第三章：数据链路层

数据链路层功能概述
封装成帧＆透明传输
差错控制（检错编码）
差错控制（纠错编码）
流量控制与可靠传输机制
局域网基本概念和体系结构
链路层设备

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数据链路层功能概述

节点：主机、路由器
链路：网络中两个结点之间的物理通道，链路的传输介质主要有双绞线、光纤和微波。分为有线链路、无线链路。
数据链路：网络中两个结点之间的逻辑通道，把实现控制数据传输协议的硬件和软件加到链路上就构成数据链路。
帧：链路层的协议数据单元，封装网络层数据报。
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功能
为网络层提供服务。无确认无连接服务，有确认无连接服务，有确认面向连接服务。（有连接一定有确认）
链路管理。即连接的建立、维持、释放（用于面向连接的服务）。
组帧。
流量控制。（限制发送方）
差错控制（帧错/位错）。

封装成帧＆透明传输

封装成帧

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透明传输

当所传数据中的比特组合恰巧与某一个控制信息完全一样时，就必须采取适当的措施，使收方不会将这样的数据误
认为是某种控制信息。这样才能保证数据链路层的传输是透明的。

差错控制（检错编码）

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-CToPIeDG-1651580502503)(C:\Users\xiaomu\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1651501423334.png)]$
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差错控制（纠错编码）

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-D3xJQct8-1651580502506)(C:\Users\xiaomu\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1651501701336.png)]$ $[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-izbBfDoY-1651580502507)(C:\Users\xiaomu\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1651501752731.png)]$
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$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-1JDiT8rO-1651580502509)(C:\Users\xiaomu\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1651542565176.png)]$

流量控制与可靠传输机制

数据链路层的流量控制

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-7qSEaHNk-1651580502509)(C:\Users\xiaomu\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1651542724640.png)]$
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停止-等待协议

为什么要有停止-等待协议?

除了比特出差错，底层信道还会出现丢包问题。
为了实现流量控制。

丢包： 物理线路故障、设备故障、病毒攻击、路由信息错误等原因，会导致数据包的丢失。

研究停等协议的前提?

虽然现在常用全双工通信方式，但为了讨论问题方便，仅考虑一方发送数据（发送方），一方接收数据（接收方）。
因为是在讨论可靠传输的原理，所以并不考虑数据是在哪一个层次上传送的。
“停止-等待”就是每发送完一个分组就停止发送，等待对方确认，在收到确认后再发送下一个分组。

停等协议有几种应用情况？

无差错情况
有差错情况

无差错情况
$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-vP0yXVeC-1651580502510)(C:\Users\xiaomu\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1651542968697.png)]$

有差错情况

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$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-DywzfIoy-1651580502512)(C:\Users\xiaomu\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1651543037387.png)]$
$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-5Dltw0Hz-1651580502512)(C:\Users\xiaomu\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1651543075363.png)]$
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后退N帧协议（GBN）

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-o1yRAFF0-1651580502513)(C:\Users\xiaomu\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1651543163166.png)]$
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$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-oMJxQI00-1651580502514)(C:\Users\xiaomu\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1651543222323.png)]$
$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-va7Lczm8-1651580502514)(C:\Users\xiaomu\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1651543256044.png)]$
滑动窗口长度

GBN协议重点总结

累计确认（偶尔捎带确认）
接收方只按顺序接收帧，不按顺序无情丢弃
确认序列号最大的、按序到达的的帧
发送窗口最大为2ⁿ-1，接收窗口大小为1

例题

答案：

1、C （分析：发送方收到3号帧确认，则表示3号帧已被接收，则其他未知，故需要重发4，5，6，7号帧）

2、C （分析：假设发送达到理想状态）

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-VRMQY0BY-1651580502515)(C:\Users\xiaomu\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1651546839261.png)]$

GBN协议性能分析

因连续发送数据帧而提高了信道利用率
在重传时必须把原来已经正确传送的数据帧重传，是传送效率降低。

选择重传协议（Selective Repeat）

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-6wFmNg3V-1651580502515)(C:\Users\xiaomu\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1651559610499.png)]$
在这里插入图片描述
$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-lFVqniSv-1651580502516)(C:\Users\xiaomu\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1651559624344.png)]$
$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-ZlQ8NC8E-1651580502516)(C:\Users\xiaomu\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1651559636439.png)]$
$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-Y6nJCWx4-1651580502517)(C:\Users\xiaomu\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1651559698742.png)]$
$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-StSm3636-1651580502518)(C:\Users\xiaomu\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1651559725413.png)]$
$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-93gptias-1651580502518)(C:\Users\xiaomu\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1651559742738.png)]$
例题： 数据链路层采用了选择重传（SR）协议，发送方已经发送了编号为0～3的帧。现已收到1号帧的确认，而0、2号帧依次超时，则发送方需要重传的帧数是（）

A．2 B．3 C．4 D．5

答案： A，收到1号确认帧，和0、2号帧依次超时，3号帧未知，故此需要重发0，2号帧

ALOHA协议

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-wylyFuav-1651580502518)(C:\Users\xiaomu\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1651560586711.png)]$

ALOHA协议

纯ALOHA协议
时隙ALOHA协议

纯ALOHA协议

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-Dg26yAnk-1651580502519)(C:\Users\xiaomu\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1651560702407.png)]$

时隙ALOHA协议

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-0NlLPVSF-1651580502519)(C:\Users\xiaomu\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1651560726776.png)]$

关于ALOHA要知道的事

纯ALOHA比时隙ALOHA吞吐量更低，效率更低
纯ALOHA想发就发，时隙ALOHA只有在时间片段开始时才能发

CSMA协议

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$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-I9OF21OS-1651580502520)(C:\Users\xiaomu\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1651561596152.png)]$
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$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-z6J7zcnk-1651580502521)(C:\Users\xiaomu\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1651561636658.png)]$
$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-0N2vvtOv-1651580502521)(C:\Users\xiaomu\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1651561655978.png)]$

CSMA/CD协议

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-btwmQA8Z-1651580502522)(C:\Users\xiaomu\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1651561707102.png)]$

先听后发为什么还会冲突？

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-HgjQMHoq-1651580502522)(C:\Users\xiaomu\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1651561748490.png)]$
$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-sQvKIlx2-1651580502523)(C:\Users\xiaomu\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1651561760269.png)]$

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-GvbGWXbu-1651580502523)(C:\Users\xiaomu\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1651561770361.png)]$

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-e7jPqJQc-1651580502523)(C:\Users\xiaomu\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1651561812459.png)]$

CSMA/CA协议

$![[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-PLoQfkwO-1651580502524)(C:\Users\xiaomu\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1651561894355.png)]](https://img-blog.csdnimg.cn/154b623d33b947a8aebaf58afe6d2001.png$

CSMA/CA协议工作原理

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-61fQt9TC-1651580502524)(C:\Users\xiaomu\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1651561912588.png)]$
$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-Sp1EIjvQ-1651580502525)(C:\Users\xiaomu\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1651561931593.png)]$

轮询访问介质访问控制

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-Yzd3zjI1-1651580502525)(C:\Users\xiaomu\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1651561962615.png)]$
$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-AClWMT6I-1651580502526)(C:\Users\xiaomu\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1651561983516.png)]$
$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-AG5fK4jc-1651580502526)(C:\Users\xiaomu\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1651562010310.png)]$

局域网基本概念和体系结构

局域网（LAN）

局域网特点

覆盖的地理范围较小，只在一个相对独立的局部范围内联，如一座或集中的建筑群内。
使用专门铺设的传输介质（双绞线、同轴电缆）进行联网，数据传输速率高（10Mb/s～10Gb/s）。
通信延迟时间短，误码率低，可靠性较高。
各站为平等关系，共享传输信道。
多采用分布式控制和广播式通信，能进行广播和组播。

决定局域网的主要要素为：网络拓扑，传输介质与介质访问控制方法。

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-zmDu4ngW-1651580502526)(C:\Users\xiaomu\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1651563755886.png)]$

局域网传输介质

有线局域网
- 常用介质：双绞线、同轴电缆、光纤
无线局域网
- 常用介质：电磁波

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-9U4hof7e-1651580502527)(C:\Users\xiaomu\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1651563998954.png)]$

局域网的分类

以太网：以太网是应用最为广泛的局域网，包括标准以太网（10Mbps）、快速以太网（100Mbps）、千兆以太网（1000 Mbps）和10G以太网，它们都符合IEEE802.3系列标准规范。逻辑拓扑总线型，物理拓扑是星型或拓展星型。使用CSMA/CD.
令牌环网：物理上采用了星形拓扑结构，逻辑上是环形拓扑结构。（已是“明日黄花”）
FDDI网：物理上采用了双环拓扑结构，逻辑上是环形拓扑结构。
ATM网：较新型的单元交换技术,使用53字节固定长度的单元进行交换。
无线局域网：采用IEEE 802.11标准。

IEEE 802标准

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-V8IJzKEn-1651580502527)(C:\Users\xiaomu\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1651564190829.png)]$

以太网

以太网在局域网各种技术中占统治性地位：

造价低廉（以太网网卡不到100块）
是应用最广泛的局域网技术
比令牌环网、ATM网便宜，简单
满足网络速率要求：10Mb/s~10Gb/s

以太网两个标准（满足任意一个即是）

DIX Ethernet V2：第一个局域网产品（以太网）规约。
IEEE 802.3：IEEE 802委员会802.3工作组制定的第一个IEEE的以太网标准。（帧格式有一丢丢改动）

以太网只实现无差错接收，不实现可靠传输。

无连接：发送方和接收方之间无“握手过程”。
不可靠：不对发送方的数据帧编号，接收方不向发送方进行确认，差错帧直接丢弃，差错纠正由高层负责。

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-L6b0hn0t-1651580502528)(C:\Users\xiaomu\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1651579145085.png)]$
$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-24CkMarv-1651580502528)(C:\Users\xiaomu\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1651579163657.png)]$
$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-wfJZ5oGx-1651580502529)(C:\Users\xiaomu\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1651579184142.png)]$
$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-17jhXtZE-1651580502529)(C:\Users\xiaomu\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1651579207579.png)]$

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-kAjv6R0S-1651580502529)(C:\Users\xiaomu\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1651579254916.png)]$

IEEE 802.11无线局域网

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-PToiWVi2-1651580502530)(C:\Users\xiaomu\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1651579363449.png)]$

无线局域网的分类

有固定基础设施无线局域网
无固定基础设施无线局域网的自组织网络

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-U36uz1Ek-1651580502531)(C:\Users\xiaomu\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1651579536581.png)]$
$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-viCdy649-1651580502531)(C:\Users\xiaomu\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1651579561125.png)]$

PPP协议＆HDLC协议

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-YX4SnwJD-1651580502532)(C:\Users\xiaomu\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1651579614436.png)]$

PPP协议的特点

PPP协议应满足的要求

简单：对于链路层的帧，无需纠错，无需序号，无需流量控制。
封装成帧：帧定界符
透明传输：与帧定界符一样比特组合的数据应该如何处理：异步线路用字节填充，同步线路用比特填充。
多种网络层协议：封装的IP数据报可以采用多种协议。
多种类型链路：串行/并行，同步/异步，电/光
差错检测：错就丢弃。
检测连接状态：链路是否正常工作。
最大传送单元：数据部分最大长度MTU。
网络层地址协商：知道通信双方的网络层地址。
数据压缩协商

PPP协议无需满足的要求

纠错
流量控制
流量控制
不支持多点线路

PPP协议的三个组成部分

一个将IP数据报封装到串行链路（同步串行/异步串行）的方法。
链路控制协议LCP：建立并维护数据链路连接。（身份验证）
网络控制协议NCP：PPP可支持多种网络层协议，每个不同的网络层协议都要一个相应的NCP来配置，为网络层协议建立和配置逻辑连接。

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-EvpVlso3-1651580502532)(C:\Users\xiaomu\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1651579891109.png)]$

PPP协议的帧格式

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HDLC协议

HDLC的站

主站的主要功能是发送命令（包括数据信息）帧、接收响应帧，并负责对整个链路的控制系统的初启、流程的控制、差错检测或恢复等。
从站的主要功能是接收由主站发来的命令帧，向主站发送响应帧，并且配合主站参与差错恢复等链路控制。
复合站的主要功能是既能发送，又能接收命令帧和响应帧，并且负责整个链路的控制。

三种数据操作方式

正常响应方式
异步平衡方式
异步响应方式

HDLC的帧格式

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-alKSXeUZ-1651580502533)(C:\Users\xiaomu\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1651580090394.png)]$

信息帧（I）第1位为0，⽤来传输数据信息，或使⽤捎带技术对数据进⾏确认。
监督帧（S）10，⽤于流量控制和差错控制，执⾏对信息帧的确认、请求重发和请求暂停发送等功能
⽆编号帧（U）11，⽤于提供对链路的建⽴、拆除等多种控制功能。

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-9Dmr2obR-1651580502533)(C:\Users\xiaomu\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1651580131166.png)]$

链路层设备

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-E66Q7p0t-1651580502534)(C:\Users\xiaomu\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1651580177037.png)]$
$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-Sm2C9l4n-1651580502534)(C:\Users\xiaomu\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1651580192317.png)]$
$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-hGiOgV5A-1651580502535)(C:\Users\xiaomu\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1651580206684.png)]$
$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-9HZJJfyA-1651580502535)(C:\Users\xiaomu\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1651580225893.png)]$
$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-pqSqkB4L-1651580502536)(C:\Users\xiaomu\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1651580241237.png)]$

以太网交换机的两种交换方式

直通式交换机：查完目的地址（6B）就立刻转发
- 延迟小，可靠性低，无法支持具有不同速率的端口的交换
存储转发式交换机：将帧放入高速缓存，并检查否正确，正确则转发，错误则丢弃
- 延迟大，可靠性高，可以支持具有不同速率的端口的交换
  $[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-aPuOQW32-1651580502536)(C:\Users\xiaomu\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1651580333516.png)]$
  $[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-hYzw8q1o-1651580502536)(C:\Users\xiaomu\AppData\Roaming\Typora\typora-user-images\1651580353444.png)]$