一、数据链路层服务

标记：

1、数据链路层功能

数据链路层负责通过一条链路，从一个节点向另一个物理链路直接相连的相邻节点，传送网络层数据报，中间通常不经过任何其他交换节点。

实现数据链路层功能的典型硬件实体是网络适配器（NIC，即网卡），网络适配器实质上需要实现数据链路层和物理层的功能。
沿着通信链路连接的相邻节点的通信信道称为链路。
数据链路层传输的数据单元称为帧。
数据链路层通常提供以下几点服务：

1. 组帧。
2. 链路接入。点对点链路和广播链路。
3. 可靠交付。多用于无线网络，通常有线链路的数据链路层协议不提供可靠传输服务。
4. 差错控制。在一段时间内，传输过程出现差错的比特数，占所传输比特总数的比率，称为误比特率。误比特率与线路的信噪比有很大关系。

领会：

1、组帧

将要传输的数据封装成帧，称为组帧或成帧，组帧过程中增加帧头、帧尾。
帧头中通常包含发送节点和接收节点的地址等信息。
帧尾通常包含用于差错检测的差错编码。

二、差错控制

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1、差错控制基本概念

通过差错编码技术，实现对信息传输差错的检测，并基于某种机制新词能够差错纠正和处理，是计算机网络中实现可靠传输的重要技术手段。
信噪：
1. 随机噪声，包括热噪声、传输介质引起的噪声，具有典型的随机特征。
2. 冲击噪声：突然发生的噪声，雷击、电机启停等，具有很强的突发性。
随机噪声引起的传输差错称为随机差错或独立差错，具有独立性、稀疏性和非相关性等特点。
冲击噪声引起的差错称为突发差错

领会：

1、差错控制典型机制

检错重发、前向纠错、反馈校验、检错丢弃

1. 检错重发：接收端请求发送端重发数据加以纠正
2. 前向纠错：利用纠错编码定位错误位置并纠正，适用于单工链路或实时性要求高的应用
3. 反馈校验：数据原路发回发送端。优点是原理简单，易于实现，无需差错编码；缺点是需要相同传输能力的反向信道，传输效率低，实时性差
4. 检错丢弃：不纠正出错的数据，直接丢弃错误数据，适用于容许一定比例的差错存在，只适用于实时性要求高的系统。

2、差错编码基本原理

在待传输（或待保护）数据信息的基础上，附加一定的冗余信息，该冗余信息建立起数据信息的某种关联关系，将数据信息以及附加的冗余信息一同发送到接收端，接收端可以检测冗余信息表征的数据信息的关联关系是否存在，如果存在则没有错误，否则就有错误。

3、汉明距离的概念与意义

两个等长码字之间，对应位不同的位数，称为两个码字的汉明距离，记为d_c。

例如，码字01100101与10011101之间的汉明距离d_c=5，
01100 101
10011 101

定义一个编码集的汉明距离为该编码集中任意两个码字之间汉明距离的最小值，记为d_s。

4、差错编码的检错或纠错能力

差错编码的所有有效码字的集合称为该差错编码的编码集。

差错编码的检错或纠错能力，跟该差错编码的编码集的汉明距离有关。

1. 对于检错编码，如果编码集的汉明距离为d_s=r+1，则该差错编码可以检测r位的差错。
2. 对于纠错编码，如果编码集的汉明距离为d_s=2r+1，则该差错编码可以纠正r位的差错。

应用：

按位异或运算XOR：用符号⊕表示，参与运算的两个值，如果两个位值相同，则结果为0，否则为1。

典型差错编码：奇偶校验码、汉明码、循环冗余码CRC

1、奇偶校验码

包括奇校验码和偶校验码，是一种最简单的检错码。利用1位冗余信息实现差错检测，可以表示为（n,n-1）。
1位冗余信息取值0或者1，使得编码后码字中“1”的位数：
1.奇数：奇校验码 a_n-1⊕a_n-2⊕…⊕a₁⊕a₀=1
2.偶数：偶校验码 a_n-1⊕a_n-2⊕…⊕a₁⊕a₀=0
其中a₀为冗余位。
奇偶校验码可以实现50%的检错率，漏检率50%。
优点：编码简单、编码效率高，开销最小的检错编码
缺点：检错率不高
应用：低速串行通信链路中

2、Internet校验和

3、汉明码

汉明码是典型的线性分组码，可以实现单个比特差错纠正，在数据通信以及数据存储系统中得到广泛应用。
一般来说，信息位为k位，增加r位冗余位，构成n=k+r位码字。若希望用r个监督关系式产生的r个校正因子来区分无错和在码字中n个不同位置的一位错，则要求

4、循环冗余码CRC

也称为多项式编码
基本思想：将二进制位串看成是系数为0或1的多项式的系数。
在使用CRC编码时，发送方和接收方必须预先商定一个生成多项式G(X)。生成多项式的最高位和最低位系数必须是1。
编码过程：
假设G(X)的阶为r（即对应的位串为r+1位），则

1. 在帧的低位端加上r个0位，使该帧扩展为m+r位（相当于左移r位），对应的多项式为x^rM(x)
2. 用G(X)系数对应的位串，去除（模2除法）x^rM(x)系数对应的位串，求得r位余数R
3. 用x^rM(x)系数对应的位串，减（模2减法）去余数R，结果就是完成CRC编码的帧
   
   于是，得到CRC编码后的结果为101110011001。
   CRC编码具有优良的性能，很适合差错检测。一方面，CRC编码具有很强的检错能力。另一方面，CRC的编码、解码实现简单，只需要通过简单的移位与异或运算即可实现。另外CRC编码效率高。
   CRC在计算机网络的数据链路层协议中的得到了广泛的应用，以太网、IEEE802.11无线局域网和PPP协议等。

三、多路访问控制协议

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1、数据链路的分类

点对点信道和广播信道

2、MAC协议的作用

广播信道使用一对多的广播通信方式，广播信道上连接的节点很多，信道被所有节点共享，必须使用多路访问控制（Multiple Access Control,MAC）协议来协调节点的数据发送。

根本任务是解决信道的共享问题

3、MAC协议的分类

3种类型：

信道划分MAX协议

随机访问MAC协议

受控接入MAC协议

领会：

1、多路复用技术

多路复用技术是实现物理信道共享的经典技术，基本思想是：将信道资源划分后，分配给不同的节点，各节点通信时，只使用分配到的资源，从而实现了信道共享，并避免了多节点通信时的相互干扰。

2、信道划分协议TDMA、FDMA、WDMA

采用多路复用技术实现信道共享的MAC协议称为信道划分MAC协议。

FMD：简称频分复用，是频域划分制，信道带宽以及每个子信道的带宽决定了同时可以传输多少路信号。使用隔离带隔离每个子信道。接收端利用带通波滤器对信号进行分离、复原。FDM常用于模拟传输的宽带网络。优点是分路方便，是目前模拟通信中常采用的一种复用方式，特别是有线和微波通信系统中应用广泛；缺点是各路信号之间的相互干扰（串扰）。不提供差错控制技术，不便于性能检测。
TDM：简称时分复用，是时域划分，分为同步时分多路复用（STDM）和异步时分多路复用（ATDM）。同步时分多路复用按照固定的顺序把时隙分配给各路信号，采用固定的时隙轮流分配机制，可能造成信道浪费；异步时分多路复用也叫做统计时分多路复用（简称也是STDM），根据用户要发送数据量分配较多时隙或较少时隙，没有数据不分配时隙，可以提高信道利用率，主要用于高速远程通信，现代计算机网络的广域传输大多采用，缺点技术复杂性比较高，存在需要传输用户标识等额外数据传输开销等。
WDM：简称波分复用，广泛应用于光纤通信中。实质是一种频分多路复用，用光的波长代替频率；为了实现长距离的高速传输，通常采用波分复用几乎和光纤放大器。

3、随机访问协议ALOHA协议、时隙ALOHA协议、CSMA

典型的随机访问协议有：ALOHA协议、载波监听多路访问协议、带冲突检测的载波监听多路访问协议

ALOHA协议是最早、最基本的无线数据通信协议。分为纯ALOHA和时隙ALOHA

1. 纯ALOHA：任何一个站点有数据直接发送至信道，发送后侦听信道一段时间（电波传到最远端的站再返回本站所需要的时间），收到应答信号说明发送成功，否则说明数据帧遭到破坏（发生冲突），等待随机时间再重发，直到成功为止。
2. 时隙ALOHA：把信道时间分成离散的时隙，每个时隙为发送一帧所需要的发送时间，每个通信站只能在每个时隙开始时刻发送帧，如果在一个时隙内发送帧出现冲突，下一个时隙以概率P重发该帧，以概率（1-P）不发该帧（等待下一个时隙），直到帧发送成功。时隙ALOHA协议需要所有的通信站在时间上同步。

定义两个参数描述信道的效率：

1. 吞吐量S ：又称吞吐率，等于在一帧的发送时间T₀（帧时，Frame Time）内成功发送的平均帧数。0<S<1，可以用S接近于1的程度衡量信道的利用率。
2. 网络负载G：在一帧的发送时间T₀内发送的平均帧数，包括发送成功的帧和因为冲突未发送成功而重发的帧。G≥SG，只有在不发生冲突的时候，才有G=S。

纯ALOHA的吞吐量与网络负载的关系式为：

S=Ge^-2G
当G=0.5时，信道利用率S最高，为18.4%，G>0.5时，S因为冲突
增加减小，因此，纯ALOHA系统中，网络负载不能大于0.5。

时隙ALOHA协议的吞吐量S与网络负载的关系为：

S=Ge^-G
当G=1时，S=S_max=0.368,最大信道利用率为36.8%，与纯ALOHA相比，降低了产生冲突的概率。

载波监听多路访问协议CSMA：通过硬件装置（载波监听装置）是通信站在发送数据之前，监听信道上其他站点是否在发送数据，如果在发送，则暂时不发送，从而减少了发生冲突的可能，提高了系统的吞吐量，又称CSMA的工作方式为“先听后说”，分为三种不同类型的：

1. 非坚持CSMA：若通信站有数据发送，先侦听信道；如发现信道空闲，立即发送数据；若发现信道忙，则等待一个随机时间，然后重新开始监听信道，尝试发送数据。优点减少冲突概率，缺点增加信道的空闲时间，数据发送延迟增大。
2. 1-坚持CSMA：若通信站有数据发送，先侦听信道；如发现信道空闲，立即发送数据；若发现信道忙，则继续侦听信道直至发现信道空闲，然后立即发送数据。优点减少了信道的空闲时间，缺点是增加了发生冲突的概率。
3. P-坚持CSMA：适用于时隙信道（同步划分时隙），若通信站有数据发送，先侦听信道；若发现信道空闲，以概率P在最近时隙开始时刻发送数据，以概率Q=1-P延迟至下一个时隙发送；若下一个时隙空闲，重复此过程，直到数据发出或时隙被其他通信站占用；若信道忙，则等待下一个时隙，重新开始发送过程。若发送冲突，等待随机时间，重新开始发送过程。

4、受控接入MAC协议

特点是各个用户不能随意接入信道而必须服从一定的控制，分为集中式控制和分散式控制

1. 集中式控制：系统中有一个主机负责调度其他通信站接入信道，从而避免冲突，主要方法是轮询技术，又分为轮叫轮询和传递轮询。
2. 比较典型的分散式控制方法是令牌技术。令牌是一种特殊的帧，最典型的使用令牌实现多路访问控制的是令牌环网。令牌丢失和数据帧无法撤销，是环网上最严重的两种错误，可以通过在环路上指定一个站点作为主动令牌管理站解决问题，通过超时机制检测令牌丢失，清楚数据碎片，发出令牌。

应用：

1、CDMA基本原理

基于扩频技术，将需要传输的、具有一定信号带宽的信息，用一个带宽远大于信号带宽的码序列进行调制，使原信号的带宽得到扩展，经载波调制后在发送出去，接收端则利用不同码序列之间的相互正交的特性，分离特定信号。

2、CSMA/CD特点以及最小帧长与节点之间距离的约束关系

带冲突检测的载波监听多路访问协议CSMA/CD，其中CD表示冲突检测，可以理解为“先听后说，边听边说”。
基本原理：通信站使用CSMA协议进行数据发送，在数据发送期间如果检测到碰撞，立即终止发送，并发出一个冲突强化信号，使所有通信站都知道冲突的发生；发出冲突强化信号后，等待一个随机时间，再重复上述过程。
CSMA/CD的工作状态可以分为传输周期、竞争周期、空闲周期
CSMA/CD仍然会存在冲突，主要原因是信号传播时延的原因。
CSMA/CD通过检测信道中信号强度来判断是否发成了冲突，因此适用有线信道，不适用无线信道。
$$\frac{L_{min}}{R}\ge \frac{2D_{max}}{v}$$
L_min为数据帧最小长度，R信息传输速率，D_max为两通信站之间的最远距离，v为信号传播速度

四、局域网

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1、局域网的特点

覆盖面积小，网络传输效率高，传输误码率低。

2、局域网体系结构

拓扑类型主要包括星形网络、总线型网络、环形网络，目前比较多见得失星形网络以及星形网络为基础的树形网络拓扑，例如最常见的以太网。

领会：

1、局域网寻址

数据链路层的帧，需要携带发送帧节点的数据链路层地址，以及接收帧节点的数据链路层地址，标识帧的发送方与接收方。

2、MAC地址

1. 事实上并不是主句或路由器具有链路层地址，而是他们的适配器（网络接口卡）具有链路层地址，或成为MAC地址、物理地址、局域网地址等用来标识局域网中的节点或网络接口。
2. 常见局域网和IEEE802.11无线局域网MAC地址为6字节，十六进制表示法，“:”或者“-”连接。
3. MAC地址具有唯一性，两块网卡必须具有不同的MAC地址
4. MAC地址具有扁平结构，无论到哪里都不会发生改变
5. MAC广播地址是48位全部为的地址，FF-FF-FF-FF-FF-FF。

3、ARP

地址解析协议ARP，用于根据本网内目的主机或默认网关的IP地址获取其MAC地址。
基本思想：在每一台主机中设置专用内存区域，称为ARP高速缓存（ARP表），存储该主机所在局域网中其他主机和路由器（即默认网关）的IP地址与MAC地址的映射关系，并且这个映射表要经常更新。
注意：

1. ARP查询分组是通过一个广播帧发送的，而ARP响应分组是通过一个标准的单播帧发送的；
2. ARP是即插即用的，一个ARP表是自动建立的，不需要系统管理员来配置
3. 一个ARP分组具有包含链路层地址的字段，因而可认为是链路层协议，但它也包含网络层地址，也可认为是网络层协议。

4、以太网

第一个广泛部署的告诉局域网。

5、冲突域与广播域的概念

冲突域是指，在一个局域网内，如果任意两个节点同时向物理介质中发送信号（数据），这两路信号一定会在物理介质中相互叠加或干扰，从而导致数据发送的失败，那么这两个节点位于同一个冲突域。
广播域是指，任一节点如果发送链路层广播帧的话，接收该广播帧的所有节点与发送节点同属于一个广播域。

6、VLAN基本原理

虚拟局域网Virtual Local Area Network，是一种基于交换机（必须支持功能）的逻辑分割（或限制）广播域的局域网应用形式。不受物理位置的限制，以软件的方式划分和管理局域网中的工作组，可以限制接收广播信息的主机数，从而使局域网不会因为传播过多的广播信息而引起性能的恶化，即“抑制广播风暴”。VLNA的设置是在以太网交换机上，通过软件方式实现的。
划分VLNA的方法主要有：基于交换机端口划分、基于MAC地址划分、基于上层协议划分
应用：

1、以太网帧结构

帧结构中包含两个地址：一个是目的地址，一个是源地址，均为48位物理地址，即MAC地址。
2字节类型字段用于标识上层协议，即标识帧中封装的数据是上层什么协议的分组。0x800表示封装的是IP数据报。类型字段可以使得以太网可以复用多种网络协议。
数据字段封装的是上层协议的分组，如IP数据报。
CRC字段的校验采用循环冗余校验，长度为4字节。

2、以太网CSMA/CD协议

以太网采用的是CSMA/CD协议，利用曼彻斯特编码发送，使用截断二进制指数后退算法来确定碰撞后重传的时机。

3、以太网指数退避算法

4、以太网通信过程

5、交换机工作原理

可以依据接收到的链路层帧的目的MAC地址，选择性地转发到对应的端口，这就是交换机的转发与过滤功能。

五、点对点链路协议

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1、点对点链路的特点

大多应用于广域网中，不存在介质共享问题，不需要MAC协议。

2、点对点链路层协议功能需求

典型的点对点链路协议：PPP和HDLC协议

3、HDLC协议

高级数据链路控制协议
High-level Data Link Control ,HDLC
可以应用于点对点链路和点对多点链路
HDLC是面向位的协议
帧格式：

帧的定界符是01111110，地址字段用于标识一个终端，控制字段用作序列号、确认、查询与结束，数据是传送内容，校验和采用循环冗余码校验。
HDLC有3种类型的帧：
信息帧（I格式）、管理帧（S格式）、无序号帧（U格式）
3种帧的8位控制字段如下：

HDLC协议使用了滑动窗口，其序号Seq为3位，是当前帧的序列号，Next字段用于确认Next之前的帧（捎带确认），Next值标识期望节接收的下一帧。T/F位中的T位表示主句询问终端，终端发送帧结束时置F位。

领会：

1、PPP

现在全世界使用的最多的点对点链路的数据链路层协议是点对点协议（Point to Point Protocol,PPP）
单个发送方、单个接收方的点对点链路
PPP提供3类功能：

1. 成帧。确定一帧的开始和结束，帧格式支持错误检测
2. 链路控制协议（Link Control Protocol,LCP）。用于启动线路、检测线路、协商参数及关闭线路
3. 网络控制协议（Network Control Protocol,NCP）。用于协商网络层选项，并且协商方法与使用的网络层协议独立。

在实际情况中，PPP的设计要困难很多，因此，有部分功能不要求其实现：

1. 差错纠正 。仅要求PPP能够进行比特差错检测，不要求纠正
2. 流量控制。由叫高层协议负责遏制分组交付给PPP的发送速率
3. 按序交付。PPP不要求链路中发送方发送帧的顺序与接收方交付帧的顺序相同。

PPP数据帧结构：

PPP帧中的标志字段=0x7E，
地址字段A设置为0xFF，实际上并不起作用
控制字段C通常设置为0x03
PPP是面向字节的，所有的PPP帧的长度都是整数字节
当PPP用在同步传输链路时，协议规定采用硬件来完成位填充（和HDLC的做法一样）；当PPP用在异步传输时，就是用一种特殊的自读填充法。协议字段告诉PPP接收方所接收的封装数据所属的上层协议。
校验和字段用于检测已传输帧中的比特差错，使用2字节或4字节的CRC编码。
PPP的地址字段和控制字段，在PPP链路建立之初，可以通过协商省略不用，在帧中不包含这两个字段。协议字段和校验和也可以建立之初通过协商来确定，这些是通过LCP完成的，属于参数协商功能。
典型应用场景是家庭用户拨号上网。

2、点对点链路层协议实现透明数据传输的方法

PPP采用字节填充转义，HDLC采用位填充转义。
PPP定义了一个特殊的控制转义字节01111101，在成帧时，对帧中除了标志字段外的内容进行扫描，如果01111110出现在除标志位以外的任何地方，PPP就在01111110之前插入控制转义字节01111101，指示随后的01111110不是一个标志字段，接收方接收到01111101后面紧跟一个01111110，就会去除填充的控制转义字节，将01111110作为数据来处理。
HDLC首先发送端扫描整个字段（多采用速度较快的硬件实现），发现5个连续的1，立即插入一个0，经此过程后，数字段不会出现连续的6个1.接收端接收到一个帧后，先找到标志01111110确定帧的边界，接着利用硬件扫描整个比特流，当发现5个连续的1，就删除其后的0，还原成原来的信息。