计算机网络【第三章-数据链路层】

一、功能

        1、封装成帧和透明传输

                封装成帧：一段数据前后添加首尾部，构成一个帧

                透明传输：不管数据什么样，都能在链路上传送

组帧方法

1. 字符计数法【计数字段易损】：在帧首用一个计数字段表明帧内字符数（帧内字符数包括计数字段本身）
2. 字符填充法【复杂、不兼容】：首尾各加一个标志，在数据中和首尾标志相同的部分前添加转义符，接收后删除转义符
3. 零比特填充法【5110】：首尾各添加一个“01111110”，在数据中连续5个“1”后添加1个“0”，接收后删除连续的5个“1”后面的1个“0”
4. 违规编码法：用不会出现的编码定义帧的起始和终止

        2、差错控制

分类

1. 位错：比特位出错，1变0，0变1
2. 帧错：丢失、重复、失序

检错编码

①奇偶校验码：原始数据尾部添加一比特校验位，使整个数据中“1”的个数满足预设的奇偶性

②循环冗余码CRC

1. 准备待传有效数据：将待发送比特流分割成等长的组
2. 每个组都加上冗余码构成帧再发送：若生成多项式为r+1位，则先在每个组后面加r位0，再算出其与生成多项式异或（同0异1）的余数，此余数为FCS帧检验序列/冗余码，用其替换尾部的r位0
3. 接收方检验：帧（原数据+冗余码）与生成多项式异或，余数为0则接受，否则丢弃

纠错编码：海明码

1. 确定校验码的位数：数据m位，冗余码r位，通过海明不等式[2r≥m+r+1]算出r值
2. 确定校验码的位置：冗余码在序号为2n的位置，数据按序填写
3. 求出校验码的值：冗余码所在序对应二进制中的0换为通配符，据此即可找到该冗余码所校验的位；采用偶校验，保证冗余值所在校验小组中“1”的个数为偶数，以此确定冗余值的值
4. 检错并纠错：进行r次偶校验，找到出错位

以原数据“1100”为例：

1. 数据4位，所以冗余码3位
2. 冗余码在20、21、22位上，所以数据变为“110r40r2r1”
3. r4处理过后为1**，所以r4校验4567，以此类推，r2校验2367，r1校验1357；r4=0，r2=0，r1=1
4. 若收到“1110001”，进行3次偶校验，r4r1出错取交集“57”，r2没错取差集“5”，所以5位出错

海明距离（码距）

1. 两个编码的海明距离：两个编码有多少对应位不同
2. 编码集的海明距离：编码集中，任意两个编码的海明距离的最小值
3. 检测出有d位出错，码距应为d+1；纠正d位错误，码距应为2d+1

        3、流量控制

发送窗口与接收窗口的数量

1. 停止等待协议：=1，=1
2. 后退N帧协议：>=1，1
3. 选择重传协议：>=1，>=1

1）停止等待协议

        每发送一帧就停止发送，等待对方确认，收到确认再发送下一帧（超时重传）

2）滑动窗口协议

        ①后退N帧协议（GBN）

        连续发送多个帧，按序接收，乱序丢弃并发送上一个接收的帧的确认（累计确认）超时则重传已发但未确认的帧

        ②选择重传协议（SR）

        连续发送并接收多个帧，每个帧有自己的定时器，超时后只重传一个帧

        4、可靠传输

                发送端发啥，接收端收啥

二、应用

        1、两种链路

                1）点对点链路：常用于广域网

                2）广播式链路：常用于局域网

        2、介质访问控制

静态划分信道-信道划分介质访问控制

1. 频分多路复用FDM：用户分配到频带后，在通信过程中始终都占用这个频带
2. 时分多路复用TDM：将时间划分为一段段等长的时分复用帧，每个用户在每个帧中占用固定序号的时隙，用户轮流占用信道
3. 波分多路复用WDM【了解】：就是光的频分多路复用，光纤中传输多种不同波长的光信号
4. 码分多路复用CDM:所有用户同时在同一频率上传输，通过独特编码区分不同用户

动态划分信道-随机访问介质访问控制

1）ALOHA协议【不听就说】

1. 纯ALOHA：想发就发，若发生冲突，接收方不予确认，发送方超时后等一随机时间再重传
2. 时隙ALOHA：把时间分成若干等长时间片，用户在时间片开始时刻发送，若冲突，则等到下一个时间片开始时再发送

2）CSMA协议【先听再说】

        发送之前监听信道，信道空闲则发送完整帧，信道忙则推迟发送

1. 1-坚持CSMA：信道忙，则一直监听
2. 非坚持CSMA：信道忙，则等待一个随机的时间之后再监听
3. p-坚持CSMA：
   1. 信道空闲，则概率p直接传输，概率1-p等到下一个时间槽传输
   2. 信道忙，则持续监听直到信道空闲再以概率p传输
   3. 冲突，则等到下一个时间槽开始再监听并重复上述过程

3）CSMA/CD协议【先听再说+边听边说】

        CD：碰撞检测

        适用于总线型以太网

        ①截断二进制指数规避算法（用于计算重传时间）

                1. 冲突时，从[0,2ⁿ-1]中随机选一个K，等待K倍基本退避时间（RTT）后重传

                2. n为冲突次数，初始为1，n增至10后不再增加，但最大重传次数为16次

                3. 若仍失败，则丢弃该帧并向高层报错

        ②最小帧长

                传输时延大于等于两倍的传播时延

                最小帧长=2*传输速率*传播时延

4）CSMA/CA协议

        CA：碰撞避免

        适用于无线局域网

1. 发送前检测信道是否空闲，空闲则发出RTS（requesttosend）,信道忙则等待
2. 接收端收到RTS后，将响应CTS（cleartosend）
3. 发送端收到CTS后,开始发送数据
4. 接收端收到数据帧后，用CRC来检验数据，正确则响应ACK帧
5. 发送方收到ACK就可以进行下一个数据帧的发送，若没有则一直重传至规定重发次数为止（采用二进制指数退避算法来确定随机的推迟时间）

动态划分信道-轮询访问介质访问控制

        令牌传递协议

        应用于令牌环网（逻辑上是环形拓扑）

1. 令牌环网中，一个空闲令牌在主机间按序传递
2. 需要发送数据的主机在捕获令牌后，将其变为忙状态，然后发送数据
3. 数据在环上传输，被目标主机读取确认后，最终返回发送主机
4. 发送主机确认后收回数据，并产生一个新的空闲令牌传递给下一台主机

        3、局域网

        1）以太网（802.3局域网）

1. 基带总线局域网规范，使用CSMA/CD，不可靠传输（基带传数字信号，宽带传模拟信号）
2. 拓扑：逻辑上总线型，物理上星型
3. 传输介质：双绞线+集线器
4. 10BASE-T以太网：基带无屏蔽双绞线以太网，传输速率10Mb/s，采用曼彻斯特编码
5. 通信适配器:连接计算机与有线局域网
6. MAC地址：适配器的48位二进制地址，前24位代表厂家（IEEE规定），后24位厂家定
7. 高速以太网：速率≥100Mb/s的以太网（100BASE-T以太网、吉比特以太网、10吉比特）

        2）无线局域网（802.11局域网）

1. MAC帧头格式：帧控制+生存周期ID+接收端地址+发送端地址+目的地址+序列控制+源地址
2. 分类：
   1. 有固定基础设施无线局域网
   2. 无固定基础设施无线局域网的自组织网络

3）虚拟局域网VLAN：将局域网内的设备划分成与物理位置无关的逻辑组

        4、广域网

• 使用分组交换技术
• 点对点协议（PPP）：只支持全双工链路，身份验证