计算机网络-数据链路层 帧 mac地址(物理地址)

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数据链路层

  1. 封装成帧（将上层传递的数据包封装成帧）
  2. 透明传输（任何数据包都可以封装成帧）
  3. 差错检测（可检测是否传输的数据有问题，发现问题则丢弃帧，不做重传机制，所以数据链路层不保证可靠传输）

无确认的无连接服务

1. 功能: 封装成帧 帧定界 帧同步 透明传输

1.1 功能

1.2. 组帧四种方式

字符计数法 字符填充的首位计数法 零比特填充的首位标志法 违规缩码法

  • 字符计数法

    帧首部使用一个计数字段（第一个字节，八位）来标明帧内字符数

    image-20220703202631231

    痛点：鸡蛋装在一个篮子里了

  • 字符填充法

    当传送的帧是由文本文件组成时（文本文件的字符都是从键盘上输入的，都是ASCII码）。不管从键盘上输入什么字符都可以放在帧里传过去，即透明传输。

    当传送的帧是由非ASCII码S的文本文件组成时（二进制代码的程序或图像等）。就要采用字符填充方法实现透明传输。

    image-20220703203347222

  • 零比特填充法

    image-20220703203756081

    操作：

    1. 在发送端，扫描整个信息字段，只要连续5个1，就立即填入1个0.

    2. 在接收端收到一个帧时，先找到标志字段确定边界，再用硬件对比特流进行扫描。发现连续5个1时，就把后面的0删除。

      保证了透明传输：在传送的比特流中可以传送任意比特组合，而不会引起对帧边界的判断错误。

  • 违规编码法

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    用“高-高”，“低-低”来定界帧的起身和终止

    由于字节计数法Count字段的脆弱性(其值若有差错将导致灾难性后果)及字符填充实现上的复杂性和不兼容，目前较普遍使用的帧同步法是比特填充和违规编码法。

2. 差错控制(帧错and 位错 => 检错: 奇偶校验 CRC冗余校验码 纠错:海明码)

一般来说，数据的传输差错是由噪声引起的。通信信道的噪声可以分为两类：

①热噪声，一般是信道固有的，引起的差错是随机差错，可以通过提高信噪比来降低它对数据传输的影响。

②冲击噪声，一般是由外界电磁干扰引起的，引起的差错是突发差错，它是引起传输差错的主要原因，无法通过提高信噪比来避免。

海明码 纠错 d位，需要的海明距为 2d+1
海明码 检错 d位，需要的海明距为 d+1

发送窗口+接收窗口<=2n，其中n代表分组序号采用几比特编码。

3. 流量控制 滑动窗口协议 选择重传协议(GBN) 后退n帧协议(SR)

数据长度=发送窗口x数据帧长 发送时延=发送时间+单向传播时延x2

4. 可靠传输

5. 介质访问控制

5.1 静态信道

频分(FDM) 码分(CDM) 时分(TDM) 波分复用(WDM)

5.2 动态信道

5.2.1 轮询-令牌传输

5.2.2 随机

在CSMA/CD协议的定义中，“争议期”指的是信号在最远两个端点之间往返传输的时间，是以太网的端到端往返时间
信号从线路一端传输到另一端的时间是RTT（往返时延）的一半

ALOHA 不听就说

CSMA 先听再说

CSMA/CD 载波监听多点接入/碰撞检测 先听再说 有线 检测冲突 总线型 以太网

CSMA/CA 先听再说 无线 避免冲突 无线局域网

CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access/collision detection每个节点都共享网络传输信道，在每个站要发送数据之前，都会检测信道是否空闲，如果空闲则发送，否则就等待；在发送出信息后，则对冲突进行检测，当发现冲突时，则取消发送。

载波侦听多路访问/碰撞协议。先听后发、边听边发、冲突停发、随机重发。因为是随机重发，随意不用确认

CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoid，即带有冲突避免的载波侦听多路访问是一种数据传输时避免各站点之间数据传输冲突的算法，其特点是发送包的同时不能检测到信道上有无冲突，只能尽量“避免”

载波侦听多路访问/碰撞避免。发送先先发送一个信号，通知大家都不要发生，以此来避免碰撞。需要确认，帧ACK，只有收到ACK，才会继续发送下一个数据帧。

CSMA/CD 和 CSMA/CA数据发送前, 都要先进行监听; 信道空闲后 ,才能接入 ;

冲突后的都使用 截断二进制指数规避算法 进行重传的处理方式 ;

IFS

IEEE802.11使用了3种IFS：

①SIFS（短IFS）：最短的IFS，用来分隔属于一次对话的各帧，使用SIFS的帧的类型有：ACK帧、CTS帧、分片后的数据帧，以及所有回答AP探询的帧等。

②PIFS（点协调IFS）：中等长度的IFS，在PCF操作中使用。

③DIFS（分布式协调IFS）：最长的IFS，用于异步帧竞争访问的时延。

六 局域网

以太网

拓扑结构:

星型 总线 环形 树形

传输介质:

有线: 双绞线 同轴电缆 光纤

无线:电磁波

介质访问控制方法: CSMD/CD 令牌环 令牌总线

分类: 以太网 令牌环网 FDDI ATM WLAN 无线局域网

IEEE802.11 -RTS/CTS协议 (Request To Send/Clear To Send) 即请求发送/清除发送协议。

链路层的两个控制子层:

LLC 逻辑链路控制子层+ MAC 介质访问控制字长

以太网没有网络层。
物理层的主要功能是：信号的编码和译码、比特的接收和传输；
MAC子层的主要功能是：组帧和拆帧、比特差错检测、寻址、竞争处理；
LLC子层的主要功能是：建立和释放数据链路层的逻辑连接、提供与高层的接口、差错控制、给帧加序号。

在以太网中，如果一个结点要发送数据，那么它将以广播的方式进行发送，连在总线上的所有结点，包括它自己，都会收到发送的数据

七 广域网

PPP 点对点协议

PPP提供差错控制但不提供纠错功能，是不可靠的传输协议

PPP两端的网络层可以运行不同的网络层协议，但仍能使用同一个PPP进行通信，因此不是仅支持IP协议。

PPP可以用于拨号，支持动态分配IP地址。

PPP支持两种认证：

①PAP，在传输密码时是明文，PAP认证由被叫方提出连接请求，主叫方响应，通过两次握手实现，安全性没有CHAP高；

②CHAP，在传输过程中用hash值代替密码，CHAP认证通过三次握手实现。

HDLC (High-levelDataLinkControl)，高级数据链路控制协议

远程用户间资源共享以及信息交互 是一种面向比特的链路层协议，其最大特点是对任何一种比特流，均可以实现透明传输。

             HDLC协议只支持点到点链路，不支持点到多点。

             HDLC不支持IP地址协商，不支持认证。协议内部通过Keepalive报文来检测链路状态。

             HDLC协议只能封装在同步链路上，如果是同异步串口的话，只有当同异步串口工作在同步模式下才可以应用HDLC协议。目前应用的接口为：工作在同步模式下的Serial接口和POS接口等。

HDLC的帧类型和帧格式

信息帧（I帧）、监控帧（S帧）和无编号帧（U帧）

八 数据链路层硬件设备

  1. 适配器（网卡）
    适配器包含了处理器和存储器，同时一块适配器也拥有一个MAC地址，全球唯一。适配器具有的功能
  • 缓存数据帧
  • 数据包封装成帧
  • 检测网络通道是否为空
  • 检测通道是否有碰撞
  • 过滤MAC地址（广播通知时，根据MAC地址判断是接收数据帧）

  1. 网桥
    由于集线器的广播机制，当单一网络内的节点过多的时候，冲突比较明显，效率就明显降低。所以需要一个硬件能够将网络分割成多个较小的网络，让广播仅限于局部。所以网桥就诞生了。
    网桥可以隔离俩个网络，相当于有俩个端口A、B。A端口和B端口会自动记录和他端口相连接的集线器上的所有节点的MAC地址。这样往A端口上的节点发送的数据包就不会再B端口连接的网络上进行广播了，从而达到减少广播冲突的的目的，提高了效率。

  2. 交换机
    网桥只有两个端口。随着网络设备的发展，逐渐产生了多个端口的“网桥”，但是由于网桥是数据链路层的广播通信，集线器是物理层的广播通知，A和G通信的时候，C和D就无法通行，B和F就没法通信——一个桥上、一个集线器上多个通信将产生冲突。为了能够实现多对多的通信，于是产生了交换机

image.png

传播时延

路由器> 交换机> 集线器

交换机存在多个端口，逐渐替换了集线器、网桥，成为了组建局域网的核心设备。交换机工作于OSI7层中的数据链路层。交换机会通过ARP协议学习他的MAC地址，保存成一张ARP表。 在今后的通讯中，发往该MAC地址的数据包将仅送往其对应的端口，而不是所有的端口。因此，交换机可用于划分数据链路层广播，即冲突域；但它不能划分网络层广播，即广播域。 也就是说，交换机也有一张表，记录的是port-mac，网络层维护的是ip-mac对应表。

总结

物理层-------集线器hub 电路交换 报文交换 分组交换(数据报和虚电路)

数据链路层---网桥 交换机switch 802.11 CSMA/CD CSMA/CA RTS/CTS MAC地址 双绞线同轴电缆 GBN选择重传 SR后退n帧 CRC校验

网络层------ 路由器 路由协议 RIP OSPF BGP(静态) VPN IPV4 IPV6

image.png

交换机隔离冲突域不隔离广播域，因此有一个广播域和N个冲突域

集线器不隔离冲突域和广播域，因此冲突域和广播域都只有1个

以太网帧=>64B

直通交换：它在输入端口检测到一个数据包时，检查该包的包头，获取包的目的地址，启动内部的动态查找表转换成相应的输出端口，在输入与输出交叉处接通，把数据包直通到相应的端口，实现交换功能。

采用直通交换的方式，因此只检查帧的目的地址6B，所以转发时延是：6B/100Mb/s=0.48μs

计算

Switch和Hub均为100Base-T”=>Switch和Hub的传输速率为100Mb/s。

“以太网帧”=>64B

复盘: 56

数据链路层

三个功能123

硬件:456

组帧的四种方式7 8 9 10

差错控制的两种类型11 12

检错: 13 14 纠错15

流量控制三种协议 16 17 18

介质访问控制两种方式19 20

静态信道四种方式 DM 21-24

动态信道两种方式: 25-26

轮询令牌

随机 四种方式(英文) 听说27-30

局域网拓扑结构 31-34

传输介质分两类35 36

有线: 37-40

无线:41

介质访问控制方法: 43-46

分类: 47-52

链路层的两个控制子层:53 54

广域网两个协议:55 56

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