计算机网络 数据链路层

计算机网络 数据链路层

越行勤 3,348 2021-04-05

计算机网络，上一节课，遇到了八万个概念，简直看都看不过来。整理起来实属麻烦，所以我决定每一章，并不是整理所有知识点，整理大概和框架和重点知识点。课本刚好也是每一章节就是一个网络层次，也蛮容易理清楚滴。

第三章 数据链路层

数据链路层の任务

数据链路层 是在物理层提供的服务基础之上，为网络层提供服务，最基本的功能就是将网络层中来的数据 可靠地传输到相连的节点的目标主机。主要作用就是将物理层中可能会出现的错误的物理连接改造成==逻辑上无差错的数据链路==，在网络层来看只要是数据链路层上来的数据就是100%正确的。

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有关概念

  1. 结点： 主机和路由器
  2. 链路：网络中两个结点之间的物理通道，传输介质主要有 双绞线、光纤，电磁波等。
  3. 数据链路：网络中两个结点之间的逻辑通道，光有物理通道（链路）是不够的，我们还需要一定的协议。将实现这些协议的软件和硬件加到链路上就构成 数据链路层，这就是 网络适配器干的活。
  4. 帧：数据链路层上的传输数据的数据单元，在第一章节概述讲到，数据链路层会将网络层中的ip数据报封装成 帧
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数据链路层就负责通过链路将数据从一结点发送到另一个结点。

数据链路层的功能

数据链路层为了完成本层的任务，立下了如下flag.

  1. 为网络层提供服务， 无确认无连接服务， 有确认无连接服务， 有确认面向连接服务。
  2. 链路管理 ，即 连接建立 ，维持，释放（对于有连接）
  3. 组帧。
  4. 流量控制。
  5. 操作控制（帧错/位错）

重点

本章中，我们需要终点学习的知识。

  1. 数据链路层 点对点信道和广播信道 特点，以及在点对点信道上使用的ppp协议和在广播信道中使用的 CSMA/CD协议
  2. 数据链路层的三个基本问题： 封装成帧 ，透明传输、差错检测（CRC）
  3. 以太网 MAC层的mac地址
  4. 适配器，转发器，集线器，网桥，以太网交换机 ，他们的作用和使用场合

封装成帧和透明传输

封装成帧

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封装成帧 ：就是从网络层中的数据报，加头和加尾（帧首部，帧尾部），就构成了一个帧。

帧头部和尾部的作用何在呢？ ta们包含很多控制信息：

  1. 帧定界符（SOH,EOT），如果将长度不定的ip数据报混合在一起，我们就无法将他们分离开来了，所以帧定界是非常重要的。
  2. 差错控制信息
  3. 流量控制信息
  4. 物理地址信息

帧同步:接受方能够从接收到的二进制比特流中读取到 帧的起始和结束。

帧长：帧首部+数据部分+尾部的总长度

我们在c语言中，字符串中含有一个 '\0',它就是为了标记字符串结尾的。这里的帧开始符（SOH 十六进制编码 01），帧结束符（EOT 十六进制编码 04）就是其这个作用的。

透明传输

所谓透明，就是上层服务使用下层服务，但是却感受不到下层的存在。

由于组装成帧的时候，使用了一些控制信息，但是传输的数据恰好是 控制信息咋办呢？ 就以 帧定界符为例子。传输的数据恰好有(04)H,如果链路层不做出处理，那么此帧就出错了。那我们规定 网络层中不能有 (04)H,如果遇到就替换掉，把这件事交给网络层来做，这就不叫透明传输了。

组帧方法

  1. 字符计数法，我们不适用控制符了，在帧首部使用一个数据空间来存储当前帧的长度。虽然我们可以通过此方法确定帧的边界，但是如果帧首部的数据丢失呢？我们该如何确定后面的数据那个属于此帧，和下一个帧的首部在哪？

  2. 字符填充法，c语言想要输出 回车 咋办？ \n 使用 转义字符 \ 。在帧里也有 转义字符 ESC(1B)H, 数据部分中有 控制符号时就在前面加上转义字符来标记这不是正真的控制符 。等到接受方收到数据的时候，去掉ESC就好了。

  3. 零比特填充法： 口诀5110 ，使用本方法 ，帧定界 头尾都一样 二进制是 01111110 一共6个1

    • 在发送端，扫描数据部分，发现连续的五个1就填入一个0
    • 接受端，通过01111110 确定帧边界，遇到5个1就去掉后面的0.

    这个方法非常 简单，发现连续的五个1就填入一个0这就导致数据分布不可能有连续的6个1 ，无法和控制符重复。

  4. 违规编码法

差错检测

通信链路不是完美的，总有会出现差错的地方。如果我们无法确定一个帧出错或者没有出错，正所谓牵一发而动全身，那么在此比特流上后面的帧我们都无法判断是否出错了。

差错有两种：

  1. 位错 ， 比特位出错 0变1 1变0
  2. 帧错，丢帧，重复，失序

位错解决办法

  1. 检错编码
    • 奇偶检验码
    • 循环冗余码 CRC
  2. 纠错编码 海明码

检错编码 ，只能看出有错误，纠错编码可以看出哪里有错误

这里重点介绍 CRC.

奇偶检验码

奇偶校验码非常简单，但是我个人感觉不是很妥（主要是都能看懂了，一定不咋地，ahh）

奇偶校验码，是由 n-1是信息源（要传输的数据） 和1位校验元（可以是0，可以是1，这里假设为1），组成 。这里还分成两种

  1. 奇数校验码 ，如果是1的个数是奇数，就在前面加上1，不是就加0
  2. 偶数校验码，如果是1的个数是偶数，就在前面加上1，不是就加0

用此方法，只能看出错了奇数个的，如果偶数个位同时出错，那就无法检测出来了。

循环冗余码

模2运算

这里涉及到的运算 都是 模2运算,其实也没啥特别的地方，与四则运算相同，模2运算也包括模2加法、模2减法、模2乘法、模2除法四种二进制运算，不产生进和退位的运算。加减就是按位异或 。

  • 模2加法： 0+0 =0，1+0 =0+1 =1，1+1=0 没有进位 按位加即可

    例如 1110+1111=0001

  • 模2减法 ：0-0 =0，1-0 =0-1 =1，1-1=0 和加法一样，按位减法即可

    例如 1110-1111=0001

  • 模2乘法：0x0 = 1x0 =0x1 =0，1x1=1,和普通乘法一样 ，按位相乘 再相加即可，无需考虑进位的问题

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  • 模2除法：乘法的逆运算，计算口诀是 位数不够商0，反之商1，按位减法，最后一次位数不够时，取余数。

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CRC算法

CRC,循环冗余检验 算法如下：

在发送端，一个帧k bit数据，现在假设传送数据M为6位（k=6） 我们在发送端和接收端规定一个 长度位 n+1位的除数p

发送端：

  1. 对数据M乘以 2^n (左移，相当于后面加n个0)
  2. 现在计算M/p,求出余数 R(n位)
  3. M=R+M,发送端发送出去

接收端：

  1. 接受数据M, 计算 M/p,求余数R
  2. 如果R等于0 那么数据正确，帧保留，如果不等于0 则错误，帧丢弃！
  3. 检测数据正确 ，那么对数据右移3位

补充：

  1. p要求最高位和最低位必须为1
  2. 在发送端 ，用于检测是否出错的余数R叫做帧检错序列 FCS
  3. R的位数一定比P的少一位，因为模二运算除法位数够了商1

注意： CRC无法左到100%确定数据没有发生错误，也就说余数为0，但是数据出错的可能还是存在的。但是这样的情况的概率非常小，可以忽略不记。

我们这个除数P，我们可以用 生成多项式生成，例如 P(x)=X3 +X2+1 对于 1101 ，

  • 规则就是 X3 对应 最高位(第四位),有这一项 ，
  • X2 同理，
  • 但是没有 X1 所以第二位为0，X0=1 ，最低为为1

当然p不是只有4位的，这里最低位位一定为1 ，所以多项式有一个常数1

数据链路层如果仅仅使用CRC,只能检查数据是否出错，更具上述算法我们可以认为， 凡是接收端收到的数据都是正确的，但这不是可靠传输，可靠传输为发送端发啥，接收端就收到啥。

点对点信道 PPP协议

PPP の强大功能

PPP（point-to-point Protocol）协议目前数据链路层中最广泛的点对点协议，以前还有个 HDCL ,现在不常用了。

PPPOE你一定听说过，就是ISP(互联网移动提供商 ，电信联通这类的) ，就是所谓拨号上网，pppoe后面章节会讲到 现在之说前面的三个p.

目前ppp协议不是简单的数据链路层协议了，已经具有其他层的功能。我们仅从数据链路层来看 ppp协议应该满足数据链路层的所有条件：

  1. 简单
  2. 封装成帧且透明 这里ta采用的是 使用帧定界符 （7E）H，并且使用 比特填充法做到透明传输
  3. 支持多种链路类型，可以同步OR异步，可以串行或者并行,可以是高速或者低速，在物理上，可以电也可光
  4. 支持多种上层协议，比如说 IP 和IPX
  5. 差错检测

当然ppp还多完成了一些任务

  1. 身份验证，pppoe
  2. 检测连接状态
  3. 网络层地址协商，可以分配ip
  4. 规定了最大传送单元，MTU.这里不是最大帧的长度而是最大数据部分的长度

PPPの的组成

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  1. 将网络层中传来的数据报封装成帧的方法
  2. 网络控制协议 NCP，
  3. 建立、验证、检测的数据链路连接的链路控制协议LCP,

NCP相当于交通法律，来控制可以跑啥车，LCP 负责修路。

PPP先介绍到这里吧，这里还有许多没说。

广播信道 CSMA/CD 协议

广播信道就可以进行一对多的通讯，这里我们讨论局域网里的广播信道。

局域网

  1. 网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数据有限

  2. 局域网要有以下特点

    • 具有广播功能，从一个站点可以很方便的访问局域网

    • 便于系统的扩展，可以灵活的调整

    • 提高系统的可靠性和生存性以及可用性

  3. 局域网可以按照网络拓扑分类 星状 ，环状，总线

广播信道の困难

广播信道，其实面临大的问题是，如何让多个用户共享使用 信道，当然前面第二章讲到的方法， 时分复用，频分复用，码分复用等，我们称它们为 静态划分信道，但是ta们的代价对局域网来说太过昂贵。

我们这里主要介绍 动态媒体接入控制 ，又叫多点接入(multiple access) ，特点就是 信道并非是固定分配给用户，主要有如下几种方法

  1. 随机接入 ，所有用户都可以随时发消息，但是会发生碰撞，所以要对碰撞处理
  2. 受控接入，用户不能随时的发消息，必须服从一定的控制，经典代表是 探询（轮询）

我们这里介绍几个名词：

碰撞：对于 随机接入来说，一个信道只能传输一个信号，如果两个用户同时随机的发消息，信号被叠加，那么接收方就看不出这是啥信号了。这就叫碰撞，就好比两个人同时说话，第3个人听不清他们分别在说啥。

监听：用于广播信道是共有一个信道，所以一个用户发消息，其实所有的用户都可以收到，监听就是在描述用户在看本信道的空闲状态。

一个用户发消息，信道上所用用户都可以接受，用户如何判断消息如何是自己的消息呢，其实很简单，只需要看发送的目的（mac物理地址）地址就好了，如果目的地址和自己的地址一样就接受，不一样就丢弃。

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这里重点说明 CSMA/CD 协议

CSMA/CD 适用于 通信 在有线连接之上局域网

CSMA/CA 适用于通信在无线连接之上的局域网

CSMA/CD

从名字入手

我们先了解一下 CSMA的这些字母的含义

CS :载波监听，发送数据的站要检测总线上是否有其他的计算发送数据

MA: 多点接入(multiple access)

CSMA的主要思想就是 空闲就直接传输数据不必等待直接发送数据，忙就监听，直到空闲再次发送数据 ，如果冲突了（发送了碰撞，导致接受方无法收到正确的消息，接受方没有返回消息），就空闲一段时间重复前面的过程，知道收到了接收方的回复。

大概了解 CSMA就了解一下 CSMA/CD ，CD的含义就是碰撞检测，那么CA呢碰撞避免。

CSMA/CD工作原理

碰撞检测

更具前面的铺垫，那么可以推断出CSMA/CD是半双工的信道（无法同时发送数据和接受数据）

主要要点：

  1. 多点接入
  2. 载波监听，不管是否发送数据，都要和检测信道
  3. 碰撞检测， 边发送边监听
  4. 使用 曼切斯特编码，保证了每一个码都有一次变换，使用曼切斯特编码的好处就是可以方便的提取同步信号来。

我们再次回顾一下，CSMA的大致思路：

SMA的主要思想就是 空闲就直接传输数据不必等待直接发送数据，忙就监听，直到空闲再次发送数据 ，如果冲突了（发送了碰撞，导致接受方无法收到正确的消息，接受方没有返回消息），就空闲一段时间重复前面的过程，知道收到了接收方的回复。

这里忽视了一个重要的问题，就是传播延迟。

假设 A站点发送了数据到B站点， 在数据还没有到B站点之前，B也发送了数据到 A站点，因为共用一个信道，所以在之后的一个时间里一定有这两个信号一定会发生碰撞。两个结点都这样了，多个结点还不爆炸？

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看上图，竖轴为时间，正方向向下。假设 数据从A到B要 τ 时间，如果在A发送数据δ时间后，B发送了数据 ，那么信号就在 τ-δ 时间 发生了碰撞,碰撞就是两个信号的叠加，这就会导致在此信道上原本只能出现0和1信号，却出现了 2（超出了信号的范围）。

由于共有一个信道 ，所以A，B都会收到碰撞后的信号（第三方 C或者其他用户都可以收到），但是由于延时的存在 B和A都到 碰撞之后的信号时间不同，B在 T=τ知道碰撞了，A呢？ T=2τ-δ 时间。

那么A最晚何时知道自己发送的数据发生了碰撞，T=2τ ,也就是说 A发送的数据刚到B家门口,B就发送了数据。

换一句话说，A如果发现在 T=2τ 时间内，自己的数据都没有发送碰撞，那么数据就一定发送出去了！

T=2τ 就是所谓的争用期 。

如果检测到碰撞就立即停止传输数据，准备重新发送数据。

重传机制

如果检测碰撞就立马再次重发，那么大家都这样干，就会一直碰撞下去。

正确的做法就是，大家先休息一些时间后，再去发送，休息的这段时间就叫退避时间。基本的退避时间为 2τ（如果小于2τ，就会和自己发送的信号发送冲突）。

我们取一个离散集合 [0,1,2k-1] (k= 0 1 2 3 ) ,随机取出一个数 r, 那么本次规避的时间就是 r*2τ，如果重传的次数达到 16此，就说明现在网络太卡了，重传失败。

最小传输帧

这里我们就可以得出一个结论，帧的传输时延至少要两倍于信号在总线中的时延（就是 一次都没发生冲突，不存在 重传）。

帧的传输时延=帧长/传输速率

那么更具前面两句话，就可以得出，最小帧长 =传输速率*2τ。

以太网规定最小帧长为·64字节，也就是512bit，如果帧长小于 64字节，那么一定是碰撞导致无效帧。

强化碰撞

这个其实举一个非常生动的例子，就是多个人在同时说话（发生碰撞），其中一个人想要大家安静，那么就 嘘(强化碰撞) 一声，大家就安静了。

对于站点发现碰撞了，就立刻停止传输数据，还要发送一段人为的干扰信号（32bit 或者 48bit）

信道利用率

假设10Mbit/s ,有10个设备，那么一个设备的平均带宽是 1/Mbit/s ？

在 CSMA/CD 协议下， 然则不是这样，因为有冲突的存在，浪费了一定的带宽。

结语

当然，还有一些知识点：

  1. 以太网 MAC层的mac地址
  2. 适配器，转发器，集线器，网桥，以太网交换机 ，他们的作用和使用场合

书上讲的非常详细了，这里暂时不补充了。

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