【计算机网络】数据链路层 : 总结 ( 封装成帧 | 流量控制与可靠传输 | 差错控

文章目录

一、数据链路层功能二、封装成帧 ★三、流量控制和可靠传输 ★★1、停止等待协议 ★2、后退 N 帧 ( GBN ) 协议 ★3、选择重传 ( SR ) 协议 ★四、差错控制 ( 检错 | 纠错 ) ★五、介质访问控制 ★★1、介质访问控制 ★2、静态划分信道 ★3、动态划分信道 ( 轮询访问 ) ★4、动态划分信道 ( 随机访问 ) ★5、CSMA/CD 相关计算 ★六、局域网七、广域网八、数据链路层设备

一、数据链路层功能

"数据链路层" 功能 :

① 可靠性服务 :“数据链路层” 在物理层提供的服务的基础上 , 提供可靠性服务 ;

② 服务内容 :将网络层下发的数据 , 可靠地传输给相邻节点的网络层 ;

③ 逻辑上无差错链路 :“数据链路层” 加强了物理层传输比特流的能力 , 物理层传输可能出错 , 数据链路层可以将物理连接改造成逻辑上无差错的数据链路 ;

"数据链路层" 功能列举 :

① 为网络层提供服务

无确认无连接服务有确认无连接服务有确认有连接服务

② 链路管理, 面向连接的服务中 , 建立连接 , 维持连接 , 释放连接 ;

③ 将数据报组成数据帧

④ 流量控制, 主要是限制发送方的数据率 ;

⑤ 差错控制, 帧错误处理 ( 重发 ) , 位错误处理 ( 纠正 ) ;

参考博客 :【计算机网络】数据链路层 : 概述 ( 基本概念 | 功能 | 为 “网络层“ 提供的服务 )

二、封装成帧 ★

1 . 数据帧透明传输需求 :

① 数据帧封装 :数据帧添加帧首部 , 和帧尾部 ; 帧首部和帧尾部之间的部分就是实际的数据 ;

② 传输文本文件 :数据帧的数据是文本文件组成时 , 数据都是 ASCII 码 , 键盘上传输的任何字符 , 都可以透明传输 ;

③ 传输非文本文件 :如果传输的文件是非文本文件 , 如图像 , 音频 , 视频等 , 此时文件中的数据可能是任意值 , 就有可能与帧尾部或帧首部相同 , 此时就需要采用字符填充法实现透明传输 ;

2 . 字符填充法 :

① 数据的随机性 :原始数据中 , 存在与帧首部 , 帧尾部相同的数据 ;

② 发送端填充转义字符 :在这些数据中的帧首部 / 帧尾部相同的数据前 , 填充一个转义字符 , 告诉接收端 , 转义字符后的后续数据作为帧数据 , 不当做帧首部 / 帧尾部使用 ;

③ 接收端接收数据 :接收端接收到的数据中有转义字符 + 帧首部 / 尾部样式的信息时 , 将转义字符后的数据当做帧数据 ; 当接收到单独的帧首部 / 尾部时 ( 没有转义字符 ) , 才将其当做数据帧的首部 / 尾部 ;

3 . 零比特填充法 :

① “数据帧” 首部尾部设定 :数据帧首部尾部都设定成 011111100111111001111110 , 解决数据中出现 011111100111111001111110 数据的情况 , 实现透明传输 ;

② 发送端 :扫描发送数据 , 发现有连续的 555 个 111 , 就在后面加上一个 000 ; 这样帧数据永远不会出现 666 个 111 的数据 ;

③ 接收端 :扫描接收数据 , 发现有连续的 555 个 111 , 就将后面的 000 删除 ; 对应发送端的操作 ;

这样在比特流中可以传输任意比特组合 , 不会引起数据帧边界判定错误的问题 , 实现了透明传输 ;

三、流量控制和可靠传输 ★★

1、停止等待协议 ★

1 . 停止等待协议

停止-等待协议解决的问题 :

可靠传输 :解决由于物理线路 , 设备故障 , 路由错误等各种问题导致的丢包问题 ;流量控制 :实现发送端与接收端的流量控制 ;

停止-等待协议讨论场景 :只考虑一方为发送方 , 一方为接收方 ; 相当于单工通信场景 ;

停止-等待协议内容 :发送方每发送完一个数据帧 ( 分组 / 数据报 ) , 就停止发送 , 等待接收端确认 , 接收到接收端确认信息后 , 再发送下一个分组数据 ;

停止-等待协议应用场景 :

无差错情况有差错情况

2 . 信道利用率 :

"停止-等待协议" 性能分析 :

优点 :简单

缺点 :信道利用率低 ;

信道利用率 :

U=TDTD+RTT+TAU = \cfrac{T_D}{T_D + RTT + T_A}U=TD+RTT+TATD

UUU 是信道利用率 ;

TDT_DTD 是发送方发送延迟 , 即发送方用了多长时间将数据帧发送完毕 ;

RTTRTTRTT 是往返时延 ;

TAT_ATA 是接收方发送 ACKACKACK 确认帧的时延 ;

"停止-等待协议" 信道利用率很低 , 大部分事件都在传输的延迟上 , 用于发送接收的时间很少 ;

3 . 停止等待协议信道利用率计算示例 :

信道传输速率 4000b/s , 单向传播时延 30ms , 使 “停止-等待” 协议信道利用率达到 80% , 数据帧长度至少是多少 ???

信道利用率公式为 :

U=TDTD+RTT+TAU = \cfrac{T_D}{T_D + RTT + T_A}U=TD+RTT+TATD

先把数据单位收拾下 , 传输速率 4000 比特 / 秒 , 单向传播时延 0.03 秒 , RTT 是 0.06 秒 ; 设数据帧长度是 LLL 比特 ; 这里没有给出 ACK 发送延迟 , 当做 000 ;

L4000L4000+0.06+0=0.8\cfrac{\dfrac{L}{4000}}{\dfrac{L}{4000} + 0.06 + 0} = 0.84000L+0.06+04000L=0.8

分子分母都乘以 400040004000 ;

LL+240=0.8\cfrac{L}{L+ 240} = 0.8L+240L=0.8

L=0.8L+192L= 0.8 L + 192L=0.8L+192

0.2L=1920.2L= 1920.2L=192

L=960L= 960L=960 单位是比特 ;

数据帧的长度至少是 960960960 比特 ;

2、后退 N 帧 ( GBN ) 协议 ★

"停止-等待" 协议弊端 :信道利用率低 , 发送完一帧后等待 , 这个时候信道完全是空闲的 ;

为了提高信道利用率 , 发送端发送完一帧后 , 不用等待接收端的 ACK 确认帧 , 立刻发送第二帧 , 第三帧 , 这样信道的利用率就提高了 ;

相应协议也要做一些更改 :

① 增加发送方的帧序号范围 ;

② 发送方缓存多个帧分组 ;连续发送 NNN 帧 , 其中某一帧可能需要重传 , 但不知道哪一帧需要重传 , 这里需要将这 NNN 帧全部缓存下来 ;

这里有引出了两个在 “停止-等待” 协议基础上 , 改进的两个协议 :

后退 NNN 帧协议 ( GBN )选择重传协议 ( SR )

2 . 后退 N 帧协议重点★

发送方累计确认机制 :收到 ACK NNN , 就表示 NNN 号帧及之前的帧 , 全部正确 ;

接收方按序接收 :接收方只能按照顺序接收 , 人如果中间有帧丢失 , 那么后续帧全部丢弃 ;

接收方确认帧 :接收方如果收到错误帧 , 失序帧 , 那么查找最近成功接收的正确的帧的最大的 , 按序到达的帧序号是多少 , 发送该帧对应的 ACK 确认帧 ;

发送窗口 :nnn 是帧序号编码长度 , 发送窗口大小最大是 2n−12^n - 12n−1 , 最小 111 ;

3 . 后退 N 帧协议计算示例 :

数据链路层采用后退 NNN 帧协议 , 发送方发送了 0,1,2,3,4,5,6,70,1,2,3,4,5,6,70,1,2,3,4,5,6,7 编号的数据帧 , 当计时器超时时 , 只接收到了 0,2,30 , 2, 30,2,3 帧的确认帧 , 发送方需要重发的帧数时 4,5,6,74,5,6,74,5,6,7 帧 ;

计时器超时 , 发送方发送已发送 , 但是没有被确认的帧 ;

确认机制是累计确认的 , 发送方接收到了 333 确认帧 , 说明 333 之前的帧已经成功接收了 , 虽然没有收到 111 确认帧 , 但是该帧已经默认接收成功 ;

重发没有被确认的帧 , 即 4,5,6,74,5,6,74,5,6,7 帧 ;

参考博客 :【计算机网络】数据链路层 : 后退 N 帧协议 GBN ( 滑动窗口 | 发送窗口长度 | “发送方“ 累计确认、超时机制 | “接收方“ 按序接收、确认帧发送机制 | 计算示例 )★

3、选择重传 ( SR ) 协议 ★

1 . 选择重传协议 SR 重点 :

① 数据帧逐一确认 , 接收方收到一个帧 , 就会单独发送该帧的确认帧 ;

② 重传出错的单个帧 ;

③ 接收方有缓存 ;

④ 滑动窗口大小 : WT=WR=2n−1W_T = W_R = 2^{n - 1}WT=WR=2n−1 ;

发送窗口与接收窗口大小相等 , 便于流量控制 ;

使用 nnn 比特对帧进行编号 , 发送窗口的尺寸 WTW_TWT 和接收窗口尺寸 WRW_RWR满足如下公式要求 :

WT=WR=2n−1W_T = W_R = 2^{n - 1}WT=WR=2n−1

2 . 选择重传协议计算示例

数据链路层使用选择重传协议 SR , 发送方发送了 0,1,2,30 , 1, 2,30,1,2,3 帧 , 当前时刻 , 收到了 111 号确认帧 , 0,20, 20,2 号帧出现超时 , 则需要重发哪些帧 ???

SR 协议是收到一帧 , 确认一帧 ;

111 号帧已经确认 , 不用重发 ;

0,20 , 20,2 帧超时 , 必须重发 ;

333 号帧等待确认 , 当前时刻不用管 , 如果超时 , 就需要重发 , 当前没有超时 , 等待即可 ;

因此最终只需要重发 0,20 , 20,2 数据帧 ;

参考博客 :【计算机网络】数据链路层 : 选择重传协议 SR ( 帧分类 | “发送方“ 确认帧、超时事件 | “接受方“ 接收帧机制 | 滑动窗口长度 | 计算示例 )★

四、差错控制 ( 检错 | 纠错 ) ★

生成多项式最高次幂 = FCS 帧检验序列个数

上述数值加上 111 等于生成多项式二进制个数

1 . 奇偶校验码组成 :

① 信息元 :n−1n-1n−1 位 ; 要发送的有效数据 ;

② 校验元 :111 位 ; 冗余码 ;

③ 奇校验码 :111 的个数为奇数 ; 冗余位 111 ;

④ 偶校验码 :111 的个数为偶数 ; 冗余位 000 ;

2 . CRC 循环冗余码

发送数据 11010110111101 0110 111101011011 , 使用 CRC 循环冗余码 , 生成多项式是 100111001110011 , 求最终的发送数据 ???

最终发送的数据组成 :原始数据 11010110111101 0110 111101011011 + 帧检验序列 FCS ;

计算帧检验序列 FCS :

① 数据加冗余码位数个 000 :首先确定冗余码位数 , 冗余码的位数是生成多项式的阶 , 即生成多项式 100111001110011 的总位数减去 111 , 相当于离散数学中的生成函数的最高位次幂 ; FCS 的位数是 444 位 ;

生成多项式是 NNN 位 , 那么阶就是 N−1N-1N−1 位 , FCS 帧检验序列就是 N−1N-1N−1 位 ;

数据加 444 个 000 后为 110101101100001101 0110 11 000011010110110000

② 模 222 除法 :数据加上 000 后 , 除以生成多项式 , 余数就是 FCS 帧检验序列 ;

二进制除法 , 与十进制除法不同的是 , 每个除法相除的计算是异或操作 ;

异或运算 : 同 000 , 异 111 ;

模 222 除法计算过程分析 :

110101101011010 异或 100111001110011 计算得到 100110011001 , 然后下一位 111 落下来 , 得到 100111001110011 ;100111001110011 异或 100111001110011 计算得到 000000000000000 , 然后下面 555 位落下来 , 得到 101101011010110 ;101101011010110 异或 100111001110011 计算得到 101101101 , 然后下 222 位落下来 , 得到 101001010010100 ;101001010010100 异或 100111001110011 计算得到 111011101110

最终计算出来的帧检验序列是 111011101110 ;

最终发送的数据是 :11010110111101 0110 111101011011 111011101110

接收端接收数据并校验 :

① 检验过程 :接收端接收上述 11010110111101 0110 111101011011 111011101110 数据 , 将上述数据与生成多项式 100111001110011 相除 , 如果余数为 000 说明该数据帧没有差错 ;

② 结果判定 :如果余数不为 000 , 说明数据帧错误 , 而且不知道哪里出现错误 , 丢弃该数据帧 , 重新发送 ;

3 . 生成多项式 :G(x)=x3+x2+1G(x) = x^3 + x^2 + 1G(x)=x3+x2+1

相当于 :G(x)=x3+x2+0x1+x0G(x) = x^3 + x^2 + 0x^1 + x^0G(x)=x3+x2+0x1+x0

对应的模二运算的除数 :110111011101 ;

xxx 的 000 次幂系数为 111 , 对应第 000 位为 111 ;xxx 的 111 次幂系数为 000 , 对应第 111 位为 000 ;xxx 的 222 次幂系数为 111 , 对应第 222 位为 111 ;xxx 的 333 次幂系数为 111 , 对应第 333 位为 111 ;

生成多项式对应的二进制数 , 总位数是最高次幂加一 , 每一位是对应位前的系数 000 或 111 ;

参考博客 :【计算机网络】数据链路层 : 差错控制 ( 检错编码 | 奇偶校验码 | CRC 循环冗余码 )★

4 . 纠错编码海明码

五、介质访问控制 ★★

1、介质访问控制 ★

介质访问控制 :使广播网络中 , 两个节点之间的通信不会发生干扰的措施 ; 可以划分为以下两种类型 :

静态划分信道动态划分信道

静态划分信道 :信道划分介质访问控制 ;

① 频分多路复用 FDM ( Frequency )

② 时分多路复用 TDM ( Time )

③ 波分多路复用 WDM ( Wave )

④ 码分多路复用 CDM ( Code )

动态分配信道 :

① 轮询访问介质访问控制 :令牌环传递协议 ;

② 随机访问介质访问控制 :

ALOHA 协议CSMA 协议 CSMA / CD 协议CSMA / CA 协议

2、静态划分信道 ★

1 . 频分多路复用 FDM :

① 一直持有频带 :用户分配到频带后 , 通信过程中一直占用该频带 ;

② 频率带宽资源 ( Hz ) :频分复用所有用户 , 同样式样占用不同的频率带宽资源 , 频率带宽是赫兹单位 ;

频分多路复用 FDM 优点 :

① 效率高 :充分利用介质带宽 , 传输效率较高 ;

② 实现简单 :该技术比较成熟 , 实现简单 ;

2 . 时分多路复用 TDM :

① 划分等长帧 :将时间划分为若干等长的时分复用帧 ( TDM 帧 ) ;

② TDM 帧 :是在物理层传送的比特流所划分的帧 , 标志一个周期 ;

③ 固定时隙 :每个时分复用用户 , 在每个 TDM 帧中 , 占用固定序号的时隙 ;

④ 轮流使用 :所有用户轮流占用信道 ;

整个信道的速率是 8000 比特 / 秒 , 如果将信道划分为 444 个 TDM 帧 , 那么每个用户的速率最高是 2000 比特 / 秒 ;

3 . 波分复用 WDM :

① 本质 :光的频分多路复用 ;

② 不同波长光 :在光纤中 , 传输多种不同波长的光信号 , 波长不同 , 各路光信号互不干扰 ;

③ 分离信号 :使用波长分解复用器将各路播放分解出来 ;

4 . 码分多路复用 CDM :

码分多址 ( CDMA ) 是码分多路复用 CDM 的一种重要形式 ;

111 个比特分为多个码片 ( 芯片 ) , 每个站点被指定一个唯一的 mmm 位芯片序列 ;

发送 111 时 , 站点发送芯片序列 , 发送 000 时 , 站点发送芯片序列反码 ;

A,BA , BA,B 两个主机 , 发送数据到 CCC 主机 ;

主机 AAA 发送 000 数据 , 主机 BBB 发送 111 数据 , 其发送的每个比特 , 都对应一个 mmm 位的芯片序列 , 一般情况下芯片序列的长度是 646464 或 128128128 位 , 这里为了方便演示 , 设置芯片序列长度为 888 位 ;

数据不冲突前提 ( 芯片序列正交 ) :多个站点 , 同时发出数据时 , 各个站点 , 芯片序列必须满足相互正交的前提 ; 只要芯片正交 , 就不会出现冲突 ;

芯片序列正交计算 :芯片序列对应位相乘 , 然后相加 , 除以总位数 ;

数据合并 :将信道中的芯片序列按位线性相加 , 合并后的芯片序列位数相同 ;

数据分离 :合并的数据和源站芯片序列规格化内积;

规格化内积计算 :合并后的数据与源站芯片序列 , 按位相乘 , 再相加 , 最后除以芯片序列位数 , 如果得到 +1+1+1 说明是数据 111 , 如果得到 −1-1−1 说明是数据 000 ;

芯片序列与芯片序列反码 :

AAA 主机中的 111 数据 , 对应芯片序列 (+1,−1,−1,+1,+1,+1,+1,−1)( +1 , -1 , -1 , +1 , +1 , +1 , +1 , -1 )(+1,−1,−1,+1,+1,+1,+1,−1) ;

AAA 主机中的 000 数据 , 对应芯片序列 (−1,+1,+1,−1,−1,−1,−1,+1)( -1 , +1 , +1 , -1 , -1 , -1 , -1 , +1 )(−1,+1,+1,−1,−1,−1,−1,+1) , 000 数据的芯片序列是 111 数据芯片序列的反码 ;

BBB 主机中的 111 数据 , 对应芯片序列 (−1,+1,−1,+1,−1,+1,+1,+1)( -1 , +1 , -1 , +1 , -1 , +1 , +1 , +1 )(−1,+1,−1,+1,−1,+1,+1,+1) ;

BBB 主机中的 000 数据 , 对应芯片序列 (+1,−1,+1,−1,+1,−1,−1,−1)( +1 , -1 , +1 , -1 , +1 , -1 , -1 , -1 )(+1,−1,+1,−1,+1,−1,−1,−1) , 000 数据的芯片序列是 111 数据芯片序列的反码 ;

芯片序列正交验证计算 :如果 A,BA,BA,B 两台主机之间的芯片序列可以正交 , 那么其发送数据就不会冲突 ;

主机 AAA 的 111 数据芯片序列 (+1,−1,−1,+1,+1,+1,+1,−1)( +1 , -1 , -1 , +1 , +1 , +1 , +1 , -1 )(+1,−1,−1,+1,+1,+1,+1,−1) , 与

主机 BBB 中 111 数据芯片序列 (−1,+1,−1,+1,−1,+1,+1,+1)( -1 , +1 , -1 , +1 , -1 , +1 , +1 , +1 )(−1,+1,−1,+1,−1,+1,+1,+1) 正交 ;

正交计算 : 每个对应位按位相乘 , 然后相加 , 除以位数 ; 如果为 000 , 说明两个芯片序列正交 ;

(+1×−1)+(−1×+1)+(−1×−1)+(+1×+1)+(+1×−1)+(+1×+1)+(+1×+1)+(−1×+1)8=−1+(−1)+1+1+(−1)+1+1+(−1)8=0\begin{array}{lcl} \\\\ \cfrac{( +1 \times -1 ) + ( -1 \times +1 ) + ( -1 \times -1 ) + ( +1 \times +1 ) + ( +1 \times -1 ) + ( +1 \times +1 ) + ( +1 \times +1 ) + ( -1 \times +1 ) }{8} \\\\ =\cfrac{-1 + (-1) + 1 + 1 + (-1) + 1 + 1 + (-1)}{8} \\\\ = 0 \end{array}8(+1×−1)+(−1×+1)+(−1×−1)+(+1×+1)+(+1×−1)+(+1×+1)+(+1×+1)+(−1×+1)=8−1+(−1)+1+1+(−1)+1+1+(−1)=0

数据合并 :将芯片数据线性相加即可 ;

AAA 主机发送 000 数据 , BBB 主机发送 111 数据 , 那么对应的合并的数据是 :

AAA 主机 000 数据对应芯片序列 (−1,+1,+1,−1,−1,−1,−1,+1)( -1 , +1 , +1 , -1 , -1 , -1 , -1 , +1 )(−1,+1,+1,−1,−1,−1,−1,+1)

BBB 主机 111 数据对应芯片序列 (−1,+1,−1,+1,−1,+1,+1,+1)( -1 , +1 , -1 , +1 , -1 , +1 , +1 , +1 )(−1,+1,−1,+1,−1,+1,+1,+1)

(−1−1,+1+1,+1−1,−1+1,−1−1,−1+1,−1+1,+1+1)=(−2,+2,0,0,−2,0,0,+2)\begin{array}{lcl} \\\\ ( -1 -1 , +1 + 1, +1 - 1 , -1 + 1, -1 - 1, -1 + 1, -1 + 1 , +1 + 1) \\\\ =( -2 , +2 , 0, 0 , -2, 0 , 0 , +2) \end{array}(−1−1,+1+1,+1−1,−1+1,−1−1,−1+1,−1+1,+1+1)=(−2,+2,0,0,−2,0,0,+2)

数据分离 :

CCC 设备收到 (−2,+2,0,0,−2,0,0,+2)( -2 , +2 , 0, 0 , -2, 0 , 0 , +2)(−2,+2,0,0,−2,0,0,+2) 芯片序列 , 将该序列与 AAA 主机芯片序列进行规格化内积 ;

规格化内积 :对应位相乘 , 求总和 , 然后除以芯片序列总的位数 888 ;

规格化内积计算过程 :对应位相乘 , 然后将 888 个相乘结果相加 , 最后除以 888 ;

主机 AAA 芯片序列是 (+1,−1,−1,+1,+1,+1,+1,−1)( +1 , -1 , -1 , +1 , +1 , +1 , +1 , -1 )(+1,−1,−1,+1,+1,+1,+1,−1) ;

规格化内积=(−2,+2,0,0,−2,0,0,+2)∙(+1,−1,−1,+1,+1,+1,+1,−1)=(−2×+1)+(+2×−1)+(0×−1)+(0×+1)+(−2×+1)+(0×+1)+(0×+1)+(+2×−1)8=−2−2+0+0−2+0+0+−28=−1\begin{array}{lcl} \\\\ 规格化内积 = ( -2 , +2 , 0, 0 , -2, 0 , 0 , +2) \bullet ( +1 , -1 , -1 , +1 , +1 , +1 , +1 , -1 ) \\\\ = \cfrac{ ( -2 \times +1) + ( +2 \times -1) + ( 0 \times -1) + ( 0 \times +1) + ( -2 \times +1) + ( 0 \times +1) + ( 0 \times +1) + ( +2 \times -1) }{8} \\\\ = \cfrac{ -2 - 2 + 0+0 - 2 +0 + 0+ - 2 }{8} \\\\ = -1 \end{array}规格化内积=(−2,+2,0,0,−2,0,0,+2)∙(+1,−1,−1,+1,+1,+1,+1,−1)=8(−2×+1)+(+2×−1)+(0×−1)+(0×+1)+(−2×+1)+(0×+1)+(0×+1)+(+2×−1)=8−2−2+0+0−2+0+0+−2=−1

计算结果是 −1-1−1 , 说明主机 AAA 发送的数据是 000 ;

3、动态划分信道 ( 轮询访问 ) ★

令牌传递协议 :

① 令牌帧 :特殊格式的 MAC 控制帧 , 没有任何信息 ;

② 令牌作用 :控制信道使用 , 确保同一时刻 , 只有一个站点独占信道 ;

③ 发送数据前提 :每个节点都可以在令牌持有时间内 , 获得发送数据的权利 , 该时间并不是无限持有的 , 有时间限制 ;

令牌传递协议特点 :

① 优点 :令牌环网没有数据碰撞冲突 ;

② 缺点 :

令牌开销等待延迟单点故障

令牌传递协议应用场景 :令牌传递协议应用于令牌环网 ;

物理上是星型拓扑结构逻辑上是环形拓扑结构

令牌传递协议 , 常用于负载较重 , 通信量较大的网络 ;

参考博客 :【计算机网络】数据链路层 : 轮询访问介质访问控制 ( 轮询协议 | 令牌传递协议 )

4、动态划分信道 ( 随机访问 ) ★

1 . ALOHA 协议

( 1 ) 纯 ALOHA 协议 :

不监听信道 ;

随机发送 :不按照时间槽发送 , 也就是随机发送 ;

想发就发 ;

冲突检测、处理 :

① 出现冲突 :如果发送时 , 出现了冲突 , 数据被丢弃 , 或部分出错 , 发送失败 ;

② 接收方处理 :接收方没有收到数据 , 或收到错误数据 , 那么向发送方发送错误信息 , 或者干脆不回送确认信息 ;

③ 发送方处理 :如果发送方在超时时间内没有收到接收方的确认信息 , 那么就重传之前的数据 ;

( 2 ) 时隙 ALOHA 协议 :

① 时间片分割 :将时间分成若干相同的时间片 ;

② 接入信道 :所有用户在每个时间片开始时 , 同步接入网络信道 ;

③ 冲突机制 :如果接入信道时某用户与其它用户发生冲突 , 那么等到下一个时间片再开始发送 ;

参考博客 :【计算机网络】数据链路层 : ALOHA 协议 ( 纯 ALOHA 协议 | 时隙 ALOHA 协议 )

2 . CSMA 协议 ( 载波监听多路访问协议 )

CSMA 协议 :

① 全称 :Carrier Sense Multiple Access , 载波监听多路访问协议 ;

② CS :Carrier Sense , 载波监听 , 每个站点发送数据前 , 先检测总线上是否有其它站点在发送数据 ;

③ MA :多点接入 , 多个主机连接在同一条总线上 ;

ALOHA 协议与 CSMA 协议对比 :

ALOHA 协议 , 不听就说 ;

CSMA 协议 , 先听再说 ;

参考博客 :【计算机网络】数据链路层 : CSMA 协议 ( 载波监听多路访问协议 | 监听 | 1-坚持 CSMA | 非坚持 CSMA | p-坚持 CSMA )

3 . CSMA/CD 协议

CSMA/CD 协议 :

① 全称 :Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection , 载波监听多点接入 / 碰撞检测协议 ;

② CS :Carrier Sense , 载波监听 , 每个站点发送数据前 , 和发送数据过程中 , 先检测总线上是否有其它站点在发送数据 ;

③ MA :Multiple Access , 多点接入 , 多个主机连接在同一条总线上 ; 该协议应用于总线型网络中 ;

④ CD :Collision Detection , 碰撞检测 , 适配器一边发送 , 一边监听 , 检测信道上电压变化用于判断本站点发送数据时 , 其它站点是否也在发送你数据 ; 由此可以看出 , 该协议用于半双工网络中 ;

电磁波传输时间导致冲突 :先监听了信道 , 但是还是会发生冲突 , 电磁波在信道上是以有限速度传播的 , 如果电磁波没有到本站点 , 当时检测肯定是没有信号 , 但是等到本站点向外发出数据时 , 突然检测到有信号 , 这里电磁波传输的时间差 , 就造成了这种误差 ;

ALOHA 协议与 CSMA 协议对比 :

ALOHA 协议 , 不听就说 ;

CSMA 协议 , 先听再说 ;

CSMA/CD 协议 , 先听再说 , 边听边说 ;

参考博客 :【计算机网络】数据链路层 : CSMA/CD 协议 ( 载波监听多点接入 / 碰撞检测协议 | 单程端到端传播时延 | 截断二进制指数规避算法 | 计算示例 | 最小帧长问题 )★

4 . CSMA/CA 协议 :( 仅作了解 )

① 全称 :Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance , 载波监听多点接入 / 碰撞避免协议 ;

② CS :Carrier Sense , 载波监听 , 每个站点发送数据前 , 和发送数据过程中 , 先检测总线上是否有其它站点在发送数据 ;

③ MA :Multiple Access , 多点接入 , 多个主机连接在同一条总线上 ; 该协议应用于总线型网络中 ;

④ CA :Collision Avoidance , 碰撞避免 ;

随机访问介质访问控制协议对比 :

ALOHA 协议 , 不听就说 ;

CSMA 协议 , 先听再说 ;

CSMA/CD 协议 , 先听再说 , 边听边说 ;

CSMA/CA 协议 , 先听再说 , 边听边说 ;

参考博客 :【计算机网络】数据链路层 : CSMA/CA 协议 ( 载波监听多点接入 / 碰撞避免协议 | CSMA/CA 协议工作原理 | CSMA/CD 协议与 CSMA/CA 协议对比 )

5、CSMA/CD 相关计算 ★

1 . 引入一组概念 :

① 单程端到端传播时延 :记作 τ\tauτ ;

② 碰撞检测最长时间 :站点发出数据后 , 最多两倍的单程端到端时延 2τ2\tau2τ 后就可以得知出现了碰撞 ;

③ 2τ2\tau2τ 概念 :又称为 , 总线端到端往返传播时延 , 争用期 , 冲突窗口 , 碰撞窗口 ;

只要经过 2τ2\tau2τ 没有检测到碰撞 , 本次发送 , 一定没有碰撞 ;

2 . 截断二进制指数规避算法 :

① 争用期 :确定基本退避时间 , 也就是争用期 , 两倍的单程端到端传播时延 2τ2\tau2τ ;

② 重传次数 :定义参数 kkk , 一定程度上相当于重传次数 ;

kkk 公式 :kkk 取值不超过 101010 , 公式为 k=min(重传次数,10)k=min( 重传次数 , 10 )k=min(重传次数,10) ;当重传次数不超过 101010 时 : k=重传次数k = 重传次数k=重传次数当重传次数大于 101010 时 : k=10k=10k=10 ;

③ 取随机数 :从整数集合 [0,2k−1][0, 2^k - 1][0,2k−1] 中 , 取出随机数 rrr , 重传时间就是 r×2τr \times 2\taur×2τ ;

④ 重传次数限制 :当重传 161616 次都失败时 , 说明网络拥塞严重 , 直接丢弃该帧 , 向上层报告出错 ;

示例 :

① 第 111 次重传 , k=1k=1k=1, 从

[0,1][0, 1][0,1] 区间中 , 即 {0,1}\{ 0 , 1\}{0,1}

中随机取一个值 , rrr ;

如果 r=0r = 0r=0 , 重传时间是 000 ;如果 r=1r = 1r=1 , 重传时间是 2τ2\tau2τ ;

② 第 111 次重传 , k=2k=2k=2, 从

[0,3][0, 3][0,3] 区间中 , 即 {0,1,2,3}\{ 0 , 1 , 2 ,3\}{0,1,2,3}

中随机取一个值 , rrr ;

如果 r=0r = 0r=0 , 重传时间是 000 ;如果 r=1r = 1r=1 , 重传时间是 2τ2\tau2τ ;如果 r=2r = 2r=2 , 重传时间是 4τ4\tau4τ ;如果 r=3r = 3r=3 , 重传时间是 6τ6\tau6τ ;

③ 第 333 次重传 , k=3k=3k=3, 从

[0,7][0, 7][0,7] 区间中 , 即 {0,1,2,3,4,5,6,7}\{ 0 , 1 , 2 ,3 , 4, 5, 6, 7\}{0,1,2,3,4,5,6,7}

中随机取一个值 , rrr ;

如果 r=0r = 0r=0 , 重传时间是 000 ;如果 r=1r = 1r=1 , 重传时间是 2τ2\tau2τ ;如果 r=2r = 2r=2 , 重传时间是 4τ4\tau4τ ;如果 r=3r = 3r=3 , 重传时间是 6τ6\tau6τ ;如果 r=4r = 4r=4 , 重传时间是 8τ8\tau8τ ;如果 r=5r = 5r=5 , 重传时间是 10τ10\tau10τ ;如果 r=6r = 6r=6 , 重传时间是 12τ12\tau12τ ;如果 r=7r = 7r=7 , 重传时间是 14τ14\tau14τ ;

3 . 截断二进制指数规避算法计算示例 :

在以太网二进制回退算法中 , 碰撞 111111 次后 , 随机数 rrr 的选择范围是多少 ???

随机数 rrr 是根据参数 kkk 确定的 , 参数 kkk 是重传次数和 101010 中较小的值 , 重传次数小于等于 101010 次时 , k=重传次数k = 重传次数k=重传次数 , 重传次数大于等于 111111 次时 , k=10k = 10k=10 ;

随机数 rrr 的取值范围是 [0,2k−1][0, 2^k - 1][0,2k−1] , 代入 k=10k=10k=10 ;

取值范围是 [0,210−1][0 , 2^{10} - 1][0,210−1] , 随机数 rrr 的范围是 [0,1023][0 , 1023][0,1023] 之间的值 ;

4 . 最小帧长问题

检测到碰撞时 , 需要暂停帧的发送 , 如果帧太短 , 就会导致一次性发送完毕 , 无法暂停 , 这里需要在检测到碰撞时 , 帧还没有发送结束 ;

帧的传输时延至少要大于 2τ2\tau2τ ;

帧的传输时延=帧长度(比特)数据传输速率帧的传输时延 = \cfrac{帧长度 ( 比特 )}{ 数据传输速率 }帧的传输时延=数据传输速率帧长度(比特)

帧长度(比特)数据传输速率≥2τ\cfrac{帧长度 ( 比特 )}{ 数据传输速率 } \geq 2\tau数据传输速率帧长度(比特)≥2τ

帧长度(比特)≥2τ×数据传输速率帧长度 ( 比特 )\geq 2\tau \times 数据传输速率帧长度(比特)≥2τ×数据传输速率

最小帧长度是 2τ×数据传输速率2\tau \times 数据传输速率2τ×数据传输速率比特 ;