網絡（三）數據鏈路層

第三章 數據鏈路層

3.1 鏈路層的功能

物理層使得1010能夠傳到對端，而使1010有意義，就是數據鏈路層，通過組幀的方式實現的。
鏈路是一條無源的點到點的物理線路，中間沒有其他任何交換節點

一. 數據鏈路層的功能

1. 鏈路管理，幀同步
2. 流量控制，差錯控制
3. 數據和控制信息分開
4. 透明傳輸和尋址

二. 組幀

1. 組幀的概念
   （1）封裝成幀是在一段數據的前后分別添加首部和尾部。
   （2）確定幀的界限：首部和尾部的作用就是幀的定界
   （3）MTU是幀的數據部分的最大長度，也是IP數據報的最大傳輸長度（相當於快遞時限制傳輸包裹不能超過20公斤）
   

2. 用控制符進行幀定界
   （1）用控制字符進行幀定界的方法是，在幀的開始和結尾處加上特定的字符，這個字符一般是0X7E
   
   （2）透明傳輸：如果幀的數據部分出現了0X7E（SOH或EOT的字符），則要進行轉義

3. 透明傳輸的轉義方法：
   （1） 字符填充
        因為0x7E=0111 1110，字符填充是在這兩個字節中，填充進0xD5。變為（0x7D,0x5E）的組合。
        即0111 1101 1001 1110
   （2）零比特填充
        因為0x7E=0111 1110，帶有連續的6個1.因此發送端發送幀數據時，每當發現有連續的5個1，立即填充一個0發送。接收端對幀中的比特流掃描，每當發現5個連續的1，就把后面的1個0刪除
        eg：0111 1110變成0111 1101 0進行傳輸

3.2 差錯控制

1. 檢測編碼：循環冗余校驗碼
2. 糾錯編碼：漢明碼

3.3 流量控制和可靠傳輸

一. 停止-等待協議

1. 基本概念
   （1）發送端A發送完幀，必須等待獲得對端B對陣個幀發送確認幀，A才能繼續發送下一個幀
   （2）由於幀可能再傳輸中由於線路問題而丟失，B收不到幀從而無法發送確認幀。因此A設置一個超時重傳時間。在這個時間后如果還沒收到確認幀，A就重新發送該幀。超時重傳時間一般設置為2\(\tau^+\)。（\(\tau\)為A到B的傳輸時延）
   

2. 停止等待協議的特點
   （1）在發完一個分組后，必須暫時保留已發送的分組的副本
   （2）分組和確認都必須進行編號（才能知道是對哪個分組進行確認）
   （3）超時重傳的時間比數據在分組傳輸的平均往返時間2\(\tau\)更長一些
   （4）ack報文丟失的結果：A向B發送數據幀，當B的ACK確認幀丟失后，A通過超時重傳重傳丟失的幀。這個幀實際上已經被B接收到了，如果這個幀沒序號，B就無法識別這是收到的重復的幀
   （5）綜上所述，停止等待協議使用的確認和重傳機制，可以在不可靠的傳輸網路上實現可靠地通信。

3. ARQ協議
   （1）上面這種可靠傳輸協議常稱為自動重傳請求（ARQ--atomic repeat request）。是停止等待的一種實現
   （2）ARQ表明重傳請求是自動進行的，接收方不需要請求發送方重傳某個出錯的數據幀。
   （3）停止等待協議的信道利用率：

\[\frac{T_d}{T_d + RTT + T_A} \]

                              

4. 流水線傳輸 - 連續的ARQ協議
   發送方可連續發送多個分組，不必發送完一個分組就停下來等待對方確認。可以使信道利用率達到100%。一直有數據向外發送。
   （1）連續的ARQ協議：
   連續的ARQ協議可以連續發送多個數據幀，連續發送的個數成為發送窗口的大小。發送窗口中的幀分為2部分：已發送沒確認的幀和等待發送的幀。當收到第一個發送幀的ACK幀后，窗口向后滑動一個位置。
   

5. 累積確認
   （1）接收方的累計確認是指，接收方不必對分割受到的分組逐一確認，逐一發送ACK幀，而是對按需達到的最后一個分組發送方確認幀，表示這個分組及其之前的幀已經正確收到。
   （2）累計確認的優點：容易實現，即使ACK丟失也不必重傳（因為后面的確認幀確認了前面的已經收到）
   （3）累計確認的缺點：不能反映出接收方已經正確接受的所有分組的信息。

二. 后退N幀協議（GBN）

1. GBN的基本概念
   設想一種場景：加入1到5號幀，如果只有3號幀接收失敗，但是要重傳3,4,5號幀），發送方要把后面的3個分組重新再傳一遍。這種方法就叫做Go-Back-N（回退N）。表示需要退回來重傳已經發送的N個分組。

三. 選擇重傳協議（SR）

1. SR的基本概念
   （1）當接收方發現某個幀傳輸出錯后，氣候繼續達到的正確幀不能立即送給接收方得高層，需要先存放在一個緩沖區，同時要求發送方重傳出錯的一個幀。
   （2）一旦接收到重傳的幀后，就可以和緩沖區中的正確幀按照順序遞交給上層
   （3）選擇重傳協議，使用連續ARQ發送，但不能使用累積確認。

2. 滑動窗口設置
   （1）發送方設置一個變量，作為發送窗口SWS（Send Window Size）：表示在沒收到確認幀的情況下，發送端最多能發送的幀個數。（停止等待協議中SWS=1）
           接收方設置一個變量，作為接收窗口RWS（Recieve Window Size）
   （2）設置滑動窗口的目的是重復使用有限的序號列。（序號需要包含在幀頭部，無限增加的序號會導致幀序號字段所占位數增大。eg：2bit幀序號能表示序號0 ~ 3）
   （3）發送窗口的規則：
           發送窗口內的幀都是允許發送的幀，不用考慮是否收到確認。
           每發送完一個幀，允許發送的幀數就減1，但是發送窗口的位置不變。
           如果允許發送的幀數都發送完畢，但沒有收到任何確認，則不能繼續發送任何數據。
           發送端沒接受到一個ACK確認，發送窗口向前移動一個幀的位置。
   （4）接收窗口的規則（RWS）：

1. 接收窗口大小RWS，表示能夠接受的幀序號的上限，規定了哪些序號的幀可以接受，哪些不能。即：當收到的幀的序號落在窗口內才允許接受該數據幀。（停止等待協議中的RWS = 1）
2. 為了減少開銷，連續的ARQ協議還規定接收端不必每收到一個正確的數據幀就發送一個確認幀，而是連續收到幾個正確幀后，才對最后一個數據幀確認。
3. 有時為了減少開銷，也會采用捎帶確認機制（ACK幀不包含發送時間，只有在信道上傳播的時間）
4. 接收窗口的大小需要根據需要設定
   （1）RWS=1：表示一次只能接受一個幀
   （2）RWS=SWS：可以將發送端發送的幀全部接受
   （3）RWS>SWS：無意義
5. 接收窗口的規則：
   （1）只有當接收的幀序號和接受窗口的序號一致時才能接受該幀，否則丟棄該幀
   （2）沒收到一個序號正確的幀，接受窗口向前滑動一個位置（使可接收序號變化），同時發送ACK確認。所以接收窗口的大小，只是起到了累積確認，按序重組數據幀的作用。
   （3）接受窗口滑動了，發送窗口才能滑動。

3. 如何設定發送窗口（SWS）的大小：
   （1）發送窗口的大小等於序號大小就一定最好嗎
        （i） 假設序號為0到7，發送窗口大小設置為8(與序號個數一樣)，接收窗口設置為1，這樣好嗎？答案是不好。
        （ii） 假設接收方返回的1到8號確認幀丟失了，使得發送方重傳1到8號幀，這是發送方發送的其實是接收方已經接收到的重復幀，但是接收方並沒意識到自己收到的是重復幀。
        （iii） 為了解決這個問題，只要把發送窗口大小，設置的比序號至少小1即可。
        
   （2）\(SWS_{max}\) = 序號個數 - RWS:
           保證發送窗口大小與接收窗口大小的和為n，就能保證接收方識別出重傳的幀
   （3）退后N幀的發送窗口最大：\(2^n -1\)
           選擇重傳的發送窗口最大：\(2^{(n-1)}\)

3.4 介質訪問

一. 介質訪問控制

1、 信道划分介質訪問控制
     復用是通信技術的基本概念
（1）頻分復用FDM
     頻分復用的所有用戶在同樣的時間使用不同的帶寬資源（不同Hz的信道）
（2）時分復用TDM
     （i） 時分復用是將時間划分為一段登場的復用幀（TDM幀）。每一個時分復用的用戶在每一個TDM幀中占用固定序號的時隙。
     （ii） 每一個用戶所占時隙周期性的出現（周期就是TDM幀的長度）
     （iii）TDM信號也成等時
     （v） 時分復用的所有用戶在不同時間占用相同的頻帶寬度
（3）波分復用（WDM）
     光纖通信中，每個用戶占用不同的波長
（4）碼分復用（CDM）
     碼分多址CDMA（Code Division Multiple Access）
     （i） 每一個比特時間划分為m個短的間隔，成為碼片。所有用戶一起發送的結果就是這些碼片向量的疊加
     （ii） 碼片序列：
          每個站被指派一個唯一的m個碼片序列
          eg：發送比特1，則發送m個bit的碼片。
          發送比特0，就發送這m個bit碼片的二進制反碼
          eg：S站的碼片序列為00011011，則如果發送比特0，則發送的是11100100。而CDMA往往用-1代表0（利於后面的正交計算）。所以S站的原始碼片序列為（-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1）
     （iii） CDMA的特點：每個站分配的碼片必須正交（使用偽隨機碼序列）

\[正交關系的公式：S*T = \frac{1}{m}\sum S_i*T_i = 0 \]

          eg：向量S為（-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1），向量T為（-1 -1 +1 -1 +1 +1 +1 -1）。把向量S和T的各分量之帶入S*T。和為0.
     （v）CDMA分碼，使得向量自己和自己做內積，結果是1。向量和自己的反碼做內積，結果是-1.
          
          

二. 隨機介質訪問控制

1. ALOHA協議
   （1）用戶有幀即可發送。采用沖突監聽與隨機重發機制。這種系統是競爭系統系統
   （2）幀長統一，但兩幀沖突或重疊，則會被破壞，因此效率不高
   （3）在泊松分布下，每個幀時間為嘗試發送次數G=0.5時，信道吞吐量S=0.184
   （4）只能用原信道吞吐量的18.4%

2. 載波監聽多路訪問CSMA
   （1）當一個站點需要發送數據前，需要先監聽總線
   （2）如果總線上沒有其他站點發送信號，則該站可以發送信號。如果有其他站點發送信號。則需要等待一段時間再重新監聽總線，再根據總線的忙閑情況決定是否發送數據。

3. CSMA/CD協議
   （1）CSMA只是監聽總線是否空閑，當兩個站點同時監聽到總線空閑后，會同時發送數據，還是會造成沖突。
   （2）CSMA/CD利用以太網廣播的方式進行單播通信。即線路上的所有站點都能收到總線上的數據，但只有指定的接收方會對該信號作出回應。
   （3）CSMA/CD協議用於以太網。以太網的傳輸特點有以下2中方式：
        （i） 采用靈活的無連接工作方式。即不必先建立連接就可以發送數據
        （ii）以太網對發送的幀不進行編號，也不要求對方發回確認（因為局域網的信道質量很好，產生差錯的概率很低）
   （4）以太網提供的服務
   以太網提供的是不可靠服務，盡最大努力交付
   當目的站收到有差錯數據時就丟棄，其他的什么也不做、
   （5）CD的意思是碰撞檢測：就是邊發數據邊檢測是否有其他站點發送信號。發生碰撞時，總線上傳輸的信號產生嚴重失真，無法恢復有用的信息。因此，使用CSMA/CD協議的以太網不能進行全雙工通信，而只能進行雙向交替通信（半雙工通信）。每個站在發送數據后的一小段時間內，都存在遭遇碰撞的可能性。最先發送數據幀的站，最多在發送數據后的2\(\tau\)時間后，就可以知道是否發生了碰撞。
   （6）以太網端到端的往返延時2\(\tau\)稱為征用期或碰撞窗口
   （7）當發送的時候，檢測到了碰撞，則要二進制指數退避算法延時后再次發送數據
        （i）重傳次數k = Min[重傳次數，10]，設隨機數r是從0到$ （2^k-1）\(中隨機取出來的整數。重傳所需的時延就是r倍的2\)\tau\(      （ii）當重傳16次仍發現沖突時，就丟棄該幀，向上層告報告 （8）以太網征用期的長度為51.2\)\mu s$
        因此對於10Mbps的以太網，征用期內能發送512字節的數據幀，即64字節。即如果在發生64自節后，還沒檢測到沖突，則此次發送不會砸發生沖突。
   （9）64字節稱為最短有效幀長。
        若信道長度為L，帶寬為c，傳播速率為D，則最短有效幀長為\(2*C*\frac{L}{D}\)

4. CSMA/CA協議
   （1）CSMA/CA在無線網中使用、無線網由於沒有一條確定的通信線路，因此cd算法的征用期無法計算，所以不適合用CSMA/CD協議
   （2）CSMA/CA協議盡量在發送時避免沖突，同時使用停止等待，一次只發送一個數據幀。
   （3）CSMA/CA的流程：當檢測到信道空閑，還要等待一小段時間后才能發送數據幀，為了讓高優先級的幀發送

3.5 局域網

一. 以太網與IEEE 802.3

1. 以太網是符合DIX Ethernet V2標准的局域網。

2. IEEE 802.3規定數據鏈路層分為2層：
   （1）LLC邏輯鏈路控制層：與媒體無關，與IP層打交道
   （2）MAC媒體控制接入子層

3. MAC地址
   （1）共48bit的物理地址：前24位（3字節）由RA負責向廠家分配。后3字節由廠家分配
   （2）MAC幀的結構：
   
        MAC幀的數據部分長度范圍是46到1500字節。
        上限由MTU決定，下限由最短幀長決定。最短幀長為64字節（黃色部分+粉色的FCS部分占18個字節，加起來就是64字節）
   （3）無效MAC幀：
        數據字段長度不在46~1500字節的，有效MAC幀長不在64~1518字節的幀都是無效幀。

4. 三種不同物理層標准

   標准	線路材質
   100BASE-TX	使用2對UTP5類線或屏蔽雙絞線STP
   100BASE-FX	使用2對光纖
   100BASE-T4	使用4對UTP3類線或5類線

3.6 廣域網

一. PPP協議 - 面向字節

1. 全世界使用最多的點對點協議PPP
2. ppp是點對點的，所以不是總線型，也就不用CSMA/CD協議。一次沒有最短幀限制（不用2t的爭用期），所以信息段范圍是0~1500字節
3. 用戶撥號上網電話線介入因特網時，一般使用PPP協議。
4. PPP協議由三個部分組成
   （1）將IP數據報封裝到串行鏈路的方法
   （2）鏈路控制協議LCP
   （3）網絡控制協議NCP
5. PPP在同步線路上采用零比特填充解決透明傳輸（同HDLAC），在異步線路上采用字符定界確定幀邊界0x7E（默認做法）
6. PPP不采用幀序號和幀確認，是不可靠鏈路，只能進行全雙工通信。只檢錯不糾錯。

二. HDLAC - 面向比特

1. 主站和從站的概念：
2. 主站到從站的幀稱為命令幀
   從站到主站的幀稱為響應幀
3. 采用全雙工通信，對幀編號，采用CRC校驗
4. HDLAC只有3種幀：信息幀，監督幀，無編號幀。

3.7 數據鏈路層設備

一. 網橋

1. 網橋具備過濾幀的功能：
   網橋收到一個幀時，並不是向所有接口發送此幀。而是先檢查此幀的目的地址。然后確定將該幀轉發到哪一個接口。

2. 網橋內部結構
   

3. 網橋的好處
   （1）過濾通信量
   （2）擴大物理范圍
   （3）提高可靠性
   （4）可互連不同物理層，不同速率的局域網。
   （5）網橋可以隔離碰撞域，可以引起廣播風暴（目的地址為FFFFFF）

4. 網橋轉發表的建立 - 自學習
   （1）若A站發出的幀從接口x進入了某網橋，那么從這個接口出發沿反方向一定可以吧一個幀發送到A
   （2）網橋每接收到一個幀，如果轉發表中沒有此項，就記下源地址和網橋接口，作為轉發表的一項。如果有該站的表項，則更新表項。
   （3）如果發現轉發的地址和源地址在一個接口，則不予轉發
   （4）初始時，網橋的轉發表為空，所以網橋會把幀轉發到所有的接口。
   （5）網橋中的轉標表項有三個部分：MAC地址，轉發接口，倒計時。倒計時是用來限制轉發表項的生存時間的，因為聯路上的機器時常更新，所以轉發表也要時常更新。比如如果倒計時設為10s，則如果在10秒內沒有幀發往此站，則此轉發表項將刪除

二. 交換機

1. 交換機是有十幾個接口的網橋
2. 以太網交換機分為共享式和獨占式。如果是共享式，每個接口的帶寬為總代快的n分之1
3. 交換機的性能指標 - 轉發技術
   （1）直通式交換：收到數據包后，只看幀的前6個字節（目的地址），然后直接轉發
   此種方法速度快，但是沒有對幀進行校驗，可能轉發了無效幀
   （2）存儲轉發式交換
   存儲轉發技術要求交換機在接收到完整的數據報后決定如何轉發。先進行校驗正確性和完整性
   （3）碎片隔離式
   也是接收完整幀，但只校驗幀長是否大於64字節，
4. 交換機時延：
   從交換機接收到數據包開始向目的端口復制數據包之間的間隔
   （1）采用直通轉發的交換機有固定的時延。取決於交換機解讀數據包前6字節目的地址的速率
   （2）采用存儲轉發技術的交換機由於要接受完整的數據包，因此時延和幀長度有關

【注】：網橋不能隔離廣播域。但是交換機可以通過組建虛擬局域網來隔離廣播域。