计算机网络期末复习——第5章：链路层 Part One

目录

• [5.1 链路层概述](#5.1 链路层概述)
• [5.2 差错检测和纠正技术](#5.2 差错检测和纠正技术)
• • [5.2.1 奇偶校验](#5.2.1 奇偶校验)
  • [5.2.2 循环冗余检测CRC](#5.2.2 循环冗余检测CRC)
• [5.3 多路访问链路和协议](#5.3 多路访问链路和协议)
• • [5.3.1 信道划分协议(channel partitioning protocol)](#5.3.1 信道划分协议(channel partitioning protocol))
  • [5.3.2 随机接入协议(random access protocol)](#5.3.2 随机接入协议(random access protocol))
  • [5.3.3 轮流协议(taking-turns protocol)](#5.3.3 轮流协议(taking-turns protocol))
  • [5.3.4 DOCSIS](#5.3.4 DOCSIS)

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5.1 链路层概述

1. 链路层提供的服务

   • 成帧：链路层协议要用链路层帧封装

   • 链路接入：规定了帧在链路上传输的规则

   • 可靠交付

   • 差错检测和纠正

2. 链路层提供相邻节点之间的数据传输，网络层提供端到端主机之间的数据传输，应用层提供应用进程之间的数据传输

5.2 差错检测和纠正技术

5.2.1 奇偶校验

数据后添加一位奇偶校验位，是整个数据"1"的个数位奇数或偶数。若奇数个位误码则可检出，偶数个位误码会漏检

5.2.2 循环冗余检测CRC

步骤

1. 构造被除数：被发送数据比特D后添加r个0，r是最高阶数

2. 构造除数D：多项式系数构成的比特串

3. 作除法：作异或运算

   • 除法时只要位数够就能记为1

5.3 多路访问链路和协议

1. 碰撞：多个帧在接收方处碰撞，碰撞的所有帧都丢失

2. 两个理想特性

   • 只有一个节点活跃，该节点吞吐量为R bps

   • 若有N个节点活跃，每个节点吞吐量接近R/M bps

5.3.1 信道划分协议(channel partitioning protocol)

1. 时分多路复用(TDM)

• 对于N个节点、传输速率为R bps的信道，TDM将时间划分为时间帧，并进一步把时间帧分为N个时隙(slot)，再把时隙分给N个节点中的一个

  • 瞬时速率 ：R 平均速率：R/N

  • 优点：消除碰撞且十分公平

  • 缺点

    • 即使仅剩一个节点，节点平均速率仍为R/N（节点在每个时间帧内只能在属于自己的时隙传输）

    • 即使仅剩一个节点，节点也要等待传输序列轮次

2. 频分多路复用(FDM)

   • 将R bps的信道划分为带宽为R/N的N个频段，并把每个频率分给N个节点中的一个

   • 瞬时速率 ：R/N 平均速率：R/N

   • 优点：消除碰撞且十分公平

   • 缺点：即使仅剩一个节点，节点也只能使用R/N的带宽

3. 码分多址(CDMA)

5.3.2 随机接入协议(random access protocol)

1. 节点总以全部速率（R）进行发送，碰撞时涉及碰撞的节点反复重发帧（不必立即重发，而是风带一个随机时延），直至帧无碰撞通过

2. 以太网使用随机接入协议的CSMA协议

3. 时隙ALOHA

   a. 规则

   • 每个帧是L比特，帧被分为长度L/R秒的时隙

   • 节点只在时隙起点开始传输帧，节点同步并知道时隙何时开始

   • 若有碰撞，所有节点会在该时隙结束前检测到

   b. 操作

   若碰撞，该节点会以概率p在后续每个时隙重传帧，直至无碰撞传输

   c. 优点

   • 简单

   • 仅剩一个节点时，允许节点全速传输

   d. 缺点

   多节点时效率低下，不满足特性2

4. ALOHA

   a. 节点有数据就立即发送，若碰撞则随机等待一段时间后重发

   b. 优点

    - 更简单，随时发送，不用对齐时隙
   
    - 仅剩一个节点时，允许节点全速传输

   c. 缺点

    - 多节点时效率低下，不满足特性2
   
    - 传输效率比时隙ALOHA更低

5. 载波侦听多路访问(Carrier Sense Multiple Access，CSMA)

   a. 规则

   • 载波侦听：发送前检测信道，若空闲则发送，若忙则等待

   • 说话之前先听

   b. 碰撞：因为有信道传播时延，节点未侦听到，仍会产生碰撞

   c. 缺点：多节点时效率低下，不满足特性2

6. 具有碰撞检测的载波侦听多路访问(CSMA/CD)

   a. 规则

   • 载波侦听：发送前检测信道，若空闲则发送，若忙则等待

   碰撞检测：发送数据时​​持续监听信道​​，如果检测到碰撞，立即停止发送

   边说边听，若与其他人同时开始说话，停止说话

   b. 效率

   • 当dprop接近0，效率接近1

     • 碰撞节点将立即中止而不会浪费信道

     • dprop：传播时延，信号能量在任意两个适配器之间传播所需最大时间

   • 当dtrans很大，效率接近1

     • 帧将占有信道很长时间，因此信道在大多数时间都会有效工作

     • dtrans：传输一个最大长度的以太网帧的时间(推上链路)

5.3.3 轮流协议(taking-turns protocol)

1. 为实现两个理想特性

2. 轮询协议

   a. 选择主节点，主节点依次向每个从节点发送"允许发送"的指令

   b. 优点：消除碰撞和空时隙，效率高

   c. 缺点

   • 引入轮询时隙（即通知从节点的时间）。主节点必须一次轮询所有节点（即使无数据），活跃节点要等待轮询周期

   • 主节点故障则整个信道不可操作

3. 令牌传递协议

   a. 通过令牌在节点间顺序传递来控制信道访问权

   b. 优点：效率高

   c. 缺点

   • 一个节点的故障可能使整个信道崩溃

   • 若一个节点忘记释放，需要调用令牌恢复机制

5.3.4 DOCSIS

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