数据链路层

这是一篇关于数据链路层的思维导图，主要内容包括：背景，数据链路层的功能。数据链路层定义了在单个链路上如何传输数据，这些协议与被讨论的各种介质有关。

数据链路层

• 背景
  • 主要任务
    • 解决一个局域网内的数据传输问题
  • 数据链路层协议
    • 在OSI体系结构中，数据链路层采用的是面向连接的HDLC协议，为网络层提供了可靠的服务，从网络层的视角看数据链路是不会出差错的。
    • 在TCP/IP体系结构中，数据链路层使用得最多的是PPP协议（点对点信道）和CSMA/CD协议（广播信道）。这两种协议都只提供无连接的服务。从网络层的视角来看，数据链路是可能出差错的。(PPP协议基于SLIP协议发展而来)
    • 无论采用什么样的数据链路层协议，有三个基本问题是共同的，分别是封装成帧、透明传输和差错检测。
  • 基本概念
    • 链路
      • 从一个节点到相邻节点的一段物理线路(有线或无线)，而中间没有任何其他的交换节点。
      • 数据通信时,两台计算机之间的通信路径往往要经过许多段这样的链路，链路是一条路径的组成部分。
    • 数据链路
      • 当需要在一条线路上传送数据时,除了必须有一条物理线路外,还必须有一些必要的通信协议来控制这些数据的传输。
      • 若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路(逻辑链路)。
      • 现在最常用的方法是使用网络适配器（既有硬件,也包括软件）来实现这些协议。
    • 适配器（网卡）
    • 两种信道
      • 点对点信道
        • 使用一对一的点对点通信方式
      • 广播信道
        • 使用一对多的广播通信方式
        • 广播信道上连接的主机很多,因此必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机的数据发送。
• 数据链路层的功能
  • 封装成帧（组帧）
    • 是什么
      • 在一段数据的前后分别添加首部和尾部,这样就构成了一个帧
      • 在发送帧时,从帧首部开始发送。
    • 最大传送单元MTU
      • 每一种链路层协议都规定了所能传送的帧的数据部分长度上限
    • 帧首部与帧尾部的作用
      • 1. 帧定界(即确定帧的界限)
        • 帧定界符
      • 2. 包括许多必要的控制信息,例如地址信息以及差错控制。
      • 3. 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（帧同步）
  • 透明传输
    • 是什么
      • 无论什么样的比特组合的数据，都能够按照原样没有差错地在数据链路层传输
      • 不会因为与帧定界符恰好相同而丢弃数据
    • 组帧方法
      • 字节填充法
        • 数据中出现与控制字符相同时，前面插入一个转义字符
      • 字符计数法
        • 在每一帧的第一个字节中记录该帧所包含的字节数(包括计数字节本身)
        • 缺点
          • 当计数字段出现错误时,会导致接收方错误划分该帧,继而导致错误读取下一帧的开始位置
      • 零比特填充法
        • 每出现5个连续的1，就自动在其后插入一个0
        • 优点
          • 容易使用硬件实现，性能通常优于字符填充法，像HDLC协议就采用了零比特填充法。
      • 违规编码法
        • 使用这两种违规编码作为帧的起始和终止
        • 特点
          • 这种方法不需要填充或计数就可以实现透明传输,但只适用于编码中存在冗余的情况。
          • 例如在曼彻斯特编码中,“高-高”电平对和“低-低”电平对不用来表示信息,是冗余的。
      • 最常用的是零比特填充法和违规编码法
    • 对比
  • 差错检测
    • 比特在传输过程中可能会产生差错
      • 位错
      • 帧错
        • 帧丢失，帧重复，帧失序
    • 通过编码技术来解决位错
      • 检错编码
        • 奇偶校验码
          • 异或结果为0，代表有偶数个1
          • 异或结果为1，代表有奇数个1
          • 特点
            • 校验位可以放在数据位之前，也可以放在数据位之后
            • 只能检测奇数个比特出错的情况，不能确定出错的具体位置和个数，也不能发现出错位数为偶数的情况。
        • 循环冗余码
          • 基本思想
            • 在一个待发送的n位的二进制数据序列之后附加一个r位的校验码再发送出去，共发送n+r位数据
          • 计算步骤
          • 特点
            • CRC循环冗余码在特定情况下也有纠错功能，但在数据链路层中只使用其检错功能
            • 在数据链路层，发送端帧检验序列FCS的生成和接收端的CRC检验都是用硬件完成的，处理很迅速，因此并不会延误数据的传输。
      • 纠错编码
        • 海明码
          • 基本思想
            • 分组偶校验
          • 计算步骤
            • 确定有k位校验码
            • 确定校验位分布
              • 1248....
            • 根据信息位求校验位
              • 分k个组，确定每组的成员
              • 组中的每一位异或，求出相应组的校验位
            • 纠错
              • 拿到需要校验的数据，分组偶校验求得S1,S2,S3 ...（每一组的成员进行异或，异或结果为0，即有偶数个1，说明无错误）
              • S3 S2 S1=000 说明无错误
              • S3 S2 S1 ≠000,则其值反映出错位置
    • 解决帧错
      • 过去OSI观点
        • 必须让数据链路层向上提供可靠传输。因此在CRC检错的基础上,增加了帧编号、确认和重传机制。
        • 接收方收到正确的帧就要向发送端发送确认。
        • 发送端在一定的期限内若没有收到对方的确认,就认为出现了差错,因而就进行重传,直到收到对方的确认为止。
      • 现在区别对待
        • 对于通信质量良好的有线传输链路
          • 数据链路层协议不使用确认和重传机制，即不要求数据链路层向上提供可靠传输的服务。
          • 如果在数据链路层传输数据时出现了差错并且需要进行改正，那么改正差错的任务就由上层协议(例如,运输层的TCP协议)来完成。
        • 对于通信质量较差的无线传输链路
          • 数据链路层协议使用确认和重传机制,数据链路层向上提供可靠传输的服务。
  • 为网络层提供服务
    • 无确认无连接的服务
      • 适用于错误率较低的信道,被大部分局域网数据链路层所采用。
    • 有确认无连接的服务
      • 适用于错误率较高的信道(如无线信道)
    • 有确认面向连接的服务
      • 适用于对通信可靠性要求较高的场景。
  • 链路管理
    • 主要用于面向连接的服务
    • 三个方面
      • 建立
      • 维持
      • 释放
  • 流量控制
    • 是什么
      • 当数据链路中发送方的发送速率大于接收方的接收速率时,接收方则无法全部接收发来的数据,从而导致数据的丢失,产生传输差错。所以需要一种方法来控制发送方的发送速率,让接收方及时接收数据,这就是流量控制。
    • 两种方法
      • 停止-等待流量控制
        • 原理
          • 1发送方每次只能发送一帧;
          • 2接收方接收到该帧后,发回一个应答信号给发送方;
          • 3发送方接收到应答信号后才可以发送下一帧;
          • 4 若发送方没有接收到接收方发回的应答信号,则需要一直等待;
        • 缺点
          • 由于这种方法每次只允许发送方发送一帧,并且需要等待接收方发回应答,所以效率相对较低。
      • 滑动窗口流量控制
        • 原理
          • 发送方将要发送的数据按帧组成一个队列,对每一帧按顺序编号,依次发送队列里的数据。
          • 数据链路中的发送方和接收方,分别维护一个发送窗口和一个接收窗口
            • • 收到左边界确认帧后，发送窗口向右移动
            • • 收到左边界帧后，发回确认帧，接收窗口随即向右移动。
              • 接收窗口中包括当前可以接收的帧,即序号在左边界和右边界之间的帧。
              • 当到达帧的序号小于左边界,代表该帧已被接收并确认,不需重复接收,直接丢弃;
              • 当到达帧的序号大于右边界,代表该帧当前还不能接收,超过了接收方的处理范围,也会直接丢弃;
    • 信道利用率
      • • 一般来说RTT都是远大于T1+T2的，所以停止-等待协议的信道利用率很低。
  • 可靠传输机制
    • 是什么
      • 发送方发送的数据都能被接收方正确接收
    • 两个重要机制
      • 确认
        • 每当接收方收到发送方发来的数据帧，都需要向发送方发回一个确认帧
      • 超时重传
        • 当发送方发送某一帧后，在规定的时间内没有收到接收方发回的确认帧，就会认为接收方没有收到，发送方需重发该帧。
        • 超时重传通过给每一帧设置一个超时计时器实现
    • 自动重传请求(ARQ)协议
      • 是什么
        • 使用上述两个机制的可靠传输协议
        • 重传是自动进行的，接收方不需要请求发送方重传出错的分组。
      • 注意
        • 1.发送方发出一帧后,必须暂时保存该帧副本,仅在收到相应的确认后才能将其清除。
        • 2.数据帧和确认帧都必须进行编号,便于分辨确认帧是针对哪一帧进行的确认,以及哪些帧还未确认
        • 3.超时计时器设置的重传时间应当比一帧的往返传播时间要长一些
          • 如果重传时间设置得太短,将产生不必要的重传,浪费链路资源;
          • 而如果重传时间设置的太长,那么通信的效率将会降低。
      • 方法
        • 停止-等待协议
          • 发送窗口和滑动窗口大小均为1
          • 应用情况
            • 数据帧丢失 或 接收方检测到帧出错
              • 接收方没有收到正确的数据帧，不发送确认帧
              • 发送方未收到确认帧，在等待超时后将重新发送数据帧。
            • 确认帧丢失
              • 发送方未收到确认帧，在等待超时后将重新发送数据帧。
              • 接收方收到该数据帧后，再次发回确认帧
            • 确认帧迟到
              • 发送方未收到确认帧，在等待超时后将重新发送数据帧。
              • 接收方收到该数据帧后，再次发回确认帧
              • 发送方丢弃迟到的确认帧
        • 后退N帧协议（GBN）
          • 发送窗口最大为2^n - 1，接收窗口大小为1
          • 累计确认
        • 选择重传协议
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