计网期末考点整理（第3,4章）

2020-01-08 本文已影响0人 dev_winner

设计数据链路层的原因：

（1）物理线路由传输介质与通信设备组成。
（2）设计数据链路层的主要目的是在有差错的物理线路的基础上，采取差错检测、差错控制与流量控制等方法，将有差错的物理线路改进成无差错的数据链路，向网络层提供高质量的数据传输服务。
（3）从参考模型的角度来看，物理层以上的各层都有改善数据传输质量的责任，数据链路层是最重要的一层。

差错的产生过程

物理线路噪声分为两类：热噪声和冲击噪声。热噪声是由传输介质导体的电子热运动产生的。冲击噪声是由外界电磁干扰引起的。
误码率：指二进制比特在数据传输系统中被传错的概率，它在数值上近似等于： $P_e = \frac{N_e}{N}$ 。其中：N为传输的二进制比特总数， $N_e$ 为被传错的比特数。
误码率是衡量数据传输系统正常工作状态下传输可靠性的参数。
纠错码：为每个传输单元加上足够多的冗余信息，以便接收端能够发现，并能够自动纠正传输差错。
检错码：为每个传输单元加上一定的冗余信息，接收端可以根据这些冗余信息发现传输差错，但是不能确定是哪一位或哪些位出错，并且自己不能够自动纠正传输差错。
常用的检错码主要有奇偶校验码和循环冗余编码。奇偶校验码分为垂直奇偶校验、水平奇偶校验与水平垂直奇偶校验（即方阵码）。奇偶校验方法简单，但检错能力差，一般只用于通信要求较低的环境。循环冗余编码（cyclic redundancy code，CRC）是应用最广泛的检错校验码编码方法，它具有检错能力强与实现容易的特点。它除了能够检查出离散错外，还能够检查出突发错。突然错：指在接收二进制时比特流中突然出现连续几位或更多位数的错误。
CRC的基本工作原理：

（1）发送端将发送数据比特序列当作一个多项式 $f(x)$ ，用双方预先约定的生成多项 $G(x)$ 去除，求得一个余数多项式 $R(x)$ 将余数多项式加到数据多项式之后，一起发送到接收端。
（2）接收端用同样的生成多项式 $G(x)$ 去除接收到的数据多项式 $f^{'}(x)$ ，得到计算余数项式 $R^{'}(x)$ 。如果计算余数多项式 $R^{'}(x)$ 相同，表示传输无差错；否则，表示传输有差错。出现差错，通知发送端重传数据，直至正确为止。

CRC校验工作原理示意图

实际的CRC校验码生成是采用二进制的模二运算（即减法不错位、加法不进位）计算出来的，这是一种异或操作。
接收端通过检错码检查数据帧是否出错，一旦发现错误，通常采用反馈重发（automatic request for repeat，ARQ）

反馈重发纠错过程示意图

数据链路是由实现数据链路层协议的硬件、软件与链路组成。
设计数据链路层的目的是为了发现和纠正链路在传输过程中可能出现的差错，使有差错的链路变成无差错的数据链路。
数据链路层主要包括以下几个功能：

① 数据链路管理：其功能包括数据链路的建立、维护与释放。
② 帧同步：指接收端能够从收到的比特流中正确地判断出一帧地开始位与结束位。
③ 流量控制：发送端发送数据超过物理线路的传输能力或超出接收端的帧接收能力时，就会造成链路拥塞。为了防止出现链路拥塞，数据链路层必须具有流量控制功能。
④ 差错控制：为了发现和纠错物理线路传输差错，使有差错的物理线路变成无差错的数据链路，数据链路层必须具有差错控制的功能。
⑤ 透明传输：必须保证帧数据字段可以传输任意的二进制比特序列，即需要保证帧传输的“透明性”问题。
⑥ 寻址：在点-多点链路连接的情况下，数据链路层要保证每一帧都能传送到正确的接收端，因此数据链路层必须具备寻址的功能。

网络层的主要功能是为联网计算机之间的通信寻找一条最佳的传输路径。
数据链路层就是为保证网络层数据传输的正确性、为网络层屏蔽物理层传输技术的差异性两者提供服务。

数据链路层与网络层的关系

数据链路层与物理层的关系

数据链路层协议分为两类：面向字符型协议（BSC）与面向比特型协议（HDLC）。在面向字符型数据链路层协议中，控制字符长度为8位，ASCII码只给出了低7位的编码，第8位根据编码的奇偶校验来确定。

部分控制字符意义及编码

面向字符型数据链路层协议工作流程示意图

数据链路层协议工作阶段划分为三个阶段：① 建立数据链路连接；② 帧传输；③释放数据链路连接。
停止等待工作方式的特点：协议效率低，通信线路的利用率低。
面向字符型数据链路层协议中，帧可以分为两类：一类是控制帧，另一类是数据帧。控制帧一般只包含长度为1B的控制字符，用于数据链路的建立、释放以及帧封装与帧传输状态控制。检验（BCC）字段的数据是用来计算包含控制字符SOH到ETX之间的数据，在传输过程中是否出错。
每一种数据链路层协议都要规定帧数据字段的最大长度，即最大传输单元。若网络层IP分组的数据大于帧数据字段的最大长度，那么就需要将网络层传送的数据分成多个传输单元，封装在多个帧中传送。

简化的BSC协议帧封装过程示意图

数据传输的透明性问题，解决办法就是定义一个转义字符DLE。当然转义字符也会带来不透明传输的问题。

数据链路层协议存在传输“透明性”问题示意图

针对面向字符型协议“停止等待”工作方式的缺点，HDLC定义了数据链路的两种基本配置方式：非平衡配置与平衡配置，非平衡配置结构可分为：点—点连接和点—多点连接。非平衡配置可以有两种数据帧传送方式：正常响应模式与异步响应模式。平衡配置只有一种数据传送方式：异步平衡模式，即每个复合站都可以平等地发起数据传输，而不需要得到对方复合站的许可。
在正常响应模式中，主站可以随时向从站传输数据帧。从站只有在主站向它发送命令帧探询，从站响应后才可以向主站发送数据帧。
在异步响应模式中，主站和从站可以随时相互传输数据帧。从站不需要等待主站发出探询就可以发送数据帧。但是，主站仍然负责数据链路的初始化、链路的建立、释放与差错控制等功能。

HDLC帧结构

用8位帧控制字段C的 $b_0$ 与 $b_1$ 位来标识三种不同类型的帧：信息(I)帧、监控(S)帧与无编号(U)帧。
信息帧用于传送网络层的IP分组数据。
监控帧用于协调发送端与接收端的信息帧传输、确认与流量控制。
无编号帧用于实现设置数据链路配置方式与数据传输方式等链路控制功能。
HDLC用控制字段C的 $b_1 \sim b_3$ 、 $b_5 \sim b_7$ 位，分别用于标识帧的发送序号 $N(S)$ 与接收序号 $N(R)$ 。
帧同步是指如何从接收到的比特流中正确判断一个帧开始和结束的位置。标志字段F(flag)就是帧的开始与结束的标记。
为了解决数据传输透明性问题，HDLC采用了0比特插入/删除法。
0比特插入/删除法：规定发送端在两个标志字段为F之间的比特序列中，如果检查出连续的5个1，不管它后面的比特位是0或1，都增加1个0比特；在接收过程中，在两个标志字段为F之间的比特序列中检查出连续的5个1之后就删除1个0比特。在发送端经过0比特插人后的数据，就可以保证不会出现6个连续1。在接收一个帧时，首先找到F字段以确定帧的起始边界，接着再对其中的比特序列进行检査，每当发现5个连续1时，就将这5个连续1后的1个0比特删除，以便将数据还原成原来的比特序列。采用0比特插入/删除方法后，帧的数据字段就可以传送任意组合的比特序列，实现了数据链路层的透明传输。

0比特插入/删除方法的工作过程

设计PPP协议的目标是：简洁、高效与兼容。
PPP协议的特点主要表现在以下3个方面：

（1）在物理层只支持点-点线路连接和全双工通信；支持异步通信或同步通信。
（2）PPP协议只实现帧封装、传输、拆帧与校验功能；不使用帧序号，不提供流量控制功能。
（3）随着通信线路质量的提高与光纤的广泛应用，物理层误码率明显降低。PPP协议只要求接收端进行CRC校验。判断帧传输正确，则接收该帧；如果CRC校验发现错误，则丢弃该帧。

PPP协议的帧有3种类型：PPP信息帧、PPP链路控制帧与PPP网络控制帧。

PPP信息帧格式

协议（protocol）字段值（2个字节）：

0x0021—表示PPP帧的信息字段是IP分组数据。
0xC021—表示信息字段是PPP协议的LCP数据帧。
0x8021—表示信息字段是PPP帧的NCP数据帧。

PPP工作过程示意图

LCP帧格式

差错控制是检测并纠正数据传输差错。最常用的检测方法是循环冗余编码CRC方法。
面向比特型数据链路层协议HDLC数据传输单元是帧，帧具有固定的结构。
PPP协议不仅应用于拨号电话线，并且在路由器-路由器之间的专用线路上也都广泛地使用。PPP协议既支持异步传输链路，也支持同步传输链路。
三种不同的介质访问控制方法对应三种不同类型的局域网：

① 采用带有冲突检测的载波侦听多路访问(CSMA/CD)访问控制方法的总线形Ethernet，称为“以太网”。
② 采用令牌控制的令牌总线形(Token Bus)局域网，称为“Token Bus”或“令牌总线网”。
③ 采用令牌控制的令牌环形(Token Ring)局域网，称为“Token Ring”或“令牌环网”。

三者的共同之处主要表现在以下方面：

（1）体系结构都遵循IEEE802层次结构模型；
（2）传输介质主要采用同轴电缆、双绞线与光纤；
（3）采用共享介质的方式发送与接收数据帧；
（4）介质访问控制都采用了分布式控制方法，局域网中没有集中控制的主机。

IEEE802.3标准是根据总线型Ethernet协议指定的，它的介质访问控制子层采用的是CSMA/CD控制算法。

总线型局域网结构

令牌是一种特殊结构的控制帧，用来控制节点对总线的访问权。令牌总线方法比较复杂，需要完成大量的逻辑环维护工作。

Token Bus结构与工作原理

令牌是一种特殊的MAC控制帧。令牌帧头中有一位用于标记令牌的忙/闲。令牌环控制的缺点主要是：环与令牌维护复杂，实现困难，组网成本高。

Token Ring结构与工作原理

CSMA/CD是一种随机访问控制方法，适用于对传输实时性要求不高的办公环境。在网络通信负荷较低时表现出较好的吞吐率与延迟特性。当网络通信负荷增大时，由于冲突增多，网络吞吐率下降、传输延迟增加。
确定型介质访问控制方法Token Bus、Token Ring的主要特点：

（1）适用于对数据传输实性要求较高的应用环境，如生产过程控制领域。
（2）在网络通信负荷较重时，表现出很好的吞吐率与较低的传输延迟，因此适用于通信负荷较重的应用环境。
（3）环的维护过程复杂，实现起来比较困难。

不同通信负荷下实际数据传输速率的比较

IEEE802.3标准：定义CSMA/CD总线介质（有线局域网）访问控制子层与物理层的标准。
IEEE802.11标准：定义无线局域网访问控制子层与物理层的标准。
CSMA/CD的发送流程可以简单概括为4步：先听后发，边听边发，冲突停止，延迟重发。

Ethernet主机数据发送流程

接收时钟与总线忙/闲状态

载波侦听不能完全消除冲突。多个主机共享公共传输介质发送数据需要进行“冲突检测”。一个缆段就是一个“冲突域”，若超过2倍的传播延迟（2t）时间没有检测出冲突，就能肯定该主机已取得总线访问权。因此， $\frac{2D}{V}$ 定义为“冲突窗口”。冲突窗口是指连接在一个缆段上所有主机都能够检测到冲突发生的最短时间。冲突窗口又称为争用期。

冲突窗口的概念

为了保证任何一个主机在发送一帧的过程中都能检测到冲突，就要求发送一个最短帧的时间都要超过冲突窗口的时间。若最短帧长度为 $L_{min}$ ，主机发送速率为 $S$ ， $D$ 为总线传输介质的最大长度， $V$ 是电磁波在介质中的传播速度，则其之间的关系为 $\frac{L_{min}}{S} \geq \frac{2D}{V}$ ，即 $D \leq \frac{V L_{min}}{2S}$ 。

曼彻斯特编码信号的波形叠加

发现冲突、停止发送：如果在发送数据过程中检测出冲突，为了解决信道争用冲突，发送主机要进入停止发送数据、随机延迟后重发的流程。随机延迟重发的第一步是发送“冲突加强干扰序列（jamming sequence）信号”；冲突加强干扰序列信号长度规定为32bit。
发送冲突加强干扰序列信号的目的是：确保有足够的冲突持续时间，使网中所有主机都能检测出冲突存在，并立即丢弃冲突帧，减少由于冲突浪费的时间，提高信道利用率。
随机延迟重发：帧的最大重发次数为16。CSMA/CD后退延迟算法是截止二进制指数后退延迟算法为： $\tau ＝2k \cdot R \cdot a$ ， $\tau$ 为重新发送所需的后退延迟的时间， $a$ 是冲突窗口值， $R$ 是随机数，二进制指数k的范围，定义了 $k=min(n, 10)$ ，重发次数 $n<10$ ，则 $k$ 取值为 $n$ ，重发次数 $n \geq 10$ 时，则 $k$ 取值为 $10$ 。

Ethernet帧结构

Ethernet接收流程分析：

① Ethernet主机只要不发送数据帧就应该处于接收状态。当某个主机完成了一帧数据接收后，首先要判断接收的帧长度，这是由于IEEE802.3规定了帧最小长度。若接收帧长度小于规定的最小帧长度，则表明冲突发生，应该丢弃该帧，主机重新进入等待接收状态。
② 帧目的地址检查。若目的地址为单一主机的物理地址，并且是本主机地址，则接收该帧；若为组地址，而接收主机属于该组，则接收该帧；若为广播地址，也应该接收该帧。若目的地址不符，则丢弃该接收帧。
③ 帧接收。
④ 帧校验。
⑤ 帧间最小间隔。

Ethernet主机的数据接收流程

Ethernet物理层标准命名方法：IEEE 802.3 X Type-Y Name。例如：IEEE 802.3 10 Base-5表示传输速率为10Mbps、基带传输、使用的粗同轴电缆，最大长度为500m的Ethernet物理层标准。

① X表示数据传输速率，单位为Mbps；
② Y表示网段的最大长度，单位为100m；
③ Type表示传输方式是基带还是频带；
④ Name表示局域网的名称。

将共享介质方式改成交换方式，这就导致了交换式局域网的研究与发展。
交换机（Switch）是工作在数据链路层，根据接入交换机帧的MAC地址，过滤、转发数据帧的一种网络设备。通过交换机可以将多台计算机以星状拓扑结构形成交换式局域网。
交换机具有以下4个基本功能：

① 建立和维护一个表示MAC地址与交换机端口号对应关系的映射表；
② 在发送主机与接收主机端口之间建立虚连接；
③ 完成帧的过滤与转发；
④ 执行生成树协议，防止出现环路。

局域网桥是利用存储转发的方式，以实现连接在不同缆段主机间帧的交互；而局域网交换机则是利用集成电路交换芯片在多个端口之间同时建立多个虚连接，以实现多对端口之间帧的并发传输。
交换机端口可以连接单一的主机，也可以连接集线器（Hub）、交换机或路由器。
地址学习是交换机通过检查帧的源地址与帧进入的交换机端口号之间的对应关系，来不断完善端口转发表的方法。在每次加入或更新端口转发表时，加入或更改的表项被赋予一个计时器，这使得该端口与MAC地址的对应关系能存储一段时间。若在计时器到时之后没有再次捕获到该端口与MAC地址的对应关系，该表项将会被删除。通过不断删除过时的、已经不使用的表项，交换机能够维持一个动态的端口转发表。

局域网交换机结构与工作原理示意图

交换机的交换方式有3种：① 直接交换；② 改进直接交换；③存储转发交换方式。

三种交换方式的比较

交换机交换带宽的计算方法：端口数 $\times$ 相应端口速率（全双工模式再乘以2）。
交互式Ethernet采用以交换机取代集线器；以交换机的并发连接取代共享总线的方式；以全双工方式取代半双工方式；以独占方式取代共享方式；由于不存在冲突，不采用CSMA/CD控制方法。
虚拟局域网（virtual LAN，VLAN）可以根据交换机的端口、MAC地址、IP地址与网络层协议等方式进行划分。

基于交换机端口的VLAN划分示意图

基于主机MAC地址的VLAN划分示意图

基于网络层地址或协议的VLAN划分示意图

中继器的工作原理

网桥（bridge）是实现多个局域网互联的网络设备。网桥是实现两个或两个以上相同类型的同构局域网的互联，也可以实现两个或两个以上不同类型的异构局域网的互联设备。
网桥主要有两大主要的功能：① 端口号与对应的MAC地址表的转发表生成与维护；② 帧接收、过滤与转发。

网桥结构与工作原理

按照网桥转发表的建立方法，网桥可以分为以下两类：源路由网桥与透明网桥。源路由网桥的帧传输路径是由源主机确定，而透明网桥的转发表是由网桥通过自学习算法来实现的。

网桥的工作流程

透明网桥和交换机使用一种生成树协议，以防止出现环路，同时又提供传输路径的备份功能。

网桥互联形成的环状结构

分析生成树协议执行过程的网络结构示意图

选择根网桥的方法是先比较网桥的优先级，若优先级相同，则选择MAC地址数最小的作为根网桥。
生成树协议希望形成一个传输延迟最小的帧传输路径。

网桥与中继器的比较

中继器、集线器、网桥与交换机的比较

802.3协议的MAC层采用的是CSMA/CD方法，而无线局域网802.11协议的MAC层采用的是CSMA/CA方法。两者相同之处：都采用了分布式控制---载波侦听、多路访问（CSMA）方法；二者区别在于：前者采用冲突检测（CD），后者采用“冲突避免（CA）”。
802.11规定了四种帧间间隔：

① 短帧间间隔：SIFS；
② 点协调功能帧间间隔：PIFS；
③ 分布协调功能帧间间隔：DIFS；
④ 扩展帧间间隔：EIFS。

802.11网络拓扑类型

CSMA/CA基本模式的工作原理

CSMA/CA的工作原理：① 信道监听、② 推迟发送、③ 冲突退避。

计网期末考点整理（第3,4章）

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