【計算機網絡】數據鏈路層-基本數據鏈路層協議

協議1：一個烏托邦式的單工協議

單工協議即數據只能單向傳輸。這個協議假設信道永遠不會丟失或損壞幀，接收方的處理能力足夠快，緩沖區足夠大。

發送程序無限循環，接受程序響應事件，協議1中不包含流量控制和糾錯功能。

協議2：無錯信道上的單工停-等式協議

發送方的速度如果過快，接收方會被淹沒，除了增強接收方的處理能力，可以讓接收方給發送方發送反饋，發送方收到后才可以發送下一幀。

發送程序無限循環並等待接收方確認，接受程序響應事件后發送確認幀。

協議3：有錯信道上的單工停-等式協議

有錯信道上傳輸數據需要增加校驗，接收方僅在數據正確時發送確認幀。但在確認幀丟失的情況下（超時），發送方將重發。接收方難以判斷幀是重發還是新發，因此幀前加上序號以區分。

重復的幀也會收到確認幀，以便發送方決策。

停止等待協議(Stop-and-Wait Protocol)

停止等待協議是tcp保證傳輸可靠的重要途徑,”停止等待”就是指發送完一個分組就停止發送,等待對方的確認,只有對方確認過,才發送下一個分組.

無差錯情況

無差錯情況:發送方發送分組,接收方在規定時間內收到,並且回復確認.發送方再次發送……

超時重傳的情況

1.分組丟失:發送方發送分組,接收方沒有收到分組,那么接收方不會發出確認,只要發送方過一段時間沒有收到確認,就認為剛才的分組丟了,那么發送方就會再次發送.
2.確認丟失:發送方發送成功,接收方接收成功,確認分組也被發送,但是分組丟失,那么到了等待時間,發送方沒有收到確認,又會發送分組過去,此時接收方前面已經收到了分組,那么此時接收方要做的事就是:丟棄分組,重新發送確認.
3.傳送延遲:發送方發送成功,接收方接收成功,確認分組也被發送,沒有丟失,但是由於傳輸太慢,等到了發送方設置的時間,發送方又會重新發送分組,此時接收方要做的事情:丟棄分組,重新發送確認. 發送方如果收到兩個或者多個確認,就停止發送,丟棄其他確認.

優缺點

停止等待協議的優點是簡單,但是缺點是信道的利用率太低,一次發送一條消息,使得信道的大部分時間內都是空閑的,為了提高效率,我們采用流水線傳輸,這就與下面兩個協議有關系了.

錯誤的控制

ARQ（自動重復請求）實現錯誤控制

• 如果正確的接收，那么接受方會發送一個"ack"幀給發送方
• 如果發送方沒有收到接受方回復的"ack"幀，那么發送方會設置計時器並重新發送傳輸幀

為了確保正確性，必須對框架和ack進行編號

• 接收機需要區分重傳（由於丟失ack或提前定時器）和新幀，對於stop和wait，2個數字（使用1位）就足夠了

滑動窗口協議

滑動窗口的概念

發送方擁有着一個窗口，這個窗口里面裝着可以發送的幀

• 它需要暫時存儲這些幀，因為這些幀可能被重傳
• 當這個窗口接受到確認幀后，它就會向前移動

接受方擁有着一個可以接受幀的窗口

• 它要為將要到來的幀預留空間
• 這個窗口隨着按順序到來的幀而逐漸向前移動

一開始的時候，接受方可以接受一個幀，發送方之后發送了一個幀。接受方接受了這個幀之后，可以向后滑動一個單位，准備接受下一個幀，當發送方得到接受方回復給它的確認幀ack之后，繼續向后滑動一個窗口，准備發送下一個幀。

滑動窗口協議的特點

• 只有接受窗口向前移動的時候，發送窗口才會向前移動
• 從滑動窗口的概念來看，停止等待協議、回退N協議和選擇重傳協議只不過是發送窗口和接受窗口的大小不同
  • 停止等待協議：發送窗口和接受窗口大小都是1
  • 后退N協議:發送窗口>1,接收窗口大小為1
  • 選擇重傳協議:發送窗口>1,接受窗口大小>1
• 當接收窗口大小為1的時候可以保證有序的被接收
• 數據鏈路層中，傳輸過程中滑動窗口的大小是固定的

可靠的傳輸機制

• 捎帶確認:接收方在會給發送方發送一個確認幀來告訴發送方收到了
• 超時重傳:在發送某個數據幀之后，就開啟一個計時器，開始計時，一旦超過某段時間還沒有收到確認幀，就重新發送該數據幀

自動重傳請求ARQ：接受方請求發送方重新發送出錯的數據幀來恢復出錯的幀，傳統的自動重傳分三種

• 停止等待ARQ
• 后退ARQ
• 選擇性重傳ARQ
  窗口開的夠大的時候，幀在線路上可以連續的流動，因此又稱連續的ARQ協議

回退N協議

之前協議存在的問題？

過長的往返時間嚴重影響帶寬的利用率

如何提高帶寬的利用率?

發送端在收到確認之前，連續發送多幀

回退N協議的過程

• 發送窗口的大小>1，接收窗口的大小=1
• 接收端發現某一幀發生差錯時，直接丟棄所有后續的幀，對丟棄幀不發送確認
• 數據鏈路層除了接收應該遞交給網絡層的下一幀之外，拒絕接收其它任何幀
• 發送方最終會超時，將按順序重傳所有未被確認的幀，即從最初受損或丟失的那一幀開始
• 接收端接收幀的順序和發送端發出幀的順序相同

回退N協議窗口大小的選擇

• 用n表示序號字段長度；2^n表示發送端可發送幀的序號個數
• 發送窗口尺寸w應為2^(n-1)

回退n協議的適用情況

• 回退n幀協議，如果錯誤率較低時，工作的很好
• 但錯誤率較高時，就會浪費大量的帶寬在重傳上

選擇重傳協議

選擇重傳協議的特點

• 接收方的數據鏈路層存儲壞幀之后的所有正確的幀，當發送方得知某個幀出錯時，只是重傳此壞幀，而不是所有的后繼幀
• 在這個協議中，發送方和接收方都維持一個可接收序列號的窗口
• 接收窗口的大小>1，並為窗口中的每個序列號都提供一個緩沖區，每個緩沖區用一位判斷其是否為空
• 當某一幀到達時，接收方檢查其序列號，看其是否落在窗口內
• 如果落在窗口內且從未接收過，就接收並存儲
• 接收到的此幀保存在數據鏈路層，而不交給網絡層，直到比它序列號小的所有幀都按次序已交給了網絡層，此幀才能提交給網絡層
  

選擇重傳協議的窗口大小

窗口大小應為2n/2=(MAX_SEQ+1)/2

數據鏈路層協議實例

PPP(Point to Point)協議

點對點協議，提供了在點對點鏈路上傳輸多種協議數據包的一種標准方法。

PPP功能

• 處理錯誤檢測鏈路的配置
• 支持多種協議
• 允許身份認證等

PPP提供了3個主要特征

• 成幀方法。它可以毫無歧義地分割出一幀的結束和下一幀的開始。並且幀格式支持錯誤檢測
• 鏈路控制協議(LCP)。可用於啟動線路、測試線路、協商參數，以及不需要線路時關閉線路
• 協商網絡層選項的方法。協商方法與所使用的網絡層協議獨立。所選擇的方法對於每種支持的網絡層都有一個不同的網絡控制協議(NCP)。支持的網絡層協議有IPv4、IPv6、IPX和AppleTalk等

PPP幀格式

若Flag字節出現在Payload字段中，則需要用轉義字節0x7D去填充，然后將緊跟在后面的那個字節與0x20進行XOR操作

PPP鏈路建立到釋放的狀態轉換圖

PPP建鏈路的具體過程

• LCP協商，協商內容包括除RFC1661中所定義的選項之外，還要考慮PPPOA和PPPOE協議中規定的內容
• LCP協商過后就到了Establish階段，開始PAP或CHAP認證
  • PAP為兩次握手認證，口令為明文。PAP認證過程如下：發送用戶名同口令到認證方，認證方查看是否有此用戶，口令是否正確，然后發送相應的響應
  • CHAP為三次握手認證，口令為密文（密鑰）。CHAP認證由認證方發送一些隨機產生的報文，交給被認證，被認證方用自己的口令字用MD5算法進行加密，傳回密
    文，認證方用自己保存的口令字及隨機報文用MD5算法加密，比較二者的密文，根據比較結果返回響應的響應
• 認證成功即進行Network階段協商（NCP），在IP接入中主要是IPCP協商（如IP地址和DNS地址的協商等）。任何階段的協商失敗都將導致鏈路的拆除。
• 協商成功，則鏈路建立成功，可以開始傳輸網絡層數據報文

SONET上的數據包

SONET（同步光網絡）

• 物理層協議
• 最常被用在廣域網的光纖鏈路上
• 提供了一個以定義良好速度運行的比特流，如2.4Gbps的OC-48鏈路

IP包被承載在PPP幀中通過SONET線路傳輸

ADSL

ADSL使用的協議和設備的概貌

• 在PPPOE應用中，CPE將PC上的以太網幀（攜帶PPP幀）通過ATM網絡橋接到集中路由器(Aggregation Router)上
• 當CPE為ADSL Modem時，PC為PPPOE Client，運行PPPOE模擬撥號軟件先將用戶數據封裝為PPP，再將PPP封裝到以太網幀中，PPP中相關的驗證信息將會送給集
  中路由器進行PAP或CHAP驗證
• 通過驗證之后，PC會以IPCP協商的形式從集中路由器獲得IP地址