1.数据链路层

1.数据链路层的基本概述

2.数据链路层的功能概述

3.封装成帧

4.差错控制

1.检错编码

2.纠错编码

5.流量控制

1.停止-等待协议

2.选择重传协议(SR)

3.后退N帧协议(GBN)

6.介质访问控制

1.静态划分信道(信道划分介质访问控制)

2.动态分配信道

7.局域网

8.链路层设备

1.数据链路层

1.数据链路层的基本概述

组成部分由四部分组成：

名称	含义
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。

2.数据链路层的功能概述

基本概述：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

五大功能：

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

3.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: 帧定界(确定的界限)

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：

方法	实现
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
字符填充法	适用：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ASCII码)不管从键盘上输入什么字符都可以放在帧里传过去，即透明传输当传送的帧是由非ASCI码的文本文件组成时(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
零比特填充法	操作：1.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 2.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O删除
违规编码法	与曼彻斯特编码相反，用“高-高”，“低-低”来定界帧的起始和终止

透明传输：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，使接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

4.差错控制

传输中的差错都是由于噪声引起的。

全局性：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

局部性：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

差错分为位错和帧错：

位错：比特位出错，1变成0，0变成1。

帧错：丢失、重复、失序

1.检错编码

主要有奇偶校验码和CRC循环冗余码

编码与编码的区别：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。接收端根据收到码字是否仍符合原规则，从而判断是否出错

奇偶校验码：

特点只能检查出奇数个比特错误，检错能力为50%。

奇校验码	“1”的个数为奇数
偶校验码	“1”的个数为偶数

CRC循环冗余码

计算冗余码

1.加0，假设生成多项式G(x)的阶为r，则加r个0

2.摸2除法

接收端检错过程：

1.余数为0，判定这个帧没有差错，接受

2.余数为不为0，判定这个有差错(无法确定到位)，丢弃

使用CRC循环冗余码接收到的数据：凡是接收端数据链路层接收的帧均无差错

2.纠错编码

海明码：发现双比特错，纠正单比特错

工作流程分四部：

确定校验码位数r -> 确定校验码和数据的位置 -> 求出校验码的值 -> 检错并纠错

需要使用到海明不等式：2^r>=k+r+1

r为冗余信息位即为纠错码数量，k为信息位

例子：要发送的数据 D=101101

第一步：根据海明不等式可以确定r=4；

第二步：设4个纠错码从左到右分别为 p1，p2，p3，p4，纠错码只填在2的几次方的位置

设信息位从左到右分别位D1D2,D3,D4,D5,D6，先把纠错码填好，再把信息位按从左到右顺序填入

第三步：如下图，p1异或(同0异1)上二进制位最右边的位都为1的信息位，并且使之等于0

例：p1异或D1异或D2异或D4异或D5=0 求出 p1=0，其它的校验码也是这一求

最终求出的校验码：0001

第四步：检错和纠错，让所有要校验的位异或运算，假设D2出错，本来为0接收到的是1，验证

例：p1异或D1异或D2异或D4异或D5 即 0异或1异或1异或1异或0=1，把所有的位异或出结果，然后把结果取反换成十进制，对应的位就是出错的，取反即可

在这里异或出来的结果是 1010 取反 0101 = 5 对应数据位5出错，取反即可

5.流量控制

定义：较高的发送速度和较低的接收能力的不匹配，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

对比：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：包括后退N帧协议 (GBN) 和选择重传协议 (SR)

1.停止-等待协议

使用目的：为了解决可靠传输的问题和解决流量控制问题

数据传输出现差错的两种情况：

1.发送方数据帧丢失或接收方检测到帧出错

2.接收方返回帧确认时丢帧

解决方法都使用超时计时器解决。

性能：信道利用率低

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

公式：(L/C)/T

L：T内发送L比特数据

C：发送方数据传输率

T：发送周期，从开始发送数据，到收到第一个确认帧为止

信道吞吐率=信道利用率*发送方的发送速率

2.选择重传协议(SR)

SR发送方需要响应的事：

上层调用：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。如果该帧序号是窗口的下界(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：每个都有自己的定时器，一个超时事件发生后只重传一个帧

SR接收方要做的事：

SR接收方将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 (即序号更小的帧)皆被收到为止，这时才可以将一批顿按序交付给上层，然后向前移动滑动窗口。

总结：

对数据恢逐一确认，收一个确认一个
只重传出错帧
接收方有缓存
发送窗口=接收窗口=2^n-1

3.后退N帧协议(GBN)

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）

总结：

累积确认(偶尔挡带确认)
接收方只按顺序接收恢，不按序无情丢弃
确认序列号最大的、按序到达的帧
发送窗口最大为2^n-1，接收窗口大小为 1

6.介质访问控制

定义：采取一定的措施，使得两对节点之间的通信不会发生互相干扰的情况

数据传输使用的两种链路：点对点链路和广播式链路

点对点链路：两个相邻节点通过一个链路相连，没有第三者

广播式链路：所有主机共享通信介质

介质访问控制分两种：静态划分信道和动态划分信道

1.静态划分信道(信道划分介质访问控制)

定义：将使用介质的每个设备与来自同一信道上的其他设备的通信隔离开，把时域和频域资源合理地分配给网络上的设备

多路复用技术：把多个信号组合在一条物理信道上进行传输，使得多个计算机或终端设备共享信道资源，提高信道利用率

四种分类：

频分多路复用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。
时分多路复用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
统计时分复用STDM	每一个STDM帧中的时隙数小于连接在集中器上的用户数。各用户有了数据就随时发往集中器的输入缓存，然后集中器按顺序依次扫描输入缓存，把缓存中的输入数据放入STDM帧中，一个STDM帧满了就发出。STDM帧不是固定分配时隙，而是按需动动态分配时隙。
波分多路复用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。
码分多路复用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)

码分多路复用CDM：

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

2.动态分配信道

第一种：轮询访问MAC协议/轮流协议/轮转访问MAC协议

第一类：轮询协议

定义：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

第二类：令牌传递协议

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（令牌环网无碰撞）

限制：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

第二种：随机访问介质访问控制

定义：所有用户可随机发送信息发送信息时占全部带宽

有四个协议解决发送冲突的问题：

ALOHA协议（不听就说）
CSMA协议（先听再说）
CSMA/CD协议（先听再说，边听边说）
CSMA/CA协议

1.ALOHA协议解释：

分为纯ALOHA协议和时隙ALOHA协议

纯ALOHA协议思想:不监听信道，不按时间槽发送，随机重发。想发就发

检查冲突：如果发生冲突，接收方在就会检测出差错然后不予确认，发送方在一定时间内收不到就判断发生冲突。

解决冲突：超时后等一随机时间再重传

时隙ALOHA协议的思想: 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。控制想发就发的随意性

对比：

1.纯ALOHA比时隙ALOHA吞吐量更低，效率更低

2.纯ALOHA想发就发，时隙ALOHA只有在时间片段开始时才能发

2.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。

协议思想:发送帧之前，监听信道

三种分类：1-坚持CSMA、非坚持CSMA和P-坚持CSMA

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(坚持指的是对于监听信道忙之后的坚持)

优点:只要媒体空闲，站点就马上发送，避免了媒体利用率的损失。

缺点:假如有两个或两个以上的站点有数据要发送，冲突就不可避免

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(非坚持指的是对于监听信道忙之后就不继续监听)

优点:采用随机的重发延迟时间可以减少冲突发生的可能性。

缺点:可能存在大家都在延迟等待过程中，使得媒体仍可能处于空闲状态，媒体使用率降低

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，忙则等待一个随机的时间之后再进行监听(p-坚持指的是对于监听信道空闲的处理)

优点:既能像非坚持算法那样减少冲突，又能像1-坚持算法那样减少媒体空闲时间的这种方案。

缺点：发生冲突后还是要坚持把数据帧发送完，造成了浪费

三类对比：

	1-坚持CSMA	非坚持CSMA	p-坚持CSMA
信道空闲	马上发	马上发	p概率马上发 1-p概率等到下一个时隙再发送
信道忙	继续坚持监听	放弃监听，等一个随机时间再监听	放弃监听，，等一个随机时间再监听

3.CSMA/CD协议(载波监听多点接入/碰撞测CSMA/CD)

CS：载波侦听/监听，每一个站在发送数据之前以及发送数据时都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。总线型网络

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

数据碰撞后的重传时机：

1.确定基本退避(推迟)时间为争用期2T(T表示中线端到端的传播时延)

2.定义参数k，它等于重传次数，但k不超过10，即k=min[重传次数，101。当重传次数不超过10时，k等于重传次数;当重传次数大于10时，k就不再增大而一直等于10

3.从离散的整数集合[0,1,,2^k-1]中随机取出一个数r，重传所需要退避的时间就是r倍的基本退避时间，即2r T

4.当重传达16次仍不能成功时，说明网络太拥挤，认为此帧永远无法正确发出，抛弃此帧并向高层报告出错

最小帧长=总线传播时延x 数据传输速率x2

4.CSMA/CA协议(载波监听多点接入/碰撞避免CSMA/CA)

工作原理：

发送数据前，先检测信道是否空闲
空闲则发出RTS (request to send)，RTS包括发射端的地址、接收端的地址、下一份数据将持续发送的时间等信息:信道忙则等待
接收端收到RTS后，将响应CTS (clear to send)
发送端收到CTS后，开始发送数据帧(同时预约信道: 发送方告知其他站点自己要传多久数据)
接收端收到数据帧后，将用CRC来检验数据是否正确，正确则响应ACK帧
发送方收到ACK就可以进行下一个数据帧的发送，若没有则一直重传至规定重发次数为止(采用二进制指数退避算法来确定随机的推迟时间)

CSMA/CD与CSMA/CA对比：

相同点：CSMA/CD与CSMA/CA机制都从属于CSMA的思路，其核心是先听再说。换言之，两个在接入信道之前都须要进行监听。当发现信道空闲后，才能进行接入

不同点：

1.传输介质不同: CSMA/CD 用于总线式以太网[有线]，而CSMA/CA用于无线局域网[无线]

2.载波检测方式不同: 因传输介质不同，CSMA/CD与CSMA/CA的检测方式也不同。CSMA/CD通过电缆中电压的变化来检测，当数据发生碰撞时，电缆中的电压就会随着发生变化;而CSMA/CA采用能量检测(ED)、载波检测 (CS)和能量载波混合检测三种检测信道空闲的方式

3.CSMA/CD检测冲突，CSMA/CA避免冲突，二者出现冲突后都会进行有上限的重传

三种访问控制的总结：

信道划分介质访问控制：

基于多路复用技术划分资源
网络负载重:共享信道效率高，且公平
网络负载轻:共享信道效率低

随机访问MAC协议：

用户根据意愿随机发送信息，发送信息时可独占信道带宽
网络负载重:产生冲突开销
网络负载轻:共享信道效率高，单个结点可利用信道全部带宽

轮询访问MAC协议/轮流协议/轮转访问MAC协议:

既要不产生冲突，又要发送时占全部带宽

7.局域网

定义：简称LAN，是指在某一区域内由多台计算机互联成的计算机组，使用广播信道

决定局域网的主要要素为: 网络拓扑，传输介质与介质访问控制方法

局域网介质访问控制方法：

CSMA/CD：常用于总线型局域网，也用于树型网络
令牌总线：常用于总线型局域网，也用于树型网络
令牌环：用于环形局域网，如令牌环网

局域网分类：

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.
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
FDDI网 (Fiber Distributed Data Interface )	物理上采用了双环拓扑结构，逻辑上是环形拓扑结构
ATM网(Asynchronous Transfer Mode)	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
无线局域网 (Wireless Local Area Network; WLAN)	采用IEEE 802.11标准

IEEE802标准系列：

IEEE 802.3: 以太网介质访问控制协议 (CSMA/CD) 及物理层技术规范
IEEE 802.5:令牌环网 (Token-Ring)的介质访问控制协议及物理层技术规范
IEEE 802.8 :光纤技术咨询组，提供有关光纤联网的技术咨询
IEEE 802.11:无线局域网 (WLAN) 的介质访问制协议及物层技术规范

IEEE 802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子层：LLC负责识别网络层协议，然后对它们进行封装

MAC子层：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

以太网：提供无连接、不可靠的服务

以太网拓扑: 逻辑上总线型，物理上星型

高速以太网：

100BASE-T以太网：在双绞线上传送100Mb/s基带信号的星型拓扑以太网，仍使用IEEE802.3的CSMA/CD协议。支持全双工和半双工，可在全双工方式下工作而无冲突

吉比特以太网：在光纤或双绞线上传送1Gb/s信号，支持全双工和半双工，可在全双工方式下工作而无冲突

10吉比特：10吉比特以太网在光纤上传送10Gb/s信号，只支持全双工，无争用问题。

无线局域网802.11的MAC帧头格式

广域网

定义：通常跨接很大的物理范围，所覆盖的范围从几十公里到几千公里，它能连接多个城市或国家，或横跨几个洲并能提供远距离通信，形成国际性的远程网络。

广域网的通信子网主要使用分组交换技术。广域网的通信子网可以利用公用分组交换网、卫星通信网和无线分组交换网，它将分布在不同地区的局域网或计算机系统互连起来，达到资源共享的目的。如因特网(Internet)是世界范围内最大的广域网

包含两个协议：PPP协议和HDLC协议

PPP协议：点对点协议PPP (Point-to-Point Protocol) 是目前使用最广泛的数据链路层协议，用户使用拨号电话接入因特网时一般都使用PPP协议， 只支持全双工链路

满足的要求：

简单	对于链路层的帧，无需纠错，无需序号，无需流量控制
封装成帧	帧定界符
透明传输	与恢定界符一样比特组合的数据应该如何处理:异步线路用字节填充，同步线路用比特填充多种网络层协议封装的IP数据报可以采用多种协议。
多种类型链路	串行/并行，同步/异步，电/光....
差错检测	错就丢弃
检测连接状态	链路是否正常工作
最大传送单元	数据部分最大长度MTU
网络层地址协商	知道通信双方的网络层地址
数据压缩协商	……