第五章、資料鏈路層與局域網

 一、資料鏈路層提供的服務內容

資料鏈路層：負責通過一條鏈路，從一個結點向另一個物理鏈路直接相連的相鄰 結點，傳送網路層資料報，中間不經過任何其他交換結點

資料鏈路層涉及的物件：

• 結點：主機、路由器，
• 物理鏈路：網路中兩個結點之間的物理通道
• 資料鏈路：網路中兩個結點之間的邏輯通道

資料鏈路層的傳輸單元：幀，

實作資料鏈路層協議的典型硬體物體是：網路配接器（NIC，網卡）

資料鏈路層提供的服務：組幀、 鏈路接入 、可靠交付 、差錯控制

============組幀(成幀)=============

 組幀(成幀)：

• 幀頭(幀首)：發送結點和接收結點的地址資訊、定界字符，
• 幀尾：用于差錯檢測的差錯編碼，

============鏈路接入 ==========

 物理鏈路可以分為：點對點鏈路和廣播鏈路

• 點對點鏈路：發送結點和接收結點獨占信道，
• 廣播鏈路：通信鏈路被多個結點共享，

============可靠交付==========

在相鄰結點間經資料鏈路實作資料報的可靠傳輸

無線鏈路（出錯率高）：支持可靠資料傳輸，

光纖、雙絞線（出錯率低）：不提供可靠資料傳輸服務

===========差錯控制 =========

資料鏈路層幀在物理媒介上的傳播程序，可能會出現位元翻轉的差錯，

誤位元率：出現差錯的位元數 / 傳輸位元總數

差錯控制措施：通過確認重傳糾正差錯，或者直接丟棄差錯幀，

二、差錯控制

噪聲：信號在信道傳輸程序中，會受到各種噪聲的干擾，從而導致傳輸差錯，傳輸中產生差錯的主要原因是沖擊噪聲

• 隨機噪聲：隨機差錯或獨立差錯
• 沖擊噪聲：引發突發差錯 ，突發錯誤的第一位錯誤與最后一位錯誤之間的長度稱為突發長度，

差錯控制：通過差錯編碼技術，實作對資訊傳輸差錯的檢測，并基于某種機制進行差錯糾正和處理

差錯控制的基本方式：檢錯重發 、前向糾錯、 反饋校驗 、檢錯丟棄

===============檢錯重發=============

發送端對待發送資料進行差錯編碼，編碼后的資料通過信道傳輸，接收端利用差錯編碼檢測資料是否出錯，若出錯：接收端請求發送端重發資料加以糾正，停等協議和滑動視窗協議實作

是一種典型的差錯控制方式，在計算機網路中應用最廣泛，

例如：ARQ

==========前向糾錯(Forward Error Correction，FEC )=========

接收端進行差錯糾正的一種差錯控制方式，利用糾錯編碼，這類編碼不僅可以檢測資料傳輸程序中是否發生了錯誤，還可以定位錯誤位置并直接加以糾正

適用：單工鏈路、對實時性要求比較高的應用，

================反饋校驗===============

接收端將收到的資料原封不動發回發送端，發送端通過對比接收端反饋的資料與發送的資料可以確認接收端是否正確接收的已發送資料，若有不同，立即重傳資料

優點：原理簡單，易于實作，無須差錯編碼；

缺點：需要相同傳輸能力的反向信道，傳輸效率低，實時性差，

==============檢錯丟棄：==========

檢查出錯誤，但是不糾正錯誤，直接丟棄；適用于實時性高的系統、網路應用對可靠性要求不高

差錯編碼原理：在待傳輸資料資訊基礎上，附加一定的冗余資訊， 冗余資訊：與資料資訊建立某種關聯關系，（復制一次、復制兩次等）

• 復制一次：待傳輸資料為10， 傳輸資料+冗余資訊：1010 
• 復制兩次：待傳輸資料為10， 傳輸資料+冗余資訊：101010

1、編碼集的漢明距離

編碼集：差錯編碼的所有有效碼字的集合，編碼集{1010，0101，1111，0000}

漢明距離：兩個等長碼字之間，對應位數不同的個數

差錯編碼的檢錯或糾錯能力與編碼集的漢明距離有關

2、差錯控制編碼分為檢錯編碼和糾錯編碼

 檢錯編碼：編碼集的漢明距離ds =r+1，則該檢錯編碼可以檢測r位的差錯，檢錯編碼是自動發現差錯的編碼

例：發送2位資料資訊，冗余資訊是資料的一次復制 編碼集：{0000，0101，1010，1111} 編碼集漢明距離：ds =2 =1+1 因此可以檢測出來1位差錯

糾錯編碼：編碼集的漢明距離ds =2r+1，則該差錯編碼可以糾正r位的差錯；不但能發現差錯，而且能糾正差錯

例如：發送2位資料資訊，冗余資訊是資料的兩次復制 編碼集{000000，010101，101010，111111} ds =3=2×1+1，因此可以糾正出來1位差錯，

=============典型的差錯編碼==========

“異或”邏輯運算（按位異或，其運算子為^；相同為0，不同為1）：   1異或1=0 、0異或0=0 、1異或0=1、 0異或1=1

1、奇偶校驗碼：最簡單的檢錯碼，利用1位冗余資訊實作差錯檢測， 分類：奇校驗碼、偶校驗碼

奇校驗碼：1位冗余位的取值為“0”或“1” ，使得編碼后的碼字中1的個數為奇數

• 資料10110111，采用奇校驗碼編碼后的碼字為：101101111
• 資料10110110，采用奇校驗碼編碼后的碼字為：101101100

偶校驗碼：1位冗余位的取值為“0”或“1” ，使得編碼后的碼字中1的個數為偶數，

• 資料10110111，采用偶校驗碼編碼后的碼字為：101101110
• 資料10110110，采用偶校驗碼編碼后的碼字為：101101101

奇偶校驗碼的優缺點：

• 優點：編碼簡單、編碼效率高、開銷最小的檢錯編碼；
• 缺點：檢錯率不高

2、回圈冗余碼（Cyclic Redundancy Check,CRC碼）：在資料鏈路層廣泛應 用的差錯編碼 ；只適用于采用冗余編碼環境的幀同步方法是違法編碼法

特點：很強的檢錯能力，編碼解碼實作簡單，編碼效率高

基本思想：將二進制位串看成是系數為0或1的多項式的系數，

• 第一步：寫出多項式對應的位串：G(x)=x4+x+1  -》 10011
• 第二步：看多項式對應的位串有幾位，這個數值減1就是需要添加0的個數， 多項式對應的位串有幾位：5位， 則在待編碼位串后面添加0的個數：5-1=4，4個； 待編碼位串 10111001——101110010000 新待編碼位串
• 第三步：用新的待編碼位串除以多項式對應的位串 101110010000  % 10011=1001  
• 第四步：求得的余數添加在待編碼位串后，即為CRC編碼后的碼 ; 待編碼位串：10111001  ，余數：1001 ， CRC編碼=101110011001  

接收方在收到帶CRC碼的幀之后，怎么判斷是否有錯：用收到的位串除以多項式對應的位串； 余數為0，無錯； 余數不為0，有錯，丟棄

例如： 已知發送方采用 CRC 校驗方法，生成多項式 x^4+x^3+1，若接收方收到的二進制數字序列為 101110110101，請判斷資料傳輸程序中是否出錯，
答案： x^4+x^3+1 對應的位串 11001   使用 101110110101%11001 余 110， 余數不為0 所以傳輸程序中出現了錯誤

 三、多路訪問控制協議

 兩類鏈路：

• 點對點信道：一對一通信方式，信道被雙方獨享
• 廣播信道（共享介質）：一對多通信方式，信道上連接的點很多，信道被結點共享 （例如，總線以太網，現在的WiFi）；兩個或兩個以上結點同時傳輸資料：沖突→接收失敗！多路訪問控制(Multiple Access Control , MAC)協議 可以解決該問題

資料鏈路層使用的信道：點對點信道、廣播信道

MAC協議的根本任務：解決信道的共享問題

==============信道劃分MAC協議===============

信道劃分MAC協議：利用多路復用技術實作信道共享的MAC協議

多路復用的基本思想：是實作物理信道共享的典型技術，原理是：將信道資源劃分后，分配給不同的結點，各結點通信時只使用其分配到的資源，避免多結點通信時的相互干擾

1、頻分多路復用（Frequency-division multiplexing，FDM）：在頻域內將信道 帶寬劃分為多個子信道，將原始信號調制到對應的某個子信道的載波信號上，使同時 傳輸的多路信號在整個物理信道帶寬的允許范圍內頻譜不重疊，從而共用一個信道，

優點：分路方便，在有線和微波通信系統中應用十分廣泛，
缺點：串擾、不易小型化、不提供差錯控制技術，以及不便于性能監測，對系統線性要求高

2、時分多路復用（Time-Division Multiplexing，TDM）：將通信信道的傳輸信號劃分為多個等長的時隙，每路信號占用不同的時隙，使多路信號合用單一的通信信道在時域上不重疊，從而實作信道共享，

• 1、同步時分多路復用(Synchronism Time-Division Multiplexing , STDM) 按照固定順序把時隙分配給各路信號，
• 2、異步時分多路復用(Asynchronism Time-Division Multiplexing , ATDM)：也稱作統計時分多路復用（STDM），用戶的資料并不是按照固定的時間間隔發送的，時隙與用戶之間沒有固定的對應關系，所以必須在每個時隙加上用戶的標識，以標記該時隙傳輸的是哪個用戶的資料，主要應用于高速遠程通信，但技術復雜性比較高，存在需要傳輸用戶標識等的額外資料傳輸開銷，信道共享沖突問題；允許動態分配傳輸介質時間片，ATM采用該方式

3、波分多路復用（ Wave Division Multiplexing , WDM）：廣泛用于光纖通信， 在光纖通信中，光載波頻率很高，通常用光的波長來代替頻率討論，所以叫做波分多 路復用， 在光纖通信中，為了實作長距離的高速傳輸，通常采用波分多路復用和光纖放大器，

3、碼分多路復用（Code Division Multiplexing, CDM）：通過利用相互正交的碼組分別編碼各路原始資訊的每個碼元，使得編碼后的信號在同一信道中混合傳輸，是 一種擴頻的通信形式，相互正交：碼組1：{1,0,1}   碼組2：{0,1,0}   1×0+0×1+1×0=0

===============隨機訪問MAC協議===========

隨機訪問MAC協議：所有用戶都可以根據自己的意愿隨機地向信道上發送資訊， 沒有其他用戶：發送成功， 有兩個及以上用戶：產生沖突或碰撞，用戶發送資訊失敗，每個用戶隨機退讓一段 時間后，再次嘗試，直至成功

1、ALOHA協議：最早的，最基本的無線資料通信協議，ALOHA協議分類：純ALOHA和時隙ALOHA

純ALOHA：作業原理：任何一個站點有資料發送時就可以直接發送至信道， 發送資料后對信道進行偵聽： 如果收到應答信號，說明發送成功； 否則說明發生沖突，等待一個隨機時間重新發送，直到成功為止，

性能：

• G網路負載：表示在一幀的發送時間內發送的平均幀數，
• S吞吐率：在一幀的發送時間內成功發送的平均幀數， 網路負載不能大于0.5

時隙ALOHA：作業原理：把信道時間劃分為離散的時隙，每個時隙為發送一幀所需的時間，每個通信 站點只能在每個時隙開始的時刻發送幀，如果在一個時隙內發送幀出現沖突，下一個時 隙以概率p重發該幀，直到幀發送成功，p不能為1，否則會出現死鎖

性能：

• G網路負載：表示在一幀的發送時間內發送的平均幀數，
• S吞吐率：在一幀的發送時間內成功發送的平均幀數， 網路負載不能大于1

2、載波監聽多路訪問協議（Carrier Sense Multiple Access , CSMA）

作業原理：通過硬體裝置（載波監聽裝置），在通信站發送資料之前，先監聽信道上 其他站點是否在發送資料，如果在發送，則暫時不發送， 分類：根據監聽策略不同：非堅持CSMA；1-堅持CSMA；P-堅持CSMA

 堅持型CSMA：又稱1-堅持CSMA，當某站要送資料時，先監聽信道，若信道忙，就堅持監聽，直到信道空閑為止，當空閑時立即發送一幀，若兩個站同時監聽到信道空閑，立即發送，必定沖突，即沖突概率為1，故稱之為1-堅持型，假如有沖突發生，則等待一段時間后再監聽信道，
非堅持型CSMA：當某站監聽到信道忙狀態時，不再堅持監聽，而是隨機后延一段時間再來監聽，其缺點是很可能在再次監聽之前信道已空閑了，從而產生浪費
P堅持型CSMA：這種方式適合于時隙信道，當某站準備發送資訊時，它首先監聽信道，若空閑，便以概率P傳送資訊，而以概率（1-P）推遲發送，如果該站監聽到信道為忙，就等到下一個時隙再重復上述程序，P堅持型CSMA可以算是1－堅持型CSMA和非堅持型CSMA的折衷，這兩者算是P－堅持演算法的特例，即P分別等于1和0時的情形，

3、帶沖突檢測的載波監聽多路訪問協議 （Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection , CSMA/CD） 作業原理：通信站使用CSMA協議進行資料發送，在發送期間如果能檢測到碰撞，立即 終止發送，并發出一個沖突強化信號，使所有通信站點都知道沖突的發生，發出沖突強化信號后，等待一個隨機時間， 再重復上述程序，

CSMA/CD的作業狀態分為：傳輸周期、競爭周期、空閑周期， 信道有3種狀態：傳輸狀態、競爭狀態、空閑狀態

例如： 有一個電纜長度為 1Km 的 CSMA/CD 局域網，信號傳播速度為光速的 2/3，其最小幀長度為 1000bit，試求出資料傳輸速率，
解：信號傳播速度 V=3*10^8*(2/3)=2*10^8m/s    又 L/R  >= 2D/V       R = L/(2D/V)=1000/(2*1000/2*10^8)=10^8(bit/s)

 ==================受控接入MAC協議==============

受控接入：各個用戶不能隨意的接入信道而必須服從一定的控制， 分類：集中式控制、分散式控制，

1、集中式控制：系統有一個主機負責調度其他通信站接入信道，從而避免沖突， 方法：輪詢，（輪叫輪詢，傳遞輪詢）

2、 分散式控制：方法是令牌技術， 令牌是一種特殊的幀，代表了通信站使用信道的許可，在信道空閑時一直在信道上 傳輸，一個通信站想要發送資料就必須首先獲得令牌，

令牌環的操作程序：

• 1、網路空閑時，只有一個令牌在環路上繞行，
• 2、當一個站點要發送資料時，必須等待并獲得一個令牌，將令牌的標志位置為“1” ，隨后便可 發送資料，（空令牌：標志位置為“0” ，被占用：標志位置為“1” ）
• 3、環路中的每個站點轉發資料的同時檢查資料幀中的目的地址，若為本站點的地址，便讀取其中 所攜帶的資料，
• 4、資料幀繞環一周回傳時，發送站將其從環路上撤銷，即“自生自滅” ，
• 5、發送站點完成資料發送后，重新產生一個令牌傳至下一個站點，以使其他站點獲得發送資料幀 的許可權，

令牌丟失和資料幀無法撤銷是環網上最嚴重的兩種錯誤

四、局域網

 局域網(LAN)：采取廣播的方式，區域區域網路，覆寫面積小，網路傳輸速率高，傳輸的誤碼率低，

為了使資料鏈路層更好地適應多種局域網標準，IEEE802委員會將局域網的資料鏈路 層拆分為兩個子層：

• 邏輯鏈路控制(Logical Link Control ,LLC)子層（名存實亡）
• 介質訪問控制MAC子層

==============資料鏈路層尋址與ARP尋址==============

MAC地址(物理地址、局域網地址)：MAC地址具有唯一性，每個網路配接器 對應一個MAC地址

1、MAC地址表示： 以太網和IEEE 802.11無線局域網，使用的MAC地址長度為6位元組（48位）；

通常采用十六進制表示法，每個位元組表示一個十六進制數，用 - 或：連接起來： 例如：00-2A-E1-76-8C-39 或 00:2A:E1:76:8C:39 【十六進制：0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F】

• MAC地址空間的分配 由電氣和電子工程師協會(IEEE)統一管理，IEEE分配前24位的MAC地址塊，
• MAC廣播地址：FF-FF-FF-FF-FF-FF

具有唯一的MAC地址，用來標識局域網中的結點的是:網路配接器

2、地址決議協議（ Address Resolution Protocol , ARP）：根據本網內目的主機或 默認網關的IP地址獲取其MAC地址，可以認為他是網路層協議或者資料鏈路層協議

地址決議協議(ARP)的基本思想：在每一臺主機中設定專用記憶體區域，稱為ARP高速 快取(也稱為ARP表)，存盤該主機所在局域網中其他主機和路由器的IP地址與MAC地址 的映射關系，

地址決議協議(ARP)的基本步驟：

• ARP查詢分組：通過一個廣播幀發送的
• ARP回應分組：通過一個單播幀發送的
• ARP是即插即用的：一個ARP表是自動建立的，不需要系統管理員來配置，

==============以太網( ethernet ,IEEE802.3)=============

以太網( ethernet ,IEEE802.3) ：目前為止最流行的有線局域網技術，以太網采用帶沖突檢測的載波監聽多路訪問協議(CSMA/CD)；向網路層提供無連接不可靠服務

以太網成功的原因：（物美價廉）

• 1、以太網是第一個廣泛部署的高速局域網，
• 2、令牌環網、FDDI、ATM比以太網更加復雜、昂貴，
• 3、以太網在資料速率方面比FDDI、ATM毫不遜色，
• 4、以太網硬體價格極其便宜，網路造價成本低， 

經典的以太網是采用粗同軸電纜連接的總線型以太網（10Base-5）

• 1、資料傳輸速率為10Mbit/s，無連接不可靠，
• 2、相距最遠主機信號往返的傳播時延為51.2μs,所以以太網最短幀長為64位元組，
• 3、MAC協議采用CSMA/CD協議，

以太網幀結構

1、目的地址和源地址：MAC地址

2、型別：標識上層協議，例如：0x0800=IP資料報；

3、資料：封裝的上層協議的分組；

4、CRC：校驗采用回圈冗余校驗，

5、以太網最短幀 以太網幀最短：64位元組，以太網幀除資料部分：18位元組， 那么資料最短：46位元組，幀首定界符SFD：10101011

 以太網幀技術分類

以太網在發送資料時，若發生沖突則采用截斷二進制退避演算法推遲的隨機時間

================交換機==============

交換機：應用最廣泛的資料鏈路層設備；可以隔離沖突域，但不能隔離廣播域；

網橋：和交換機功能類似，對資料幀實作轉發， 交換機可以認為是多埠的網橋， 集線器：物理層、轉發資料， 

以太網交換機的基本作業方式是存盤一轉發

交換機的基本作業原理：當一幀到達時，交換機首先需要決策將該幀丟棄還是轉發，如 果是轉發的話，還必須進一步決策應該將該幀轉發到哪個（或哪些）埠去，決策依據 是，以目的MAC為主鍵查詢內部轉發表

以太網交換機的自學習：

• 1、以太網交換機有4個埠，各連接一臺計算機，其 MAC地址分別是ABCD，
• 2、開始，以太網交換機里面的轉發表是空白的
• 3、風向火發送一個幀，從埠1進入交換機，
• 4、交換機查詢轉發表，沒找到往哪里轉發該幀，
• 5、交換機把這個幀的源MAC地址A和埠1寫入交換 表，完成第一次學習
• 6、交換機除埠1以外所有埠泛洪(廣播)這個幀，
• 7、雷和電丟棄該幀，火收下該幀，

有時為了增加網路的可靠性，在使用以太網交換機組網時，往往會增加一些冗余鏈路，在這種情況下，自學習的程序就可能導致以太網幀在以太網的某個環路中無限的“兜圈”，為解決兜圈問題，IEEE 802.1D 標準制定了一個生成樹協議（STP） 避免產生回路，

 以太網交換機的優點：

• 1、消除沖突 ：沖突域早期所有主機共享總線的一個網路范圍，現在在以太網中，CSMA/CD 能夠檢測到沖突的網路范圍
• 2、支持異質鏈路
• 3、網路管理

==================虛擬局域網===============

虛擬局域網(Virtual Local Area Network , VLAN)：一種基于交換機的邏輯分割廣播域的局域網應用形式，以軟體的方式劃分和管理局域網中的作業組，限制接收廣播資訊的主機數，不會因為傳播過多的廣播資訊而引起性 能的惡化

建立虛擬局域網的交換技術：埠交換、幀交換、信元交換

劃分虛擬局域網的方法：

• 1、基于交換機埠劃分
• 2、基于MAC地址劃分
• 3、基于上層協議型別或地址劃分 

五、點對點鏈路協議

1、點對點協議(Point to Point Protocol , PPP)：適合單個發送方和單個接收方的點 對點鏈路

PPP主要提供3類功能：

1、成幀：確定一幀的開始和結束，支持差錯檢測， 開始標志位元組：01111110    結束標志位元組：01111110

2、鏈路控制協議(Link Control Protocol , LCP) 啟動線路、檢測線路、協商引數、關閉線路，

3、網路控制協議(Network Control Protocol , NCP) 協商網路層選項

PPP是面向位元組的

• 1、PPP幀的長度都是整數位元組，
• 2、位元組填充技術：插入特殊的控制轉義位元組01111101，

2、高級資料鏈路控制(High-level Data Link Control , HDLC)：應用于點對點鏈路和 點對多點鏈路

HDLC幀格式（6位元組）：使用6位元組包裝資料

 根據控制位的不同，HDLC有3種型別的幀：

• 資訊幀（I格式）：傳送資料
• 管理幀（S格式）、監控幀：差錯控制，流量控制
• 無序號幀（U格式）： 也稱無編號幀； 鏈路的建立、拆除

HDLC協議是面向位的：位填充技術

 HDLC常用的操作方式：正常回應方式、異步回應方式、異步平衡方式

PPP協議與HDLC協議：HDLC是PPP的升級版、同樣不實作：差錯糾正、流量控制、按序交付

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