【计网】链路层

计网
1. 概述
2. 物理层
3. 链路层
4. 网络层
5. 传输层
6. 应用层
7. 一些问题

---

3. 链路层

链路：从一个结点到相邻结点的一段物理线路

数据链路：将实现协议的硬件和软件加到连路上构成数据链路

• 通信协议控制在链路上的数据传输

3.1 链路层功能

3.1.1 为网络层服务

提供三种服务

• 无确认的无连接服务

• 有确认的无连接服务

• 有确认的有连接服务

  有连接就一定要确认

3.1.2 链路管理

用于面向连接的服务，数据链路连接建立、维持和释放的过程

3.1.3 组帧、帧同步、透明传输

3.1.4 差错控制

保证每一帧有且仅有一次正确地交付给接收方

3.1.5 流量控制

限制发送方的数据流量，使其发送速率不超过接收方的接收能力

• 链路层：控制两结点间数据链路上的流量
• 运输层：从源端到目的端间的流量

流量控制需要反馈机制的支持，即发送方需知道什么情况下可以接着发送下一帧，什么情况下暂停发送等待反馈信息

可靠传输

可靠传输：发送端发送啥，接收端接收啥

链路层的可靠传输与差错控制、流量控制是交织在一起的

• 在计算机网络中，数据的传输过程可能引起数据的丢失，出错等，因此一个可靠传输需要实现差错控制，确认和自动重传请求是实现差错控制的机制

确认：接收方向发送方反馈接收到正确的帧

超时重传：发一个帧启动相应的计时器，超时为收到确认，则发送方重发该帧

自动重传请求（ARQ）：接收方请求发送方重发出错帧的机制

3.1.6 介质访问控制

为使用介质的每个结点隔离同一信道上其他结点传输的信号

信道划分：把原来的一条广播信道，逻辑上分为几条用于结点间通信的互不干扰的信道

3.2 流量控制

流量控制基本基本方法是由接收方控制发送方的速率

3.2.1 原理

a. 停止-等待流量控制基本原理

发送方每发送一帧，都要等待接收方的应答信号，才能发送下一帧；接受方收到一帧，发送一个反馈信号，表示可以接受下一帧

b. 滑动窗口

发送窗口：发送方维护着一组连续的允许发送的帧的序号

接受窗口：接收方维护着一组连续的允许接受的帧的序号

发送方行为

• 发送方有可以发送的帧，才能发送
• 发送方每收到一个确认帧，发送窗口就向前滑一个帧
• 当发送窗口内没有可以发送的帧，发送方会停止发送，等待确认帧

接收方行为

• 接收方收到帧后，将窗口前移一，并发回确认帧

• 在接收方，落在接收窗口外的帧会被丢弃

性质

• 接收窗口为1时，可保证有序接收
• 在链路层的滑动窗口协议中，窗口大小是固定的

3.2.2 协议

a. 停等协议(单帧滑动窗口)

适用于网络传输可靠性差且分组易丢失的情况

b. 后退N帧协议GBN

发送窗口大小 $1\le W_T\le 2^n-1$

• 帧的编号为 n bit，假设发送窗口大小为 $2^n$，当收到 $AC{K}_0$ 时，无法确认是首部的0号帧还是尾部的0号帧

c. 选择重传协议SR

$接收窗口W_R+发送窗口W_T\le 2^n$ ，且 $接收窗口W_R\le 发送窗口W_T$ 发送窗口在接收窗口更新后才更新，故一般情况 $W_R=W_T$

性能指标

$发送周期=发送时延+RTT$ ：开始发送数据到接收到第一个ACK

• RTT：发送的数据的传播时延+ACK的传播时延

$信道利用率=\frac{发送时延}{发送周期}=\frac{\frac{发送数据量}{发送速率}}{发送周期}$ ：发送方在一个发送周期内发送数据的有效时间占发周期的比例

$信道吞吐率=信道利用率\times 发送方的发送速率$

$窗口数=\frac{发送周期}{单帧发送时延}$

3.3 介质访问控制

3.3.1 随机介质访问控制

介质由一个用户独占

胜者通过争用获得信道，从而获得发送信息的发送权

a. ALOHA协议

b. CSMA协议

c. CSMA/CD

检测到冲突，立即停止发送

d. CSMA/CA

即使发生冲突，也要坚持发完

3.3.2 轮询介质访问控制

有差错检测，不产生冲突，独占带宽

3.4 局域网

3.4.1 局域网的概念

小范围，如一个学校一个公司，将各种计算机、外部设备和数据库系统通过连接介质互相连接起来

特点

• 一个单位拥有，地理范围和站点数都有限
• 所有站点共享总带宽
• 较低的时延和误码率
• 各站为平等关系
• 能进行广播和组播

分类：

• 以太网：802.3
• 令牌网：802.5
• 无线局域网：802.11

在IEEE802中，各结点间只有唯一的链路，不需要进行路由选择和流量控制，所以不设置网络层

a. 拓扑结构

星形

• 中心是控制中心，任两结点通信只需要两步
• 传输速度快
• 可靠性差
• 中心结点故障敏感

总线形

• 单点故障小
• 是常用的拓扑结构

环状结构

• 单点故障敏感

• 时延长

• 不便扩充

  拓扑建好，通信方向即确定

b. 传输介质

双绞线为主流传输介质；同轴电缆，光纤

c. 介质访问控制方式

总线形：CSMA/CD；令牌总线

环形：令牌环

3.4.2 IEEE802.3

基带总线形局域网标准，描述MAC子层的实现方法

MAC子层：向上层屏蔽对物理层访问的差异，提供对物理层的同一访问接口

• 介质访问控制方式：CSMA/CD

• 信息以广播方式发送

• 无连接方式

• 尽最大努力交付数据，提供不可靠服务

  不对帧编号，不要求接收方发送确认

• 提供不可靠服务，尽最大努力交付

  只保证无差错接收，不提供流量控制

a. 以太网传输介质

xBASEy:

• x表示传输速率，如10BASE表示10Mb/s
• -T：对应UTP
• -FL：光纤快啊FastLine(肯定不是这个含义，能记住就行)

参数	10BASE5	10BASE2	10BASE-T	100BASE-T	10BASE-FL	10吉比特
传输介质	同轴电缆	同轴电缆	UTP(非屏蔽双绞线)	STP双绞线	光纤	光纤
拓扑结构	总线形	总线形	星形	星形	点对点
编码方式	曼彻斯特编码	曼彻斯特编码	曼彻斯特编码		曼彻斯特编码
				半双工:CSMA/CD 全双工不是		只有全双工

b. 网卡

用于主机与局域网的连接，网卡上装有处理器和存储器

网络适配器(Adapter)，网络接口卡(NIC)

功能

• 连接局域网、计算机和传输介质的接口
• 实现计算机与传输介质的物理连接和电信号匹配
• 组帧与拆帧
• 帧的发送与接收
• 介质访问控制
• 数据的编码解码（物理层性质，用于差错控制）
• 数据缓存（流量控制）

MAC地址

每块网卡都有唯一代码，MAC地址48个bit ：前24厂家地址

每个字节用 - 或 : 隔开：02-60-8c-e4-b1-21

以太网总线上是广播通信，网卡从网络上接收到一个帧，首先硬件检查MAC帧的目的MAC地址，若是本站的，则收下，不是则丢弃

c. 帧格式

MAC帧：前导码+以太网帧

前导码

• 前：接收端与发送端时钟同步
• 后：帧开始定界符

MAC帧不需要帧结束定界符，以太网发送帧，各帧之间必须有一定间隙，所以其后到达的比特流一定属于一个MAC帧，不需要结束定界符

链路层上的以太网帧，必须加首部和尾部

---

地址字段(6+6B)：网卡的MAC地址

---

类型(2B)：指出数据域的数据交个哪个协议处理，网络层协议

---

数据(46-1500B)：

最少46B，由于CSMA/CD限制，以太网MAC帧数据部分最小为64B，最大1500B

---

校验码(4B):

目的地址+类型字段+数据字段，32位CRC校验

3.4.3 IEEE802.11

无线局域网的标准

介质访问控制：CSMA/CA

3.4.4 令牌环网

3.5 广域网

广域网是覆盖范围广长距离网络，任务是长距离运送主机发送的数据

组成：结点交换机+链路

讨论的两个问题

• 路由选择：搜索分组从某个结点到目的结点的最佳传输路由，构造路由表

• 分组转发：根据路由表构造转发表，通过转发表转发分组

3.5.1 与局域网异同

a. 联系

局域网通过广域网和另一个相隔很远的局域网通信，广域网就是用交换机组成的更大的局域网

广域网与局域网都是互联网的构件，从互联网角度，二者等价

连接到同一个局域网或广域网的主机在该网内通信时，只需使用其网络的物理地址

b. 区别

	广域网	局域网
覆盖范围	很广，通常跨区域	较小
连接方式	结点间是点到点连接，通常一个广域网结点交换机和多个结点交换机连接	采用多点接入技术
通信方式	点对点	广播式
OSI层次	物理层，链路层，网络层	物理层，链路层
着重点	资源共享	数据传输

3.5.2 协议

3P协议保证帧没有传输错，但不保证可靠传输

3P协议与HDLC异同

相同点

• 都是全双工协议
• 透明传输
• 差错检测，无纠错

3P	HDLC
面向字节	面向字符
有2B协议字段
无帧编号 - 无确认机制 - 只保证无差错接收，端到端的差错检测由更高层负责	使用编号确认机制 实现可靠传输

3.6 链路层设备

3.6.1 冲突域与广播域

冲突域：同一冲突域中的每一个结点都能收到所有被发送的帧，即同一时间只能有一台设备发送的范围

广播域：同一广播域中的结点能收到任一设备发出的广播帧，即若一个站点发出一个广播信号，所有能收到这个信号的设备范围为一个广播域

3.6.2 网桥