网络第三章重点.docx
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网络第三章重点
数据链路层概述
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。
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。
a.一条链路只是一条通路的一个组成部分。
⏹数据链路（datalink）：
当需要在一条线路上传送数据时，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。
a.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。
b.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。
注：
早期的数据通信协议曾叫作通信规程（procedure）。
因此在数据链路层，规程和协议是同义语。
点对点通信的数据链路层在通信时的主要步骤如下：
⏹结点A的数据链路层把网络层交下来的IP数据报添加首部和尾部封装成帧。
⏹结点A把封装好的帧发送给结点B的数据链路层。
⏹若结点B的数据链路层收到的帧无差错，则从收到的帧中提取出IP数据报上交个网络层；否者丢弃这个帧。
3.1.2三个基本问题
（1）封装成帧
（2）透明传输（3）差错控制
详细介绍：
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。
⏹接收端根据首部和尾部的标记，识别帧的开始和结束，即：
确定帧的界限。
因此，首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界。
⏹首部和尾部还包含许多必要的控制信息。
⏹在发送时，是从帧的首部开始发送。
⏹各种数据链路层协议都要对帧的首部和尾部的格式有明确的规定。
⏹为了提高帧的有效传输效率，应当使帧的数据部分长度尽可能的大于首部和尾部的长度。
思考题：
既然收、发两端均知道是以帧为单位传输数据的，为什么还要对帧定界？
因为比特流在物理层实际的传输方式具有多样性：
（1）采用异步传输。
（2）采用同步传输。
（3）发送帧的过程中有时会出现故障。
2.透明传输
⏹透明传输：
当传输的帧是纯文本文件组成的帧时，数据中没有和帧定界标记符相同的字符，这样的帧都可以正确的传输过去，因此称这种传输为透明传输。
⏹非透明传输：
若传输的数据（IP数据报）不是纯文本，数据中有的字符便可能和帧定界符相同，这样接收端在接收时便会出现“找不到帧边界”这种错误，这种传输便是非透明的传输。
如下图所示：
⏹解决透明传输：
设法使数据中的帧定界符在接收端不被解释为标记符。
具体方法：
（1）字节填充法
（2）比特填充法（详见3.2节）
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”时，则在其前面插入一个转义字符“ESC”（其十六进制编码是1B）。
⏹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。
这种方法称为字节填充或字符填充。
⏹如果转义字符也出现在数据当中，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。
3.差错检测
⏹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（BitErrorRate）。
⏹误码率与信噪比有很大的关系，提高信噪比可以降低误码率。
⏹为了保证数据传输的可靠性，在计算机网络传输数据时，必须采用各种差错检测措施。
在数据链路层常采用循环冗余检验CRC的检错技术。
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，先把数据划分为若干个组。
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，构成一个帧发送出去，一共发送了（k+n）位。
虽然增大了数据传输的开销，但是可以进行差错检测。
冗余码的计算
⏹用二进制的模2运算进行2n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，得出商是Q而余数是R，余数R比除数P少1位，即R是n位。
注意：
在此商Q没有用处。
冗余码的计算举例
现在k=6,M=101001。
设n=3,除数P=1101，
被除数是2nM=101001000。
模2运算的结果是：
商Q=110101，余数R=001。
把余数R作为冗余码添加在数据M的后面发送出去。
发送的数据是：
2nM+R
即：
101001001，共（k+n）位。
帧检验序列FCS
a.在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列FCS（FrameCheckSequence）。
b.循环冗余检验CRC和帧检验序列FCS并不等同。
1）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。
2）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。
接收端进行CRC检验：
把收到的每个帧都除以相同的除数P,然后检查所得到的余数R
⏹
（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R0，则判定这个帧有差错，就丢弃。
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。
注意:
⏹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）就必须再加上确认和重传机制。
3.2点对点协议PPP
3.2.1PPP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-PointProtocol）。
⏹用户使用拨号电话线接入因特网时，一般都是使用PPP协议。
⏹拨号上网有两种：
1、普通的拨号上网：
使用的频谱和语音频谱相同
2、宽带接入技术adsl:
使用的频谱是现有电话线的高端频谱，是虚拟拨号
1.PPP协议应满足的需求
⏹简单——这是首要的要求
⏹封装成帧
⏹透明性
⏹多种网络层协议：
能够在同一条物理线链路上支持多种网络层协议。
⏹多种类型链路：
PPP能够在多种类型的链路上运行。
⏹差错检测：
能对接收端收到的帧进行差错检测，并立即丢弃差错帧。
⏹检测连接状态：
能够自动检测链路是否处于正常的工作状态。
⏹最大传送单元：
对每一种类型的点对点链路设置最大传送单元MUT的标准默认值。
⏹网络层地址协商：
PPP协议必须有一种机制使通信的两个网络层的实体能够通过协商知道或能够配置彼此的网路层地址。
⏹数据压缩协商：
PPP协议必须有一种方法来协商使用数据压缩算法。
2.PPP协议不需要的功能
⏹纠错：
在TCP/IP协议族，可靠传输由运输层的TCP协议负责，PPP协议只进行检错，即PPP协议是不可靠的协议。
⏹流量控制：
在TCP/IP协议族，端到端的流量控制由TCP负责。
⏹序号：
因为PPP协议不是可靠协议，因此不需要使用序号。
⏹多点线路:
PPP不支持多点线路（一个主站轮流和链路上的多个从站进行通信），而只支持点到点的链路通信。
⏹半双工或单工链路：
PPP协议只支持全双工通信。
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[RFC1661]。
⏹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（LinkControlProtocol）。
⏹网络控制协议NCP（NetworkControlProtocol）。
3.2.2PPP协议的帧格式
透明传输问题
⏹PPP用两种方法来解决透明传输的问题
⏹1、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。
⏹2、当PPP用在异步传输时，就使用一种特殊的字符填充法。
字符填充
⏹将信息字段中出现的每一个0x7E字节转变成为2字节序列（0x7D,0x5E）。
⏹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。
⏹在发送端进行这种字节填充，在接收端要进行逆变换，才可以正确还原出原来的信息。
零比特填充法（同步传输时）
（1）在发送端，先扫瞄整个信息字段（由硬件完成），若发现比特流数据中有5个连续1时，就立即填入一个0，这样就可以确保信息字段中不会出现连续的6个1。
（2）在接收帧时，先找到标志字段F以确定帧的边界。
接着再对信息比特流进行扫描。
每当发现5个连续1时，就将其后的一个0删除，以还原成原来的比特流，而不会出现帧边界判断的错误。
注：
因为帧边界符:
7E→011111106个连续的1
PPP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：
a.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。
b.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。
c.帧检验序列FCS字段可保证无差错接受。
3.2.3PPP协议的工作状态
⏹当用户拨号接入ISP时，路由器的调制解调器对拨号做出确认，并建立一条物理连接。
⏹PC机向路由器发送一系列的LCP分组（封装成多个PPP帧）。
⏹这些分组及其响应选择一些PPP参数，和进行网络层配置，NCP给新接入的PC机分配一个临时的IP地址，使PC机成为因特网上的一个主机。
⏹通信完毕时，NCP释放网络层连接，收回原来分配出去的IP地址。
接着，LCP释放数据链路层连接。
最后释放的是物理层的连接。
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
一、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。
具有如下的一些主要优点：
⏹能方便地共享昂贵的外部设备、主机以及软件、数据。
从一个站点可访问全网。
⏹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。
⏹提高了系统的可靠性、可用性和残存性。
二、局域网的拓扑
对总线网的说明：
1、各站点是直接连在总线上的
2、总线两端的匹配电阻的作用是为了吸收在总线上传播的电磁波的信号能量，避免在总线上产生有害的电磁波
3、可以使用两种协议：
（1）传统的以太网使用的是CSMA/CD
（2）令牌环总线网：
在物理上是总线网，但是在逻辑上是环形网
注：
现在的以太网基本上即使局域网的同义词
三、局域网的媒体共享技术得分类
1、静态划分信道
（1）频分复用
（2）时分复用
（3）波分复用（4）码分复用
特点：
（1）用户只要得到了信道便不会和其他的用户发生冲突
（2）划分信道的方法代价较高，不适于局域网和某些广播信道的网络使用
2、动态媒体接入控制（多点接入）
（1）随机接入：
其特点是所有的用户都可以随机的发送信息，但是若恰巧有两个或多个用户在同一时刻发送信息，则会产生碰撞，造成所有用户的发送都失败。
因此要有解决碰撞的网络协议
（2）受控接入：
其特点是用户不能随机的发送信息，而必须服从一定的控制。
典型代表：
A:
分散控制的令牌环局域网FDDI
B:
集中控制的点线路探询（使用极少）
四、传统以太网的工作原理
1、以太网的两个标准
1）DIXEthernetV2标准是世界上第一个局域网产品（以太网）的规约
2）IEEE的802.3标准。
因为DIXEthernetV2与IEEE的802.3标准只有
很小的差别，因此可以将802.3局域网简称为
“以太网”。
严格说来，“以太网”应当是指符合DIXEthernetV2标准的局域网
3）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：
a.逻辑链路控制LLC子层：
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，如下图。
b.媒体接入控制MAC子层：
与接入到传输媒体有关的内容都放在MAC子层。
c.注：
TCP/IP体系经常使用的局域网使用的是DIXV2标准，基本都上不考虑LLC子层，因此现在多数的网卡只有MAC协议。
2、网卡的作用
1）网卡：
即网络接口板又称为通信适配器或网络接口卡NIC，简称“网卡”。
2）网卡的重要功能：
（1）进行串行/并行转换，如下图所示：
网卡和局域网之间的通信是通过电缆和双绞线以串行方式进行的
网卡和计算机之间的通信是通过主板上的I/O总线以并行方进行的
（2）对数据进行缓存
网络上的速率和计算机总线上的速率是不相同的
（3）在计算机的操作系统安装设备驱动程序
驱动程序告诉网卡应当从存储器的什么位置把多长的数据块发送到网络上（或执行相反的过程）。
（4）实现以太网协议
3）网卡不是独立的自治单元（不带电源，受计算机的控制）
（1）收到数据时：
A:
若帧有错，则丢弃
B:
若帧无措，则通过中断通知计算机并把他交付给网络层
（2）发送数据时：
由协议栈把IP数据报向下交给网卡并组装成帧后发到局域网中
3.3.2CSMA/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。
说明：
1、通信时采用的是广播式方式
2、在具有广播特性的总线上实现了一对一的通信
（1）对总线上的每一台计算机都分配一个唯一的地址
（2）在发送数据时在帧的首部写明接收站的地址
（3）仅当接收站的地址与帧中的目的地址相符时，才接收帧，否则不接收。
例如：
以太网的广播方式发送
站B向站D发送数据：
⏹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。
为了通信的简便以太网采取了以下重要的措施
⏹采用较为灵活的无连接的工作方式，即不必先建立连接就可以直接发送数据。
⏹以太网对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。
因此，以太网提供的服务是不可靠的，只是尽最大努力的交付。
（这样做的理由是局域网信道的质量很好，因信道质量产生差错的概率是很小的。
）
⏹以太网发送的数据是采用曼彻斯特编码的信号
⏹协调总线上各个计算机的工作。
如何协调？
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。
采用CSMA/CD协议来协调总线上各个计算机的工作
1、总线的特点：
同一时刻只允许一台主机发送信息
2、CSMA/CD：
载波监听多点接入/碰撞检测
3、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。
4、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。
注意：
其实总线上并没有什么“载波”，因此其实质就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号。
5、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。
（1）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）。
（2）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。
（3）所谓“碰撞”就是发生了冲突。
因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。
（4）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。
（5）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。
6、思考：
每个站在发送数据前都要进行“载波监听”，为什么还会产生碰撞呢？
因为：
电磁波在总线上是以有限的速率传播的（产生时延），当某个站监听到总线“空闲”时，其实总线可能并非真正的空闲，例如：
⏹A向B发出的信息，要经过一定的时间后才能传送到B。
⏹B若在A发送的信息到达B之前发送自己的帧（因为这时B的载波监听检测不到A所发送的信息），则必然要在某个时间和A发送的帧发生碰撞。
⏹碰撞的结果是两个帧都变得无用。
如下图：
CSMA/CD协议重要特性
⏹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，都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2（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2称为争用期，或碰撞窗口。
⏹一个站发送完数据后，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。
解决碰撞的一种算法：
二进制指数类型退避算法
基本思想：
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。
并且随着重传次数的增加，重传推迟（退避）的平均时间也随着增大。
具体做法：
（1）确定基本退避时间，一般是取为争用期2。
（2）定义参数k，k10，即：
k=Min[重传次数,10]
（3）从整数集合[0,1,…,（2k1）]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。
（4）当重传达16次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。
例如：
第一次重传时，k=1,r=0或1，则可以选择的重传时间为0或2，
第二次重传时，k=2，r=0，1，2，3，则可以选择的重传时间为0，2，4，6，既可以从这4个时间中选择1个作为重传时间。
争用期的长度和最短有效帧长
⏹以太网取51.2s为争用期的长度。
⏹对于10Mb/s以太网，在争用期内可发送512bit，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。
⏹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：
⏹立即停止发送数据；
⏹再继续发送若干比特的人为干扰信号（jammingsignal），以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。
以太网规定了帧间最小间隔
⏹以太网规定了帧间最小间隔为9.6s，对于10Mb/s以太网，相当于96比特时间
⏹设置最小帧间间隔的目的是为了使刚刚收到数据帧的站能够及时清理其接收缓存，做好接收下一帧的准备
小结：
CSMA/CD协议的工作过程
1）适配器从网络层获得一个分组，加上以太网的首部和尾部，组成以太网帧，放入适配器的缓冲区，准备发送。
2）若适配器检测到信道空闲（即在96比特时间内没有检测到信道上有信号），就发送这个帧；若检测到信道忙，则继续检测并等待信道转为空闲（加上96比特时间），然后发送这个帧。
3）在发送过程中继续检测信道，若检测到碰撞，则中止数据的发送，并发送人为干扰信号。
4）在中止发送后，适配器就执行指数退避算法，等待r倍512比特时间后，返回到步骤2
3.4使用广播信道的以太网
3.4.1使用集线器的星形拓扑
一、传统以太网可使用的传输媒体有四种：
1、铜缆（粗缆或细缆）：
10BASE5,10BASE2
2、铜线（双绞线）:
10BASE-T
3、光缆:
10BASE-F
这样，以太网就有四种不同的物理层。
说明：
1、BASE：
指基带信号
2、BASE前的数值10：
表示数据率为10Mb/S
3、BASE后的数值：
5表示每一段粗缆的最大长度为500米
2表示每一段细缆的最大长度为200米（实际185米）
T表示双绞线（使用最广泛）
F表示光纤
粗缆以太网10BASE5
⏹10BASE5以太网的最大作用距离
（1）10BASE5的同轴电缆的最大长度被限制为500米（因为衰减、失真）
（2）若实际网络需跨越更长的距离，则必须采用转发器（中继器）。
中继器：
工作在物理层，其作用是消除信号由于经过一长段电缆而造成的失真和衰减，使信号的波形和强度达到要求的指标。
⏹10BASE5布线贵且安装不便
细缆以太网10BASE2：
优点：
1、用更便宜的直径为5mm的细同轴电缆，易折弯，可直接连接到主机箱。
2、将媒体连接单元MAU和媒体相关接口MDI都安装在网卡上，取消了外部的AUI电缆。
3、细缆直接用标准BNCT型接头连接到网卡上的BNC连接器的插口。
缺点：
可靠性差，不易维护
星形网10BASE-T（星型总线网）
1、特点：
（1）不用电缆而使用无屏蔽双绞线。
每个站需要用两对双绞线，分别用于发送和接收。
（2）在星形网的中心增加了一种可靠性非常高的设备，叫做集线器（hub）。
如下图：
（3）通信距离短，各站到集线器的距离不超过100米
（4）成本极大降低，可靠性却极大的提高了
（5）10BASE-T的出现，是局域网发展史上的里程碑，奠定了以太网在局域网中的统治的地位
2、集线器的一些特点
1）集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线的工作，因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行。
2）使用集线器的以太网在
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