數(shù)據(jù)發(fā)送模型

• 數(shù)據(jù)鏈路層定義幀的開始和結(jié)束，檢驗開始和結(jié)束之間的數(shù)據(jù)傳輸是否正確。
• 數(shù)據(jù)鏈路層使用的信道有兩種：點(diǎn)對點(diǎn)信道和廣播信道。
• 鏈路是一條點(diǎn)對點(diǎn)的物理線路，中間沒有任何其他交換站點(diǎn)。一條鏈路只是一條通路的一個組成部分。
• 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。
• 在數(shù)據(jù)鏈路層中稱這種數(shù)據(jù)塊為幀（frame），幀是數(shù)據(jù)鏈路層的傳送單位。數(shù)據(jù)鏈路層給數(shù)據(jù)報加上幀頭、幀尾、物理層地址和檢驗值。
  
  幀的傳輸

三個基本問題

1、封裝成幀

封裝成幀就是在一段數(shù)據(jù)前后分別添加首部和尾部，然后構(gòu)成一個幀。封裝成幀確定幀的界限。首部和尾部的作用就是進(jìn)行幀定界。

幀.png

2、透明傳輸

透明傳輸是指不管所傳數(shù)據(jù)是什么樣的比特組合，都應(yīng)當(dāng)能夠在鏈路上傳送。當(dāng)所傳數(shù)據(jù)中的比特組合恰巧與某一個控制信息完全一樣時，就必須采取適當(dāng)?shù)拇胧菇邮辗讲粫⑦@樣的數(shù)據(jù)誤認(rèn)為是某種控制信息。這樣才能保證數(shù)據(jù)鏈路層的傳輸是透明的。

若傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是ASCII碼中“可打印字符（共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，SOH表示幀開始符，EOT表示幀結(jié)束符，如圖所示：

含不可打印字符的幀傳輸

解決方法：

• 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”的前面加一個轉(zhuǎn)義字符“ESC”（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)中，就在轉(zhuǎn)義字符前也插入一個轉(zhuǎn)義字符。當(dāng)接收端收到連續(xù)兩個轉(zhuǎn)義字符時，就刪除前一個轉(zhuǎn)義字符。

  
  
  字節(jié)填充

3、差錯控制

傳輸過程中可能產(chǎn)生比特差錯：1可能變成0,0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)的比例成為誤碼率BER（Bit Error Rate）。誤碼率與信噪比有很大關(guān)系。因此需要采用差錯檢測。

在A向B發(fā)送數(shù)據(jù)的鏈路中間會經(jīng)過多個路由器，路由器在數(shù)據(jù)鏈路層檢測數(shù)據(jù)是否正確，如果錯誤就丟棄這個幀，以保證通過這個路由器傳輸過去的（不包括丟棄的）都是正確的幀。

鏈路層只進(jìn)行差錯檢驗，不進(jìn)行差錯糾正，差錯糾正由傳輸層進(jìn)行，由傳輸層進(jìn)行可靠傳輸。鏈路層丟棄錯誤的幀后，發(fā)送端長期得不到幀接收確認(rèn)信息，就會重新發(fā)送一次該幀。

循環(huán)冗余校驗CRC
數(shù)據(jù)鏈路層傳輸中廣泛使用了循環(huán)冗余校驗CRC。

1. 在發(fā)送端，先把數(shù)據(jù)劃分為組，每組k個比特。
2. 假設(shè)待傳送的一組數(shù)據(jù)M=101001（k=6），我們在M的后面再添加供差錯檢測用的n位冗余碼一起發(fā)送。
   冗余碼的計算：

• 在二進(jìn)制M后面添加n個0。假設(shè)n=3，則M變?yōu)椋╧+n）位的101 001 000.

• 把（k+n）位的數(shù)除以事先選定好的長度為（n+1）位的除數(shù)P，得到商是Q，余數(shù)是R，R為n位，也就是M的CRC冗余校驗碼。把余數(shù)R作為冗余碼添加在數(shù)據(jù)M的后面發(fā)送過去。發(fā)送數(shù)據(jù)是 101 001 001，共（k+n）位。

  
  
  Paste_Image.png

注：可以用生成多項式來表示循環(huán)冗余的除數(shù)，例如P(X)=X^3+X2+1可以表示1101這個除數(shù)。

在數(shù)據(jù)后面添加上的冗余碼稱為幀校驗序列FCS（Frame Check Sequence）。循環(huán)冗余檢驗CRC和幀檢驗序列FCS并不等同：

• CRC是一種常見的檢錯方法，而FCS是添加在數(shù)據(jù)后面的冗余碼。
• FCS可以用CRC這種方法得出，但CRC并非用來獲得FCS的唯一方法。

CRC檢測不能確定究竟是哪一個或哪幾個比特出現(xiàn)了差錯，也不能保證如果出現(xiàn)錯誤就一定能檢測出來（錯誤數(shù)據(jù)也可能得到正確的余數(shù)），但是只要經(jīng)過嚴(yán)格的挑選，并使用位數(shù)足夠多的除數(shù)P，那么出現(xiàn)檢測不到的差錯的概率就很小很小。

PPP協(xié)議實(shí)現(xiàn)無差錯接收（錯誤的就丟掉），但不實(shí)現(xiàn)可靠傳輸。

CRC小結(jié)

數(shù)據(jù)鏈路層點(diǎn)到點(diǎn)協(xié)議PPP

點(diǎn)到點(diǎn)PPP協(xié)議

現(xiàn)在全世界使用得最多的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議是點(diǎn)對點(diǎn)協(xié)議PPP（Point-to-Point Protocol），用戶使用撥號電話線接入因特網(wǎng)時，一般都是使用PPP協(xié)議。

PPP協(xié)議幀格式

標(biāo)志字段F=0x7E標(biāo)志了幀的開始和結(jié)束。
地址字段A只置為0xFF，由于是點(diǎn)對點(diǎn)通信，實(shí)際上并不起什么作用。
控制字段C通常置為0x03，沒有什么特殊含義。

PPP協(xié)議的透明傳輸（字節(jié)填充）：
1. 字節(jié)填充

• 將信息字段中出現(xiàn)的每個0x7E字節(jié)變成2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?yōu)?字節(jié)序列（0x7D，0x5D）。
• 若信息字段中出現(xiàn)ASCII碼的控制字符（數(shù)值小于0x20的字符），則在該字符前加入一個0x7D字節(jié)，同時將該字符的編碼加以改變。

2. 零比特填充
PPP協(xié)議用在SONET/SDH鏈路時，使用同步傳輸（一連串的比特連續(xù)傳遞，不保證是字節(jié)的整數(shù)倍）。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)信息部分有5個連續(xù)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)5個連續(xù)1時，就把這5個連續(xù)1后面的一個0刪除。

零比特填充例子

廣播信道的數(shù)據(jù)鏈路層

碰撞檢測

爭用期

二進(jìn)制指數(shù)類型退避算法

以太網(wǎng)

以太網(wǎng)提供的服務(wù)是不可靠的交付，即盡最大努力的交付。
當(dāng)接收站收到有差錯的數(shù)據(jù)幀時就丟棄此幀，其他什么也不做。差錯的糾正由高層來決定。如果高層發(fā)現(xiàn)丟失了一些數(shù)據(jù)而進(jìn)行重傳，但以太網(wǎng)并不知道這是一個重傳的幀，而是當(dāng)做一個新的數(shù)據(jù)幀來發(fā)送。

信道利用率

一個幀從開始發(fā)送，經(jīng)可能發(fā)生的碰撞后，將再重傳數(shù)次，到發(fā)送成功且信道轉(zhuǎn)為空閑（即再經(jīng)過t時間使得信道上無信號在傳播）時為止，是發(fā)送一幀所需的平均時間

MAC層（媒體訪問控制層）

MAC地址，又稱硬件地址或物理地址，48位，前三字節(jié)（高位24位）由IEEE的注冊管理機(jī)構(gòu)RA向廠家分配，后三字節(jié)（低24位）由廠家自行指派，必須保證生產(chǎn)出的適配器沒有重復(fù)地址。這種48位地址稱為MAC-48，通用名稱為EUI-48.

MAC地址不可更改，但是可以更改通信時的MAC地址，也相當(dāng)于“更改”了MAC地址。

MAC幀格式

• 類型字段用來標(biāo)識上一層使用的是什么協(xié)議，以便把收到的MAC幀的數(shù)據(jù)上交給上一層的這個協(xié)議。
• 數(shù)據(jù)字段的正式名稱是MAC客戶數(shù)據(jù)字段
  最小長度64字節(jié) - 18字節(jié)的首部和尾部 = 數(shù)據(jù)字段的最小長度46字節(jié)
  當(dāng)數(shù)據(jù)字段的長度小于46字節(jié)時，應(yīng)在數(shù)據(jù)字段的后面加入整數(shù)字節(jié)的填充字段，以保證以太網(wǎng)的MAC幀長不小于64字節(jié)。
• 為了達(dá)到比特同步，在傳輸媒體上實(shí)際傳送的要比MAC幀還多8字節(jié)。在幀前面插入的8字節(jié)中第一個字段共7個字節(jié)，是前同步碼，用來迅速實(shí)現(xiàn)MAC幀的比特同步。第二個字段是幀開始定界符，表示后面的信息就是MAC幀。

無效的MAC幀：
1）幀長度不是整數(shù)個字節(jié)；
2）用收到的幀檢驗序列FCS查出有差錯；
3）數(shù)據(jù)字段的長度不在46~1500字節(jié)內(nèi)。

幀最小間隔：
幀間隔最小間隔為9.6 us，相當(dāng)于96 bit的發(fā)送時間（10M以太網(wǎng)）。一個站在檢測到總線開始空閑后，還要等待9.6 us才能再次發(fā)送數(shù)據(jù)。這樣做是為了使剛剛收到數(shù)據(jù)幀的站的接收緩存來得及清理，做好接收下一幀的準(zhǔn)備。

百兆以太網(wǎng)（100Base-T）的幀最小間隔為0.96 us