三、數(shù)據(jù)鏈路層

3.1 基本概念及基本問題

3.1.1基本概念

數(shù)據(jù)鏈路層的簡單模型

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• 數(shù)據(jù)鏈路層的信道類型
  數(shù)據(jù)鏈路層使用的信道主要有以下兩種類型：
  1、點(diǎn)對點(diǎn)信道：這種信道使用一對一的點(diǎn)對點(diǎn)通信方式
  2、廣播信道：這種信道使用一對多的廣播通信方式，因此過程比較復(fù)雜。廣播信道上連接的主機(jī)很多，因此必須使用抓用的共享信道協(xié)議來協(xié)調(diào)這些主機(jī)的數(shù)據(jù)發(fā)送。

• 鏈路與數(shù)據(jù)鏈路
  1、鏈路是一條點(diǎn)到點(diǎn)的物理線路段，中間沒有任何其他的交換結(jié)點(diǎn)。一條鏈路只是一條通路的一個組成部分。
  2、數(shù)據(jù)鏈路除了物理線路外，還必須有通信協(xié)議來控制這些數(shù)據(jù)的傳輸。若把實(shí)現(xiàn)這些協(xié)議的硬件和軟件加到鏈路上，就構(gòu)成了數(shù)據(jù)鏈路?，F(xiàn)今最常用的方法是使用適配器（即網(wǎng)卡）來實(shí)現(xiàn)這些協(xié)議的硬件和軟件。一般的適配器都包括了數(shù)據(jù)鏈路層和物理層這兩層的功能。

• 幀
  

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  說明：網(wǎng)絡(luò)層中傳遞過來的數(shù)據(jù)報加上幀頭和幀尾以及校驗(yàn)之后就變?yōu)閿?shù)據(jù)幀了。數(shù)據(jù)鏈路層就像一個數(shù)字管道，所以常常在兩個對等的數(shù)據(jù)鏈路層之間畫出一個數(shù)字管道，而在這條數(shù)字管道上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單位就是幀。

3.1.2 三個基本問題

• 封裝成幀
  1、封裝成幀就是在一段數(shù)據(jù)的前后分別添加首部和尾部，然后就構(gòu)成了一個幀。確定幀的界限。
  2、首部和尾部的一個重要作用就是進(jìn)行幀定界。
  
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  下面看一個例子，用控制字符進(jìn)行幀定界的方法
  
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  說明：試想，幀還未發(fā)送完，發(fā)送端出了問題，只能重發(fā)該幀。接收端卻收到了前面“半截子幀”，它會拋棄嗎？為什么？當(dāng)然這里的開始和結(jié)束字符也可以是別的。

• 透明傳輸
  

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  說明：若傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是ASCII碼中“可打印字符（供95個）”集時，一切正常。若傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不是僅由“可打印字符”組成時，就會出現(xiàn)問題，如圖所示。如果數(shù)據(jù)部分恰好包含了開始標(biāo)記或者結(jié)束標(biāo)記，如何告訴計算機(jī)？
  
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  說明：發(fā)送端的數(shù)據(jù)鏈路層在數(shù)據(jù)中出現(xiàn)控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入一個轉(zhuǎn)義字符“ESC”（其十六進(jìn)制編碼是1B）。字節(jié)填充或字符填充：接收端的數(shù)據(jù)鏈路層在將數(shù)據(jù)送往網(wǎng)絡(luò)層之前刪除插入的轉(zhuǎn)義字符。如果轉(zhuǎn)義字符也出現(xiàn)在數(shù)據(jù)當(dāng)中，那么應(yīng)在轉(zhuǎn)義字符前插入一個轉(zhuǎn)義字符。當(dāng)接收端收到連續(xù)的兩個轉(zhuǎn)義字符時，就刪除其中前面的一個。

• 差錯控制
  傳輸過程中可能會產(chǎn)生比特差錯：1可能會變成0，而0也可能變成1。在一段時間內(nèi)，傳輸錯誤的比特占所傳輸比特總數(shù)的比率稱為誤碼率BER（Bit Error Rate）。誤碼率與信噪比有很大關(guān)系。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕谟嬎銠C(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)時，必須采用各種差錯檢測措施。數(shù)據(jù)鏈路層中如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有誤會直接將其扔掉，而是否需要重發(fā)是由傳輸層來決定。

3.2 兩種情況下的數(shù)據(jù)鏈路層

3.2.1 使用點(diǎn)對點(diǎn)信道的數(shù)據(jù)鏈路層

• PPP協(xié)議使用場合
  

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  說明：我們家用的電腦到路由器的那根線就是點(diǎn)對點(diǎn)，使用的是PPP協(xié)議。這是一個數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議。現(xiàn)在全世界是有那個的最多的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議是點(diǎn)對點(diǎn)協(xié)議PPP（Point-toPoint Protocol）。用戶使用撥號電話線接入Internet時，一般都是使用此協(xié)議。

• PPP協(xié)議滿足的要求

  • 簡單：這是首要的要求
  • 封裝成幀
  • 透明性
  • 多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議：如TCP
  • 多種類型鏈路
  • 差錯檢測
  • 檢測連接狀態(tài)
  • 最大傳送單元
  • 網(wǎng)絡(luò)層地址協(xié)商
  • 數(shù)據(jù)壓縮協(xié)商

• PPP協(xié)議不需要滿足的要求

  • 糾錯
  • 流量控制
  • 序號
  • 多點(diǎn)線路
  • 半雙工或單工鏈路

• PPP協(xié)議的組成

  • 數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議可以用于異步串行或同步串行介質(zhì)
  • 它使用LCP（鏈路控制協(xié)議）建立并維護(hù)數(shù)據(jù)鏈路連接，如身份驗(yàn)證，計費(fèi)
  • 網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議（NCP）允許在點(diǎn)到點(diǎn)連接上使用多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，如圖所示
    
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• PPP協(xié)議的幀格式
  

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  說明：其中A、C段是固定的，因?yàn)檫@是點(diǎn)對點(diǎn)，所以不需要地址。而FCS是幀檢驗(yàn)序列。PPP是面向字節(jié)的，所有的PPP幀的長度都是整數(shù)字節(jié)。
  這里也會出現(xiàn)字節(jié)填充的問題：信息字段中出現(xiàn)了標(biāo)志字段的值，可能會被誤認(rèn)為是“標(biāo)志”，怎么辦？
  • 將信息字段中出現(xiàn)的每個0x7E字節(jié)轉(zhuǎn)變成兩個字節(jié)序列（0x7D，0x5E）
  • 若信息字段中出現(xiàn)一個0x7D的字節(jié)，則將其轉(zhuǎn)變成兩個字節(jié)序列（0x7D，0x5D）
  • 若信息字段中出現(xiàn)ASCII碼的控制字符（即數(shù)值小于0x20的字符），則在該字符前面要加上一個0x7D字節(jié)，同時將該字符的編碼加以改變。

如果信息部分傳遞的不是上面所說的字節(jié)流，而是二進(jìn)制流，則透明傳輸?shù)膯栴}需要使用零比特填充方法：PPP協(xié)議用在SONET/SDH鏈路時，是使用同步傳輸（一連串的比特連續(xù)傳送）。這時PPP協(xié)議采用零比特填充方法來實(shí)現(xiàn)透明傳輸。在發(fā)送端，只要發(fā)現(xiàn)有五個連續(xù)的1，則立即填入一個0。接收端對幀中的比特流進(jìn)行掃描。每當(dāng)發(fā)現(xiàn)五個連續(xù)1，就把這五個連續(xù)1后的一個0刪除。

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• PPP協(xié)議不使用序號和確認(rèn)機(jī)制
  此協(xié)議之所以不適用序號和確認(rèn)機(jī)制是出于一下考慮：

  • 在數(shù)據(jù)鏈路層出現(xiàn)差錯的概率不大時，使用比較簡單的PPP協(xié)議較為合理
  • 在Internet環(huán)境下，PPP的信息字段放入的數(shù)據(jù)是IP數(shù)據(jù)報。數(shù)據(jù)鏈路層的可靠傳輸并不能夠保證網(wǎng)絡(luò)層的傳輸頁式可靠的。比如在傳輸?shù)倪^程中數(shù)據(jù)丟失了、有錯，這里是不會讓發(fā)送端重發(fā)的，如果有錯就扔掉。
  • 幀檢驗(yàn)序列FCS字段可保證無差錯接受。

• PPP協(xié)議的工作狀態(tài)
  當(dāng)用戶撥號接入ISP時，路由器的調(diào)制解調(diào)器對撥號做出確認(rèn)，并建立一條物理連接。PC機(jī)向路由器發(fā)送一系列的LCP分組（封裝成多個PPP幀）。這些分組及其響應(yīng)的選擇一些PPP參數(shù)，和進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)層配置，NCP（網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議）給新接入的PC機(jī)分配一個臨時的IP地址，使PC機(jī)稱為Internet上的一個主機(jī)。通信完畢時，NCP釋放網(wǎng)絡(luò)層連接，收回原來分配出去的IP地址。接著，LCP釋放數(shù)據(jù)鏈路層連接。最后釋放的是物理層的連接。

3.2.2 使用廣播信道的數(shù)據(jù)鏈路層

局域網(wǎng)中使用廣播信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

• 共享通信媒體
  1、靜態(tài)劃分信道（太麻煩，一般不使用）
  頻分復(fù)用
  時分復(fù)用
  波分復(fù)用
  馬分復(fù)用
  2、動態(tài)媒體接入控制（多點(diǎn)接入）
  隨機(jī)接入（主要被以太網(wǎng)采用）
  受控接入，如多點(diǎn)線路探尋或輪詢（目前已不被采用）

• 認(rèn)識以太網(wǎng)
  最初的以太網(wǎng)是將許多計算機(jī)都連接到一根總線上。當(dāng)初人為這樣的連接方法既簡單又可靠，因?yàn)榭偩€上沒有源器件。
  

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  說明：這是正常情況下的情況，但是如果A計算機(jī)想要獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，就可以使用一些抓包工具實(shí)現(xiàn)，這樣信息就不安全了。

• 以太網(wǎng)使用CSMA/CD協(xié)議
  CSMA/CD表示載波監(jiān)聽多點(diǎn)接入/碰撞檢測Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection。“多點(diǎn)接入”表示許多計算機(jī)以多點(diǎn)接入的方式連接在一根總線上行?！拜d波監(jiān)聽”是指每一個站在發(fā)送數(shù)據(jù)之前先要檢測一下總線上是否有其他計算機(jī)在發(fā)送數(shù)據(jù)，如果有，則暫時不要發(fā)送數(shù)據(jù)，以免發(fā)生碰撞，就是用電子技術(shù)檢測總線上有沒有其他計算機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)信號。

• 碰撞檢測

  • 碰撞檢測就是計算機(jī)邊發(fā)送數(shù)據(jù)邊檢測信道上的信號電壓大小。
    1、當(dāng)幾個站同時在總線上發(fā)送數(shù)據(jù)時，總線上的信號電壓擺動值將會增大（互相疊加）
    2、當(dāng)一個站檢測到信號電壓擺動值超過一定的門限值時，就人為總線上至少有兩個站同時在發(fā)送數(shù)據(jù)，標(biāo)明產(chǎn)生了碰撞。
    3、所謂“碰撞”就是發(fā)生了沖突。因此“碰撞檢測”也稱“沖突檢測”。
  • 檢測到碰撞后
    1、在發(fā)生碰撞時，總線上傳輸?shù)男盘柈a(chǎn)生了嚴(yán)重的失真，無法從中恢復(fù)出有用的信息來。
    2、每一個正在發(fā)送數(shù)據(jù)的站，一旦發(fā)現(xiàn)總線上出現(xiàn)了碰撞，就要立即停止發(fā)送，免得繼續(xù)浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)資源，然后等待一段隨機(jī)時間后再次發(fā)送。

• CSMA/CD協(xié)議的重要特性
  使用此協(xié)議的以太網(wǎng)不能進(jìn)行全雙工通信而只能進(jìn)行雙向交替通信（半雙工通信）。每個站在發(fā)送數(shù)據(jù)之后一小段時間內(nèi)，存在著遭遇碰撞的可能性。這種發(fā)送的不確定性使整個以太網(wǎng)的平均通信量遠(yuǎn)小于以太網(wǎng)的最高數(shù)據(jù)率。

• 爭用期
  最先發(fā)送數(shù)據(jù)幀的站，在發(fā)送數(shù)據(jù)幀后至多經(jīng)過時間2τ（兩倍的端到端時延）就可知道發(fā)送的數(shù)據(jù)幀是否遭到了碰撞。經(jīng)過爭用期這段時間還沒有檢測到碰撞，才能肯定這次發(fā)送不會發(fā)生碰撞。
  爭用期
  1、以太網(wǎng)的端到端時延2τ稱為爭用期或碰撞窗口。通常，取51.2μs為爭用期的長度。
  2、對于10Mb/s以太網(wǎng)，在爭用期內(nèi)可發(fā)送512bit，即64字節(jié)
  3、以太網(wǎng)在發(fā)送數(shù)據(jù)時，若前64字節(jié)未發(fā)生沖突，則后續(xù)的數(shù)據(jù)就不會發(fā)生沖突
  最短有效幀長
  1、如果發(fā)生沖突，就一定是在發(fā)送的前64字節(jié)之內(nèi)
  2、由于一檢測到?jīng)_突就立即中止發(fā)送，這時已經(jīng)發(fā)送出去的數(shù)據(jù)一定小于64字節(jié)
  3、以太網(wǎng)規(guī)定了最短有效幀長為64字節(jié)，凡長度小于64字節(jié)的幀都是由于沖突而異常中止的無效幀。

• 二進(jìn)制指數(shù)類型退避算法
  發(fā)生碰撞的站在停止發(fā)送數(shù)據(jù)后，要推遲（退避）一個隨機(jī)時間才能再發(fā)送數(shù)據(jù)

  • 確定基本退避時間，一般是取為爭用期2τ
  • 確定參數(shù)k，k = Min[重傳次數(shù), 10]
  • 從整數(shù)集合[0, 1, ......, (2^k-1)]中隨機(jī)地取出一個數(shù)，記為r。重傳所需的時延就是r倍的基本退避時間2τ。
  • 當(dāng)重傳達(dá)16次仍不能成功時即丟棄該幀，并向高層報告。