數據鏈路層知識結構

文章目錄

• • 一.數據鏈路層的功能
  • 二.組幀
  • 三.差錯控制
  • 四.流量控制與可靠傳輸機制
  • 五.介質訪問控制
  • 六.局域網
  • 七.廣域網
  • 八.數據鏈路層設備

一.數據鏈路層的功能

1.為網絡層提供服務
對網絡層而言，數據鏈路層的基本任務是將源機器中來自網絡層的數據傳輸到目標機器的網絡層。數據鏈路層通常為網絡層提供如下服務

服務種類含義適用

1）無確認的無連接服務	源機器發送數據幀時不需要先建立鏈路連接，目的機器收到數據幀時不需要發回確認。對丟失的幀，數據鏈路層不負責重發而交給上層處理。	適用于實時通信或者誤碼率較低的通信信道，比如以太網
2）有確認的無連接服務	源機器發送數據幀時不需先建立鏈路連接，但目的機器收到數據幀時必須發回確認。源機器在所規定的時間內未收到確定信號時，就重傳丟失的幀，以提高傳輸的可靠性。	適用于誤碼率較高的通信信道，比如無線通信
3）有確認的面向連接服務	幀傳輸過程分為三個階段：建立數據鏈路、傳輸幀、釋放數據鏈路。目的機器對收到的每一幀都要給出確認，源機器收到確認后才能發送下一幀，因而該服務的可靠性最高。	適用于通信要求（可靠性、實時性）較高的場合

這里需要注意的是，有連接就一定有確認，也就是說，不存在無確認的面向連接服務。

2.鏈路管理
數據鏈路層連接的建立、維持和釋放過程稱為鏈路管理，它主要用于面向連接的服務。

3.幀定界、幀同步與透明傳輸
兩個工作站之間傳輸信息時，必須將網絡層的分組封裝成幀，以幀的格式進行傳送。將一段數據的前后分別添加首部和尾部，就構成了幀。首部和尾部中含有很多控制信息，它們的一個重要作用是確定幀的界限，即幀定界。

幀同步指的是接收方應能從接收到的二進制比特流中區分出幀的起始和終止。

如果在數據中恰好出現與幀定界符相同的比特組合（會誤認為傳輸結束而丟棄后面的數據），那么就要采取有效的措施解決這個問題，即透明傳輸。透明傳輸就是不管所傳數據是什么樣的比特組合，都應當能在鏈路上傳送。

4.流量控制
由于收發雙方各自的工作速率和緩存空間的差異，可能出現發送方的發送能力大于接收方接收能力的現象，如若此時不適當限制發送方的發送速率（即鏈路上的信息流量），前面來不及接收的幀將會被后面不斷發送來的幀淹沒，造成幀的丟失。因此，流量控制實際上就是限制發送方的數據流量，使其發送速率不超過接收方的接收能力。

流量控制并不是數據鏈路層特有的功能，許多高層協議中也提供此功能，只不過控制的對象不同。對于數據鏈路層來說，控制的是相鄰兩結點之間數據鏈路上的流量；對于運輸層而言，控制的則是從源端到目的端之間的流量。

5.差錯控制
由于信道噪聲等各種原因，幀在傳輸過程中可能會出現錯誤，通常來說，這些錯誤可分為位錯和幀錯。用以使發送方確定接收方是否正確收到由自己發送的數據的方法稱為差錯控制。

二.組幀

數據鏈路層之所以要把比特組合成幀為單位傳輸，是為了在出錯時只重發出錯的幀，而不必重發全部數據，從而提高效率。為了使接收方能正確地接收并檢查所傳輸的幀，發送方必須按照一定的規則把網絡層遞交的分組封裝成幀（稱為組幀）。組幀主要解決幀定界、幀同步、透明傳輸等問題。
注意：組幀時既要加首部，又要加尾部。原因是：在網絡中信息是以幀為最小單位進行傳輸的，所以接收端要正確地接收幀，必須要清楚該幀在一串比特流中從哪里開始到哪里結束。
組幀通常有以下4種方法

1.字符計數法
字符計數法是指在幀頭部使用一個計數字段來標明幀內字符數。目的結點的數據鏈路層收到字節計數值時，就知道后面跟隨的字節數（計數字段提供的字節數包含自身所占用的1個字節），從而可以確定幀結束的位置。比如傳51234，第一個字符5表示該幀共5個字符，包括計數的1個字符，所以幀的有效內容是1234四個字節。

2字符填充的首尾定界符法
字符填充法使用一些特定的字符來界定一幀的開始（DLE STX）與結束（DLE ETX）。為了使信息位種出現的特殊字符不被誤判為幀的首尾定界符，可以在特殊字符前面填充一個轉義字符（DLE）來加以區分（注意，注意字符是ASCII碼中的控制字符，是一個字符），以實現數據的透明傳輸（透明傳輸：不管傳送數據是什么樣的比特組合，都應當能夠在鏈路上傳送，不會出現因內容中含有界定符而誤判）。接收方收到轉義字符后，就知道其后面緊跟的是數據信息，而不是控制信息。

3 零比特填充的首尾標志法
零比特填充法允許數據幀包含任意個數的比特，也允許每個字符的編碼包含任意個數的比特。它使用一個特定的比特模式01111110（6個“1”）來標志一幀的開始和結束。發送方的數據鏈路層在信息位中遇到5個連續的1時，將自動在后面插入1個0.而接收方做該過程的逆過程，每收到5個連續的1時，自動刪除后面緊跟的0，以恢復原信息。

零比特填充法很容易由硬件來實現，性能優于字符填充法。

4 違規編碼法
在物理層進行比特編碼時，通常采用違規編碼法。例如，曼徹斯特碼將數據比特1編碼成“高低”電平對，將數據比特0編碼成“低高”電平對，而“高高”和“低低”電平對在數據比特中是違規的（即沒有采用）。可以借用這種違規編碼序列來定界幀的起始和終止。局域網IEEE 802 標準就采用了這種方法。

由于字節計數法中計數字段的脆弱性和字符填充法實現上的復雜性與不兼容性，目前較常用的組幀技術是比特填充法和違規編碼法。

三.差錯控制

四.流量控制與可靠傳輸機制

流量控制涉及對鏈路上的幀的發送速率的控制，以使得接收方有足夠的緩沖空間來接收每個幀。流量控制的基本方法是由接收方控制發送方發送數據的速率，常見的方式有兩種：停止等待協議和滑動窗口協議。

1.停止等待流量控制基本原理
發送方每發送一幀，

五.介質訪問控制

介質訪問控制所要完成的任務是，為使用介質的每個結點隔離來自同一信道上其他結點所傳送的信號，以協調活動結點的傳輸。用來決定廣播信道中信道分配的協議屬于數據鏈路層的一個子層，稱為介質訪問控制子層（MAC子層），介質訪問控制英文名稱為Medium Access Control（簡記為MAC）.

ALOHA協議

1）純ALOHA協議
純ALOHA協議的基本思想：當網絡中的任何一個站點需要發送數據時，可以不進行任何檢測就發送數據。如果在一段時間內未收到確認，那么該站點就認為傳輸過程中發生了沖突，發送站點需要等待一段時間之后再發送數據，直到發送成功。

如果發送的幀在時間上有重疊（即發生了碰撞），碰撞的結果是，碰撞雙方（也可能是多方）所發送的數據出現了差錯，都要進行重傳。純ALOHA協議采用的重傳策略是讓各站等待一段隨機的時間，然后再進行重傳。

2）間隙ALOHA協議
間隙ALOHA協議
間隙ALOHA協議把時間劃分為一段段等長的時隙（slot），間隙ALOHA仍然可以隨意發送數據， 但是只能在每個間隙開始時才能發送一個幀。

CSMA協議
載波偵聽多路訪問（Carrier Sense Multiple Access,CSMA）協議的基本思想：每個站點再發送數據前先偵聽一下共用信道，發現信道空閑后再發送。

三種CSMA協議的比較

信道狀態1-堅持非堅持p-堅持

空閑	立即發送數據	立即發送數據	以概率p發送數據，以概率1-p推遲到下一個時隙
忙	繼續堅持偵聽，直到信道空閑	放棄偵聽，等待一個隨機的時間之后再偵聽	持續偵聽，直到信道空閑

六.局域網

1.局域網的基本概念和體系結構

局域網（Local Area Network，LAN）是指在一個較小的地理范圍（如一所學校）內，將各種計算機、外部設備和數據庫系統等通過雙絞線、同軸電纜等連接介質互相連接起來，組成資源和信息共享的計算機互聯網絡。

局域網的特性主要由三個要素決定：拓撲結構、傳輸介質、介質訪問控制方式，其中最重要的是介質訪問控制方式，它決定著局域網的技術特性。

常見的局域網拓撲結構主要有以下4大類：星形結構，環形結構，總線形結構，星形和總線形結構的復合型結構。

局域網可以使用雙絞線、銅纜和光纖燈多種傳輸介質，其中雙絞線為主流傳輸介質。

局域網的介質訪問控制方法主要有CSMA/CD（先聽再說，邊說邊聽）、令牌總線和令牌環，其中前兩種主要用于總線形局域網，令牌環主要用于環形局域網。

2.以太網與IEEE 802.3

IEEE 802.3標準是一種基帶總線形的局域網標準，它描述物理層和數據鏈路層的MAC子層的實現方法。
以太網邏輯上采用總線形拓撲結構，以太網中的所有計算機共享同一條總線，信息以廣播方式發送。為了保證數據通信的方便性和可靠性，以太網簡化了通信流程并使用了CSMA/CD方式對總線進行訪問控制。

以太網采用兩項措施簡化通信：采用無連接的工作方式；不對發送的數據幀編號，也不要求接收方發送確認，即以太網盡最大努力交付數據，提供的是不可靠服務，對于差錯的糾正則由高層完成。

1.以太網的傳輸介質與網卡
以太網常用的傳輸介質有4種：粗纜、細纜、雙絞線和光纖。
各種傳輸介質的適用情況如下表：

參數10BASE510BASE210BASE-T10BASE-FL

傳輸媒體	基帶同軸電纜（粗纜）	基帶同軸電纜（細纜）	非屏蔽雙絞線	光纖對（850nm）
編碼	曼徹斯特編碼	曼徹斯特編碼	曼徹斯特編碼	曼徹斯特編碼
拓撲結構	總線形	總線形	星形	點對點
最大段長	500m	185m	100m	2000m
最多結點數目	100	30	3	3

注意：該表的內容是常識，需要熟記，比如題目中出現10BASE5時，是不會顯示地告訴你它的傳輸媒體、編碼方式、拓撲結構等信息的。

七.廣域網

八.數據鏈路層設備

沖突域和廣播域的概念

沖突域：在同一個沖突域中的每一個節點都能收到所有被發送的幀。簡單地說，就是同一時間內只能有一臺設備發送信息的范圍。
廣播域：網絡中能接收任一設備發出的廣播幀的所有設備的集合。簡單地說，如果站點發出一個廣播信號，所有能接收到這個信號的設備范圍稱為一個廣播域。

能否隔離沖突域能否隔離廣播域

物理層設備【傻瓜】（中繼器、集線器）	×	×
鏈路層設備【路人】（網橋、交換機）	√	×
網絡層設備【大佬】（路由器）	√	√

本章學習完之后的腦圖

總結

以上是生活随笔為你收集整理的计算机网络第三章-数据链路层的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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