数据加0后除以多项式，余数为冗余码/FCS/CRC检验码的比特序列。

(3)要发送的数据+余数

(4)把收到的每一个帧都除以同样的除数，然后检查得到的余数R。

11010110111110/10011

•余数为0，判定这个帧没有差错，接受。

•余数为不为0，判定这个帧有差错(无法确定到位)，丢弃。

FCS的生成以及接收端CRC检验都是由硬件实现，处理很迅速因此不会延误数据的传输。

在数据链路层仅仅使用循环冗余检验CRC差错检测技术，只能做到对帧的无差错接收，即“凡是接收端数据链路层接受的帧，我们都能以非常接近于1的概率认为这些帧在传输过程中没有产生差错”(即"凡是接收端数据链路层接收的帧均无差错")。接收端丢弃的帧虽然曾收到了，但是最终还是因为有差错被丢弃。

而没有做到"可靠传输"(数据链路层发送端发送什么，接收端就收到什么),因为某些错误的帧会被接收端直接丢弃,而没有进一步处理。

这里注意"可靠传输"和"无差错接收"的区别:

可靠传输:数据链路层发送端发送什么，接收端就收到什么

无差错接收:接收正确的帧,丢弃有差错的帧

纠错编码:

•海明码

对于奇偶校验码而言,只能检测奇位出错,检查不出偶数位出错,并且检错后,不能纠错。但是对于海明码而言,他能够发现错误,并且能够找到错误的位置进行纠错。

海明距离:两个合法编码(码字)的对应比特取值不同的比特数称为这两个码字的海明距离(码距)，一个有效编码集中,任意两个合法编码(码字)的海明距离的最小值称为该编码集的海明距离(码距)。

码距的计算,可以直接观察对应比特取值不同的比特数,也可以采用异或算法,如000和001异或得到001,1的个数为1个,所以码距为1

如图所示,码距唯一(任意两个合法编码(码字)的海明距离的最小值)

若000出错,变为了001,不能检出错误,因为001也是这个编码集的有效编码

如下图所示,该编码系统中的码距为2,对于码距为2的有效编码集而言,若出现一位错,是可以检测出来的,例如0000变为0001,但是不能纠错(即不知道0001原来是0000),因为1001出现一位错也会变为0001

所以若要检测n位错,码距就应该为n+1

若要纠错,码距应该如何设置呢?

若码距为3,则可以检测出2位错误,并且可以检测出发生一位错的编码,例如0000,1110,若1110变为1100,那么一定是1110发生一位错导致的,不可能是0000发生一位错导致的

总结:若海明码要检测d位错,那么码距要为d+1,若要纠正d位错,码距应该为2d+1

如何纠错呢?海明码的工作流程如下:

1.确认校验码位数r

数据/信息有m位,冗余码/校验码有r位, 那么校验码一共有2^r种取值

2^r个取值一定要能够表示m+r(数据位与校验位中任意一位出错的情况)+1(没有出错的情况)

2^r $\geq$ m+r+1

例如:若要发送的数据:D=1100

数据的位数m=4,满足不等式的最小r为3,也就是D=1100的海明码应该有4+3=7位，其中原数据4位，校验码3位。

2.确定校验码和数据的位置

若D=1100,校验码放在序号为2^n的位置，数据按序填上

3.求出校验码的值

如图所示,序号为4的校验码,可以校验所有1开头的数据,同理序号位2的校验码,可以校验所有中间为1的数据

进而得到以下结果:

若采用偶校验,那么4,5,6,7就应该有偶数个"1", 5,6,7分别为0,1,1,所以4应该为0

2,3,6,7也应该有偶数个"1",而3,6,7分别为0,1,1,所以2应该为0,以此类推:

将x4,x2与x1的值分别填入:

4.检错并纠错

若接收方收到的数据为1110001,即第五位发生错误,检错类似于奇偶校验,如下图所示,4号校验码和1号校验码负责的校验不符合偶校验,则说明接收的数据有差错

那是哪一位出错了呢?

方法1:

① 有3位校验码,画3个圆,将其负责的位数分别填入圆中

② 4号校验码与1号校验码出错,他们俩的共同部分为7,5

③ 但是由于2号校验码负责的校验没有错,所以2,3,6,7没有错,排除7,则确定5号校验码出错

总结:

找到不满足奇/偶校验的分组取交集，并与符合校验的分组取差集。

方法2:

① 排列成矩阵,若要满足偶校验,则X4,X2,X1分别需要为1,0,1

② 将这三位数转置,得到101,其十进制为5,所以第5位出错了