数据链路层

数据链路层基本服务

数据链路层基本服务

数据链路层要解决的问题：分组在一个网络（或一段链路）上传输的问题。

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• 帧，是链路上的数据单元。数据链路层关注3个重点问题：封装成帧，差错检测，可靠传输。

链路层提供以下服务（4个）：

• 组帧。将数据封装成帧。帧头包含发送结点和接收结点的地址信息；帧尾包含用于差错检测的控制编码。

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• 链路接入。两种接入方式：点对点链路、广播链路（需借助MAC协议，才可实现帧的正确传输）。
  • 点对点：需关注组帧、差错控制、可靠交付3个问题。
  • 广播：基于CSMA/CD协议的共享式以太网的媒体接入控制协议、基于CSMA/CA协议的802.11局域网的媒体接入控制协议
• 可靠交付。
• **差错控制。**只要有数据传输的地方，就肯定有出错的几率，故需采取降低错误的措施，如：检错重发、前向纠错，检错丢弃、反馈校验。

差错控制 100° *

概念

1. 通过差错编码技术检测数据完整性；

2. 通过一些措施进行差错纠正和处理；

3. 是实现可靠传输的重要技术手段。

噪声的影响

之所以会发生传输差错，和噪声有关。

分类：随机噪声（热噪声）、冲击噪声（电闪雷鸣）。

影响：随机噪声产生随机差错，冲击噪声产生突发差错。（影响力：突发＞随机）

方式：巧记：”两检，一前一反“

检错重发

发送端：对待发送的数据进行==差错编码==。

接收端：对已接收的数据进行差错检测，有误则反馈给发送端并请求重发，直至正确。

前向纠错

发送端：对待发送的数据进行纠错编码。

接收端：对已接收的数据进行差错检测，有误则直接纠错。

适用于：单工链路、或实时性高的应用。

反馈校验

发送端：直接发数据

接收端：发回已经收的数据给发送端。

发送端：检测回送的数据是否正确，有误则重发，直至正确

【考点】反馈检验无需差错编码，不建议使用，效率低，实时性差。

检错丢弃

数据有误，就丢弃。

差错编码 100° **

差错编码的基本原理：在源数据上附加一定的冗余信息，该冗余信息建立起数据信息的某种关联关系，将数据信息以及附加的冗余信息一同发送到接收端，接收端可以检测冗余信息表征的数据信息的关联关系是否存在，如果存在则没有错误，否则就有错误。

差错编码 *

奇偶校验码

约定：待发送数据的格式为二进制位串，如1001001001101

校验方式：在待发送数据后面添加1位奇偶检验位，使得整个位串中“1”的个数为奇数（奇校验）、或偶数（偶校验），奇校验奇数个1，偶校验偶数个1。

实例：待发送的数据 101101

注：（粗体为校验位）（高亮部分为误码）

奇校验时：

1101101​ → 1101100

1101101 → 0111101

偶校验时

0101101 → 0101111

0101101 →==1==001101

结论：奇变偶不变，有变就能检测出误码。

CRC循环冗余码 *

广泛使用，检错能力强，编码效率高，易于实现。

应试技巧

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实现方式

• 收发双方约定好一个生成多项式G(X)
• 发送方：数据位串+冗余码（通过G(X)计算得到）
• 接收方：利用生成多项式G(X)测试数据是否产生无码。

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示例：

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发送端CRC计算规则	示例
构造被除数（待发信息后面添加生成多项式最高次数个0）	待发信息：101001，最高次数为3，则被除数为：101001000
构造除数（生成多项式系数构成的比特串）	G(X)=x3+x2+1，其系数构成的比特串位：1101
进行除法运算（异或运算）	异或运算：同为0，异为1
检查余数（余数位数==生成多项式的最高次数，不足则在余数前补0）	101001000/1101= 110101···1 ，余数为1，与生成多项式最高次不等，补0，则为001

多路访问控制协议（MAC协议）

MAC协议，全称Multiple Access Control Protocol，又叫多路访问控制协议。其根本任务，解决信道共享问题。

数据链路层的信道主要有：点对点信道、广播信道（需借助MAC协议来完成帧的传输）。

MAC协议有3类：

• 信道划分
• 随机访问
• 受控接入 （过时）

信道划分MAC协议

信道划分MAC协议用的是多路复用技术，主要包括频分多路复用、时分多路复用、波分多路复用、码分多路复用。

**多路复用技术：**把多个低速信道组合成一个高速信道的技术，提高数据链路的利用率。

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• 频分多路复用FDM:

• 时分多路复用TDM:

• 波分多路复用WDM:光纤用的就是这个技术。

• 码分多路复用CDM:

随机访问MAC协议 100°

ALOHA协议 **

• 纯ALOHA协议
• 时隙ALOHA协议

纯ALOHA协议：任何站点有数据发送时，都可以直接发送数据。发送站发出数据后侦听一段时间，在侦听期间若收到接收站发来的应答信号，则说明发送成功，反之失败，则等待一个随机时间再进行重发，再冲突再等，直到发送成功为止。

时隙ALOHA

了解下它的基本思想：将时间划分成若干个相同的时间片，所有用户在时间片开始时刻同步接入网络信道，若发送冲突，则必须等到下一个时间片开始时刻再发送。

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载波监听多址接入协议（CSMA协议） 100° *

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分类：

	非坚持CSMA 100°	1-坚持CSMA 100°	P-坚持CSMA
数据发送前	先侦听信道	先侦听信道	先侦听信道
信道空闲时	立即发送数据	立即发送数据	P概率：在最近时隙发送， 1-P概率：延迟到下一个时隙发
信道忙时	等一个随机时间后重发	继续侦听直至空闲	等下一个时隙并重新发送
有冲突时	等一个随机时间后重发		等一个随机时间后重发

注意：他们实现原理必考，注意理解掌握。

带冲突检测的载波监听多址接入协议（CSMA/CD协议） 100° **

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工作原理：通信站发送数据时，若检测到冲突，则立即停止发送数据，并发出一个冲突强化信号，用于告知其他通信站此时信道忙碌。

工作状态：

1. 传输状态：当信道被占用时，其他通信站禁止使用。
2. 竞争状态：所有通信站都有权尝试获取信道使用权。
3. 空闲状态：没有通信站使用信道。

使用CSMA/CD协议实现多路访问控制时，通过共享通信信道的两个通信站之间相距的最远距离D、信号传播速度v、数据帧长度L、信道信息传输速率R需满足以下约束：传输时延≥2倍的传播时延，因此可得结论：CSMA/CD存在冲突的主要原因是因为信号的传播时延。
$$
\frac{L_m}{R} ≥ \frac{2D_m} {v}
$$
【说明】L_m 数据帧最小长度； R 信息传输速率； D_m 两通信站之间的最远距离 ；v​ 信号传播速度

载波监听多址接入/碰撞监测 即 CSMA/CD 。

CSMA/CD 帧发送流程

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CSMA/CD 帧接收流程

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受控接入MAC协议

用户不可随意接入信道，必须服从控制。受控接入MAC分：集中式控制、分散式控制。

局域网 100° *

ARP协议 100°

（一般考简答）

地址解析协议，将IP地址解析为对应的MAC地址。

作用：根据本网目的主机或默认网关的IP地址获取其MAC地址。

基本思想：每台主机都设有专用内存区，用于存放一张ARP表，该表存储了该主机与所在局域网内其他主机和路由器的IP地址与MAC地址的映射关系，ARP表更新频繁。ARP是通过广播ARP来询问目的IP地址对应的MAC地址。

虚拟局域网（VLAN）

虚拟局域网

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划分虚拟局域网有3种方式： 100°

1. 基于交换机端口
2. 基于MAC地址
3. 基于上层协议类型或地址划分

冲突域、广播域

冲突域：冲突域是指在一个局域网内，如果任意两个结点同时向物理介质中发送信号，这两路信号一定会在物理介质中相互叠加或干扰，从而导致数据发送的失败，则这两个结点位于同一个冲突域。

广播域：广播域是指任一结点如果发送链路层广播帧（即目的 MAC 地址为 FF-FF-FF-FF-FF-FF）的话， 接收该广播帧的所有结点与发送结点同属于一个广播域。

交换机

基本概念：

工作原理 100°

当一帧到达时，交换机首先决策将该帧丢弃还是转发，如果是转发，则需要进一步决策将该帧转发到哪个端口，决策依据是以帧的目的MAC地址为主键，查询交换表，若表中有帧的目的MAC地址对应的交换表项，且端口与接收该帧的端口相同，则丢弃该帧，否则向指定端口转发该帧。若交换表中没有帧的目的MAC地址对应的交换表项，则开始泛洪。

工作方式

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点对点链路协议

点对点链路协议

PPP协议 100° **

PPP是使用最多的点对点链路协议，其功能有三类：

1. 成帧
2. 链路控制协
3. 网络控制协议

PPP数据帧结构：

帧结构

PPP的字节填充技术

控制转移字节**“01111101”**用来解决信息中的01111110 与标志字段01111110重复的问题。

**PPP的透明传输 **

首先，弄懂什么是透明传输：通过处理数据比特组合中恰巧与控制信息一致的比特串，以保证传输是透明的。

透明传输

PPP实现透明传输是通过字节填充实现。在帧的首尾分别添加0111110，PPP会对边界内的内容进行scan，当内容里存在0111110​​时，在该字节**前面添加01111111，以标识该字节为数据的比特串而非控制信息的比特串。如：0010111110**→001011111110111110

HDLC协议 100°

HDLC协议是面向位的协议，既适用于点对点，也适用于点对多点的链路。

HDLC有3种类型的帧：

1. 信息帧
2. 管理帧
3. 无序号帧

HDLC数据帧结构：

标志位	地址位	控制位	数据	校验和	标志位
01111110					01111110

HDLC的透明传输

为避免数据中的比特串与控制信息的比特串相同，HDLC采用**位填充**方式区分HDLC帧的边界，发送端会对边界内的内容进行scan，只要发现5个连续的1（11111），就在第5个1后面插入一个0，如：0111110 → 发现5个连续的1 → 011111010。以此区分数据比特串与控制信息比特串。