1. 程式人生 > >計算機網路複習 第三章 資料鏈路層

計算機網路複習 第三章 資料鏈路層

1. 封裝成幀

    在一段資料的前面和後面分別新增首部和尾部,使接收方能確定幀的界限。

   幀定界的方法

   A:位元組計數法:在幀頭設定一個長度域,放置該幀的位元組數,當收方收到幀後,通過幀的長度,確定幀的開始。

   B: 字元填充法:當資料是由可列印的ASCII碼組成的文字檔案時,幀定界可以使用特殊的ASCII碼(不可列印的控制字元)作為           幀定界符。控制字元 SOH (Start Of Header) 放在一幀的最前面,表示幀 的 首 部 開 始 。 另 一 個 控 制 字 符 EOT (End Of
         Transmission) 表示幀的結束。

        傳送端的資料鏈路層在資料中出現控制字元“SOH”或“EOT”的前面插入一個轉義字元“ESC” (其十六進位制編碼是 1B)。

       接收端的資料鏈路層在將資料送往網路層之前刪除插入的轉義字元。

 C:位元填充法:使用一個特殊的位元模式01111110作為幀的起始和結束標誌。每連續傳送5個1後,在後面自動插入一個0, 這樣         就不會出現定界符號。

      

2. 差錯檢測

    在傳輸過程中可能會產生位元差錯:1 可能會變成 0 而 0 也可能變成 1。

   A:迴圈沉餘檢驗CRC

         在資料塊中插入沉餘資訊,使得資料塊中的各個位元具有某種形式上 的聯絡,接收端通過驗證這種聯絡來判斷是否出錯。

         在M(K位資料)後面加上n位的沉餘碼,在M後面加n個0,事先選定(n+1)位的除數,用新M除以除數,得到的餘數設為R,  R一定是n位的,最後,將R拼接到M後面,一起傳送出去,到了接收方,再用除數去除M,如果餘數為0,代表沒有出錯。

     需要注意的是,這裡的運算都是模2運算,也就是說,沒有借位這樣的操作。

     引入了多項式的計算。

    檢驗的是位元差錯,沒有檢測傳輸差錯(幀丟失,幀重複,幀失序)。

    M(X)--------資訊多項式

    R(X)--------冗餘多項式

    T(X)--------傳輸幀多項式

    P (除數)為生成多項式

  B:奇偶檢測碼

       水平奇偶檢測:其資訊欄位以字元為單位,校驗欄位僅含一個位元稱為校驗位元或校驗位。使用七位元的ASCII碼來構造成八位元的檢錯碼時若採用奇/偶校驗,校驗位的取值應使整個碼字包括校驗位,1的位元個數為奇數或偶數。

     編碼效率: Q/(Q+1) 

      垂直奇偶檢測:將很多組合成一個矩陣來看,在最後一行進行檢測。

     編碼效率: PQ/P(Q+1)

    水平垂直檢測:兩個方向都進行檢測

   編碼效率:PQ/(P+1)(Q+1)

   

C:海明碼

單位元糾錯海明碼:

碼距(海明距離Hamming Distance)
一個編碼系統中任意兩個合法編碼(碼字)之間不同的二進位(bit)數叫這兩個碼字的碼距。 而整個編碼系統中任意兩個碼字的的最小距離就是該編碼系統的碼距。

如果要檢測出d個位元的錯,則編碼集的海明距離至少為d+1。

如果要糾正 d個位元的錯,則編碼集的海明距離至少應為2d+1。

若需糾正一位錯,需滿足: 2^r ≥ K+r+1.

設定2^i為檢測位,統計有關位的異或和(如果是偶檢驗,那麼1的個數是偶數,異或和一定是0),最後即可推出答案。

接收方只要求出各 s1,s2,s3....即可,如果有錯,那麼 錯誤位 S=S3S2S1

校正方式,將S位取反即可。

 

3. 點對點協議PPP

   高階資料鏈路控制(High-Level Data Link Control)是由國際標準化組織ISO制定的面向位元的鏈路層協議。

  格式:標誌欄位、地址欄位、控制欄位、資訊欄位和幀校驗序列組成。

HDLC 可以分為3大類:1.資訊幀(實現資訊的傳遞),2. 監控幀(不含資訊欄位,但能監控)   3. 無編號幀(對鏈路進行附加控制,如建立,清除)。

  PPP 是面向位元組的,所有的 PPP 幀的長度都是整數字節

   PPP 有一個 2 個位元組的協議欄位。其值
  若為 0x0021,則資訊欄位就是 IP 資料報。
  若為 0x8021,則資訊欄位是PPP網路控制協議NCP的資料。
  若為 0xC021,則資訊欄位是 PPP 鏈路控制協議LCP的資料

透明傳輸時:非同步傳輸:加轉義(字元填充),將資訊欄位中出現的每一個 0x7E 位元組轉變成為 2 位元組序列 (0x7D, 0x5E)

若資訊欄位中出現一個 0x7D 的位元組, 則將其轉變成為 2 位元組序列 (0x7D, 0x5D)

若資訊欄位中出現 ASCII 碼的控制字元(即數值小於 0x20 的字元),則在該字元前面要加入一個0x7D 位元組,同時將該字元的編碼加以改變。

同步傳輸時:0位元填充

 

 PPP協議的組成:

 A:一個將IP資料報封裝到序列鏈路的方法。

 B: 一個用來建立,配置和測試資料鏈路連線的鏈路控制協議(LCP)。

 C: 一套網路控制協議NCP,其中每個協議支援不同的網路層協議。

  

 

4. 載波監聽多點接入/碰撞檢測CSMA/CD

    A:乙太網採用廣播方式傳播

           (1)採用較為靈活的無連線的工作方式(不必建立連線就可以傳送資料,不進行編號,也不要求進行回覆)

            (2)乙太網傳送資料都使用曼切斯特編碼(它所佔的頻頻寬度比原來多一倍)

  多點接入表示:有多個計算機都連在同一總線上;

 載波監聽:每個主機要傳送資料時,都先檢測有沒有其他主機在傳送資料

 碰撞檢測:計算機邊傳送資料邊檢測通道上的訊號電壓大小。

 發生碰撞的主要原因還是因為傳播時延引起的。

 使用CSMA/CD協議的乙太網,不能進行全雙工通訊,只能進行雙向交替通訊(半雙工通訊)。

最先發送資料幀的站,在傳送資料幀後至多經過時間 2t (兩倍的端到端往返時延)就可知道傳送的資料幀是否遭受了碰撞。

乙太網的端到端往返時延 2t 稱為爭用期,或碰撞視窗。

經過爭用期這段時間還沒有檢測到碰撞,才能肯定這次傳送不會發生碰撞。

 

5. 截斷二進位制指數退避演算法

   基本退避時間取為爭用期 2t。

  從整數集合 [0, 1, 2,3,4,… , (2^k -1)] 中隨機地取出一個數,記為 r。重傳所需的時延就是 r 倍的基本退避時間。(k為重傳的次數)

  k=min(k,10),當超過16次還不能成功時,就放棄該幀,向高層報告。

 對於 10 Mbit/s 乙太網,在爭用期內可傳送 512 bit,即 64 位元組(最短有小幀長),乙太網規定了最短幀長為64位元組。

6. 強化碰撞

    在發生碰撞以後,立即停止傳送資料,再繼續傳送若干位元的人為干擾訊號,以便讓所有使用者都知道發生了碰撞。

  

 

乙太網在傳送資料時,若前 64 位元組沒有發生衝突,則後續的資料就不會發生衝突。

幀間最小間隔為 9.6 µs,相當於 96 bit 的傳送時間,一個站在檢測到匯流排空閒後,還要等待96bit時間,這樣做是為了讓剛剛接收資料的站有時間去清理快取,做好下一幀的接收準備。

成功傳送一個幀需要佔用通道的時間是T0 + t,比這個幀的傳送時間要多一個單程端到端時延t,這是因為當傳送完以後,資料還在乙太網上傳輸。

在乙太網中定義了引數 α,它是乙太網單程端到端時延 t 與幀的傳送時間 T0 之比。它反映了掙用期和傳送時間之間的關係。

理想情況下的極限通道利用率 Smax =T0/(T0+r)

 

 

7. 乙太網

 (1). MAC地址 前3個位元組是組織唯一識別符號,由IEEE編制,後3個位元組由廠家編制。

         當 I/G位 = 0 時,地址欄位表示一個單站地址。當I/G位=1時,地址欄位表示組地址,用來進行多播。

 (2)星形乙太網 10BASE-T ,10BASE-T 的通訊距離稍短,每個站到集線器的距離不超過 100 m。

  (3) 資料鏈路層的兩個子層:邏輯鏈路控制子層(LLC,向上提供資料傳輸服務的統一介面),媒體接入控制MAC(控制對傳輸介質的訪問,並在物理層的基礎上實現無差錯通訊)。

           與接入到傳輸媒介有關的內容都放到MAC中,而LLC子層與傳輸媒介無關。不管採用何種協議的區域網,對 LLC 子層來說都是透明的。

TCP/IP一般不考慮 LLC 子層。

8. 網路介面板(介面卡)

   進行序列/並行轉換,對資料進行快取,在計算機的作業系統安裝裝置驅動程式,實現乙太網協議。

  介面卡從網路上每收到一個 MAC 幀就首先用硬體檢查 MAC 幀中的 MAC 地址,如果是傳送給自己的,則接收,否則直接丟棄。發往本站的幀有三種,單播幀(1對1),廣播幀(1對全體),多播幀(1對多)。

所有的介面卡都至少能夠識別前兩種幀,即能夠識別單播地址和廣播地址。

只有目的地址才能使用廣播地址和多播地址。

9. 乙太網V2的 MAC 幀格式

   型別欄位(2位元組)用來標誌上一層使用的是什麼協議,以便把收到的 MAC 幀的資料上交給上一層的這個協議。

  當資料欄位的長度小於 46 位元組時,應在資料欄位的後面加入整數字節的填充欄位,以保證乙太網的 MAC 幀長不小於 64 位元組。     

 在幀的前面插入(硬體生成)的 8 位元組中,第一個欄位共 7 個位元組,是前同步碼,用來迅速實現 MAC 幀的位元同步。第二個欄位1 個位元組是幀開始定界符,表示後面的資訊就是 MAC 幀。  (為了達到位元同步,在傳輸媒介上實際傳輸的要比MAC多8個位元組)。

10 .集線器

   集線器是使用電子器件來模擬實際電纜線的工作,因此整個系統仍然像一個傳統的乙太網那樣執行。

  使用集線器的乙太網在邏輯上仍是一個匯流排網,各工作站使用的還是 CSMA/CD 協議,並共享邏輯上的匯流排。

11 網橋

   網橋工作在資料鏈路層。

    根據 MAC 幀的目的地址對收到的幀進行轉發和過濾。

  網橋的工作原理
: 網橋從埠接收網段上傳送的各種幀;
:每當收到一個幀時,先暫存在快取中。
:若此幀未出錯,且欲傳送的目的站的MAC地址屬於另外一個網段,則通過查詢“轉發表”將收到的幀送往對應的埠轉發。
:若此幀出錯,則丟棄該幀。
:同一個網段內的幀,不會被網橋轉發,不會增加網路負擔

集線器在轉發幀時,不對傳輸媒體進行檢測。網橋在轉發幀之前必須執行 CSMA/CD 演算法。

由於網橋沒有網絡卡,因此網橋並不改變它轉發的幀的源地址。

網橋用於在資料鏈路層上,實現了在資料鏈路層以上使用相同協議的區域網的互連。

它負責完成物理層和資料鏈路層協議的轉換,網橋具有路由選擇功能,可提高網路的整體效率。

固定路由網橋:人工建立路由表,不能動態改變

 透明網橋:能生成和修改自己路由表的網橋

源路由網橋:

12. 多埠網橋——乙太網交換機

  乙太網交換機實質上就是一個多介面的網橋。

  每個介面都直接與一個單臺主機或另一個乙太網交換機相連,並且一般都工作在全雙工方式。

 相互通訊的主機都是獨佔傳輸媒體,無碰撞地傳輸資料

能同時連通多對介面,使每一對相互通訊的主機都能像獨佔通訊媒體那樣,進行無碰撞地傳輸資料

乙太網交換機是一種即插即用裝置,其內部的幀交換表(又稱為地址表)是通過自學習演算法自動地逐漸建立起來

優點:使用者獨享頻寬,增加了總容量。

儲存轉發方式:把整個資料幀先快取後再進行處理

接收資料幀的同時就立即按資料幀的目的 MAC 地址決定該幀的轉發介面,因而提高了幀的轉發速度。

缺點是它不檢查差錯就直接將幀轉發出去,因此有可能也將一些無效幀轉發給其他的站。

 交換機使用了生成樹協議(STP):

     不改變網路的實際拓撲,但在邏輯上則切斷某些鏈路,使得從一臺主機到所有其他主機的路徑是無環路的樹狀結構,從而消除了兜圈子現象。

基本原理:選擇一個交換機作為生成樹的根,然後以最短路徑為依據,找到樹上的每一個結點,使整個連通的網路中不存在迴路

 

13 虛擬區域網

    虛擬區域網 VLAN 是由一些區域網網段構成的與物理位置無關的邏輯組。

  這些網段具有某些共同的需求。每一個 VLAN 的幀都有一個明確的識別符號,指明發送這個幀的計算機是屬於哪一個 VLAN。

虛擬區域網其實只是區域網給使用者提供的一種服務,而並不是一種新型區域網。

14 高速乙太網

速率達到或超過 100 Mbit/s 的乙太網稱為高速乙太網。

    A:100BASE-T 乙太網:100BASE-T 在雙絞線上傳送 100 Mbit/s 基帶訊號的星形拓撲乙太網;

            可在全雙工方式下工作而無衝突發生。在全雙工方式下工作時,不使用 CSMA/CD 協議。