计算机网络：数据链路层
时间：2023-09-15 04:37:02
数据链路层的基本概念：
物理层和数据链路层构建网络通信和访问通道的本质功能，但它们是建立的通信通道不同。首先要说明的是，物理层是建立的物理链路，构建在数据链路层上的是逻辑链路或数据链路。
链路：(物理链路)是一个无源的物理路段
数据链路：(逻辑链路)
将实现协议的硬件和软件添加到链路中，构成数据链路(物理链路) 协议）
帧：数据链路基本单位，数据链路层中的帧是数据
数据链路层的作用：
将网络层交付的数据构成帧发送到链路，并将接收到的帧中的数据取出并交付给网络层
- 把网络层的ip数据报封装成帧
- 将帧发送到目的节点的数据链路层
- 如果接收帧没有区别，则提出ip数据报告交给网络层，否则丢弃帧
使用数据链路层的信道 ：
点对点信道：一对一
广播信道：一对多
链路层的三个基本问题：
封装帧
透明传输
差错检测
封装成帧：
将头部和尾部分别添加到一段数据前后，然后形成帧。帧定界第一部和尾部的作用。
首部为：SOH(二进制编码:0000001)
尾部为：EOT(二进制编码:00000100)
透明传输：
无论帧数据部分是否有帧定界符，都能正确识别出一个完整的帧
通过字节填充实现透明传输：
- 数据链路层在数据种控制字符SOH和EOT插入转义字符前ESC(16进制表示1B，二进制为00011011）
- 如果数据中出现转义字符，则需要在转义字符前添加转义字符
接收端接收时：
- 帧定界:找第一个前面没有ESC的SOH，没有找到最后一个前面ESC的EOT
- 删除扫描帧的部分SOH或EOT前的ESC，碰到两个ESC删除一个
差错检测：
差错：
- 数据 1 变 0 0 变 1
- 帧丢失，帧重复，帧失序
错误的原因：链路在传输过程中受到干扰，信噪比越小，错误的概率越大
在一段时间内，传输错误的比特占传输比特总数的比例称为误码率 BER (Bit Error Rate)。
错误检测方法:(淘汰)
奇偶校验法：在数据流后面加一个奇偶校验位，确保数据流中1的数量为奇数。
数据为：0011011
后面添加：00110111
11011100收到的数据找不到错误
循环冗余检查CRC（Cyclic Redundancy Code）：
CRC接收无误，但不能保证接收帧100%无误
发送的数据如下：
传输的数据为：101001
采用的除数为：1101（接受端和发送端约定）
被除数：101001000
余数为：冗余码 或 帧检验序列
发送端发送的是：数据 冗余码 为101001001
接收端对接收到的每一帧进行处理CRC检测用收到的数据帧除以相同的除数
- 如果获得的余数为0，则可以接收此帧
- 若不是0，就丢弃
点对点协议：（PPP）
- 点对点协议是世界上使用最多的数据链路层协议
- 用户通过电话线或宽带连接互联网时会使用它PPP
封装成帧
透明传输
字节填充法
零比特法
封装成帧:
IP数据报:最大1500
有效数据率：1500/15000 8=99.97%
透明传输：
1.字节填充法：
将 0x7E 换成 0x7D,0x5E
将 0x7D 换成 0x7D,0x5D
将小于0x20的字符 前面加 0x7D，再加20
0x03-> (0x7D ,0x23)
例子：
7D 67 7E 88 10
7D 5D 57 7D 5E 88 7D 30
2.零比特填充法：
只要在发送端发现， 5 个连续 一、马上填一个 0。
接收器扫描帧中的比特流。每当发现时 5 一个连续一点，就把这个 5 个连续 1 后的一个 0 删除。
局域网：
广播信道用于局域网。
局域网的特点：
- 网络属于单位，地理范围和网站数量有限
- 局域网具有广播功能，主机可以很容易地与其他主机通信
- 局域网易扩展演变，可靠性和可用性高
局域网拓扑结构：
拓扑结构：网络上计算机、电缆、其他部件的布置和物理布局
- 星网：依靠集线器，集线器损坏，所有主机无法正常通信
- 总线网：使用最多的局域网结构，使用匹配电阻
- 环网：通过令牌/trong>控制主机的数据发送
- 树形网：利用匹配电阻
匹配电阻的作用：吸收在总线上传播的电磁信号的能量，避免在总线上产生有害的电磁波
局域网的工作层次跨越了数据链路层和物理层
网卡与局部通信：
- 串并转换：计算机内部之间是并行通信方式，网卡数据到局域网中是串行方式
- 数据缓存：并行传输的数据传输速率高，串行传输速率有限，为了防止数据在网卡上堆积，网卡因该有缓存功能
局域网的工作协议：CSMA/CD
- 五台主机共享一个广播信号，当B传输数据给D时，其他4个都能收到，但指明了D是接收方，就只能是D接受。
- 线路内不能同时发送多条数据，会造成总线上线路叠加，导致数据无效
CSMA/CD可以分为（采用半双工的通信方式）
- 多点接入 MA
- 载波监听 CS
- 碰撞检测 CD
- 多点接入：表示计算机以多点接入的方式连接到一根总线上
- 载波监听：指每一站在发送数据之前要先检测以下线路上是否有其他计算机在发送数据，有则不发送，避免发生碰撞，（用电子技术（电压）检测总线上有没有其他计算机发送数据信号）
- 碰撞检测：就是计算机边发送数据边检测信道上的电压大小（冲突检测）
- 碰撞避免：传播时延的存在，只能尽可能的避免碰撞的发生，局域网采用二进制指数类型退避算法
r=传播时延
基本退避时间取为争用期 2r。
从整数集合 [0, 1, … , (2的k次方 -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 按下面的公式计算：
k = Min[重传次数, 10]
当 k 小于等于 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。 - 强化碰撞：发生碰撞，立刻停止发送有效数据，但会继续发送人为干扰信号，使用户自导发生碰撞
- 最短有效帧长：=2r * 数据发送数率，例如10Mbit/s的以太网 争用期长度2r为51.2us，最短有效帧为512bit，也就是64B
- 帧的最小间隔：是传输完数据后，清除收到数据帧的站的接受缓存
以太网的信道利用率：
1.发送数据帧时需要争：争用期为 2r ，可能需要n个 2r
2.发送数据所需要的时间：设长度为 L 速率为 C T=L/C
3.数据帧经过单程的传播时延 r 到达对方
T(总)=T+n*2r+r
参数 α，它是以太网单程端到端时延 r与帧的发送时间 T0 之比
α=r/T0 α越小越好
极限信道利用率:
α=r/T=（S/V）/L *C= （SC）/（VL）
提高利用率：
- 减小信道长度
- 增加帧的长度
局域网标准：
1990年。IEEE制定了局域网标准——10BASE-T
10代表带宽 10Mbit/s BASE代表基带 T为双绞线， 10BASE-T采用的是星型结构，在中心通常增加可靠性较高的设备，如集线器，以太网交换机等，由于双绞线传输距离有限，现在通常使用光纤
10Mbit/s的共享以太网，10个用户使用，集线器相连，平均带宽为1Mbit/s
10Mbit/s的共享以太网，10个用户使用，以太网交换器相连，平均带宽为10Mbit/s
以太网交换机的工作原理：
以太网之所以能有目的的转发：内部存储了一个转发表
传发表有两列：
- 一列是地址：标明不同主机
- 一列是接口：标明与主机互联的接口号
转发表是自学习算法实现，所以以太网交换机可以即插即用
工作原理如下：
- 收到一帧后先进行自学习：查找转发表中与收到的帧的源地址是否有无相片配的项目，没有就在转发表中添加一个项目，有则把原有的项目更新
- 转发帧 ：查找转发表中收到帧目的地址有无相匹配的项目，没有则通过其他接口进行转发，有则按照转发表中的转发，若表中的接口就是还帧进入网桥的接口，则丢弃该帧。
以下为一个例子：
A向B发送一帧：源地址为A 进入接口为1，表中没有匹配的，所以A和1添加到表中
B向A发送一帧：源地址为B 进入接口为2，表中没有匹配的，所以B和2添加到表中
C向B发送一帧：源地址为C 进入接口为3，表中没有匹配的，所以C和3添加到表中
以太网交换机具有较好的过滤帧功能，利用这点可以实现一个新型的局域网的应用——虚拟局域网
虚拟局域网：VLAN
由一些局域网段构成的与物理位置无关的逻辑组
- 每个网段具有共同的需求，
- 每一个VLAN的帧都有一个明确的标识符
- 指明发送那个给这个帧的工作站是属于哪一个VLAN
参考文献：
【计算机网络笔记】链路层 - 简书 (jianshu.com)
