计算机网络（数据链路层、帧的概念、透明传输、差错检测、数据链路层可靠传输协议、滑动窗口、解决发送帧出错的协议）

文章目录

数据链路层
帧的概念
透明传输
差错检测
数据链路层可靠传输协议
滑动窗口（连续 ARQ 协议）
解决发送帧出错的协议

数据链路层

数据链路层的功能
为网络层提供服务：

链路管理：数据链路的建立、维持和释放。
寻址：保证每一帧都能正确到达目的站。

保证数据传输的有效、可靠：

帧定界：将物理层的比特封装成帧，确定帧的开始和结束。
透明传输：指不管数据是什么样的比特组合，都应当能在链路上传输。
差错检测：能对物理信道传输的比特流检测出差错。
流量控制：控制发送方的发送数据速率使接收方来得及接收。

帧的概念

链路和帧
链路（物理链路）(link)是一条无源的点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换结点。
一条链路只是一条通路的一个组成部分。
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数据链路（逻辑链路）(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。

数据链路层传送的是帧
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。
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帧的封装(帧定界)
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。
首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界。

常用成帧方法
1.字节/字符填充的定界符法
(让每一帧用一些特殊的字节作为开始和结束标志。)
2.比特填充的标志法(也称零比特填充法)

透明传输

字节填充法
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如果数据部分出现EOF，就会出现问题

解决方案：
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。
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零比特填充
以01111110作为一帧的开始和结束标志F字段
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。
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差错检测

出错情况：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。帧（包括发送帧和响应帧）出错或者帧（包括发送帧和响应帧）丢失。

误码率：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)。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。

差错检测编码分类
纠错码：前向纠错技术：发现错误，从错误中恢复出正确

纠错码需要较多的冗余位，信道利用率不高。
适用无线网络

检错码：只能发现错误，不能从错误中恢复，但可采用重传。

适用局域网
循环冗余码(CRC)。

海明码
海明距离
两个码字(codeword)的海明距离 : 两个码字之间不同位的数，也就是异或（非进位加法）的结果中，1的个数。
例： 10001001 和10110001 的海明距离为？

# 非进位加法（二进制）：1+1=0,1+0=1,0+1=1,0+0=0

	1 0 0 0 1 0 0 1
+	1 0 1 1 0 0 0 1
-------------------------
	0 0 1 1 1 0 0 0
	
# 1 的个数为3

解析：10001001 和10110001 的海明距离为3

海明距离与检错的关系
海明距离为d+1的编码能检测出d位差错

奇偶校验码
校验位的值取“0”还是“1”，取决于整个码字的总的“1” 的个数。（奇数还是偶数）

原理：如果是奇校验加上校验位后,编码中1的个数为奇数个。如果是偶校验加上校验位后,编码中1的个数为偶数个。

例： Data: 1011010（7位原码）
Even: 1011010 0 （7 + 1位偶校验）
Odd: 1011010 1 （7 + 1位奇校验）

海明距离与纠错的关系
海明距离为2d+1的编码，能纠正d位差错。
如果一个码字有d位发生差错，距离原来的码字距离最近的可以直接恢复为该码。
当接收到码字后，先比对是否合法，如果不合法，则恢复为海明距离最短的合法码字
例：
一个系统有4个合法码字： 0000000000, 0000011111, 1111100000 和 1111111111
码字之间最短海明距离是 5=2*2+1，所以可纠正2位错误
例：发送： 0000011111
接收： 0000000111（不合法，海明距离依次为[]）
收方纠正后: 0000011111
练习：发送：0000000000
接收： 0000000111
收方纠正后： 0000011111

纠1位错，需要多少位冗余位？
要传输的数据（原码字）是 m 位，冗余位 r ，总长度 n
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海明纠错码
每一个码字从左到右编号，最左边为第1位
校验位和数据位
凡编号为2的乘幂的位是校验位，如1、2、4、8、16、…
其余是数据位，如3、5、6、7、9、…
每一个校验位设置根据：包括自己在内的一些位的集合的奇偶值(奇数或偶数)。
计算过程移步：https://blog.csdn.net/lycb_gz/article/details/8214961

纠1位错的海明码的基本方法
发送方：根据校验集合填充校验位。
接收方：根据校验集合判定校验位是否出错，出错的位编号累加到累加器上，所有的校验位都检查完成后，通过读取累加器的值来确定码字中出错的那一位的编号。

循环冗余检验 CRC
循环冗余检验的原理
信息位：发送端要发送的数据
冗余位：发送端在向信道发送信息位之前，先按照某种关系加上一定的冗余位
发送与接收的过程：

发送时：信息位+冗余位构成码字发送；
接收时：收到码字后查看信息位和冗余位，并检查它们之间的关系（校验过程），以发现传输过程中是否有差错发生。

CRC码又称为多项式码。任何一个由二进制数位串组成的代码都可以和一个只含有0和1两个系数的多项式建立一一对应的关系。
长度为最高次幂+1
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例如：
假设系统使用的生成多项式为G(x) = X⁴+X+1 (10011)
要发送的码为1101011011（长度为10）
对应的多项式为X⁹+X⁸+X⁶+X⁴+X³+X+1，设为 M(x)

首先将发送码字的多项式乘上生成多项式的最大阶：
T(x) = X⁴ M(X)

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乘上多少阶等于向左移动多少位
再将移位后的码字按照（模2运算法则）计算如果有余数，则将码字减去余数
最后得到的码字就是可以发送的码字

当这个码字到达接收方时：
如CRC码在接收端能被10011整除，则说明接收正确。
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数据链路层可靠传输协议

停止等待协议（肯定确认重传请求ARQ（也叫PAR））
每次发送帧的时候都会启动一个定时器
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注意:
在发送完一个帧后，必须暂时保留已发送的帧的副本。
发送帧和确认帧都必须进行编号。
超时计时器的重传时间应当比数据在传输的平均往返时间更长一些。

停止等待协议的优点是简单，但缺点是信道利用率太低。

信道利用率计算公式：
RTT（来回时间）T_D （发送数据时间） T_A（接收数据时间）
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如果忽略处理时间：假设
信道传输速率是： b bps
每帧的大小是： k bits
来回时间是： R sec
则信道的利用率是：k/(k + bR）
如何优化？
使用滑动窗口技术

滑动窗口（连续 ARQ 协议）

发送方有一个发送窗口，存放依据发送未被确认的数据，当数据确认后，滑动到下一个数据
接收方有一个接收窗口，存放期望接收的数据，当期望的数据接收后、滑动到下一个期望接收的数据
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使用滑动窗口技术，批量发送数据，就是发送方可以利用等待接收方的确认数据的时间，继续发送数据直到接收到接收方发送的确认数据，再这段时间里发送的数据称为一个窗口。

发送过程图解：

发送方可连续发送多个帧，不必每发完一个帧就停顿下来等待对方的确认。
由于信道上一直有数据不间断地传送，这种传输方式可获得很高的信道利用率。