三、解析数据链路层（内附大量图解！！！）

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三、解析数据链路层（内附大量图解！！！）

2023-12-19 23:39| 来源: 网络整理| 查看: 265

一、数据链路层基本概念 1.1 关键词解释

结点：主机、路由器链路: 网络中两个结点之间的物理通道，链路的传输介质主要有双绞线、光纤和微波。分为有线链路、无线链路。数据链路: 网络中两个结点之间的逻辑通道，把实现控制数据传输协议的硬件和软件加到链路上就构成数据链路。帧：链路层的协议单元，封装网络层的数据报数据链路层：负责通过一条链路从一个结点向另一个物理链路直接相连的相邻结点传送数据报。在这里插入图片描述

1.2 数据链路层功能概述

数据链路层在物理层提供的服务基础上向网络层提供服务，其最基本的服务是将源自网络层来的数据可靠地传输到相邻结点的目标机网络层。其主要作用是加强物理层传输原始比特流的功能，将物理层提供的可能出错的物理连接改造为逻辑上无差错的数据链路，使之对网络层表现为一条无差错的链路。功能一：为网络层提供服务。

无确认无连接服务有确认无连接服务有确认面向连接服务。有连接就一定有确认！

功能二：链路管理，即连接的建立、维持、释放（用于面向连接的服务）。功能三：组帧功能四：流量控制功能五：差错控制（帧错/位错）

1.3 封装成帧

在这里插入图片描述封装成帧: 就是在一-段数据的前后部分添加首部和尾部，这样就构成了一个帧。接收端在收到物理层上交的比特流后，就能根据首部和尾部的标记，从收到的比特流中识别帧的开始和结束。首部和尾部包含许多的控制信息，他们的一个重要作用:帧定界(确定帧的界限)。帧同步: 接收方应当能从接收到的二进制比特流中区分出帧的起始和终止。组帧的四种方法: 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。在这里插入图片描述

1.3.1 字符计数法

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1.3.2 字符填充法

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1.3.3 零比特填充法

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1.3.4 违规编码法

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1.4 透明传输

透明传输是指不管所传数据是什么样的比特组合，都应当能够在链路上传送。因此，链路层就“看不见”有什么妨碍数据传输的东西。当所传数据中的比特组合恰巧与某一个控制信息完全一样时，就必须采取适当的措施，使收方不会将这样的数据误认为是某种控制信息。这样才能保证数据链路层的传输是透明的。

1.5 差错控制

差错从何而来？

概括来说，传输中的差错都是由于噪声引起的。

全局性1.由于线路本身电气特性所产生的随机噪声(热噪声)，是信道固有的，随机存在的。解决办法：提高信噪比来减少或避免干扰（对传感器下手）局部性2. 外界特定的短暂原因所造成的冲击噪声，是产生差错的主要原因。解决办法:通常利用编码技术来解决。在这里插入图片描述

1.5.1 冗余编码

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编码VS编码数据链路层编码和物理层的数据编码与调制不同。物理层编码针对的是单个比特，解决传输过程中比特的同步等问题，如曼彻斯特编码。数据链路层的编码针对的是一-组比特，它通过冗余码的技术实现- -组进制比特串在传输过程是否出现了差错。冗余编码：在数据发送之前，先按某种关系附加上一定的冗余位，构成一个符合某一规则的码字后再发送。当要发送的有效数据变化时，相应的冗余位也随之变化，使码字遵从不变的规则。接收端根据收到码字是否仍符合原规则，从而判断是否出错。在这里插入图片描述

1.6 脑图小结

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二、流量控制与可靠传输机制

较高的发送速度和较低的接收能力的不匹配，会造成传输出错，因此流量控制也是数据链路层的一项重要工作。

数据链路层的流量控制是点对点的，而传输层的流量控制是端到端的。数据链路层流量控制手段:接收方收不下就不回复确认。传输层流量控制手段:接收端给发送端一一个窗口公告。 2.1 流量控制的方法

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2.2 停止-等待协议

1.为什么要有停止_等待协议? 除了比特出差错，底层信道还会出现丢包问题。为了实现流量控制。

丢包:物理线路故障、设备故障、病毒攻击、路由信息错误等原因，会导致数据包的丢失。 “ "停止-等待”就是每发送完一个分组就停止发送，等待对方确认，在收到确认后再发送下一个分组。

在这里插入图片描述信道利用率：

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2.3 选择重传协议（较优）

在这里插入图片描述 SR发送方必须响应的三件事

1.上层的调用从上层收到数据后，SR发送方检查下一个可用于该帧的序号，如果序号位于发送窗口内，则发送数据帧;否则就像GBN一样，要么将数据缓存，要么返回给上层之后再传输。

2.收到了一个ACK 如果收到ACK，加入该帧序号在窗口内，则SR发送方将那个被确认的帧标记为已接收。如果该帧序号是窗口的下界(最左边第一一个窗口对应的序号)，则窗口向前移动到具有最小序号的未确认帧处。如果窗口移动了并且有序号在窗口内的未发送帧，则发送这些帧。

3.超时事件每个帧都有自己的定时器，一个超时事件发生后只重传一个帧。

SR接收方将确认一个正确接收的帧而不管其是否按序。失序的帧将被缓存，并返回给发送方一个该帧的确认帧**[收谁确认谁]**，直到所有帧(即序号更小的帧)皆被收到为止，这时才可以将一批帧按序交付给上层，然后向前移动滑动窗口。

在这里插入图片描述总结：

1.对数据帧逐一确认，收一个确认一个 2.只重传出错帧 3.接收方有缓存 4、发送窗口最好等于接收窗口（大了会溢出，小了没意义）

2.4 后退N帧协议

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GBN发送方必须响应的三件事

1.上层的调用上层要发送数据时，发送方先检查发送窗口是否已满，如果未满，则产生一个帧并将其发送;如果窗口已满，发送方只需将数据返回给上层，暗示上层窗口已满。上层等一会再发送。(实际实现中，发送方可以缓存这些数据，窗口不满时再发送帧)。 2.收到了一个ACK GBN协议中，对n号帧的确认采用累积确认的方式，标明接收方已经收到n号帧和它之前的全部帧。 3.超时事件协议的名字为后退N帧/回退N帧，来源于出现丢失和时延过长帧时发送方的行为。就像在停等协议中一样，定时器将再次用于恢复数据帧或确认帧的丢失。如果出现超时，发送方重传所有已发送但未被确认的帧。

GPN接收方要做的事

如果正确收到n号帧，并且按序，那么接收方为n帧发送一个ACK，并将该帧中的数据部分交付给上层。其余情况都丢弃帧，并为最近按序接收的帧重新发送ACK。接收方无需缓存任何失序帧，只需要维护一个信息: expectedseqnum (下一个按序接收的帧序号)。

在这里插入图片描述总结： 1.累积确认(偶尔捎带确认) 2.接收方只按顺序接收帧，不按序无情丢弃 3.确认序列号最大的、按序到达的帧 4.发送窗口最大为2"-1，接收窗口大小为1

优缺点：

优点：因连续发送数据帧而提高了信道利用率缺点：在重传时必须把原来已经正确传送的数据帧重传，使传送效率降低。

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二、链路分类

点对点链路：两个相邻节点通过一个链路相连，没有第三者。应用: PPP协议，常用于广域网。广播式链路：所有主机共享通信介质。应用:早期的总线以太网、无线局域网，常用于局域网。

2.1 介质访问控制

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信道划分介质访问控制: 将使用介质的每个设备与来自同一信道上的其他设备的通信隔离开，把时域和频域资源合理地分配给网络上的设备。

多路复用技术：把多个信号组合在一条物理信道上进行传输，使得多个计算机或终端设备共享信道资源，提高信道利用率。

共享信道：把一条广播信道，逻辑.上分成几条用于两个节点之间通信的互不干扰的子信道，实际就是把广播信道转变为点对点信道在这里插入图片描述

2.1.1 统计时分复用

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2.1.2 波分多路复用WDM

波分多路复用就是光的频分多路复用，在一根光纤中传输多种不同波长(频率)的光信号，由于波长(频率)不同，所以各路光信号互不干扰，最后再用波长分解复用器将各路波长分解出来。

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2.1.3 码分多路复用CDM

码分多址(CDMA) 是码分复用的一一种方式。 1个比特分为多个码片/芯片(chip) ，每一个站点被指定一个唯一的m位的芯片序列。

2.2 ALOHA协议

在这里插入图片描述冲突：在一条信道上，同时有多人进行信息传输，造成碰撞纯ALOHA协议：时隙ALOHA协议时隙ALOHA协议的思想:把时间分成若千个相同的时间片，所有用户在时间片开始时刻同步接入网络信道，若发生冲突，则必须等到下一个时间片开始时刻再发送。控制想发就发的随意性在这里插入图片描述总结： 1.纯ALOHA比时隙ALOHA吞吐量更低，效率更低。 2.纯ALOHA想发就发，时隙ALOHA只有在时间片段开始时才能发。

2.3 CSMA协议（载波监听）

当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大( 互相叠加)。当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞，即发生了冲突。

CS: 载波侦听/监听，每一个站在发送数据之前要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据。

**MA:**多点接入，表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。在这里插入图片描述坚持指的是对于监听信道忙之后的坚持。 1-坚持CSMA思想:

如果一个主机要发送消息，那么它先监听信道。空闲则直接传输，不必等待。忙则一直监听，直到空闲马上传输。如果有冲突(一段时间内未收到肯定回复)，则等待一个随机长的时间再监听，重复上述过程。

优点: 只要媒体空闲，站点就马上发送，避免了媒体利用率的损失。缺点: 假如有两个或两个以上的站点有数据要发送，冲突就不可避免。

非坚持指的是对于监听信道忙之后就不继续监听。非坚持CSMA思想:

如果一个主机要发送消息，那么它先监听信道。空闲则直接传输，不必等待。忙则等待一个随机的时间之后再进行监听。

优点:采用随机的重发延迟时间可以减少冲突发生的可能性。缺点:可能存在大家都在延迟等待过程中，使得媒体仍可能处于空闲状态，媒体使用率降低。

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三、局域网基本概念和体系结构 3.1 局域网

局域网(Local Area Network) : 简称LAN, 是指在某一区域内由多台计算机互联成的计算机组，使用广播信道。

特点1:覆盖的地理范围较小，只在-一个相对独立的局部范围内联，如一座或集中的建筑群内。特点2:使用专门铺设的传输介质(双绞线、同轴电缆)进行联网，数据传输速率高(10Mb/s~ 10Gb/s)。特点3:通信延迟时间短，误码率低，可靠性高。特点4:各站为平等关系，共享传输信道。特点5:多采用分布式控制和广播式通信，能进行广播和组播。

决定局域网的主要要素为:网络拓扑，传输介质与介质访问控制方法。

3.1.1 局域网拓扑结构

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3.1.2 局域网传输介质

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3.1.3 局域网介质访问控制方法 1.CSMA/CD常用于总线型局域网，也用于树型网络2.令牌总线常用于总线型局域网，也用于树型网络它是把总线型或树型网络中的各个工作站按- -定顺序如按接口地址大小排列形成一个逻辑环。只有令牌持有者才能控制总线，才有发送信息的权力。3.令牌环用于环形局域网，如令牌环网 3.1.4 局域网的分类 1.以太网：以太网是应用最为广泛的局域网，包括标准以太网(10Mbps) 、快速以太网( 100Mbps)、千兆以太网(1000 Mbps)和10G以太网**：它们都符合1EEE802.3系列标准规范。逻辑拓扑总线型，物理拓扑是星型或拓展星型。使用CSMA/CD.2.令牌环网物理上采用了星形拓扑结构，逻辑上是环形拓扑结构。已是“明日黄花”。3.FDDI网 (Flber Distrlbuted Data Interface)物理上采用了双环拓扑结构，逻辑上是环形拓扑结构。4.ATM网 (Asynchronous Transfer Mode)较新型的单元交换技术,使用53字节固定长度的单元进行交换。 5.无线局域网 (Wreless LocalArea Network; WLAN)采用IEEE 802.11标准。 3.1.5 MAC子层和LLC子层

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3.2 以太网概述

以太网(Ethernet)指的是由Xerox公司创建并由Xerox、Intel和DEC公司联合开发的基带总线局域网规范，是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。以太网络使用CSMA/CD (载波监听多路访问及冲突检测)技术。

3.2.1 以太网在局域网各种技术中占统治性地位: 1.造价低廉( 以太网网卡不到100块) ;2.是应用最广泛的局域网技术;3.比令牌环网、ATM网便宜，简单;4.满足网络速率要求: 10Mb/s~10Gb/s. 3.2.2 以太网连接服务

以太网提供无连接、不可靠的服务

**无连接:**发送方和接收方之间无“握手过程”。 **不可靠:**不对发送方的数据帧编号，接收方不向发送方进行确认，差错帧直接丢弃，差错纠正由高层负责。以太网只实现无差错接收，不实现可靠传输。

3.2.3 以太网传输介质与拓扑结构

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3.2.4 适配器与MAC地址

计算机与外界有局域网的连接是通过通信适配器的。在这里插入图片描述适配器上装有处理器和存储器(包括RAM和ROM)。 ROM上有计算机硬件地址:MAC地址。

在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或MAC地址。[ 实际上是标识符]

MAC地址:每个适配器有一个全球唯- -的48位二进制地址，前24位代表厂家(由IEEE规定)，后24位厂家自己指定。常用6个十六进制数表示，如02-60-8c-e4-b1-21。

3.2.5 以太网MAC帧

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3.2.6 总结

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3.3 无线局域网

无线局域网最大可以覆盖几千米 WIFI只属于无线局域网的一种,可能就覆盖一间屋子在这里插入图片描述

3.4 广域网

广域网(WAN，Wide Area Network)，通常跨接很大的物理范围，所覆盖的范围从几十公里到几千公里，它能连接多个城市或国家，或横跨几个洲并能提供远距离通信，形成国际性的远程网络。广域网的通信子网主要使用分组交换技术。广域网的通信子网可以利用公用分组交换网、卫星通信网和无线分组交换网，它将分布在不同地区的局域网或计算机系统互连起来，达到资源共享的目的。如因特网(Internet) 是世界范围内最大的广域网。

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