计网笔记(3)——数据链路层

数据发送模型

• 数据链路层定义帧的开始和结束，检验开始和结束之间的数据传输是否正确。
• 数据链路层使用的信道有两种：点对点信道和广播信道。
• 链路是一条点对点的物理线路，中间没有任何其他交换站点。一条链路只是一条通路的一个组成部分。
• 数据链路除了物理线路外，还必须有通信协议来控制这些数据的传输。若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。
• 在数据链路层中称这种数据块为帧（frame），帧是数据链路层的传送单位。数据链路层给数据报加上帧头、帧尾、物理层地址和检验值。
  帧的传输

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三个基本问题

1、封装成帧

封装成帧就是在一段数据前后分别添加首部和尾部，然后构成一个帧。封装成帧确定帧的界限。首部和尾部的作用就是进行帧定界。

帧.png

2、透明传输

透明传输是指不管所传数据是什么样的比特组合，都应当能够在链路上传送。当所传数据中的比特组合恰巧与某一个控制信息完全一样时，就必须采取适当的措施，使接收方不会将这样的数据误认为是某种控制信息。这样才能保证数据链路层的传输是透明的。

若传输的数据是ASCII码中“可打印字符（共95个）”集时，一切正常。若传输的数据不是仅由“可打印字符”组成时，就会出现问题，SOH表示帧开始符，EOT表示帧结束符，如图所示：

含不可打印字符的帧传输

解决方法：

• 发送端的数据链路层在数据中出现控制字符“SOH”或“EOT”的前面加一个转义字符“ESC”（十六进制编码是1B）。
• 字节填充或字符填充：接收端的数据链路层在将数据送往网络层前删除插入的转义字符。

• 如果转义字符也出现在数据中，就在转义字符前也插入一个转义字符。当接收端收到连续两个转义字符时，就删除前一个转义字符。

  
  字节填充

3、差错控制

传输过程中可能产生比特差错：1可能变成0,0可能变成1。
在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比例成为误码率BER（Bit Error Rate）。误码率与信噪比有很大关系。因此需要采用差错检测。

在A向B发送数据的链路中间会经过多个路由器，路由器在数据链路层检测数据是否正确，如果错误就丢弃这个帧，以保证通过这个路由器传输过去的（不包括丢弃的）都是正确的帧。

链路层只进行差错检验，不进行差错纠正，差错纠正由传输层进行，由传输层进行可靠传输。链路层丢弃错误的帧后，发送端长期得不到帧接收确认信息，就会重新发送一次该帧。

循环冗余校验CRC
数据链路层传输中广泛使用了循环冗余校验CRC。

1. 在发送端，先把数据划分为组，每组k个比特。
2. 假设待传送的一组数据M=101001（k=6），我们在M的后面再添加供差错检测用的n位冗余码一起发送。
   冗余码的计算：

• 在二进制M后面添加n个0。假设n=3，则M变为（k+n）位的101 001 000.

• 把（k+n）位的数除以事先选定好的长度为（n+1）位的除数P，得到商是Q，余数是R，R为n位，也就是M的CRC冗余校验码。把余数R作为冗余码添加在数据M的后面发送过去。发送数据是 101 001 001，共（k+n）位。

  
  Paste_Image.png

注：可以用生成多项式来表示循环冗余的除数，例如P(X)=X^3+X2+1可以表示1101这个除数。

在数据后面添加上的冗余码称为帧校验序列FCS（Frame Check Sequence）。循环冗余检验CRC和帧检验序列FCS并不等同：

• CRC是一种常见的检错方法，而FCS是添加在数据后面的冗余码。
• FCS可以用CRC这种方法得出，但CRC并非用来获得FCS的唯一方法。

CRC检测不能确定究竟是哪一个或哪几个比特出现了差错，也不能保证如果出现错误就一定能检测出来（错误数据也可能得到正确的余数），但是只要经过严格的挑选，并使用位数足够多的除数P，那么出现检测不到的差错的概率就很小很小。

PPP协议实现无差错接收（错误的就丢掉），但不实现可靠传输。

CRC小结

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数据链路层点到点协议PPP

点到点PPP协议

现在全世界使用得最多的数据链路层协议是点对点协议PPP（Point-to-Point Protocol），用户使用拨号电话线接入因特网时，一般都是使用PPP协议。

PPP协议帧格式

标志字段F=0x7E标志了帧的开始和结束。
地址字段A只置为0xFF，由于是点对点通信，实际上并不起什么作用。
控制字段C通常置为0x03，没有什么特殊含义。

PPP协议的透明传输（字节填充）：
1. 字节填充

• 将信息字段中出现的每个0x7E字节变成2字节序列（0x7D，0x5E）。
• 若信息字段中出现一个0x7D的字节，则将其转变为2字节序列（0x7D，0x5D）。
• 若信息字段中出现ASCII码的控制字符（数值小于0x20的字符），则在该字符前加入一个0x7D字节，同时将该字符的编码加以改变。

2. 零比特填充
PPP协议用在SONET/SDH链路时，使用同步传输（一连串的比特连续传递，不保证是字节的整数倍）。这时PPP协议采用零比特填充方法来实现透明传输。

在发送端，只要发现信息部分有5个连续1，则立即填入一个0.接收端对帧中的比特流进行扫描，每当发现5个连续1时，就把这5个连续1后面的一个0删除。

零比特填充例子

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广播信道的数据链路层

碰撞检测 争用期 二进制指数类型退避算法

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以太网

以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。
当接收站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，其他什么也不做。差错的纠正由高层来决定。如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但以太网并不知道这是一个重传的帧，而是当做一个新的数据帧来发送。

信道利用率

一个帧从开始发送，经可能发生的碰撞后，将再重传数次，到发送成功且信道转为空闲（即再经过t时间使得信道上无信号在传播）时为止，是发送一帧所需的平均时间

MAC层（媒体访问控制层）

MAC地址，又称硬件地址或物理地址，48位，前三字节（高位24位）由IEEE的注册管理机构RA向厂家分配，后三字节（低24位）由厂家自行指派，必须保证生产出的适配器没有重复地址。这种48位地址称为MAC-48，通用名称为EUI-48.

MAC地址不可更改，但是可以更改通信时的MAC地址，也相当于“更改”了MAC地址。

MAC帧格式

• 类型字段用来标识上一层使用的是什么协议，以便把收到的MAC帧的数据上交给上一层的这个协议。
• 数据字段的正式名称是MAC客户数据字段
  最小长度64字节 - 18字节的首部和尾部 = 数据字段的最小长度46字节
  当数据字段的长度小于46字节时，应在数据字段的后面加入整数字节的填充字段，以保证以太网的MAC帧长不小于64字节。
• 为了达到比特同步，在传输媒体上实际传送的要比MAC帧还多8字节。在帧前面插入的8字节中第一个字段共7个字节，是前同步码，用来迅速实现MAC帧的比特同步。第二个字段是帧开始定界符，表示后面的信息就是MAC帧。

无效的MAC帧：
1）帧长度不是整数个字节；
2）用收到的帧检验序列FCS查出有差错；
3）数据字段的长度不在46~1500字节内。

帧最小间隔：
帧间隔最小间隔为9.6 us，相当于96 bit的发送时间（10M以太网）。一个站在检测到总线开始空闲后，还要等待9.6 us才能再次发送数据。这样做是为了使刚刚收到数据帧的站的接收缓存来得及清理，做好接收下一帧的准备。

百兆以太网（100Base-T）的帧最小间隔为0.96 us

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