计算机网络理论：3.数据链路层

第三章:数据链路层

数据链路层所处的地位

§3-1-1 数据链路层的功能

一.封装成帧(组帧)

1. 主要问题

(1).帧定界

如何让接收才能够确定帧的界限

(2).透明传输

接收方要能够去除"帧定界"的附加信息,把帧"恢复原貌"

2. 四种组帧方法

(1).字符计数法

(2).字节填充法

如果帧的数据部分包含"特殊字符"，则发送方需要在这些"特殊字符"前填充"转义字符ESC"(接收方要做逆处理)

(3).零比特填充法

在每个帧的首位分别添加一个特殊比特串01111110，表示帧的开始/结束

发送方每遇到连续5个1，就填充一个0
接收方每遇到连续5个1，就删掉后面的0

(4).违规编码法

二.差错控制

1. 检错编码

(1).奇偶校验码

奇校验码:所有位中"1"的个数为奇数
偶校验码:所有位中"1"的个数为偶数

注:偶校验在实际应用中运用的比较多，因为可以用异或门实现校验位的计算
发送方 :求偶校验位，直接对所有信息位进行异或运算，得到的结果就是校验位的值
接收方:进行偶校验，所有位进行异或，若结果为0则正确，结果为1说明出错

奇偶校验码仅能检测出奇数位错误，无纠错能力

(2).循环冗余校验码(CRC码)

①.原理

数据发送、接收方约定一个"除数"(二进制)
发送方 :K个信息位 + R个校验位作为"被除数"，添加校验位后需保证除法的余数为0
接收方:收到数据后，进行除法检查余数是否为0，若余数非0说明出错

KKK 个信息位，RRR 个检验位，若生成多项式选择得当，且 2R≥K+R+12^R \ge K+R+12R≥K+R+1，则 CRC 码可纠正 1 位错(实际应用中一般只用来 ''检错'')

理论上可以证明循环冗余校验码的检错能力有以下特点:

可检测出所有奇数个错误；

可检测出所有双比特的错误；

可检测出所有小于等于校验位长度的连续错误；

②.例题

设生成多项式为G(x)=x3+x2+1，信息码为101001，求对应的CRC码。

确定K、R以及生成多项式对应的二进制码

K=信息码的长度=6

R=生成多项式最高次幂=3

校验码位数N=K+R= 9

生成多项式G(x)=1·x³+1·x²+0·x¹+1·x⁰，对应二进制码1101

移位

信息码左移R位，低位补0

101001000

相除

对移位后的信息码，用生成多项式进行模2除法，产生余数对应的CRC码:101001001

被除数:补0后的信息码(101001 000)

除数:生成多项式系数(1101)

根据当前最高位判断是商0还是商1

最高位为0 -> 商0

最高位为1 -> 商1

剩余三位进行异或运算

最后得到的余数即为校验位

检错和纠错

发送: 101001001 记为 C9C8C7C6C5C4C3C2C1C_9C_8C_7C_6C_5C_4C_3C_2C_1C9C8C7C6C5C4C3C2C1

若接收: 101001001用1101进行模 2 除 →\rightarrow→ 余数为 000，代表没有出错

若接收:101001011用1101进行模 2 除 →\rightarrow→ 余数为 010，代表 C2C_2C2 出错(也可能是C8C_8C8)

对于确定的生成多项式，出错位与余数是相对应的

2. 纠错编码

(1).海明校验码

①.原理

海明码设计思路:将信息位分组进行偶校验 →\rightarrow→ 多个校验位 →\rightarrow→ 多个校验位标注出错位置

②.海明码求解步骤

确定校验位数量 →\rightarrow→ 确定校验位的分布 →\rightarrow→ 求校验位的值 →\rightarrow→ 检错纠错

例:信息位:1010

确定校验位数量

2k≥n+k+12^k \ge n+k+12k≥n+k+1；n=4→k=3n=4 \rightarrow k=3n=4→k=3

设信息位 D4D3D2D1D_4D_3D_2D_1D4D3D2D1 (1010)，共 4 位，校验位 P3P2P1P_3P_2P_1P3P2P1，共 3 位，对应的海明码为 H7H6H5H4H3H2H1H_7H_6H_5H_4H_3H_2H_1H7H6H5H4H3H2H1。
确定校验位的分布

校验位P_i放在海明位号为2^i-1的位置上；信息位按顺序放到其余位置。
求校验位的值
纠错

③.补充: 检错、纠错能力

三.流量控制和可靠传输(三种协议)

补充: 与滑动窗口机制

###1. 停止-等待协议(S-W)

(1). 滑动窗口机制

发送窗口 WT=1W_T=1WT=1，接收窗口 WR=1W_R=1WR=1

(2). 确认机制

若接收方收到i号帧，且没有检测出"差错"，需要给发送方返回确认帧 ACK_i

(3). 重传机制

超时重传:若发送方超时未收到 ACK_i，则重传i号帧

(4). 帧编号

要求: WT+WR≤2nW_T + W_R \le 2^nWT+WR≤2n(n代表用n bit给帧标号)

停止-等待协议仅需1bit给帧"编号";

(5).基础概念

(6).实际情况

正常情况
数据帧丢失
确认帧丢失

如果没有"帧序号''接收方无法判别"重复帧"！
数据帧有"差错"

2. 后退N帧协议(GBN)

(1). 滑动窗口机制

发送窗口 WT>1W_T > 1WT>1，接收窗口 WR=1W_R = 1WR=1

发送方可连续发送多个帧，但接收方一次只能按顺序接收 1 个帧。

(2). 确认机制(ACK)

累积确认(Cumulative ACK)

若接收方连续收到了多个正确的帧，只需返回最后一个正确帧的 ACK(如 ACK_i)
ACK_i 表示: 接收方已正确收到 i 号帧及其之前所有帧

若接收方收到"非法帧"(包括: 落在窗口外的帧、检测出差错的帧)，

则: 接收方丢弃该帧，并返回当前已成功接收的最后一个正确帧的 ACK_i，以提醒发送方回退重传。

(3). 重传机制

超时重传: 若发送方超时未收到 ACK_i，则必须重传 i 号帧及其"之后的所有帧"。

GBN 的核心: 只要有一个帧出现问题，则从该帧开始全部回退重发。

(4). 帧编号

为了支持滑动窗口与确认机制，需使用 至少 n bit 给帧编号，满足:

WT+WR≤2nW_T + W_R \le 2^nWT+WR≤2n

(5). GBN 的特殊规则与要点

① 非法帧处理

接收方只接收按序帧，遇到非法帧 → 丢弃、并返回 ACK_i(最后正确帧)。

② 缺点

若接收方处理慢，或信道误码率高，可能导致发送方频繁"后退"重传，降低效率。

3. 选择重传协议(SR)

(1). 滑动窗口机制

发送窗口 WT>1W_T > 1WT>1，接收窗口 WR>1W_R > 1WR>1

在实际应用中，通常取W_T==W_R

(2). 确认机制

若接收方收到i号帧，且没有检测出"差错"，需要给发送方返回确认帧 ACK_i(必须一帧一确认)

(3). 重传机制

超时重传: 若发送方超时未收到 ACK_i，则重传i号帧
请求重传: 若发送方收到 NAK_i，则重传 i 号帧

(4). 帧编号

为了支持滑动窗口与确认机制，需使用 至少 n bit 给帧编号，满足:

WT+WR≤2nW_T + W_R \le 2^nWT+WR≤2n**(若不满足会导致发送方和接收方无法正确判别"重复帧")**

(5). SR 的特殊规则

否认帧: NAK_i
- 若接收方收到i号帧，但检测出 i 号帧有"差错"，需要丢弃该帧，并给发送方返回否认确认 NAK_i
窗口大小要求
- 要求: WR≤WTW_R \le W_TWR≤WT，即接收窗口不能大于发送窗口
SR 协议不支持"累计确认"，必须一帧一确认

(6).实际情况

①.数据帧丢失

窗口第一个帧收到确认帧，窗口就可以右移；每个帧被发出时设置计时器，如果超时未收到对应的ACK，就重传这个帧。

②.数据帧因差错而被丢弃

窗口第一个帧收到确认帧，窗口就可以右移；如果接收方收到一个有差错的帧，就将此帧丢弃，并返回对应的否认帧NAK_i，主动请求发送方重传i号帧

③.确认帧丢失

首先发送端超时重传，若在接收端窗口外就是重复帧，收到重复帧就返回该帧的ACK

四.介质访问控制

§3-1-3到§3-1-5具体讲解三种方法

广播信道"需要实现此功能。广播信道在逻辑上是总线型拓扑，多个结点需争抢传输介质的使用权

点对点信道"通常不需要实现此功能。点对点信道通常意味着两个结点之间有专属的传输介质，不用抢

§3-1-2 信道利用率

零.术语补充

1. 滑动窗口协议

滑动窗口协议: 后退N帧协议(GBN), 选择重传协议(SR)

2. ARQ协议,连续ARQ协议

ARQ协议: 停止-等待协议(S-W), 后退N帧协议(GBN), 选择重传协议(SR)

连续ARQ协议: 后退N帧协议(GBN), 选择重传协议(SR)

一.S-W协议

1. 确认帧长度不可忽略

2. 确认帧长度可以忽略

**例题: **

二.GBN,SR协议

三.例题

例1:

例2:

§3-1-3 (介质访问控制)信道划分

一.引入

多个节点共享同一个"总线型"广播信道时，可能发生"信号冲突"。如何减少或避免该冲突？

二.时分复用

1. 常规时分复用(TDM)

(TDM,Time Division Multiplexing)

将时间分为等长的"TDM帧"，每个"TDM帧"又分为等长的m个"时隙"，将m个时隙分配给m对用户(节点)使用

**缺点: **

每个节点最多只能分配到信道总带宽的1/m

如果某节点暂不发送数据，会导致被分配的"时隙"闲置，信道利用率低

2. 统计时分复用(STDM)

(STDM,Statistic Time Division Multiplexing)

在TDM的基础上，动态按需分配时隙

**优点: **

如果需要时，一个节点可以在一段时间内获得所有的信道带宽资源

如果某节点暂不发送数据，可以不分配"时隙"，信道利用率更高

三.频分复用(FDM)

(FDM,Frequency DivisionMultiplexing)

频分复用是将信道的总频带划分为多个子频带，每个子频带作为一个子信道，每对用户使用一个子信道进行通信。

优点

各节点可同时发送信号，充分利用了信道带宽
缺点、

只能用于模拟信号的传输

四.波分复用(WDM)

(WDM,WavelengthDivision Multiplexing)

波分复用就是光的频分复用

Tips: 光信号的频带范围(带宽)非常大，因此很适合采用波分复用技术，将一根光纤在逻辑上拆分为多个子信道

五.码分复用(CDM)

1. 给各节点分配专属"码片序列"

"码片序列"包含 mmm 个码片(信号值)，可看作"mmm 维向量"
- (mmm 维向量的分量通常取 1 或 -1)
**要求: ** 各节点的"mmm 维向量"必须相互正交
**注: **相互通信的各节点知道彼此的"码片序列"

2. 发送方如何发送数据

节点发出 m 个信号值与"码片序列"相同，表示比特 1
节点发出 m 个信号值与"码片序列"相反，表示比特 0

3. 信号在传输过程中"叠加"

当多个发送方同时发送数据时，信号值会叠加(注: 本质是多个m维向量的加法)

4. 接收方如何接收数据

接收方收到的是"叠加"信号，需要从中"分离"出各发送方的数据
叠加信号 与 发送方的码片序列 作"规格化内积 "
- 结果为 1 ，表示比特 1
- 结果为 -1 ，表示比特 0

5. 例题

§3-1-4 (介质访问控制)随机访问

一.ALOHA协议

1. 纯ALOHA(非重点)

如果准备好数据帧，就立刻发送

2. 时隙ALOHA协议(非重点)

时隙大小固定 = 传输一个最长帧所需时间
只有在每个时隙开始时才能发送帧

二.CSMA协议

CSMA(Carrier Sense Multiple Access)协议，即载波监听多路访问协议

CSMA协议在ALOHA协议基础上提出改进: 在发送数据之前，先监听信道是否空闲，只有信道空闲时，才会尝试发送

1. 1-坚持CSMA协议

优点: 信道利用率高。信道一旦空闲，就可以被下一个节点使用
缺点: 当多个节点都已准备好数据时，一旦信道空闲，会有多个节点同时发送数据，冲突概率大。

2. 非坚持CSMA协议

优点: 降低冲突概率。放弃监听信道一段时间可使各节点"错开"发送数据
缺点: 信道利用率降低。(信道刚恢复空闲时，可能不会被立即利用)

3. p-坚持CSMA协议

优点: 属于1-坚持CSMA、非坚持CSMA的折中方案，降低冲突概率的同时，提升信道利用率

三.CSMA/CD协议(有线以太网)

CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) 协议，即载波监听多路访问/冲突检测协议

用于早期的有线以太网 (总线型)

1. 协议要点

先听后发，边听边发，冲突停发，随机重发

(1).如何随机重发

截断二进制指数退避算法:

随机等待一段时间 = r 倍争用期，其中 r 是随机数("争用期"是一段固定大小的时间)

如果 k≤10k \le 10k≤10，在 [0,(2k−1)][0, (2^k - 1)][0,(2k−1)] 区间随机取一个整数 r
如果 k>10k > 10k>10，在 [0,(210−1)][0, (2^{10} - 1)][0,(210−1)] 区间随机取一个整数 r

(2). 特别注意

第10次冲突，是"随机重发"的分水岭
第16次冲突，直接躺平，放弃传帧，报告上级(网络层)

2. 争用期

争用期 = 2×2 \times2× 最大单向传播时延 (考虑距离最远的两个节点)
- 若争用期内未发生冲突，就不可能再冲突
- CSMA/CD 没有ACK机制，若发送过程中未检测到冲突，就认为帧发送成功，多有线使用(误码率较低)

3. 最短帧长

最短帧长 = 2×2 \times2× 最大单向传播时延 ×\times× 信道带宽
若收到的帧小于最短帧长，视为无效帧
如果实际要发送的数据很少, 可填充至合法长度后再发送

4. 最长帧长

规定最长帧长可防止某些节点一直占用信道

5. 以太网规定

最短帧长 = 64B；最长帧长 = 1518B

四.CSMA/CA协议(无线局域网)

[非重点]
CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) 协议，即载波监听多路访问/碰撞避免协议

0. 补充

无线局域网(WiFi)面临的新问题

1. 协议要点

发送方: 先听后发，忙则退避
- 若信道空闲，间隔DIFS后，再发送帧(一口气发完，发送过程中不用检测冲突)
- 若信道不空闲，则进行"随机退避"
随机退避原理
- 用二进制指数退避算法确定一段随机退避时间(倒计时)
- 发送方会保持监听信道，只有信道空闲时才"扣除倒计时"，倒计时结束后立即发送帧(此时信道"听起来"一定空闲)
接收方: 停止等待协议
- 每收到一个正确数据帧都返回ACK；若发送方超时未收到ACK，则进行"随机退避"