コンピュータネットワーク第III章レビューノート（データリンク層）

データリンク層で使用されるチャネルには、主に次のものがあります。

1）ポイントツーポイントチャネル。1対1のポイント通信。
2）放送チャンネル。1対多のブロードキャスト通信方式。これは、ローカルエリアネットワークが使用するものです。

1.ポイントツーポイント通信

データリンクとフレーム

リンク	データリンク
ノードから隣接ノードへの物理回線（有線または無線）。中央に他のスイッチングノードはありません。	データ伝送の物理リンクを制御するために通信プロトコルが追加されています。一部の用語では、データリンクを論理リンクと呼びます。
データリンク層フレームのプロトコルデータユニット	ネットワーク層プロトコルデータユニット-IPデータグラム（データグラム、パケット、パケットと略記）

2、3つの基本的な質問

• 1.フレームへのカプセル化：データ（データには上限、最大MTUがあります）の前後に、必要な多くの制御情報（フレームの区切りを容易にするため）を含むヘッダーとテールが追加されます。これは、フレーム。SOH（ヘッダーの開始）和腐敗（End Of Transmission）は、それぞれフレームの始まりとフレームの終わりを表します。これはキャラクターの名前です。それらの16進コードは01（バイナリ00000001）と04（バイナリ00000100）です。
  解決策は：送信フレームが失敗し、中断されました。後で回復するときに、フレーム区切りによって完全なフレームであるかどうかを判断できます。完全でない場合（開始文字SOHのみ、終了文字EOTなし）、破棄する必要があります。
• 2.透過伝送：どのようなビット結合データでも、このデータリンク層をそのまま通過できます。
  送信データのバイトのバイナリコードがSOHやEOTなどの制御文字とまったく同じである場合、データリンク層が誤って「フレーム境界」を検出し、データ送信エラーを引き起こします。沿ってエスケープ文字のパディングそれを解決する方法。具体的には、送信者のデータリンク層がデータの「SOH」と「EOT」の前に1つ追加しますエスケープ文字「ESC」（16進数の1B、バイナリ00011011）、受信側のデータリンク層は、データをネットワーク層に送信する前に、この挿入されたエスケープ文字を削除します。（バイト送信、文字送信）

例：透過送信はデータリンク層の基本機能です。いわゆる透過とは（C）
Aを指します
。送信データの内容、フォーマット、コーディングは制限されています。B。送信データの方向は透過です
。C。送信されるデータの内容、形式、およびコーディングは無制限です
。D。データ送信の透過的な方法

• 3.エラー検出：ビットエラー、巡回冗長検査はチェックに広く使用されています。伝送エラー（フレーム損失、フレーム重複、フレームの順序が狂っている）。ある期間において、送信されたビットの総数に対する送信されたエラービットの比率は、ビットエラーレートBERと呼ばれます。
  現在、巡回冗長検査CRCのエラー検出技術はデータリンク層で広く使用されています。

CRCの原則：

1.巡回チェックコード（CRCコード）：データ通信の分野で最も一般的に使用されているエラーチェックコードであり、情報フィールドとチェックフィールドの長さを任意に選択できるのが特徴です。

2. CRCコードを生成する基本原理：バイナリビット文字列で構成されるコードは、係数が「0」と「1」のみの多項式に対応できます。

たとえば、コード1010111に対応する多項式はx6 + x4 + x2 + x + 1であり、多項式はx5 + x3 + x2 + x +1に対応するコード101111です。

3. CRCコードセット選択の原則：コードワードの長さがN、情報フィールドがKビット、チェックフィールドがRビット（N = K + R）の場合、CRCコードセット内の任意のコードワードについて、 V（x）= A（x）g（x）= xRm（x）+ r（x）;のように、R次の多項式g（x）は1つだけです。ここで、m（x）はK次数です。情報多項式、r（x）は次数R-1のチェック多項式であり、g（x）は生成多項式と呼ばれます。g（x）= g0 + g1x + g2x2 +…+ g（R-1）x（R-1） + gRxR g（x）はCRCコードワードを生成し、受信者はg（x）を使用して受信したCRCコードワードを検証します。

4. CRCチェックコードソフトウェアの生成方法：多項式除算を使用して、残りの数値はチェックフィールドです。
例：情報フィールドコードは次のとおりです：1011001; m（x）= x6 + x4 + x3 + 1に対応します。ジェネレータ多項式が次のようになっていると仮定します：g（x）= x4 + x3 + 1;次にg（に対応するコードx）は次のとおりです。11001x4m（x）= x10 + x8 + x7 + x4対応するコードは次のように記録されます：10110010000;多項式除算（モジュロ2演算）を使用：除数は10110010000、被除数1011001は60で埋められます--- -> 1011001000000
で、余りは：1010（つまり、チェックフィールドは：1010）送信者：送信された送信フィールドは：1 0 1 1 0 0 1 1 0 10情報フィールドチェックフィールド受信者：同じ生成コードを使用して、以下を確認します。受信フィールド/生成コード（バイナリ除算）除算できれば正解ですが、

放送通信のデータリンク層

ローカルエリアネットワーク

特徴：

• 放送機能付き、ネットワーク全体に1つのサイトから簡単にアクセスできます。ローカルエリアネットワーク上のホストは、ローカルエリアネットワーク上のさまざまなハードウェアおよびソフトウェアリソースを共有します。

• システムの拡張と進化を促進する、各機器の位置を柔軟に調整・変更できます

• システムの信頼性の向上、可用性と存続可能性

ローカルエリアネットワークのトポロジー構造：バスタイプ、リングネットワーク、スターネットワーク

データリンク層の2つのサブ層：

逻辑链路控制(LLC)：靠近网络层，看不见下面的局域网，为网络层提供统一的接口，已经过时

媒体接入控制(MAC)：靠近物理层，存放与接入媒体有关的内容

アダプターの役割：

网络适配器又被称为网卡

包含了数据链路层和物理层两层的功能

アダプターの重要な機能：
（1）シリアル/パラレル変換
（2）データキャッシング
（3）コンピューターのオペレーティングシステムへのデバイスドライバーのインストール
（4）イーサネットプロトコルの実現

CSMA \ CDプロトコル（キャリアセンスマルチポイントアクセス/衝突検出）¹

バスの特徴：ホストがデータを送信すると、バス上のすべてのホストがデータを検出できます。これがブロードキャスト通信方式です。

コミュニケーションを容易にするために取られた措置：

（1）コネクションレス型の動作方式を採用しており、接続を確立せずに直接データを送信できます。アダプタはデータフレームに番号を付けず、確認を返す必要がないため、イーサネットがベストエフォートを提供します。信頼性の低い配信である配信、エラーの受信フレームは破棄され、再送信するかどうかは上位層によって決定され、イーサネットとは関係ありません。同時にデータを送信できるのは1つのホストのみです。CSMA/ CDプロトコルが使用されます

（2）送信データはマンチェスター符号化を使用します

衝突の理由：

1kmケーブルでの電磁波の伝搬遅延は5μsですが、この間、他のホストから送信されたデータを検出できず、しばらくすると送信の競合が発生します。

対象環境：双方向代替通信（半二重通信）

イーサネット送信の不確実性：各ステーションは、それ自体でデータを送信した後、一定期間内に衝突に遭遇する可能性があります。この期間は不確実であり、別の送信ステーションからの距離に依存するため、お客様に送信できる保証はありません。独自のデータフレームが正常に送信されました

競合期間（衝突ウィンドウ）：

イーサネットのエンドツーエンドラウンドトリップ時間2τ;この送信が衝突を送信しないことを確認するために、競合期間後に衝突は検出されません

切り捨てられたバイナリ指数バックオフアルゴリズム：

衝突後の再送信のタイミングを決定するために使用されます。チャネルがアイドル状態になった直後に再送信するのではなく、ランダムな時間を延期します。

具体流程：
(1)规定了基本退避时间为争用期2τ，具体的争用期时间是51.2μs；对于10Mbit/s以太网，争用期内能发送512bit，即64字节，也可以说争用期是512比特时间。
(2)从离散的整数集合[0,1,...,(2^k-1)]中随机取一个数，记为r，重传应推后r倍的争用期，k=min(重传次数，10)
(3)当重传16次仍不成功时，丢弃该帧，向高层报告凡长度小于64字节的帧都是由于冲突而异常终止的无效帧

强化碰撞：当发现碰撞时，处理立即停止发送数据外，还要继续发送32bit或48bit的人为干扰信号，使所有用户都知道发生了碰撞；帧间最小间隔：9.6μs，即96比特时间，使刚收到数据帧的站的接受缓存来得及清理，做好接收下一帧的准备

CSMA / CD送信プロセス：

最初に聞く、後で送信する、聞きながら送信する、競合が停止する、送信を遅らせる

（1）送信準備完了：アダプタはネットワークからパケットを取得し、ヘッダーとテールを追加してイーサネットフレームを形成し、イーサネットバッファに入れて、送信前にチャネルを検出します。

（2）チャネル検出：チャネルがビジーであると検出された場合、チャネルがアイドル状態になるまで検出を続けます。チャネルがアイドル状態であると検出され、96ビットの間アイドル状態のままである場合、このフレームが送信されます。

（3）送信プロセス中もチャネルは継続的に検出され、送信中はチャネルが監視されます。ここには2つの可能性があります。

发送成功：争用期内未检测到碰撞。这个帧一定能发送成功。发送完毕后回到(1)

发送失败：争用期内检测到碰撞。立即停止发送，并按规定发送人为干扰信号(强化碰撞)，执行指数退避算法，等待r倍512比特时间后，返回步骤(2)；若重传16次仍不成功，停止重传并向上报错

CSMA / CD制御方式の原理（Wang Gangのブログから）

誤ったデータの受信を避けるため。64バイトの最小フレーム長を指定します（無効なフレーム未満）、つまり512ビット。
送信されるデータが非常に小さい場合は、フレーム長を64バイト以上にするためにいくつかのスタッフィングバイトを追加する必要があります。10Mbit/ sイーサネットの場合、512ビットを送信するのに51.2μmが必要です。

ハブの特徴：

(1)使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各站共享逻辑上的总线，还是使用CSMA/CD协议，在同一时刻只允许一个站发送数据

(2)一个集线器有多个接口，因此一个集线器很像一个多接口转发器

(3)集线器工作在物理层，仅简单的转发比特，不进行碰撞检测

(4)有专用的芯片，能自适应串音回波抵消

イーサネットチャネルの使用率

イーサネットのMAC層

データレートが一定の場合、イーサネット接続の長さは制限され、イーサネットのフレーム長は短すぎてはなりません。制限チャネル使用率Smax：

無効なMACフレーム：

(1)帧的长度不是整数个字节


(2)用收到的帧检验序列FCS查出差错


(3)收到的帧的MAC客户数据长度不在46~1500字节之间，或MAC帧长度不在64~1518

Macフレームフォーマット

データ長は46〜1500、46バイトです。最大長64バイトからデータフィールドの最小長を取得するためのヘッダーとテールの18バイトを引いたものです。
最後のフィールドは4バイトのフレームチェックシーケンスFCS（CRCチェック）です。 ）
フレーム長：64〜1518バイト

ブロードキャストドメインと競合ドメイン

ハブは積み重ねて使用でき、回線の全長はイーサネットの最大ネットワークセグメント長を超えることはできません。

ハブを使用するコンピュータネットワークでは、一方のパーティがメッセージを送信すると、他のマシンはメッセージを送信できません

ハブ値には物理層プロトコルが含まれます

伝送媒体は、通信ネットワーク内の発信者と受信者の間の物理的な通信です。

物理層の主な機能は、ビットストリームの透過的な伝送を実現することです。

STPは、特定のポートを適切にブロックするためのループのないネットワークをどのように提供しますか

ルーターには1つのポートと1つのブロードキャストドメインがあります。
ルーターがないと、1つしかあり
ません。ハブは競合するドメインを分離できません。

スイッチの各ポートは競合ドメインです
競合ドメイン：同じ衝突ドメイン内のすべてのノードは、送信されたすべてのフレームを受信できます
。HUBハブのすべてのポートは同じ衝突ドメイン内にあります。

ネットワークカードは物理層で機能します

リピーターはで動作します 物理層ネットワーク内の信号を復元し、他社のネットワークセグメントに再送信するために使用されます。
ハブは物理層、各物理デバイスを接続するために使用されます。
ブリッジはデータリンクレイヤーメディアアクセスサブレイヤー（Mac）は
、同じ通信プロトコルを使用する複数のネットワークセグメントでデータパケットを送信するために使用されます

スイッチもデータリンクレイヤー主な機能はブリッジに似ており、
ルーターはネットワーク層

スイッチ：スイッチは競合ドメインを分離するために使用されますが、ブロードキャストドメイン（VLANを除く）を分離することはできません。したがって、スイッチの各ポートは競合ドメインにあり、すべてのポートはブロードキャストドメインにあります。

スイッチの自己学習機能：

アドレステーブルの作成：不明なアドレスを受信した後、送信元アドレスとインターフェースの対応を保存し、送信元ポート以外のポートにブロードキャストします。宛先アドレスが一致しない場合は破棄し、そうでない場合は受信して応答します。返信を受信した後、通信を保存します。アドレステーブルには有効な時間があり、有効な時間を超えると無効になります。

スパニングツリープロトコルSTP：無限ループの問題の解決

ルーター：ルーターはブロードキャストドメインを分離するために使用され、ルーターの各ポートはブロードキャストドメインにあります。たとえば、一方通行では、AとBの両方が通過しますが、同時に通過できるのは1つだけです。このとき、衝突が発生し、繰り返す必要がありますが、通過できるのは1つだけです。ハブは、競合ドメインでの作業の典型的な例です。

ハブ、1つの競合ドメイン、1つのブロードキャストドメイン
スイッチ、複数の競合ドメイン、1つのブロードキャストドメイン
ルーター、複数の競合ドメイン、複数のブロードキャストドメイン

信頼性の高い伝送メカニズム：
確認、自動再送

ブリッジ
複数のイーサネットがネットワークブリッジを介してネットワークセグメントを形成します。
スイッチはマルチポートネットワークブリッジです。

データリンク層は、隣接するノード間のフロー制御を実行します。

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1. マルチポイントアクセス：説明はバスネットワークです

   Carrier Sense：バス上に送信している他のコンピューターがあるかどうかを確認します。各ホストは常にチャネルを確認する必要があります。送信前の検出は送信権を取得することであり、送信の検出は時間内に衝突を検出することです。

   衝突検出：負けている間の監視は衝突検出とも呼ばれます。衝突が発生すると、すぐに停止し、ランダムな時間待機した後に再送信します↩︎