链路层和局域网

导引：

• 网络层解决了一个网络如何到达另一个网络的路由问题。
• 在一个网络内部如何由一个节点（主机或路由器）到达另一个相邻节点
  • 链路层的点到点传输层服务

网络节点的连接方式

• 点到点连接
• 多点连接：
  • 共享型介质
  • 通过网络交换机

数据链路层和局域网

• WAN（广域网）：网络形式采用点到点链路。
  • 带宽大，距离远（延迟大），就会使链路容量变大，产生碰撞。
  • 如果采用多点连接
    • 竞争方式：一旦冲突代价大
    • 令牌等协调方式：在其中协调节点的发送代价大
• 点到点链路的链路层服务实现非常简单，封装和解封装
• LAN（局域网）：一般采用多点连接的方式
  • 连接节点非常方便
  • 连接到共享介质上（或网络交换机），就可以连接所有其他节点。
• 多点连接方式网络的链路层功能实现相当复杂
  • 多点接入：协调各节点对共享性介质的访问和使用
  • 竞争方式：冲突之后的协调
  • 令牌方式：令牌产生，占有和释放等

链路层导论

一些术语:

• 主机和路由器是节点（网桥和交换机也是）：nodes
• 沿着通信路径,连接个相邻节点通信信道的是链路：links
  • 有线链路
  • 无线链路
  • 局域网，共享性链路
• 第二层协议数据单元帧frame，封装数据报
  数据链路层：负责从一个节点通过链路将（帧中的）数据报发送到相邻的物理节点

链路层：上下文

• 不同的链路上的数据报以不同的链路协议传送。
• 不同的链路协议提供不同的链路

链路层服务

• 成帧，链路接入：

  • 将数据报封装在帧中，加上帧头，帧尾部
  • 如果采用的是共享性介质，信道接入获得信道访问权
  • 在帧头部使用“MAC”（物理）地址来标示源和目的

• 在（一个网络内）相邻两个节点完成可靠数据传递
  一般化的链路层服务，不是所有的链路层都提供这些服务
  一个特定的链路层只是提供其中一部分的服务

• 在相邻节点间（一个子网内）进行可靠的转发
  链路层服务：

• 流量控制：

  • 使得相邻的发送方和接收方节点的速度匹配

• 错误检测

  • 差错由信号衰减和噪声引起
  • 接收方检测出的错误:
    • 通知发送端进行重传或丢弃帧

• 差错纠正

  • 接收端检查和纠正bit错误，不通过重传来纠正错误

• 半双工和全双工

  • 半双工：链路可以双向传输，但一次只有一个方向（同一方向的发和收）。

链路层在哪里实现？

• 在每一个主机上
  • 也在每个路由器上
  • 交换机的每个端口
• 链路层在一个“适配器上实现”
  • 以太网卡
  • 实现链路层和相应的物理层功能
• 接到主机的系统总线上
• 硬件，软件和固定的综合体

适配器通信

• 发送方：
  • 在帧中封装数据报
  • 加上差错控制编码，实现RDT（可靠数据传输）和流量控制功能等
• 接收方：
  • 检查有无出错，执行rdt（可靠数据传输）和流量控制功能等
  • 解封装数据报，将交至给上层

错误检测

EDC=差错检测和纠正位（冗余位）
D =数据由差错检测保护，可以包含头部字段
错误检测不是100%可靠的!

• 协议会漏检一些错误，但是很少
• 更长的EDC字段可以得到更好的检测和纠正效果

奇偶校验

奇偶校验(Parity Check)是一种校验代码传输正确性的方法。根据被传输的一组二进制代码的数位中“1”的个数是奇数或偶数来进行校验。采用奇数的称为奇校验，反之，称为偶校验。

单bit奇偶校验
检测单个bit级错误

2维奇偶校验
检测和纠正单个bit错误

校验和：CRC（循环冗余校验）

多点访问链路和协议

两种类型的链路（一个子网内部链路连接形式）

• 点对点
  • 拨号访问的PPP
  • 以太网交换机和主机之间的点对点链路
• 广播
  • 传统以太网
  • HFC上行链路
  • 802.11无线局域网

多路访问协议

• 单个共享的广播型链路
• 2个或更多站点同时传送: 冲突（collision）
  • 多个节点在同一个时刻发送，则会收到2个或多个信号叠加

多路访问协议（介质访问控制协议：MAC）

MAC（媒体访问控制）协议：分类

• 信道划分
  • 把信道划分成小片（时间、频率、编码）
  • 分配片给每个节点专用
• 随机访问
  • 信道不划分，允许冲突
  • 冲突后恢复
• 依次轮流
  • 节点依次轮流
  • 但是有很多数据传输的节点可以获得较长的信道使用权

a.信道划分MAC协议：TDMA

TDMA:time division multiple access

• 轮流使用信道，信道的时间分为周期
• 每个站点使用每周期中固定的时隙(长度=帧传输时间)传输帧
• 如果站点无帧传输，时隙空闲-》浪费

a.信道划分MAC协议：FDMA

FDMA: frequency division multiple access

• 信道的有效频率范围被分成一个个小的频段
• 每个站点被分配一个固定的频段
• 分配给站点的频段如果没有被使用，则空闲

a.码分多路访问（CDMA）

CDMA (code division multiple access) :

• 所有站点在整个频段上同时进行传输, 采用编码原理加以区分
• 完全无冲突
• 假定:信号同步很好,线性叠加
  

b.随机存取协议

• 当节点有帧要发送时
  • 以信道带宽的全部 R bps发送
  • 没有节点间的预先协调
• 两个或更多节点同时传输，会发生➜冲突“collision”
• 随机存取协议规定:
  • 如何检测冲突
  • 如何从冲突中恢复（如：通过稍后的重传）
• 随机MAC协议:
  • 时隙ALOHA
  • ALOHA
  • CSMA, CSMA/CD, CSMA/C