计算机网络体系结构-数据链路层

大耗子 2020年03月12日 223次浏览

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数据链路层

  • 数据链路层使用的信道主要有以下两种类型:

    • 点对点信道。这种信道使用一对一的点对点通信方式。
    • 广播信道。这种信道使用一对多的广播通信方式,因此过程比较复杂。广播信道上连接的主机很多,因此必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机的数据发送
  • 数据链路层数据单位是帧

链路(物理链路)

  • 是一条点到点的物理线路段,中间没有任何其他的交换结点。即,两个设备相邻。

  • 一条链路只是一条通路的一个组成部分。

数据链路(逻辑链路=链路+控制数据传输的规程)

  • 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。

  • 控制数据传输的规程(链路层协议)

  • 现在最常用的方法是使用适配器(即网卡)来实现这些协议的硬件和软件。

  • 一般的适配器都包括了数据链路层和物理层这两层的功能。

传输的三个基本问题

封装成帧

  1. 封装成帧(framing)就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部,然后就构成了一个帧。确定帧的界限。
  2. 首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界。

成帧方法:

  • 带位填充的首尾标记定界法

    帧头和帧尾都用一个特殊的位串“01111110”,称为标记(flag)
    思路:正文里永远不让出现6个连续的1
    方法:“0”比特填充删除技术

    • 发送方填充0:
      在正文中只要见到5个连续的1就在其后插入0

    • 接收方删除0:
      接收时只要见到5个连续的1,分两种情况处理
      1、若其后是0则删除之
      2、若其后是1表示为帧头或帧尾

  • 违法编码法

    • 该法在物理层采用特定的比特编码方法时采用。例如,曼彻斯特编码方法,是将数据比特“1”编码成“高-低”电平对,将数据比特“0”编码成“低-高”电平对。而“高-高”电平对和“低-低”电平对在数据比特中是违法的。可以借用这些违法编码序列来定界帧的起始与终止。
  • 带字符填充的首尾标记定界法

    • 帧开始符SOH:start of head(0x01)

    • 帧结束符EOT:end of text(0x04)

透明传输

透明传输的问题

  • 解决透明传输问题:

    • 发送端的数据链路层在数据中出现控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入一个转义字符“ESC”(其十六进制编码是 1B)。

    • 字节填充(byte stuffing)或字符填充(character stuffing)——接收端的数据链路层在将数据送往网络层之前删除插入的转义字符。

    • 如果转义字符也出现数据当中,那么应在转义字符前面插入一个转义字符。当接收端收到连续的两个转义字符时,就删除其中前面的一个。

解决透明传输问题

差错控制(检测)

  • 在传输过程中可能会产生比特差错:1 可能会变成 0 而 0 也可能变成 1。

  • 在一段时间内,传输错误的比特占所传输比特总数的比率称为误码率 BER (Bit Error Rate)。

  • 为了保证数据传输的可靠性,在计算机网络传输数据时,必须采用各种差错检测措施。

循环冗余检验的原理

  • 在数据链路层传送的帧中,广泛使用了循环冗余检验 CRC 的检错技术(Cyclic Redundancy Check)。
  • 在发送端,先把数据划分为组。假定每组 k 个比特。
  • 假设待传送的一组数据 M = 101001(现在 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

  • 用二进制的模 2 运算进行 2^n 乘 M 的运算,这相当于在 M 后面添加 n 个 0。
  • 得到的 (k + n) 位的数除以事先选定好的长度为 (n + 1) 位的除数 P,得出商是 Q 而余数是 R,余数 R 比除数 P 少1 位,即 R 是 n 位。 即通过 P 也就可以判断出冗余码的长度。
  • 实际上也就是余数 R 替换掉原先在 M 后面添加的 n 个 0

冗余码的计算举例

现在 k = 6, M = 101001。
设 n = 3, 除数 P = 1101,
被除数是 2^n*M = 101001000。 
模 2 运算的结果是:商 Q = 110101,
           余数 R = 001。
把余数 R 作为冗余码添加在数据 M 的后面发送出去。
发送的数据是:2^n*M + R 
   即:101001001,共 (k + n) 位。 

计算过程

帧检验序列 FCS

  • 在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列 FCS (Frame Check Sequence)。

  • 循环冗余检验 CRC 和帧检验序列 FCS并不等同。

    • CRC 是一种常用的检错方法,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。

接收端对收到的每一帧进行 CRC 检验

  • 校验的原理:发送端信息码除生成式P,在接收端收到的内容除生成式P的结果应为零.

    (1) 若得出的余数 R = 0,则判定这个帧没有差错,就接受(accept)。
    (2) 若余数 R != 0,则判定这个帧有差错,就丢弃。

    • 但这种检测方法并不能确定究竟是哪一个或哪几个比特出现了差错。
    • 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。

应当注意

  • 仅用循环冗余检验 CRC 差错检测技术只能做到无差错接受(accept)。
  • “无差错接受”是指:“凡是接受的帧(即不包括丢弃的帧),我们都能以非常接近于 1 的概率认为这些帧在传输过程中没有产生差错”。
  • 也就是说:“凡是接收端数据链路层接受的帧都没有传输差错”(有差错的帧就丢弃而不接受)。
  • 要做到“可靠传输”(即发送什么就收到什么)就必须再加上确认和重传(丢失,重复和失序)机制。

差错控制功能

  • 通信系统必须具备发现(即检测)差错的能力,并采取措施纠正之
  • 要求接受方收完一帧后,向发送方反馈一个接收是否正确的信息,使发送方据此做出是否需要重新发送的决定。
  • 自动重发请求(ARQ, (Automatic Repeat reQuest) )
  • 为了避免“丢失”一帧的情况或重复发送多次的情况,数据链路层通过使用计数器和序号