计算机网络课件第三章点对点信道的数据链路层

计算机网络课件第三章点对点信道的数据链路层点对点信道概述数据链路层基本概念及功能差错控制方法流量控制与可靠传输机制介质访问控制方法以太网技术详解点对点信道概述01定义点对点信道（Point-to-PointChannel）是通信网络中一种基本的通信方式，它建立在两个节点之间，用于实现数据的直接传输。在点对点信道中，数据的传输是单向的，即数据只能从一个节点发送到另一个节点。单一通信路径点对点信道只存在于两个节点之间，数据沿着单一的路径进行传输。无中间节点干扰与广播信道不同，点对点信道中的数据传输不会受到其他节点的干扰。定义与特点由于数据传输是直接的，没有中间环节，因此传输效率较高。传输效率高点对点信道可以跨越较大的地理距离，实现两个远程节点之间的通信。适用于远距离通信定义与特点点对点信道是单向的、直接的传输方式，而广播信道则是将一个节点发送的数据同时传输给多个节点。传输方式点对点信道适用于需要高效、直接传输数据的场景，而广播信道则适用于需要将数据同时发送给多个接收者的场景。适用场景点对点信道只涉及两个节点之间的通信，而广播信道可以实现一个节点与多个节点之间的通信。通信范围在广播信道中，多个节点同时发送数据可能会导致干扰和冲突，而点对点信道则不存在这一问题。干扰问题点对点信道与广播信道比较应用场景举例远程文件传输在计算机网络中，当用户需要将一个大型文件从一个地点快速传输到另一个地点时，可以使用点对点信道进行高效的文件传输。实时音视频通话在音视频通话应用中，为了保证通话质量和实时性，通常会采用点对点信道进行数据传输。物联网设备通信在物联网中，许多设备之间需要进行实时的数据交换和控制命令的传输，点对点信道可以提供稳定、高效的通信支持。军事通信在军事领域，为了保证通信的安全性和实时性，通常会采用点对点信道进行加密通信和指挥控制信息的传输。数据链路层基本概念及功能020102数据链路层定义数据链路层在物理层提供的比特流的基础上，通过组帧等方式，提供相邻节点之间可靠的数据传输服务。数据链路层是OSI参考模型中的第二层，介于物理层和网络层之间。数据链路层功能帧同步功能：为了使传输中发生差错后只将有错的有限数据进行重发，数据链路层将比特流组合成以帧为单位传送。帧的组织结构必须设计成使接收方能够明确地从物理层收到的比特流中对其进行识别，也即能从比特流中区分出帧的起始与终止，这就是帧同步要解决的问题。差错控制功能：当数据在链路层传输时，由于存在噪声干扰，可能会使数据在传输过程中发生差错。为了在差错发生时能使发送方重发差错的数据，接收方需要对收到的每一帧进行差错检验，若发现差错，则通过某种方式通知发送方重发该帧。流量控制功能：流量控制并不是数据链路层所特有的功能，许多高层协议中也提供流量控制的功能，只不过控制的对象不同而已。比如，对于传输层来说，控制的是源端到目的端的流量，而数据链路层控制的是相邻两节点之间数据链路上的流量。链路管理功能：数据链路层连接的建立、维持和释放过程称为链路管理。它主要用于面向连接的服务。在多个站点共享同一物理信道的情况下（例如在局域网中），如何在要求通信的站点间分配和管理信道也属于数据链路层管理的范畴。数据链路层的协议数据单元是帧。帧由帧首部、帧尾部和帧数据三部分组成。帧首部包含一些控制信息，如发送方地址、接收方地址等；帧尾部通常包含一些用于帧同步和差错控制的信息；帧数据部分则是要传输的数据。帧为了能从比特流中区分出帧的起始和终止，需要在帧的首部和尾部添加特定的标记，这种标记称为帧定界符。常见的帧定界符有特定的比特模式或特殊的字符序列。帧定界符帧、帧定界符和透明传差错控制方法03传输错误由于信号在传输过程中受到干扰或衰减，导致接收端收到的信号与发送端发送的信号不一致。同步错误发送端和接收端的时钟频率或相位不一致，导致接收端无法正确解析收到的信号。突发性错误由于设备故障、电源波动等原因引起的突发性传输错误。差错产生原因及类型前向纠错（FEC）在发送端对数据进行编码，加入冗余信息，使得接收端能够利用这些冗余信息纠正传输过程中出现的错误。混合纠错（HEC）结合ARQ和FEC的优点，当接收端检测到错误时，首先尝试利用冗余信息进行纠错，如果无法纠正则通过反馈信道请求重传。自动重传请求（ARQ）当接收端检测到错误时，通过反馈信道向发送端发送请求，要求重新发送出错的数据。差错控制方法分类奇偶校验码通过在数据中添加一个校验位，使得整个数据中1的个数为偶数（偶校验）或奇数（奇校验），从而实现简单的差错控制。循环冗余检验码（CRC）利用生成多项式对数据进行编码，生成一个校验码附加在数据后面。接收端利用同样的生成多项式对数据进行检验，从而发现传输过程中的错误。卷积码一种前向纠错编码方式，通过对数据进行卷积运算生成监督码元，接收端利用这些监督码元进行纠错。卷积码具有较高的编码效率和纠错能力。差错控制编码原理及实现流量控制与可靠传输机制04流量控制定义避免数据丢失保证网络稳定性提高数据传输效率流量控制概念及必要性当发送方发送数据的速度超过接收方的处理能力时，接收方可能会丢失数据。过度的数据发送可能导致网络拥塞，从而影响整个网络的稳定性。通过流量控制，可以使得数据的发送和接收更加平滑，从而提高数据传输的效率。流量控制是一种机制，用于防止在计算机网络中，发送方将数据发送得过快以至于接收方无法处理。停-等协议原理及实现停-等协议原理：停-等协议是最简单的数据链路层协议之一，它要求发送方在发送一个数据帧后，必须等待接收方的确认才能发送下一个数据帧。如果接收方没有收到数据帧或者收到的数据帧有误，它会发送一个否定确认（NAK），要求发送方重发数据帧。帧的编号为了保证数据的顺序和正确性，需要对每个发送的数据帧进行编号。确认与重发接收方在收到数据帧后需要发送确认帧（ACK）给发送方，如果接收方没有收到数据帧或者收到的数据帧有误，它会发送一个否定确认（NAK），要求发送方重发数据帧。超时与重传发送方在发送一个数据帧后会启动一个定时器，如果在定时器超时之前没有收到确认帧，它会重发数据帧。停-等协议原理及实现GBN协议原理：后退N帧协议是一种滑动窗口协议，它允许发送方在收到确认之前连续发送多个数据帧。当接收方检测到一个错误帧时，它会发送一个否定确认（NAK），要求发送方从出错帧开始的所有未确认的帧全部重发。滑动窗口：GBN协议使用滑动窗口来限制未确认的帧数，窗口的大小可以根据网络状况动态调整。累计确认：接收方只发送累积确认，表示到目前为止已经正确接收的所有帧。超时与重传：当发送方在定时器超时之前没有收到确认时，它会重发所有未确认的帧。后退N帧协议（GBN）原理及实现0102SR协议原理选择重传协议也是一种滑动窗口协议，但与GBN不同的是，当接收方检测到一个错误帧时，它只会要求发送方重发出错的那一帧，而不是从出错帧开始的所有未确认的帧。滑动窗口SR协议同样使用滑动窗口来限制未确认的帧数。单个确认接收方对每个正确接收的帧都发送一个确认。超时与重传当发送方在定时器超时之前没有收到某个帧的确认时，它会只重发那一帧。缓冲区管理接收方需要维护一个缓冲区来存储未按顺序到达的帧，直到所有之前的帧都已正确接收并按顺序排列。030405选择重传协议（SR）原理及实现介质访问控制方法05介质访问控制方法概述介质访问控制（MAC）方法是数据链路层的重要组成部分，用于解决多个设备共享同一传输介质时的信道分配问题。MAC方法的主要目标是确保数据的可靠传输，同时优化信道利用率和网络性能。常见的MAC方法包括静态划分信道、动态媒体接入控制等。ABCD静态划分信道方法频分多路复用（FDM）将信道的频率范围划分为多个子信道，每个子信道分配给一个设备使用。波分多路复用（WDM）在光纤通信中，利用不同波长的光信号在同一光纤中传输，实现信道的划分。时分多路复用（TDM）将信道的时间划分为多个时间片，每个时间片分配给一个设备使用。码分多路复用（CDM）通过给每个设备分配一个独特的码片序列，实现多个设备在同一信道上同时传输数据。动态媒体接入控制协议ALOHA协议一种随机接入协议，设备在有数据要发送时立即发送，如果发生冲突则等待一段随机时间后重发。CSMA/CD协议带冲突检测的载波监听多路访问协议，在CSMA的基础上增加了冲突检测机制，如果发生冲突则立即停止发送并等待一段随机时间后重发。CSMA协议载波监听多路访问协议，设备在发送数据前先监听信道是否空闲，如果空闲则立即发送数据。CSMA/CA协议带冲突避免的载波监听多路访问协议，在CSMA的基础上增加了冲突避免机制，通过预约信道或退避算法等方式减少冲突的发生。以太网技术详解06以太网起源01以太网最初是由Xerox公司开发的，用于实现公司内部计算机之间的通信。标准制定组织02IEEE802.3工作组负责制定以太网标准，确保不同厂商生产的以太网设备能够相互兼容。发展历程03从最初的10Mbps速率，到后来的100Mbps、1Gbps，再到现在的10Gbps、40Gbps等更高速率，以太网技术不断演进，满足日益增长的数据传输需求。以太网发展历程及标准制定组织介绍以太网帧格式详解目的地址和源地址数据字段分别表示接收端和发送端的MAC地址。包含上层协议传递下来的数据。前导码类型/长度字段FCS字段用于接收端同步，表示一个以太网帧的开始。表示上层协议类型或数据长度。用于帧校验，确保数据传输的正确性。数据封装与解封装MAC层负责将数据封装成以太网帧进行传输，并在接收端对帧进行解封装，提取出上层协议数据。访问控制MAC层采用CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）机制，确保多个设备在共享信道中能够有序地访问网络资源。MAC地址