计算机网络——数据链路层

一、链路层功能

• 数据链路层在物理层所提供服务的基础上（即：加强物理层传输原始比特流）将这种可能出错的物理连接改造为逻辑上无差错的数据链路，为网络层提供服务。

• 为网络层提供三种服务

  • 无确认的无连接服务（实时或误码率低的通信信道）
  • 有确认的无连接服务（误码率高的通信信道）
  • 有确认的面向连接的服务（对可靠性和实时性有要求的场合）

• 对面向连接的服务 ( 2-4步为链路管理)：

  1. 链路两端先确认对方已经就绪，并交换必要信息以对帧序号初始化
  2. 建立连接
  3. 维持连接
  4. 释放连接

• 帧定界：一段数据加首部尾部，其中的控制信息可确定帧的界限

• 帧同步：接收方可以从接收到的二进制比特流中区分出帧的起点和终点

• 透明传输：对于链路层，不管所传数据是怎样的比特组合，都应能在链路上传送

• 流量控制:收发双方的工作速率和缓存空间的差异，可能导致发送大于接受，，会造成帧的丢失。

  • 流量控制不是链路层（控制相邻结点链路上的流量）独有的，传输层（端到端的流量）也有

• 差错控制：使 发送方 确定 接收方 是否正确收到由其发送的数据的方法。通常使用循环冗余校验（CRC）

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二、组帧（四种方法）

1.字符计数法

在帧头部使用一个计数字段表明帧长度（长度包含计数字段）

简单，无法恢复，已经很少使用

2.字符填充的首尾定界符法

用一些特殊字节作为帧开始（DLE STX）和结束(DLE ETX)标志，用转义字符（DLE）来区分二进制数据中存在的特殊字节。

缺点：

1. 容易造成帧界混淆——增加转义字节
2. 依赖于8位字符

a. 网络层发出 DLE STX A DLE B DLE ETX

b. 链路层填充 DLE STX A DLE DLE B DLE ETX

c. 接收方得到 DLE STX A DLE B DLE ETX

3.比特填充的首尾标志法

1. 以特殊的位模式01111110作为帧标志，即一个帧的开始（同时标志前一个帧的结束）

2. 当帧内容中出现一个与帧标志相同的位串01111110，则在5个1后插入一个0，即变成01111101，接收方将自动删除第5 个1后的0。这称为位填充法，也称为透明传输。

4.违规编码法

采用冗余编码技术，如曼切斯特编码，即两个脉冲宽来表示一个二进制位

数据0：低-高电平对

数据1：高-低电平对

高-高电平对和低-低电平对没有使用，可用作帧边界

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三、差错控制

• 分为两种：
  1. 检错编码：自动重传请求（ARQ），接收端发现错误，通知发送端重发，直到收到正确为止
  2. 纠错编码：前向纠错（FEC），接收端可以发现错误并定位二级制数码的错误位置，加以纠正

1. 错编码：

1. 奇偶校验码 (奇校验码和偶校验码的总称)：

   • 码长为n的码字，由n-1位信息元和1位校验元组成
   • 奇校验码：码字中“1”的个数为奇数
   • 偶校验码：码字中“1”的个数为偶数

2. 循环冗余码（CRC）

   • 发送发与接收方事先商定一个多项式G(x)，长为n，带传送数据为M

   • 被除数为 M + n-1个0，除数为多项式G(x)，做除法，进行异或运算（同0异1）

   • 得到n-1长度的余数R

   • 则发送数据为M+R

   • 接收方校验时，将所接收的数据除以多项式，无余数，则无差错

   • （例子见书 P69）

2.纠错编码：海明码

设数据有m位，校验码有p位，则校验码一共有2^p种取值。

若想通过校验码指出任一位上发生的错误必须满足：

​ 2^p - 1 >= m + p (减1是减去正确的那次)

举个例子：

若发送“1010”长度 m = 4，则解不等式得 p >= 3，取p = 3，则构造海明码长度为7

• 将校验码放在2^n(n = 0,1,2,…)位置上

• 把信息码填到剩余位置，将校验码设出

• 将校验位与信息位建立联系

  • 将整个码的编号转为二进制
  • 校验位编号的二进制中只有一个位置为**1 **
  • 校验位编号的二进制中1的位置与所有信息位编号二进制中此位置为1的信息位建立关联，归为一组

• 将各组的m替换为其值

• 按照奇偶校验码求p，题目一般会有要求奇还是偶校验

• 将所得p填入，发出

• 以奇校验码得P后发出，接收端接收，假设第五位出错了

• 将校验位和信息位分组写出，设e为错误位置（e的值要保证其组通过奇偶校验，此处由奇校验所得）

• 二进制101的十进制为5，则可知第五位出错
  若最终的 e 为“0"则代表无错，传输正确

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四、流量控制与可靠传输机制

1.流量控制，可靠传输，滑动窗口 的 原理

• 停止–等待流量控制：发送方一次发送一帧，然后等待接收方回应，若没有回应，则一直等待，若回应则发送下一帧；接收方一次接收一帧，并返回一个已接收的信号给发送方。因此效率很低。

• 滑动窗口流量控制：

  • 发送窗口（WT）：发送方维持的一组连续的允许发送的帧的序号
    • 当发送窗口中帧全是已发送但未确认的帧时，发送方停止发送，直到接收方发来确认帧使窗口移动，才可继续发送
  • 接收窗口（WR）：接收方维持的一组连续的允许接收的帧的序号
    • 接收端收到的数据帧落在接收窗口外的帧一律丢弃
  • 滑动窗口的特性：
    • 只有接收窗口滑动时（发送确认帧），发送窗口才有可能向前滑动
    • 从滑动窗口概念来看，停止–等待、后退N帧、选择重传协议只在发送和接收窗口大小有区别：
      1. 停止–等待协议：发送窗口 = 1、接收窗口 = 1
      2. 后退N帧协议： 发送窗口 > 1、接收窗口 = 1
      3. 选择重传协议： 发送窗口 > 1、接收窗口 > 1
    • 接收窗口为1时，可保证帧的有序接收
    • 链路层的滑动窗口中，窗口大小在传输过程中是固定的

• 可靠传输机制

  • 确认：接收方发出的一种无数据的控制帧，可让发送方知道哪些帧被正确接收
  • 超时重传：发送方发出一个帧后开启计时器，规定时间内未接收到确认帧，则重新发送一次该帧
  • 自动重传请求（ARQ)： (下面有详解)
    • 停止等待（Stop And Wait）ARQ
    • 后退N帧（Go Back N）ARQ
    • 选择性重传（Selective Repeat）ARQ

2.停止等待协议（单帧滑动窗口）

• 同上文的停止等待，发送和接收窗口都为1
• 此协议中除了数据帧丢失外，还有以下错误：
  • 数据帧在传输中被破坏，接收方检测后将其抛弃。因此在源站装备计时器，超时重传
  • 数据帧发送成功后发送方返回确认帧，而确认帧丢失或破坏，超时后发送方重新发送数据帧，接收方接收到重复帧后将此数据帧丢弃，并再次返回此数据帧对应的确认帧
• 注意：
  • 发完一个帧后，必须保留副本，直到收到此帧的确认帧
  • 数据帧和确认帧必需编号
• 优缺点
  • 优点：简单
  • 缺点：信道利用率太低
• 信道利用率：发送方在一个时间周期内，有效的发送数据所需要的时间占整个发送周期的比率
  • 信道利用率 = ( L / C ) / T
    • L：T内发送l比特数据
    • C：发送方数据传输率
    • T：发送周期(从开始发送数据到收到第一个确认帧为止)
  • 信道吞吐率 = 信道利用率 * 发送方的发送速率

3.后退N帧协议（GBN）（多帧滑动窗口）

• 可以连续的发送帧，接收方只能按顺序接收，若连续发送的帧中某位出错，在计时器结束前未返回其确认帧，则该帧被判为出错或丢失，发送方应重新发送从此帧开始往后的所有帧。GBN使用的累计确认
• 因为接收方要按顺序接收，因此当接收方收到一个没有按顺序的帧时，会将其直接丢弃，并重发发送已发送的最后一个确认帧，提醒可能该确认帧+1的帧出错或丢失，需要重新发送
• 
• 滑动窗口长度：若采用n个比特对帧编号，那么发送窗口大小wt应该满足：1<= wt <= 2^n-1, 因为发送窗口过大，会使接收方无法区别新帧和旧帧
• 累积确认（偶尔捎带确认）：GBN协议规定接收方不一定每次接收都返回确认帧，可以在连续收到好几个正确数据帧后，对最后一个帧返回确认帧，或接收方有数据发送给发送方时捎带将确认帧返回给接收方，该确认帧代表该帧之前的所有数据帧都已正确接收。
• 优缺点：
  • 优：因连续发送而提高了信道利用率
  • 缺：重传时必须把出错往后的所有帧都重传，哪怕出错帧后面的帧是好的，因此传送效率低

4.选择重传协议（SR）

• SR发送方：
  • 从上层收到数据后，SR发送方检查可用于该帧的序号，如果序号位于发送窗口内，则发送数据帧；否则就像GBN一样，要么将数据缓存，要么返回给上层之后再传输
  • 如果收到ACK，假如该帧序号在窗口内，则SR发送方将那个被确认的帧标记为已接收。如果该帧序号是窗口的下界(最左边第一个窗口对应的序号)，则窗口向前移动到具有最小序号的未确认帧处。如果窗口移动了并且有序号在窗口内的未发送帧，则发送这些帧
  • 每个帧都有自己的定时器，一个超时事件发生后只重传一个帧
• SR接收方：
  • 对于接收窗口里的帧，不管是否按顺序都接收，收到接收窗口内最左的帧后往后连续的收到的帧可以一起交给网络层，然后窗口最左滑动到未接收的帧
  • 
  • 滑动窗口长度：Wtmax = Wrmax = 2(n^-1) 其中n是表示帧序号的比特数
    • 帧序号为0~3共4位，则n为2（2^2=4）

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五、介质访问控制（广播信道）

• 介质访问控制：使用介质的每个结点隔离来自同一信道上其他结点传递的信号，协调活动结点的传输
• 介质访问控制分为：信道划分介质访问控制（静态）、随机访问介质访问控制（动态）、轮询访问介质访问控制（动态）
• 信道划分介质访问控制
  • 基于多路复用技术划分资源
  • 网络负载重：共享信道效率高，且公平
  • 网络负载轻：共享信道效率低
• 随机访问介质访问控制
  • 用户根据意愿随机发送信息，发送信息时可独占信道带宽。
  • 网络负载重:产生冲突开销
  • 网络负载轻:共享信道效率高，单个结点可利用信道全部带宽
• 轮询访问介质控制
  • 既要不产生冲突，又要发送时占全部带宽。

1. 信道划分介质访问控制

• 频分多路复用（FDM）：每个用户一个频段

• 时分多路复用（TDM）：
  

• 波分多路复用（WDM）：就是光的频分多路复用，在一根光纤中传输多种不同波长(频率)的光信号，由于波长(频率)不同，所以各路光信号互不干扰，最后再用波长分解复用器将各路波长分解出来。

• 码分多路复用（CDM）：采用不同的编码区分各路原始信号

  • 码分多址（CDMA）：每比特时间被分为m个更短时间槽，称为码片。通常每比特有64或128个码片。每个站点指定一个唯一的m位码片序列。发送时，码片序列代表1，码片序列反码代表0（通常把0写成-1）。
    • r如何不打架：多个站点同时发送数据时，要求各个站点码片序列相互正交（对应位相乘，总体相加为0）。
    • 如何合并：各路数据在信道中被线性相加
    • 如何分离：合并的数据与源站规格化内积
    • 例子在书的87页
    • 优点：频谱利用率高，抗干扰能力强，保密性强，语音质量好

2. 随机访问介质访问控制

• 所有用户可以随机发送信息，想发就发，且发送信息时占全部带宽

ALOHA协议

• 纯ALOHA协议：不监听信道，不按时间槽发送，随机重发。（想发就发）

  • 如何检测冲突：若两个来自不同站的帧冲突了，接收方就不会返回确认帧，当发送方的超时计时器结束还未收到确认帧，即可知道冲突了
  • 解决冲突：当发送方的超时计时器结束，发送方会等一个随机时间重传

• 

• 时隙ALOHA协议：把时间分成若千个相同的时间片，所有用户在时间片开始时刻同步接入网络信道，若发生冲突，则必须等到下一一个时间片开始时刻再发送。

  • 

• 纯ALOHA协议和时隙ALOHA协议比较：

  • 纯比时隙吞吐量更低，效率更低
  • 纯：想发就发
  • 时隙：只有在时间片开始才能发

CSMA协议（载波监听多路访问协议）

• CS：载波侦听/监听，每一个站在发送数据之前要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据

  • 如何检测：当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值会增大，当一个站检测到电压摆动超过一定门限值，就认为总线上至少有两个站同时发数据，表明产生碰撞，即发生了冲突

• MA：多点接入，表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上

• 协议思想：发送帧之前，监听信道，信道空闲则发送完整帧，信道忙则推迟发送

• 有三种CSMA：

  • 1-坚持CSMA

    • 思想：如果一个主机要发送消息，那么它先监听信道。

      空闲则直接传输，不必等待

      忙则一直监听，直到空闲马上传输

      如果有冲突(一段时间内未收到肯定回复)，则等待一个随机长的时间再监听，重复上述过程

    • 优点：只要媒体空闲，站点就马上发送，避免了媒体利用率的损失

    • 缺点：假如有两个或两个以上的站点有数据要发送，冲突就不可避免。

  • 非坚持CSMA

    • 思想：如果一个主机要发送消息，那么它先监听信道。

      空闲则直接传输，不必等待

      忙则等待一个随机的时间之后再进行监听

    • 优点：采用随机的重发延迟时间可以减少冲突发生的可能性。

    • 缺点：可能存在大家都在延迟等待过程中，使得媒体仍可能处于空闲状态，媒体使用率降低。

  • p-坚持CSMA

    • 思想：如果一个主机要发送消息，那么它先监听信道。

      空闲则以p概率直接传输，不必等待，概率1-p等待到下一个时间槽再传输

      忙则持续监听等到信道空闲，在下一个时间槽开始发送

    • 优点：既能像非坚持算法那样减少冲突，又能像1-坚持 算法那样减少媒体空闲时间的这种方案。

• 无论是哪种CSMA，发生冲突后还是要坚持把数据帧发送完，造成了浪费

CSMA/CD协议（载波监听多路访问/碰撞检测 协议）

• 先听后发，边听边发

• 以太网使用的是此协议

• CS：载波侦听/监听，每一个站在发送数据之前以及发送数据时都要检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据

• MA：多点接入，表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上，总线型网络

• CD：碰撞检测(冲突检测)，“ 边发送边监听”，适配器边发送数据边检测信道上信号电压的变化情况，以便判断自己在发送数据时其他站是否也在发送数据

• 经过2τ还未检测到碰撞，就能肯定这次发送不会碰撞，若检测到碰撞，立即停发

• 如何确定碰撞后的重传时机?截断二进制指数规避算法

  1.确定基本退避(推迟)时间为争用期2τ
  2.定义参数k，但k不超过10，即k = min[重传次数，10]。 当重传次数不超过10时，k等于重传次数；当重传次数大于10时，k就不再增大而一直等于10
  3.从离散的整数集合[0, 1, , ( 2^k)-1]中随机取出一个数r，重传所需要退避的时间就是r倍的基本退避时间，即2rτ。
  4.当重传达16次仍不能成功时，说明网络太拥挤，认为此帧永远无法正确发出，抛弃此帧并向高层报告出错

最小帧长

• 若一个站发了一个很短的帧，传输中发生碰撞，但在帧发送完后才检测到碰撞，为了使CSMA/CD发挥作用，就要规定最小帧长，使帧的传输时延至少两倍于信号在总线中的传播时延
• 帧的传输时延 = 帧长/数据传输速率 >= 2τ
• 由上可知，最小帧长 = 总线传播时延（τ）* 数据传输速率 * 2
• 以太网规定最短帧长为64B，因此长度不够的帧需要填充至64B才能发出，凡是长度小于64B的都是由于冲突而异常终止的无效帧。

CSMA/CA协议（载波监听多路访问/碰撞避免 协议）

• CSMA/CD是用于总线式以太网，是有线的

• CSMA/CA用于无线局域网，无法做到全面检测碰撞和隐蔽站（A和C相互检测不到，但都能检测到B，AC同时向B发送数据帧，就会冲突）

• 因此，CSMA/CA和CSMA/CD的区别是应用场景不同

• CSMA/CA使用以下机制实现碰撞避免：

  • 预约信道（发送方向其他站点通知自己的行为）
  • ACK帧
  • RTS/CTS帧（解决隐蔽站问题）

• RTS/CTS帧工作原理：

  1. 发送数据前，先检测信道是否空闲

  2. 空闲则发出RTS (request to send)，RTS包括发射端的地址、接收端的地址、下一 份 数据将持续发送的时间等信息

  3. 信道忙则等待

  4. 接收端收到RTS后，将响应CTS (clear to send)（若B向A返回CTS后，C向B发RTS就不会收到返回的CTS这样C只能等待，由此解决了隐蔽站的问题）

  5. 发送端收到CTS后，开始发送数据帧(同时预约信道：发送方告知其他站点自己要传多久数据)（A告诉C自己何时发送完数据，C等到A的时间结束后就可以重新向B发送RTS）

  6. 接收端收到数据帧后，将用CRC来检验 数据是否正确，正确则响应ACK帧

  7. 发送方收到ACK就可以进行下一个数据帧的发送，若没有则一直重传至规定重发次数为止( 采用二进制指数退避算法来确定随机的推迟时间，和CSMA/CD相同)

3. 轮询访问介质控制：令牌传递协议

• 轮询协议：主结点轮流“邀请”从属结点发送数据。

  • 缺点：

    1. 轮询开销
    2. 等待延迟
    3. 单点故障（主节点故障）

• 令牌传递协议：

  • 令牌：一个特殊格式的MAC控制帧，不含任何信息。控制信道的使用，确保同一时刻只有一个结点独占信道。每个结点都可以在一-定的时间内(令牌持有时间)获得发送数据的权利，并不是无限制地持有令牌。
  • 缺点：1.令牌开销2.等待延迟 3.单点故障
  • 应用于令牌环网( 物理星型拓扑，逻辑环形拓扑)。、
  • 采用令牌传送方式的网络常用于负载较重、通信量较大的网络中

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六、局域网

1.局域网的基本概念和体系结构

• 局域网(Local Area Network) ：简称LAN, 是指在某一-区域内由多台计算机互联成的计算机组，使用广播信道。

• 特点

  1. 覆盖的地理范围较小，只在.一个相对独立的局部范围内联，如一座或集中的建筑群内
  2. 使用专门铺设的传输介质(双绞线、同轴电缆)进行联网，数据传输速率高(10Mb/s~ 10Gb/s)
  3. 通信延迟时间短，误码率低，可靠性较高
  4. 各站为平等关系，共享传输信道
  5. 多采用分布式控制和广播式通信，能进行广播和组播

• 决定局城网的主要要素为:

  1. 网络拓扑
  2. 传输介质
  3. 介质访间控制方法

• 局域网拓扑结构：
  

• 局域网传输介质

  • 有线局域网常用介质：双绞线、同轴电缆、光纤
  • 无线局域网常用介质：电磁波

• 局域网介质访间控制方法：

  • CSMA/CD：常用于总线型局城网，也用于树型网络
  • 令牌总线：常用于总线型局域网，也用于树型网络。它是把总线型或树型网络中的各个工作站按一定顺序 如按接口地址大小排列形成一个逻辑环。只有令牌持有者才能控制总线，才有发送信息的权力。
  • 令牌环：用于环形局域网，如令牌环网

• 局域网的分类

  • 以太网：是应用最为广泛的局域网， 包括标准以太网(10Mbps) 、快速以太网(100Mbps)、千兆以太网(1000 Mbps)和10G以太网，它们都符合IEEE802.3系列标准规范。逻辑拓扑总线型，物理拓扑是星型或拓展星型。使用CSMA/CD
  • 令牌环网：物理上采用了星形拓扑结构，逻辑上是环形拓扑结构，IEEE802.5
  • FDDI网(Flber Distrlbuted Data Interface)：物理上采用了双环拓扑结构，逻辑上是环形拓扑结构，IEEE802.8
  • ATM网（Asynchronous Transfer Mode)：较新型的单元交换技术，使用53字节固定长度的单元进行交换
  • 无线局城网(Wireless LocalArea Network; WLAN)：采用IEEE 802.11标准

• IEEE802标准所描述的局域网参考模型只对应OSI參考模型的数据链路层与物理层，它将数据链路层划分为逻辑链路层LLC子层和介质访问控制MAC子层

• LLC子层：负责识别网络层协议，然后对它们进行封装。LLC报头告诉数据链路层一旦帧被接收到时，应当对数据包做何处理。为网络层提供服务：无确认无连接、面向连接、有确认无连接、高速传送。

• MAC子层：主要功能包括数据帧的封装/卸装，帧的寻址和识别，帧的接收与发送，链路的管理，帧的差错控制等。MAC子层的存在屏蔽了不同物 理链路种类的差异性。

2.IEEE802.3 和 以太网

• IEEE 802系列标准是IEEE 802 LAN/MAN标准委员会制定的局城网、城城网技术标准(1980年2月成立)。其中最广泛使用的有以太网、令牌环、无线局域网等。这一系列标准中的每一个子标准都由委员会中的一个专门工作组负责。

• 以太网在局城网各种技术中占统治性地位的原因:

  1. 造价低廉(以太网网卡不到100块)
  2. 是应用最广泛的局域网技术
  3. 比令牌环网、ATM网便宜，简单
  4. 满足网络速率要求: 10Mb/s~10Gb/s.

• 以太网提供的服务：无连接、不可靠的服务。（以太网只实现无差错接收，不实现可靠传输）

  • 无连接：发送方和接收方之间无“握手过程”
  • 不可靠：不对发送方的数据帧编号，接收方不向发送方进行确认，差错帧直接丢弃，差错纠正由高层（运输层）负责。

• 以太网传输介质与拓扑结构的发展：

  • 粗同轴电缆–>细同轴电缆–>双绞线+集线器
  • 以太网拓扑：逻辑上总线型，物理上星型

• 10BASE-T以太网：是传送基带信号的双纹线以太网，T表示采用双绞线，现10BASE-T 采用的是无屏蔽双纹线(UTP)，传输速率是10Mb/s。

  • 物理上采用星型拓扑，逻辑上总线型，每段双绞线最长为100m
  • 采用曼彻斯特编码
  • 采用CSMA/CD介质访间控制

• 适配器：计算机通过通信适配器连接外界局域网

  • 适配器上装有处理器和存储器（RAM和ROM）
  • ROM上有计算机硬件地址MAC地址，在局域网中，硬件地址 = 物理地址 = MAC地址
  • MAC地址：每个适配器有一个全球唯一的48位二进制地址，前24位代表厂家(由IEEE规定)，后24位厂家自己指定。常用6个十六进制效表示，如02-60-8c-e4-b1-21

• 以太网MAC帧：常用的MAC帧是以太网V2的格式

  

  • 前导码：前7B用来实现同步，后1B的最后两位为1，表示后面的信息就是MAC帧
  • 地址：通常6字节，即48位（MAC地址）
  • 类型：两字节，指出数据应交给哪个协议
  • 数据：长46~1500字节，上限1500记住就行，下限46是因为CSMA/CD规定最小帧长为64B，因此MAC帧除去地址、类型、fcs后要满足64B，数据部分必不能小于46B
  • FCS（校验码）：四字节，校验范围为目的地址开始到数据段末尾，采用32位CRC

• 高速以太网：速率 >= 100Mb/s的以太网称为高速以太网

  • 100BASE-T以太网：在双绞线_上传送100Mb/s基带信号的星型拓扑以太网，仍使用IEEE802.3的CSMA/CD协议。支持全双工和半双工，可在全双工方式下工作而无冲突。
  • 吉比特以太网：在光纤或双绞线上传送1Gb/s信号。支持全双工和半双工，可在全双工方式下工作而无冲突。
  • 10吉比特以太网：10吉比特以太网在光纤上传送10Gb/s信号。只支持全双工，无争用问题。

3.IEEE802.11 和 无线局域网

• IEEE 802.11是无线局域网通用的标准，它是由IEEE所定义的无线网络通信的标准

• 无线局域网的分类：

  • 有固定基础设施无线局域网

    

  • 无固定基础设施无线局域网的自组织网络

    

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七、广域网

1.广域网

• 广域网(WAN, Wide Area Network)，通常跨接很大的物理范围，所覆盖的范围从几十公里到几干公里，它能连接多个城市或国家，或横跨几个洲并能提供远距离通信，形成国际性的远程网络
• 广域网的通信子网主要使用分组交换技术。广域网的通信子网可以利用公用分组交换网、卫星通信网和无线分组交换网，它将分布在不同地区的局域网或计算机系统互连起来（因此局域网可以通过广域网与另一个相隔很远的局域网通信），达到资源共享的目的。如因特网(Internet )是世界范围内最大的广域网
• 目前常用的广域网中的链路层协议：PPP协议和HDLC协议

2.PPP协议

• PPP协议 (点对点协议)：是面向字节的协议，目前使用最广泛的数据链路层协议，用户使用拨号电话接入因特网时一般都使用PPP协议。只支持全双工链路

• PPP协议应满足的要求：

  • 简单：对于链路层的帧， 无需纠错，无需序号，无需流量控制
  • 封装成帧：帧定界符
  • 透明传输：与帧定界符一样比特组合的数据应该如何处理；异步线路用字节填充，同步线路用比特填充（“0比特插入法”，和HDLC协议相同）
  • 多种网络层协议：封装的IP数据报可以采用多种协议
  • 多种类型链路：串行/并行， 同步/异步，电/光…
  • 差错检测：CRC错就丢弃
  • 检测连接状态：链路是否正常工作
  • 最大传送单元：数据部分最大长度MTU
  • 网络层地址协商：知道通信双方的网络层地址
  • 数据压缩协商

• PPP协议的三个组成部分：

  • 链路控制协议LCP：建立并维护数据链路连接
  • 网络控制协议NCP：PPP可支持多种网络层协议，每个不同的网络层协议都要一个相应的NCP来配置，为网络层协议建立和配置逻辑连接
  • 一个将IP数据报封装到串行链路( 同步串行/异步串行)的方法

• PPP协议帧格式：

  

  • 若信息部分出现帧定界符，则在其前面加转义字符
  • 地址字段（A）和控制字段（C）是设计初预留的，目前也没有用上

3.HDLC协议

• HDLC(协议高级数据链路控制协议)：是个在同步网上传输数据、面向比特的数据链路层协议，它是由国际标准化组织**(ISO)**根据IBM公司的SDLC(SynchronousData Link Control)协议扩展开发而成的，数据报文可透明传输，用于实现透明传输的“0比特插入法”易于硬件实现

• 采用全双工通信

• 所有帧采用CRC检验，对信息帧进行顺序编号，可防止漏收或重份，传输可靠性高

• HDLC的站：

  • 站分类：
    • 主站：发送命令
    • 从站：接收命令
    • 复合站：可发送可接收命令
  • 三种数据操作方式：
    • 正常响应方式：主站向从站传输数据，从站响应传输，但从站需收到主站的许可才能响应
    • 异步平衡方式：每个复合站都可以对另一个站数据传输
    • 异步响应方式：从站未受到主站允许也可以传输

• HDLC帧格式：

  

  • 信息段中有连续五个1，则插入一个0
  • 地址段（A）：
    • 正常响应方式和异步响应方式：填从站地址
    • 异步平衡方式：填应答站地址
  • 控制字段（C）（只看前两位）：
    • 信息帧(I)第1位为0，用来传输数据信息，或使用捎带技术对数据进行确认
    • 监督帧(S) 10，用于流量控制和差错控制，执行对信息帧的确认、请求重发和请求暂停发送等功能
    • 无编号帧(U) 11，用于提供对链路的建立、拆除等多种控制功能。

• PPP与HDLC的相同点：

  • HDLC、PPP只 支持全双工链路
  • 都可以实现透明传输
  • 都可以实现差错检测，但不纠正差错

• PPP与HDLC的不同点：

  PPP	HDLC
  面向字节	面向比特
  有2B协议字段	没有
  无序号和确认机制（只保证无差错接收）	有编号和确认机制
  不可靠	可靠

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八、数据链路层设备

• 物理层扩展以太网：

  • 第一种：

  • 第二种：将几个小的冲突域连接到一个主干集线器上，变成一个大的冲突域，虽然以太网得到了扩展，但冲突域变大了，通信效率大大降低

    

• 链路层扩展以太网：通过网桥或交换机

1.网桥

• 网桥：根据MAC帧的目的地址对帧进行转发和过滤。当网桥收到一个帧时，并不向所有接口转发此帧，而是先检查此帧的目的MAC地址，然后再确定将该帧转发到哪-一个接口， 或者是把它丢弃(即过滤)。

  

• 网段：一般指一个计算机网络中使用同一物理层设备(传输介质，中继器，集线器等)能够直接通讯的那一部分（一个冲突域）

• 网桥优点:

  • 过滤通信量，增大吞吐量
  • 扩大了物理范围
  • 提高了可靠性
  • 可互连不同物理层、不同MAC子层和不同速率的以太网

• 网桥分类：

  • 透明网桥：“ 透明”指以太网上的站点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥，是一种即插即用设备----自学习（在通信的过程中逐步的丰富转发表）
  • 源路由网桥：在发送帧时，把详细的最佳路由信息( 路由最少/时间最短)放在帧的首部中
    • 方法：源站以广播方式向欲通信的目的站发送一个发现帧，然后返回，根据要求( 路由最少/时间最短)选择路径

2.交换机

• 网桥升级版

• 特点：

  1. 每个端口都直接与单台主机相连，一般都是全双工方式
  2. 能同时连通许多对端口，使每队相互连通的主机都能像独占通信媒体那样，无碰撞的传输数据
  3. 也是一种即插即用设备，内部通过自学习建立转发表
  4. 使用专用交换结构芯片，交换效率较高
  5. 以太网交换机独占传输媒体的宽带

• 两种交换方式：

  • 直通式交换机：查完目的地址(6B) 就立刻转发。延迟小，可靠性低，无法支持具有不同速率的端口的交换
  • 存储转发式交换机：将帧放入高速缓存，并检查否正确，正确则转发，错误则丢弃。延迟大，可靠性高，可以支持具有不同速率的端口的交换

• 冲突域：在同一个冲突域中的每一个节点都能收到所有被发送的帧。简单的说就是同一时间内只能有一台设备发送信息的范围

• 广播域：网络中能接收任一设备发出的广播帧的所有设备的集合。简单的说如果站点发出一个广播信号，所有能接收收到这个信号的设备范围称为一个广 播域

• 	能否隔离冲突域	能否隔离广播域
  物理层设备（中继器、集线器）	否	否
  链路层设备（网桥、交换机）	可	否
  网络层设备（路由器）	可	可