04741 计算机网络原理 第5章 数据链路层与局域网

5.1 数据链路层服务

数据链路层的传输单元称为帧

实现数据链路层协议的典型硬件实体是：网络适配器（NIC，网卡）

数据链路层提供的服务：

• **组帧：**在要传输的数据的基础上增加帧头和帧尾。
  • 帧头：发送结点和接收结点的地址信息
  • 帧尾：用于差错检测的差错编码
• 链路接入：物理链路可以分为点对点链路和广播链路
  • 点对点链路：发送节点和结束节点独占信道，只要链路处于空闲状态，随时可以使用链路发送和接收帧，因此链路的接入控制很简单。
  • 广播链路：通信链路被多个结点共享，必须运行媒介访问控制协议，来协调各结点使用共享的物理传输媒介，实现帧的成功传输
• **可靠交付：**在相邻结点间经数据链路实现数据报的可靠传输
  • 无线链路（出错率高）：支持可靠数据传输的数据链路层协议
  • 光纤、双绞线（出错率低）：不提供可靠传输的数据链路层协议
• **差错控制：**数据链路层帧在物理媒介上的传播过程，可能会出现比特翻转的差错。
  • 误比特率：出现差错的比特数/传输比特总数
  • 差错控制措施：通过确认重传纠正差错，或者直接丢弃差错帧

5.2 差错控制

1. 差错控制

差错控制就是同差错编码技术，实现对信息传输差错的检查，并基于某种机制进行差错纠正和处理。

噪声：

• 随机噪声
• 冲击噪声

差错控制的基本方式：

• **检查重发：**发送端对待发数据进行差错编码，编码后的数据通过信道传输，接收端利用差错编码检测数据是否出错，对于出错的数据，接收端请求发送端重发数据加以纠正，直到接收端接受到正确的数据为止。
• **前向纠错（FEC）：**是接收端进行差错纠正的一种差错控制方法。需要利用纠错编码，即这类编码不仅可以检测数据传输过程中是否发生错误，而且还可以定位错误位置并直接加以纠正
• **反馈校验：**接收端手收到的数据原封不动发回发送端，发送端通过对比接收端反馈的数据与发送的数据可以确认接收端是否正确无误接受了已发送的数据，如果不同，则重发数据，直到收到接收端反馈的数据与已发送数据一致为止。
  • 优点：原理简单，易于实现，无需差错编码
  • 缺点：需要相同传输能力的反向通道，传输效率低，实时性差
• **检错丢弃：**如果网络应用对可靠性要求不高，可以采用不纠正出错数据，直接丢弃错误数据（适用于实时性要求较高的系统）

香农信道编码定理：对于一个给定的有干扰的信道，只要发送端以低于信道容量C的数据速率R发送信息，则一定存在一种编码方法，使得编码错误概率P随着码长n的增加而按指数下降至任意小的值。

**差错编码的基本原理：**在待传输数据信息的基础上，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。

2.差错编码的检错与纠错能力

不同差错编码的检错或纠错能力是不同的。差错编码的检错或纠错能力与编码集的汉明距离有关。

**汉明距离：**两个等长码字之间，对应位数不同的位数

如：码子01100101与10011101之间的汉明距离d = 5

差错编码的所有有效码子的集合称为该差错编码的编码集，一个编码集的汉明距离为该编码集中任意两个码子之间的汉明距离的最小值

对于检错编码，如果编码集的汉明距离d = r +1 则该差错编码可以检测r位的差错

对于纠错编码，如果编码集的汉明距离d=2r+1, 则该差错编码可以纠正r位的差错

3. 典型的错误编码

• 奇偶校验码：利用1位冗余信息实现差错检测，1位冗余位的取值为0或1
  • 奇校验码：编码后的码字中1的个数为奇数
  • 偶校验码：：编码后的码子中1的个数为偶数
  • 优点：编码简单，编码效率高，是开销最小的检错编码
  • 缺点：检错率不高
• 汉明码：典型的线性分组码，可以实现单个比特差错纠正，在数据通信以及数据存储系统中得到广泛应用
• **循环冗余码：**现今的计算机网络中，尤其在数据链路层协议中，广泛应用的差错编码是循环冗余检查编码（CRC）简称循环冗余码，或CRC码，CRC编码是一类重要线性分组码，也称为多项式编码，因为该编码可以将要发送的位串看做为一个系数为0或1的多项式，对位串的操作被解释为多项式算术运算
  • 基本思想是：将二进制位串看成是系数为0或1的多项式的系数
  • 例题：100101有6位，因此代表了一个又6项的多项式，其系数分别是1、0、0、1、0、1，即1x^5 + 0x^4 + 0x^3 + 1x^2 + 0x^1 +1x^0 = x^5 + x^2 + 1

5.3 多路访问控制协议

数据链路层使用信道的两种类型：

• 点对点信道：信道使用一对一的通信方式，信道被通信双方独享
• 广播信道：使用一对多的广播方式，广播信道上连接的节点很多，信道被所有结点共享，必须使用多路访问控制（MAC）协议来协调结点的数据发送

3种MAC协议：

• 信道划分MAC协议
• 随机访问MAC协议
• 受控接入MAC协议

1. 信道划分MAC协议

MAC协议的根本任务是解决信道共享问题

多路复用技术是实现物理信道共享的经典技术，其基本思想是将信道资源划分后，分配给不同的结点，各结点通信时只适用其分配到的资源，从而实现了信道的共享，并避免了多结点通信时的相互干扰。

多路复用：

• **频分多路复用（FDM）：**简称频分复用，是频域划分制，即在频域内将新到带宽划分为多个子信道，并利用载波调制技术，将原始信号调制到对应某个子信道的载波信号上，使得同时传输的多路信号在整个物理信道带宽允许的范围内频谱不重叠，从而共用一个信道
  • 常用于：模拟传输的带宽网络
  • 优点：分路方便，在有线和微波通信系统中应用十分广泛
  • 缺点：串扰、不易小型化、不提供差错控制技术、以及不便于性能检测
• **时分多路复用（TDM）：**简称时分复用，是一种时域划分，即将通信信道的传输信号在时域内划分为多个等长的时隙，每路信号占用不同 时隙，在时域上互不重叠，使多路信号合用单一的通信信道，从而实现信道共享
  • 同步时分多路复用：按照固定的顺序把时隙分配给各路信号。易造成信道资源浪费
  • 异步时分多路复用：也叫做统计时分多路复用，与同步时分多路复用相同，需要根据上下文正确区分。时隙与用户之间没有固定的对应关系，所以必须在每个时隙加上用户的标识，以标记该是传输的哪个用户的数据，。
    • 常用于：高速远程通信
    • 技术复杂性性比较高，存在需要传输用户标识等的额外数据传输开销，信道共享冲突问题
• **波分多路复用（WDM）：**简称波分复用，其实质是一种频分多路复用，只是由于在光纤通信中，光载波频率很高，通常用光的波长代替频率来讨论，
  • 常用于：光纤通信
• **码分多路复用（CDM）：**通常利用更长的相互正交的码组分别编码各路原始信息的每个码元，使得编码后的信道在同一信道混合传输，接收端利用码组的正交特性分离各路信号，从而实现信道共享

2. 随机访问MAC协议

随机访问MAC协议：：所有用户都可以根据自己的意愿随机地向信道上发送信息，如果一个用户在发送信息期间没有其他用户发送信息，则该用户信息发送成功，如果两个或两个以上的用户都在共享的信道上发送信息，则会发生冲突或碰撞，导致用户信息发送失败,每个用户随机退让一段时间后，再次尝试，直至成功。

• 特点：站点可以及发送数据，争用信道，容易发生冲突，需要消解冲突的机制，但能够灵活适应站点数目及其通信量的变化

典型的随机访问协议：

• **ALOHA协议：**最早、最基本的无线数据通信协议
  • 纯ALOHA：
    • 工作原理：任何一个站点有数据要发送时就可以直接发送至信道。发送站在发出数据后需要对信道侦听一段时间。如果在这段侦听时间里收到接收站发来的应答信息，说明发送成功。否则说明数据帧遭到破坏，则等待一个随机时间在进行重发，知道重发成功
    • 性能：网络负载不能大于0.5
  • 时隙ALOHA：
    • 工作原理：把信道时间分成离散的时隙，每个时隙为发送一帧所需的发送时间，每个通信站只能在每个时隙开始时刻发送帧，如果在一个时隙内发送帧出现冲突，下一个时隙内以概率p重发该帧，知道帧发送成功。p不能为1，否则出现死锁
    • 性能：相比纯ALOHA性能有所提升，降低了冲突的概率，但是网络负载不能超过1
• 载波监听多路访问协议（CSMA）：
  • 特点：通过载波监听装置，是通信站在发送数据之前，监听信道上其他站点是否在发送数据，如果在发送，则暂时不发送，从而减少了发生冲突的可能。
  • 根据监听策略的不同，CSMA分为三种不同类型：
    • 非坚持CSMA
      • 基本原理：若通信站有数据发送，先侦听信道；若发现信道空闲，则立即发送数据；若发现信道忙或发送数据时产生冲突，则等待一个随机时间，然后重新开始侦听信道，尝试发送数据。
      • 优点：减少了冲突的概率。
      • 缺点：数据发送延迟增大。
    • 1-坚持CSMA
      • 基本原理：若通信站有数据发送，先侦听信道；若发现信道空闲，则立即发送数据；若发现信道忙，则继续侦听信道直至发现信道空闲，然后立即发送数据。若产生冲突，发现冲突后通信站会等待一个随机时间，然后重新开始发送过程。
      • 优点：减少了信道的空闲时间。
      • 缺点：增加了发生冲突的概率。
    • p-坚持CSMA
      • 基本原理：若通信站有数据发送，先侦听信道；若发现信道空闲，则以概率 P 在最近时隙开始时刻发送数据，以概率 Q=1-P 延迟至下一个时隙发送。若下一个时隙仍空闲，重复此过程，直至数据发出或时隙被其他通信站占用；若信道忙，则等待下一个时隙，重新开始发送过程；若发送数据时发生冲突，则等待一个随机时间，然后重新开始发送过程。
• 带冲突检测的载波监听多路访问协议（CSMA/CD ）：
  • 基本原理：通信站使用 CSMA 协议进行数据发送；在发送期间如果能检测到碰撞，立即终止发送，并发出一个冲突强化信号，使所有通信站点都知道冲突的发生；发出冲突强化信号后，等待一个随机时间，再重复上述过程。
  • CSMA/CD 的工作状态分为：
    • 传输周期：一个通信站使用信道，其他站禁止使用
    • 竞争周期：所有通信站都有权尝试对信道的使用权
    • 空闲周期：没有通信站使用信道

3.受控接入MAC协议

受控接入的特点是各个用户不能随意接入信道而必须服从一定的控制。

• 集中式控制：系统有一个主机负责调度其他通信站接入信道，从而避免冲突。主要方法是轮询结束，又分为轮叫轮询和传递轮询
  • 轮叫轮询：主机轮流查询各站。询问有无数据要发送
    • 缺点：轮询帧在共享线路上不停地循环往返，形成了较大的开销，增加了帧发送的等待延时
  • 传递轮询：主机先向站N发出轮询帧，站N在发送数据后或在告诉主机没有数据发送时，即将其相邻站（N-1）的地址附上
• 分散式控制：方法就是令牌技术。令牌技术是一种特殊的帧，代表了通信站使用信道的许可，在信道空闲时一直在信道上传输，一个通信站想要发送数据就必须首先获得令牌，然后在一定时间内发送数据，在发送完数据后重新产生令牌并发送到信道上，以便其他信道站使用信道。
  • 最典型的使用令牌多路访问控制的是 令牌环网

令牌环的操作过程

• 网络空闲时，只有一个令牌在环路上绕行
• 当一个站点要发送数据时，必须等待并获得一个令牌，将令牌的标志位置为1，随后便可发送数据
• 环路中的每个站点边转发数据，边检查数据帧中的目的地址，若为本站点的地址，便读取其中所携带的数据。
• 数据帧绕环一周返回时，发送站将其从环路上撤销，即自生自灭
• 发送站点完成数据发送后，重新产生一个令牌传至下一个站点，以使其他站点获得发送数据帧的许可权

令牌丢失和数据帧无法撤销，是环网上最严重的两种错误，可以通过环路上指定一个站点作为主动令牌管理站，以此来解决这些问题

5.4 局域网

局域网是局部区域网络，其特点是覆盖面积较小，网络传输速率高，传输误码率低。

局域网拓扑类型主要包括 星形网络、总线型网络、环形网络

局域网的数据链路层拆分为两个子层：

• 逻辑链路控制子层（LLC）：面向网络层
• 介质访问控制子层（MAC）：与介质访问控制有关的内容都放在MAC子层

1. 数据链路层寻址与ARP

数据链路层的帧：

• 携带发送帧结点的数据链路层地址
• 鞋带接收结点的数据链路层地址

MAC地址：不是主机或路由器具有链路层地址，而是他们的适配器具有链路层 地址，或称为MAC地址、物理地址、局域网地址等，用来表示局域网中的结点或网络接口。每个接口对应一个MAC地址。链路层的交换机（第二层交换机）的接口没有相关联的链路层地址

MAC地址具有唯一性

地址解析协议（ARP）：根据本网内目的主机的或默认网关的 IP 地址获取其 MAC 地址。

ARP 的基本思想：在每一台主机中设置专用内存区域，称为 ARP高速缓存（也称为 ARP 表），存储该主机所在局域网中其他主机和路由器（即默认网关）的 IP 地址与 MAC 地址的映射关系，并且这个映射表要经常更新。通常过期时间是 20min。

ARP查询分组是通过一个广播帧发送的，而ARP响应分组是通过一个标准的单播帧发送的；

ARP是即插即用的，也就是说，一个ARP表是自动建立的，他不需要系统管理员来配置。

ARP与DNS的区别：

• 解析内容不同：
  • DNS将主机域名解析为对应的IP地址
  • ARP将IP地址解析为对应的MAC地址
• 解析范围不同
  • DNS可以解析Internet内任何位置的主机域名
  • ARP只为在同一个子网的主机和路由器接口解析IP地址
• 实现机制不同
  • DNS是一个分布式数据库，DNS的解析需要在层次结构的DNS服务器之间进行查询
  • ARP通过局域内广播ARP查询，维护ARP表，获取同一子网内主机或路由器接口的IP地址与MAC地址映射关系

2. 以太网

以太网是目前为止最流行的有线局域网技术

以太网中的数据字段最少要46字节，最短帧长为64字节。

以太网的MAC协议是CSMA/CD，当发生冲突时，采用二进制指数退避算法计算随机退避时间。（经典以太网的争用期为51.2/us。退避时间取争用期($P_{202}$)的 r 倍，其中，”从整数集合[0，1.，$2^k$-1]中随机取一个数，k=Min[连续冲突次数，10]，当k≤10时，参数k等于连续冲突次数；当连续冲突次数达到16次仍不能成功发送帧时，即放弃该帧传输，并向高层报告。）

【简答】冲突域与广播域的概念

• 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，这两个结点位于同一个冲突域。
• 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。

【选择、简答】虚拟局域网（VLAN）

• 定义：是一种基于交换机（必须支持VLAN功能）的逻辑分割（或限制）广播域的局域网应用形式。
• 应用：
  • 划分虚拟局域网的方法主要有3种：
    • 基于交换机端口划分
    • 基于MAC地址划分
    • 基于上层协议类型或地址划分

【简答】交换机的工作原理：
（1）交换机根据收到数据帧中的源MAC地址建立该地址同交换机端口的映射，并将其写入MAC地址表中。
（2）交换机将数据帧中的目的MAC地址同已建立的MAC地址表进行比较，以决定由哪个端口进行转发。
（3）如数据帧中的目的MAC地址不在MAC地址表中，则向所有端口转发。这一过程称为泛洪。
（4）广播帧和组播帧向所有的端口转发。
从工作原理看，交换机就是多端口的网桥。“透明”网桥是一种即插即用设备。

1. 交换机是典型的数据链路层设备，通过自学习（详见教材P206）构建交换表，当从一个端口收到帧时，依据帧的目的MAC地址，查询交换表，决策如何转发帧。
2. 交换机可以隔离冲突域，但是不能隔离广播域。

以太网交换机的优点

• 消除冲突
• 支持异质链路
• 网络管理

5.5 点对点链路协议

典型的点对点链路协议：

• PPP
• HDLC协议

PPP是现在使用最多的点对点链路的数据链路层协议。

PPP主要提供3类功能：

• 成帧
• 链路控制协议
• 网络控制协议

PPP数据帧结构：

PPP的透明传输：

• 定义PPP帧的边界（标志），是由在帧的首尾分别添加一个字节“01111110”来实现的，PPP采用字节填充转义，字节 “01111101” 称为PPP的控制转义字节。
• 但是边界内也可能存在01111110，所以PPP成帧时会对边界内的内容进行扫描，若发现有01111110，则在该字节前插入字节“01111101”，即在01111110前填充一个转义字符进入传输的数据流中，以指示随后的01111110不是一个标志字段，而是真正的数据。

HDLC协议是面向位的协议，不仅可用于点对点链路还可用于点对多点链路。有3种类型的帧，分别是信息帧、管理帧和无序号帧。 它的帧结构如下，

HDLC 协议提供数据透明传输：使用位填充技术

HDLC 使用位填充：

发送端扫描整个数据字段（多采用速度较快的硬件实现），只要发现 5 个连续的 1，就立即插入

一个 0，经过此过程处理后，数据字段不会出现连续的 6 个 1。

接收端接收到一个帧后，先找到标志字段 01111110 确定帧的边界，接着利用硬件扫描整个比特

流，当发现 5 个连续的 1，就删除其后的 0，以还原成原来的信息。

10111110101111100

101111110111110