[计算机网络笔记]第五部分——数据链路层 基础与概念

数据链路层

数据链路层的数据报文称为“帧”
数据链路层协议包括（1）以太网（1）802.11无线LAN（WIFI）（3）令牌环（4）PPP点对点协议
数据链路层协议提供：（1）数据成帧（2）链路接入（3）可靠交付（4）流量控制（5）差错检测（6）差错纠正（7）半双工和全双工服务

      
数据链路层和传输层的可靠交付与差错检测并不相同，数据链路层保证的是在单一链路上的可靠交付和差错检测，而传输层提供的是端到端的。
 
数据链路层的差错检测技术（FEC：前向纠错，指接收方检测和纠正差错的能力）：

奇偶校验：单个的奇偶校验位来校验1的个数，使得数据+校验位中1的个数总为偶数个

        
可以检测奇数个比特错误，但是对于偶数个错误不能识别也不能纠错

二位奇偶校验：将待检测数据排列成二维矩阵，在行末和列末设置校验位，计算每一行和每一列的奇偶校验位

        
可校验并纠正单个比特错误并纠正，可校验两个比特错误但不能纠正，校验位也可以被校验和纠正

校验和：互联网校验和，以前的笔记中总结过，不再赘述，笔记中最早出现在UDP的报文中。TCP/UDP报文对整个报文（数据+首部）都计算校验和，但是IPv4只对首部计算校验和

循环冗余校验码（CRC）:CRC可以就错，可以在一位差错是纠错，有多位差错时只能检错，一般CRC检错后应对方式是重传

        
CRC计算方式：
首先，确认一个长度为r+1位的多项式，称为生成多项式G，例如

,将其转换成二进制，得到1001（即有x的几次方，就将二进制的第几位置1）。
对于原始数据，长度为D位，可通过计算得到D+r位的带CRC校验位的新数据，计算方法是在D后面补r位校验位R，用数学的表示方法是



（其中D*2^r
表示将D后补r位0，⨁R可以将R位校验位加到补充的r位0的位上），新的数据刚好可以整除G
即


两边都异或R得：


也就是说R=

的余数
我们可以通过计算来得到R，计算除法使用的模2的除法，即加法减法中不借位不进位，相当于异或。这种校验方式成为循环冗余校验。
Eg：对于数据D=101110，G=

,也就是1001，计算循环冗余校验码
解：
r=G的位数-1=3


即D向左移动3位，后面补3个0



得商101011，余数011（r=3，所以要补足三位，即便第一位是0）
R=余数=011
带循环冗余校验码的新数据D’=101110011
将新数据发送到另一端后，另一端使用接收到的数据D’除以相同的产生式G，如果结果没有余数，说明D’=D,传输没有错误，否则检出错误。
 
 
数据链路层的多路访问协议：为了解决广播链路中多个节点同时传输数据而引起的数据干扰，进而数据不正确的问题。
网络链路分为点对点链路和广播链路，点对点链路不存在多路访问的问题，只有广播链路存在，因为广播链路中链路被多个端共享。

三种多路访问协议：

信道划分协议

a)        
时分多路复用（TDM）：同一信道不同节点在不同时间使用，进而可以避免发送数据的冲突，缺点是利用率低，很可能信道中一段时间内只用一个节点使用，但是这个节点却不能使用信道的全部时间传输数据

b)       
频分多路访问（FDM）：同一信道再次划分成更小的信道，每个节点仅使用更小的信道传输数据，缺点同TDM相同

c)        
码分多址（CDMA）：同一信道不同节点使用不同的编码同时传输信息，理论上可以避免相互干扰，而且每一个节点都相当于单独拥有整个信道，利用率高，抗干扰能力强

随机接入协议：多个节点随意地发送数据，如果产生数据的碰撞，干扰，则再一定时间之后重新发送

a)        
时隙ALOHA协议：规定多个节点发送的数据长度一致，多个节点将时间同步，同时将时间划分成时间片，每个节点只能在时间片开始的时候发送数据，在时间片结束之前发送完数据。每个节点在时间片结束前会检测信道内是否有数据碰撞，如果出现的话就停止发送数据，并在其后的时间片以P的几率重发数据，知道发送成功。经过计算，对信道的有效利用率是37%。

b)       
纯ALOHA协议：与时隙ALOHA协议大致相同，但是没有划分时间片的要求，这就使得发生数据碰撞的概率加大了，经过计算，对信道的有效利用率是18%

c)        
载波侦听多路访问协议（CSMA）：要求在每次传输数据前先侦听信道是否有数据传输，没有的话再发送数据，同时一旦在发送过程中发生了数据的碰撞，则立即停止发送数据，并在一定时间间隔后重发数据。在发展中，CSMA发展出了CSMA/CD（用于碰撞检测的载波侦听多路访问协议），用于有线网络传输，以及CSMA/CS（用于冲突避免的载波侦听多路访问协议）用于无线网络传输。

轮询协议：

a)        
轮调协议：通过一个主节点发出轮询报文，调度各个节点发送数据，优点是消除了数据碰撞，缺点是引入了轮询报文时延，其次，一旦主节点损坏，整个网络都会瘫痪

b)       
令牌传递协议：在网络中设置一个令牌报文在各个节点之间传输，只有持有令牌报文的节点才能发送数据，完成发送数据后再次传递令牌报文给下一个节点。
 
以太网是基于随机接入协议的，之后会详细讲实现。

其他LAN技术：
FDDI（光纤式分布数据结构）：应用在地理范围更大的LAN
令牌环LAN：通过将节点通过直接链路连成环，在物理上的拓扑结构定义了令牌的传递次序
 
ARP协议（地址解析协议）：

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MAC地址：在局域网中，每一个接口的地址用MAC地址表示，MAC地址是一个48位的地址，用12位十六进制数表示，每两位之间用“-”分隔。原则上MAC地址与网卡绑定不可更改，而且不能重复。MAC地址不像IP地址，它不是层次化，而是扁平化的，同一个MAC地址，原则上只能代表一个网络接口，无论MAC位于什么地方。

在生产网卡时，IEEE协会给厂商分配MAC的前24位，厂商自己生产后24位的组合。

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ARP协议：在子网中用于IP与MAC地址相互转换的协议
数据报文中IP只有源地址和目标地址的信息，那么报文如何在链路之间被识别传输呢？通过MAC地址。每一次经过路由器，路由器会更新链路层报文，也就是帧的MAC地址，将其指向下一个路由器或者主机的MAC地址，以便下一个路由器或者主机识别接收。进而帧可以在整个链路中传输。

        
实现：
在每个节点（主机或者路由器）中存在ARP缓存，其中储存IP-MAC-TTL的关系，如果一个节点要询问子网内其他节点的MAC，可发送ARP查询分组，里面封装目标的IP地址和自己的IP地址、MAC地址，目标如果接收到这个查询分组，会向源响应。
ARP查询分组将广播出去，所有的子网节点对比其中的IP地址和自己的是否相同，如果匹配，则自己发送ARP响应保报文，如果不匹配，则忽视查询报文。ARP响应报文不用广播，源接收到ARP响应报文后更新ARP缓存。
注意：ARP协议用于LAN内部，若子网内节点想查询不存在子网内节点的MAC，则不会有回应。