一、数据链路层概述
数据链路层是网络体系结构中的第二层，位于物理层和网络层之间。其主要目的是在物理线路上提供可靠的数据传输服务，建立、维护和释放网络实体间的数据链路连接。
1.1 数据链路层使用的信道类型
- 点对点信道：使用一对一的通信方式
- 广播信道：使用一对多的广播通信方式（以太网），容易发生冲突——需要专用 共享信道协议协调主机数据发送
1.2 数据链路层的基本概念
- 结点(node)：网络中的主机和路由器
- 链路(物理链路)：通信路径上连接相邻结点的通信信道，中间没有任何其他的交换节点，链路是路径的一部分
- 数据链路(逻辑链路)：物理线路加上通信协议，构成数据通路。数据链路=物理链路+协议
- 实现的主体：网络适配器（包括物理层和数据链路层两部分）
- 数据链路层协议数据单元：帧
- ~~端到端通信：从源结点到目的结点的通信，路径可能由多个链路组成~~
- ~~点到点通信：在相邻结点间一条链路上的通信~~
二、数据链路层的三个基本问题
2.1 封装成帧
在一段数据的前后分别添加首部和尾部，构成一个帧，确定帧的界限。首部和尾部的重要作用是进行帧定界。
- MTU：最大传送单元，帧的数据部分的长度上限
- SOH：控制开始字符
- EOT：控制结束字符
~~PPP数据帧结构：~~
Flag：分隔符(帧定界)Address：无实际作用Control：无实际作用Protocol：上层协议标识Info：上层数据Check：循环冗余校验
2.2 透明传输
解决数据中某个字节的二进制代码恰好和帧定界符(SOH, EOT)一样的问题。
解决方法：
- 字节填充(字符填充)：在控制字符前插入转义字符ESC
- ~~零比特填充：发现5个连续1时立即填入一个0，接收端删除5个连续1后的0~~
3.3 差错检测
检测传输过程中可能产生的比特差错：1→0, 0→1
误码率BER：一段时间内传输错误的比特占所传输比特总数的比率
差错检测方法：
- ~~奇偶校验(Parity Checking)：增加奇偶校验位，只能检测奇数个比特位错~~
- 循环冗余校验(CRC)：通过多项式除法检测错误，只能做到无差错接受
CRC检验原理（会考这个❗️❗️❗️）：
- 在数据后添加n位冗余码(FCS帧检验序列)
- 用模2运算进行2^n乘M的运算，除以选定的除数P，得到余数R作为冗余码
- 接收端用G(x)除多项式，若余数为0则无差错
传输差错
- 包括比特差错和传输差错
- CRC数据链路层只能保障无比特差错，但是不是可靠传输
- 如果要可靠传输（TCP协议），还要加上帧编号、确认和崇川等机制
四、点对点协议(PPP)
4.1 PPP协议特点（还包含网络层和物理层的内容）
- 简单性为首要要求
- 封装成帧——必须规定特殊的字符作为帧定界符
- 透明传输
- 在同一条物理链路上同时支持多种网络层协议和链路类型
- 差错检测，立即丢掉有差错的帧
- 连接状态检测
- 最大传送单元，设置MTU标准默认值
- 网络层地址协商——必须提供一种机制
- 数据压缩协商
4.2 PPP协议组成
- 一个IP数据报封装到串行链路的方法
- 一个链路控制协议LCP
- 一套网络控制协议NCP
4.3 PPP帧格式
- 标志字段F：0x7E
- 地址字段A：0xFF
- 实际不起作用
- 控制字段C：0x03
- 实际不起作用
- 协议字段：标识信息字段类型
- 两个字节，举例
- 信息字段：可变长度≤1500byte
- 帧检验序列FCS
（两种填充）
4.4 PPP工作状态
- 建立从个人电脑到ISP的物理连接
- 链路控制协议LCP分组协商参数
- 鉴别分别“口令PAP”和“口令握手CHAP”
- 网络控制协议NCP进行网络层配置
- 通信完成后释放连接（先网路，收回分配的IP，再网络，最后物理）
五、使用广播信道的数据链路层
5.1 局域网特点
- 网络为一个单位所拥有
- 地理范围和站点数目有限
- 具有广播功能，便于资源共享
- 系统扩展灵活，可靠性高
- 提供系统的可靠性，可用性和生存性
5.2 局域网拓扑结构
- 星形网
- 环形网
- 总线网
- 树形网
5.3 媒体共享技术
同时发送会产生干扰
- 静态划分信道：频分复用、时分复用、波分复用、码分复用
- 动态媒体接入控制（多点）：
- 随机接入：所用的用户可随机的发送信息
- 受控接入：用户必须服从一定的控制，如轮询
5.4 IEEE 802标准
- 802.1：标准概述
- 802.2：逻辑链路控制
- 802.3：CSMA/CD
- 802.4：令牌总线
- 802.5：令牌环
- 802.11：无线局域网
5.6 适配器的作用
计算器通过适配器和局域网进行通信，补充ppt
- 重要功能：
- 串行/并行转换
- 对数据进行缓存
- 在计算机的操作系统安装设备驱动程序
- 实现以太网协议
5.5 以太网
- 核心思想：使用共享的公共传输通道，载波监听多路访问
- 种类：10Mb/s、100Mb/s、1000Mb/s、10000Mb/s以太网
- MAC地址：48位长度，前24位为厂商编号，后24位由厂商自主编号
六、CSMA/CD协议
- 先听后说
- 边说边听
- 冲突停止
- 延迟重发
6.1 协议含义
- 载波监听（CS）：边发送边监听，发送前先检测总线是否有其他计算机在发送数据
- 多点接入（MA）：许多计算机以多点接入方式连接在一根总线上
- 碰撞检测（CD）：边发送数据边检测信道上的信号电压大小，可以检测发生碰撞
6.2 碰撞处理
碰撞检测：检测信号电压大小，如果同时发送时，摆动值将增大
- 立即停止发送数据
发送若干比特的人为干扰信号- 执行指数退避算法后重新发送
补充ppt
6.3 重要概念
- 争用期：2τ（两倍端到端往返时延）
- 最短有效帧长：64字节，小于此长度的帧为无效帧
- 二进制指数退避算法：发生碰撞后推迟随机时间再发送
七、以太网MAC层
7.1 MAC地址
- 48位硬件地址，固化在适配器ROM中
- 前24位为组织唯一标识符，后24位为扩展唯一标识符
- 适配器检查MAC地址，只接收发往本站的帧
7.2 MAC帧格式
- 以太网V2标准：最常用的MAC帧格式
- IEEE 802.3标准：另一种MAC帧格式
以太网V2 MAC帧格式：
- 目的地址字段：6字节
- 源地址字段：6字节
- 类型字段：标识上层协议
- 数据字段：46-1500字节
- FCS字段：帧检验序列
八、数据链路层协议
8.1 停止等待协议
- 完全理想化的数据传输
- 具有最简单流量控制的协议
- 实用的停止等待协议
8.2 连续ARQ协议
- 发送窗口机制：位于发送窗口内的数据帧可连续发送
- 回退N(Go-back-N)：需要重传已发送过的N个数据帧
- 滑动窗口协议：收发两端窗口按规律向前滑动
8.3 选择重传ARQ协议
- 加大接收窗口，接收发送序号不连续但仍处在接收窗口中的数据帧
- 避免重复传送已正确到达的数据帧
- 需要接收端设置具有相当容量的缓存空间
九、HDLC高级数据链路控制
9.1 HDLC特性
- 透明传输
- 可靠性高
- 传输效率高
- 灵活性高
9.2 站类型
- 主站：负责控制整个链路操作
- 从站：在主站控制下操作
- 组合站：组合主站和从站特性
9.3 链路结构
- 非平衡型：一个主站和若干个从站组成
- 平衡型：两个组合站组成
9.4 HDLC帧格式
- 标志字段F
- 地址字段A
- 控制字段C：信息帧(I)、监控帧(S)、无编号帧(U)
- 信息字段
- 帧检验序列FCS
十、关键技术与算法
10.1 零比特填充法
- 发送端：发现5个连续1时填入0比特
- 接收端：删除5个连续1后的0比特，恢复原样
10.2 信道利用率
- 参数α：以太网单程端到端时延τ与帧发送时间T₀之比
- 理想情况下极限信道利用率S_max = T₀/(T₀+τ)
- 实际以太网利用率达30%时已处于重载状态
10.3 最佳帧长
- 帧长过短：控制信息比例增大，额外开销增大
- 帧长过长：出错概率增大，重传次数增加
- 存在最佳帧长使信道利用率最高