计算机网络——数据链路层

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3.0 数据链路层

数据链路层使用的信道主要有以下两种类型:

点对点信道:这种信道使用一对一的点对点通信方式。

广播信道:这种信道使用一对多的广播通信方式,因此过程比较复杂。广播信道上连接的主机很多,因此必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机的数据发送。

数据链路层的简单模型

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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(link)是一条无源的点到点的物理线路段,中间没有任何其他的交换结点。

一条链路只是一条通路的一个组成部分。

数据链路(data link) 除了物理线路外,还必须有通信协议来控制这些数据的传输。若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上,就构成了数据链路。

现在最常用的方法是使用适配器(即网卡)来实现这些协议的硬件和软件。

一般的适配器都包括了数据链路层和物理层这两层的功能。

数据链路层传送的是帧

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数据链路层像个数字管道

常常在两个对等的数据链路层之间画出一个数字管道,而在这条数字管道上传输的数据单位是

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3.1.2 三个基本问题

(1) 封装成帧

封装成帧(framing)就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部,然后就构成了一个帧。

首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界

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(2) 透明传输

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解决透明传输问题

发送端的数据链路层在数据中出现控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入一个转义字符“ESC”(其十六进制编码是 1B)。

字节填充(byte stuffing)或字符填充(characterstuffing)——接收端的数据链路层在将数据送往网络层之前删除插入的转义字符。

如果转义字符也出现数据当中,那么应在转义字符前面插入一个转义字符。当接收端收到连续的两个转义字符时,就删除其中前面的一个。

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(3) 差错控制

在传输过程中可能会产生比特差错:1 可能会变成 0 而 0 也可能变成 1。

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)。

误码率与信噪比有很大的关系。

循环冗余检验的原理

在数据链路层传送的帧中,广泛使用了循环冗余检验 CRC 的检错技术。

在发送端,先把数据划分为组。假定每组 k个比特。

假设待传送的一组数据 M = 101001(现在k = 6)。我们在 M 的后面再添加供差错检测用的 n 位冗余码一起发送。

冗余码的计算

用二进制的模 2运算进行 2^n 乘 M 的运算,这相当于在 M 后面添加 n 个 0。

得到的 (k + n) 位的数除以事先选定好的长度为 (n + 1) 位的除数 P,得出是 Q 而余数是 R,余数 R 比除数 P 少 1 位,即 R 是 n 位。

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帧检验序列 FCS

在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列 FCS (Frame Check Sequence)。

CRC 是一种常用的检错方法,而 FCS 是添加在数据后面的冗余码。

FCS 可以用 CRC 这种方法得出,但 CRC 并非用来获得 FCS 的唯一方法。

接收端对收到的每一帧进行 CRC 检验

(1) 若得出的余数 R = 0,则判定这个帧没有差错,就接受(accept)。

(2) 若余数 R ≠ 0,则判定这个帧有差错,就丢弃。

我的理解:看到这边,明白了计算冗余码的过程就是在校验数据是否存在错误的过程。除数的选择必须让正确的数据除以该除数时得到的余数等于 0 。

但这种检测方法并不能确定究竟是哪一个或哪几个比特出现了差错。

只要经过严格的挑选,并使用位数足够多的除数 P,那么出现检测不到的差错的概率就很小很小。

仅用循环冗余检验 CRC 差错检测技术只能做到无差错接受(accept)。

“无差错接受”是指:“凡是接受的帧(即不包括丢弃的帧),我们都能以非常接近于 1 的概率认为这些帧在传输过程中没有产生差错”。也就是说:“凡是接收端数据链路层接受的帧都没有传输差错”(有差错的帧就丢弃而不接受)。

要做到“可靠传输”(即发送什么就收到什么)就必须再加上确认重传机制。

3.2 点对点协议 PPP

3.2.1 PPP 协议的特点

现在全世界使用得最多的数据链路层协议是点对点协议 PPP (Point-to-Point Protocol)。

用户使用拨号电话线接入因特网时,一般都是使用 PPP 协议。

用户到 ISP 的链路使用 PPP 协议

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1. PPP 协议应满足的需求

简单——这是首要的要求

封装成帧

透明传输

差错检测

……

2. 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

3. PPP 协议的组成

1992 年制订了 PPP 协议。经过 1993 年和 1994 年的修订,现在的 PPP 协议已成为因特网的正式标准[RFC 1661]。

PPP 协议有三个组成部分

一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法。

链路控制协议 LCP (Link Control Protocol)。

网络控制协议 NCP (Network Control Protocol)。

3.2.2 PPP 协议的帧格式

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标志字段F = 0x7E (符号“0x”表示后面的字符是用十六进制表示。十六进制的7E 的二进制表示是 01111110)。

地址字段 A 只置为 0xFF。地址字段实际上并不起作用。

控制字段 C 通常置为 0x03。

PPP 是面向字节的,所有的 PPP 帧的长度都是整数字节。

PPP 有一个 2 个字节的协议字段

当协议字段为 0x0021 时,PPP 帧的信息字段就是 IP 数据报。

若为 0xC021, 则信息字段是 PPP 链路控制数据。

若为 0x8021,则表示这是网络控制数据。

透明传输问题

当 PPP 用在同步传输链路时,协议规定采用硬件来完成比特填充(和 HDLC 的做法一样)。

当 PPP 用在异步传输时,就使用一种特殊的字符填充法

零比特填充

PPP 协议用在 SONET/SDH 链路时,是使用同步传输(一连串的比特连续传送)。这时 PPP 协议采用零比特填充方法来实现透明传输。

在发送端,只要发现有 5 个连续 1,则立即填入一个 0。接收端对帧中的比特流进行扫描。每当发现 5 个连续1时,就把这 5 个连续 1 后的一个 0 删除。

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字符填充

若信息字段中出现一个 0x7D 的字节, 则将其转变成为 2 字节序列(0x7D, 0x5D)。

若信息字段中出现 ASCII 码的控制字符(即数值小于 0x20 的字符),则在该字符前面要加入一个 0x7D 字节,同时将该字符的编码加以改变。

不提供使用序号和确认的可靠传输

PPP 协议之所以不使用序号和确认机制是出于以下的考虑:

(1)在数据链路层出现差错的概率不大时,使用比较简单的 PPP 协议较为合理。

(2)在因特网环境下,PPP 的信息字段放入的数据是 IP 数据报。数据链路层的可靠传输并不能够保证网络层的传输也是可靠的。

(3)帧检验序列 FCS 字段可保证无差错接受。

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

局域网最主要的特点是:网络为一个单位所拥有,且地理范围和站点数目均有限。

局域网具有如下的一些主要优点:

(1)具有广播功能,从一个站点可很方便地访问全网。局域网上的主机可共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源。

(2)便于系统的扩展和逐渐地演变,各设备的位置可灵活调整和改变。

(3)提高了系统的可靠性、可用性和残存性。

局域网的拓扑

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数据链路层的两个子层

为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准,802 委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层:

(1)逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control) 子层

(2)媒体接入控制 MAC (Medium Access Control) 子层。

与接入到传输媒体有关的内容都放在 MAC 子层,而 LLC 子层则与传输媒体无关,不管采用何种协议的局域网对 LLC 子层来说都是透明的。

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以后一般不考虑 LLC 子层

适配器的作用

网络接口板又称为通信适配器(adapter)或网络接口卡 NIC (Network Interface Card),或“网卡”。

适配器的重要功能:

(1)进行串行/并行转换。

(2)对数据进行缓存。

(3)在计算机的操作系统安装设备驱动程序。

(4)实现以太网协议。

计算机通过适配器和局域网进行通信

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3.3.2 CSMA/CD 协议

最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。当初认为这样的连接方法既简单又可靠,因为总线上没有有源器件。

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以太网的广播方式发送

总线上的每一个工作的计算机都能检测到 B 发送的数据信号。

由于只有计算机 D 的地址与数据帧首部写入的地址一致,因此只有 D 才接收这个数据帧。

其他所有的计算机(A, C 和 E)都检测到不是发送给它们的数据帧,因此就丢弃这个数据帧而不能够收下来。

具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。

以太网提供的服务

以太网提供的服务是不可靠的交付,即尽最大努力的交付。

当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧,其他什么也不做。差错的纠正由高层来决定。

如果高层发现丢失了一些数据而进行重传,但以太网并不知道这是一个重传的帧,而是当作一个新的数据帧来发送。

以太网发送的数据都使用曼彻斯特(Manchester)编码

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我的理解:曼彻斯特编码中0和1的图像是相反的。而差分曼彻斯特编码中0和1的图像并不是固定的,而是当碰到1时图像就做一次变换,碰到0时保持不变。

载波监听多点接入/碰撞检测(CSMA/CD)

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。

载波监听”是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(冲突检测)

碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。

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的门限值时,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。

在发生碰撞时,总线上传输的信号产生了严重的失真,无法从中恢复出有用的信息来。每一个正在发送数据的站,一旦发现总线上出现了碰撞,就要立即停止发送,免得继续浪费网络资源,然后等待一段随机时间后再次发送。

传播时延对载波监听的影响

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重要特性

使用 CSMA/CD 协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信(半双工通信)。

每个站在发送数据之后的一小段时间内,存在着遭遇碰撞的可能性。

这种发送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

最先发送数据帧的站,在发送数据帧后至多经过时间 2τ (两倍的端到端往返时延)就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。

以太网的端到端往返时延 2τ 称为争用期,或碰撞窗口。

经过争用期这段时间还没有检测到碰撞,才能肯定这次发送不会发生碰撞。

二进制指数类型退避算法(truncated binary exponential type)

发生碰撞的站在停止发送数据后,要推迟(退避)一个随机时间才能再发送数据。

基本退避时间取为争用期 2τ。从整数集合[0,1,…, (2^k −1)]中随机地取出一个数,记为 r。重传所需的时延就是 r 倍的基本退避时间。

参数 k 按这个公式计算:k = Min[重传次数, 10]。当 k < 10 时,参数 k 等于重传次数。

当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧,并向高层报告。

争用期的长度与最短有效帧长

以太网取 51.2 μs 为争用期的长度。

对于 10 Mb/s 以太网,在争用期内可发送 512 bit,即 64 字节。

以太网在发送数据时,若前 64 字节没有发生冲突,则后续的数据就不会发生冲突。所以如果发生冲突,就一定是在发送的前 64 字节之内。

由于一检测到冲突就立即中止发送,这时已经发送出去的数据一定小于 64 字节。以太网规定了最短有效帧长为 64 字节,凡长度小于 64 字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。

强化碰撞

当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时:

(1)立即停止发送数据;

(2)再继续发送若干比特的人为干扰信号(jamming signal),以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。

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