数据链路层

负责从一个节点到直接相连的相邻节点传输数据报

1 功能

1. 为网络层服务：
    1）无确认的无连接服务：适用于实时通信或误码率较低的通信信道，如以太网。
    2）有确认的无连接服务：适用于误码率较高的通信网络，如无线通信。
    3）有确认的面向连接服务：适用于通信要求（可靠性，实时性）较高的场合。

2. 链路管理：指数据链路层连接的建立，维持，释放过程。

3. 帧定界：帧的首部与尾部的一个重要作用就是确定帧的界限，及帧定界。
   帧同步：指接收方应能从接收到的二进制比特流中区分处帧的起始和终止。
   透明传输：不管所传数据是什么样的比特组合都应当能在链路上传送。

4. 流量控制：指控制发送方的数据流量，使其发送速率不应超过接收方的接受能力。

5. 差错控制：指用以使发送方确定接收方是否正确收到其发送的数据的方法；错误分为帧错和位错。
   // 帧错：帧的丢失，重复，失序（引入定时器，编号机制来解决）。
   // 位错：1 变 0 ，0 变 1 。

2 组帧

把比特组成帧传输，就可再出错时只重传出错的帧，而不是所有数据，提高效率。

1. 字符计数法：指在帧头部使用一个计数字段来标明帧内字符数。
2. 字符填充的首尾定界符：使用一些特殊的字符来定界帧的开始与结束。
3. 比特填充的首尾标志法：使用一个特定的比特模式，如 01111110 ，在传输数据中遇到 5 个 1 就填充 1 个 0 ，同样接收方接受数据时遇到 5 个 1 就去掉后面的 1 个 0（5 1 1 0）。
4. 违规编码法：如曼彻斯特编码，用 “高-低”电平表示 1 ，“低-高” 为 0，则 “高-高”，“低-低”就可用于表示开始和结束。

3 差错控制

差错都是噪声引起，一是信道固有的随机热噪声，二是短暂原因造成的冲击噪声；前者可提高信噪比，后者只能采用编码技术来解决。

1. 检错编码：
    1）奇偶校验码：它由 n-1 位信息元和 1 位校验元组成；奇校验码是加上校验元后整体有奇数个 1，偶检验码则是整体有偶数个 1 。
    2）循环冗余码（多项式码）：
        数据 A 尾部加 0（0 的个数为帧检验序列位数减一）；
        新 A 对帧检验序列进行模 2 除法，都到余数为冗余码（位数等于第一步中加 0 的个数）；
        把冗余码替换掉 A 后面加的那些 0，即为传输的数据；
        接收方接受到数据，用此数据对帧检验序列进行模 2 除法，若余数为 0 则无错误，否则数据有误。

2. 纠错编码：
    海明码：发现双比特错，纠正单比特错。
    海明不等式：2^r >= k+r+1    //r: 冗余信息位，k: 信息位

4 流量控制与可靠传输机制

1. 停止-等待协议：
    发送方每发送一帧就要等待接收方的应答信号，之后再发送下一帧。

2. 滑动窗口协议：
    1）后退 N 帧协议(GBN)：发送窗口 > 1,接收窗口 = 1.
    // 接收方只能按顺序接受帧，且可采用累计确认；
    // 若采用 n 比特对帧编号，则发送窗口尺寸 w 应满足：1 <= w <=2^n-1.
    
    2）选择重传协议（SR): 发送窗口与接受窗口都大于等于 1，最大尺寸都等于 2^(n-1).
    // 对数据帧逐一确认；
    // 只重传出错帧；
    // 接收方有缓存。

5 介质访问控制

采取一定措施，使结点间的通信不会发生相互干扰。

1. 信道划分介质访问控制：
    1）频分多路复用
    2）时分多路复用
    3）波分多路复用
    4）码分多路复用

2. 随机访问介质访问控制：
    1. ALOHA协议：
        1）纯 ALOHA 协议：不监听信道，不按时间槽发送，想发就发，随机重发。
        2）时隙 ALOHA 协议：将时间划分为若干等长时隙，按时发送。

    2. CSMA 协议：
        1）1-坚持 CSMA：侦听信道，空闲即发，忙着等待，继续侦听，直至空闲。
        2）非坚持 CSMA：侦听信道，空闲即发，忙则弃听，随机重听。
        3）p-坚持 CSMA：侦听信道，空闲则以概率 p 发送数据，以概率 1-p 推迟到下一个时隙，忙则等待下一时隙再侦听。

    3. CSMA/CD 协议：
        适用于总线型网络或半双工网络环境（有线连接的局域网）；
        先听后发，边听边发，冲突停发，随机重发；
        最小帧长 = 数据传输率 * 总线传播时延 * 2；
        二进制指数退避算法：
            确定基本退避时间 2Π；
            定义参数 k = min[重传次数，10]；
            从离散数值 [0,1,···,2^k-1] 随机选取一个数值 r，则退避时间为 2Πr；
            重传 16 次仍不成功则抛弃此帧并向高层汇报。

    4. CSMA/CA 协议：
        适用于无线局域网；
        基本思想：发送数据前先广播通知其他节点，避免碰撞；先听后发，边听边发，碰撞停发。
        碰撞避免机制：
            1）预约信道：发送方发送的同时告知其他站点自己传输数据需要的时间。
            2）ACK 帧：接受方收到数据后要返回一个 ACK 帧，发送方如果在规定时间内没收到 ACK 帧，则会重新发送数据给接受方。
            3）RTS/CTS 帧：可选的碰撞避免机制，主要用与解决无线网中的 “隐蔽站” 问题。

3.轮询访问介质访问控制：
    用户通过一个集中控制的监控站，以循环的方式逐个获取信道使用权。
    令牌传递协议：得到令牌的机器才能发送数据，其他的等待。

6 局域网

局域网是指在一个较小的范围内，将各种计算机，外部设备和数据库系统等通过双绞线，同轴电缆等连接起来，组成资源和信息共享的计算机互联网络。

    1. 特性：
        1）拓扑结构：星形结构，环形结构，总线形结构（常用），树形（星形 + 总线形）。
        2）传输介质：双绞线（主流），铜缆，光纤。
        3）介质访问控制方式：CSMA/CD,令牌总线，令牌环（前两种用于总线形局域网，后者用于环形网络）。
    
    2. 三种特殊局域网拓扑实现：
        1）以太网：逻辑上是总线形结构，物理上是星形或扩展星型结构。
        2）令牌环：逻辑上环形结构，物理上是星形结构。
        3）FDDI ：逻辑上是环形，物理上是双环结构。
    
    3. 以太网：
        以太网是指符合 DIX Ethernet V2 标准的局域网，由于此标准与IEEE 802.3 标准相差很少，因此将 IEEE 802.3 局域网简称为以太网。

        1）传输介质：粗缆，细缆，双绞线，光纤。
        2）网卡：实现计算机与外部局域网的连接，又称网络接口板（卡），网络适配器。
        3）MAC 帧：数据帧的一种，包含 MAC 地址（物理地址）。

    4. 高速以太网：速率达到或超过 100Mb/s 的以太网。

    5. IEEE 802.11:
        指无线局域网的一系列协议标准；
        无线局域网分为：固定基础设施无线局域网，无固定基础设施无线局域网自组织网络。

7 广域网

广域网不等于互联网，互联网用路由器连接，可以连接不同类型的网络（局域网和广域网）；广域网则采用节点交换机连接一个网络。

1. PPP 协议：
    面向字节，采用字节填充方式，只支持全双工链路。
2. HDLC 协议：
    面向比特，采用 0 比特插入法，帧类分为信息帧，监督帧，无编号帧。

8 数据链路层设备

1. 网桥：
    特点：把两个或多个以太网通过网桥连接起来变成一个网段。
    类型：
        1）透明网桥：按照自学习算法填写转发表，按转发表转发；不是最佳路由。
        2）源路由网桥：先发送发现帧，按返回结果转发；是最佳路由。

2.交换机（多端口网桥）：
    交换模式：
        1）直通式：帧在接收后只检查目的地址，几乎能马上传输出去。
        2）存储转发：先将接收到的帧缓存到高速缓存器，检查数据正确性。

二者相同点：按 MAC 地址转发，都能隔离冲突域，不能隔离广播域。