计算机网络-数据链路层

2019-01-02  本文已影响0人  良辰夜

1. 基本概念

1.1 数据层的作用及与网络层的分界

数据链路层主要研究链路上如何通信以及信道的通信方式。
而网络层主要研究多个网络互连的问题。

(交换机工作在数据链路层,路由器工作在网络层)

1.2 术语

1.3 通信的主要步骤

  1. 将网络层的数据包封装成帧。
  2. 将帧发送到链路上。
  3. 接受帧并取出其中的数据报交给网络层。

2. 三个基本问题

2.1 如何将数据封装成帧?

首部:SOH (start of header)
尾部:EOT (end of transmission)
最大传送单元:MTU(Maximum Transfer Unit)注意:仅仅指帧的数据部分,不包含SOH和EOT

首部和尾部一般作用是定界符,但不仅限于此。
而ETU则一般出于效率和占用链路的时间考虑,原则上,出于传输效率上考虑,数据报部分应该尽可能大于首部加尾部的长度。

定界符的几种常见方式与选择:

方案 优点 缺点
SOH 需要转义、包含字符少 1.SOH字符转义,2.无法做校验
SOH+length 1. 可做校验 2. 需要转义字符少 1.SOH字符需要转义 2. length的占用的字节不确定
SOH+EOT 1. 可做校验 2. 占用字节稳定 1.SOH、EOT字符需要转义

2.2 透明传输?

1. 传输就传输,为啥要讲透明传输,那什么是不透明传输?
因为首部或者尾部的数据可能会出现重合,那么就不可以传输这些特殊字符,这就是不透明传输,比如出现了EOT相同的字符,链路层就会错误的找到边界。

2. 如何解决不透明传输
我们可以类比java处理字符串中引号问题,在java中,我们加入了转义字符 \ ,来处理字符串中的特殊字符,那么在解决透明传输上,我们也可以参考这种办法。
字符填充法:
我们装帧的数据部分里面的 "SOT"、"EOT"前面加上"ESC"作为转义符,我们取帧时,去掉"ESC"字符。
这里可能数据部分里面也有"ESC"字符,我们可以在"ESC"字符前再加上"ESC"字符。

2.3 差错校验

现实的链路并不理想,在比特传输过程中可能由1变成0,也可能有0变成1,这种差错叫比特差错。目前在物理链路层,广泛采用循环冗余校验(CRC)的校验技术。

//TODO 专门写一章讲CRC,主要在于理解CRC的意义。

3. 可靠运输和不可靠运输

3.1 比特差错与传输差错。

传输常见差错可分为:比特差错、传输差错。
比特差错:接受的帧和原发送帧的数据不一致。
传输差错:
帧丢失、帧重复、帧失序
1)帧丢失:[#1],[#3]
2)帧重复:[#1],[#2],[#2],[#3]
3)帧失序:[#1],[#3],[#2]

所谓的无比特差错运输就是指传输中干掉了比特差错,目前我们通过CRC仅能做到对帧无比特差错接受,即凡是接受端数据链路层接受到的帧,我们都认为这些帧在传输过程中无差错,但是这并不代表可靠运输

3.2 什么是可靠传输,如何做到以及优缺点和场景

介绍:
简单的说,可靠传输就是干掉比特差错和传输差错。

如何做到:
即在无比特差错传输的基础上加上"帧编号","确认","重传机制",来确保可靠传输。

优缺:
但是我们可以看出,多加了3种机制,可以保证帧的传输不出差错的同时,意味着通讯效率的降低。

场景:
可以看出:
1.可靠运输的场景适用于通讯质量较差线路,容易出现帧丢失、帧重复、帧失序等问题。
2.不可靠运输的场景适用于通讯质量较好的线路

3.3 互联网的普遍的传输

事实上当前互联网对不同线路采用区别对待。
即:

4 点对点协议 PPP

3.5.1 特点
  1. 简单:
    对数据链路层的帧不需要确认、重传、序号,提供不可靠数据服务。(由传输层如TCP来做可靠校验)
    为什么PPP协议简单?
    由于不管是核心部分还是边缘部分,都会解析链路层协议,所以尽可能的将链路层协议写简单,这样解析快。可以将复杂的部分放入传输层协议(如TCP)来处理。
    大致流程:
    接收方接受到一个帧,对帧进行CRC校验,如果校验通过就收下这个帧,反之丢弃。
  1. 支持多种网络协议
    如IP、IPX。(向上兼容)
  2. 支持类型链路
    串行、并行、同步、异步、光信号、电信号(向下兼容)
  3. 检查连接状态
    隔几分钟就发心跳包。
    主要用于那些出现故障,隔了一段时间又恢复的链路。
  4. 网络层地址协商
    //TODO
  5. 数据压缩协商(不做强制规定,未进入标准化)
    如出现连续出现80个1,我们就压缩这个80个1,用过标志符表示80个1, 反正有很多压缩方法。

7.PPP协议仅支持点对点链路通信,不支持多点线路(一个主站轮流和多个从站通信)
8.PPP协议仅支持全双工链路。

3.5.2 协议组成
3.5.3 帧组成字段
3.5.4 异步传输和同步传输

https://www.jianshu.com/p/b0c5810a79ef
可以看出,异步传输是面向字符,而同步传输面向帧。

3.5.5 字节填充

当采取异步传输时,PPP协议选取字节填充。

  1. 将每一个0x7e转换成0x7d,0x5e
  2. 将每一个0x7d转换成0x7d,0x5d
  3. 将每一个小于0x23的字符前面加上0x7d
3.5.6 比特填充

当采取同步传输时,PPP协议采取比特填充。
对帧的数据部分中,每5个连续的1,后面添加一个0,这么做主要是,防止0x7e出现。
然后在接受端,每5个连续的1后面减少一个0。

3.5.7 PPP协议的工作方式

PPP链路的初始化:

  1. 用户拨号,建立一条从个人主机到ISP的物理链路。
  2. 个人主机向ISP发送链路控制协议LCP分组,建立LCP连接。(这些分组和响应决定了将要使用的一些PPP参数,如 是否使用PPP协议的地址和控制字段)
  3. 待成功建立LCP连接后,接着进行网络层配置,NCP协议给个人主机分配一个临时IP,此时用户个人电脑就成为互联网上一个有IP地址的主机了。

3.6 习题

  1. LCP包括哪些功能?
    封装成帧、透明传输、差错校验、连接状态检测。

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