[计算机网路]-第三章数据链路层

标签：ace   占用   准备   增加   硬件   节点   时延   地方法   eee   

数据链路层使用的信道主要有以下两种类型：

• 点对点信道，这种信道使用一对一的点对点通信方式。
• 广播信道，这种信道使用一对多的广播通信方式，因此过程比较复杂。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。

使用点对点信道的数据链路层

数据链路和帧

链路（link）：从一个结点到相邻节结点的一段物理线路（有线或者无线），中间没有任何其他的交换节点。一条链路只是一条通路的一个组成部分。

数据链路（data link）：除了物理线路外，还必须有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。

现在最常用的方法是使用适配器（即网卡）来实现这些协议的硬件和软件。
一般的适配器都包括了数据链路层和物理层这两层的功能。

数据链路层传输的是帧：

数据链路层像个数字管道：

• 常常在两个对等的数据链路层之间画出一个数字管道，而在这条数字管道上传输的数据单位是帧。

• 早期的数据通信协议曾叫作通信规程(procedure)。因此在数据链路层，规程和协议是同义语。

三个基本问题

1. 封装成帧
2. 透明传输
3. 差错控制

封装成帧

封装成帧(framing)就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部，然后就构成了一个帧。确定帧的界限。

帧的长度等于帧的数据部分长度加上帧首部和帧尾部的长度。

首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界。

用帧首部和帧尾部封装成帧

为了提高数据传输效率，应当使帧的数据部分长度尽可能地大于首部和尾部的长度。但是每一种链路层协议都规定了所能传送的帧地数据部分长度上限——最大传输单元（MTU）

用控制字符进行帧界定地方法举例

透明传输

为了解决透明传输问题，就必须设法使数据中可能出现的控制字符“SOH”和“EOT”在接收端不被解释为控制字符。具体做法是：发送端的数据链路层在数据中出现控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入一个转义字符“ESC”(其十六进制编码是 1B)，接收端的数据链路层在将数据送往网络层之前删除插入的转义字符；如果转义字符也出现数据当中，那么应在转义字符前面插入一个转义字符，当接收端收到连续的两个转义字符时，就删除其中前面的一个。这种方法称为字节填充(byte stuffing)或字符填充(character stuffing)。

差错控制

• 在传输过程中可能会产生比特差错：1 可能会变成 0 而 0 也可能变成 1。
• 在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比率称为误码率 BER (Bit Error Rate)。
• 误码率与信噪比有很大的关系。
• 为了保证数据传输的可靠性，在计算机网络传输数据时，必须采用各种差错检测措施。

循环冗余检验的原理：

• 在数据链路层传送的帧中，广泛使用了循环冗余检验 CRC 的检错技术。
• 在发送端，先把数据划分为组。假定每组 k 个比特。
• 假设待传送的一组数据 M = 101001（现在 k = 6）。我们在 M 的后面再添加供差错检测用的 n 位冗余码一起发送。

冗余码计算：

1. 用二进制的模 2 运算进行 \(2^n\) 乘 M 的运算，这相当于在 M 后面添加 n 个 0。
2. 得到的 (k + n) 位的数除以事先选定好的长度为 (n + 1) 位的除数 P，得出商是 Q 而余数是 R，余数 R 比除数 P 少1 位，即 R 是 n 位。

冗余码计算举例：

1. 现在 k = 6, M = 101001。
2. 设 n = 3, 除数 P = 1101，
3. 被除数是 \(2^nM = 101001000\)。
4. 模 2 运算的结果是：商 Q = 110101，余数 R = 001
5. 把余数 R 作为冗余码添加在数据 M 的后面发送出去。发送的数据是：\(2^nM + R\) ，即：101001001，共 (k + n) 位。

• 在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列 FCS (Frame Check Sequence)。
• CRC 是一种常用的检错方法，而 FCS 是添加在数据后面的冗余码。
• FCS 可以用 CRC 这种方法得出，但 CRC 并非用来获得 FCS 的唯一方法。

接收端对收到的每一帧进行 CRC 检验:

• 得出的余数 R = 0，则判定这个帧没有差错，就接受(accept)。
• 若余数 R ≠ 0，则判定这个帧有差错，就丢弃。

但这种检测方法并不能确定究竟是哪一个或哪几个比特出现了差错。只要经过严格的挑选，并使用位数足够多的除数 P，那么出现检测不到的差错的概率就很小很小。

注意：

• 仅用循环冗余检验 CRC 差错检测技术只能做到无差错接受。
• 无差错接受是指：凡是接受的帧（即不包括丢弃的帧），我们都能以非常接近于 1 的概率认为这些帧在传输过程中没有产生差错。
• 也就是说：凡是接收端数据链路层接受的帧都没有传输差错（有差错的帧就丢弃而不接受）。
• 要做到“可靠传输”（即发送什么就收到什么）就必须再加上确认和重传机制。

点对点协议 PPP

PPP 协议的特点

PPP协议（Point-to-Point Protocol）就是用户计算机和ISP进行通信时使用的数据链路层协议：

• 现在全世界使用得最多的数据链路层协议是点对点协议 PPP (Point-to-Point Protocol)。
• 用户使用拨号电话线接入因特网时，一般都是使用 PPP 协议。

PPP协议应满足地需求：

1. 简单——这是首要的要求
2. 封装成帧
3. 透明性
4. 多种网络层协议
5. 多种类型链路
6. 差错检测
7. 检测连接状态
8. 最大传送单元
9. 网络层地址协商
10. 数据压缩协商

PPP 协议有三个组成部分 ：

1. 一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法。
2. 链路控制协议 LCP (Link Control Protocol)。用来建立、配置和测试数据链路连接。
3. 网络控制协议 NCP (Network Control Protocol)。

PPP 协议的帧格式

1. 标志字段 F = 0x7E 。表示一个帧地开始或结束，就是PPP帧的定界符。
2. 地址字段 A 只置为 0xFF。地址字段实际上并不起作用。
3. 控制字段 C 通常置为 0x03。
4. 当协议字段为 0x0021 时，PPP 帧的信息字段就是IP 数据报。
   若为 0xC021, 则信息字段是 PPP 链路控制数据。
   若为 0x8021，则表示这是网络控制数据。
5. PPP 是面向字节的，所有的 PPP 帧的长度都是整数字节。

当 PPP 用在异步传输（逐个字符传送）时，就使用一种特殊的字符填充法，转义字符为0x7D：

• 将信息字段中出现的每一个 0x7E 字节转变成为 2 字节序列(0x7D, 0x5E)。
• 若信息字段中出现一个 0x7D 的字节, 则将其转变成为 2 字节序列(0x7D, 0x5D)。
• 若信息字段中出现 ASCII 码的控制字符（即数值小于 0x20 的字符），则在该字符前面要加入一个 0x7D 字节，同时将该字符的编码加以改变。

PPP 协议用在 SONET/SDH 链路时，是使用同步传输（一连串的比特连续传送）。这时 PPP 协议采用零比特填充方法来实现透明传输：

• 在发送端，只要发现有 5 个连续 1，则立即填入一个 0。接收端对帧中的比特流进行扫描。每当发现 5 个连续1时，就把这 5 个连续 1 后的一个 0 删除。

PPP 协议的工作状态

1. 当用户拨号接入 ISP 时，路由器的调制解调器对拨号做出确认，并建立一条物理连接。
2. PC 机向路由器发送一系列的 LCP 分组（封装成多个 PPP 帧）。
3. 这些分组及其响应选择一些 PPP 参数，和进行网络层配置，NCP 给新接入的 PC机分配一个临时的 IP 地址，使 PC 机成为因特网上的一个主机。
4. 通信完毕时，NCP 释放网络层连接，收回原来分配出去的 IP 地址。接着，LCP 释放数据链路层连接。最后释放的是物理层的连接。

使用广播信道的数据链路层

局域网的数据链路层

局域网最主要的特点是：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。

局域网具有如下的一些主要优点：

• 具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网。
• 局域网上的主机可共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源。
• 便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活调整和改变。
• 提高了系统的可靠性、可用性和残存性。

媒体共享技术：

1. 静态划分信道，如频分复用、时分复用、波分复用和码分复用。但是这种方式代价太高，不适合局域网使用。

2. 动态媒体接入控制：

   • 随机接入：特点是所有用户可随机地发送信息。如果恰巧有两个或更多的用户在同一时刻发送信息，那么在共享媒体上就要发生碰撞，是这些用户的发送都失败。因此，必须有解决碰撞的网络协议。
   • 受控接入：特点是用户不能随机地发送信息而必须服从一定的控制。这种的典型代表有分散控制的令牌环局域网和集中控制的多点线路探询或称为轮询。

   受控接入目前使用的较少。

适配器的作用：

• 网络接口板又称为通信适配器(adapter)或网络接口卡 NIC (Network Interface Card)，或“网卡”。

• 适配器的重要功能：

  • 进行串行/并行转换。
  • 对数据进行缓存。
  • 在计算机的操作系统安装设备驱动程序。
  • 实现以太网协议。

计算机通过适配器和局域网进行通信

CSMA/CD 协议

CSMA/CD 表示 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection——载波监听多点接入/碰撞检测。

• 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）。

• 载波监听是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。

• 碰撞检测就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大（互相叠加）。当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞。所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。

检测到碰撞后：

在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来。每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送。

传播时延对载波监听的影响：

当某个站监听到总线是空闲时，也可能总线并非真正是空闲的。 A 向 B 发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到 B。B 若在 A 发送的信息到达 B 之前发送自己的帧(因为这时 B 的载波监听检测不到 A 所发送的信息)，则必然要在某个时间和 A 发送的帧发生碰撞。碰撞的结果是两个帧都变得无用。

重要特性：

• 使用 CSMA/CD 协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信（半双工通信）。
• 每个站在发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。
• 这种发送的不确定性使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率。

争用期：

• 最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间 2? （两倍的端到端往返时延）就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。
• 以太网的端到端往返时延 2? 称为争用期，或碰撞窗口。
• 经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。

二进制指数类型退避算法：

发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟（退避）一个随机时间才能再发送数据。

1. 确定基本退避时间，一般是取为争用期\(2\tau\)。
2. 定义重传次数k，k≤10，即\(k=Min[重传次数, 10]\)。
3. 从整数集合\([0,1,…, (2^k -1)]\)中随机地取出一个数，记为 r。重传所需的时延就是 r 倍的基本退避时间。
4. 当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。

争用期长度：

• 以太网取 51.2 μs 为争用期的长度。
• 对于 10 Mb/s 以太网，在争用期内可发送512 bit，即 64 字节。
• 以太网在发送数据时，若前 64 字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。

最短有效帧长：

• 如果发生冲突，就一定是在发送的前 64 字节之内。
• 由于一检测到冲突就立即中止发送，这时已经发送出去的数据一定小于 64 字节。
• 以太网规定了最短有效帧长为 64 字节，凡长度小于 64 字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。

强化碰撞：

当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时立即停止发送数据，再继续发送若干比特的人为干扰信号(jamming signal)，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。

B检测到碰撞后也会发送干扰信号，这里没画出

使用广播信道的以太网

使用集线器的星形拓扑

• 传统以太网最初是使用粗同轴电缆，后来演进到使用比较便宜的细同轴电缆，最后发展为使用更便宜和更灵活的双绞线。
• 这种以太网采用星形拓扑，在星形的中心则增加了一种可靠性非常高的设备，叫做集线器(hub)

1990年IEEE制定出星型以太网10BASE-T的标准802.3i：

• 10——10Mbit/s的数据率
• BASE——连接线上的信号是基带信号
• T——双绞线

10BASE-T以太网的出现是局域网发展史上的一个非常重要的里程碑。

集线器的一些特点：

• 集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线的工作，因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行。
• 使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各工作站使用的还是 CSMA/CD 协议，并共享逻辑上的总线。
• 集线器很像一个多接口的转发器，工作在物理层。 它的每一个接口仅仅简单地转发比特。
• 集线器采用了专门的芯片，进行自适应串音回波抵消。这样可使接口转发出去的较强信号不致对该接口收到的较弱的信号产生干扰（即近端串音）。

以太网的信道利用率

一个帧从开始发送，经可能发生的碰撞后，将再重传数次，到发送成功且信道转为空闲(即再经过时间\(\tau\)使得信道上无信号在传播)时为止，是发送一帧所需的平均时间。

要提高以太网的信道利用率，就必须减小 \(\tau\)与 \(T_0\) 之比。在以太网中定义了参数 a，它是以太网单程端到端时延 \(\tau\)与帧的发送时间 \(T_0\) 之比：\(a=\frac{\tau}{T_0}\)。

• a→0 表示一发生碰撞就立即可以检测出来，并立即停止发送，因而信道利用率很高。
• a 越大，表明争用期所占的比例增大，每发生一次碰撞就浪费许多信道资源，使得信道利用率明显降低。

对以太网参数的要求:

• 当数据率一定时，以太网的连线的长度受到限制，否则\(\tau\)的数值会太大。
• 以太网的帧长不能太短，否则 \(T_0\) 的值会太小，使 a 值太大。

信道利用率的最大值 \(S_{max}\) ：

• 在理想化的情况下，以太网上的各站发送数据都不会产生碰撞（这显然已经不是 CSMA/CD，而是需要使用一种特殊的调度方法），即总线一旦空闲就有某一个站立即发送数据。
• 发送一帧占用线路的时间是 \(T_0\) + \(\tau\)，而帧本身的发送时间是 \(T_0\)。于是我们可计算出理想情况下的极限信道利用率 \(S_{max}\)为：

只有a远小于1才能得到尽可能高的极限信道利用率。

以太网的 MAC 层

MAC层硬件地址

48 位的 MAC 地址：

• IEEE 的注册管理机构 RA 负责向厂家分配地址字段的前三个字节(即高位 24 位)。
• 地址字段中的后三个字节(即低位 24 位)由厂家自行指派，称为扩展标识符，必须保证生产出的适配器没有重复地址。
• 一个地址块可以生成224个不同的地址。这种 48 位地址称为 MAC-48，它的通用名称是EUI-48。
• “MAC地址”实际上就是适配器地址或适配器标识符EUI-48。

适配器检查 MAC 地址：

• 适配器从网络上每收到一个 MAC 帧就首先用硬件检查 MAC 帧中的 MAC 地址.
  • 如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他的处理。
  • 否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。
• 发往本站的帧包括以下三种帧：
  • 单播(unicast)帧（一对一）
  • 广播(broadcast)帧（一对全体）
  • 多播(multicast)帧（一对多）

MAC帧格式

• 常用的以太网MAC帧格式有两种标准 ：

  • DIX Ethernet V2 标准
  • IEEE 的 802.3 标准

• 最常用的 MAC 帧是以太网 V2 的格式。

• 类型字段用来标志上一层使用的是什么协议，以便把收到的 MAC 帧的数据上交给上一层的这个协议。
• 数据字段的正式名称是 MAC 客户数据字段，\(最小长度 64 字节-18 字节的首部和尾部 = 数据字段的最小长度\)
• 当数据字段的长度小于 46 字节时，应在数据字段的后面加入整数字节的填充字段，以保证以太网的 MAC 帧长不小于 64 字节。
• 前同步码用来迅速实现 MAC 帧的比特同步。第二个字段是帧开始定界符，表示后面的信息就是MAC 帧。
• 为了达到比特同步，在传输媒体上实际传送的要比 MAC 帧还多 8 个字节

无效的 MAC 帧:

• 数据字段的长度与长度字段的值不一致；
• 帧的长度不是整数个字节；
• 用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错；
• 数据字段的长度不在 46 ~ 1500 字节之间。
• 有效的 MAC 帧长度为 64 ~ 1518 字节之间。
• 对于检查出的无效 MAC 帧就简单地丢弃。以太网不负责重传丢弃的帧。

帧间最小间隔：

• 帧间最小间隔为 9.6 μs，相当于 96 bit 的发送时间。
• 一个站在检测到总线开始空闲后，还要等待 9.6 μs 才能再次发送数据。
• 这样做是为了使刚刚收到数据帧的站的接收缓存来得及清理，做好接收下一帧的准备。

[计算机网路]-第三章数据链路层

标签：ace   占用   准备   增加   硬件   节点   时延   地方法   eee   

原文地址：https://www.cnblogs.com/xxmmqg/p/13300802.html