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数据链路层
这是一个关于数据链路层的思维导图，主要内容有数据链路层的功能、组帧、差错控制、流量控制与可靠传输机制、介质访问控制。
编辑于2022-08-07 07:36:14 天津市- 数据链路层
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数据链路层
数据链路层的功能
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，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
为网络层提供服务
不确认的无连接服务
有确认的无连接服务
有确认的面向连接服务
链路管理
数据链路层的建立，维持和释放，主要用于面向连接的服务
帧定界，帧同步与透明传输
两台主机之间传输信息时，必须将网络层的分组封装成帧，以帧的格式进行传送，将一段数据的前后分别添加首部和尾部，构成了帧
帧长等于数据部分的长度加上首部和尾部的长度
流量控制
差错控制
由于信道噪声等各种原因，帧在传输过程中可能会出现错误，用以使发送方确定接收方是否正确收到由其发送的数据的方法称为差错控制
组帧
数据链路层之所以要把比特组合成帧为单位传输，是为了在出错时指重发出错的帧，而不必重发全部数据，从而提高效率
字符计数法
帧头部使用一个计数字段来标明帧内字符数
这种方法最大的问题是弱国计数字段出错，即失去了帧边界划分的依据，那么接收方就无法判断所传输帧的结束位和下一帧的开始位，收发双方将失去同步，从而造成灾难性后果
字符填充的首尾定界符法
用特定字符来定界一帧的开始与结束
SOH表示首部开始，EOT表示帧的结束，如果控制字符出现在数据中，需要在其前面加一个转义字符ESC
零比特填充的首尾标志法
允许数据帧包含任意个数的比特，也允许每个字符的编码包含任意个数的比特
使用01111110标志一帧的开始和结束
为了不使信息位中出现的比特流01111110被误判位帧的首尾标志，发送方的数据链路层在信息位中遇到5个连续的1时，将自动在其后插入一个0，而接收方做逆操作
违规编码法
在物理层进行比特编码时，通常采用违规编码法，采用编码方法没有采用的电平，IEEE 802就是这个方法
不需采用任何填充技术，便能实现数据传输的透明性，但它只适用于采用冗余编码的特殊编码环境
差错控制
实际通信链路都不是理想的，比特在传输过程中可能会产生差错，1可能会变成0，0也可能变成1，这就是比特差错
差错控制由两类，自动重传请求ARQ和前向纠错FEC
检错编码
采用冗余编码技术，核心思想是在有效数据被发送前，先按某种关系附加一定的冗余位，构成一个符合某一规则的码字后再发送
奇偶校验码
由n-1位信息元和1位校验元组成
只能检测奇数位的出错情况
循环冗余码
加0
模2除
纠错编码
海明码的每个二进制位分配到几个奇偶校验组中，某一位出错后，就会引起有关的几个校验位的值发生变化，不但可以发现错位，而且能指出错位的位置，为自动纠错提供依据
确定海明码的位数
n为有效信息的位数，k为校验位的位数，满足n+k小于等于2的k次方-1
确定校验码的分布
校验位Pi为2的i-1次方位
分组以形成校验关系
校验位取值
校验位Pi的值位第i组（由该校验位校验的数据位）所有位求异或
海明码的校验原理
每个校验组分别利用校验位和参与形成该校验位的信息位进行奇偶校验检查，构成k个校验方程，值为000则无错，001表示第一位出错，将该为取反则达成纠错的目的
流量控制与可靠传输机制
流量控制，可靠传输与滑动窗口机制
流量控制的基本方法是由接收方控制发送方发送数据的速率，常见的方法有两种：停止等待协议和滑动窗口协议
停止等待流量控制基本原理
发送方每发送一帧，都要等待接收方的应答信号，之后才能发送下一帧，传输效率很低
滑动窗口流量控制基本原理
发送窗口
在任意时刻，发送方都维持一组连续的允许发送的帧的序号
接收窗口
同时接收方也能维持一组连续的允许接收帧的序号
滑动窗口的重要特性
只有接收窗口向前滑动时，发送窗口才有可能向前滑动
从滑动窗口的概念看
停止等待协议
发送窗口大小=1，接收窗口大小=1
后退N帧协议
发送窗口大小>1，接收窗口大小=1
选择重传协议
发送窗口大小>1，接收窗口大小>1
可靠传输机制
数据链路层的可靠传输通常使用确认和超时重传两种机制来完成
确认是一种无数据的控制帧，有些情况下为了提高传输效率，将确认捎带在一个回复帧中，称为捎带确认
超时重传时指发送方在发送某个数据帧后就开启一个计时器，在一定时间内如果没有得到发送的数据帧的确认帧，那么就重新发送该数据帧直到发送成功为止
自动重传请求通过接收方请求发送方重传出错的数据帧来恢复出错的帧，传统自动重传请求分为三种，停止等待协议ARQ，后退N帧ARQ和选择性重传ARQ，后两种协议是滑动窗口与请求重发技术的结合
单帧滑动窗口与停止等待协议
源站发送单个帧后必须等待确认，在目的站的回答到达源站之前，源站不能发送其他的数据帧
除数据帧丢失外，还可能出现两种差错
到达目的站的帧可能已遭破坏，接收站利用前面讨论过的差错检测技术检出后，简单地将该帧丢弃
数据帧正确而确认帧被破坏，此时接收方已收到正确的数据帧被破坏，此时接收方已收到正确的数据帧，但发送方收不到确认帧，因此发送方会重传已被接收的数据帧，接收方收到同样的数据帧时会丢弃该帧，并重传一个该帧对应的确认帧
多帧滑动窗口与后退N帧协议（GBN）
发送方无须在收到上一个帧的ACK后才能开始发送下一帧，而是可以连续发送帧
接收方只按顺序接收帧
后退N帧协议的接收窗口位1，可以保证按序接收数据帧，若采用n比特对帧编号，则其发送窗口的尺寸应满足1小于等于WT小于等于2的n次方-1
若发送窗口的尺寸大于2的n次方-1，则会造成接收方无法分辨新帧和旧帧
后退N帧协议一方面因连续发送数据帧而提高了信道的利用率，另一方面在重传时又必须把原来已传送正确的数据帧进行重传，若信道传输质量很差导致误码率较大，后退N帧协议不一定优于停止-等待协议
多帧滑动窗口与选择重传协议（SR）
设法只重传出现差错的数据帧或计时器超时的数据帧，等到所缺序号的数据帧收到后再一并送交主机
发送窗口（WT）=接收窗口（WR）=2的n-1次方
介质访问控制
介质访问控制所要完成的主要任务是，为使用介质的每个结点隔离来自同一信道上其他结点所传送的信号，以协调活动结点的传输，用来决定广播信道中信道分配的协议属于数据链路层的一个子层，称为介质访问控制子层
信道划分介质访问控制
将使用介质的每个设备与来自同一通信信道上的其他设备的通信隔离开来，把时域和频域资源合理地分配给网络上的设备
频分多路复用（FDM）
一种将多路基带信号调制到不同频率载波上，再叠加形成一个复合信号的多路复用技术
优点
充分利用了传输介质的带宽，系统效率较高，由于技术比较成熟，实现比较容易
时分多路复用（TDM）
将一条物理信道按时间分成若干时间片，轮流地分配给多个信号使用
统计时分多路复用（STDM)
是TDM的一种改进，采用STDM帧，不固定分配时隙，而需动态地分配时隙，当终端有数据要传送时，才会分配到时间片，因此可以提高线路的利用率
波分多路复用（WDM）
波分多路复用即光的频分多路复用，在一根光纤中传输多种不同波长的光信号，由于波长不同，各路光信号互不干扰
码分多路复用（CDM）
采用不同的编码来区分各路原始信号的一种复用方式
更常用的名词时码分多址（CDMA）
原理时每个比特时间再划分成m个短的时间槽，称为码片
A站向C站发出的信号用一个向量来表示，B站向C站发出的信号用另一个向量来表示，两个向量要求相互正交
码分多路复用技术具有频谱利用率搞，抗干扰能力强，保密性强，语音质量好等优点，还可以减少投资和降低运行成本，主要用于无线通信系统，特别是移动通信系统
随机访问介质访问控制
在随机访问协议中，不采用集中控制方式解决发送信息的次序问题，所有用户能根据自己的意愿随机发送信息，占用信道全部速率
在总线型网络中，当有两个或多个用户同时发送信息时，就会产生帧的冲突，导致所有冲突用户的发送均以失败告终，为了解决随机接入发生的碰撞，每个用户需要按照一定规则反复地重传它的帧，这种规则就是随机访问介质访问控制协议
ALOHA协议
纯ALOHA协议
当网络中的任何一个站点需要发送数据时，可以不进行任何检测就发送数据，如果在一段时间内未收到确认，那么该站点就认为传输过程中发生了冲突
吞吐量很低，为了克服这一缺点，人们在原始的纯ALOHA协议的基础上进行改进，产生了时隙ALOHA协议
时隙ALOHA协议
把所有各站在时间上同步起来，并将时间划分为一段段等长的时隙，规定只能在每个时隙开始时才能发送一个帧，从而避免了用户发送数据的随意性，减少了数据产生冲突的可能性，提高了信道的利用率
CSMA协议
CSMA协议是在ALOHA协议基础上提出的一种改进协议，与ALOHA协议的主要区别是多了一个载波侦听装置
1-坚持CSMA
一个结点要发送数据时，首先侦听信道，如果信道空闲，那么立即发送数据，如果信道忙，那么等待，同时继续侦听直至信道空闲
非坚持CSMA
一个结点要发送数据时，首先侦听信道，如果信道空闲，那么立即发送数据，如果信道忙，那么放弃侦听，等待一个随机的时间后在重复上述过程
p-坚持CSMA
用于时分信道，基本思想是，一个结点要发送数据时。首先侦听信道，如果信道忙，就继续侦听，直至信道空闲，如果信道空闲，那么以概率p发送数据，以概论1-p推迟到下一个时隙
CSMA/CD协议
载波侦听多路访问/碰撞检测协议时CSMA的改进方案，适用于总线形网络或半双工网络环境，碰撞检测就是便发送边侦听，即适配器边发送数据边检测信道上信号电压的变化情况，以判断自己在发送数据时其他站点是否也在发送数据
工作流程
先听后发，边听变发，冲突停发，随机重发
最小帧长=总线传播时延*数据传输速率*2
CSMA/CD用二进制指数退避算法来解决碰撞问题
确定基本退避时间，一般取两倍的总线端到端传播时延
定义参数k，等于重传次数，不超过10，超过10时就一直等于10
从离散的整数集合【0，1，...，2的k次方-1】取一个数r，重传所需退避时间就是r倍的基本退避时间
当重传达到16次仍然不能成功，则认为此帧无法正确发出，抛弃并向高层报告出错
CSMA/CA协议
CSMA/CD协议已成功应用于有线连接的局域网，但在无线局域网环境下，却不能简单地搬用CSMA/CD协议，特别是碰撞检测部分
接收信号的强度往往会远小于发送信号的强度，且在无线介质上信号强度的动态变化范围很大，因此若要实现碰撞检测，则硬件上的花费就会很大
在无线通信中，并非所有的站点都能够听见对方，即存在隐蔽站问题
对CSMA/CD协议修改，将碰撞检测改为碰撞避免
站A和B都在AP的覆盖范围内，但A和B相距较远，听不到对方，可能产生碰撞，为避免，802.11允许发送站对信道进行预约，源站要发送数据帧之前先广播一个很短的请求发送RTS控制帧，能被其范围内包括AP内所有站点听到，若信道空闲，则AP广播一个CTS控制帧
CTS帧目的
给源站明确的发送许可
指示其他站点在预约期内不要发送
轮询访问：令牌传递协议
在轮询访问中，用户不能随机地发送信息，而要通过一个集中控制的监控站，以循环方式轮询每个结点，再决定信道的分配
再令牌传递协议中，一个令牌沿着环形总线在各结点计算机间依次传递，令牌是一个特殊的MAC控制帧
轮询介质访问控制非常适合负载很高的广播信道
局域网
局域网的基本概念和体系结构
一个较小的地理范围内，将各种计算机，外部设备和数据库系统等通过双绞线，同轴电缆等连接介质互相连接起来，组成资源和信息共享的计算机互联网络
特性三大要素
拓扑结构
星形结构
环形结构
总线形结构
星型和总线型结合的复合型结构
传输介质
CSMA/CD
令牌总线和令牌环
介质访问控制方式
三种特殊的局域网拓扑
以太网
逻辑拓扑是总线形，物理拓扑是星形或拓展星形
令牌环
逻辑拓扑是环形结构，物理拓扑是星形结构
FDDI
逻辑拓扑是环形结构，物理拓扑是霜环结构
以太网与IEEE 802.3
两种方式简化通信
采用无连接的工作方式，不对发送的数据帧编号，也不要求接收方发送确认，提供不可靠服务，对于差错的纠正则由高层完成
发送的数据都使用曼彻斯特编码的信号，每个码元的中间出现一次电压转换，接收端利用这种电压转换方便地把位同步信号提取出来
以太网的传输介质与网卡
传输介质
粗缆
细缆
双绞线
光纤
以太网的MAC帧
每块网卡中的MAC地址也称物理地址，MAC地址长6字节，一般由连字符分隔的12各十六进制数来表示
前导码
地址
类型
数据
填充
校验码
高速以太网
速率达到或者超过100Mb/s的以太网
100BASE-T以太网
在双绞线上传送100Mb/s基带信号的星形拓扑结构以太网
既支持双全工也支持半双全工
吉比特以太网
又称千兆以太网，允许在1Gb/s速率下用全双工和半双工两种方式工作
10吉比特以太网
不再使用铜线而只是用光纤作为传输媒体，只工作在全双工方式
IEEE 802.11无线局域网
无线局域网的组成
有固定基础设施无线局域网
无固定基础设施移动自组织网络
802.11局域网的MAC帧
类型
数据帧
控制帧
管理帧
部分
MAC首部
30字节
帧主体
不超过2312字节
帧检验序列FCS
4字节
VLAN基本概念与基本原理
通过虚拟局域网可以把较大的局域网分割成一些较小的与地理位置无关的逻辑上的VLAN，而每个VLAN是一个较小的广播域
广域网
广域网的基本概念
指覆盖范围很广的长距离网络，因特网的核心部分，其任务是长距离运送主机所发送的数据
由结点交换机及连接这些交换机的链路组成
结点交换机功能
将分组存储并转发
PPP协议
使用串行线路通信的面向字节的协议，该协议应用在直接连接两个结点的链路上
设计目的主要是用来通过拨号或专线方式加你了点对点连接发送数据，使其成为各种主机，网桥和路由器之间简单连接的一种共同的解决方案
三个组成部分
链路控制协议LCP
一种扩展链路控制协议，用于建立，配置测试和管理数据链路
网络控制协议NCP
PPP协议允许同时采用多种网络层协议，每个不同的网络层协议要用一个相应的NCP来配置，为网络层协议建立和配置逻辑连接
一个将IP数据报封装到串行链路的方法
IP数据报在PPP帧中就是其信息部分，这个信息部分的长度受最大传送单元MTU的限制
数据链路层设备
局域网交换机
交换机的原理和特点
局域网交换机又称以太网交换机，是一个多端口的网桥，工作在数据链路层
能经济地将网络分成小的冲突域，为每个工作站提供更高的带宽
原理是检测以太端口来的数据帧的源和目的地的MAC地址，然后与系统内部的动态查找表进行比较，若数据帧的源MAC地址不在表中，则将该地址加入查找表，并将数据帧发送给相应的目的端口
特点
以太网交换机每个端口都直接与单台主机相连，一般都工作在全双工
以太网交换机能同时连通多对端口，使每对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样，无碰撞地传输数据
以太网交换机是一种即插即用设备，其内部的帧的转发表是通过自学习算法自动逐渐建立起来的
以太网交换机由于使用专用的交换结构芯片，交换速率较高
以太网交换机独占传输媒体的带宽
交换模式
直通式交换
只检查帧的目的地址，使得帧在接收后几乎能马上传出去
存储转发式交换机
先将接收到的帧缓存到高速缓存器中，并检查数据是否正确，确认无误后通过查找表转换成输出端口将该帧发送出去
交换机的自学习功能
决定一个帧应该转发到某个接口还是应该将其丢弃称为过滤
决定一个帧应该被移动到哪各接口称为转发
过滤和转发借助交换表，其包括
一个MAC地址
连通该MAC地址的交换机接口
数据链路层
数据链路层的功能
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，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
为网络层提供服务
不确认的无连接服务
有确认的无连接服务
有确认的面向连接服务
链路管理
数据链路层的建立，维持和释放，主要用于面向连接的服务
帧定界，帧同步与透明传输
两台主机之间传输信息时，必须将网络层的分组封装成帧，以帧的格式进行传送，将一段数据的前后分别添加首部和尾部，构成了帧
帧长等于数据部分的长度加上首部和尾部的长度
流量控制
差错控制
由于信道噪声等各种原因，帧在传输过程中可能会出现错误，用以使发送方确定接收方是否正确收到由其发送的数据的方法称为差错控制
组帧
数据链路层之所以要把比特组合成帧为单位传输，是为了在出错时指重发出错的帧，而不必重发全部数据，从而提高效率
字符计数法
帧头部使用一个计数字段来标明帧内字符数
这种方法最大的问题是弱国计数字段出错，即失去了帧边界划分的依据，那么接收方就无法判断所传输帧的结束位和下一帧的开始位，收发双方将失去同步，从而造成灾难性后果
字符填充的首尾定界符法
用特定字符来定界一帧的开始与结束
SOH表示首部开始，EOT表示帧的结束，如果控制字符出现在数据中，需要在其前面加一个转义字符ESC
零比特填充的首尾标志法
允许数据帧包含任意个数的比特，也允许每个字符的编码包含任意个数的比特
使用01111110标志一帧的开始和结束
为了不使信息位中出现的比特流01111110被误判位帧的首尾标志，发送方的数据链路层在信息位中遇到5个连续的1时，将自动在其后插入一个0，而接收方做逆操作
违规编码法
在物理层进行比特编码时，通常采用违规编码法，采用编码方法没有采用的电平，IEEE 802就是这个方法
不需采用任何填充技术，便能实现数据传输的透明性，但它只适用于采用冗余编码的特殊编码环境
差错控制
实际通信链路都不是理想的，比特在传输过程中可能会产生差错，1可能会变成0，0也可能变成1，这就是比特差错
差错控制由两类，自动重传请求ARQ和前向纠错FEC
检错编码
采用冗余编码技术，核心思想是在有效数据被发送前，先按某种关系附加一定的冗余位，构成一个符合某一规则的码字后再发送
奇偶校验码
由n-1位信息元和1位校验元组成
只能检测奇数位的出错情况
循环冗余码
加0
模2除
纠错编码
海明码的每个二进制位分配到几个奇偶校验组中，某一位出错后，就会引起有关的几个校验位的值发生变化，不但可以发现错位，而且能指出错位的位置，为自动纠错提供依据
确定海明码的位数
n为有效信息的位数，k为校验位的位数，满足n+k小于等于2的k次方-1
确定校验码的分布
校验位Pi为2的i-1次方位
分组以形成校验关系
校验位取值
校验位Pi的值位第i组（由该校验位校验的数据位）所有位求异或
海明码的校验原理
每个校验组分别利用校验位和参与形成该校验位的信息位进行奇偶校验检查，构成k个校验方程，值为000则无错，001表示第一位出错，将该为取反则达成纠错的目的
流量控制与可靠传输机制
流量控制，可靠传输与滑动窗口机制
流量控制的基本方法是由接收方控制发送方发送数据的速率，常见的方法有两种：停止等待协议和滑动窗口协议
停止等待流量控制基本原理
发送方每发送一帧，都要等待接收方的应答信号，之后才能发送下一帧，传输效率很低
滑动窗口流量控制基本原理
发送窗口
在任意时刻，发送方都维持一组连续的允许发送的帧的序号
接收窗口
同时接收方也能维持一组连续的允许接收帧的序号
滑动窗口的重要特性
只有接收窗口向前滑动时，发送窗口才有可能向前滑动
从滑动窗口的概念看
停止等待协议
发送窗口大小=1，接收窗口大小=1
后退N帧协议
发送窗口大小>1，接收窗口大小=1
选择重传协议
发送窗口大小>1，接收窗口大小>1
可靠传输机制
数据链路层的可靠传输通常使用确认和超时重传两种机制来完成
确认是一种无数据的控制帧，有些情况下为了提高传输效率，将确认捎带在一个回复帧中，称为捎带确认
超时重传时指发送方在发送某个数据帧后就开启一个计时器，在一定时间内如果没有得到发送的数据帧的确认帧，那么就重新发送该数据帧直到发送成功为止
自动重传请求通过接收方请求发送方重传出错的数据帧来恢复出错的帧，传统自动重传请求分为三种，停止等待协议ARQ，后退N帧ARQ和选择性重传ARQ，后两种协议是滑动窗口与请求重发技术的结合
单帧滑动窗口与停止等待协议
源站发送单个帧后必须等待确认，在目的站的回答到达源站之前，源站不能发送其他的数据帧
除数据帧丢失外，还可能出现两种差错
到达目的站的帧可能已遭破坏，接收站利用前面讨论过的差错检测技术检出后，简单地将该帧丢弃
数据帧正确而确认帧被破坏，此时接收方已收到正确的数据帧被破坏，此时接收方已收到正确的数据帧，但发送方收不到确认帧，因此发送方会重传已被接收的数据帧，接收方收到同样的数据帧时会丢弃该帧，并重传一个该帧对应的确认帧
多帧滑动窗口与后退N帧协议（GBN）
发送方无须在收到上一个帧的ACK后才能开始发送下一帧，而是可以连续发送帧
接收方只按顺序接收帧
后退N帧协议的接收窗口位1，可以保证按序接收数据帧，若采用n比特对帧编号，则其发送窗口的尺寸应满足1小于等于WT小于等于2的n次方-1
若发送窗口的尺寸大于2的n次方-1，则会造成接收方无法分辨新帧和旧帧
后退N帧协议一方面因连续发送数据帧而提高了信道的利用率，另一方面在重传时又必须把原来已传送正确的数据帧进行重传，若信道传输质量很差导致误码率较大，后退N帧协议不一定优于停止-等待协议
多帧滑动窗口与选择重传协议（SR）
设法只重传出现差错的数据帧或计时器超时的数据帧，等到所缺序号的数据帧收到后再一并送交主机
发送窗口（WT）=接收窗口（WR）=2的n-1次方
介质访问控制
介质访问控制所要完成的主要任务是，为使用介质的每个结点隔离来自同一信道上其他结点所传送的信号，以协调活动结点的传输，用来决定广播信道中信道分配的协议属于数据链路层的一个子层，称为介质访问控制子层
信道划分介质访问控制
将使用介质的每个设备与来自同一通信信道上的其他设备的通信隔离开来，把时域和频域资源合理地分配给网络上的设备
频分多路复用（FDM）
一种将多路基带信号调制到不同频率载波上，再叠加形成一个复合信号的多路复用技术
优点
充分利用了传输介质的带宽，系统效率较高，由于技术比较成熟，实现比较容易
时分多路复用（TDM）
将一条物理信道按时间分成若干时间片，轮流地分配给多个信号使用
统计时分多路复用（STDM)
是TDM的一种改进，采用STDM帧，不固定分配时隙，而需动态地分配时隙，当终端有数据要传送时，才会分配到时间片，因此可以提高线路的利用率
波分多路复用（WDM）
波分多路复用即光的频分多路复用，在一根光纤中传输多种不同波长的光信号，由于波长不同，各路光信号互不干扰
码分多路复用（CDM）
采用不同的编码来区分各路原始信号的一种复用方式
更常用的名词时码分多址（CDMA）
原理时每个比特时间再划分成m个短的时间槽，称为码片
A站向C站发出的信号用一个向量来表示，B站向C站发出的信号用另一个向量来表示，两个向量要求相互正交
码分多路复用技术具有频谱利用率搞，抗干扰能力强，保密性强，语音质量好等优点，还可以减少投资和降低运行成本，主要用于无线通信系统，特别是移动通信系统
随机访问介质访问控制
在随机访问协议中，不采用集中控制方式解决发送信息的次序问题，所有用户能根据自己的意愿随机发送信息，占用信道全部速率
在总线型网络中，当有两个或多个用户同时发送信息时，就会产生帧的冲突，导致所有冲突用户的发送均以失败告终，为了解决随机接入发生的碰撞，每个用户需要按照一定规则反复地重传它的帧，这种规则就是随机访问介质访问控制协议
ALOHA协议
纯ALOHA协议
当网络中的任何一个站点需要发送数据时，可以不进行任何检测就发送数据，如果在一段时间内未收到确认，那么该站点就认为传输过程中发生了冲突
吞吐量很低，为了克服这一缺点，人们在原始的纯ALOHA协议的基础上进行改进，产生了时隙ALOHA协议
时隙ALOHA协议
把所有各站在时间上同步起来，并将时间划分为一段段等长的时隙，规定只能在每个时隙开始时才能发送一个帧，从而避免了用户发送数据的随意性，减少了数据产生冲突的可能性，提高了信道的利用率
CSMA协议
CSMA协议是在ALOHA协议基础上提出的一种改进协议，与ALOHA协议的主要区别是多了一个载波侦听装置
1-坚持CSMA
一个结点要发送数据时，首先侦听信道，如果信道空闲，那么立即发送数据，如果信道忙，那么等待，同时继续侦听直至信道空闲
非坚持CSMA
一个结点要发送数据时，首先侦听信道，如果信道空闲，那么立即发送数据，如果信道忙，那么放弃侦听，等待一个随机的时间后在重复上述过程
p-坚持CSMA
用于时分信道，基本思想是，一个结点要发送数据时。首先侦听信道，如果信道忙，就继续侦听，直至信道空闲，如果信道空闲，那么以概率p发送数据，以概论1-p推迟到下一个时隙
CSMA/CD协议
载波侦听多路访问/碰撞检测协议时CSMA的改进方案，适用于总线形网络或半双工网络环境，碰撞检测就是便发送边侦听，即适配器边发送数据边检测信道上信号电压的变化情况，以判断自己在发送数据时其他站点是否也在发送数据
工作流程
先听后发，边听变发，冲突停发，随机重发
最小帧长=总线传播时延*数据传输速率*2
CSMA/CD用二进制指数退避算法来解决碰撞问题
确定基本退避时间，一般取两倍的总线端到端传播时延
定义参数k，等于重传次数，不超过10，超过10时就一直等于10
从离散的整数集合【0，1，...，2的k次方-1】取一个数r，重传所需退避时间就是r倍的基本退避时间
当重传达到16次仍然不能成功，则认为此帧无法正确发出，抛弃并向高层报告出错
CSMA/CA协议
CSMA/CD协议已成功应用于有线连接的局域网，但在无线局域网环境下，却不能简单地搬用CSMA/CD协议，特别是碰撞检测部分
接收信号的强度往往会远小于发送信号的强度，且在无线介质上信号强度的动态变化范围很大，因此若要实现碰撞检测，则硬件上的花费就会很大
在无线通信中，并非所有的站点都能够听见对方，即存在隐蔽站问题
对CSMA/CD协议修改，将碰撞检测改为碰撞避免
站A和B都在AP的覆盖范围内，但A和B相距较远，听不到对方，可能产生碰撞，为避免，802.11允许发送站对信道进行预约，源站要发送数据帧之前先广播一个很短的请求发送RTS控制帧，能被其范围内包括AP内所有站点听到，若信道空闲，则AP广播一个CTS控制帧
CTS帧目的
给源站明确的发送许可
指示其他站点在预约期内不要发送
轮询访问：令牌传递协议
在轮询访问中，用户不能随机地发送信息，而要通过一个集中控制的监控站，以循环方式轮询每个结点，再决定信道的分配
再令牌传递协议中，一个令牌沿着环形总线在各结点计算机间依次传递，令牌是一个特殊的MAC控制帧
轮询介质访问控制非常适合负载很高的广播信道
局域网
局域网的基本概念和体系结构
一个较小的地理范围内，将各种计算机，外部设备和数据库系统等通过双绞线，同轴电缆等连接介质互相连接起来，组成资源和信息共享的计算机互联网络
特性三大要素
拓扑结构
星形结构
环形结构
总线形结构
星型和总线型结合的复合型结构
传输介质
CSMA/CD
令牌总线和令牌环
介质访问控制方式
三种特殊的局域网拓扑
以太网
逻辑拓扑是总线形，物理拓扑是星形或拓展星形
令牌环
逻辑拓扑是环形结构，物理拓扑是星形结构
FDDI
逻辑拓扑是环形结构，物理拓扑是霜环结构
以太网与IEEE 802.3
两种方式简化通信
采用无连接的工作方式，不对发送的数据帧编号，也不要求接收方发送确认，提供不可靠服务，对于差错的纠正则由高层完成
发送的数据都使用曼彻斯特编码的信号，每个码元的中间出现一次电压转换，接收端利用这种电压转换方便地把位同步信号提取出来
以太网的传输介质与网卡
传输介质
粗缆
细缆
双绞线
光纤
以太网的MAC帧
每块网卡中的MAC地址也称物理地址，MAC地址长6字节，一般由连字符分隔的12各十六进制数来表示
前导码
地址
类型
数据
填充
校验码
高速以太网
速率达到或者超过100Mb/s的以太网
100BASE-T以太网
在双绞线上传送100Mb/s基带信号的星形拓扑结构以太网
既支持双全工也支持半双全工
吉比特以太网
又称千兆以太网，允许在1Gb/s速率下用全双工和半双工两种方式工作
10吉比特以太网
不再使用铜线而只是用光纤作为传输媒体，只工作在全双工方式
IEEE 802.11无线局域网
无线局域网的组成
有固定基础设施无线局域网
无固定基础设施移动自组织网络
802.11局域网的MAC帧
类型
数据帧
控制帧
管理帧
部分
MAC首部
30字节
帧主体
不超过2312字节
帧检验序列FCS
4字节
VLAN基本概念与基本原理
通过虚拟局域网可以把较大的局域网分割成一些较小的与地理位置无关的逻辑上的VLAN，而每个VLAN是一个较小的广播域
广域网
广域网的基本概念
指覆盖范围很广的长距离网络，因特网的核心部分，其任务是长距离运送主机所发送的数据
由结点交换机及连接这些交换机的链路组成
结点交换机功能
将分组存储并转发
PPP协议
使用串行线路通信的面向字节的协议，该协议应用在直接连接两个结点的链路上
设计目的主要是用来通过拨号或专线方式加你了点对点连接发送数据，使其成为各种主机，网桥和路由器之间简单连接的一种共同的解决方案
三个组成部分
链路控制协议LCP
一种扩展链路控制协议，用于建立，配置测试和管理数据链路
网络控制协议NCP
PPP协议允许同时采用多种网络层协议，每个不同的网络层协议要用一个相应的NCP来配置，为网络层协议建立和配置逻辑连接
一个将IP数据报封装到串行链路的方法
IP数据报在PPP帧中就是其信息部分，这个信息部分的长度受最大传送单元MTU的限制
数据链路层设备
局域网交换机
交换机的原理和特点
局域网交换机又称以太网交换机，是一个多端口的网桥，工作在数据链路层
能经济地将网络分成小的冲突域，为每个工作站提供更高的带宽
原理是检测以太端口来的数据帧的源和目的地的MAC地址，然后与系统内部的动态查找表进行比较，若数据帧的源MAC地址不在表中，则将该地址加入查找表，并将数据帧发送给相应的目的端口
特点
以太网交换机每个端口都直接与单台主机相连，一般都工作在全双工
以太网交换机能同时连通多对端口，使每对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样，无碰撞地传输数据
以太网交换机是一种即插即用设备，其内部的帧的转发表是通过自学习算法自动逐渐建立起来的
以太网交换机由于使用专用的交换结构芯片，交换速率较高
以太网交换机独占传输媒体的带宽
交换模式
直通式交换
只检查帧的目的地址，使得帧在接收后几乎能马上传出去
存储转发式交换机
先将接收到的帧缓存到高速缓存器中，并检查数据是否正确，确认无误后通过查找表转换成输出端口将该帧发送出去
交换机的自学习功能
决定一个帧应该转发到某个接口还是应该将其丢弃称为过滤
决定一个帧应该被移动到哪各接口称为转发
过滤和转发借助交换表，其包括
一个MAC地址
连通该MAC地址的交换机接口