【计算机网络】（四）：数据链路层

数据链路层基本概念
帧
数据链路层使用的信道
- 点对点信道
- 广播信道
三个基本问题
点对点协议 PPP
- PPP帧格式
- PPP透明传输问题
使用广播信道的数据链路层
以太网
- 数据链路层的两个子层

数据链路层基本概念

链路是一条无源的结点到相邻结点的物理线路（有线或无线），中间没有任何其他的交换结点
数据链路除了物理线路外，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。

物理链路就是上面所说的链路
逻辑链路就是上面的数据链路，物理链路+通信协议
规程=协议

帧

数据链路层的协议数据单元在这里插入图片描述
数据链路层像个数字管道，而在这条数字管道上传输的数据单位是帧

数据链路层使用的信道

点对点信道

这种信道使用一对一的点对点通信方式。（PPP协议）

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送。（CSMA/CD协议）

三个基本问题

封装成帧

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。使接收方能确定帧的界限（帧定界）
在这里插入图片描述

帧定界（帧同步）方法

字节计数法

在帧头设置一个长度域，放置该帧的字节数，当收方收到帧后，通过帧的长度，确定帧的开始。
问题：当帧的长度域出错，帧同步完全丢失；该方法很少单独使用
在这里插入图片描述

解决透明传输

字符填充法

当数据是由可打印的ASCII码组成的文本文件时，帧定界可以使用特殊的ASCII码（不可打印的控制字符）作为帧定界符
在这里插入图片描述
SOH、EOT是不可打印的那种
问题：万一中间的某一个和边界一样呢
解决：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)
（再插一个）
如果转义字符也出现在数据当中，也插入 ESC，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在这里插入图片描述

比特填充法

使用一个特殊的比特模式01111110作为帧的起始和结束标志
发送方边发送边检查数据，每连续发送5个“1”后在后面自动插入一个“0”。这样数据中只会连续出现5个“1”，而不会出现定界符
接收方在收到5个连续的“1”后将后面的“0”删掉而恢复出原始数据
好处：数据传输的基本单位是比特而不是字符，可用来传输任意长度的二进制比特串，通用性强

违法编码法

前提：物理介质上使用的信号编码有冗余码字时，使用这些冗余的码字来作为帧的定界。
举例：如曼彻斯特编码或差分曼彻斯特编码中，有效电平是“低－高”或“高－低”，而“低－低”和“高－高”电平没有定义，这种违法编码可以作为帧的
边界

差错检测

误码率 BER=传输错误的比特占所传输比特总数的比率
检错码（奇偶校验码、CRC）
纠错码（海明码）

差错控制技术

前向纠错 FEC

即发送方发送能使接收方检错并纠错的冗余位，纠错任务由接收方完成；常采用海明码
应用于没有反向信道或反向传输时间很长的场合
缺点：为纠错附加的冗余码较多，传输效率低
优点：实时性好

自动重发请求 ARQ

发送方发送能使接收方检错的冗余位，若无差错，则接收方回送一个肯定应答(ACK)；若有差错，则接收方回送一个否定应答(NAK)，要求发送方重发

检错码

检错码(码字、传输帧) ＝信息位＋冗余校验位
码字长n = K(信息位位数)＋r(校验位位数)
编码效率R ＝有效数据位K／码字长n

奇偶校验码

奇校验：使码字中“1”的总个数为奇数。
偶校验：使码字中“1”的总个数为偶数。

水平奇偶校验码

其信息字段以字符为单位，校验字段仅含一个比特称为校验比特或校验位
编码效率： Q/(Q+1) (信息字段占Q个比特)
应用：通常在异步传输方式中采用偶校验，同步传输方式中采取奇校验

垂直奇偶校验

被传输的信息进行分组，并排列为若干行和若干列。组中每行的相同列进行奇/偶校验，最终产生由校验位形成的校验字符（校验行），并附加在信息分组之后传输在这里插入图片描述

循环冗余码 CRC 多项式编码

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
$2^n× M=101001 000$
得到的 (k + n) bit 的数除以事先选定好的长度为 (n +1) bit 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
$P=1101\\M=101001 000$
若 P 为 r 阶（r+1 bit），将产生 r 位冗余位；
在这里插入图片描述
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：2nM + R （即 MR）
收到的再除一遍，余数=0则正确

帧检验序列FCS

在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列FCS
循环冗余检验 CRC 和帧检验序列 FCS 并不等同
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

CRC 多项式编码

$x^5+x^3+x^2+x+1对应的代码101111$
除数 P 可表示成生成多项式 P(X)
例如：P＝110101，即P(X)=X5+X4+X2+1(X0)（P为5阶多项式）；
生成多项式的最高位和最低位都必须为1；
若 P 为 r 阶（r+1 bit），将产生 r 位冗余位；

P的确定

在这里插入图片描述
整个帧都不见了检测不出来，都不是可靠传输

海明码

在 k 比特信息上附加 r 比特冗余信息（校验比特），构成n=k+r 比特的码字，其中每个校验比特和某几个特定的信息比特构成偶校验关系。
接收端对这 r 个偶校验关系进行校验，即将每个校验比特和与它关联的信息比特进行相加（异或），相加的结果为校正因子
如果没有错，则 r 个校正因子都为0；若校正因子不全为0，根据校正因子的取值，确定错误发生的位置

码距

一个编码系统中任意两个合法编码（码字）之间不同的二进位（bit）数叫这两个码字的码距。
而整个编码系统中任意两个码字的的最小距离就是该编码系统的码距。
如果要检测出d个比特的错，则编码集的海明距离至少为d+1
如果要纠正 d个比特的错，则编码集的海明距离至少应为2d+1
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发送方冗余位

根据信息位长度(如每帧K位)，计算出所需冗余位位数r
求海明码时的基本考虑：确定所需最少校验位数 r，若需纠正1bit错，需满足： $2^r ≥ K+r+1$

点对点协议 PPP

PPP帧格式

在这里插入图片描述

PPP透明传输问题

异步传输时：字符填充
将信息字段中出现的每一个 0x7E（结束符）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
在这里插入图片描述
同步传输时：比特填充
5个1

使用广播信道的数据链路层

局域网的数据链路层

局域网是在一个较小的范围(一个办公室、一幢楼、一家工厂等)，利用通信线路将众多计算机(一般为微机)及外围设备连接起来，达到数据通信和资源共享的目的
局域网最主要的特点是：

网络为一个单位所拥有；地理范围和站点数目均有限。
具有较高的数据率、较低的时延和较小的误码率
局域网具有如下主要优点：
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、可用性和生存性

以太网

以太网采用广播方式发送
以太网采取了两种重要的措施
(1) 采用较为灵活的无连接的工作方式
(2) 以太网发送的数据都使用曼彻斯特

CSMA/CD协议

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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 2τ （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 2τ 称为争用期，或碰撞窗口
在这里插入图片描述

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
从整数集合 $0, 1, 2，3，4，… , (2^k −1)]$ 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。
参数 k 按下面的公式计算：
k = Min[重传次数, 10]

强化碰撞

当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时：
(1) 立即停止发送数据；
(2) 再继续发送若干比特的人为干扰信号，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞在这里插入图片描述
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