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第三章 数据链路层
- 点对点信道：使用一对一的点对点通道
- 广播信号：一堆多的广播通信
3.1 使用点对点信道的数据链路层
3.1.1 数据链路和帧
链路（物理链路）：一是条无源的点到点的物理线段路段，中间没有任何其他的交换节点
数据链路（逻辑链路）：除去物理线路外，还要有通信协议来控制数据的传输
3.1.2 三个基本问题
- 封装成帧：在IP数据报的前后分别添加首部和尾部，就构成一个帧，确定帧的界限。MTU：数据部分的上限，最大传送单元
帧定界可以使用特殊的帧定界符。
SOH 和 EOT 都是控制宇符的名称。它们的十六进制编码分别是 01 (二进制是 00000001) 和 04 (二进制是 00000100)
- 透明传输
解决方法：字节填充（异步传输，字符为单位）或字符填充（同步网络，字节为单位）
发送端的数据链路层在数据中出现控制字符"SOH" “EOT” 的前面插入一个转义字符 “ESC” (其十六进制编码是 1B ，二进制是00011011 )
- 差错控制
比特在传输过程中可能会产生差错：能会变成 ，而 也可能变成 。这就叫做比特差错。比特差错是传输差错中的一种
在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比率称为误码率 BER (Bit Error Rate) 。
CRC循环冗余检错技术（计算重点）
带传入数据为M（位数k）,在M后面添加n位冗余码，构成一个帧（位数k +ｎ）发送出去。
ｎ位冗余码获得方式：先在Ｍ后面加上ｎ个０；除以Ｐ（双方协定的长度为ｎ＋１）得出商是Q而余数是R（n位，比P少一位）；将余数拼接在M后传输即可。
如果接收方的数据可以除尽P，那么就没错，反之。
思考点：可能改变的很多位，导致最后接受的数据也可以除尽P，减少这种情况的概率的方法：增加P的位数
多项式表示除数：多项式P(X)= X3 + X2 + 1；那么初始P = 1101。
数据链路层若仅仅使用循环冗余检验CRC差错检测技术，则只能做到对帧的无差错接受；凡是接受端数据链路层接受的帧均无差错
可靠传输：不重复，不丢失，不失序
3.2 点对点协议 PPP
3.2.1 PPP协议的特点
PPP协议满足的需求
- 简单：这是首要的要求
- 封装成帧：必须规定特殊的字符作为帧定界符
- 透明性：必须保证数据传输的透明性
- 多种网络层协议：能够在同一条物理链路层上同时支持多种网络层协议
- 多种类型链路：能够在多种类型链路上运行
- 差错检测：能够对接收端收到的帧进行检测，并立即丢弃有差错的帧
- 检测连接状态
- 最大传输单元
- 网络层地址协商
- 数据压缩协商
PPP协议不需要的功能
- 纠错
- 流量控制
- 序号
- 多点线路
- 半双工或单工链路
PPP协议的组成（了解）
- 一个将IP数据报封装到串行链路的方法
- 链路控制协议LCP
- 网络控制协议NCP
3.2.2 PPP协议的帧格式
各字段的意义
ppp 帧的首部和尾部分别为四个字段和两个字段。
首部的第一个字段和尾部的第二个字段都是标志宇段 (Flag) ，规定为 0x7E，标志宇段表示一个帧的开始或结束。
协议是对应上层使用的协议，FCS是CRC冗余的效验码
字节填充（异步传输）
转义符定义为 0x7D
-
把信息宇段中出现的每一个 0x7E 字节转变成为 宇节序列(0x7D，0x5E日。
-
若信息宇段中出现一个 0x7D 的字节(即出现了和转义宇符一样的比特组合) ，则0x7D 转变成为 字节序列(0x7D，0x5D)
零比特传输（同步传输
在发送端，先扫描整个信息子段。只要发现有5个连续1，则立即填入一个0。
标识符F为：01111110
不提供使用序号（不需要可靠传输，所以不需要使用序号）和确认的可靠传输
3.2.3 PPP协议的工作状态（了解）
3.3 使用广播信道的数据链路层
3.3.1 局域网的数据链路层
局域网的特点：一个单位所拥有，地理范围和站点数目有限
局域网的优点：
- 广播功能
- 共享连接在局域网上各种硬件和软件资源
- 各设备可以灵活调整
- 提高系统的可靠性、可行性和残存性
媒体共享技术：
- 静态划分信道：频分复用，时分复用，波分复用和码分复用
- 动态媒体接入控制（多点接入）：随机接入，受控接入（时分复用中的不同时间用）
以太网的两个标准：DIX Ethernet V2（第一个局域网产品的规约），IEEE 802.3
数据链路层的两个子层：逻辑链路控制LLC子层，媒体接入控制MAC子层
适配器（网卡）：用到（数据链路层，物理层）（又称网络接口层）；重要功能：
- 进行串行/并行装换
- 戳数据进行缓存
- 在计算机的操作系统安装设备驱动程序
- 实现以太网协议
3.3.2 CSMA/CD协议（重点）
以太网是许多计算机共同使用一条总线。
使用广播机制在总线上给所有计算机都发送信息，但只有特定的计算机才可以接收（与数据帧的首部写入的地址匹配）。
以太网两种重要特征（为了通信的简便）：
-
较灵活的无连接的工作方式
-
不必先建立连接就可以直接发送数据
- 对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认
- 这样做的理由是局域网信道的质量很好，因信道质量产生差错的概率很小
-
使用的曼彻斯特编码
以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力交付
对有差错的数据帧就丢弃啥也不做，差错的纠正由高层来决定
高层发现缺失数据进行重传，但以太网不知道数据的重复，会将其当成一个新的数据帧来发送
CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）含义：载波监听多点接入/碰撞检测
多点接入：表示许多计算机以多点接入的方式连接在一条总线上
载波监听：指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞
碰撞检测：计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小
两个信号碰撞后，二者不会有任何感觉，但是二者的信号会相互叠加
碰撞检测过程（需要理解）
碰撞或的信号发生严重的失真，无法从中恢复有用的信号
每一个发送数据的站，一旦发现总线上出现碰撞，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，然后等待一段时间后再发送。
CSMA/CD重要特性：
- 半双工通信
- 每个站发送数据之后的一小段时间内，存在碰撞的可能性
- 这种萨松的不确定性使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率
争用期
t = 2 * τ - δ 最小等于（δ = τ）的时间内可以知道是否发生碰撞δ = 0 时，t = 2 * τ 时，以太网的端到端往返时延 2 * τ 称为 争用期（或碰撞窗口）
结论：如果在争用期捏没有发生碰撞，那么肯定没有发生碰撞，而且以后也不会发生碰撞
二进制指数类型退避算法
发生碰撞，我们推迟一个随机时间才能发送数据。
基本退避时间为争用期2 * τ ；从整数[0, 1, 2,…,(2k - 1)]中随机地取出一个数，并与基本退避时间相乘；k = min(重传次数， 10)；当重传达到16次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。
争用期长度
10Mbit/s（1km的长度）以太网取51.2μs(2 * τ) 为争用期的长度
10Mbit/s * 51.2μs = 512bit = 64字节
强化碰撞
在发现碰撞的时候，会继续发送若干比特的人为干扰信号，让所有用户都知道现在已经发生碰撞
归纳总结：先听后发，边听边发，冲突停止，延迟重发
3.3.3 使用集线器的星形拓扑
接到任何线路上的消息，直接复制到其他线路上发送，添加用户简便
星型以太网标准：
F：光纤
集线器的一些特点：
- 物理上是一个星型网，逻辑上任是一个总线网，各工作站使用的还是CSMA/CD协议，并共享逻辑上的总线
- 工作在物理层
3.3.4 以太网的信道利用率
要提高以太网的信道利用率，就必须减小 τ 与 T0 之比
在以太网中定义了参数 a 它是以太网单程端到端时延 τ 与帧的发送时间 T0 之比：a = τ / T0
- 当数据率一定时，以太网的连线的长度受到限制
- 同时以太网的帧长不能太短
极限信道利用率Smax = T0 / (T0 + τ) = 1 / (1 + a)
了只有当参数 远小于 才能得到尽可能高的极眼信道利用率
3.3.5 以太网的MAC层
MAC层的硬件地址（物理地址，MAC地址）
如果连接在局域网内的主机或路由器安装有多个适配器，那么这样的主机就会有多个“地址”；
这种48位“地址”应当是某个接口的标识符
48位MAC地址
6字节（48位）：高位24位，是生产厂家，称组织唯一标识符；低位24位，称扩展唯一标识符，一个厂家没有重复的地址
查看MAC地址：命令行：ipconfig -all
三种帧：
- 单播帧
- 广播帧：发送的地址（FF-FF-FF-FF-FF-FF）
- 多播帧
混杂方式：只要听到的数据帧都收下来
前同步码，直到帧出现11时，帧开始定界符
无效的MAC帧，直接丢弃
- 数据字段的长度与长度（类型）字段的值不一致
- 帧的长度不是整数个字节
- 用收到的帧检验序列FCS查出有差错
- 数据字段的长度不在46~1500字节之间
- 有效的MAC帧长度为64~1518字节之间
帧的最小间隔：9.6μs；就是接收到帧后，需要缓冲一下，再接收下一个帧
3.4 扩展的以太网（略）
17个视频16:50分
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