结点：主机，路由器

在物理层提供服务的基础上，数据链路层改善了网络层的服务，其最基本的服务是可靠地将来自网络层的数据传输到相邻节点的目标机器网络层。其主要作用是加强物理层传输原始比特流的功能，将物理层提供的可能错误的物理连接转换为逻辑上无错误的数据链接，使网络层表现为无错误的链接。

功能1：为网络层提供服务。无确认、无连接服务、无连接服务和面向连接服务。（必须确认连接）

功能二:链路管理，即连接的建立、维护和释放(面向连接的服务)

功能3：组帧

功能四：流量控制

功能五:错误控制(帧错/位错)

包装帧是在一段数据的前后部分添加第一部分和尾部，从而形成一个帧。在收到物理层提交的比特流后，接收端可以从收到的比特流中识别帧的开始和结束。

第一部分和尾部包含大量的控制信息，它们的重要作用之一是帧定界(确定帧限)

帧同步：接收方应能够区分接收到的二进制比特流中帧的开始和结束

组帧的四种方法：1.字符计数法、2.字符(节)填充法、3.零比特填充法、4.非法编码法

透明传输是指无论传输的数据是什么样的比特组合，都应该能够在链路上传输。因此，链路层看不见阻碍数据传输的东西。

当传输数据中的比特组合与某个控制信息完全相同时，必须采取适当的措施，使收件人不会误认为该数据是某个控制信息。这样，数据链路层的传输就可以是透明的。

传输中的错误是由噪声引起的。

全局:1。由于线路本身的电气特性产生的随机噪声(热噪声)是信道固有的、随机存在的。

数据链路层编码不同于物理层的数据编码和调制。物理层编码针对单个比特，解决传输过程中比特同步等问题，如曼彻斯特编码。数据链路层编码针对一组比特，通过冗余码技术实现一组二进制比特串在传输过程中是否出现错误。

冗余编码

在数据发送之前，根据某种关系添加一定的冗余位置，在发送之前形成一个符合某一规则的代码。当需要发送的有效数据发生变化时，相应的冗余位置也会发生变化，使代码遵循不变的规则。接收端根据收到的代码是否仍然符合原始规则来判断是否有错误。

奇偶校验码特点：

只能检现奇数比特错误，检错能力为50%

循环冗余检验仅用于数据链路层CRC错误检测技术只能实现帧的无错误接收，即我们可以认为所有接收端数据链路层接收的帧在传输过程中没有错误，概率非常接近1。虽然收到了接收端丢弃的帧，但最终因错误而丢弃。但接收端数据链路层接收的帧没有错误。

可靠传输：数据链路层发送端发送什么，接收端收到什么。

链路层使用CRC检验可以实现非常错误的传输，但这不是可靠的传输。

海明距离

两个合法代码（代码）对应的比特值不同的比特数称为两个代码的海明距离（代码距离），一个有效的代码集中，任何两个合法代码（代码）的海明距离的最小值称为代码集的海明距离（代码距离）。

确定验证码位数r

确定验证码和数据的位置

找出验证码的值

检错并纠错

纠错方法1：

找不满足奇/偶校验的分组取交集，与符合校验的分组取差集。

纠错方法二：

传输速度高、接收能力低的不匹配会导致传输错误，因此流量控制也是数据链路层的重要工作。

数据链路层的流量控制是点对点的，而传输层的流量控制是端到端的。

数据链路层流量控制手段：如果接收方无法接收，则不回复确认

传输层流量控制手段：接收端向发送端发出窗口公告

停止-等待协议

停止发送每个帧，等待对方确认，然后在收到确认后发送下一帧

滑动窗口协议-后N帧协议（GBN）、选择重传协议（SR）

可靠传输

发送端发什么，接收端收什么

流量控制

控制发送速率，给接收方足够的缓冲空间接收每个帧

1.数据帧丢失或检测到帧错误

2.ACK丢失

3.ACK迟到

性能分析

信道利用率

1. 上层的调用

   当上层需要发送数据时，发送方首先检查发送窗口是否已满。如果未满，则产生帧并发送；如果窗口已满，发送方只需将数据返回到上层，表示上层窗口已满。上层将等待一段时间。（在实践中，发送方式可以缓冲这些数据，并在窗口不满时发送帧）

2. 收到了一个ACK

   GBN在协议中，n号帧的确认采用累积确认，表明接收方已收到n号帧及其以前的所有帧

3. 超时事件

   该协议的名称是后N帧/后N帧，这源于发送方在丢失和延迟长帧时的行为。就像在停止等待协议中一样，定时器将再次用于恢复数据帧或确认帧丢失。如果超时，发送方将重新传输所有已发送但未确认的帧

   /li>

如果正确收到n号帧，并且按序，那么接收方为n帧发送一个ACK，并将该帧中的数据部分交付给上层

其余情况都丢弃帧，并为最近按序接收的帧重新发送ACK。接收方无需缓存任何失序帧，只需要维护一个信息：expectedseqnum（下一个按序接收的帧序号）

滑动窗口长度

若采用n个比特对帧编号，那么发送窗口的尺寸W应满足：

因为发送窗口尺寸过大，就会使得接收方无法区别新帧和旧帧

GBN协议重点总结

1. 累计确认（偶尔捎带确认）
2. 接收方只按顺序接收帧，不按序无情丢弃
3. 确认序列号最大的、按序到达的帧
4. 发送窗口最大为2的n次方-1，接收窗口大小为1

GBN协议性能分析

因连续发送数据帧而提高了信道利用率

在重传时必须把原来已经正确传送的数据帧重传，使传送效率降低

1. 上层的调用

   从上层收到数据后，SR发送方检查下一个可用于该帧的序号，如果序号位于发送窗口内，则发送数据帧；否则就像GBN一样，要么将数据缓存，要么返回给上层之后再传输

2. 收到了一个ACK

   如果收到ACK，加入该帧序号在窗口内，则SR发送方将那个被确认的帧标记为已接收。如果该帧序号是窗口的下界（最左边第一个窗口对应的序号），则窗口向前移动到具有最小序号的未确认帧处。如果窗口移动了并且有序号在窗口内的未发送帧，则发送这些帧。

3. 超时事件

   每个帧都有自己的定时器，一个超时事件发生后只重传一个帧。

SR接收方将确认一个正确接收的帧而不管其是否按序。失序的帧将被缓存，并返回给发送方一个该帧的确认帧【收谁确认谁】，直到所有帧（即序号更小的帧）皆被收到为止，这时才可以将一批帧按序交付给上层，然后向前移动滑动窗口。

运行中的SR

滑动窗口长度

发送窗口最好等于接收窗口。（大了会溢出，小了没意义）

SR协议重点总结

1. 对数据帧逐一确认，收一个确认一个

2. 只重传出错帧

3. 接收方有缓存

传输数据使用的两种链路

点对点链路

两个相邻节点通过一个链路相连，没有第三者。

应用：PPP协议，常用于广域网。

广播式链路

所有主机共享通信介质

应用：早期的总线以太网、无线局域网，常用与局域网

典型拓扑结构：总线型、星型（逻辑总线型）

介质访问控制

介质访问控制的内容就是，采取一定的措施，使得两对节点之间的通信不会发生互相干扰的情况。

信道划分介质访问控制

信道划分介质访问控制：将使用介质的每个设备与来自同一信道上的其他设备的通信隔离开，把时域和频域资源合理地分配给网络上的设备

多路复用技术

把多个信号组合在一条物理信道上进行传输，使得多个计算机或终端设备共享信道资源，提高信道利用率。

把一条广播信道，逻辑上分成几条用于两个节点之间通信的互不干扰的子信道，实际就是把广播信道转变为点对点信道。

用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自自始至终都占用这个频带。频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽（频率带宽）资源。

充分利用传输介质带宽，系统效率较高；由于技术比较成熟，实现也比较容易。

TDM帧是在物理层传送的比特流所划分的帧，标志一个周期

将时间划分为一段等长的时分复用帧（TDM帧）。每一个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙，所有用户轮流占用信道

每一个STDM帧中的时隙数小于连接在集中器上的用户数。各用户有了数据就随时发往集中器的输入缓存，然后集中器按顺序依次扫描输入缓存，把缓存中的输入数据放入STDM帧中，一个STDM帧满了就发出。STDM帧不是固定分配时隙，而是按需动态分配时隙。

波分多路复用就是光的频分多路复用，在一根光纤中传输多种不同波长（频率）的光信号，由于波长（频率）不同，所有各路光信号互不干扰，最后再用波长分解复用器将各路波长分解出来。

码分多址（CDMA）是码分复用的一种方式

纯ALOHA协议

思想：不监听信道，不按时间槽发送，随机重发。想发就发

如果发生冲突，接收方在就会检测出差错，然后不予确认，发送方在一定时间内收不到就判断发生冲突。

超时后等一随机时间再重传

时隙ALOHA协议

时隙ALOHA协议的思想：把时间分成若干个相同的时间片，所有用户在时间片开始时刻同步接入网络信道，若发生冲突，则必须等到下一个时间片开始时刻再发送。

1. 纯ALOHA比时隙ALOHA吞吐量更低，效率更低
2. 纯ALOHA想发就发，时隙ALOHA只有在时间片段开始时才能发

载波监听多路访问协议CSMA（carrier sense multiple access）

CS: 载波侦听/监听，每一个站在发送数据之前要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据。

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，即发生了冲突。

MA：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

协议思想：发送帧之前，监听信道

1-坚持CSMA

1-坚持指的是对于监听信道忙之后的坚持

思想：如果一个主机要发送消息，那么它先监听信道

空闲则直接传输，不必等待

忙则一直监听，直到空闲马上传输

如果有冲突（一段时间内未收到肯定回复），则等待一个随机长的时间再监听，重复上述过程。

优点：只要媒体空闲，站点就马上发送，避免了媒体利用率的损失

非坚持CSMA

非坚持指的是对于监听信道忙之后就不继续监听

思想：如果一个主机要发送消息，那么它监听信道

空闲则直接传输，不必等待

忙则等待一个随机的时间之后再进行监听

优点：采用随机的重发延迟时间可以减少冲突发生的可能性

缺点：可能存在大家都在延迟等待过程中，使得媒体仍可能处于空闲状态，媒体使用率降低

p-坚持CSMA

p-坚持指的是对于监听信道空闲的处理

思想：如果一个主机要发送消息，那么它先监听信道

空闲则以p概率直接传输，不必等待，概率1-p等待到下一个时间槽在传输

忙则持续监听直到信道空闲再以p概论发送

若冲突则等待下一个时间槽开始在监听并重复上述过程

优点：既能像非坚持算法那样减少冲突，又能像1-坚持算法那样减少媒体空闲时间的这种方案

但是 发生冲突后还是要坚持把数据帧发送完，造成了浪费

载波监听多点接入/碰撞检测CSMA/CS（carrier sense multiple access with collision detection）

CS: 载波侦听/监听，每一个站在发送数据之前以及发送数据时都要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据。

MA：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。总线型网络

CD：碰撞检测（冲突检测），“边发送边监听”，适配器边发送数据边检测信道上信号电压的变化情况，以便判断自己在发送数据时其他站是否也在发送数据。 半双工网络

若连续多次发生冲突，就表明可能有较多的站参与争用信道。使用此算法可使重传需要延迟的平均时间随重传次数的增大而增大，因而减小发生碰撞的概率，有利于整个系统的稳定。

最小帧长问题

帧的传输时延至少要两倍于信号在总线中的传播时延

最小帧长=总线传播时延X数据传输速率X2

​ 2t X 数据传输速率

载波监听多点接入/碰撞避免CSMA/CA（carrier sense multiple access with collision avoidance）

工作原理

发送数据前，先检测新的是否空闲

空闲则发出RTS（request to send），RTS包括发射端的地址、接收端的地址、下一份数据将持续发送的时间等信息；信道忙则等待。

接收端收到RTS后，将响应CTS（clear to send）

发送端收到CTS后，开始发送数据帧（同时预约信道：发送方告知其他站点自己要传多久数据）

接收端收到数据帧后，将用CRC来检验数据是否正确，正确则响应ACK帧

发送方收到ACK就可以进行下一个数据帧的发送，若没有则一直重传至规定重发次数为止（采用二进制指数退避算法来确定随机的推迟时间）

CSMA/CD与CSMA/CA

相同点：

CSMA/CD与CSMA/CA机制都从属于CSMA的思路，其核心是先听再说。换言之，两个在接入信道之前都需要进行监听。当发现信道空闲后，才能进行接入。

不同点：

1. 传输介质不同：CSMA/CD用于总线式以太网【有线】，而CSMA/CA用于无线局域网【无线】
2. 载波检测方式不同：因传输介质不同，CSMA/CD与CSMA/CA的检测方式也不同。CSMA/CD通过电缆中电压的变化来检测，当数据发生碰撞时，电缆中的电压就会随着发生变化；而CSMA/CA采用能量检测（ED）、载波检测（CS）和能量载波混合检测三种检测信道空闲的方式
3. CSMA/CD检测冲突，CSMA/CA避免冲突，二者出现冲突后都会进行有上限的重传

信道划分介质访问控制（MAC Multiple Access Control）协议：

​ 基于多路复用技术划分资源

​ 网络负载重：共享信道效率高，且公平

​ 网络负载轻：共享信道效率低

随机访问MAC协议：

​ 用户根据意愿随机发送信息，发送信息时可独占信道带宽

​ 网络负载重：产生冲突开销

​ 网络负载轻：共享信道效率高，单个结点可利用信道全部带宽

轮询访问MAC协议/轮流协议/轮转访问MAC协议：

​ 既要不产生冲突，又要发送时占全部带宽

主结点轮流“邀请”从属结点发送数据

问题：

1. 轮询开销
2. 等待延迟
3. 单点故障

令牌：一个特殊格式的MAC控制帧，不含任何信息

控制信道的使用，确保同一时刻只有一个结点独占信道

令牌环网无碰撞

每个结点都可以在一定的时间内（令牌持有时间）获得发送数据的权利，并不是无限制地持有令牌

问题：

1. 令牌开销
2. 等待延迟
3. 单点故障

应用于令牌环网（物理星型拓扑，逻辑环形拓扑）

采用令牌传送方式的网络常用于负载较重、通信量较大的网络中

局域网

局域网（Local Area Network）：简称LAN，是指某一区域内由多台计算机互联成的计算机组，使用广播信道。

特点1：覆盖的地理范围较小，只在一个相对独立的局部范围内联，如一座或集中的建筑群内

特点2：使用专门铺设的传输介质（双绞线、同轴电缆）进行联网，数据传输速率高（10Mb/s~10Gb/s）

特点3：通信延迟时间短，误码率低，可能性较高

特点4：各站为平等关系，共享传输信道

特点5：多采用分布式控制和广播式通信，能进行广播和组播

决定局域网的主要要素为：网络拓扑，传输介质与介质访问控制方法

局域网拓扑结构

局域网传输介质

局域网介质访问控制方法

局域网的分类

IEEE 802标准

IEEE 802系列标准是IEEE 802 LAN/MAN标准委员会制定的局域网、城域网技术标准（1980年2月成立）。其中最广泛使用的有以太网、令牌环、无线局域网等。这一系列标准中的每一个子标准都由委员会的一个专门工作组负责。

MAC子层和LLC子层

IEEE 802标准所描述的局域网参考模型只对应OSI参考模型的数据链路层与物理层，它将数据链路层划分为逻辑链路层LLC子层和介质访问控制MAC子层

以太网(Ethernet)指的是由Xerox公司创建并由Xerox、Intel和DEC公司联合开发的基带总线局域网规范，是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。以太网络使用CSMA/CS（载波监听多路访问及冲突检测）技术

以太网在局域网各种技术中占统治性地位：

1. 造价低廉（以太网网卡不到100块）
2. 是应用最广泛的局域网技术
3. 比令牌环网、ATM网便宜，简单
4. 满足网络速率要求：10Mb/s~10Gb/s

以太网两个标准

DIX Ethernet V2：第一个局域网产品（以太网）规约

IEEE 802.3：IEEE 802委员会802.3工作组制定的第一个IEEE的以太网标准

以太网提供无连接、不可靠的服务

无连接：发送方和接收方之间无“握手过程”

不可靠：不对发送方的数据帧编号，接收方不向发送方进行确认，差错帧直接丢弃，差错纠正由高层负责

以太网只实现无差错接收，不实现可靠传输

以太网传输介质与拓扑结构的发展

使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各站共享逻辑上的总线，使用的还是CSMA/CD协议

以太网拓扑：逻辑上总线型，物理上星型

10BASE-T以太网

10BASE-T是传送基带信号的双绞线以太网，T表示采用双绞线，现10BASE-T采用的是无屏蔽双绞线（UTP），传输速率是10Mb/s

物理上采用星型拓扑，逻辑上总线型，每段双绞线最长为100m

采用曼彻斯特编码

采用CSMA/CD介质访问控制

适配器与MAC地址

计算机与外界有局域网的连接是通过通信适配器的

IEEE 802.11

IEEE 802.11 是无线局域网通用的标准，它是由IEEE所定义的无线网络通信的标准

802.11 的MAC帧头格式

无线局域网的分类

1. 有固定基础设施无线局域网

2. 无固定基础设施无线局域网的自组织网络

传统局域网的局限

缺乏流量隔离：即使把组流量局域化道一个单一交换机中，广播流量仍会跨越整个机构网络（ARP、RIP、DHCP协议）

管理用户不便：如果一个主机在不同组间移动，必须改变物理布线，连接到新的交换机上。

路由器成本较高：局域网内使用很多路由器花销较大

VLAN基本概念

虚拟局域网VLAN（Virtual Local Area Network）是一种将局域网内的设备划分成与物理位置无关的逻辑组的技术，这些逻辑组有某些共同的需求。每个VLAN是一个单独的广播域/不同的子网。

VLAN实现

基于接口的VLAN技术

基于MAC地址的VLAN技术

• VID的取值范围为0_{4095，但0和4095都不用来表示VLAN，因此用于表示VLAN的有效VID取值范围为1}4094
• IEEE 802.1Q帧是由交换机来处理的，而不是由用户主机来处理的。（即主机和交换机之间只交换普通的以太网帧）

广域网（WAN,Wide Area Network），通常跨接很大的物理范围，所覆盖的范围从几十公里到几千公里，它能连接多个城市或国家，或横跨几个洲并能提供远距离通信，形成国际性的远程网络。

广域网的通信子网主要使用分组交换技术。广域网的通信子网可以利用公用分组交换网、卫星通信网和无线分组交换网，它将分布在不同地区的局域网或计算机系统互连起来，达到资源共享的目的。如因特网（Internet）是世界范围内最大的广域网。

PPP协议的特点

点对点协议PPP（Point-to-Point Protocol）是目前使用最广泛的数据链路层协议，用户使用拨号电话接入因特网时一般都使用PPP协议

只支持全双工链路

简单对于链路层的帧，无需纠错，无需序号，无需流量控制

封装成帧帧定界符

透明传输与帧定界符一样比特组合的数据应该如何处理：异步线路用字节填充，同步线路用比特填充

多种网络层协议封装的IP数据报可以采用多种协议

多种类型链路串行/并行，同步/异步，电/光…

差错检测错就丢弃

检测连接状态链路是否正常工作

最大传送单元数据部分最大长度MTU

网络层地址协商知道通信双方的网络层地址

数据压缩协商

纠错、流量控制、序号、不支持多点线路

1. 一个将IP数据报封装到串行链路（同步串行/异步串行）的方法
2. 链路控制协议LCP：建立并维护数据链路连接。身份验证
3. 网络控制协议NCP：PPP可支持多种网络层协议，每个不同的网络层协议都要一个相应的NCP来配置，为网络层协议建立和配置逻辑连接

链路层扩展以太网

网桥根据MAC帧的目的地址对帧进行转发和过滤。当网桥收到一个帧时，并不向所有接口转发此帧，而是先检查此帧的目的MAC地址，然后再确定将该帧转发到哪一个接口，或者是把它丢弃（即过滤）

网桥分类–透明网桥

透明网桥：“透明”指以太网上的站点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥，是一种即插即用设备–自学习。

网桥分类–源路由网桥

源路由网桥：在发送帧时，把详细的最佳路由信息（路由最少/时间最短）放在帧的首部中。

方法：源站以广播方式向域通信的目的站发送一个发现帧

以太网交换机的两种交换方式

直通式交换机：查完目的地址就立即转发。延迟小，可靠性低，无法支持具有不同速率的端口的交换。

存储转发式交换机：将帧放入高速缓存，并检查是否正确，正确则转发，错误则丢弃。延迟大，可靠性高，可以支持具有不同速率的端口的交换。

冲突域：在同一个冲突域中的每一个节点都能收到所有被发送的帧。简单的说就是同一时间内只能有一台设备发送信息的范围。

广播域：网络中能接收任一设备发出的广播帧的所有设备的集合。简单的说如果站点发出一个广播信号，所有能接收收到这个信号的设备范围称为一个广播域。