2021年计算机网络原理中的数据链路层与局域网

第一节 数据链路层服务

数据链路层提供的服务有：

组帧

链路接入

可靠交付

差错控制

第二节 差错控制

传输中的差错：信号在信道传输过程中，会受到各种噪声的干扰，从而导致传输差错，噪声可以大致分为随机噪声和冲击噪声两大类；

差错控制的基本方式：

检错重发：在检错重发方式中，发送端对待发送数据进行差错编码，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，直到接收端接收到正确数据为止；

前向纠错：FEC是接收端进行差错纠正的一种差错控制方法，前向纠错机制需要利用纠错编码，即这类编码不仅可以检测数据传输过程中是否发生了错误，而且还可以定位错误位置并直接加以纠正，在前向纠错机制中，发送端首先对数据进行纠错编码，然后发送包含纠错编码信息的帧，接收端收到帧后利用纠错编码进行差错检测，对于发生错误的帧直接进行纠错；

反馈校验：反馈校验方式的接收端将收到的数据原封不动发回发送端，发送端通过比对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收了已发送的数据，如果发送端发现有不同，则认为接收端没有正确接收到发送的数据，则立即重发数据，直到收到接收端反馈的数据与已发数据一致为止；

检错丢弃：不同网络应用对可靠性的要求不同，某些应用（如实时多媒体播报应用）可以采用一种简单的差错控制策略，不纠正出错的数据，而是直接丢弃错误数据，这种差错控制方式就是检错丢弃；

典型的差错编码

奇偶校验码

汉明码

循环冗余码（CRC）

第三节 多路访问控制协议

信道划分MAC协议：

根本任务是解决信道的共享问题

多路复用主要包括频分多路复用（FDM）、时分多路复用（TDM）、波分多路复用（WDM）和码分多路复用（CDM）

随机访问MAC协议：

ALOHA协议：

纯ALOHA协议的工作原理：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，通常这个时间为电波传到最远端再返回本站所需的时间，如果在这段侦听时间里收到接收站发来的应答信号，说明发送成功，否则说明数据帧遭到破坏（发生冲突），则等待一个随机时间后再进行重发，如果再次冲突，继续等待一个随机时间，直到重发成功为止；

时隙ALOHA的基本思想，是把信道时间分成离散的时隙（Slot）,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，下一个时隙以概率P重发该帧，以概率（1-P）不发该帧（等待下一个时隙），直到帧发送成功，显然，P不能为1，否则协议会死锁，时隙ALOHA协议需要所有通信站在时间上同步；

信道效率参数：

吞吐量S：又称为吞吐率，等于在一帧的发送时间T0内成功发送的平均帧数；

网络负载G：表示在一帧的发送时间T0内发送的平均帧数，包括发送成功的帧和因冲突未发送成功而重发的帧；

载波监听多路访问协议（CSMA）

非坚持CSMA的基本原理：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，则等待一个随机时间，然后重新开始侦听信道，尝试发送数据，若发送数据时发生冲突，则等待一个随机时间，然后重新开始侦听信道，尝试发送数据；

1-坚持CSMA的基本原理：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；

P-坚持CSMA的基本原理：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；

带冲突检测的载波侦听多路访问（CSMA/CD）协议：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，使所有通信站都知道冲突的发生，发生冲突强化信号后，等待一个随机时间，再重复上述过程；

受控接入MAC协议

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，令牌中包含一位“令牌/数据帧”标志位，标志位为“0”表示该令牌为可用的空令牌，标志位为“1”表示有站点正占用令牌在发送数据帧；

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”；同时根据返回的有关信息确定所传数据有无出错，若有错则重发存于缓冲区中的待确认帧，否则释放缓冲区中的待确认帧；

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；

令牌环的维护：采用令牌方式的分散式控制协议中，最重要的就是对令牌的维护，令牌丢失和数据帧无法撤销，是环网上最严重的两种错误，可以通过在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，主动令牌管理站通过一种超时机制来检测令牌丢失情况，该超时值比最长帧完全遍历环路所需的时间还要长一些；

第四节 局域网

数据链路层寻址与ARP

链路层地址也称为MAC地址、物理地址、局域网地址等，典型的MAC地址是48位地址

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，ARP通过广播ARP查询报文，来询问某目的IP地址对应的MAC地址，即知道本网内某主机的IP地址，可以查询得到其MAC地址；

交换机

以太网交换机的基本工作方式是存储-转发；

生成树协议可以解决以太网交换机自学习产生的兜圈问题

以太网交换机的优点：消除冲突、支持异质链路、网络管理

虚拟局域网

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

第五节 点对点链路协议

PPP

成帧：确定一帧的开始和结束，帧格式支持错误检测

链路控制协议（LCP）：用于启动线路、检测线路、协商参数及关闭线路

网络控制协议（NCP）：用于协商网络层选项，并且协商方法与使用的网络层协议独立；

HDLC协议

有三种类型的帧

信息帧（I格式）

管理帧（S格式）

无序号帧（U格式）

HDLC协议是面向位的协议，为确保数据的透明传输，HDLC使用位填充；