數(shù)據(jù)鏈路層知識(shí)結(jié)構(gòu)

文章目錄

• • 一.數(shù)據(jù)鏈路層的功能
  • 二.組幀
  • 三.差錯(cuò)控制
  • 四.流量控制與可靠傳輸機(jī)制
  • 五.介質(zhì)訪問控制
  • 六.局域網(wǎng)
  • 七.廣域網(wǎng)
  • 八.數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)備

一.數(shù)據(jù)鏈路層的功能

1.為網(wǎng)絡(luò)層提供服務(wù)
對(duì)網(wǎng)絡(luò)層而言，數(shù)據(jù)鏈路層的基本任務(wù)是將源機(jī)器中來自網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥繕?biāo)機(jī)器的網(wǎng)絡(luò)層。數(shù)據(jù)鏈路層通常為網(wǎng)絡(luò)層提供如下服務(wù)

服務(wù)種類含義適用

1）無確認(rèn)的無連接服務(wù)	源機(jī)器發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)不需要先建立鏈路連接，目的機(jī)器收到數(shù)據(jù)幀時(shí)不需要發(fā)回確認(rèn)。對(duì)丟失的幀，數(shù)據(jù)鏈路層不負(fù)責(zé)重發(fā)而交給上層處理。	適用于實(shí)時(shí)通信或者誤碼率較低的通信信道，比如以太網(wǎng)
2）有確認(rèn)的無連接服務(wù)	源機(jī)器發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)不需先建立鏈路連接，但目的機(jī)器收到數(shù)據(jù)幀時(shí)必須發(fā)回確認(rèn)。源機(jī)器在所規(guī)定的時(shí)間內(nèi)未收到確定信號(hào)時(shí)，就重傳丟失的幀，以提高傳輸?shù)目煽啃浴?/td>	適用于誤碼率較高的通信信道，比如無線通信
3）有確認(rèn)的面向連接服務(wù)	幀傳輸過程分為三個(gè)階段：建立數(shù)據(jù)鏈路、傳輸幀、釋放數(shù)據(jù)鏈路。目的機(jī)器對(duì)收到的每一幀都要給出確認(rèn)，源機(jī)器收到確認(rèn)后才能發(fā)送下一幀，因而該服務(wù)的可靠性最高。	適用于通信要求（可靠性、實(shí)時(shí)性）較高的場(chǎng)合

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

2.鏈路管理
數(shù)據(jù)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(wù)。

3.幀定界、幀同步與透明傳輸
兩個(gè)工作站之間傳輸信息時(shí)，必須將網(wǎng)絡(luò)層的分組封裝成幀，以幀的格式進(jìn)行傳送。將一段數(shù)據(jù)的前后分別添加首部和尾部，就構(gòu)成了幀。首部和尾部中含有很多控制信息，它們的一個(gè)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(yīng)能從接收到的二進(jìn)制比特流中區(qū)分出幀的起始和終止。

如果在數(shù)據(jù)中恰好出現(xiàn)與幀定界符相同的比特組合（會(huì)誤認(rèn)為傳輸結(jié)束而丟棄后面的數(shù)據(jù)），那么就要采取有效的措施解決這個(gè)問題，即透明傳輸。透明傳輸就是不管所傳數(shù)據(jù)是什么樣的比特組合，都應(yīng)當(dāng)能在鏈路上傳送。

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

流量控制并不是數(shù)據(jù)鏈路層特有的功能，許多高層協(xié)議中也提供此功能，只不過控制的對(duì)象不同。對(duì)于數(shù)據(jù)鏈路層來說，控制的是相鄰兩結(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)鏈路上的流量；對(duì)于運(yùn)輸層而言，控制的則是從源端到目的端之間的流量。

5.差錯(cuò)控制
由于信道噪聲等各種原因，幀在傳輸過程中可能會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，通常來說，這些錯(cuò)誤可分為位錯(cuò)和幀錯(cuò)。用以使發(fā)送方確定接收方是否正確收到由自己發(fā)送的數(shù)據(jù)的方法稱為差錯(cuò)控制。

二.組幀

數(shù)據(jù)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(cuò)時(shí)只重發(fā)出錯(cuò)的幀，而不必重發(fā)全部數(shù)據(jù)，從而提高效率。為了使接收方能正確地接收并檢查所傳輸?shù)膸?#xff0c;發(fā)送方必須按照一定的規(guī)則把網(wǎng)絡(luò)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?shù)葐栴}。
注意：組幀時(shí)既要加首部，又要加尾部。原因是：在網(wǎng)絡(luò)中信息是以幀為最小單位進(jìn)行傳輸?shù)?#xff0c;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(jié)束。
組幀通常有以下4種方法

1.字符計(jì)數(shù)法
字符計(jì)數(shù)法是指在幀頭部使用一個(gè)計(jì)數(shù)字段來標(biāo)明幀內(nèi)字符數(shù)。目的結(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)鏈路層收到字節(jié)計(jì)數(shù)值時(shí)，就知道后面跟隨的字節(jié)數(shù)（計(jì)數(shù)字段提供的字節(jié)數(shù)包含自身所占用的1個(gè)字節(jié)），從而可以確定幀結(jié)束的位置。比如傳51234，第一個(gè)字符5表示該幀共5個(gè)字符，包括計(jì)數(shù)的1個(gè)字符，所以幀的有效內(nèi)容是1234四個(gè)字節(jié)。

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(jié)束（DLE ETX）。為了使信息位種出現(xiàn)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(gè)轉(zhuǎn)義字符（DLE）來加以區(qū)分（注意，注意字符是ASCII碼中的控制字符，是一個(gè)字符），以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明傳輸（透明傳輸：不管傳送數(shù)據(jù)是什么樣的比特組合，都應(yīng)當(dāng)能夠在鏈路上傳送，不會(huì)出現(xiàn)因內(nèi)容中含有界定符而誤判）。接收方收到轉(zhuǎn)義字符后，就知道其后面緊跟的是數(shù)據(jù)信息，而不是控制信息。

3 零比特填充的首尾標(biāo)志法
零比特填充法允許數(shù)據(jù)幀包含任意個(gè)數(shù)的比特，也允許每個(gè)字符的編碼包含任意個(gè)數(shù)的比特。它使用一個(gè)特定的比特模式01111110（6個(gè)“1”）來標(biāo)志一幀的開始和結(jié)束。發(fā)送方的數(shù)據(jù)鏈路層在信息位中遇到5個(gè)連續(xù)的1時(shí)，將自動(dòng)在后面插入1個(gè)0.而接收方做該過程的逆過程，每收到5個(gè)連續(xù)的1時(shí)，自動(dòng)刪除后面緊跟的0，以恢復(fù)原信息。

零比特填充法很容易由硬件來實(shí)現(xiàn)，性能優(yōu)于字符填充法。

4 違規(guī)編碼法
在物理層進(jìn)行比特編碼時(shí)，通常采用違規(guī)編碼法。例如，曼徹斯特碼將數(shù)據(jù)比特1編碼成“高低”電平對(duì)，將數(shù)據(jù)比特0編碼成“低高”電平對(duì)，而“高高”和“低低”電平對(duì)在數(shù)據(jù)比特中是違規(guī)的（即沒有采用）。可以借用這種違規(guī)編碼序列來定界幀的起始和終止。局域網(wǎng)IEEE 802 標(biāo)準(zhǔn)就采用了這種方法。

由于字節(jié)計(jì)數(shù)法中計(jì)數(shù)字段的脆弱性和字符填充法實(shí)現(xiàn)上的復(fù)雜性與不兼容性，目前較常用的組幀技術(shù)是比特填充法和違規(guī)編碼法。

三.差錯(cuò)控制

四.流量控制與可靠傳輸機(jī)制

流量控制涉及對(duì)鏈路上的幀的發(fā)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(gè)幀。流量控制的基本方法是由接收方控制發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)的速率，常見的方式有兩種：停止等待協(xié)議和滑動(dòng)窗口協(xié)議。

1.停止等待流量控制基本原理
發(fā)送方每發(fā)送一幀，

五.介質(zhì)訪問控制

介質(zhì)訪問控制所要完成的任務(wù)是，為使用介質(zhì)的每個(gè)結(jié)點(diǎn)隔離來自同一信道上其他結(jié)點(diǎn)所傳送的信號(hào)，以協(xié)調(diào)活動(dòng)結(jié)點(diǎn)的傳輸。用來決定廣播信道中信道分配的協(xié)議屬于數(shù)據(jù)鏈路層的一個(gè)子層，稱為介質(zhì)訪問控制子層（MAC子層），介質(zhì)訪問控制英文名稱為Medium Access Control（簡(jiǎn)記為MAC）.

ALOHA協(xié)議

1）純ALOHA協(xié)議
純ALOHA協(xié)議的基本思想：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的任何一個(gè)站點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，可以不進(jìn)行任何檢測(cè)就發(fā)送數(shù)據(jù)。如果在一段時(shí)間內(nèi)未收到確認(rèn)，那么該站點(diǎn)就認(rèn)為傳輸過程中發(fā)生了沖突，發(fā)送站點(diǎn)需要等待一段時(shí)間之后再發(fā)送數(shù)據(jù)，直到發(fā)送成功。

如果發(fā)送的幀在時(shí)間上有重疊（即發(fā)生了碰撞），碰撞的結(jié)果是，碰撞雙方（也可能是多方）所發(fā)送的數(shù)據(jù)出現(xiàn)了差錯(cuò)，都要進(jìn)行重傳。純ALOHA協(xié)議采用的重傳策略是讓各站等待一段隨機(jī)的時(shí)間，然后再進(jìn)行重傳。

2）間隙ALOHA協(xié)議
間隙ALOHA協(xié)議
間隙ALOHA協(xié)議把時(shí)間劃分為一段段等長(zhǎng)的時(shí)隙（slot），間隙ALOHA仍然可以隨意發(fā)送數(shù)據(jù)， 但是只能在每個(gè)間隙開始時(shí)才能發(fā)送一個(gè)幀。

CSMA協(xié)議
載波偵聽多路訪問（Carrier Sense Multiple Access,CSMA）協(xié)議的基本思想：每個(gè)站點(diǎn)再發(fā)送數(shù)據(jù)前先偵聽一下共用信道，發(fā)現(xiàn)信道空閑后再發(fā)送。

三種CSMA協(xié)議的比較

信道狀態(tài)1-堅(jiān)持非堅(jiān)持p-堅(jiān)持

空閑	立即發(fā)送數(shù)據(jù)	立即發(fā)送數(shù)據(jù)	以概率p發(fā)送數(shù)據(jù)，以概率1-p推遲到下一個(gè)時(shí)隙
忙	繼續(xù)堅(jiān)持偵聽，直到信道空閑	放棄偵聽，等待一個(gè)隨機(jī)的時(shí)間之后再偵聽	持續(xù)偵聽，直到信道空閑

六.局域網(wǎng)

1.局域網(wǎng)的基本概念和體系結(jié)構(gòu)

局域網(wǎng)（Local Area Network，LAN）是指在一個(gè)較小的地理范圍（如一所學(xué)校）內(nèi)，將各種計(jì)算機(jī)、外部設(shè)備和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等通過雙絞線、同軸電纜等連接介質(zhì)互相連接起來，組成資源和信息共享的計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。

局域網(wǎng)的特性主要由三個(gè)要素決定：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、傳輸介質(zhì)、介質(zhì)訪問控制方式，其中最重要的是介質(zhì)訪問控制方式，它決定著局域網(wǎng)的技術(shù)特性。

常見的局域網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有以下4大類：星形結(jié)構(gòu)，環(huán)形結(jié)構(gòu)，總線形結(jié)構(gòu)，星形和總線形結(jié)構(gòu)的復(fù)合型結(jié)構(gòu)。

局域網(wǎng)可以使用雙絞線、銅纜和光纖燈多種傳輸介質(zhì)，其中雙絞線為主流傳輸介質(zhì)。

局域網(wǎng)的介質(zhì)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(huán)，其中前兩種主要用于總線形局域網(wǎng)，令牌環(huán)主要用于環(huán)形局域網(wǎng)。

2.以太網(wǎng)與IEEE 802.3

IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)是一種基帶總線形的局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，它描述物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的MAC子層的實(shí)現(xiàn)方法。
以太網(wǎng)邏輯上采用總線形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以太網(wǎng)中的所有計(jì)算機(jī)共享同一條總線，信息以廣播方式發(fā)送。為了保證數(shù)據(jù)通信的方便性和可靠性，以太網(wǎng)簡(jiǎn)化了通信流程并使用了CSMA/CD方式對(duì)總線進(jìn)行訪問控制。

以太網(wǎng)采用兩項(xiàng)措施簡(jiǎn)化通信：采用無連接的工作方式；不對(duì)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀編號(hào)，也不要求接收方發(fā)送確認(rèn)，即以太網(wǎng)盡最大努力交付數(shù)據(jù)，提供的是不可靠服務(wù)，對(duì)于差錯(cuò)的糾正則由高層完成。

1.以太網(wǎng)的傳輸介質(zhì)與網(wǎng)卡
以太網(wǎng)常用的傳輸介質(zhì)有4種：粗纜、細(xì)纜、雙絞線和光纖。
各種傳輸介質(zhì)的適用情況如下表：

參數(shù)10BASE510BASE210BASE-T10BASE-FL

傳輸媒體	基帶同軸電纜（粗纜）	基帶同軸電纜（細(xì)纜）	非屏蔽雙絞線	光纖對(duì)（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?fù)浣Y(jié)構(gòu)	總線形	總線形	星形	點(diǎn)對(duì)點(diǎn)
最大段長(zhǎng)	500m	185m	100m	2000m
最多結(jié)點(diǎn)數(shù)目	100	30	3	3

注意：該表的內(nèi)容是常識(shí)，需要熟記，比如題目中出現(xiàn)10BASE5時(shí)，是不會(huì)顯示地告訴你它的傳輸媒體、編碼方式、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等信息的。

七.廣域網(wǎng)

八.數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)備

沖突域和廣播域的概念

沖突域：在同一個(gè)沖突域中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都能收到所有被發(fā)送的幀。簡(jiǎn)單地說，就是同一時(shí)間內(nèi)只能有一臺(tái)設(shè)備發(fā)送信息的范圍。
廣播域：網(wǎng)絡(luò)中能接收任一設(shè)備發(fā)出的廣播幀的所有設(shè)備的集合。簡(jiǎn)單地說，如果站點(diǎn)發(fā)出一個(gè)廣播信號(hào)，所有能接收到這個(gè)信號(hào)的設(shè)備范圍稱為一個(gè)廣播域。

能否隔離沖突域能否隔離廣播域

物理層設(shè)備【傻瓜】（中繼器、集線器）	×	×
鏈路層設(shè)備【路人】（網(wǎng)橋、交換機(jī)）	√	×
網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備【大佬】（路由器）	√	√

本章學(xué)習(xí)完之后的腦圖

總結(jié)

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?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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