【复习笔记】计算机网络之数据链路层

文章目录

一、数据链路层总体概述

数据链路层的功能

二、 封装成帧

透明传输： 指不管数据是什么样的比特组合（就算与控制信息相同），都能够顺利地在链路上传输。

1. 字符计数法

此方法缺点太明显，一般不使用

2. 字符填充法

若数据中出现与控制信息相同的比特组合，我们在这些信息前面加上 转义字符 ，然后发送。接收时，遇见转义字符一律剔除，直到遇见结束符为止。

3. 零比特填充法

为了防止数据部分有与帧边界 $01111110$ 相同的比特组合，一旦数据部分出现$11111$ 我们就无脑插入一个 $0$。同理，接收时遇见 $11111$ 就剔除后面的 $0$。若后面不是 $0$

三、差错控制

1. 奇偶校验

发送的帧包含$n-1$个信息位，$1$个校验位。若采用偶校验，则加上校验位后，发送的帧中共包含偶数个$1$，接收方再进行校验，检错能力为$50\%$。

2. CRC循环冗余码

接收方用收到的数据对生成多项式进行异或运算，整除则正确，否则不正确 。

四、流量控制

数据链路层流量控制手段： 接收方收不下就不回复确认
传输层流量控制手段： 接受端给发送端一个窗口公告

1. 停止等待协议

无差错的情况

有差错的情况

信道利用率

停等协议的信道利用率

可以看到，停等协议的信道利用率是很低的，多数时间在路上传播以及在等待数据帧，而不是在发送数据。

2. 后退N帧协议（Go Back N）

下图需要仔细理解

发送方需要相应的三件事

超时事件解释：

接收方 接收到0号帧后，就移动窗口准备接收1号帧，然而1号帧在路上丢失了，接受方收到了2、3号帧，此时接收方直接丢弃2、3号帧。

发送方 发送0、1、2、3号帧后，为每个帧设置定时器。接收到0号帧的确认，却没有收到1、2、3号帧的确认，于是再次重发1、2、3号帧。

讨论滑动窗口的大小：

若采用 $n$ 个比特对帧编号，那么发送窗口的大小 $W$ 应满足：$1\le W \le2^n-1$。因为发送窗口的尺寸过大，会导致接收方返回的ACK对应不同的帧，这就出现了错误。

对于GBN协议的简单总结：

由于出错时需要回退 $n$ 帧，而此时也许只需要重发一个帧即可，因此GBN协议也有可以改进的地方，选择重传协议 就可解决此问题。

2. 选择重传协议

解决 回退n帧 的方法：设置单个确认，同时加大接收窗口，设置接收缓存，缓存乱序到达的帧。

接收方窗口的6种状态：

发送方需要响应的事：

发送方窗口的3种状态：

接收方需要响应的事：

讨论窗口长度：

上图中，接收方就无法区分0号帧时重传的还是下一个0号帧。窗口太长，导致接收方无法区分当前收到的帧是重发的还是下一个。

因此，我们规定$W_{send}=W_{receive}=2^{n-1}$，其中 $n$

关于介质访问控制

五、信道划分介质访问控制（静态分配信道）

1. 频分多路复用（FDM）

2. 时分多路复用（TDM）

3. 波分多路复用（WDM）

4. 码分多路复用（CDM）

应该不考，不记了。。

六、随机访问介质访问控制（动态分配信道）

1. 纯ALOHA协议

2. 时隙ALOHA协议

关于两个ALOHA协议的总结：

• 纯ALOHA协议比时隙ALOHA协议吞吐量更低，效率更低
• 纯ALOHA想发就发，时隙ALOHA协议只有在时间片开始时才可发

3. CSMA协议

1 坚持CSMA

非坚持CSMA

P 坚持CSMA

三种CSMA总结：

4. CSMA/CD协议

CSMA/CD协议多用于总线型以太网。

传播时延对载波监听的影响

$\delta$ 趋近于 $0$ 时，经过最长时间 $2\tau$

检测到冲突后，不可马上重传数据包，否则两个主机的数据包经过 $0.5\tau$

截断二进制指数规避算法

$r$ 的取值范围为 $[0,2^{10}-1]$

最小帧长问题

为避免数据包发送完成后才检测到冲突，我们规定一个最小帧长。由于最大经过 $2\tau$ 可得知数据包冲突。因此，帧的传输时延 $\ge2\tau$

16字总结：先听再发，边发边听，冲突停发，随机（延迟）重发

5. CSMA/CA协议

CSMA/CA协议多用于无线局域网

CSMA/CD和CSMA/CA的对比

七、轮询访问介质访问控制（动态分配信道）

1. 轮询协议（非常简单）

存在的问题：

• 轮询花费时间
• 当某主机有数据要发时不能及时发送，得等主结点轮询
• 主结点损坏，整个系统瘫痪

2. 令牌传递协议

令牌使用流程：

1. D主机修改令牌状态（闲—>忙），同时附上要发送的数据以及目的主机A
2. 主机C拿到令牌后，发现令牌忙且数据不是给自己的，就不管
3. 令牌到达主句A后，A发现是给自己的，于是复制一份数据保存本地
4. 最终令牌到达主机D，D检查数据是否有误，有则重发，没有则修改令牌状态（忙—>闲）

存在的问题：

• 令牌开销
• 等待延迟：某主机有数据不能立即发送，得拿到令牌才能发送
• 单点故障：若其中一个主机损坏，则令牌很难传递

负载轻时 ，令牌大部分时间是在网络中游走，而没有被利用

八、局域网基本概念和体系结构

1. 局域网拓扑结构

2. 局域网传输介质

有线局域网： 双绞线、同轴电缆、光纤
无线局域网： 电磁波

3. 局域网的分类

4. MAC子层和LLC子层

5. 以太网特点

• 成本低
• 比令牌环网、ATM网便宜，简单
• 逻辑上总线型，物理上星型
• 满足网络速率的要求
• 提供无连接、不可靠的服务。以太网只实现无差错接收（错了就丢弃），不实现可靠传输（帧重复、帧失序等）。

6. 以太网帧结构

7. 高速以太网

8. 有固定基础设施无线局域网

9. 无固定基础设施无线局域网的自组织网络

• 没有任何转发器、路由器、集线器、基站
• 由一些主机组成的网络，主机可以充当路由器，既可以发送数据，也可以转发数据，各结点的低位平等

九、广域网

1. PPP协议

需要满足的要求：

无需纠错、流量控制、序号、不支持多点线路

PPP协议的帧格式：

2. HDLC协议

HDLC是面向比特的数据传输协议

HDLC的零比特填充

HDLC协议和PPP协议的对比：