資料鏈路層服務
術語
- 主機和路由器：結點(nodes)
- 連接相鄰結點的通信信道：鏈路(links)
- 有線鏈路(wired links)
- 無線鏈路(wireless links)
- 局域網(LANs)
- 鏈路層(第2層)資料分組：幀(frame)，封裝網路層資料報
資料鏈路層負責通過一條鏈路從一個節點向另一個物理鏈路直接相連的相鄰結點傳送資料報，
鏈路層服務
- 組幀(framing)
- 封裝資料報構成資料幀，加首部和尾部
- 幀同步
- 鏈路接入(link access)
- 如果是共享介質，需要解決信道接入(channel access)
- 幀首部中的“MAC”地址，用于標識幀的源和目的
- 不同于IP地址！
- 相鄰結點間可靠交付
- 在低誤碼率的有線鏈路上很少采用 (如光纖，某些雙絞線等)
- 無線鏈路：誤碼率高，需要可靠交付
- 流量控制(flow control)
- 協調(pacing)相鄰的發送結點和接收
- 差錯檢測(error detection)
- 信號衰減和噪聲會引起差錯.
- 接收端檢測到差錯:
- 通知發送端重傳或者直接丟棄幀
- 差錯糾正(error correction)
- 接收端直接糾正位元差錯
- 全雙工和半雙工通信控制
- 全雙工：鏈路兩端結點同時雙向傳輸
- 半雙工：鏈路兩端結點交替雙向傳輸
鏈路層的具體實作
- 每個主機或路由器介面
- 鏈路層在“配接器”(即網路介面卡-NIC)中實作 或者在一個芯片上實作
- 以太網網卡，802.11網卡；以太網芯片組
- 實作鏈路層和物理層
- 鏈接主機的系統總線
- 由硬體、軟體與韌體組成
網卡間通信
差錯編碼
奇偶校驗碼
Internet 校驗和(Checksum)
回圈冗余校驗碼(CRC)
- 檢錯能力更強大的差錯編碼
- 將資料位元，D，視為一個二進制數
- 選擇一個r+1位的位元模式 (生成位元模式)，G
- 目標：選擇r位的CRC位元，R，滿足
- <D,R>剛好可以被G整除(模2)
- 接收端檢錯：利用G除<D,R>，余式全0，無錯；否則，有錯！
- 可以檢測所有突發長度小于r+1位差錯，
- 廣泛應用于實際網路 (以太網，802.11 WiFi，ATM)
多路訪問控制(MAC)
- 單一共享廣播信道
- 兩個或者兩個以上結點同時傳輸：干擾(interference)
- 沖突(collision)
- 結點同時接收到兩個或者多個信號→接收失敗！
- 沖突(collision)
- 多路訪問控制協議(multiple access control protocol)
- 采用分布式演算法決定結點如何共享信道，即決策結點何時可以傳輸資料
- 必須基于信道本身，通信信道共享協調資訊！
- 無帶外信道用于協調
理想MAC 協議
MAC 協議分類
- 三大類：
- 信道劃分(channel partitioning)MAC協議
- 多路復用技術
- TDMA、FDMA、CDMA、WDMA等
- 隨機訪問(random access)MAC協議
- 信道不劃分，允許沖突
- 采用沖突“恢復”機制
- 輪轉(“taking turns”)MAC協議
- 結點輪流使用信道
信道劃分MAC 協議：TDMA
- TDMA: time division multiple access
- “周期性”接入信道
- 每個站點在每個周期，占用固定長度的時隙(e.g.長度=分組傳輸時間)
- 未用時隙空閑(idle)
- 例如：6-站點LAN，1,3,4傳輸分組，2,5,6空閑
信道劃分MAC 協議：FDMA
- FDMA: frequency division multiple access
- 信道頻譜劃分為若干頻帶(frequency bands)
- 每個站點分配一個固定的頻帶
- 無傳輸頻帶空閑
- 例如: 6站點LAN, 1,3,4頻帶傳輸資料, 2,5,6頻帶空閑，
隨機訪問MAC 協議
- 當結點要發送分組時：
- 利用信道全部資料速率R發送分組
- 沒有事先的結點間協調
- 兩個或多個結點同時傳輸：? “沖突”
- 隨機訪問MAC協議需要定義:
- 如何檢測沖突
- 如何從沖突中恢復 (e.g., 通過延遲重傳)
- 典型的隨機訪問MAC協議：
- 時隙(sloted)ALOHA
- ALOHA
- CSMA、CSMA/CD、CSMA/CA
時隙ALOHA 協議
CSMA 協議
- 載波監聽多路訪問協議CSMA (carrier sensemultiple access)
- 發送幀之前，監聽信道(載波)：
- 信道空閑：發送完整幀
- 信道忙：推遲發送
- 1-堅持CSMA
- 非堅持CSMA
- P-堅持CSMA
- 沖突可能仍然發生：信號傳播延遲
CSMA/CD 協議
CSMA/CD效率
輪轉訪問MAC協議
- 信道劃分MAC協議：
- 網路負載重時，共享信道效率高，且公平
- 網路負載輕時，共享信道效率低！
- 隨機訪問MAC協議：
- 網路負載輕時，共享信道效率高，單個結點可以利用信道的全部帶寬
- 網路負載重時，產生沖突開銷
- 輪轉訪問MAC協議：綜合兩者的優點！
輪詢(polling):
- 主結點輪流“邀請”從屬結點發送資料
- 典型應用：“啞(dumb)” 從屬設備
令牌傳遞(token passing):
- 控制令牌依次從一個結點傳遞到下一個結點.
- 令牌：特殊幀
MAC 協議總結
- 信道劃分MAC協議：時間、頻帶、碼片劃分
- TDMA、FDMA、CDMA
- 隨機訪問MAC協議：
- ALOHA, S-ALOHA, CSMA, CSMA/CD
- CSMA/CD應用于以太網
- CSMA/CA應用802.11無線局域網
- 輪轉訪問MAC協議：
- 主結點輪詢；令牌傳遞
- 藍牙、FDDI、令牌環網
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