3、计算机数据链路层

数据链路层数据链路层的功能组帧过失把握流量把握和牢靠传输机制介质访问把握局域网广域网数据链路层设备1考纲要求数据链路层的功能组帧过失把握检错编码纠错编码流量把握与牢靠传输机制流量把握、牢靠传输与滑轮窗口机制单帧滑动窗口与停顿-等待协议多帧滑动窗口与后退N帧协议〔GBN〕多帧滑动窗口与选择重传协议〔SR〕介质访问把握信道划分介质访问把握：频分多路复用、时分多路复用、波分多路复用、码分多路复用的概念和根本原理。随即访问介质访问把握：ALOHA协议；CSMA协议；CSMA/CD协议；CSMA/CA协议。轮询访问介质访问把握：令牌传递协议2考纲要求3局域网局域网的根本概念与体系构造以太网与IEEEIEEE802.11令牌环网的根本原理广域网广域网的根本PPP协议HDLC协议数据链路层设备网桥的概念和根本原理局域网交换机及其工作原理。重点、难点、考点数据链路层功能和组帧〔了解〕过失把握〔把握〕流量把握和牢靠传输机制〔考点〕介质访问把握〔考点〕局域网〔考点〕广域网〔考点〕5〔1〕链路治理：数据链路的建立、维持和释放。〔2〕帧定界〔帧同步〕：区分帧边界〔3〕流量把握：收发速度匹配〔4〕过失把握：保证数据正确〔5〕区分把握信息和数据信息。〔7〕寻址：确定正确目标。3.1数据链路层的主要功能〔6〕透亮传输：可以传输任意比特组合3.2过失把握过失把握：有效在检测出存在于数据中的过失并进展订正的过程。6通常应付传输过失的方法如下：1、确定应答。接收器对收到的帧校验无误后送回确定应答信号ACK，发送器收到确定应答信号后可连续发后续帧。2、否认应答重发。接收器收到一个帧后经较验觉察错误，则送回一个否认应答信号NAK。发送器必需重新发送出错帧。3、超时重发。发送器发送一个帧时就开头计时。在确定时间间隔内没有收到关于该帧的应答信号，则认为该帧丧失并重新发送。7检错码和纠错码纠错码：通过某种编码订正传输过失。例如：海明码。检错码：通过某种编码检查传输是否出错。例如：奇偶校验、CRC校验。

3.3流量把握与牢靠传输机制

流量把握、牢靠传输与滑动窗口机制单帧滑动窗口与停顿-等待协议多帧滑动窗口和后退N帧协议〔GNB〕多帧滑动窗口与选择重传协议〔SR〕89流量把握目的流量把握只与某发送者和某接收者之间的点到点通信量有关。它的任务是确保一个发送者传输数据的速率不能超过接收者所能承受的速率。流量把握几乎总是涉及到接收者，接收者要向发送者送回另一端状况如何的一些直接反响。流量把握方法停顿等待一次发送一帧窗口滑动窗口一次发送假设干帧滑动窗口固定大小信用量一次发送假设干帧滑动窗口尺寸动态变化停顿等待流量把握源站发送数据帧目的站收到该帧后赐予确认(ACK)答复源站等待并收到ACK后，再发送下一帧目的站通过不回送ACK来终止流量对于少量的长帧行之有效停顿等待示意滑动窗口流量把握假设一次仅允许传输一帧，导致严峻的低效率滑动窗口流控允许连续传送多帧接收方缓冲长W发送方可以连续发送W帧后才需ACK给每帧编个号ACK帧中包含所期望的下一帧的编号以字段大小(k)所限定的序号以2k为模对帧进展编号14发送窗口为允许最大发送的帧数；每发送一帧，允许发送帧的数目减1；发送窗口的位置不变。每收到一个确认，窗口向前滑动。

一.发送窗口等待接收的帧，认为它们在接收窗口内；按序收到一个窗口内的帧，窗口滑动；接收方可以使用捎带确认；可以收到多个帧发回1个确认；对于连续ARQ协议，接收方必需按序的接收帧，因此有WR=1。15

二.接收窗口

三.窗口大小的限制

WT与序号位数有关假设序号为n位，WT可以为多大？WT+WR≤2n，n为序号的位数。而WT≤2n-116SlidingWindowDiagram发送方滑动窗口当发送出数据时，滑动窗口从左边开头收缩；当收到确认时，滑动窗口向右扩展接收方滑动窗口当接收到数据时，滑动窗口从左边开头收缩；当发送确认时，滑动窗口向右扩展滑动窗口实例Windowsizeislimitedto7(2k-1)SeeP.172~173又一个滑动窗口实例多帧滑动窗口和滑动窗口协议在多帧应答的过失把握机制中，必需承受滑动窗口协议来解决通信双方的同步问题。在滑动窗口协议中，允许发送站连续发送多个数据帧后再停下来等待接收站的应答帧。在这些帧中，可能某个中间帧消逝错误，而其它的帧都是正确的。发送站可承受两种重发策略来订正出错的帧：一种是重发从出错帧开头的全部帧，而不管后续的帧是否出错，这种重发策略称为后退n帧协议；另一种是只重发出错帧，而保存后续正确的帧，这种重发策略称为选择重发协议。22选择重传协议〔SR〕23亦称选择重传仅重传拒绝的帧接收方承受后续帧并赐予缓存使重传最小化接收方必需维护足够大的缓存，且必需包含将重传帧以恰当挨次重新插入的规律发送方也需要具有发送失序帧力气的更简洁规律选择重传-图例一个例子第4帧损坏或丧失接收方返回SREJ-4并承受后续帧发送方收到SREJ-4并重传第4帧接收方收到第4帧并以恰当挨次将其插入缓冲RR-1丧失发送方计时器超时并送RR(P=1)接收方发送RR-3并作好接收第3帧的预备选择重传的窗口尺寸选择拒绝的窗口大小限制比回退N帧更严格考虑一个为7的窗口大小(23-1)发送方发送第0帧至第6帧到接收方接收方收到全部七帧并以RR7赐予累积确认，且已将接收窗口前移以承受第7,0,1,2,3,4和5帧由于突发噪声,RR7丧失发送方超时并重传第0帧上述的问题是发送窗口与接收窗口之间有重叠为抑制该问题，最大窗口大小不应大于序号范围的一半3.4介质访问把握信道划分介质访问把握随机访问介质访问把握轮询访问介质访问把握26

3.4.1信道划分介质访问把握

频分多路复用：是一个利用载波频率的取得、信号对载波的调制、调制信号的接收、滤波和解调等手段，实现多路复用的技术。波分多路复用：在一条光纤信道上，依据光波的波长不同划分成假设干个子信道，每个信道传输一路信号。时分多路复用：把一个物理信道划分成假设干个时间片，每一路信号使用一个时间片。各路信号轮番使用这个物理信道。码分多路复用：每个用户可在同一时间使用同样的频带进展通信，但是用的是基于码型的分割信道的方法，即每个用户安排一个经过特俗选择的不同码形。通信各方之间不会相互干扰，且抗干扰力气强

272023/11/928频分复用图示信道channels29复用的时域图30解复用的时域图2023/11/931时分复用2023/11/932TDM复用例如33TDM解复用例如2023/11/934波分复用是光纤通信中使用的一种复用方式不同的波长的光信号通过同一根光纤传输在概念上与频分复用一样承受不同源的窄带光组成一个宽带光棱镜用作波分复用及其多路分解留意与多模信号的区分光纤波分复用2023/11/935波分复用图示波分复用原理方框图3.4.2随机访问介质访问把握ALOHA协议ALOHA协议和它的后继者CSMA/CD都是随机访问或者竞争发送协议。随机访问意味着对任何站都无法估量其发送的时刻；竞争发送是指全部发送的站自由竞争信道的使用权。Aloha协议或称Aloha技术、Aloha网，是世界上最早的无线电计算机通信网。它是1968年美国夏威夷大学的一项争论准备。Aloha网络可以使分散在各岛的多个用户通过无线电信道来使用中心计算机，从而实现一点到多点的数据通信。由此可见，ALOHA承受的是一种随机接入的信道访问方式3738ALOHA协议分为纯ALOHA和时隙ALOHA两种ALOHA协议的思想很简洁，只要用户有数据要发送，就尽管让他们发送。固然，这样会产生冲突从而造成帧的破坏。但是，由于播送信道具有反响性，因此发送方可以在发送数据的过程中进展冲突检测，将接收到的数据与缓冲区的数据进展比较，就可以知道数据帧是否遭到破坏。同样的道理，其他用户也是依据此过程工作。假设发送方知道数据帧遭到破坏〔即检测到冲突〕，那么它可以等待一段随机长的时间后重发该帧。时隙ALOHA协议。思想是用时钟来统一用户的数据发送。方法是将时间分为离散的时间片，用户每次必需等到下一个时间片才能开头发送数据，从而避开了用户发送数据的任凭性，削减了数据产生冲突的可能性，提高了信道的利用率。CSMA协议载波监听多点接入CSMA〔CarrierSenseMultipleAccess〕是从ALOHA演化出的一种改进协议，又称为载波侦听多点访问。由于承受了附加的硬件装置，每个站都能在发送数据前监听信道上其他站是否在发送数据。如在发送，则此站就暂不发送数据，从而削减了发生冲突的可能。这样就提高了整个系统的吞吐量。CSMA协议是在ALOHA协议的根底上提出的。它与ALOHA的主要区分就是多了一个载波监听装置，这种装置供给的功能通常称为发送前监听。39CSMA协议种类1-坚持CSMA：当发送节点监听到信道空闲时，立刻发送数据，否则连续监听P-坚持CSMA：当发送节点监听到信道空闲时，以概率p发送数据，以概率〔1-p〕延迟一段时间并重新监听非坚持CSMA：当发送节点监听到信道空闲时，立刻发送数据，否则延迟一段随机的时间再重新监听40CSMA/CD协议CSMA/CD〔CarrierSenseMultipleAccess/CollisionDetect〕

即载波监听多路访问/冲突检测方法

是一种争用型的介质访问把握协议。它起源于美国夏威夷大学开发的ALOHA网所承受的争用型协议，并进展了改进，使之具有比ALOHA协议更高的介质利用率。CSMA/CD把握规程：

把握规程的核心问题：解决在公共通道上以播送方式传送数据中可能消逝的问题〔主要是数据碰撞问题〕

把握过程包含四个处理内容：侦听、发送、检测、冲突处理41练习依据CSMA/CD协议的工作原理，需要提高最短帧长度的是〔〕A网络传输速率不变，冲突域的最大距离变短B上层协议使用TCP的概率增加C在冲突域不变的状况下削减线路的中继器数量D冲突域的最大距离不变，网络传输速率提高43CSMA/CD把握方式的优点是：原理比较简洁，技术上易实现，网络中各工作站处于公正地位，不需集中把握，不供给优先级把握。但在网络负载增大时，发送时间增长，发送效率急剧下降。

CSMA/CD应用在ISO7层里的数据链路层

它的工作原理是:发送数据前先监听信道是否空闲,假设空闲则立刻发送数据.在发送数据时,边发送边连续监听.假设监听到冲突,则立刻停顿发送数据.等待一段随即时间,再重新尝试.44CSMA/CD的发送流程可以简洁的概括为1先听先发2边听边发3冲突停顿4随机延迟后重发。CSMA/CA协议CSMA/CA(CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance)带有冲突避开的载波侦听多路访问，是对CSMA/CD的进一步改进工作流程是:一个工作站希望在无线网络中传送数据，假设没有探测到网络中正在传送数据，则附加等待一段时间，再随机选择一个时间片连续探测，假设无线网路中照旧没有活动的话，就将数据发送出去。承受端的工作站假设受到发送端送出的完整的数据则回发一个ACK数据报，假设这个ACK数据报被接收端收到，则这个数据发送过程完成，假设发送端没有收到ACK数据报，则或者发送的数据没有被完整地收到，或者ACK信号的发送失败，不管是那种现象发生，数据报都在发送端等待一段时间后被重传。CSMA/CA通过这种方式来供给无线的共享访问，这种显式的ACK机制在处理无线问题时特殊有效。4546CSMA/CA利用ACK信号来避开冲突的发生，也就是说，只有当客户端收到网络上返回的ACK信号后才确认送出的数据已经正确到达目的。CSMA/CA通过这种方式来供给无线的共享访问，这种显式的ACK机制在处理无线问题时特殊有效。CSMA/CD和CSMA/CA的主要差异CSMA/CD：即载波监听多路访问/冲突检测方法

CSMA/CA：带有冲突避开的载波侦听多路访问，发送包的同时不能检测到信道上有无冲突，只能尽量‘避开’；

1.两者的传输介质不同,CSMA/CD用于总线以太,而CSMA/CA则用于无线局域网802.11b；

2.检测方式不同,CSMA/CD通过电缆中电压的变化来检测，当数据发生碰撞时，电缆中的电压就会随着发生变化；而CSMA/CA承受能量检测(ED)、载波检测(CS)和能量载波混合检测三种检测信道空闲的方式；47轮询访问介质访问把握令牌传递协议TokenPassing令牌传递：环型拓扑网络中用来把握传输的技术。令牌是沿着环发送的特地的消息。当某站有包发送时，等待令牌到达，得到令牌后先发送包，再发送令牌。

483.4局域网局域网根本概念与体系构造以太网IEEE802.3IEEE802.11令牌环网根本原理49局域网根本概念局域网〔LAN〕是指一组计算机及其他设备分布在一个有限的地理区域内，并且彼此间通过通信网络相互连接。通常LAN局限于一个建筑物或一个园区内。局域网的特点：地理范围小属于某个单位或部门数据传输率高过失率较低不用穿越公共设施能进展播送或多播50局域网的体系构造局域网的拓扑构造总线型环型星型树型混合型51总线型：一条电缆〔总线〕连接全部的机器。52数据的发送：每次只有一台机器可以发送数据。数据以电信号的方式发送到网络中的全部站点，但仅有与数据中目标地址匹配的机器接收该信息。53信号的反射：信号在电缆的末端会反弹回来，将会阻挡其他计算机发送数据。54为了防止信号的来回反射，在电缆的两端安装了端结头以吸取多余的信号。55多余信号的吸取，保证了其他机器可以正常发送数据。56总线是一种被动的拓扑构造，总线上的计算机仅仅是“听”网络上的数据，并不负责将数据“移交”给下一台机器，一台机器出了故障，并不影响局域网的其他局部。57电缆的故障将会影响信号传播的路径，信号会发生反射，全部的网络活动将会停顿。故障通常是指总线断成两局部，〔或者是连接处松开、接触不紧；或者其它缘由〕。58一旦电缆出了故障，网络上的计算机只能是相互孤立的。由于故障产生了未端接的头，信号的反射使得计算机之间无法正常通信。59星型：全部的机器通过电缆连接到一个中心部件〔通常是集线器HUB〕，一台计算机发送的信号要通过该部件送往目标计算机。60计算机发送的信号都要经过HUB。要发送的信号首先被送往HUB，HUB负责播送该信号。61假设星型网络中一台计算机出了故障，该计算机无法发送和接收信息，但其他计算机不受影响。62假设HUB出了问题，全部的计算机将是孤立的，相互之间无法传递信号。63环型：全部的计算机连接到一个环上，没有末端。信号沿着环的方向经过每个计算机。与总线拓扑的被动方式不同，每台计算机都推动信号的传递。64实现时，来自每个计算机的电缆都接到HUB，计算机要发送的全部信息在送往目标计算机之前必需经过HUB。65图中的令牌环网，看起来类似星型，但是，环是一个规律环，表示信号是如何在环上流淌的。信号总是沿顺时针方向从一个计算机到下一个计算机，直到到达目标计算机。66实现时，信号从一个计算机送往HUB，接着到下个计算机，依据挨次，信号从每个计算机发往HUB，然后依据顺时针方向到达环上的下个计算机。67令牌的传递：令牌沿着环在计算机之间传递，直到某个计算机有数据要发送。发送数据的计算机将发送地址和接收地址都加到数据上。

68信号沿着环传递，到达接收数据的计算机后，数据被复制到该计算机上，连续沿着环传递，直到回到发送的计算机，产生一个新的令牌放到环上。69一旦某台计算机消逝故障，令牌环网会检测到环上有“死”的计算机并将其“抛弃”。其他计算机可以连续正常工作。70混合型：现在的很多网络拓扑是总线、星型、环型的组合。如星总线拓扑，就是将很多星型网络通过总线连接在一起。71在星总线拓扑中，假设某台计算机消逝故障，将不会影响网络中的其他局部。其他计算机之间仍可以连续通信。72假设HUB消逝问题，HUB上的全部计算机将无法进展通信。73假设出故障的HUB连接了其他HUB，那么那些HUB及其上面的计算机之间将无法通信。74局域网拓扑构造总结：总线型:全部的计算机连接到一根称为总线的电缆上；一次只有一个计算机可以发送数据；信号送往整个网络，从总线的一端到另一端；总线末端都使用端结头吸取信号，防止信号的反射；总线是被动的拓扑；电缆断开会引起整个网络无法工作。75星型:全部的机器通过电缆连接到一个中心部件〔通常是集线器hub〕；一台计算机发送的信号要通过hub送往目标计算机。假设一台计算机出了故障，该计算机无法发送和接收信息，但网络中其他计算机不受影响。假设HUB消逝问题，计算机仍具有孤立的计算机功能，但网络无法工作。76环型:全部的机器通过电缆连接到一个中心HUB；信号依据顺时针方向沿一个规律环移动。与被动的总线拓扑不同，每个计算机都会推动信号沿着环移动。令牌沿着环传递，直到某个机器有信息要发送；假设没有空令牌，任何机器都无法发送信息。7778HUBHostsHost10Base2—ThinEthernet

10Base5—ThickEthernet10BaseT—TwistedPair混合连接:以太网(Ethernet)以太网是一种承受了带有冲突检测的载波侦听多路访问把握方法〔CSMA/CD〕且具有总线型拓扑构造的局域网。其具体的工作方法为：每个要发送信息数据的节点先接收总线上的信号，假设总线上有信号，则说明有别的节点在发送数据〔总线忙〕，要等别的节点发送完毕后，本节点才能开头发送数据；假设总线上没有信号，则要发送数据的节点先发出一串信号，在发送的同时也接收总线上的信号，假设接收的信号与发送的信号完全全都，说明没有和其它站点发生冲突，可以连续发送信号。假设接收的信号和发送信号不全都，说明总线上信号产生了“叠加”，说明此时其它节点也开头发送信号，产生了冲突。则临时停顿一段时间〔这段时间是随机的〕，再进展下一次摸索。79IEEE802协议标准标准：包含了局域网的体系构造、网络治理、性能测试、网络互连以及接口原语等。标准：定义了规律链路把握协议〔LLC〕协议的功能及其效劳。标准：定义了CSMA/CD总线介质访问把握子层和物理层标准，随着网络的不断进展，目前该标准不引伸出了802.3u标准，主要适用于100Base-T〔快速以太网〕。标准：定义了令牌总线〔TokenBus〕介质访问把握子层与物理层的标准。标准：定义了令牌环〔TokenRing〕介质访问把握子层与物理层的标准。8081IEEE802.11802.11为IEEE〔电机电子工程师协会，TheInstituteofElectricalandElectronicsEngineers〕于1997年公告的无线区域网路标准，适用于有线站台与无线用户或无线用户之间的沟通连结。

令牌环形网根本工作原理令牌环网在拓扑构造上是环型的，在令牌传递规律上也是环型的，在网络正常工作时，令牌按某一方向沿着环路经过环路中的各个节点单方向传递。握有令牌的站点具有发送数据的权力，当它发送完全部数据或者持有令牌到达最大时间时，就要交就令牌。823.6广域网广域网根本概念PPP协议HDLC协议83广域网的根本概念广域网〔WAN，WideAreaNetwork〕也称远程网。通常跨接很大的物理范围，所掩盖的范围从几十公里到几千公里，它能连接多个城市或国家，或横跨几个洲并能供给远距离通信，星城国际性的远程网络。广域网的通信子网主要使用分组交换技术。广域网的通信子网可以利用公用分组交换网、卫星通信网和无线分组交换网，它将分布在不同地区的局域网或计算机系统互连起来，到达资源共享的目的。类型：公用交换网〔PSTN〕、分组交换网

〔X.25〕、数字数据网〔DDN〕、帧中继〔FR〕、交换式多兆位数据效劳〔SMDS〕和异步传输模式〔ATM〕。84

广域网的特点：

1、适应大容量与突发性通信的要求；2、适应综合业务效劳的要求；3、开放的设备接口与标准化的协议；4、完善的通信效劳于网络治理。通常广域网的数据传输速率比局域网低，而信号的传播延迟却比局域网要大得多。85

PPP〔PointtoPointProtocol〕

点对点协议〔PPP〕为在点对点连接上传输多协议数据包供给了一个标准方法。PPP最初设计是为两个对等节点之间的IP流量传输供给一种封装协议。在TCP-IP协议集中它是一种用来同步调制连接的数据链路层协议〔OSI模式中的其次层〕，替代了原来非标准的其次层协议，即SLIP。除了IP以外PPP还可以携带其它协议，包括DECnet和Novell的Internet网包交换〔IPX〕。

86PPP主要组成局部封装：一种封装多协议数据报的方法。PPP封装供给了不同网络层协议同时在同一链路传输的多路复用技术。PPP封装细心设计，能保持对大多数常用硬件的兼容性。抑制了SLIP缺乏之处的一种多用途、点到点协议，它供给的WAN数据链接封装效劳类似于LAN所供给的封闭效劳。所以，PPP不仅仅供给帧定界，而且供给协议标识和位级完整性检查效劳。

链路把握协议：PPP供给的LCP功能全面，适用于大多数环境。LCP用于就封装格式选项自动达成全都，处理数据包大小限制，探测环路链路和其他一般的配置错误，以及终止链路。LCP供给的其他可选功能有：认证链路中对等单元的身份，准备链路功能正常或链路失败状况。

87

PPP工作流程：

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。

PC机向路由器发送一系列的LCP分组〔封装成多个PPP帧〕。

这些分组及其响应选择一些PPP参数，和进展网络层配置，NCP给新接入的PC机安排一个临时的IP地址，使PC机成为因特网上的一个主机。

通信完毕时，NCP释放网络层连接，收回原来安排出去的IP地址。接着，LCP释放数据链路层连接。最终释放的是物理层的连接。88

PPP的特点及用途

①主要观测值为载波相位

②承受周密的卫星轨道和钟数据

③承受简洁的模型

PPP用途：全球高精度测量，卫星定轨。PPP和HDLC之间最主要的区分是，PPP是面对字符的，HDLC是面对位的。89高级数据链路规程〔HDLC〕是位于数据链路层的协议之一，其工作方式可以支持半双工、全双工传送，支持点到点、多点构造，支持交换型、非交换型信道，它的主要特点包括以下几个方面：a.透亮性：为实现透亮传输，HDLC定义了一个特殊标志，这个标志是一个8位的比特序列，〔01111110〕，用它来指明帧的开头和完毕。同时，为保证标志的唯一性，在数据传送时，除标志位外，实行了0比特插入法，以区分标志符，即发送端监视比特流，每当发送了连续5个1时，就插入一个附加的0，接收站同样按此方法监视接收的比特流，当觉察连续5个1时而第六位为0时，即删除这位0。b.帧格式：HDLC帧格式包括地址域、把握域、信息域和帧校验序列。c.规程种类：HDLC支持的规程种类包括异步响应方式下的不平衡操作、正常响应方式下的不平衡操作、异步响应方式下的平衡操作。90HDLC协议HDLC——面比照特的同步协议：HighLevelDataLinkControl〔高级数据链路把握规程〕。特点:面比照特的协议中最有代表