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  • 一、 面向比特的高级数据链路控制协议HDLC协议。(注意是面向比特的) HDLC的帧结构如下: 标志|地址|控制|信息|帧检验序列|标志 比特: 8 | 8 | 8 |可变| 16 | 8 缩写: F | A | C|Info |
    二、局域网的基本知识
    
    本阶段要求掌握的知识框架如下:
    一、 理解链路层协议。
    二、 掌握以太网技术。
    三、 无线以太和其他类型的以太

    详细介绍:
    一、 面向比特的高级数据链路控制协议HDLC协议。
    注意是面向比特的)
    HDLC的帧结构如下:
    标志|地址|控制|信息|帧检验序列|标志
    比特: 8 | 8 | 8 |可变| 16 | 8
    缩写: F | A | C|Info | FCS | F
      说明:从A到info是FCS检验区间;
      从A到FCS是透明传输区间。
    详细说明: 
    (一)标志字段 F (Flag) 为 6 个连续 1 加上两边各一个 0 共 8 bit。在接收端只要找到标志字段就可确定一个帧的位置.
    (二)零比特填充法
      (1)HDLC 采用零比特填充法使一帧中两个 F 字段之间不会出现 6 个连续 1
      (2)在发送端,当一串比特流数据中有 5 个连续 1 时,就立即填入一个 0
      (3)在接收帧时,先找到 F 字段以确定帧的边界。接着再对比特流进行扫描,每当发现 5 个连续 1 时,就将其后的一个 0 删除,以还原成原来的比特流.(特别强调:在封装帧时,是先封装数据,再放标志位,我之所以说这些是为了解决很多同学都容易迷惑的一个问题“在封装帧时,如果遇到6个连1我怎么才能知道哪个是标志位哪个是数据呢”,有了这个先后顺序,就很容易理解了。
    (三)透明传输
      (1)采用零比特填充法就可传送任意组合的比特流,或者说,就可实现数据链路层的透明传输
      (2)当连续传输两个帧时,前一个帧的结束标志字段 F 可以兼作后一帧的起始标志字段
      (3)当暂时没有信息传送时,可以连续发送标志字段,使收端可以一直和发端保持同步
    (四)其他字段
      (1)地址字段 A 是 8 bit
      (2)帧检验序列 FCS 字段共 16 bit。所检验的范围是从地址字段的第一个比特起,到信息字段的最末一个比特为止 
      (3)控制字段 C 共 8 bit,是最复杂的字段。HDLC 的许多重要功能都靠控制字段来实现
    二、点对点协议PPP(point-to-point-protocol)(注意是面向字符的)
    详细介绍
    (一)简单介绍

      这是目前全地球使用的最多的数据链路层协议。是目前广域网上应用最广泛的协议之一,它的优点在于简单、具备用户验证能力、可以解决IP分配等。
    PPP(Point-to-Point Protocol点到点协议)是为在同等单元之间传输数据包这样的简单链路设计的链路层协议。这种链路提供全双工操作,并按照顺序传递数据包。设计目的主 要是用来通过拨号或专线方式建立点对点连接发送数据,使其成为各种主机、网桥和路由器之间简单连接的一种共通的解决方案。PPP协议中提供了一整套方案来解决链路建立、维护、拆除、上层协议协商、认证等问题
    (二)1992 年制订了 PPP 协议。经过 1993 年和 1994 年的修订,现在的 PPP 协议已成为因特网的正式标准[RFC 1661](同志们可以从百度中输入RFC 1661来查看详细的条文)。
      PPP有三个组成部分(实际上PPP协议的作用就是封装协议)
      (1)组成帧的方法,明确地规定一帧的结构及下一帧的起始。帧格式也处理差错检测,将IP数据报封装到串行链路
      (2)链路控制协议(LCP),包括建立线路、测试线路、协商选择项、拆除线路。(简单说:LCP负责创建,维护或终止一次物理连接)
      (3)网络控制协议(NCP),以独立于所使用的网络层协议的方式提供协商网络层选项的方法。所选择的方法对每一种所支持的网络层有不同的NCP。NCP实际是一族协议,负责解决物理连接上运行什么网络协议,以及解决上层网络协议发生的问题。
    (三)PPP的帧格式:
      (1)PPP 的帧格式和 HDLC 的相似。 
      (2)标志字段 F 仍为 0x7E (符号“0x”表示后面的字符是用十六进制表示。十六进制的 7E 的二进制表示是 01111110)。
      (3)地址字段 A 只置为 0xFF。地址字段实际上并不起什么作用。
      (4)控制字段 C 通常置为 0x03。
      (5)PPP 是面向字节的,所有的 PPP 帧的长度都是整数字节(因为它不是面向比特的)。
    (四)PPP的帧结构如下:
      F A C 协议 | 信息部分(IP数据报)| FCS F 
      说明:F 、A、 C全是一个字节,协议是2个字节,这是首部。信息部分不超过1500字节。最后两个字段是尾部。即后边的FCS和F。
      PPP有个2字节的协议字段:(很重要的,有这个协议就显得很灵活
    (1)当协议字段为 0x0021 时,PPP 帧的信息字段就是IP 数据
    (2)若为 0xC021, 则信息字段是 PPP 链路控制数据。
    (3)若为 0x8021,则表示这是网络控制数据.
    (4)0xC023——信息字段是安全性认证PAP
    (5)0xC025——信息字段是LQR
    (6)0xC223——信息字段是安全性认证CHAP
    (五)透明传输的问题
      (1)当 PPP 用在同步传输链路时,协议规定采用硬件来完成比特填充(和 HDLC 的做法一样,注意:虽然是面向字符的但是在同步传输的时候也支持比特填充,有些网上的资料是说不能那是错的)。
      (2)当 PPP 用在异步传输时,就使用一种特殊的字符填充法。 
    (六)什么是字符填充法
      (1)将信息字段中出现的每一个 0x7E 字节转变成为 2 字节序列(0x7D, 0x5E)。 
      (2)若信息字段中出现一个 0x7D 的字节, 则将其转变成为 2 字节序列(0x7D, 0x5D)。
      (3)若信息字段中出现 ASCII 码的控制字符(即数值小于 0x20 的字符),则在该字符前面要加入一个 0x7D 字节,同时将该字符的编码加以改变。 
    (七)PPP 协议之所以不使用序号和确认机制是出于以下的考虑:
      (1)在数据链路层出现差错的概率不大时,使用比较简单的 PPP 协议较为合理。
      (2)在因特网环境下,PPP 的信息字段放入的数据是 IP 数据报。数据链路层的可靠传输并不能够保证网络层的传输也是可靠的。
      (3)帧检验序列 FCS 字段可保证无差错接受。
    (八)PPP协议的工作流程
      (1)当用户拨号接入 ISP 时,路由器的调制解调器对拨号做出确认,并建立一条物理连接。
      (2)PC机向路由器发送一系列的 LCP 分组(封装成多个 PPP 帧)。
      (3)这些分组及其响应选择一些 PPP 参数,和进行网络层配置,NCP 给新接入的 PC机分配一个临时的 IP 地址,使 PC 机成为因特网上的一个主机。
      (4)通信完毕时,NCP 释放网络层连接,收回原来分配出去的 IP 地址。接着,LCP 释放数据链路层连接。最后释放的是物理层的连接。 
    (九)路由器PPP配置步骤
      (1)进入接口模式
      (2)配置接口地址
      (3)配置封装协议为PPP
      (4)设置拨号超时时限
      (5)配置拨号表
      (6)配置接口认证
    三、局域网概述
      局域网最主要的特点是:网络为一个单位所拥有,且地理范围和站点数目均有限。 
      局域网具有如下的一些主要优点:
      (1)能方便地共享昂贵的外部设备、主机以及软件、数据。从一个站点可访问全网。
      (2)便于系统的扩展和逐渐地演变,各设备的位置可灵活调整和改变。
      (3)提高了系统的可靠性、可用性和残存性。
    四、传统以太网(非常重要)
    (一)两个标准 
    (1)DIX Ethernet V2 是世界上第一个局域网产品(以太网)的规约
    (2)IEEE 的 802.3 标准
    (3)DIX Ethernet V2 标准与 IEEE 的 802.3 标准只有很小的差别,因此可以将 802.3 局域网简称为“以太网”
    (4)严格说来,“以太网”应当是指符合 DIX Ethernet V2 标准的局域网 
      (备注:两个标准实际上以太网是事实上的标准,而802.3是法律上的标准,这也是我在前面论述协议概念的时候提到过的,协议有法律上的和事实上的
    (二)数据链路层的两个子层 
      (1)为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准,802 委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层:
    逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control)子层(上)
    媒体接入控制 MAC (Medium Access Control)子层(下)
      (2)与接入到传输媒体有关的内容都放在 MAC子层,而 LLC 子层则与传输媒体无关,不管采用何种协议的局域网对 LLC 子层来说都是透明的,它看不见下边的局域网 .(由于TCP/IP 体系经常使用的局域网是 DIX Ethernet V2 而不是 802.3 标准中的几种局域网,因此现在 802 委员会制定的逻辑链路控制子层 LLC(即 802.2 标准)的作用已经不大了。很多厂商生产的网卡上就仅装有 MAC 协议而没有 LLC 协议。MAC子层它是兼容MAC地址的,即硬件地址。)
    (三)网卡的作用
      网络接口板又称为通信适配器(adapter)或网络接口卡 NIC (Network Interface Card),或“网卡”。 
      网卡的重要功能
    (1)网卡实现局域网数据链路层的一部分功能,包括网络存取控制,信息帧的发送与接收,差错校验,串并代码转换等以及数据封装和解封(加mac地址)
    (2)对数据进行缓存
    (3)在计算机的操作系统安装设备驱动程序
    (4)实现以太网协议以及实现某些接口功能 
    (5)网卡实现工作站与局域网传输介质之间的物理连接和电信号匹配,接收和执行工作站与服务器送来的各种控制命令,完成物理层的功能
    (6)网卡实现无盘工作站的复位及引导
    (7)数据的封装与解封。发送时将上一层交下来的数据加上首部和尾部,成为以太网的帧。接收时将以太网的帧剥去首部和尾部,然后送交上一层
    (8)链路管理.主要是 CSMA/CD 协议的实现
    (9)编码与译码。即曼彻斯特编码与译码
    (五)为了通信的简便以太网采取了两种重要的措施
      (1)采用较为灵活的无连接的工作方式,即不必先建立连接就可以直接发送数据.
      (2)以太网对发送的数据帧不进行编号,也不要求对方发回确认。(这样做的理由是局域网信道的质量很好,因信道质量产生差错的概率是很小的。)
    (六)以太网提供的服务
      以太网提供的服务是不可靠的交付,即尽最大努力的交付.当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧,其他什么也不做。差错的纠正由高层来决定.如果高层发现丢失了一些数据而进行重传,但以太网并不知道这是一个重传的帧,而是当作一个新的数据帧来发送。
    (七)载波监听多点接入/碰撞检测=CSMA/CD
      CSMA/CD 表示 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection。“多点接入”表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。“载波监听”是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据,如果有,则暂时不要发送数据,以免发生碰撞。总线上并没有什么“载波”。因此, “载波监听”就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号.
    (八)碰撞检测。
      “碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。当几个站同时在总线上发送数据时,总线上的信号电压摆动值将会增大(互相叠加)。当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时,就认为总线上至少有两个站同时在发送数据,表明产生了碰撞。所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。
      检测到碰撞以后:
      在发生碰撞时,总线上传输的信号产生了严重的失真,无法从中恢复出有用的信息来。每一个正在发送数据的站,一旦发现总线上出现了碰撞,就要立即停止发送,免得继续浪费网络资源,然后等待一段随机时间后再次发送。
      电磁波在总线上的有限传播速率的影响 :
      当某个站监听到总线是空闲时,也可能总线并非真正是空闲的。 A 向 B 发出的信息,要经过一定的时间后才能传送到 B。B 若在 A 发送的信息到达 B 之前发送自己的帧(因为这时 B 的载波监听检测不到 A 所发送的信息),则必然要在某个时间和 A 发送的帧发生碰撞。碰撞的结果是两个帧都变得无用。
      重要特性
      使用 CSMA/CD 协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信(半双工通信)。每个站在发送数据之后的一小段时间内,存在着遭遇碰撞的可能性。 这种发送的不确定性使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率
      争用期
      最先发送数据帧的站,在发送数据帧后至多经过时间 2t (两倍的端到端往返时延)就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。以太网的端到端往返时延 2t 称为争用期,或碰撞窗口。经过争用期这段时间还没有检测到碰撞,才能肯定这次发送不会发生碰撞。
      二进制指数类型退避算法 (truncated binary exponential type)
      发生碰撞的站在停止发送数据后,要推迟(退避)一个随机时间才能再发送数据。确定基本退避时间,一般是取为争用期 2t。定义重传次数 k ,k £ 10,即k = Min[重传次数, 10] 从整数集合[0,1,…, (2k -1)]中随机地取出一个数,记为 r。重传所需的时延就是 r 倍的基本退避时间。当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧,并向高层报告。
      争用期的长度 
      以太网取 51.2 ms 为争用期的长度。对于 10 Mb/s 以太网,在争用期内可发送512 bit,即 64 字节。以太网在发送数据时,若前 64 字节没有发生冲突,则后续的数据就不会发生冲突。
      最短有效帧长 
      如果发生冲突,就一定是在发送的前 64 字节之内。 由于一检测到冲突就立即中止发送,这时已经发送出去的数据一定小于 64 字节。以太网规定了最短有效帧长为 64 字节,凡长度小于 64 字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。
      强化碰撞 
      当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时,除了立即停止发送数据外,还要再继续发送若干比特的人为干扰信号(jamming signal),以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。
    (九)传统以太网的连接方法
      传统以太网可使用的传输媒体有四种:铜缆(粗缆和细缆)、铜线(双绞线)、光缆。这样,以太网就有四种不同的物理层:
    10base5(粗缆),10base2(细缆),10base-t(双绞线),10base-f(光缆)
      (1)细缆以太网 10BASE2 
    用更便宜的直径为 5 mm 的细同轴电缆(特性阻抗仍为 50 W),可代替粗同轴电缆。 将媒体连接单元 MAU 和媒体相关接口 MDI都安装在网卡上,取消了外部的 AUI电缆。 细缆直接用标准 BNC T 型接头连接到网卡上的 BNC 连接器的插口.
      (2)星形网 10BASE-T 
    不用电缆而使用无屏蔽双绞线。每个站需要用两对双绞线,分别用于发送和接收。在星形网的中心则增加了一种可靠性非常高的设备,叫做集线器(hub).集线器使用了大规模集成电路芯片,因此这样的硬件设备的可靠性已大大提高了。
      (3)以太网在局域网中的统治地位
      10BASE-T 的通信距离稍短,每个站到集线器的距离不超过 100 m。这种 10 Mb/s 速率的无屏蔽双绞线星形网的出现,既降低了成本,又提高了可靠性。10BASE-T 双绞线以太网的出现,是局域网发展史上的一个非常重要的里程碑,它为以太网在局域网中的统治地位奠定了牢固的基础。
      (4)高速以太网
      速率达到或超过 100 Mb/s 的以太网称为高速以太网。在双绞线上传送 100 Mb/s 基带信号的星型拓扑以太网,仍使用 IEEE 802.3 的CSMA/CD 协议。100BASE-T 以太网又称为快速以太网(Fast Ethernet)。特点是:可在全双工方式下工作而无冲突发生。因此,不使用 CSMA/CD 协议。MAC 帧格式仍然是 802.3 标准规定的。保持最短帧长不变,但将一个网段的最大电缆长度减小到 100 m。帧间时间间隔从原来的 9.6 ms 改为现在的 0.96 ms。三种不同的物理层标准:100BASE-TX使用 2 对 UTP 5 类线或屏蔽双绞线 STP。 100BASE-FX :使用 2 对光纤。 100BASE-T4:使用 4 对 UTP 3 类线或 5 类线。
      (5)吉比特以太网
      允许在 1 Gb/s 下全双工和半双工两种方式工作。使用 802.3 协议规定的帧格式。在半双工方式下使用 CSMA/CD 协议(全双工方式不需要使用 CSMA/CD 协议)。与 10BASE-T 和 100BASE-T 技术向后兼容。它的物理层:1000BASE-X 基于光纤通道的物理层:1000BASE-SX SX表示短波长;1000BASE-LX LX表示长波长;1000BASE-CX CX表示铜线;1000BASE-T 它使用 4对 5 类线 UTP。(载波延伸carrier extension:吉比特以太网在工作在半双工方式时,就必须进行碰撞检测。由于数据率提高了,因此只有减小最大电缆长度或增大帧的最小长度,才能使参数 a 保持为较小的数值。吉比特以太网仍然保持一个网段的最大长度为 100 m,但采用了“载波延伸”的办法,使最短帧长仍为 64 字节(这样可以保持兼容性),同时将争用时间增大为 512 字节。)(在短 MAC 帧后面加上载波延伸:凡发送的 MAC 帧长不足 512 字节时,就用一些特殊字符填充在帧的后面,使MAC 帧的发送长度增大到 512 字节,但这对有效载荷并无影响。接收端在收到以太网的 MAC 帧后,要将所填充的特殊字符删除后才向高层交付。)(分组突发:当很多短帧要发送时,第一个短帧要采用上面所说的载波延伸的方法进行填充。 随后的一些短帧则可一个接一个地发送,只需留有必要的帧间最小间隔即可。这样就形成可一串分组的突发,直到达到 1500 字节或稍多一些为止。)(当吉比特以太网工作在全双工方式时(即通信双方可同时进行发送和接收数据),不使用载波延伸和分组突发。)
      (6)10吉比特以太网
      10吉比特以太网与 10 Mb/s,100 Mb/s 和 1 Gb/s 以太网的帧格式完全相同。10 吉比特以太网还保留了 802.3 标准规定的以太网最小和最大帧长,便于升级。10 吉比特以太网不再使用铜线而只使用光纤作为传输媒体。10 吉比特以太网只工作在全双工方式,因此没有争用问题,也不使用 CSMA/CD 协议。吉比特以太网的物理层 :局域网物理层 LAN PHY。局域网物理层的数据率是 10.000 Gb/s。可选的广域网物理层 WAN PHY。广域网物理层具有另一种数据率,这是为了和所谓的“Gb/s”的 SONET/SDH(即OC-192/STM-64)相连接。为了使 10 吉比特以太网的帧能够插入到 OC-192/STM-64 帧的有效载荷中,就要使用可选的广域网物理层,其数据率为 9.95328 Gb/s。端到端的以太网传输 :10 吉比特以太网的出现,以太网的工作范围已经从局域网(校园网、企业网)扩大到城域网和广域网,从而实现了端到端的以太网传输。这种工作方式的好处是:成熟的技术;互操作性很好;在广域网中使用以太网时价格便宜。统一的帧格式简化了操作和管理。以太网从 10 Mb/s 到10 Gb/s 的演进 :以太网从 10 Mb/s 到 10 Gb/s 的演进证明了以太网是:可扩展的(从 10 Mb/s 到 10 Gb/s)。灵活的(多种传输媒体、全/半双工、共享/交换)。易于安装。稳健性好。
      其他种类的高速局域网:100VG-AnyLAN 局域网,使用集线器的 100 Mb/s 高速局域网 ;光纤分布式数据接口 FDDI (Fiber Distributed Data Interface) 使用光纤作为传输媒体的令牌环形网 ;高性能并行接口 HIPPI (HIgh-Performance Parallel Interface) 主要用于超级计算机与一些外围设备(如海量存储器、图形工作站等)的高速接口;光纤通道(Fibre Channel)
    (十)集线器的特点:
      集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线的工作,因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行。使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网,各工作站使用的还是 CSMA/CD 协议,并共享逻辑上的总线。集线器很像一个多端口的转发器(单独的转发器是两个端口的),工作在物理层。(集线器是信号的通道,延长一定的通信距离,数据转发功能,不处理帧。)
    (十一)以太网的 MAC 层(MAC 层的硬件地址)
      在局域网中,硬件地址又称为物理地址,或 MAC 地址。802标准所说的“地址”严格地讲应当是每一个站的“名字”或标识符。但鉴于大家都早已习惯了将这种 48 bit 的“名字”称为“地址”,所以这里也采用这种习惯用法,尽管这种说法并不太严格。路由器由于同时连接到两个网络上,因此它有两块网卡和两个硬件地址。
      MAC地址的表现形式为:如08:00:20:0A:8C:6D
    其中前3位16进制数08:00:20代表网络硬件制造商的编号(机构唯一标志符),它由IEEE (Istitute of Electrical and Electronics Engineers,电气与电子工程师协会)分配,而后3位16进制数0A:8C:6D代表该制造商所制造的某个网络产品(如网卡)的系列号(扩展标志符号)。
      以太网和802.3的mac帧地址区别:
      以太网是低位在后高位在前,先发送高位最后发送低位。8023.则相反。
      以太网和802.3的mac帧格式区别
      Ethernet II帧格式:
    | 前序 | 目的地址 | 源地址 | 类型 | 数据 | FCS | 
    | 8 byte | 6 byte | 6 byte | 2 byte | 46~1500 byte | 4 byte|
      IEEE802.3一般帧格式
    | 前序 | 帧起始定界符|目的地址 | 源地址| 长度 | 数据 | FCS |
    | 7 byte | 1 byte | 2/6 byte |2/6 byte| 2 byte | 46~1500 byte | 4 byte|
      Ethernet II和IEEE802.3的帧格式比较类似,主要的不同点在于前者定义的2字节的类型主要就是协议,而后者定义的是2字节的长度;所幸的是,后者定义的有效长度值与前者定义的有效类型值无一相同,这样就容易区分两种帧格式了。以太网的类型字段用来标志上一层使用的是什么协议,以便把收到的 MAC 帧的数据上交给上一层的这个协议。
      数据字段的正式名称是 MAC 客户数据字段
      最小长度 64 字节 - 18 字节的首部和尾部 = 数据字段的最小长度 . 当传输媒体的误码率为 1´10-8 时,MAC 子层可使未检测到的差错小于 1´10-14。当数据字段的长度小于 46 字节时,应在数据字段的后面加入整数字节的填充字段,以保证以太网的 MAC 帧长不小于 64 字节。在帧的前面插入的 8 字节中的第一个字段共 7 个字节,是前同步码,用来迅速实现 MAC 帧的比特同步。第二个字段是帧开始定界符,表示后面的信息就是MAC 帧。为了达到比特同步,在传输媒体上实际传送的要比 MAC 帧还多 8 个字节。
    (十二)网卡检查 MAC 地址 
      网卡从网络上每收到一个 MAC 帧就首先用硬件检查 MAC 帧中的 MAC 地址.如果是发往本站的帧则收下,然后再进行其他的处理。否则就将此帧丢弃,不再进行其他的处理。“发往本站的帧”包括以下三种帧:单播(unicast)帧(一对一)、广播(broadcast)帧(一对全体)、多播(multicast)帧(一对多)。
    (十三)两种不同的帧格式:
      常用的以太网MAC帧格式有两种标准 :
      DIXEthernet V2 标准和IEEE 的 802.3 标准
      最常用的 MAC 帧是以太网 V2 的格式。
    (十四)无效的MAC帧
    (1)数据字段的长度与长度字段的值不一致;
    (2)帧的长度不是整数个字节;
    (3)用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错;
    (4)数据字段的长度不在 46 ~ 1500 字节之间。
    (5)有效的 MAC 帧长度为 64 ~ 1518 字节之间。
    (6)对于检查出的无效 MAC 帧就简单地丢弃。以太网不负责重传丢弃的帧。 
    (十五)帧间最小间隔 
      帧间最小间隔为 9.6 ms,相当于 96 bit 的发送时间。一个站在检测到总线开始空闲后,还要等待 9.6 ms 才能再次发送数据。这样做是为了使刚刚收到数据帧的站的接收缓存来得及清理,做好接收下一帧的准备。
    (十六)用集线器扩展局域网(在物理层
      (1)优点:使原来属于不同碰撞域的局域网上的计算机能够进行跨碰撞域的通信。扩大了局域网覆盖的地理范围。
      (2)缺点:碰撞域增大了,但总的吞吐量并未提高。如果不同的碰撞域使用不同的数据率,那么就不能用集线器将它们互连起来。
    (十七)在数据链路层扩展局域网。(使用网桥)
      在数据链路层扩展局域网是使用网桥。网桥工作在数据链路层,它根据 MAC 帧的目的地址对收到的帧进行转发。网桥具有过滤帧的功能。当网桥收到一个帧时,并不是向所有的端口转发此帧,而是先检查此帧的目的 MAC 地址,然后再确定将该帧转发到哪一个端口。
      (1)优点:过滤通信量。 扩大了物理范围。提高了可靠性。可互连不同物理层、不同 MAC 子层和不同速率(如10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太网)的局域网。
      (2)缺点:存储转发增加了时延。 在MAC 子层并没有流量控制功能(说明:就是指网桥的MAC子层没有流量控制,而不是说MAC子层本身没有流量控制)。具有不同 MAC 子层的网段桥接在一起时时延更大。网桥只适合于用户数不太多(不超过几百个)和通信量不太大的局域网,否则有时还会因传播过多的广播信息而产生网络拥塞。这就是所谓的广播风暴。
    (十八)网桥和集线器(或转发器)不同 
      集线器在转发帧时,不对传输媒体进行检测。网桥在转发帧之前必须执行 CSMA/CD 算法。若在发送过程中出现碰撞,就必须停止发送和进行退避。在这一点上网桥的接口很像一个网卡。但网桥却没有网卡。由于网桥没有网卡,因此网桥并不改变它转发的帧的源地址。 (透明网桥:目前使用得最多的网桥是透明网桥(transparent bridge),“透明”是指局域网上的站点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥,因为网桥对各站来说是看不见的。 透明网桥是一种即插即用设备,其标准是 IEEE 802.1D
    (十九)网桥的工作流程或者工作状态是什么?
      网桥应当按照以下算法处理收到的帧和建立转发表 
    (1) 从端口 x 收到无差错的帧(如有差错即丢弃),在转发表中查找目的站 MAC 地址。 
    (2) 如有,则查找出到此 MAC 地址应当走的端口 d,然后进行(3),否则转到(5)。
    (3) 如到这个 MAC 地址去的端口 d = x,则丢弃此帧(因为这表示不需要经过网桥进行转发)。否则从端口 d 转发此帧。
    (4) 转到(6)。
    (5) 向网桥除 x 以外的所有端口转发此帧(这样做可保证找到目的站)。
    (6) 如源站不在转发表中,则将源站 MAC 地址加入到转发表,登记该帧进入网桥的端口号,设置计时器。然后转到(8)。如源站在转发表中,则执行(7)。
    (7) 更新计时器。
    (8) 等待新的数据帧。转到(1)。
    (二十)网桥在转发表中登记以下三个信息。(转发表的组成)
      站地址:登记收到的帧的源 MAC 地址。端口:登记收到的帧进入该网桥的端口号。时间:登记收到的帧进入该网桥的时间。(转发表中的 MAC 地址是根据源 MAC 地址写入的,但在进行转发时是将此 MAC 地址当作目的地址。如果网桥现在能够从端口 x 收到从源地址 A 发来的帧,那么以后就可以从端口 x 将帧转发到目的地址 A。)
    (二十一)透明网桥使用了支撑树算法 
      这是为了避免产生转发的帧在网络中不断地兜圈子。
      支撑树的得出:
      每隔几秒钟每一个网桥要广播其标识号(由生产网桥的厂家设定的一个惟一的序号)和它所知道的其他所有在网上的网桥。 支撑树算法选择一个网桥作为支撑树的根(例如,选择一个最小序号的网桥),然后以最短路径为依据,找到树上的每一个结点。 当互连局域网的数目非常大时,支撑树的算法很花费时间。这时可将大的互连网划分为多个较小的互连网,然后得出多个支撑树。
    (二十二)源路由网桥
      透明网桥容易安装,但网络资源的利用不充分。源路由(source route)网桥在发送帧时将详细的路由信息放在帧的首部中。源站以广播方式向欲通信的目的站发送一个发现帧,每个发现帧都记录所经过的路由。发现帧到达目的站时就沿各自的路由返回源站。源站在得知这些路由后,从所有可能的路由中选择出一个最佳路由。凡从该源站向该目的站发送的帧的首部,都必须携带源站所确定的这一路由信息。
    (二十三)多端口网桥(就是以太网交换机
      1990 年问世的交换式集线器(switching hub),可明显地提高局域网的性能。交换式集线器常称为以太网交换机(switch)或第二层交换机(表明此交换机工作在数据链路层)。以太网交换机通常都有十几个端口。因此,以太网交换机实质上就是一个多端口的网桥,可见交换机工作在数据链路层。
      交换机和网桥(都工作在数据链路层)都能完成的功能是:
      自学习、数据转发(也叫过滤)、阻止二层环路的出现。
      网桥和交换机的区别是什么?
      第一是网桥是少端口的而交换机是多端口的。第二是网桥的转发功能是通过软件来实现的,而交换机是通过硬件来实现转发功能的速度较快。
    (二十四)以太网交换机的特点:
      以太网交换机的每个端口都直接与主机相连,并且一般都工作在全双工方式。交换机能同时连通许多对的端口,使每一对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样,进行无碰撞地传输数据。以太网交换机由于使用了专用的交换结构芯片,其交换速率就较高(其实意思就是说它的转发功能是又硬件来完成的所以很快)。
    (1)对于普通 10 Mb/s 的共享式以太网,若共有 N 个用户,则每个用户占有的平均带宽只有总带宽(10 Mb/s)的 N 分之一。
    (2)使用以太网交换机时,虽然在每个端口到主机的带宽还是 10 Mb/s,但由于一个用户在通信时是独占而不是和其他网络用户共享传输媒体的带宽,因此对于拥有 N 对端口的交换机的总容量为 N´10 Mb/s。这正是交换机的最大优点.
    (二十五)虚拟局域网的概念
      虚拟局域网 VLAN 是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组。这些网段具有某些共同的需求。每一个 VLAN 的帧都有一个明确的标识符,指明发送这个帧的工作站是属于哪一个 VLAN。虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务,而并不是一种新型局域网。(虚拟局域网限制了接收广播信息的工作站数,使得网络不会因传播过多的广播信息(即“广播风暴”)而引起性能恶化。)目的是打破地域的界限。有效的将冲突域和广播域分离。
    (二十六)虚拟局域网使用的以太网的帧格式:
      虚拟局域网协议允许在以太网的帧格式的源地址后边插入一个 4 字节的标识符,称为 VLAN 标记(tag),用来指明发送该帧的工作站属于哪一个虚拟局域网。 
    (二十七)VLAN在交换机上的配置(分三步)
      配置VLAN号和名称;将交换机端口加入VLAN;配置中继端口
    四、无线局域网。
    (一)有固定基础设施的无线局域网。
      一个基本服务集 BSS 包括一个基站和若干个移动站,所有的站在本 BSS 以内都可以直接通信,但在和本 BSS 以外的站通信时都要通过本 BSS 的基站。基本服务集中的基站叫做接入点 AP ,(Access Point)其作用和网桥相似。一个基本服务集可以是孤立的,也可通过接入点 AP连接到一个主干分配系统 DS (Distribution System),然后再接入到另一个基本服务集,构成扩展的服务集ESS (Extended Service Set)。ESS 还可通过叫做门桥(portal)为无线用户提供到非 802.11 无线局域网(例如,到有线连接的因特网)的接入。门桥的作用就相当于一个网桥。 移动站 A 从某一个基本服务集漫游到另一个基本服务集,而仍然可保持与另一个移动站 B 进行通信。
      移动站分类:(就是一些带天线的手持设备)
      我们把无线局域网中的站分为全移动站与半移动站两类。全移动站指在网络覆盖范围内该站可在移动状态下保持与网络的通信。例如蜂窝电话网的移动站(收机)即 是一种全移动站。半移动站指在网络覆盖范围内网中的站可自由移动,但仅在静止状态下才能与网络通信。支持全移动站的网络称为全移动网络,而支持半移动站的 网络称为半移动网络。按以上分类,目前的无线局域网大都属于覆盖范围极小的(几米到几百米)的全移动网络。为了扩大覆盖范围和提高频带利用率,必然导致引 入蜂窝或微蜂窝网络结构。
    (二)无固定基础设施的无线局域网。自组网络(ad hoc network) 
      自组网络没有上述基本服务集中的接入点 AP 而是由一些处于平等状态的移动站之间相互通信组成的临时网络。 
      移动自组网络的应用前景 
    在军事领域中,携带了移动站的战士可利用临时建立的移动自组网络进行通信。这种组网方式也能够应用到作战的地面车辆群和坦克群,以及海上的舰艇群、空中的机群。 当出现自然灾害时,在抢险救灾时利用移动自组网络进行及时的通信往往很有效的 。
      移动自组网络和移动 IP 并不相同 :
    移动 IP 技术使漫游的主机可以用多种方式连接到因特网。移动 IP 的核心网络功能仍然是基于在固定互联网中一直在使用的各种路由选择协议。移动自组网络是将移动性扩展到无线领域中的自治系统,它具有自己特定的路由选择协议,并且可以不和因特网相连。
    (三)802.11 标准中的物理层
      1997 年IEEE 制订出无线局域网的协议标准的第一部分,802.11。在1999年又制订了剩下的两部分,802.11a 和 802.11b。802.11 的物理层有以下三种实现方法:跳频扩频 FHSS、直接序列扩频 DSSS、红外线 IR。802.11a 的物理层工作在 5 GHz频带,采用正交频分复用 OFDM,它也叫做多载波调制技术(载波数可多达 52 个)。可以使用的数据率为 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 和 56 Mb/s。 802.11b 的物理层使用工作在 2.4 GHz 的直接序列扩频技术,数据率为 5.5 或 11 Mb/s。
    (四)802.11 标准中的 MAC 层CSMA/CA 协议 
      无线局域网却不能简单地搬用 CSMA/CD 协议。这里主要有两个原因。CSMA/CD 协议要求一个站点在发送本站数据的同时还必须不间断地检测信道,但在无线局域网的设备中要实现这种功能就花费过大。即使我们能够实现碰撞检测的功能,并且当我们在发送数据时检测到信道是空闲的,在接收端仍然有可能发生碰撞。这种未能检测出媒体上已存在的信号的问题叫做隐蔽站问题(hidden station problem) 。相对应的是暴露站(exposed station problem)问题,即能够检测到媒体上有信号sign,但是它要想通信的那个站点B和这个信号sign没有关系,但是它仍然放弃这次通信。
      CSMA/CA 协议
      无线局域网不能使用 CSMA/CD,而只能使用改进的 CSMA 协议。这也正是它和以太网有线接入的区别。改进的办法是将 CSMA 增加一个碰撞避免(Collision Avoidance)功能,802.11 就使用 CSMA/CA 协议。而在使用 CSMA/CA 的同时还增加使用确认机制。下面先介绍 802.11 的 MAC 层。MAC 层通过协调功能来确定在基本服务集 BSS 中的移动站在什么时间能发送数据或接收数据。802.11 的 MAC 层在物理层之上包括两个子层 :一个是DCF 子层在每一个结点使用 CSMA 机制的分布式接入算法,让各个站通过争用信道来获取发送权。因此 DCF 向上提供争用服务。 另一个是PCF 子层使用集中控制的接入算法将发送数据权轮流交给各个站从而避免了碰撞的产生 。
    (五)帧间间隔 IFS
      所有的站在完成发送后,必须再等待一段很短的时间(继续监听)才能发送下一帧。这段时间的通称是帧间间隔 IFS (InterFrame Space)。帧间间隔长度取决于该站欲发送的帧的类型。高优先级帧需要等待的时间较短,因此可优先获得发送权,但低优先级帧就必须等待较长的时间。若低优先级帧还没来得及发送而其他站的高优先级帧已发送到媒体,则媒体变为忙态因而低优先级帧就只能再推迟发送了。这样就减少了发生碰撞的机会。SIFS,即短(Short)帧间间隔,长度为 28 ms,是最短的帧间间隔,用来分隔开属于一次对话的各帧。一个站应当能够在这段时间内从发送方式切换到接收方式。使用 SIFS 的帧类型有:ACK 帧、CTS 帧、由过长的 MAC 帧分片后的数据帧,以及所有回答 AP 探询的帧和在 PCF 方式中接入点 AP 发送出的任何帧。PIFS,即点协调功能帧间间隔(比 SIFS 长),是为了在开始使用 PCF 方式时(在 PCF 方式下使用,没有争用)优先获得接入到媒体中。PIFS 的长度是 SIFS 加一个时隙(slot)长度(其长度为 50 ms),即78 ms。时隙的长度是这样确定的:在一个基本服务集 BSS 内当某个站在一个时隙开始时接入到媒体时,那么在下一个时隙开始时,其他站就都能检测出信道已转变为忙态。DIFS,即分布协调功能帧间间隔(最长的 IFS),在 DCF 方式中用来发送数据帧和管理帧。DIFS 的长度比 PIFS 再增加一个时隙长度,因此 DIFS 的长度为 128 ms。
    (六) CSMA/CA 协议的原理
      欲发送数据的站先检测信道。在 802.11 标准中规定了在物理层的空中接口进行物理层的载波监听。通过收到的相对信号强度是否超过一定的门限数值就可判定是否有其他的移动站在信道上发送数据。当源站发送它的第一个 MAC 帧时,若检测到信道空闲,则在等待一段时间 DIFS 后就可发送。为什么信道空闲还要再等待呢?这是考虑到可能有其他的站有高优先级的帧要发送。如有,就要让高优先级帧先发送。
      假定没有高优先级帧要发送 
      源站发送了自己的数据帧。目的站若正确收到此帧,则经过时间间隔 SIFS 后,向源站发送确认帧 ACK。若源站在规定时间内没有收到确认帧 ACK(由重传计时器控制这段时间),就必须重传此帧,直到收到确认为止,或者经过若干次的重传失败后放弃发送。
      虚拟载波监听 
      虚拟载波监听(Virtual Carrier Sense)的机制是让源站将它要占用信道的时间(包括目的站发回确认帧所需的时间)通知给所有其他站,以便使其他所有站在这一段时间都停止发送数据。这样就大大减少了碰撞的机会。 “虚拟载波监听”是表示其他站并没有监听信道,而是由于其他站收到了“源站的通知”才不发送数据。这种效果好像是其他站都监听了信道。所谓“源站的通知”就是源站在其 MAC 帧首部中的第二个字段“持续时间”中填入了在本帧结束后还要占用信道多少时间(以微秒为单位),包括目的站发送确认帧所需的时间。
      网络分配向量 
      当一个站检测到正在信道中传送的 MAC 帧首部的“持续时间”字段时,就调整自己的网络分配向量 NAV (Network Allocation Vector)。NAV 指出了必须经过多少时间才能完成数据帧的这次传输,才能使信道转入到空闲状态。
      争用窗口 
      信道从忙态变为空闲时,任何一个站要发送数据帧时,不仅都必须等待一个 DIFS 的间隔,而且还要进入争用窗口,并计算随机退避时间以便再次重新试图接入到信道。在信道从忙态转为空闲时,各站就要执行退避算法。这样做就减少了发生碰撞的概率。802.11 使用二进制指数退避算法.
      二进制指数退避算法 
      第 i次退避就在 22 + i 个时隙中随机地选择一个。第 1 次退避是在 8 个时隙(而不是 2 个)中随机选择一个。第 2 次退避是在 16 个时隙(而不是 4 个)中随机选择一个.
      使用退避算法 
      仅在下面的情况下才不使用退避算法:检测到信道是空闲的,并且这个数据帧是要发送的第一个数据帧。除此以外的所有情况,都必须使用退避算法。即:在发送第一个帧之前检测到信道处于忙态。在每一次的重传后。在每一次的成功发送后。
      802.11 允许要发送数据的站对信道进行预约。 
      源站 A 在发送数据帧之前先发送一个短的控制帧,叫做请求发送 RTS (Request To Send),它包括源地址、目的地址和这次通信(包括相应的确认帧)所需的持续时间。若媒体空闲,则目的站 B 就发送一个响应控制帧,叫做允许发送 CTS (Clear To Send),它包括这次通信所需的持续时间(从 RTS 帧中将此持续时间复制到 CTS 帧中)
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  • 数据链路层——局域网扩展

    千次阅读 2017-11-26 12:39:50
    局域网扩展扩展后的以太网在网络看来还是一个网络局域网扩展——物理物理扩展的设备一般是集线器,又称Hub,在OSI模型中属于数据链路层。但由于集线器属于共享型设备,导致了在繁重的网络中,效率变得十分低下...

    局域网扩展

    扩展后的以太网在网络层看来还是一个网络

    局域网扩展——物理层

    这里写图片描述

    物理层扩展的设备一般是集线器,又称Hub,在OSI模型中属于数据链路层。但由于集线器属于共享型设备,导致了在繁重的网络中,效率变得十分低下,易产生广播风暴。所以我们在中、大型的网络中看不到集线器的身影。
    这里写图片描述

    这种多级结构的集线器以太网也带来了一些缺点:
    (1)冲突域增大,数据碰撞概率增大·
    (2)如果上图中两个系的数据率不同,那么传输速率就只能是适应他们中最低的传输速率

    局域网扩展——数据链路层

    在数据链路层扩展局域网用的设备:网桥和交换机(多接口的网桥)
    这里写图片描述

    网桥—连接不同类型的局域网
    这里写图片描述
    由于MAC不同,网桥在LLC子层过滤、转发帧。

    网桥—隔离冲突域
    这里写图片描述

    交换机——隔离冲突域
    这里写图片描述

    交换机是一种基于MAC(网卡的硬件地址)识别,能完成封装转发数据包功能的网络设备。交换机可以”学习”MAC地址,并把其存放在内部地址表中,通过在数据帧的始发者和目标接收者之间建立临时的交换路径,使数据帧直接由源地址到达目的地址。
    这里写图片描述

    步骤:
    1.采用“地址学习”方法更新端口/MAC地址映射表。
    2.利用端口/MAC地址映射表和帧的目的地址决定是否转发或转发到何处。

    虚拟局域网

    虚拟局域网将一个局域网扩展为数量更多的小局域网
    这里写图片描述
    当 B1 向 VLAN2 工作组内成员发送数据时,工作站 B2 和 B3 将会收到广播的信息。
    B1 发送数据时,工作站 A1, A2 和 C1都不会收到 B1 发出的广播信息。

    虚拟局域网限制了接收广播信息的工作站数,使得网络不会因传播过多的广播信息(即“广播风暴”)而引起性能恶化。

    用交换机端口号定义虚拟局域网成员
    这里写图片描述
    把不同的端口划分为不同的vlan

    交换式局域网和共享式局域网

    在局域网中大量地了集线器(HUB)或交换机(Switch)这种连接设备。利用集线器连接的局域网叫共享式局域网,利用交换机连接的局域网叫交换式局域网。

    区别:

    • 共享式以太网存在的主要问题是所有用户共享带宽,每个用户的实际可用带宽随网络用户数的增加而递减。这是因为当信息繁忙时,多个用户都可能同进“争用”一个信道,而一个通道在某一时刻只充许一个用户占用,所以大量的经常处于监测等待状态,致使信号在传送时产生抖动、停滞或失真,严重影响了网络的性能。

    • 交换式以太网中,交换机供给每个用户专用的信息通道,除非两个源端口企图将信息同时发往同一目的端口,否则各个源端口与各自的目的端口之间可同时进行通信而不发生冲突。

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  • 网络技术数据链路层局域网清华大学出版社
  • 数据链路层局域网

    2020-01-15 23:27:21
    数据链路层通常提供的服务包括组帧、链路接入(物理链路可以分为点对点链路广播链路两大类)、可靠交付、差错控制。 差错控制 一、差错控制基本概念 差错控制是指通过差错编码技术,实现对信息传输差错的...

    数据链路层服务

     数据链路层功能

    沿着通信链路连接的相邻结点的通信信道称为链路,数据链路层传输的数据单元称为帧。数据链路层通常提供的服务包括组帧、链路接入(物理链路可以分为点对点链路和广播链路两大类)、可靠交付、差错控制。

     

    差错控制

    一、差错控制基本概念

    差错控制是指通过差错编码技术,实现对信息传输差错的检测,并基于某种机制进行差错纠正和处理,是计算机网络中实现可靠传输的重要技术手段,并在许多数据链路层协议中应用。

     

    二、差错控制典型机制

    典型的差错控制方式包括检错重发、前向纠错、反馈校验和检错丢弃四种基本方式。

    1. 检错重发

    检错重发是一种典型的差错控制方式,在计算机网络中应用广泛。在检错重发方式中,发送端对待发送数据进行差错编码,编码后的数据通过信道传输,接收端利用差错编码检测数据是否出错,对于出错的数据,接收端请求发送端重发数据加以纠正,直到接收端接收到正确数据为止。

     

    2. 前向纠错

    前向纠错(FEC)是接收端进行差错纠正的一种差错控制方法。前向纠错机制需要利用纠错编码。在前向纠错机制中,发送端首先对数据进行纠错编码,然后发送包含纠错编码信息的帧,接收端收到帧后利用纠错编码进行差错检测,对于发生错误的帧直接进行纠错。前向纠错机制比较适用于单工链路或者对实时性要求比较高的应用。

     

    3. 反馈校验

    反馈校验方式的接收端将收到的数据原封不动发回发送端,发送端通过比对接收端反馈的数据与发送的数据可以确认接收端是否正确无误接收了已发送的数据。反馈校验方式的优点是原理简单,易于实现,无须差错编码;缺点是需要相同传输能力的反向信道,传输效率低,实时性差。

     

    4. 检错丢弃

    某些应用采用一种简单的差错控制策略,不纠正出错的数据,而是直接丢弃错误数据,这种差错控制方式就是检错丢弃。网络检错丢弃通常适用于容许一定比例的差错存在,只适用于实时性要求较高的系统。

     

    除了上述基本的差错控制机制外,还可以设计其他差错控制方式,比如检错重发与前向纠错相结合的混合差错控制方式等。

     

    三、差错编码的基本原理

    差错编码的基本原理就是在待传输(或待保护)数据信息的基础上,附加一定的冗余信息,该冗余信息建立起数据信息的某种关联关系,将数据信息以及附加的冗余信息一同发送到接收端,接收端可以检测冗余信息表征的数据信息的关联关系是否存在,如果存在则没有错误,否则就会有错误。

     

    四、差错编码的检错与纠错能力

    差错编码的检错或纠错能力与该差错编码的编码集的汉明距离有关。两个等长码字之间,对应位不同的位数,称为两个码字的汉明距离。

    (1)对于检错编码,如果编码集的汉明距离  ,则该差错编码可以检测r位的差错。

    (2)对于纠错编码,如果编码集的汉明距离  ,则该差错编码可以纠正r位的差错。

     

    五、典型的差错编码

    典型的差错编码包括奇偶校验码、汉明码以及循环冗余码(CRC)。

    1. 奇偶校验码

    奇偶校验码包括奇校验码和偶校验码,是一种最简单的检错码。奇偶校验码利用1位冗余信息实现差错检测,可以表示为(n,n - 1)。在奇校验码编码过程中,1位冗余位的取值为“0”或“1”,使得编码后的码字中的“1”的个数为奇数。

    对于采用奇偶校验的码字,如果在传输过程中有奇数位(包括数据位和冗余位)发生错误,那么奇偶校验码可以检测出错误的发生,但是如果有偶数位发生错误,则无法被检测出来。因此,奇偶检验码可以实现50%的检错率,当然漏检率也高达50%。

    奇偶校验码的优点是编码简单、编码效率高,是开销最小的检错编码,但缺点是检错率不高。

     

    2. 汉明码

    汉明码是典型的线性分组码,可以实现单个比特差错纠正,在数据通信以及数据存储系统中得到广泛应用。若一个信息位为k =  n - 1 位的比特流  ,加上偶校验位  ,构成一个n位的码字  。在接收方校验时,可按下面关系式  来计算,若S = 0,则无错;若S = 1,则有错。上式可称为监督关系式,S称为校正因子。在奇偶校验情况下,只有一个监督关系式,一个校正因子,其取值只有两种(0或1),分别代表了无错和有错两种情况,而不能指出差错所在的位置。

     

    3. 循环冗余码

    现今的计算机网络中,尤其在数据链路层协议中,广泛应用的差错编码是循环冗余检测(CRC)编码,简称循环冗余码,或称CRC码。CRC编码的基本思想是:将二进制位串看成是系数为0或1的多项式系数。

    使用CRC编码时,发送方和接收方必须预先商定一个生成多项式G(x)。生成多项式的最高位和最低位系数必须是1。假设G(x)的阶为r(即对应的位串为 r + 1位),则CRC编码过程如下:

    (1)在帧的低位端加上r个0位,使该帧扩展为 m + r 位(相当于左移 r 位),对应的多项式为  。

    (2)用G(x)系数对应的位串,去除(模2除法)  系数对应的位串,求得 r 位余数 R。

    (3)用  系数对应的位串,减(模2减法)去余数 R,结果就是完成CRC编码的帧。

    CRC编码具有优良的性能,很适合用于差错检测。一方面,CRC编码具有很强的检错能力。另一方面,CRC的编码、解码实现简单,只需通过简单的位移与异或运算即可实现。另外,CRC编码效率高,CRC编码附加的冗余校验和(R)的长度,只取决于G(x),与数据位数无关,当数据远大于R的位数时,CRC编码的开销就很小。所以,CRC在计算机网络的数据链路层协议中得到了广泛应用。

     

    多路访问控制协议

    一、MAC协议的分类

    多路访问控制(MAC)协议主要包括信道划分MAC协议、随机访问MAC协议和受控接入MAC协议。

     

    二、MAC协议的作用

    MAC协议的根本任务是解决信道的共享问题。这种采用多路复用技术实现信道共享的MAC协议,称为信道划分MAC协议。

     

    三、多路复用技术和信道划分MAC协议

    多路复用技术是实现物理信道共享的经典技术,其基本思想是将信道资源划分后,分配给不同的结点,各结点通信时只使用其分配到的资源,从而实现了信道共享,并避免了多结点通信时的相互干扰。

    多路复用主要包括频分多路复用FDM、时分多路复用(TDM)、波分多路复用(WDM)和码分多路复用(CDM)。采用不同多路复用技术的MAC协议分别称为FDMA、TDMA、WDMA和CDMA。

    1. 频分多路复用

    频分多路复用(FDM)简称频分复用,是频域划分制,即在频域内将信道带宽划分为多个子信道,并利用载波调制技术,将原始信号调制到对应某个子信道的载波信号上,使得同时传输的多路信号在整个物理信道带宽允许的范围内频谱不重叠,从而共用一个信道。

    频分多路复用的主要优点是分路方便,是目前模拟通信中常采用的一种复用方式,特别是在有线和微波通信系统中应用十分广泛。

     

    2. 时分多路复用

    时分多路复用(TDM)简称时分复用,是一种时域划分,即将通信信道的传输信号在时域内划分为多个等长的时隙,每路信号占用不同的时隙,在时域上互不重叠,使多路信号合用单一的通信信道,从而实现信道共享。

    时分多路复用可以分为同步时分多路复用(STDM)和异步时分多路复用(ATDM)两种。

     

    3. 波分多路复用

    波分多路复用(WDM)简称波分复用,广泛应用于光纤通信中,其实质是一种频分多路复用,只是由于在光纤通信中,光载波频率很高,通常用光的波长来代替频率来讨论,所以称为波分多路复用。

    在光纤通信中,为了实现长距离的高速传输,通常采用波分多路复用技术和光纤放大器。光纤通信中波分多路复用技术还包括密集波分复用(DWDM)技术,顾名思义,DWDM的波长划分更密集,复用度更高,信道利用率更高,通信容量更大。

     

    4. 码分多路复用

    码分多路复用(CDM)简称码分复用,通过利用更长的相互正交的码组分别编码各路原始信息的每个码元(比如1位),使得编码后的信号(已调信号)在同一信道中混合传输,接收端利用码组的正交特征分离各路信号,从而实现信道共享。

     

    四、随机访问协议

    典型的随机访问协议有ALOHA协议、载波监听多路访问协议以及带冲突检测的载波监听多路访问协议等。

    1. ALOHA协议

    ALOHA协议包括以下两种:

    (1)纯ALOHA。纯ALOHA协议的工作原理是:任何一个站点有数据要发送时就可以直接发送至信道。发送站在发送数据后需要对信道侦听一段时间。通常这个时间为电波传到最远端的站再返回本站所需的时间。如果在这段侦听时间里收到接收站发来的应答信号,说明发送成功。否则说明数据帧遭到破坏(发生冲突),则等待一个随机时间后再进行重发,如果再次冲突,继续等待一个随机时间,直到重发成功为止。

    (2)时隙ALOHA。时隙ALOHA的基本思想是:把信道时间分成离散的时隙,每个时隙为发送一帧所需的发送时间,每个通信站只能在每个时隙开始时刻发送帧,如果在一个时隙内发送帧出现冲突,下一个时隙以概率P重发该帧,以概率(1 - P)不发该帧(等待下一个时隙),直到帧发送成功。显然,P不能为1,否则协议会死锁。

     

    2. 载波监听多路访问协议

    载波监听多路访问协议(CSMA)的特点是通过硬件装置,即载波监听装置,使通信站在发送数据之前,监听信道上其他站点是否在发送数据,如果在发送,则暂时不发送,从而减少了发生冲突的可能,提高了系统的吞吐量。所以,CSMA的工作方式有时又称为“先听后说”。根据监听策略的不同,CSMA又可以分为以下三种:

    (1)非坚持CSMA。非坚持CSMA的基本原理是:若通信站有数据发送,先侦听信道;若发现信道空闲,则立即发送数据;若发现信道忙,则等待一个随机时间,然后重新开始侦听信道,尝试发送数据;若发送数据时产生冲突,则等待一个随机时间,然后重新开始侦听信道,尝试发送数据。

    (2)1-坚持CSMA。1-坚持CSMA的基本原理是:若通信站有数据发送,现侦听信道;若发现信道空闲,则立即发送数据;若发现信道忙,则继续监听信道直至发现信道空闲,然后立即发送数据。

    (3)P-坚持CSMA。P-坚持CSMA适用于时隙信道(即同步划分时隙)。P-坚持CSMA的基本原理:若通信站有数据发送,先侦听信道;若发现信道空闲,则以概率P在最近时隙开始时刻发送数据,以概率 Q= 1 - P 延迟至下一个时隙发送。若下一个时隙仍空闲,重复此过程,直至数据发出或时隙被其他通信站占用;若信道忙,则等待下一个时隙,重新开始发送过程;若发送数据时发生冲突,则等待一个随机事件,然后重新开始发送过程。

     

    3. 带冲突检测的载波监听多路访问协议

    带冲突检测的载波监听多路访问协议(CSMA/CD)可以理解为“先听后说,边听边说”,其基本原理是:通信站使用CSMA协议进行数据发送;在发送期间如果检测到碰撞,立即终止发送,并发出一个冲突强化信号,使所有通信站都知道冲突的发生;发出冲突强化信号后,等待一个随机时间,再重复上述过程。所以,CSMA/CD的工作状态可以分为传输周期、竞争周期和空闲周期。

     

    局域网

    一、局域网特点

    局域网(LAN)是局部区域网络,其特点是覆盖面积较小,网络传输速率高,传输误码率低。局域网拓扑类型主要包括星形网络、总线型网络、环形网络等。

     

    二、数据链路层寻址与ARP

    1. MAC地址

    事实上,并不是主机或路由器具有链路层地址,而是他们的适配器(即网络接口卡)具有链路层地址,或称为MAC地址、物理地址、局域网地址等,用来标识局域网中的结点或网络接口。

    MAC地址具有唯一性,即两块网络适配器必须具有不同的MAC地址。MAC地址空间的分配由IEEE统一管理。

    适配器的MAC地址具有“扁平”结构,具有唯一性。网络层IP地址,则具有层次结构,会随着主机的迁移而发生相应的变化,因为当主机连接到不同IP子网中时,主机的IP地址需要描述对于不同子网的归属关系,IP地址类似于邮政地址。

    当某适配器要向某目的适配器发送一个帧时,发送适配器将目的适配器的MAC地址设置为该帧的目的MAC地址,并将该帧发送到局域网上。当适配器接收到一个帧时,检查该帧中的目的MAC地址是否与它自己的MAC地址匹配,如果匹配,则提取出封装的数据报,并将该数据报沿协议栈向上层协议提交;如果不匹配,则丢弃该帧。

     

    2. ARP

    地址解析协议(ARP)用于根据本网内目的主机或默认网关的IP地址获取其MAC地址。ARP的基本思想是:在每一台主机中设置专用内存区域,称为ARP高速缓存(也称为ARP表),存储该主机所在的局域网中其他主机和路由器(即默认网关)的IP地址与MAC地址的映射关系,并且这个映射表要经常更新。ARP通过广播ARP查询报文,来询问某目的IP地址对应的MAC地址,即知道本网内某主机的IP地址可以查询到其MAC地址。

    关于ARP有两点需要注意:首先,ARP查询分组是通过一个广播帧发送的,而ARP响应分组是通过一个标准的单播帧发送的;其次,ARP是即插即用的,即一个ARP表是自动建立的,它不需要系统管理员来配置。

     

    三、以太网

    冲突域是指在一个局域网内,如果任意两个结点同时向物理介质中发送信号(数据),这两路信号一定会在物理介质中相互叠加或干扰,从而导致数据发送的失败,那么,这两个结点位于同一个冲突域。

    广播域是指人一结点如果发送链路层广播帧的话,接收该广播帧的所有结点与发送结点同属于一个广播域。

    1. 以太网帧结构

    以太网采用的是CSMA/CD协议,利用曼切斯特编码发送,使用截断二进制指数后退算法来确定碰撞后重传的时机。

    以太网帧结构如下:

    帧结构中包含两个地址:一个是目的地址,另一个是源地址,均为48位物理地址即MAC地址。

     

    2. 以太网技术

    (1)10Base-T。10Base-T 以太网是替代同轴电缆以太网的产品,采用非屏蔽的双绞线(UTP)作为以太网传输介质,数据传输速率为10Mbit/s的,支持以太网结构化布线方式和集线器设备。

    (2)快速以太网。快速以太网是在传统以太网基础上发展起来的,保留了传统以太网的帧格式和CSMA/CD介质访问控制方式,但数据传输速率提高到100Mbit/s。

    (3)千兆位以太网。千兆位以太网涉及数据传输速率、是否支持全双工传送方式以及帧格式与以太网格式是否兼容等问题。千兆位以太网是建立在以太网标准之上的技术。

    (4)万兆位以太网。万兆位以太网进一步扩展了以太网的数据传输速率和传输距离,还使得以太网技术突破局域网领域的限制,开始应用于城域网和广域网领域。

     

    四、交换机工作原理

    从工作原理角度看,交换机就是多端口的网桥,是目前应用最广泛的数据链路层设备。交换机与网桥的工作原理相同,可以依据接收到的链路层帧的目的MAC地址,选择性地转发到相应的端口,这就是交换机的转发与过滤功能。

    1. 以太网交换机转发和过滤

    交换机的基本工作原理是当一帧到达时,交换机首先需要决策将该帧丢弃还是转发,如果是转发的话,还必须进一步决策应该将帧转发到哪个(或哪些)端口去。

    作为第二层设备的以太网交换机,可以实现帧的选择性转发,通过交换机互连的主机,不再属于一个冲突域,不会发生传统的冲突,交换机实现了冲突域的分隔。

     

    2. 以太网交换机的优点

    (1)消除冲突。

    (2)支持异质链路。

    (3)网络管理。

     

    五、VLAN基本原理

    虚拟局域网是一种基于交换机(必须支持VLAN功能)的逻辑分割(或限制)广播域的局域网应用形式。

    虚拟局域网的设置是在交换机上,通过软件方式实现的。划分虚拟局域网的方法主要有3种:

    (1)基于交换机端口划分。

    (2)基于MAC地址划分。

    (3)基于上层协议类型或地址划分。

     

    点对点链路协议

    PPP

    现在全世界使用得最多的点对点链路的数据链路层协议是点对点协议(PPP)。PPP处理错误检测、支持多种上层协议(即支持复用)、允许在连接时刻协商IP地址、允许身份认证等。

    PPP主要提供3类功能:

    (1)成帧。确定一帧的开始和结束,帧格式支持错误检测。

    (2)链路控制协议(LCP)。用于启动线路、检测线路、协商参数及关闭线路。

    (3)网络控制协议(NCP)。用于协商网络层选项,并且协商方法与使用的网络层协议独立。

     

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  • 文章目录第五章:数据链路层局域网一、数据链路层服务1.组帧2.链路接入3.可靠交付4.差错控制二、差错控制1.差错控制的基本方式a.检错重发(检错编码)b.前向纠错(Forward Error Correction, FEC)(纠错编码)c....

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    接上一篇:计算机网络原理【四】之 网络层

    第五章:数据链路层与局域网

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    数据链路层的传输单元:

    一、数据链路层提供的服务

    1.组帧(成帧)

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    帧头(帧首):发送结点和接收结点的地址信息定界字符
    帧尾:用于差错检测的差错编码。

    2.链路接入

    物理链路可以分为:点对点链路和广播链路。
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    3.可靠交付

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    4.差错控制

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    二、差错控制

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    1.差错控制的基本方式

    a.检错重发(检错编码)

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    b.前向纠错(Forward Error Correction, FEC)(纠错编码)

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    c.反馈校验(不用编码)

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    d.检错丢弃(检错编码)

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    e.差错控制方式的区别

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    2.差错编码的基本原理

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    3.差错编码的检错与纠错能力

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    4.典型的差错编码【检错码】

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    异或运算
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    三、多路访问控制协议

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    1.信道划分MAC协议

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    2.随机访问MAC协议

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    3.受控接入MAC协议

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    四、局域网

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    1.数据链路层寻址与ARP

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    2.以太网

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    3.交换机

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    4.虚拟局域网

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    五、点对点链路协议

    1.点对点协议

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    2.高级数据链路控制协议

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