第五章：數(shù)據(jù)鏈路層與局域網(wǎng)

一、數(shù)據(jù)鏈路層服務(wù)

（一）數(shù)據(jù)鏈路層

負(fù)責(zé)通過一條鏈路，從一個結(jié)點(diǎn)想另一個物理鏈路相連的相鄰結(jié)點(diǎn)，傳送網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)報，中間不經(jīng)過任何其他交換結(jié)點(diǎn)。

數(shù)據(jù)鏈路：

網(wǎng)絡(luò)中兩個結(jié)點(diǎn)之間的邏輯通道。

實(shí)現(xiàn)控制數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的硬件（網(wǎng)卡）和軟件加到鏈路上構(gòu)成的。

鏈路層主要提供的功能：

①組幀（成幀）：數(shù)據(jù)鏈路層在傳輸數(shù)據(jù)前需要先將數(shù)據(jù)封裝成幀，這個過程稱為組幀或成幀。幀頭（幀首）含有發(fā)送結(jié)點(diǎn)和接收結(jié)點(diǎn)的地址信息、定界字符等，幀尾含有用于差錯檢測的控制編碼。

②鏈路接入：物理鏈路可分為點(diǎn)對點(diǎn)鏈路和廣播鏈路兩大類，其中廣播鏈路需借助MAC協(xié)議的幫助才能實(shí)現(xiàn)幀的成功傳輸。

③可靠交付：無線鏈路（出錯率高）：支持可靠數(shù)據(jù)傳輸。光纖、雙絞線（出錯率低）：不提供可靠數(shù)據(jù)傳輸。

④差錯控制：幀在傳輸?shù)倪^程中，其中的數(shù)據(jù)信息可能會出錯，數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議可采取不同的差錯控制措施，比如通過確認(rèn)重傳糾正差錯、直接丟棄差錯幀等。誤比特率：出現(xiàn)差錯的比特數(shù)/傳輸比特總數(shù)。

二、差錯控制

（一）差錯控制概念

差錯控制就是通過差錯編碼技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對信息傳輸差錯的檢測，并基于某種機(jī)制進(jìn)行差錯糾正和處理。是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)可靠傳輸?shù)闹匾夹g(shù)手段，并在許多數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議中應(yīng)用。

（二）噪聲的影響 信號在傳輸過程中，會受到各種噪聲的干擾，從而導(dǎo)致傳輸差錯。

噪聲可分為兩大類：隨機(jī)噪聲（隨機(jī)差錯或獨(dú)立差錯）、沖擊噪聲（獨(dú)立差錯）。

隨機(jī)差錯：隨機(jī)噪聲引起的傳輸差錯稱為隨機(jī)差錯或獨(dú)立差錯。

突發(fā)差錯：沖擊噪聲引起的差錯稱為突發(fā)差錯，突發(fā)差錯通常會造成連續(xù)或成片的信息差錯，所以突發(fā)差錯比隨機(jī)差錯造成的影響更為嚴(yán)重。

突發(fā)長度：突發(fā)錯誤發(fā)生的第一位錯誤和最后一位錯誤之間的長度稱為突發(fā)長度。

（三）差錯控制的基本方式

典型的差錯控制方式包括檢錯重發(fā)、前向糾錯、反饋校驗(yàn)和檢錯丟棄。

差錯控制編碼可以分為檢錯碼和糾錯碼。

（1）檢錯重發(fā)：發(fā)送端對待發(fā)的數(shù)據(jù)進(jìn)行差錯編碼，然后發(fā)送給接收端，接收端利用差錯編碼對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測，若發(fā)現(xiàn)有錯誤則反饋給發(fā)送端，請求再次發(fā)送數(shù)據(jù)，直到接收端收到正確無誤的數(shù)據(jù)。

（2）前向糾錯（FEC）：該機(jī)制需要利用糾錯編碼，接收端不僅能利用糾錯編碼檢測出數(shù)據(jù)是否出錯，還能糾正其錯誤。前向糾錯機(jī)制比較適用于單工鏈路或者對實(shí)時性要求比較高的應(yīng)用。

（3）反饋校驗(yàn)：接收端會將收到的數(shù)據(jù)發(fā)回發(fā)送端，發(fā)送端將反饋的數(shù)據(jù)與發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，若無誤則認(rèn)為接收端正確接收了數(shù)據(jù)，否則就重新發(fā)送數(shù)據(jù)。反饋校驗(yàn)不需要差錯編碼，但是傳輸效率低、實(shí)時性差。

（4）檢錯丟棄：在該機(jī)制中，不會對出錯的數(shù)據(jù)進(jìn)行糾正，而是直接丟棄。

（四）差錯編碼的基本原理

差錯編碼的基本原理就是在待傳輸（或待保護(hù)）數(shù)據(jù)信息的基礎(chǔ)上，附加一定的冗余信息，該冗余信息建立起數(shù)據(jù)信息的某種關(guān)聯(lián)關(guān)系，將數(shù)據(jù)信息以及附加的冗余信息一同發(fā)送到接收端，接收端可以檢測冗余信息表征的數(shù)據(jù)信息的關(guān)聯(lián)關(guān)系是否存在，如果存在則沒有錯誤，否則就有錯誤。

冗余數(shù)據(jù)：與數(shù)據(jù)信息建立某種關(guān)聯(lián)關(guān)系（復(fù)制一次、復(fù)制兩次等）。

（五）差錯編碼的檢錯與糾錯能力

（六）典型的差錯編碼

奇偶校驗(yàn)：

最簡單的檢錯碼。利用1位冗余信息實(shí)現(xiàn)差錯檢測

奇校驗(yàn)碼：冗余位，取值為0|1，使得編碼后的碼字中1的個數(shù)為奇數(shù)

偶校驗(yàn)碼：冗余位，取值為0|1，使得編碼后的碼字中1的個數(shù)為偶數(shù)

優(yōu)點(diǎn)：編碼簡單、編碼效率高、開銷最小的檢錯編碼

缺點(diǎn)：檢錯率不高

循環(huán)冗余碼：

目前廣泛使用的差錯編碼是循環(huán)冗余檢測編碼（CRC），簡稱循環(huán)冗余碼，或CRC碼。

基本思想：將二進(jìn)制位串看成系數(shù)為0或1的多項式的系數(shù)。

我們可以先對每一位從右往左按數(shù)字0~n進(jìn)行編號，即

提示：發(fā)送方和接收方必須先提前商定一個多項式G(x)，生成的多項式中的最高位和最低位系數(shù)必須為1。

方法總結(jié)：用編碼多項式G(x)，對位串進(jìn)行CRC編碼。

（1）寫出多項式對應(yīng)的位串，并確定有r位。

（2）在待編碼位串后面添加0，0的個數(shù)：添加r-1個0。

（3）用新待編碼位串除以多項式對應(yīng)的位串。

（4）求得的余數(shù)添加在待編碼位串后，即為CRC編碼后的碼。

優(yōu)選的典型G(x)

（七）差錯編碼檢錯原則

接收方收到CRC編碼后，將收到的CRC編碼除以G(x)對應(yīng)的位串，若所得余數(shù)為0，則數(shù)據(jù)傳輸無誤；若余數(shù)不為0，則數(shù)據(jù)傳輸出錯。

三、多路訪問控制協(xié)議

（一）信道劃分MAC協(xié)議

定義：多路復(fù)用技術(shù)是實(shí)現(xiàn)物理信道共享的經(jīng)典技術(shù)，多路復(fù)用主要包括：頻分多路復(fù)用、時分多路復(fù)用、波分多路復(fù)用和碼分多路復(fù)用。

鏈路分類：點(diǎn)對點(diǎn)信道、廣播信道

多路訪問控制（Multiple Access Control，MAC）協(xié)議，用于解決信道的共享問題。

協(xié)議分類：主要可分為3類MAC協(xié)議：信道劃分MAC協(xié)議、隨機(jī)訪問MAC協(xié)議和受控接入MAC協(xié)議。

MAC協(xié)議的根本任務(wù)是解決信道（數(shù)據(jù)傳輸鏈路）的共享問題。

應(yīng)用

（1）頻分多路復(fù)用（FDM）：在頻域內(nèi)將信道帶寬劃分為多個子信道，利用載波調(diào)制技術(shù)將信號調(diào)制到對應(yīng)的某個子信道，實(shí)現(xiàn)同時傳輸多路信號并且彼此間不影響。

（2）時分多路復(fù)用（TDM）：在時域內(nèi)將信道劃分為多個時隙，按時間依次將時隙分配給信道中的傳輸信號。

（3）波分多路復(fù)用（WDM）：廣泛應(yīng)用于光纖通信中，實(shí)質(zhì)是一種應(yīng)用于光纖通信中的頻分多路復(fù)用。

（4）碼分多路復(fù)用（CDM）：通過對各路信號進(jìn)行編碼，然后混合傳輸。

（二）隨機(jī)訪問MAC協(xié)議

定義：典型的隨機(jī)訪問協(xié)議有：ALOHA協(xié)議、載波監(jiān)聽多路訪問協(xié)議和帶沖突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問協(xié)議。

ALOHA協(xié)議：可分為純ALOHA協(xié)議、時隙ALOHA協(xié)議。

①純ALOHA協(xié)議的工作原理：任何一個站點(diǎn)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時就可以直接發(fā)送至信道。發(fā)送站在發(fā)出數(shù)據(jù)后需要對信道偵聽一段時間。通常這個時間為電波傳到最遠(yuǎn)端的站再返回本站所需的時間。如果在這段偵聽時間里收到接收站發(fā)來的應(yīng)答信號，說明發(fā)送成功。否則說明數(shù)據(jù)幀遭到破壞（發(fā)生沖突），則等待一個隨機(jī)時間再進(jìn)行重發(fā)，再次沖突，再等，直到重發(fā)成功為止。

②時隙ALOHA的基本思想：把信道時間分成離散的間隙，每個時隙為發(fā)送一幀所需的發(fā)送時間，每個通信站只能在每個時隙開始時刻發(fā)送幀，如果在一個時隙內(nèi)發(fā)送幀出現(xiàn)沖突，下一個時隙以概率P重發(fā)該幀，以概率（1-P）不發(fā)該幀（等待下一個時隙），直到幀發(fā)送成功。

③一幀的發(fā)送時間稱為幀時。網(wǎng)絡(luò)負(fù)載G表示在一幀的發(fā)送時間內(nèi)發(fā)送的平均幀數(shù)。

載波監(jiān)聽多路訪問協(xié)議（CSMA）：CSMA可細(xì)分為3種不同的類型，非堅持CSMA、1-堅持CSMA和P-堅持CSMA。

①非堅持CSMA：若通信站有數(shù)據(jù)發(fā)送，先偵聽信道；若發(fā)現(xiàn)信道空閑，則立即發(fā)送數(shù)據(jù)；若發(fā)現(xiàn)信道忙，則等待一個隨機(jī)時間，然后重新開始偵聽信道，嘗試發(fā)送數(shù)據(jù)；若發(fā)送時產(chǎn)生沖突，則等待一個隨機(jī)時間，然后重新開始偵聽信道，嘗試發(fā)送數(shù)據(jù)。

②1-堅持CSMA：若通信站有數(shù)據(jù)發(fā)送，先偵聽信道；若信道空閑，則立即發(fā)送數(shù)據(jù)；若信道忙，則繼續(xù)偵聽信道，直到發(fā)現(xiàn)信道空閑，立即發(fā)送數(shù)據(jù)。

③P-堅持CSMA：若通信站內(nèi)有數(shù)據(jù)發(fā)送，先偵聽信道；若信道空閑，則有概率P的可能在最近時隙開始時刻發(fā)送數(shù)據(jù)，有概率1-P的可能延遲到下一個時隙發(fā)送；若下一個時隙仍空閑，則重復(fù)該過程。

帶沖突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問協(xié)議（CSMA/CD）：該協(xié)議的工作原理為當(dāng)某通信站在發(fā)送數(shù)據(jù)時，如果檢測到?jīng)_突，則立即終止數(shù)據(jù)的發(fā)送，并發(fā)出一個沖突強(qiáng)化信號，用于告知其他通信站此時信道忙碌。

CSMA/CD的工作狀態(tài)可分為以下3種狀態(tài)

①傳輸狀態(tài)：當(dāng)有一個通信站使用信道時，其他站禁止使用。

②競爭狀態(tài)：所有通信站都有權(quán)嘗試對信道的使用權(quán)。

③空閑狀態(tài)：沒有通信站使用信道。

在CSMA/CD協(xié)議中，數(shù)據(jù)幀長度（L）、信息傳輸速率（R）、兩個站點(diǎn)間的距離（D）和信號傳播速率（v）之間滿足以下約束關(guān)系（最小幀長與結(jié)點(diǎn)間距離的約束關(guān)系）${L_{min} \over R} \le {2D_{max} \over v}$

（三）受控接入MAC協(xié)議

該協(xié)議的特點(diǎn)是各個用戶不能隨意接入信道而必須服從一定的控制，可分為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術(shù)，令牌是一種特殊的幀。

集中式控制：一個主機(jī)負(fù)責(zé)調(diào)度其他通信站接入信道，從而避免沖突。方法：輪詢

令牌是一種特殊的幀，代表了通信站使用信道的許可。在信道空閑時一只在信道上傳輸。一個通信站想要發(fā)送數(shù)據(jù)就必須首先獲得令牌

兩種錯誤：令牌環(huán)網(wǎng)上最為嚴(yán)重的兩種錯誤是令牌丟失和數(shù)據(jù)幀無法撤銷。

四、局域網(wǎng)

采用廣播的方式，局部區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，覆蓋面積小，網(wǎng)絡(luò)傳輸率高，傳輸?shù)恼`碼率低。

數(shù)據(jù)鏈路層拆分：邏輯鏈路控制子層LLC、介質(zhì)訪問控制子層MAC

（一）數(shù)據(jù)鏈路層尋址與ARP（地址解析協(xié)議）

數(shù)據(jù)鏈路層地扯也稱為MAC地址，或物理地址、局域網(wǎng)地址。MAC地址通常采用十六進(jìn)制表示法，共6字節(jié)，也就是48位（但每四位壓縮為1位），每個字節(jié)間用“-”或“:”連接起來，例如MAC地址00-2A-E1-76-8C-39或00:2A:E1:76:8C:39。

ARP能將lP地址解析為對應(yīng)的MAC地址。

ARP的作用 根據(jù)本網(wǎng)目的主機(jī)或默認(rèn)網(wǎng)關(guān)的lP地址獲取其MAC地址。

地址解析協(xié)議的基本思想：在每一臺主機(jī)中設(shè)置專用的內(nèi)存區(qū)域，稱為ARP高速緩存（也稱ARP表）。存儲該主機(jī)所在局域網(wǎng)中其他主機(jī)和路由器的IP地址與MAC地址的映射關(guān)系。

ARP查詢分組：通過一個廣播幀發(fā)送的

ARP響應(yīng)分組：通過一個單播幀發(fā)送的

ARP是即插即用的：一個ARP表示自動建立的，不需要系統(tǒng)管理員來配置。

（二）以太網(wǎng)

以太網(wǎng)概念是第一個廣泛部署的高速局域網(wǎng)、數(shù)據(jù)速度快、硬件便宜，造價低、其他有線局域網(wǎng)技術(shù)復(fù)雜，昂貴。

經(jīng)典的以太網(wǎng)是采用粗同軸電纜連接的總線型以太網(wǎng)（10Base-5）

• 數(shù)據(jù)傳輸速率位10Mbit/s，無連接不可靠。

• 以太網(wǎng)的MAC協(xié)議是CSMA/CD。

• 相距最遠(yuǎn)主機(jī)信號往返的傳播時延為51.2us。

以太網(wǎng)中的數(shù)據(jù)字段最少要46字節(jié)，最短幀長為64字節(jié)。它的幀結(jié)構(gòu)如下：

以太網(wǎng)幀技術(shù)：

（三）沖突域與廣播域的概念

沖突域是指，在一個局域網(wǎng)內(nèi)，如果任意兩個結(jié)點(diǎn)同時向物理介質(zhì)中發(fā)送信號，這兩路信號一定會在物理介質(zhì)中相互疊加或干擾，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)發(fā)送的失敗，這兩個結(jié)點(diǎn)位于同一個沖突域。

廣播域是指，任一結(jié)點(diǎn)如果發(fā)送鏈路層廣播幀（即目的MAC地址為FF-FF-FF-FF-FF-FF）的話，接收該廣播幀的所有結(jié)點(diǎn)與發(fā)送結(jié)點(diǎn)同屬于一個廣播域。

（四）虛擬局域網(wǎng)（VLAN）

定義：是一種基于交換機(jī)（必須支持VLAN功能）的邏輯分割（或限制）廣播域的局域網(wǎng)應(yīng)用形式。

以軟件的方式劃分和管理局域網(wǎng)中的工作組，限制接收廣播信息的主機(jī)數(shù)，不會因?yàn)閭鞑ミ^多的廣播信息二引起性能的惡化。

劃分虛擬局域網(wǎng)的方法主要有3種：

（1）基于交換機(jī)端口劃分：

（2）基于MAC地址劃分；

（3）基于上層協(xié)議類型或地址劃分。

（五）交換機(jī)（數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)備）

交換機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：消除沖突、支持異質(zhì)鏈路、網(wǎng)絡(luò)管理

網(wǎng)橋：對數(shù)據(jù)幀實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)、交換機(jī)可以認(rèn)為是多端口的網(wǎng)橋（“透明”網(wǎng)橋是一種即插即用設(shè)備）。

集線器：物理層

交換機(jī)的工作原理：

（1）交換機(jī)根據(jù)收到數(shù)據(jù)幀中的源MAC地址建立該地址同交換機(jī)端口的映射，并將其寫入MAC地址表中。

（2）交換機(jī)將數(shù)據(jù)幀中的目的MAC地址同已建立的MAC地址表進(jìn)行比較，以決定由哪個端口進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

（3）如數(shù)據(jù)幀中的目的MAC地址不在MAC地址表中，則向所有端口轉(zhuǎn)發(fā)。這一過程稱為泛洪。

（4）廣播幀和組播幀向所有的端口轉(zhuǎn)發(fā)。

交換機(jī)可以隔離沖突域，但是不能隔離廣播域。

五、點(diǎn)對點(diǎn)鏈路協(xié)議

（一）點(diǎn)對點(diǎn)協(xié)議（PPP協(xié)議）

PPP是現(xiàn)在使用最多的點(diǎn)對點(diǎn)鏈路的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議。

PPP主要提供以下3類功能：成幀、鏈路控制協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議。

成幀：PPP幀的長度都是整數(shù)字節(jié)。

字節(jié)填充技術(shù)：插入特殊的控制轉(zhuǎn)移字節(jié)01111101（轉(zhuǎn)義符）。

（二）HDLC協(xié)議

HDLC協(xié)議是面向位的協(xié)議：應(yīng)用于點(diǎn)對點(diǎn)鏈路和點(diǎn)對多點(diǎn)鏈路

HDLC協(xié)議有3種類型的幀，分別是信息幀（傳送數(shù)據(jù)）、管理幀（差錯控制，流量控制）和無序號幀（鏈路的建立、拆除）。 它的幀結(jié)構(gòu)如下，

其中，幀的定界符是01111110，地址字段用于標(biāo)識一個終端，控制字段用作序列號、確認(rèn)、查詢與結(jié)束，數(shù)據(jù)是傳送的內(nèi)容，校驗(yàn)和采用循環(huán)冗余碼校驗(yàn)。