第3章数据链路层(2)

3.4 流量控制和可靠传输机制

数据链路层流量控制控制相邻节点发送速率。
使用确认和超时重传两种机制实现可靠传输。

3.4.1 流量控制,可靠传输与滑动窗口机制

1.停止—等待协议协议基本原理
发送方发每发送一帧,等待接收方回应的ACK发送下一帧或超出计时没收到ACK就重发。
2.滑动窗口流量控制原理【解决流量控制】
发送方维持允许发送的帧号,接受方维持允许接收的帧号。发送方用发送窗口进行流量控制。
3.可靠传输【发送端发送什么接收方就接收什么】
数据链路层使用确认和超时重传两种机制完成!
ARQ：自动重传请求

3.4.2 单帧滑动窗口与停止—等待协议

发送方发每发送一帧,等待接收方回应的ACK发送下一帧或超出计时没收到ACK就重发。

发送方和接收方都要设置一个帧缓冲区:发送方发送数据后必须等到接收方的ACK才能删除缓冲区副本。【用于重传】

计时器的的时间比RTT稍微长一点

窗口大小
发送窗口大小:1个
接收窗口大小:1个
编号位数:1位

$信道利用率U=\frac{TD}{TD+RTT+TA}$
$信道吞吐量 = 信道利用率 * 发送方速率$
TD：发送数据时延
RTT：往返时延
TA：确认帧ACK发送时延

缺点:信道利用率低
在这里插入图片描述

3.4.3 多帧滑动窗口与后退N帧协议(GBN)

与单帧滑动窗口对比：①新增序号范围 ②发送发缓存多个分组

发送方发送按顺序发送窗口内的所有帧,接收方只能按顺序接收帧,左边的帧出现问题不能正常接收,右边的帧到了也不能接收。

接收方会回复一个包含接收到最后的一个正确帧的编号的ACK。
发送发需要发送从ACK中帧编号的下一个帧开始连续发送。

窗口大小:
发送窗口大小: $1,2^n-1]$ 个
接收窗口大小:1个
编号位数:n位
过程-发送方
上层调用:先检测窗口是否满了。没满就产生帧并发送。满了就告诉上层【或者缓存】
接收到ACK:累计确认,表明收到k号帧和前面所有帧
超时重传:重传所有没有确认的帧。
过程-接收方
接收到正确帧:发送ACK给发送发,并将数据交付给网络层
接收到错误帧:经过差错检测发现错误,直接丢弃。
重要总结:
①累计确认
②接收方只按序接收帧
③确认序列号是最后按序到达的帧

3.4.3 多帧滑动窗口与选择重传协议(SR)

与GBN对比：①设置单个帧确认 ②增大接收方窗口 ③设置接收缓存 ④缓存乱序的帧

发送方按顺序发送窗口内所有未确认的帧
接收方可以接收接收窗口范围内的所有帧。
对正确接收的帧给出ACK回应。
当发送方的发送窗口的最左边得到ACK回应就移动窗口。

窗口大小:
发送窗口大小: $1,2^{n-1}]$ 个
接收窗口大小: $1,2^{n-1}]$ 个
编号位数:n位
发送窗口大小+接收窗口大小≤ $2^n$
过程-发送方
上层调用:查找下一个可用帧序列,在窗口就发送。不在要么缓存要么返回给上层
接收到ACK:标记已经接收窗口,若为最小编号则移动窗口
超时重传:一个事件【计时器到时了】只重传一个帧
过程-接收方
(来者不拒)接收确认的帧,无论是否按序。失序的帧缓存,发送确认帧。
只有接收到最小序号的帧才能移动窗口。
接收到窗口外的帧直接回复ACK
重要总结:
①逐个确认,收一个确认一个
②只重传出错的帧
③接收方也有缓存

3.5 介质访问控制

主要任务： 为每个节点隔离来自同一信道上其他结点所传信号

3.1.5 信道划分介质访问控制【静态划分,无冲突】

多路复用技术:把多个信号组合在一条物理信道上进行传输,使计算机或终端设备共享信道资源,提高信道利用率。

信道划分:实际上就是把广播信道变成点对点信道。

1.频分多路复用(FDM)【用户各占一部分频率带宽,可以同时发送】
分析:将多路基带信号调制到不同频率的载波段。

子带宽之和不能超过信道总带宽!!!

适合:模拟信号
优点:充分利用介质带宽,系统效率高。技术成熟,易实现。
2.(同步)时分多路复用(TDM)【将时间划分为等长的帧,每个用户在帧内轮流使用】
分析:将物理信道按时间片分成若干时间片,轮流地分配给多个信号使用。

(异步/统计)时分多路复用(STDM) 解决了同步时分多路复用利用率不高地缺陷。所有用户可以在任意时隙内将帧发送给集中器,当集中器的一个帧满了就可以发送出去。

适合:数字信号。
3.波分多路复用(WDM)
分析:在光纤中传输多种不同波长(频率)的光信号。用波长复用分解器将各路波长分解出来。
优点:光波频段高,带宽高。
4.码分多路复用(CDM)【共享信道频率和时间】
分析:①每个站各有一个码片 ②每个站之间规格化内积为0 ③发送1就发送码片,发送0就发送码片的反码

$S・T≡\frac{1}{M}\sum_{i=1}^{M} S_i \cdot T_i = 0$
设S为A站码片向量,T为B站码片向量,K为C站码片向量可知
$S ・ T = 0$
$S・\overline{T}=0$
$S ・ S = 1$
$S・\overline{T}=-1$
$(S+\overline{T})・S=S・S+\overline{T}・S=1+0=1$
$(S+\overline{T})・T=S・T+\overline{T}・T=0+(-1)=-1$
$(S + T) ・ K = S ・ K + T ・ K = 0 + 0 = 0$
由上面公式可知如果
发送了1,用码片相乘会变成1
发送了0,用码片相乘会变成-1
若没有发送信息,用码片相乘会变成0

优点:频谱利用率高,抗干扰能力强,保密性强,语音质量好。主要用于无线通信。

3.5.2 随机访问介质控制【动态划分信道,用户占用更大带宽,有冲突】

1.ALOHA协议【不听就说】（可以检测到冲突）

(1)纯ALOHA协议
特点:随时发送,想发送就直接发送,接收方接收到正确数据会回复ACK,若发送端在计时器时间内没有收到ACK,等待一个随机时间重新发送数据。

(2)时隙ALOHA协议
改进:将各站的时间同步起来,将时间划分成等长时隙,每个站只能在时隙的开始时发送数据。

总结:①纯ALOHA协议比时隙ALOHA协议的吞吐量低,效率低 ②时隙ALOHA只能在每个时隙开始阶段发送数据
2.CSMA协议【发送前监听】(不能检测到冲突)
CS->载波侦听 MA->多点接入

(1)1-坚持 CSMA
忙则一直监听。空闲直接发送

(2)非坚持 CSMA
先监听,若信道忙,等待一个随机时间后再监听。空闲直接发送。
缺点:可能都在等待一个随机时间,导致信道利用率低。

优点:随机延迟时间可以减少冲突概率

以增加网络延迟来减少冲突

(3)p-坚持 CSMA【采用时分信道】
忙则持续监。若空闲,会以p的概率在现在的时隙发送数据。或者以1-p的概率在下一个时隙发送数据。

信道状态	1-坚持	非坚持	p-坚持
空闲	立即发送数据	立即发送数据	以概率p发送数据,或以1-p的概率在下一个时隙发送数据
忙	持续监听	放弃监听,等待随机事件后再监听	持续监听,直到信道空闲

3.CSMA/CD协议【发送前监听】(适用于总线型网络或半双工网络)
CD->碰撞检测

发送数据时,先监听。若空闲,边发送数据变监听。

特点：数据的发送时延要大于RTT(2倍的单向传播时延)。若发送的数据太短，在碰撞后的信号传播到发送端发送完数据前,就检测不到碰撞的冲突。因此发送时延要大于RTT

设帧长度为L,发送速率为K,信道数据传输时延为τ
$发送时延=\frac{L}{K}≥2*T=RTT(往返时延)$
$最小帧长 = 2 * 发送速率 * 单项传播时延 = 发送速率 * RTT$
以太网规定的的最短帧长是64B

解决冲突的算法: 截断二进制指数退避算法

1.设置参数K
2.k=min{重传次数,10}
3.在{0,1,2… $2^k-1$ }中随机选一个数r
4.在r*RTT后重传
5.重传16次失败放弃传送数据,并报告给高层

3.CSMA/CA协议
CA->碰撞避免

发送数据：
①先检测信道是否空闲
②空闲则发出RTS请求【帧/信号】
③接收方发送CTS,同时预约信道,禁止接收其他端数据
④接收方收到数据后使用CRC(循环冗余码)检测,根据情况发送ACK
⑤发送方没收到确认帧,进行截断二进制指数退避算法重发

总结:①预约信道 ②ACK确认帧 ③RTS(请求发送)和CTS(允许发送)

CSMA/CD和CSMA/CA的对比:
相同点：先听再说,有限次重传
不同点：①CSMA/CD用于总线以太网,CSMA/CA用于局域网。②载波监听方式不同③传输介质不同 ④CA避免,CD检测

3.5.3 轮询访问：令牌传递协议

1.轮询协议:
一个主结点依次询问各个从节点是否发送数据。【以一个短帧的形式】
缺点:①轮询开销 ②等待延迟③单点故障(主节点死亡)
2.令牌传递协议【令牌就是一个特殊的短帧】
传输介质的物理拓扑不必是环,但逻辑上必须是环,一般物理是星型拓扑结构

1.令牌沿着总线在各个站点之间依次传递。
2.需要发送数据的节点将数据封装在令牌中,并设置令牌的标志位。
3.站点查看目的地址是不是自己。是就接收数据

	静态信道划分	随机访问MAC协议	轮询访问协议
举例	FDM/TDM/WDM/CMD	ALOHA协议/CSMA协议	轮询访问协议/令牌传递协议
是否冲突	无	有	无
网络负载重时	共享信道效率高,且公平	产生冲突开销	效率高
网络负载轻时	共享信道效率低	共享信道效率高,单个节点可以利用全部带宽	效率低