计算机网络数据链路层

简介基本问题 1.封装成帧 将网络层传下来的分组添加首部和尾部,用于标记帧的开始和结束。 2.透明传输 透明表示一个实际存在的事物看起来好像不存在一样。 帧使用首部和尾部进行定界,如果帧的数据部分含有和首部尾部相同的内容,那么帧的开始和结束位置就会被错误的判定。需要在数据部分出现首部尾部相同的内容前面插入转义字符。如果数据部分出现转义字符,那么就在转义字符前面再加个转义字符。在接收端进行处理之后可以还原出原始数据。这个过程透明传输的内

基本问题

1.封装成帧

将网络层传下来的分组添加首部和尾部,用于标记帧的开始和结束。

2.透明传输

透明表示一个实际存在的事物看起来好像不存在一样。

帧使用首部和尾部进行定界,如果帧的数据部分含有和首部尾部相同的内容,那么帧的开始和结束位置就会被错误的判定。需要在数据部分出现首部尾部相同的内容前面插入转义字符。如果数据部分出现转义字符,那么就在转义字符前面再加个转义字符。在接收端进行处理之后可以还原出原始数据。这个过程透明传输的内容是转义字符,用户察觉不到转义字符的存在。

3.差错检测

目前数据链路层广泛使用了循环冗余检验(CRC)来检查比特差错。

信道分类

1.广播信道

一对多通信,一个节点发送的数据能够被广播信道上所有的节点接收到。

所有的节点都在同一个广播信道上发送数据,因此需要有专门的控制方法进行协调,避免发生冲突(冲突也叫碰撞)。

主要有两种控制方法进行协调,一个是使用信道复用技术,一是使用 CSMA/CD 协议。

2.点对点信道

一对一通信。

因为不会发生碰撞,因此也比较简单,使用 PPP 协议进行控制。

信道复用技术

1.频分复用

频分复用的所有主机在相同的时间占用不同的频率带宽资源。

2.时分复用

时分复用的所有主机在不同的时间占用相同的频率带宽资源。

使用频分复用和时分复用进行通信,在通信的过程中主机会一直占用一部分信道资源。但是由于计算机数据的突发性质,通信过程没必要一直占用信道资源而不让出给其它用户使用,因此这两种方式对信道的利用率都不高。

3.统计时分复用

是对时分复用的一种改进,不固定每个用户在时分复用帧中的位置,只要有数据就集中起来组成统计时分复用帧然后发送。


4.波分复用

光的频分复用。由于光的频率很高,因此习惯上用波长而不是频率来表示所使用的光载波。

5.码分复用

为每个用户分配 m bit 的码片,并且所有的码片正交,对于任意两个码片 s 和 t有

为了讨论方便,取 m=8,设码片 为 00011011。在拥有该码片的用户发送比特 1 时就发送该码片,发送比特 0 时就发送该码片的反码 11100100。

在计算时将 00011011 记作 (-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1),可以得到其中 s'为 s的反码。

利用上面的式子我们知道,当接收端使用码片 对接收到的数据进行内积运算时,结果为 0 的是其它用户发送的数据,结果为 1 的是用户发送的比特 1,结果为 -1 的是用户发送的比特 0。

码分复用需要发送的数据量为原先的 m 倍。

CSMA/CD协议

CSMA/CD 表示载波监听多点接入 / 碰撞检测。

  • 多点接入:说明这是总线型网络,许多主机以多点的方式连接到总线上。

  • 载波监听:每个主机都必须不停地监听信道。在发送前,如果监听到信道正在使用,就必须等待。

  • 碰撞检测:在发送中,如果监听到信道已有其它主机正在发送数据,就表示发生了碰撞。虽然每个主机在发送数据之前都已经监听到信道为空闲,但是由于电磁波的传播时延的存在,还是有可能会发生碰撞。

记端到端的传播时延为 τ,最先发送的站点最多经过 2τ 就可以知道是否发生了碰撞,称 2τ 为争用期。只有经过争用期之后还没有检测到碰撞,才能肯定这次发送不会发生碰撞。

当发生碰撞时,站点要停止发送,等待一段时间再发送。这个时间采用截断二进制指数退避算法来确定。从离散的整数集合 {0, 1, .., (2k-1)} 中随机取出一个数,记作 r,然后取 r 倍的争用期作为重传等待时间。

PPP协议

互联网用户通常需要连接到某个 ISP 之后才能接入到互联网,PPP 协议是用户计算机和 ISP 进行通信时所使用的数据链路层协议。

PPP 的帧格式:

  • F 字段为帧的定界符

  • A 和 C 字段暂时没有意义

  • FCS 字段是使用 CRC 的检验序列

  • 信息部分的长度不超过 1500

MAC地址

MAC 地址是链路层地址,长度为 6 字节(48 位),用于唯一标识网络适配器(网卡)。

一台主机拥有多少个网络适配器就有多少个 MAC 地址。例如笔记本电脑普遍存在无线网络适配器和有线网络适配器,因此就有两个 MAC 地址。

局域网

局域网是一种典型的广播信道,主要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。

主要有以太网、令牌环网、FDDI 和 ATM 等局域网技术,目前以太网占领着有线局域网市场。

可以按照网络拓扑结构对局域网进行分类:

以太网

以太网是一种星型拓扑结构局域网。

早期使用集线器进行连接,集线器是一种物理层设备, 作用于比特而不是帧,当一个比特到达接口时,集线器重新生成这个比特,并将其能量强度放大,从而扩大网络的传输距离,之后再将这个比特发送到其它所有接口。如果集线器同时收到两个不同接口的帧,那么就发生了碰撞。

目前以太网使用交换机替代了集线器,交换机是一种链路层设备,它不会发生碰撞,能根据 MAC 地址进行存储转发。

以太网帧格式:

  • 类型:标记上层使用的协议;

  • 数据:长度在 46-1500 之间,如果太小则需要填充;

  • FCS:帧检验序列,使用的是 CRC 检验方法;

  • 前同步码:只是为了计算 FCS 临时加入的,计算结束之后会丢弃。

交换机

交换机具有自学习能力,学习的是交换表的内容,交换表中存储着 MAC 地址到接口的映射。

正是由于这种自学习能力,因此交换机是一种即插即用设备,不需要网络管理员手动配置交换表内容。

下图中,交换机有 4 个接口,主机 A 向主机 B 发送数据帧时,交换机把主机 A 到接口 1 的映射写入交换表中。为了发送数据帧到 B,先查交换表,此时没有主机 B 的表项,那么主机 A 就发送广播帧,主机 C 和主机 D 会丢弃该帧。主机 B 收下之后,查找交换表得到主机 A 映射的接口为 1,就发送数据帧到接口 1,同时交换机添加主机 B 到接口 3 的映射。

虚拟局域网

虚拟局域网可以建立与物理位置无关的逻辑组,只有在同一个虚拟局域网中的成员才会收到链路层广播信息。

例如下图中 (A1, A2, A3, A4) 属于一个虚拟局域网,A1 发送的广播会被 A2、A3、A4 收到,而其它站点收不到。

使用 VLAN 干线连接来建立虚拟局域网,每台交换机上的一个特殊接口被设置为干线接口,以互连 VLAN 交换机。IEEE 定义了一种扩展的以太网帧格式 802.1Q,它在标准以太网帧上加进了 4 字节首部 VLAN 标签,用于表示该帧属于哪一个虚拟局域网。



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        2019-10-14    
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    电路交换与分组交换

    1. 电路交换

    电路交换用于电话通信系统,两个用户要通信之前需要建立一条专用的物理链路,并且在整个通信过程中始终占用该链路。由于通信的过程中不可能一直在使用传输线路,因此电路交换对线路的利用率很低,往往不到 10%。

    2. 报文交换

    报文交换用于邮局通信系统,邮局接收到一份报文之后,先存储下来,然后把相同目的地的报文一起转发到下一个目的地,这个过程就是存储转发过程。

    3. 分组交换

    分组交换也使用了存储转发,但是转发的是分组而不是报文。把整块数据称为一个报文,由于一个报文可能很长,需要先进行切分,来满足分组能处理的大小。在每个切分的数据前面加上首部之后就成为了分组,首部包含了目的地址和源地址等控制信息。

    存储转发允许在一条传输线路上传送多个主机的分组,因此不需要占用端到端的线路资源。

    相比于报文交换,由于分组比报文更小,存储转发的速度也就更快。

    时延

    总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延

    1. 发送时延

    主机或路由器发送数据帧所需要的时间。

    其中 l 表示数据帧的长度,v 表示发送速率。

    2. 传播时延

    电磁波在信道中传播一定的距离需要花费的时间,电磁波传播速度接近光速。

    其中 l 表示信道长度,v 表示电磁波在信道上的传播速率。

    3. 处理时延

    主机或路由器收到分组时进行处理所需要的时间,例如分析首部,从分组中提取数据部分等。

    4. 排队时延

    分组在路由器的输入队列和输出队列中排队等待的时间,取决于网络当前的通信量。

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