计算机网络 - 链路层

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计算机网络 - 链路层

基本问题

1. 封装成帧

将网络层传下来的分组添加首部和尾部，用于标记帧的开始和结束。

2. 透明传输

透明表示一个实际存在的事物看起来好像不存在一样。

帧用首部和尾部中的控制字符定界，如果数据部分恰好含有相同的字节，接收端就会把帧的结束位置判断错。解决方法是字节填充：发送端在数据中的控制字符前面插入转义字符 ESC，数据中本来就有的 ESC 前面也再插入一个 ESC；接收端删去这些转义用的 ESC，还原出原始数据。

填充和删除都由链路层完成，上层交下来什么数据都能原样传过去，察觉不到 ESC 的存在，因此称为透明传输。

3. 差错检测

目前数据链路层广泛使用循环冗余检验（Cyclic Redundancy Check, CRC）来检查比特差错：发送端根据帧的内容算出检验序列放在帧尾，接收端重新计算，结果不一致就丢弃该帧。以太网只丢弃出错的帧、不重传，可靠传输由上层的 TCP 负责。

信道分类

1. 广播信道

一对多通信，一个节点发送的数据能够被广播信道上所有的节点接收到。

所有的节点都在同一个广播信道上发送数据，因此需要有专门的控制方法进行协调，避免发生冲突（冲突也叫碰撞）。

主要有两种控制方法进行协调：一是使用信道复用技术，二是使用 CSMA/CD 协议。

2. 点对点信道

一对一通信。

因为不会发生碰撞，因此也比较简单，使用 PPP 协议进行控制。

信道复用技术

1. 频分复用

频分复用的所有主机在相同的时间占用不同的频率带宽资源。

2. 时分复用

时分复用的所有主机在不同的时间占用相同的频率带宽资源。

使用频分复用和时分复用进行通信，在通信的过程中主机会一直占用一部分信道资源。但是由于计算机数据的突发性质，通信过程没必要一直占用信道资源而不让出给其它用户使用，因此这两种方式对信道的利用率都不高。

3. 统计时分复用

统计时分复用是对时分复用的一种改进，不固定每个用户在时分复用帧中的位置，只要有数据就集中起来组成统计时分复用帧然后发送。

4. 波分复用

光的频分复用。由于光的频率很高，因此习惯上用波长而不是频率来表示所使用的光载波。

5. 码分复用

为每个用户分配 m bit 的码片，并且所有的码片正交，对于任意两个码片 S 和 T 有

(1/m) S·T = 0

为了讨论方便，取 m=8，设码片 S 为 00011011。在拥有该码片的用户发送比特 1 时就发送该码片，发送比特 0 时就发送该码片的反码 11100100。

在计算时将 00011011 记作 (-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1)，可以得到

(1/m) S·S  = 1
(1/m) S·S' = -1

其中 S' 为 S 的反码。

由上面的式子可知，当接收端使用码片 S 对接收到的数据进行内积运算时，结果为 0 的是其它用户发送的数据，结果为 1 的是拥有码片 S 的用户发送的比特 1，结果为 -1 的是该用户发送的比特 0。

码分复用需要发送的数据量为原先的 m 倍。

CSMA/CD 协议

CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection）表示载波监听多点接入 / 碰撞检测，用于总线型或使用集线器的以太网。

多点接入：说明这是总线型网络，许多主机以多点的方式连接到总线上；
载波监听：每个主机都必须不停地监听信道。在发送前，如果监听到信道正在使用，就必须等待；
碰撞检测：在发送中，如果监听到信道已有其它主机正在发送数据，就表示发生了碰撞。虽然每个主机在发送数据之前都已经监听到信道为空闲，但是由于电磁波的传播时延的存在，还是有可能会发生碰撞。

记端到端的传播时延为 τ，最先发送的站点最多经过 2τ 就可以知道是否发生了碰撞，称 2τ 为 争用期。只有经过争用期之后还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。

当发生碰撞时，站点要停止发送，等待一段时间再发送。这个时间采用 截断二进制指数退避算法 来确定。从离散的整数集合 {0, 1, .., (2^k-1)} 中随机取出一个数，记作 r，然后取 r 倍的争用期作为重传等待时间。其中 k = min(重传次数, 10)，重传 16 次仍不成功就丢弃该帧。