2.数据链路层

计算机网络思维导图数据链路层，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、介质访问控制、局域网、广域网、数据链路层设备。

数据链路层（帧）

数据链路层的功能

主要作用：加强物理原始比特流的功能，把物理层可能出错的物理连接改造为逻辑上的无差错的数据链路

为网络层提供服务

作用：将源机器中来自网络层的数据传送到目标机器的网络层

1.无确认的无连接服务

适用于实时通信或误码率比较低的通信信道 如：以太网

2.有确认的无连接服务

适用于误码率较高的通信信道 如：无线通信

3.有确认的有连接服务

适用于通信要求（可靠性、实时性）较高的场合

有连接就一定要有确认

链路管理

连接建立、维持、释放（用于面向连接）以及如何在分配的站点分配和管理信道

帧定界、帧同步、透明传输

流量控制

实际上是控制发送方的流量，使发送方的速率不超过接收方

对数据链路层来说是控制两相邻结点之间数据链路上的流量，对于运输层来说控制的是从源端到发送端的流量

在OSI体系结构中，数据链路层具有流量控制，而在TCP/IP体系结构中流量控制移到了传输层

差错控制

位错

某些位发生错误，通常用CRC发现错误，通过自动重传请求ARQ重传

帧错

帧的丢失、重复、失序等错误，在数据链路层引入定时器和编号机制解决

组帧

目的：把比特组成帧为单位传送，目的是为了出错时只重发出错的帧。组帧即要加首部也要加尾部。而分组（IP数据报）仅是包含在帧中的数据部分，所以不用加尾部来定界

1.字符计数法

用一个计数字段来表明帧内字符数

2.字符填充的首尾定界符法

解决数据中跟首尾标识符相同的数据被正确的识别为数据

用转义字符（ESC）表示紧跟其后的是数据而不是首尾定界符

3.零比特填充的首位标志法

出现5个1后面加一个零

4.违规编码法

如曼切斯特码每个时钟周期的前后两部分信号不同，可以把全高和全低作为首尾定界

差错控制

检错编码

奇偶校验

循环冗余校验（CRC）

CRC本身具有纠错能力，但在这里只作为检验错误

纠错编码

海明校验码

检错d位需要码距位d+1 纠错d位需要码距为2d+1

流量控制与 可靠传输

停止等待协议

数据帧丢失或帧出错：发送方超时重传

信道利用率公式熟记 （L/C）/(2R+L/C)

ACK确认帧丢失：发送方超时重传，接收方丢弃重复的帧重发确认帧

ACK确认帧迟到：发送方接收直接丢弃，因为发送方连续接收两个相同序号的帧说明接收方收到了重复的帧

为了超时重传，发送发和接收方都应该设置一个帧缓冲区

后退N帧协议GBN

采用累计确认方式

发送方响应的三件事

上层网络发送数据时，发哦是那个发先检查发送窗口是否已满，未满则产生一个帧将其发送，已满则发送方将数据返回上一层，上层一会再发（现实中发送方可以暂存，一会发）

收到了一个ACK 后退N帧使用累计确认方式，收到一个确认帧则表明前面所有序号都已经接收

超时事件，如果超时，发送方重传所有已发送但未确认的帧

接收方响应的事

如果正确按序接收一个帧，则返回一个此帧号的ACK，并将该帧交付上层

其余情况都丢弃帧并为最近接收的一个帧重发ACK接收方无需缓存任何失序帧

窗口大小为２的ｎ次方－１，若为２的ｎ次方时，当接收方的所有确认帧丢失，发送方超时重传原来的的帧，而接收方已经到了下一组上面去

选择重传协议SR

　发送方响应的三件事

上层调用

收到一个ACK，把该帧标记为已接收，若该帧是窗口的下界，则窗口右移到最小序号未确认处，移动后有未发送的帧则发送

超时事件，每个帧都有自己的计时器，哪个帧超时重发哪个

接收方响应的事

窗口内的帧都接收，失序的先缓存直到最小序号的帧被接受则一起交给上层，窗口向后移动，移动未接收的第一个帧处

如果收到了窗口序号外（小于下界）则返回一个ACK，这是可能确认帧丢失接收方没收到然后接收方超时重传的

窗口大小

发送窗口＋接收窗口＜＝2的ｎ次方；发送窗口小于接收窗口；发送窗口小于2的ｎ－1次方

介质访问控制

信道划分 介质访问控制

频分多路复用FDM

将信号调制成不同的频率在一个链路上传送

时分多路复用TDM

将一个物理信道分成若干时间片轮流给信号使用

统计时分多路复用STDMA，使用一个集中器，收集多个设备的信号存放在一个STDMA帧中，满了就发

波分多路复用WDM

光的频分多路复用，利用光的波长不同（频率不同）在光纤上传输不同的光，光信号互不干扰

码分多路复用CDM

码分多址是码分复用的一种方式CDMA

一个比特分为多个码片，每个站点被指定一个唯一的m位码片序列

静态分配信道

随机访问 介质访问控制

特点：所有用户随机发送，发送时占用全部带宽

ALOHA协议

纯ALOHA协议

不监听信道，不按时间槽发送，随机重发

若发生冲突接收方不给确认，发送方等一个随机时间重发

时隙ALOHA协议

把时间分成时间片，所有用户在时间片开始同步接入网络信道

若发生冲突，等到下一个时间片开始时再发送

比纯ALOHA信道吞吐量增加一倍

CSMA协议

1-坚持CSMA

监听信道

空闲直接传输，忙则一直等，直到空闲马上传输

若冲突，等待随机一个时间再监听，重复以上过程

非坚持CSMA

监听信道

空闲直接传输，忙则之后一个随机时间再监听

p-坚持CSMA

监听空闲时的处理

空闲则以p概率发送，1-p的概率下个时间隙传输

忙则持续监听直到信道空闲在以p的概率发送 这里的持续：是指推迟到下一个时间隙再监听

若冲突，则等下一个时间隙再监听

CSMA/CD协议

CD：碰撞检测。 在发送前和发送过程中都要进行监听

采用二进制指数退避算法来解决碰撞问题。k=（发送次数，10） 在【0，1，，2的k次方-1】随机取个r，2kr。若超过16次，则丢弃，并向上层报告

最小帧长=2*总线传播时延*数据传输速率。 以太网帧长最小64B

应用于总线有线网络

CSMA/CA协议

CA：碰撞避免

RTS，CTS，ACK帧

应用于无线局域网络

相同点：先监听在发送 不同点：传输介质，载波检测方式，检测和避免冲突

轮询访问 介质访问控制

轮询检测

主节点轮流邀请从属结点发送数据

令牌传递

令牌是特殊的MAC帧，不含任何信息，确保同一时刻之一一个节点独占信道

物理上是星星拓扑结构，逻辑上是环形拓扑结构

适合负载高和大数据的传输

不共享时间，也不共享空间

动态分配信道

局域网

简称LAN( Local Arear Network)是指在某一区域内有多台计算机互联成的计算机组，使用广播信道

三个要素决定

拓扑结构

星型，环形，总线型，星型和总线型结合

传输介质

双绞线，同轴电缆，光纤

介质访问控制

CSMA/CD（适用总线型）；令牌总线（适用总线型）；令牌环（适用环形局域网）

分类

以太网

应用最广泛，包括以太网（10Ｍｂｐｓ）快速以太网（100Ｍｂｐｓ）千兆以太网（1000Ｍｂｐｓ）他们都符合IEEE802.3标准，逻辑拓扑是总线型，物理拓扑是星型，适用CSMA/CD　

考点

10BASE—T以太网

传送基带信号，使用无屏蔽双绞线，传输速率10Mb/s

逻辑上总线型，物理拓扑星型，每段双绞线最长100M

采用曼切斯特编码，采用CSMA/CD介质访问控制

100BASE—T以太网

双绞线，100Mb/s，基带信号支持全双工和半双工，每段最大100m

吉比特以太网（1Gb/s）

光纤或双绞线，支持半双工和全双工

10吉比特以太网（10Gb/s）

光纤上传送，只工作在全双工通信下，使用CSMA／CA

令牌环网

逻辑拓扑环形，物理拓扑星型。IEEE802.5标准

FDDI网

逻辑拓扑环形，物理拓扑双环型。IEEE802.8标准

ATM网

新型交换技术，使用53字节长度的单元进行交换

无线局域网

采用IEEE802.11标准

以太网的MAC帧

目的地址6B，源地址6B，类型2B，数据46B－1500B，FCS 4B

以太网最小帧长64B，MAC不需要结束符，因为用曼切斯特编码，各帧之间留有一定的间隙

IEEE802.11无线局域网

针头格式见教材

分类

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

IEEE802.3标准定义的局域网参考模型只应用于OSI参考模型的物理层和数据链路层，并将数据链路层拆分成两个子层：逻辑链路控制层（LLC）和媒体接入控制层（MAC）；其中LLC向网络提供无确认无连接，面向连接，带确认无连接，高速传送的服务、MAC提供组帧，拆帧，比特传输，差错检测，透明传输；

广域网

概念

广域网的通信主要使用分组交换技术，将不同地区的局域网或计算机系统连接起来，达到资源共享的目的 如：因特网　　　局域网在OSI参考模型的下两层，广域网在下三层

PPP协议

PPP协议满足的要求

无纠错，无序号，无流量控制

透明传输：与帧定界符一样比特组合的数据处理方法：异步线路用字节填充，同步线路用比特填充

面向字节协议

只支持全双工链路

是点对点，不是总线型，所以无需采用CSMA/CD协议也没有短帧，信息段为0-1500

两端可以运行不同的网络层协议

三个组成部分

链路控制协议LCP：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响应的NCP来配置，为网络层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

数据链路层设备

网桥（大纲已删除）

将多个以太网连接为更大的以太网，原来的每个以太网成为网段

网桥工作在链路层的MAC子层，使以太网各个网段隔离成小的碰撞域（冲突域）

网桥具有路径选择功能

网络1和2连接后，网桥接收网络1发来的数据帧，若判断数据帧目的地址在1网络，则丢弃，因为在同网段可以直接收到，若在网络2的地址就转发给网络2

局域网交换机

实质上是多端口的网桥，工作在数据链路层，可以把网络分成若干个冲突域

特点

以太网交换机每个端口都与单台主机相连，并且一般都工作在全双工方式下

是即插即用，内部帧转发表是自学习建立的

同时连同多对端口，使每对相互通信的主机都能像独占媒体那样无碰撞的传输数据

使用专用的交换结构芯片，交换速率高

以太网交换机独占传输媒体带宽

两种交换模式

直通式交换机

只检查帧的目的地址，不检查错误，不支持不同速率端口交换

存储转发式交换机

先把接收到的数据存到高速缓存器中，并检查数据正确性，错误则丢失。支持不同速率的端口交换信息

关于交换表

若A向B发送数据，先检查交换表有没有B的MAC地址，没有则通过A所对应的接口发出去，发送到除A的所有端口，只有含B的那个接口接收此信息，其它接口全丢弃，此时交换表加入一个表项（A，A对应的接口）.....细节看书吧