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第三章：数据链路层

1.数据链路层使用的信道：点对点信道和广播信道

2.数据链路和帧:

(1)链路(物理链路)：一个结点到相邻结点的一段物理线路，中间没有任何转换结点。

(2)数据链路(逻辑链路)：由物理链路加上必要的通信协议构成。通常采用网络适配器来实现。

(3)帧：点对点信道的数据链路层的协议数据单元。

3.数据链路层的三大基本功能

3.1 封装成帧：在一端数据的首部和尾部分别加上帧开始符(SOH 01)和帧结束符(EOT 04)。另外：数据长度应当小于数据链路层协议规定的最大传输单元(MTU)。

3.2 透明传输：SOH和EOT都是二进制码，若帧中数据中出现了和SOH和EOT一样的二进制码，则会出现帧定界错误。为了解决这样的问题，可以在数据中出现控制字符SOH和EOT的前面加上转义字符ESC来避免上述错误(称为”字符填充法”)。

3.3 差错检测：

(1)误码率(BER)：在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比率

(2)循环冗余检验(CRC)：在数据后面添加供差错检测用的n位冗余码，在接收端通过冗余码来进行差错检测。

(3)帧检验序列(FCS)：添加在数据后面的冗余码。Tips:FCS可以用CRC获取，也可以不用CRC获得。

(4)CRC差错检测技术只能保证每一帧的无差错接收(比特差错)，但并不能解决帧丢失，帧重复以及帧失序等问题。

4.点对点协议PPP

4.1 帧格式：标志|地址|控制|协议|数据|校验|标志

(1) 标志：首部的标志符表示一个帧的开始，尾部的标志结束。规定为0x7E。

(2) 地址：因为是点对点，地址没有用，所以设为广播地址，0xFF

(3) 控制：规定为0x03，为保留字段，无意义

(4) 协议：2B，定义数据字段中携带的数据类型

(5) 数据：长度可变，最大不超过1500B(MTU)

(6) 校验：FCS，用于CRC校验

4.2 透明传输

(1)字节填充：异步传输时转义字符为0x7D。填充方法：0x7E转变成(0x7D,0x5E),0x7D转变成(0x7D,0x5D)，ASCII码的控制字符，即小于0x20的字符，如0x03变成(0x7D,0x23)。

(2)零比特填充：同步传输时采用此填充方法，因为F标志位0x7E(01111110)，数据段出现5个1就填充一个零，防止被误认为时F标志位。

4.3 PPP协议

(1) 链路控制协议簇(LCP)：建立，配置，测试PPP数据链路连接；

(2) 网络控制协议族（NCPS）：协商在该链路上所传输的数据包的格式与类型，建立，配置不同网络层协议；

(3) PPP扩展协议族：提供对PPP功能的进一步支持。

5.局域网的拓扑：星形网，环形网，总线网，树形网

6.CSMA/CD协议(半双工通信)：载波监听多点接入/碰撞检测(Carrier Sence Multiple Access with Collision Detection)

6.1 传统以太网的连接和数据编码方式：采用无连接的方式(即不必先建立连接就可以直接发送数据)，采用曼彻斯特(Manchester)编码，即高电平->低电平代表0，低电平到高电平代表1；

6.2 CSDA/CD协议要点

(1)多点接入：总线型网络

(2)载波监听：发送前先监听，如果其他站在发送数据则暂时不发送

(3)碰撞检测：边发送边监听，发送数据的同时检测总线信号电压来判断其他站是否在发送数据。档一个站检测到总线上的信号电压超过一定的阈值(超过阈值传输的信号会发生明显的失真)时，既表示总线上至少有两个站在发送数据，碰撞产生，适配器立刻停止发送。

6.3 截断二进制指数退避：碰撞不是立刻进行第二次发送，而是推迟一个随机的时间，为了减小再次重传时发送冲突的概率。基本步骤如下：

(1) 确定基本退避时间2τ，以太网把争用期(2τ)定为51.2μs,10M以太网一个争用期可以发送512bit，64字节

(2) 确定重传次数，k=Min(重传次数，10)，从离散集合[1,2,….,2^k-1]中选取一个数，记为r，则发生冲突后的基本退避时间为r倍的争用期

(3)当重传次数达16次仍然不能成功，则丢弃该帧，并向高层报告。

6.4 以太网规定最短有效帧长为64字节，凡长度小于64字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。还规定了帧间最小间隔为9.6μs，为了使刚刚收到数据帧的站的接受缓存来得及清理。

7.使用广播信道的以太网

7.1 集线器工作在物理层，只进行简单的转发比特，不尽兴碰撞检测

7.2 以太网的信道利用率：a = τ/T0,单程端到端时延τ与帧的发送时间T0之比。a越小，代表检测到碰撞的时间就越短，信道利用率越高。极限信道利用率Smax=T0/(T0+τ)=1/(1+a)；只有当参数a远小于1才能得到尽可能高的极限信道利用率。

7.3 MAC层：

(1)MAC地址：硬件地址或者物理地址，固化在网卡里面的物理地址。

(2)MAC帧格式：目的地址|源地址|类型|数据|FCS

• 目的地址，源地址：分别为6个字节的MAC地址，

• 类型：2个字节，用来标志上一层用了什么协议

• 数据字段：46-1500字节(最短有效帧长64减去首部和尾部的16个字节，得出46字节)

• FCS字段：进行CRC校验

在MAC向下传输到物理层的时候还需要在帧头部插入前同步码和帧开始定界符

• 前同步码：7字节，用于使接收端的适配器在接受MAC帧时能迅速调整到其时钟频率

• 帧开始定界符：1字节，顾名思义！

Tips:此处不需要帧结束定界符时因为采用了曼彻斯特编码，当电压不在变化的时候就代表结束了

8.以太网的扩展

(1)在物理层扩展：使用多级结构的集线器

(2)在数据链路层扩展：使用网桥,透明网桥，源路由网桥，多接口网桥(交换机)

9.高速以太网(100Mb/s以上)

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