文章目录

1. 数据链路层概述
- 1.1 本章概要图
- 1.2 基本概念
2. 数据链路层的功能
3. 介质访问控制
4. 两种链路
5 链路层设备
6. 做题的一些说明

1. 数据链路层概述

1.1 本章概要图

1.2 基本概念

两台计算机间通信的示意图如下：

此次学习，主要是针对上图中的数据链路层细化学习，了解数据链路层如何识别帧头、帧尾，以及一些重要问题是如何解决的。

注意：电路不同于链路，电路是物理层的概念。

数据链路层提供的功能：

注意：关于链路层可靠性的说明：

例题：
![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/202010211922278.png#pic_center)

2. 数据链路层的功能

2.1 封装成帧和透明传输

1. 透明传输：指不知道网络层传递下来的数据是什么，也不管是怎样的数据，都能够在数据链路层上传输。简单来说，就是我不知道
		网络层要我传的什么东西，但是我只管传就是了。

2. 封装成帧：就是将网络层传递下来的数据报/分组的前后分别添加帧头、帧尾就构成了一个帧。
	* 目的：在出错时，只需要重发出错的帧，而不必重发全部数据从而提高效率。
	* 注意：一段数据是指一定长度内的数据，并不是无限长的。不同协议的最大长度不同，但是为了提高利用率，一般取接近
				最大长度，这样帧头帧尾就相对较短，利用率会增加。
3. 帧头、帧尾
	* 实现：采用一些ASCII码为不可打印字符做帧头帧尾，比如控制字符
	* 作用：对帧进行定界。
4. 接受方：接受方在接受帧时，只有接受到帧头帧尾的帧才会获取，其他的都会舍弃。

5. 封装成帧的4种方法：
	1. 字符计数法
	2. 字符(节)填充法
	3. 零比特填充法
	4. 违规编码法

2.1.1字符计数法

2.1.2 字符(节)填充法

在分组的头部加上一个帧开始标志，在帧尾加上一个帧结束标志。示意图如下：

但是上面还存在一个问题：帧的数据部分可能出现非打印字符，甚至可能与帧头(SOH)帧尾（EOT）一样。这样会导致只有前半截的数据被接受，后半截的数据被舍弃，如下图所见。如何避免？

解决方案：在帧的数据部分，且出现非打印字符时，在前面加一个转义字符，来标识其是帧的数据部分，不是帧头或帧尾。如下图所示：

发送端的数据链路层会为数据包添加帧头、帧尾和转义字符。
在接受端的数据链路层会自动的去掉帧头、帧尾和转义字符。

2.1.3 零比特填充法

2.1.4 违规编码法

2.2 差错控制

注意：噪声分为随机噪声(热噪声)和冲击噪声。

问题：在数据的传输过程中，信号衰落或者受到噪音的干扰，会出现一些****比特位的数据由0变为1或者由1变为0，从而出现差错。如何解决？
解决方法：一般会将数据分组，每一组数据后面都加上帧检查序列(FCS)，接受端的数据链路层会根据帧检查序列(FCS)来判断数据是否出错。
帧检查序列(FCS)如何得到？方法有很多，下面介绍其中几种方法.

2.2.1 只检错，无纠错

2.2.1.1 奇偶校验

2.2.1.1 循环冗余校验(CRC)

循环冗余检验(CRC) 对地址字段(MAC地址)、控制字段(表明传输协议)、信息字段(IP数据报)进行计算，生成CRC校验码；再对整个数据加上帧头、帧尾构成数据帧。
如下题：带发生数据流为: 101001，双方采用的生成多项式为g(x) = x^3 + x^2 + 1，则根据多项式得出除数为:1101，由于多项式的最高次为3次方得数据流后面加3个0组成被除数。计算过程如下：
（如果没有指定生成多项式则除数和数据流加0任意取，但是实际情况下通信双方都会约定生成多项式，以便校验）
接受端如何判断数据是否出错？同样的在接收端的数据链路层对数据帧进行循环冗余检验(CRC)计算。如果余数是0，则认为没有出错；反之则出错，但是无法纠错，会舍弃该数据。

无差错接受：凡是接受的帧，我们以非常接近于1的概率认为这些帧在传输过程中没有产生差错。
可靠传输：发送什么就收到什么。（通过确认和帧的重传机制）
小结：CRC差错技术是一种无比特差错，而不是可靠传输。因为通过CRC计算出的FCS可能为0，且除数越大，概率越接近1

2.2.2 即检错，又纠错

2.2.2.1 海明码

上述的海明码还不是实际的海明码，因为其只有检测一位错误的能力，实际上，海明码具有一位纠错，二位检错能力。是因为在其最高位还添加了一个校验位。如下图所示：

2.3 流量控制

（1）什么是流量控制：

注意：流量控制是对发送方的数据流量的控制。流量控制在网络层、传输层也有，只是对等的实体不同，但是目的都是控制发送方的数据流量速度。

（2）流量控制的三种方法：

注意：关于这三个协议，有的书是写在数据链路层，有的是写在网络层或传输层。不必太纠结，这只是针对的对象部分。如果要针对报文段，则在传输层；如果针对分组，则在网络层；如果针对数据帧，则在数据链路层。

（3）可靠传输、流量控制、滑动窗口的联系：

注意：流量控制和可靠传输都是通过滑动窗口机制来实现的。

2.4 可靠传输

2.4.1 停止等待协议

2.4.1.1 无差错的停止等待协议(也就是中途没有错误)

2.4.1.1 有差错的停止等待协议(也就是中途出现错误)

（1）数据帧丢失：

（2）确认帧丢失：

（3）确认帧迟到：

（4）特点：

优点：实现简单
缺点：信道利用率低

注意：求信道吞吐率和平均数据传输率时，注意信道利用率上限为100%。

2.4.2 采用流水技术的协议(提高信道利用率)

停止等待协议的缺点是信道利用率太低，而使用流水技术能够提高信道的利用率。主要有后退N帧协议和选择重传协议。

2.4.2.1 后退N帧协议(GBN)

（1）过程示意图：

（2）发送方应该做的事：

（3）接受方应该做的事情：

（4）滑动窗口与发送窗口的大小关系：

注意：滑动窗口与发送窗口是不同的概念。(滑动窗口与接受窗口也是)
采用n比特对帧编号，说明有2^n个滑动窗口。而回退N协议的发送窗口 <= 滑动窗口 - 1

（5）重点小结

（6）练习：

2.4.2.2 选择重传协议(SR)

（1）SR过程示意图：

（2）发送方要做的事情：

（3）接受方要做的事情：

（4）滑动窗口与发送窗口的大小关系：

（5）重点小结：

（6）练习：

2.4.3 关于滑动窗口的小结

注意：帧序号的位数指的是滑动窗口。

3. 介质访问控制

数据链路层传输数据的两种数据链路：

而在这两种链路中，可能发送两端同时使用同一个信道，发生干扰的情况。那么如何解决？使用介质访问控制。

3.1 静态划分信道(只有一种：信道划分介质访问控制)

3.1.1 频分复用（FDM）

3.1.2 时分复用（TDM）

注意：

时分复用中，介质的位速率大于单个信号的位速率。假如信道带宽是8000kb/s, 有4个信号，则每个信号的带宽为8000 / 4 = 2000kb/s.

TDM比FDM的抗干扰能力强，而且数字信号比较容易实现自动转换。因此，FDM更加适用于模拟信号，TDM更加适用于数字信号。

3.1.3 统计时分复用（STDM）

统计时分复用是时分复用的改进版–动态分配时隙：

注意：统计时分复用中，介质的位速率等于单个信号的位速率。假如信道带宽是8000kb/s, 有4个信号，则每个信号的带宽为8000kb/s.

3.1.4 波分复用（WDM）

波分复用与频分复用是同一个东西，因为一旦某一信号的频率知道了，那么他的波长可以计算出来。

使用的技术是：光的频分多路复用。

3.1.5 码分复用（CDMA）

所以，在两个人打电话的时候，如果我们想知道别人和他说什么，我们只需要弄一个和他码片向量相同的码片就可以了。

3.2 动态分配信道

3.2.1 随机访问介质访问控制

3.2.1.1 ALOHA协议

（1）ALOHA协议：

（2）时隙ALOHA协议(改进的ALOHA协议)：

（3）考点：

3.2.1.2 CSMA(载波监听多点接入)

注意：CSMA协议对信道进行监听，而ALOHA协议不会监听信道。

（1）1-坚持CSMA协议：

（2）非坚持CSMA协议：

（3）p-坚持CSMA协议：

（4）三种协议的对比：

注意：

这三种CSMA协议都有一个共同的缺点，那就是发现发生冲突后还是坚持把数据发送出去，造成了资源的浪费。

1-坚持CSMA的坚持监听，不同于p-坚持CSMA的持续监听，后者会隔一个间隙。

3.2.1.3 CSMA/CD(载波监听多点接入/碰撞检测)

注意：

如果在发送时检测到有人在发送信号，就立马停止发送。

CSMA/CD只能工作在半双工模式下。

（1）传播时延对载波监听的影响：

注意：

只要经过了2tao的时间没有检查到受碰撞的信号，则说明发送的信号没有受到碰撞。

2tao又叫争用期。

（2）碰撞后的重传时间的确定：

注意：二进制指数回退法是从网络负载的角度去解决冲突问题。

（3）最小帧长：

注意：最小帧长只出现在CSMA/CD，带有碰撞的协议中。

3.2.1.4 CSMA/CA(载波监听多点接入/碰撞避免)

之前的CSMA/CD协议已近很棒了，为什么还需要引入CSMA/CA协议？

这是因为应用场景不同。CSMA/CD应用于有线网络，而CSMA/CA主要用于无线网络。而这主要是由于CSMA/CD的缺点导致的，其缺点如下：

（1）CSMA/CD的缺点：

CSMA/CD不能进行冲突的避免，只能进行冲突检测
CSMA/CD是边传输变检测的，容易造成冲突；
隐蔽终端问题
暴露终端问题

（2）CSMA/CA工作原理：

注意：CSMA/CA协议只能避免数据帧的冲突，不能避免控制帧(RTS/CTS)的冲突.

3.2.1.5 小结：CSMA/CD vs CSMA/CA

3.2.2 轮询访问介质访问控制

3.2.2.1 轮询协议

3.2.2.2 令牌传递协议

注意：

4. 两种链路

4.1 局域网(广播链路)

4.1.1 局域网概述

（1）什么是局域网：

（2）局域网的传输介质：

（3）局域网的介质访问控制：

（4）局域网的分类：

（5）IEEE 802 标准

为了使数据链路层更好的适应多种局域网，将以太网的数据链路层拆分成了两个子层：
	1. 逻辑链路控制 LLC
		* 特点：与传输媒体无关，与各种协议无关
	2. 媒体接入控制 MAC
		* 特点：与接入到传输媒体有关的内容都放在MAC子层
	* 注意：现在很多厂商生产的适配器上就只装有MAC协议而没有LLC协议

注意：给帧加序号是LLC子层，不是MAC子层。

（6）MAC层的硬件地址(MAC地址)

1. MAC地址：“MAC地址”实际上就是适配器地址或适配器标识符，且每个MAC地址在全球是唯一的。
2. 在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或MAC地址，或局域网硬件地址，通常是用48位表示，即6个字节。存储在网卡中。
3. 适配器检查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。否则就将此帧舍弃，不再进行其他的处理。

MAC帧格式：

注意：

同一局域网中，不允许有两台相同的MAC地址，否则会无法通信。

4.1.2 以太网

（1）什么是以太网：

注意：以太网地址就是通常所说的MAC地址，或网卡。

（2）10BASE-以太网：

（3）以太网的MAC帧：

注意：以太网帧，不记前导码的情况下，帧长为64B - 1518B

（4）高速以太网：

注意：

xxxBASE-T, T表示使用双绞线。

xxxBASE-F, F表示使用光纤。ou

xxxBASE，啥都没有表示同轴电缆

75欧姆：用于视频

50欧姆：应用于网络，粗缆：500m，细缆：200m

小结：

	10BASE以太网	100BASE以太网	吉比特以太网	10吉比特以太网
传输介质	同轴电缆	同轴电缆	同轴电缆或光纤	光纤
工作方式	全双工或半双工	全双工或半双工	全双工或半双工	全双工

注意：全双工下可以避免冲突，从而不使用CSMA/CD协议。

4.1.3 无线局域网（WLAN）

IEEE 802.11是无线局域网的通用标准，由IEEE公司制定。我们平时使用的wife是属于IEEE 802.11的一部分。即子类。

注意：无线局域网使用的是CSMA/CA协议，而不是CSMA/CD协议。因为无线局域网要360度的发送信号，显然在发送过程中进行检测的话就要360°检测，浪费资源。故在发送信号过程中不检测比较好，所有使用CSMA/CA协议

（1）IEEE 802.11 的MAC帧格式：

注意：IEEE802.3标准的MAC的地址字段是源MAC地址，目的MAC地址, 网桥、交换机、集线器不改变其MAC地址，路由转发会改变。而IEEE802.11的地址1是接受该帧的MAC地址，地址2是传输该帧的MAC地址，地址3是网关的MAC地址。

（2）无线局域网的分类：

有固定基础设施无线局域网
无固定基础设施无线局域网的自组织网络

4.2 广域网(点对点链路)

注意：局域网，一般只覆盖物理层和数据链路层。而广域网还会覆盖网络层。

4.2.1 PPP协议

现在全世界使用最多的数据链路层协议是点对点协议的(Point-to-Point，简称PPP协议)。拨号上网一般都是采用的PPP协议，可见PPP协议有身份验证的功能。

注意：PPP协议只支持全双工链路。

（1）PPP协议的要求：

（2）PPP协议的三个组成部分：

（3）PPP协议帧格式：

* 帧格式：
	* 标志 | 地址 | 控制 | 信息 | 校验 | 标志
	* 标志(01111110, 1Bit) | 地址(>=1Bit) | 控制(1B) | 信息(>=0B) | 校验(2B或4B,校验范围：地址、控制、信息) | 标志(01111110, 1Bit)

（4）PPP协议的透明传输：

注意：PPP协议既可以以字节流，又可以以比特流的形式传输数据。所有其能够使用比特填充和字节填充。

（5）PPP协议工作状态：

4.2.2 HDLC协议

（1）HDLC协议：

（2）HDLC协议帧的格式：

（3）HDLC协议的透明传输：

注意：HDLC协议只能进行比特填充不能进行字节填充。

4.2.3 PPP协议 vs HDLC协议

5 链路层设备

5.1 使用网桥扩展以太网

假设有如上6台计算机，现在想让这6台计算机间可以相互通信，该怎么做？
如果再用一台集线器将这三台集线器连接起来，虽然能解决问题，但是这样会使得冲突域变得更大，信道利用率会急速降低。那么有没有什么方法能够让其连接，但是不产生更大的冲突域？网桥就是为了解决这个问题。

1. 使用网桥扩展以太网
	* 优点：
		* 主要：隔离冲突域，提高吞吐率
		1. 过滤通信量
		2. 扩大了物理范围
		3. 提高了可靠性
	* 缺点：
		1. 存储转发增加了时延
		2. 在MAC子层并没有流量控制功能
		3. 具有不同MAC子层的网桥接在一起时时延更大。
		4. 网桥只适用于用户不多的情况下（不超过100个）

2. 网桥的分类：
	1. 透明网桥：指互联网上的站点并不知道所发送的帧将经过几个网桥，因为网桥对各站来说是看不见的
		         透明网桥是一种即插即用的设备。

	2. 源路由网桥：在发送帧时，将路由规划好并放在帧中。

5.2 交换机

其实现在网桥使用的很少，使用更多的是交换机。交换机是由网桥演变而来的。
上述网桥连接的是多个冲突域，假设有一台网桥的插口足够多，多的所有计算机都能直接连在网桥上，那么连接的所有计算机也能通信。这种设备就是交换机。

从上面可以看出交换机的优点：高效、安全。

注意：

中继器和集线器都属于物理层设备，网桥和局域网交换机属于数据链路层设备。

交换机能够隔离冲突域，使得工作在全双工模式下。

交换机查看转发表时，若没有目的mac地址，会转发到除该端口的所有端口

5.3 冲突域与广播域

注意：

“广播风暴”属于广播域的问题，而能够隔离广播域的设备是路由器，所以其由路由器解决，而不是网桥或交换机。

例题：

5.4 环路问题及其解决方法

透明网桥和交换机都会出现一个问题，计算机将一个消息发送出去后，消息一直在几个网桥或者交换机之间循环转发，而不能发送给接收端，白白的浪费资源。

解决方法：采用生成树算法，因为树形结构是没有环路的。

生成树算法：
	1. 取优先级最高的网桥或者交换机为根结点；如果有多个，则取MAC地址小的为根结点。
	2. 下一优先级的设备中，每一个设备中离端口进的为指定端口，其他的为非指定端口。（远近以要经过的设备数和带宽决定）
	3. 重复2过程，直到没有设备

生成树算法示意图：

5.5 VLAN分割局域网

LAN是局域网的简称，VLAN是虚拟局域网的简称。虚拟局域网能够将一个局域网划分为几个子局域网，且子局域网间不能通信。在软件层面实现。
示意图如下:

注意：VLAN的通过交换机实现，VLAN不仅能够隔离冲突域还能隔离广播域。

6. 做题的一些说明

1. 如果题目没有特别说明，则忽视 排队时延、处理时延、以及接受发的发送时延。
	1. 但是，如果题目说了就算
	2. 题目说使用捎带确认，则要计算接受方的发送时延。

2. 后退N帧默认是使用累计确认，但是如果题目说了使用别的，比如捎带确认，就应该用捎带确认。

3. 选择重传默认返回ack=收到的帧，但是如果题目说了使用别的，比如捎带确认，就应该用捎带确认。

4. 平均数据传输速率 = 信道吞吐率 = 信道利用率 * 数据传输率

5. 题目中提及以太网，默认：
	1. 不考虑前导码的情况下，以太网帧长范围：64B--1518B, 数据部分长度：46B--1500B
	2. 采用曼切斯特编码
	3. 物理上星型，逻辑上总线型
	4. 无连接的不可靠服务。（距离短，不易错，最求速度）
	5. 使用的是IEEE802.3

文章由极客之音整理，本文链接：https://www.bmabk.com/index.php/post/84674.html