物联网通信技术期末复习3：第三章数据链路层

小灰灰 2023-10-01 12:18 18阅读 0赞

### 章节要点 ###

复习内容如下：  
![在这里插入图片描述][8ba2dcd688e644959ce5350c75adf6c5.png]  
其中需要掌握常见的差错检测和分段技术。

熟悉静态接入技术 与 随机接入技术的典型方法与基本原理。

## 数据链路层 ##

包括数据链路控制字层 和 介质访问控制字层。

## 数据链路控制子层 ##

数据链路控制子层：保证“传好”，确保链路上的数据能够正确传输。确定一次传输数据的长度，依据此长度进行分段，定义校验位等。

### 分段 ###

链路层给物理层的单次数据传输的长度有最大值和最小值的限制，设最大值和最小值分别为Lmax和Lmin，那么数据长度需要满足大于小的小于最大的，如果最后一个分段的长度小于Lmin，那么需要进行字符填充。

![在这里插入图片描述][watermark_type_d3F5LXplbmhlaQ_shadow_50_text_Q1NETiBA5rSy55qE5a2m5Lmg56yU6K6w_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16]

### 差错检测：奇偶校验 ###

根据被传输的一组二进制代码的数位中"1"的个数是奇数或偶数来进行数据校验。采用奇数的称为奇校验，反之，称为偶校验

### 差错检测：循环冗余校验CRC ###

类似计网的CRC。

### 组帧 ###

就是将 网络层递交的分组 封装成帧 加上头和尾即可。

无论用哪种方式，都会构建出含有帧头的新帧，有的还会含有帧尾。

校验与组帧都是面向信道传输的，不是面向数据的，只要有发送请求，这两个操作就必须进行。

### 组帧常用技术：面向比特 ###

用一串特殊的比特来标志帧的起始和结束

即0比特填充法。逢5个1插0即可。

这因为我们采用一个特殊的比特串Flag 01111110来表示正常的一个帧的结束和开始。

### 组帧常用技术：面向字符 ###

用字符填充帧首尾，确定帧的开始和结束  
![在这里插入图片描述][watermark_type_d3F5LXplbmhlaQ_shadow_50_text_Q1NETiBA5rSy55qE5a2m5Lmg56yU6K6w_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 1]

### 组帧常用技术：长度计数 ###

用长度标志一帧含有的字符数，从而确定帧的结束

![在这里插入图片描述][watermark_type_d3F5LXplbmhlaQ_shadow_50_text_Q1NETiBA5rSy55qE5a2m5Lmg56yU6K6w_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 2]  
缺点：如果长度信息在传输过程中出现错误，那么后面的帧都会出现错误了。

### 差错控制：停等式ARQ ###

定义：在开始下一帧传送之前，必须确保当前帧已被正确接收。

假定 A发 B收。B 如果接收正确，则返回一个肯定的应答（ACK），否则不做任何应答。A发送完数据帧后自动启动计时器，当收到接收节点的 ACK 后，停止计时器，进行下一个数据帧的发送。一旦计时器超时，则说明没有收到接收节点的 ACK，表明发送没有成功，发送节点立即重启计时器  
![在这里插入图片描述][615111bcd6eb4218ae1fb0530f389bd5.png]  
![在这里插入图片描述][bc090099d1ec4837bbd7966080cb238b.png]

### 差错控制：返回n-ARQ ###

跟计网的差错控制很像。。所以直接去看之前的博客了。

核心思想就是：通过接收端返回的ack中的值知道发送到了第几帧就行，顾名思义返回n帧。

如果某序号帧丢失，那么接收节点不保存后面接收到的数据。这个方式使信道传输浪费太  
大。在接收节点，若前面序号的帧没有收到，则对接收到的帧按序号进行缓存。一旦收到前面  
序号的帧，就将所有收到的连续帧上传，收回的 ACK 序号为连续帧中最大的序号，发送节点  
处理数据的规则是认为 ACK 的序号及之前的帧都已被成功接收，从而可以加快发送节点的发  
送窗中序号的更新，减少不必要的重传。

### 选择重发式 ARQ ###

![在这里插入图片描述][watermark_type_d3F5LXplbmhlaQ_shadow_50_text_Q1NETiBA5rSy55qE5a2m5Lmg56yU6K6w_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 3]

## 介质访问控制子层 ##

介质访问控制子层：保证“可传”，确保数据有链路可用。定义多个节点如何共享一个介质，产生竞争时如何分配信道的使用权

两个节点之间的通信 单工、全双工、半双工。

主要分为时分多址TDMA、频分多址FDMA、码分多址CDMA。

## 介质访问控制层：静态接入技术 ##

### TDMA ###

1、根据一定的时隙分配原则将 TS0~TS4 分配给 5个用户使用，**且所有用户在同一频带W内。**  
2、一个用户可以占用一个或多个时隙进行数据传输。  
3、网络中所有用户的时隙必须对齐。

如何对齐所有用户的时隙？

采用分级同步方式，即以最先通信的节点为中心节点;由中心节点周期性地发送网络时戳，其他节点根据中心节点的网络时戳调整本地时间并转发中心节点的网络时戳，最终达到全网时间同步。

![在这里插入图片描述][9377ff3e7f4c475c9db0277d7208397a.png]

### FDMA ###

![在这里插入图片描述][watermark_type_d3F5LXplbmhlaQ_shadow_50_text_Q1NETiBA5rSy55qE5a2m5Lmg56yU6K6w_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 4]

### CDMA ###

![在这里插入图片描述][watermark_type_d3F5LXplbmhlaQ_shadow_50_text_Q1NETiBA5rSy55qE5a2m5Lmg56yU6K6w_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 5]  
结合 TDMA 和 FDMA，可增加接入的灵活性和效率。全球移动通信系统（Global System for Mobile Communications，GSM）采用FDMA 和TDMA混合的多址接入方式。

### OFDMA 正交频分多址 ###

传统的FDM 的各个信道之间为了避免相互干扰，需要保留一定的保护带，有一定的频谱损失。而 OFDM 的各个子载波之间没有保护带，而且又是正交的，互相之间没有干扰，所以 OFDM 相比于 FDM有较大的频谱效率优势  
![在这里插入图片描述][watermark_type_d3F5LXplbmhlaQ_shadow_50_text_Q1NETiBA5rSy55qE5a2m5Lmg56yU6K6w_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 6]  
OFDMA 又分为子信道 OFDMA 和跳频 OFDMA。

### 随机接入技术：ALOHA ###

纯 ALOHA 和时隙ALOHA。它们的区别在于，如果时间是连续的，那么就是纯 ALOHA;如果时间被分成离散时隙，所有帧都必须同步到时隙中，那么就是时隙 ALOHA。

### 纯ALOHA ###

用户有数据需要发送时就传输。  
![在这里插入图片描述][87ebe7869789470b9ae200cda1935d3d.png]  
如果冲突，那么帧就会损坏的。

### 时隙ALOHA ###

将时间分成离散的间隔，这种时间间隔称为时隙（Slot），所有节点将每个时隙作为"帧  
时"，这种方法要求用户遵守统一的时隙边界

与纯ALOHA不同的是，在时隙ALOHA中，节点不允许用户立即发送帧。必须要等到下  
一个时隙的开始时刻。时隙 ALOHA 的吞吐量如下：![在这里插入图片描述][56d81a15312e42218911d5f795711f37.png]  
时隙ALOHA解决了：  
1、多个RFID和同一个读写器通信。  
2、有线电视电缆访问因特网技术。

![在这里插入图片描述][watermark_type_d3F5LXplbmhlaQ_shadow_50_text_Q1NETiBA5rSy55qE5a2m5Lmg56yU6K6w_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 7]

### 随机接入技术：载波侦听多路访问协议 ###

![在这里插入图片描述][283083169c87489782f2d9e0c9ec2a46.png]

1、非坚持CSMA  
![在这里插入图片描述][e460733c8ac74fa7b74e0392817b6d2a.png]

2、1坚持CSMA  
![在这里插入图片描述][72e70fe01eb74ca8aa469adc84467f7c.png]

3、p坚持CSMA

![在这里插入图片描述][watermark_type_d3F5LXplbmhlaQ_shadow_50_text_Q1NETiBA5rSy55qE5a2m5Lmg56yU6K6w_size_8_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_d3F5LXplbmhlaQ_shadow_50_text_Q1NETiBA5rSy55qE5a2m5Lmg56yU6K6w_size_13_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16]

### CSMA/CD 载波侦听多路访问/冲突检测 ###

是一种带有冲突检测的 CSMA 协议。在该协议中，每个节点快速检测到发生冲突后会立即停止传输帧（而不是继续完成传输）

特点：  
1、节点的硬件在传输时必须侦听信道。如果它读回的信号不同于它放到信道上的信号，则它就知道发生了碰撞。  
2、接收信号相比发射信号不能太微弱。

### 无线信道的冲突问题 ###

但对于无线信道来说，信号能量会随距离的增大而快速衰减，此时远距离的节点无法正常侦听到数据。这里冲突会发生在接收节点，而不是发送节点。造成了隐藏终端问题。此外，载波侦听也会使本可以进行的传输被禁止，造成暴露终端问题。

![在这里插入图片描述][watermark_type_d3F5LXplbmhlaQ_shadow_50_text_Q1NETiBA5rSy55qE5a2m5Lmg56yU6K6w_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 8]

### CSMA/CA 载波侦听多路访问/冲突避免 ###

wlan和zigbee都采用该协议进行分布式控制。

![在这里插入图片描述][watermark_type_d3F5LXplbmhlaQ_shadow_50_text_Q1NETiBA5rSy55qE5a2m5Lmg56yU6K6w_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 9]  
为了保证 CSMA 正常工作，将载波分为两种∶物理载波和虚拟载波。

![在这里插入图片描述][watermark_type_d3F5LXplbmhlaQ_shadow_50_text_Q1NETiBA5rSy55qE5a2m5Lmg56yU6K6w_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 10]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_d3F5LXplbmhlaQ_shadow_50_text_Q1NETiBA5rSy55qE5a2m5Lmg56yU6K6w_size_19_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16]  
退避计数器：协议采用了二进制指数退避算法，每次发生冲突时，退避计数器的值加倍;每次交互成功时，退避计数器的值降至最小值。

二进制指数退避算法：是指节点检测到信道空闲时间大于或等于 DIFS 或认为发生了分组碰  
撞，就依据均匀分布从【CWmin，CW】（CW为当前的碰撞窗口长度）区间内随机选择一个数值  
计算退避时间，即∶ 退避时间=随机数xθ

θ=传播时延+收发转换时间+载波监测时间。

![在这里插入图片描述][watermark_type_d3F5LXplbmhlaQ_shadow_50_text_Q1NETiBA5rSy55qE5a2m5Lmg56yU6K6w_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 11]

### 数据帧格式化的变化流程 ###

包含 分段、加段、加接入信息、加检验信息 和 组帧 5 部分。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_d3F5LXplbmhlaQ_shadow_50_text_Q1NETiBA5rSy55qE5a2m5Lmg56yU6K6w_size_17_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16]

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