数据链路层

violet2025/07/04

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TIP

数据链路层实现功能
流量控制与可靠传输机制
信道介质及访问控制

结点：主机，路由器

链路：结点之间物理通道

数据链路：网络中两个结点之间逻辑通道（实现数据传输协议的硬件与软件）

帧：链路层协议数据单元，封装网络层数据报

数据链路层实现功能

加强物理层传输原始比特流，将物理连接改为逻辑上无差错的数据链路

为网络层提供服务
链路建立，维持，释放
组帧
流量控制
差错控制

组帧：在数据前后加上特殊标识，使接收端根据标识读取数据开始及结束（帧同步）

MTU：最大传输单元（帧长）
组帧方法
1. 字符计数：帧首部字段标识数据长度
2. 字符填充：SOT，EOT特殊字符标识（添加转义字符）
3. 零比特填充：在发送端扫描整个数据，连续5个1就立即填入一个0
4. 违规编码法：通过曼彻斯特编码规定帧的起止（一个周期内高-高，低-低电平判断帧头）

差错控制（噪声影响，提供信噪比减少干扰，链路层差错控制通常检验比特位错）

位错（比特位出错）
1. 检错编码（积偶校验，循环冗余码CRC）
  积/偶检验：加上校验单元，判断比特位为1的个数是奇数还是偶数（检测能力50%）
  CRC循环冗余码：
```
发送端									     接收端
 数据 % 多项式 = FCS   
                    发送数据(数据+FCS)---->  
 								    	接收数据 % 多项式 = 0 （无差错）
```
  $FCS位数为多项式的阶（多项式N位，其阶位N-1，\\若多显示采用X^n+X^{n-1}+...描述，其转换规则为存在阶级补1，不存在补0）$
  多项式为10011，发送数据为1101 011011 ，FCS为1110，最终发送数据为 1101 011011 1110
2. 纠错编码（海明码，能发现双比特错，纠正单比特错）

流量控制与可靠传输机制

（解决发送与接收速度不匹配问题，及丢帧处理）

反馈帧：接收方收不下，则不向发送端回复确认
停止等待协议：单帧等待确认回复，效率低
数据帧丢失或检测到差错帧丢失：发送方超时重传
ACK丢失：发送方超时重传，接收方丢去重发的帧，并返回ACK
ACK延迟：发送方丢弃重复的ACK
信道利用率 = $\frac{T_D}{T_D+RTT+T_A} = L / C /T,~~~T_D：发送方占用时间，T_A：ACK处理时间，\\L表示T内发送L比特数据，C表示发送方数率， T表示发送周期$
信道吞吐率 = 信道利用率 * 发送方发送速率
滑动窗口协议
1. GBN（后退N帧协议，发送窗口大于1，接收端口等于1）
  发送方累计确认：标明接收方已收到n号帧及其前面所有帧，当滑动窗口最左边帧确认，则移动窗口
  发送方超时事件：在时间内发送方未收某个帧的ACK，则会重新发送窗口所有未确认的帧
  接收方：只接收当前窗口中的帧（接收窗口为1），并返回当前已确认帧最大ACK码
  发送方窗口长度：采用n位对帧编号（帧编号最大表示长度），发送窗口W满足 $1 \le W \le 2^n -1$
2. SR（选择重传协议，发送接收端口均大于1）
  接收方：可以接收窗口内所有帧，当窗口最左边的帧确认，则移动窗口
  发送方与接收方窗口长度： $W_{Tmax} = W_{Rmax} = 2^{n-1}$

信道介质及访问控制

MAC协议（介质访问控制，实现多个用户在一根物理信道上传输数据）
1. 静态：（单用户不能使用全信道）
  - FDM（频分）：所有用户在同样时间内占用不同的带宽资源（用户使用频率不一样，吞吐量低，并发高）
  - TDM（时分）：用户占用一个固定的时隙，所有用户轮流使用信道（用户使用时间不一样，吞吐量高，并发低）
  - STDM（统计时分复用）：动态分配用户时隙
  - WDM（波分）
  - CDM（码分）
    - **CDMA：**码分多址
      1. 每个用户都指定一个唯一的m位芯片序列/地址码（表示比特位含义）
      2. 判断多用户是否允许同时发送：用户芯片序列相互正交（相比特位的芯片序列同位相乘，相加，在除以m，得到结果为0时允许同时发送）
      3. 多用户发送数据格式：用户芯片序号线性相加（相比特位的芯片序号同位相加）
      4. 接收方数据分离：合并数据与用户芯片序列规格化内积（相比特位的芯片序列同位相乘，相加，在除以m）
2. 动态（共享信道效率高，单用户可以使用信道全带宽）
  - 轮询
    - 令牌传递（特殊MAC控制帧），发送方持有令牌发送数据，接收方复制完数据后
  - 随机（容易产生冲突开销）
    - ALOHA
      1. 冲突检测：接收方进行差错检测，对冲突帧丢弃，对正常帧返回ACK码
      2. 冲突解决：超时重传
    - CSMA
      1. CS：载波监听信道上是否存在其他用户发送数据
      2. MA：多点介入
      3. 发送帧之前，监听信道是否空闲，信道忙则延迟发送
    - CSMA/CD：CD：碰撞检测
      发生冲突时，停止发送数据，
      发送方最大知道冲突时间：RTT(链路往返时间)
      自定重传次数
    - CSMA/CA
      CA：碰撞避免

局域网：广播信道

以太网(Ethernet)：逻辑上总线拓扑，物理常用于星型拓扑，使用CSMA/CD控制，传送基带信号，实现链路层，物理层协议
使用IEEE 802.3标准
采用无连接，不可靠方式传输，差错帧直接丢弃。
10BASE-T以太网：传输基带信号，使用双绞线（UTP）传输，速率为10MB/S,长度最长为100M，采用曼彻斯特编码，使用CSMA/CD介质访问控制
适配器：网卡，NIC网络接口卡，存储MAC地址
以太帧：
FDDI网
ATM网
WLAN 无线局域网，使用IEEE 802.11 LAN/MAN协议
SA：发送方MAC地址
DA：接收方MAC地址
RA：接收端基站MAC地址
TA：发送端基站MAC地址

广域网WAN （子网采用分组交换）

PPP协议：建立点对点链接通信
将IP数据报分装成帧
链路控制协议LCP，建立并维护数据链路链接
适配网络控制协议NCP

**LLC：**逻辑链路控制子层，负责识别网络层协议。

**MAC（链路层协议）：**包括数据帧封装，卸载，帧寻址和识别，帧发送与接收，链路差错管理，屏蔽物理层电路特性差异

数据链路层

数据链路层实现功能

流量控制与可靠传输机制

信道介质及访问控制

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