数据链路层

数据链路层知识总结，包括成帧技术、差错控制、检错码、滑动窗口、回退N帧与选择重传、MAC层/CSMA协议等等。

数据链路层

• 数据链路层概说
  • 在物理层之上，网络层之下
  • 功能
    • 向网络层提供良好，可靠的服务和友好的服务接口
    • 成帧技术，把物理层提交的比特流封装为帧
    • 差错控制
    • 流量控制
• 成帧技术
  • 字节计数法
    • 每一帧的首字节作为计数，表示从自己开始连续的多少个自己属于同一个帧。
    • 缺点：计数字节如果传输错误，导致无法修正，影响后续操作。
    • 优点：简单，容易实现。
  • 含字节填充的首尾定界符法
    • 每一帧的开头和结尾都是特殊的字节,如果净荷中含有和帧的开始标志和结尾标志相同的内容，插入转义符号，插入的是一个或者多个字节。
    • 缺点：只能处理整字节的帧；冗余比较大
  • 含比特（位）填充的首尾定界符法
    • 每一帧的开头和结尾都是特殊的比特系列
  • 物理层违法编码法
    • 用物理层错误的编码来进行帧头和帧尾的标记
• 差错控制
  • 海明编码
    • 数据位（数据的净荷）m + 校验位 r = 码字 n 两个码字的海明距离，是指两个码字不同位的数目，一套编码体系的海明距离：任意两个码字海明距离的最小值； 作用：检查d位错误，海明距离至少要d+1，要纠正d位的错误，需要2d+1的海明距离； 检错码之奇偶校验，海明距离是2，可检查1位错误，或者可检查奇数位错误； 纠错码：要纠正d位错误，需要海明距离为2d+1，海明距离越大，一方面纠错检错的能力越强。
  • 检测错误 检错（基于重传），纠错（自动更正）
• 检错码
  • 奇偶校验
    • 只能检错一位
    • 偶校验 ：补个1作为校验位 奇校验 ：补个0作为校验位
    • 接收方把所有的加起来，看是否正确
    • 突发错误的解决方法：作成K列块，共n/k行，每列校验，就可以校验突发错误，能校验小于等于K的错误。
  • CRC校验
  • 纠错与检错的比较
    • 纠错码：1000bit 作为一组，（ 1+m+r <=2 r , 每组需要 10bit 1000*10=10000bit 适合网络环境差的情况。
    • 检错码：1000bit 作为一组，奇偶校验，每组只需要 1bit 1000*1=1000bit ，重传 1001 一共 2001bit ，适合网络环境比较好的情况。
• 滑动窗口
  • 协议1：完美环境，不会有错； 发送方：从网络层获取数据，封装，发送。 接收方：接收数据，解封装，提交网络层。
  • 协议2：半完美环境，只是发送发发送的帧会出错； 发送方：发送，等待，发送，等待 接收方：接收，验证，回应，等待
  • 协议3：发送会出错，接收方的响应也会出错，给帧编号
    • 发送方：要引入超时，发送，将数据帧保存到缓存，计时器启动，等待，如果超时，重发，如果收到确认，清空缓存，向前滑动一个
    • 接收方：接收，验证，如果是自己期待的，回应本帧确认，滑动一个，等待，如果收到编号与自己期待的不相符，丢弃，并发送上一个正确帧的确认，以申明期待的帧
  • 重发的帧不是重新生成的，而是放在缓存中暂存的，当该帧被确认以后，才清空缓存。
• 回退N帧与选择重传
  • go—back—n 回退N帧
    • 环境好就选它
  • 选择性ARQ（SR）
• MAC层
  • 媒体接入控制，解决物理信道争用问题
  • 在共享信道上，可能有多个站点要使用信道，但共享信道上永远只允许一个站点使用，多站点同时使用就发生了冲突，MAC解决这个问题
    • 静态分配
    • 动态分配
      • 随机访问
      • 受控访问协议
• CSMA协议
  • 载波监听多路访问协议
  • CSMA/CD 碰撞退避时隙
    • 基本退避时隙，2*传播时延
    • 二元指数回退
    • Smax=t0/(t0+tr)=1/(1+tr/t0）
  • 无冲突协议
    • 位图协议
    • 二进制倒计数协议
• 以太网概述
  • 以太网之父：Robert Metcalfe
  • 交换式以太：10M，100M，1G
  • CSMA/CD协议，要求在一帧发完之前要能够检测到冲突，所以有个最小帧长度，快速以太保留了原来的帧格式，意味着最小帧长度被保留了下来
• 以太网帧格式
  • MAC地址一共用48位二进制，全球唯一，不存在MAC地址完全相同的两块网卡。
  • 7B+1B前导+开始：作用，同步，不计算在帧长之内
  • 发往本地的帧
    • 单播帧（一对一）
    • 广播帧（一对全体）
    • 多播帧（一对多）
• 二层交换的基本原理
  • 连接更多的LAN，数据链路层（二层）交换设备网桥，交换机，工作在二层因此三层协议（网络层协议）对它来说是不可知，或者无差别的。
  • 中继器、集线器一层设备，信号再生和放大功能，不能连接异质网络，扩大冲突域，不进行差错控制。
• 网桥与交换机
  • 网桥
    • 网桥工作混杂模式下，将接受每一个帧； 帧到达后，重要依据就是地址表，查询地址表
      • 根据帧的目的地址进行过滤、转发、泛洪、学习、过期处理
  • 以太网交换机
    • 多端口的网桥
    • 全双工方式
      • 独占传输媒体，无碰撞地传输数据
    • 比网桥要快，支持网桥不能做到的一些新功能
• 虚拟局域网
  • 让每一个小部门各自拥有自己的较小的局域网，使得局域网的广播域范围缩小，提高安全性。
  • 并非新型局域网，而是一种服务