第五章：数据链路层与局域网

一、数据链路层服务

（一）数据链路层

负责通过一条链路，从一个结点想另一个物理链路相连的相邻结点，传送网络数据报，中间不经过任何其他交换结点。

数据链路：

网络中两个结点之间的逻辑通道。

实现控制数据传输协议的硬件（网卡）和软件加到链路上构成的。

链路层主要提供的功能：

①组帧（成帧）：数据链路层在传输数据前需要先将数据封装成帧，这个过程称为组帧或成帧。帧头（帧首）含有发送结点和接收结点的地址信息、定界字符等，帧尾含有用于差错检测的控制编码。

②链路接入：物理链路可分为点对点链路和广播链路两大类，其中广播链路需借助MAC协议的帮助才能实现帧的成功传输。

③可靠交付：无线链路（出错率高）：支持可靠数据传输。光纤、双绞线（出错率低）：不提供可靠数据传输。

④差错控制：帧在传输的过程中，其中的数据信息可能会出错，数据链路层协议可采取不同的差错控制措施，比如通过确认重传纠正差错、直接丢弃差错帧等。误比特率：出现差错的比特数/传输比特总数。

二、差错控制

（一）差错控制概念

差错控制就是通过差错编码技术，实现对信息传输差错的检测，并基于某种机制进行差错纠正和处理。是计算机网络中实现可靠传输的重要技术手段，并在许多数据链路层协议中应用。

（二）噪声的影响 信号在传输过程中，会受到各种噪声的干扰，从而导致传输差错。

噪声可分为两大类：随机噪声（随机差错或独立差错）、冲击噪声（独立差错）。

随机差错：随机噪声引起的传输差错称为随机差错或独立差错。

突发差错：冲击噪声引起的差错称为突发差错，突发差错通常会造成连续或成片的信息差错，所以突发差错比随机差错造成的影响更为严重。

突发长度：突发错误发生的第一位错误和最后一位错误之间的长度称为突发长度。

（三）差错控制的基本方式

典型的差错控制方式包括检错重发、前向纠错、反馈校验和检错丢弃。

差错控制编码可以分为检错码和纠错码。

（1）检错重发：发送端对待发的数据进行差错编码，然后发送给接收端，接收端利用差错编码对数据进行检测，若发现有错误则反馈给发送端，请求再次发送数据，直到接收端收到正确无误的数据。

（2）前向纠错（FEC）：该机制需要利用纠错编码，接收端不仅能利用纠错编码检测出数据是否出错，还能纠正其错误。前向纠错机制比较适用于单工链路或者对实时性要求比较高的应用。

（3）反馈校验：接收端会将收到的数据发回发送端，发送端将反馈的数据与发送的数据进行对比，若无误则认为接收端正确接收了数据，否则就重新发送数据。反馈校验不需要差错编码，但是传输效率低、实时性差。

（4）检错丢弃：在该机制中，不会对出错的数据进行纠正，而是直接丢弃。

（四）差错编码的基本原理

差错编码的基本原理就是在待传输（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。

冗余数据：与数据信息建立某种关联关系（复制一次、复制两次等）。

（五）差错编码的检错与纠错能力

（六）典型的差错编码

奇偶校验：

最简单的检错码。利用1位冗余信息实现差错检测

奇校验码：冗余位，取值为0|1，使得编码后的码字中1的个数为奇数

偶校验码：冗余位，取值为0|1，使得编码后的码字中1的个数为偶数

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

循环冗余码：

目前广泛使用的差错编码是循环冗余检测编码（CRC），简称循环冗余码，或CRC码。

基本思想：将二进制位串看成系数为0或1的多项式的系数。

我们可以先对每一位从右往左按数字0~n进行编号，即

提示：发送方和接收方必须先提前商定一个多项式G(x)，生成的多项式中的最高位和最低位系数必须为1。

方法总结：用编码多项式G(x)，对位串进行CRC编码。

（1）写出多项式对应的位串，并确定有r位。

（2）在待编码位串后面添加0，0的个数：添加r-1个0。

（3）用新待编码位串除以多项式对应的位串。

（4）求得的余数添加在待编码位串后，即为CRC编码后的码。

优选的典型G(x)

（七）差错编码检错原则

接收方收到CRC编码后，将收到的CRC编码除以G(x)对应的位串，若所得余数为0，则数据传输无误；若余数不为0，则数据传输出错。

三、多路访问控制协议

（一）信道划分MAC协议

定义：多路复用技术是实现物理信道共享的经典技术，多路复用主要包括：频分多路复用、时分多路复用、波分多路复用和码分多路复用。

链路分类：点对点信道、广播信道

多路访问控制（Multiple Access Control，MAC）协议，用于解决信道的共享问题。

协议分类：主要可分为3类MAC协议：信道划分MAC协议、随机访问MAC协议和受控接入MAC协议。

MAC协议的根本任务是解决信道（数据传输链路）的共享问题。

应用

（1）频分多路复用（FDM）：在频域内将信道带宽划分为多个子信道，利用载波调制技术将信号调制到对应的某个子信道，实现同时传输多路信号并且彼此间不影响。

（2）时分多路复用（TDM）：在时域内将信道划分为多个时隙，按时间依次将时隙分配给信道中的传输信号。

（3）波分多路复用（WDM）：广泛应用于光纤通信中，实质是一种应用于光纤通信中的频分多路复用。

（4）码分多路复用（CDM）：通过对各路信号进行编码，然后混合传输。

（二）随机访问MAC协议

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

ALOHA协议：可分为纯ALOHA协议、时隙ALOHA协议。

①纯ALOHA协议的工作原理：任何一个站点有数据要发送时就可以直接发送至信道。发送站在发出数据后需要对信道侦听一段时间。通常这个时间为电波传到最远端的站再返回本站所需的时间。如果在这段侦听时间里收到接收站发来的应答信号，说明发送成功。否则说明数据帧遭到破坏（发生冲突），则等待一个随机时间再进行重发，再次冲突，再等，直到重发成功为止。

②时隙ALOHA的基本思想：把信道时间分成离散的间隙，每个时隙为发送一帧所需的发送时间，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。

③一帧的发送时间称为帧时。网络负载G表示在一帧的发送时间内发送的平均帧数。

载波监听多路访问协议（CSMA）：CSMA可细分为3种不同的类型，非坚持CSMA、1-坚持CSMA和P-坚持CSMA。

①非坚持CSMA：若通信站有数据发送，先侦听信道；若发现信道空闲，则立即发送数据；若发现信道忙，则等待一个随机时间，然后重新开始侦听信道，尝试发送数据；若发送时产生冲突，则等待一个随机时间，然后重新开始侦听信道，尝试发送数据。

②1-坚持CSMA：若通信站有数据发送，先侦听信道；若信道空闲，则立即发送数据；若信道忙，则继续侦听信道，直到发现信道空闲，立即发送数据。

③P-坚持CSMA：若通信站内有数据发送，先侦听信道；若信道空闲，则有概率P的可能在最近时隙开始时刻发送数据，有概率1-P的可能延迟到下一个时隙发送；若下一个时隙仍空闲，则重复该过程。

带冲突检测的载波监听多路访问协议（CSMA/CD）：该协议的工作原理为当某通信站在发送数据时，如果检测到冲突，则立即终止数据的发送，并发出一个冲突强化信号，用于告知其他通信站此时信道忙碌。

CSMA/CD的工作状态可分为以下3种状态

①传输状态：当有一个通信站使用信道时，其他站禁止使用。

②竞争状态：所有通信站都有权尝试对信道的使用权。

③空闲状态：没有通信站使用信道。

在CSMA/CD协议中，数据帧长度（L）、信息传输速率（R）、两个站点间的距离（D）和信号传播速率（v）之间满足以下约束关系（最小帧长与结点间距离的约束关系）${L_{min} \over R} \le {2D_{max} \over v}$

（三）受控接入MAC协议

该协议的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，可分为集中式控制和分散式控制。

分散式控制：典型的分散式控制方法是令牌技术，令牌是一种特殊的帧。

集中式控制：一个主机负责调度其他通信站接入信道，从而避免冲突。方法：轮询

令牌是一种特殊的帧，代表了通信站使用信道的许可。在信道空闲时一只在信道上传输。一个通信站想要发送数据就必须首先获得令牌

两种错误：令牌环网上最为严重的两种错误是令牌丢失和数据帧无法撤销。

四、局域网

采用广播的方式，局部区域网络，覆盖面积小，网络传输率高，传输的误码率低。

数据链路层拆分：逻辑链路控制子层LLC、介质访问控制子层MAC

（一）数据链路层寻址与ARP（地址解析协议）

数据链路层地扯也称为MAC地址，或物理地址、局域网地址。MAC地址通常采用十六进制表示法，共6字节，也就是48位（但每四位压缩为1位），每个字节间用“-”或“:”连接起来，例如MAC地址00-2A-E1-76-8C-39或00:2A:E1:76:8C:39。

ARP能将lP地址解析为对应的MAC地址。

ARP的作用 根据本网目的主机或默认网关的lP地址获取其MAC地址。

地址解析协议的基本思想：在每一台主机中设置专用的内存区域，称为ARP高速缓存（也称ARP表）。存储该主机所在局域网中其他主机和路由器的IP地址与MAC地址的映射关系。

ARP查询分组：通过一个广播帧发送的

ARP响应分组：通过一个单播帧发送的

ARP是即插即用的：一个ARP表示自动建立的，不需要系统管理员来配置。

（二）以太网

以太网概念是第一个广泛部署的高速局域网、数据速度快、硬件便宜，造价低、其他有线局域网技术复杂，昂贵。

经典的以太网是采用粗同轴电缆连接的总线型以太网（10Base-5）

• 数据传输速率位10Mbit/s，无连接不可靠。

• 以太网的MAC协议是CSMA/CD。

• 相距最远主机信号往返的传播时延为51.2us。

以太网中的数据字段最少要46字节，最短帧长为64字节。它的帧结构如下：

以太网帧技术：

（三）冲突域与广播域的概念

冲突域是指，在一个局域网内，如果任意两个结点同时向物理介质中发送信号，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，这两个结点位于同一个冲突域。

广播域是指，任一结点如果发送链路层广播帧（即目的MAC地址为FF-FF-FF-FF-FF-FF）的话，接收该广播帧的所有结点与发送结点同属于一个广播域。

（四）虚拟局域网（VLAN）

定义：是一种基于交换机（必须支持VLAN功能）的逻辑分割（或限制）广播域的局域网应用形式。

以软件的方式划分和管理局域网中的工作组，限制接收广播信息的主机数，不会因为传播过多的广播信息二引起性能的恶化。

划分虚拟局域网的方法主要有3种：

（1）基于交换机端口划分：

（2）基于MAC地址划分；

（3）基于上层协议类型或地址划分。

（五）交换机（数据链路层设备）

交换机的优点：消除冲突、支持异质链路、网络管理

网桥：对数据帧实现转发、交换机可以认为是多端口的网桥（“透明”网桥是一种即插即用设备）。

集线器：物理层

交换机的工作原理：

（1）交换机根据收到数据帧中的源MAC地址建立该地址同交换机端口的映射，并将其写入MAC地址表中。

（2）交换机将数据帧中的目的MAC地址同已建立的MAC地址表进行比较，以决定由哪个端口进行转发。

（3）如数据帧中的目的MAC地址不在MAC地址表中，则向所有端口转发。这一过程称为泛洪。

（4）广播帧和组播帧向所有的端口转发。

交换机可以隔离冲突域，但是不能隔离广播域。

五、点对点链路协议

（一）点对点协议（PPP协议）

PPP是现在使用最多的点对点链路的数据链路层协议。

PPP主要提供以下3类功能：成帧、链路控制协议、网络控制协议。

成帧：PPP帧的长度都是整数字节。

字节填充技术：插入特殊的控制转移字节01111101（转义符）。

（二）HDLC协议

HDLC协议是面向位的协议：应用于点对点链路和点对多点链路

HDLC协议有3种类型的帧，分别是信息帧（传送数据）、管理帧（差错控制，流量控制）和无序号帧（链路的建立、拆除）。 它的帧结构如下，

其中，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，数据是传送的内容，校验和采用循环冗余码校验。