计算机网络---数据链路层

目录

1.数据链路层的几个基本概念

2.数据链路层的三个基本问题

3.PPP协议

4.使用广播信道的数据链路层

5.以太网

6.集线器

7.以太网的信道利用率

8.以太网MAC地址

9.网桥

10.虚拟局域网

11.高速以太网

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1.数据链路层的几个基本概念

数据发送模型

主机H1向主机H2发送数据

从层次上来看数据的流动

数据链路层的信道类型

点对点信道：这种信道使用一对一的点对点通信方式

广播信道：这种信道使用一对多的广播信道通信方式，因此过程比较复杂。广播信道上连接的主机很多，因此必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机的数据发送

链路与数据链路

链路是一条点到点的物理线路段，中间没有任何其他其他接入点

一条链路只是一条通路的一个组成部分

数据链路除了物理线路外，还必须有通信协议来控制这些数据的传输，若把这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路

1）现在最常用的方法是使用适配器(网卡)来实现这些协议的硬件和软件

2）一般的适配器都包括了数据链路层和物理层这两层的功能

帧

数据链层发送的是帧

数据链路层像个数字管道

常常在两个对等的数据链路层之间画出一个数字管道，而在这条数字管道上传输的数据单位是帧

2.数据链路层的三个基本问题

封装成帧

在一段数据的前后分别添加首部和尾部信息，然后就构成了一个帧。确定帧的界限

尾部和首部的一个重要作用就是进程帧定界

MTU：最大不能超过1500字节

对于不完整的帧，计算机在会直接扔掉

透明传输

若传输的数据是 ASCII码中"可打印字符"集时，可选取"不可打印的字符"作为帧定界

字节填充法

若发送端的数据在数据链路中出现字符"SOH" 或 "EOT"，则在前面添加一个转义字符'''ESC''

字符填充或字节填充 --- 接受端的数据链路层在将数据送往网络层之前删除插入的转义字符

如果转义字符也出现在数据中，那么应在转义字符之前插入一个转义字符。当接收端连续收到两个转义字符时就删除其中前面的一个

差错控制

帧校验序列 FCS --- 循环冗余检验 CRC

CRC差错检测技术只能做到无差错接受

CRC是一种无比特差错，而不是无传输差错的检测机制

OSI/RM模型的观点：数据链路层要做成无传输差错的这种理念目前不被接受

3.PPP协议

ppp协议使用场合

现在全世界使用得最多得数据链路层协议是点对点协议

用户使用拨号电话线接入因特网时，一般都是ppp协议

ppp协议满足得到要求

1）封装成帧

2）透明性

3）多种网络层协议

4）多种类型链路

5）差错检测

6）检测连接状态

7）最大传送单元

8）网络层地址协商

9）数据压缩协议

不满足：

纠错，流量控制，序号，多点线路，半双工或单工链路

ppp协议的组成

1）数据链路层协议可以用于异步串行或同步串行介质

2）它使用LCP（链路控制协议）建立并维护数据链路连接

3）网络控制协议（NCP）允许在点对点连接上使用多种网络层协议

ppp协议帧格式

地址字段A置为0xFF。地址字段实际上并不起作用

控制字段C通常置为0x03

PPP 是面向字节的，所有 PPP 帧的长度都是整数字节

透明传输 --- 字节填充法

将信息字段中出现的每个0x7E字节转变为2个字节序列（0x7D，0x5E）

若信息字段中出现一个 0x7D 的字节，则将其转变为 2 字节序列 0x7D，0x5D

若信息字段中出现 ASII码 的控制字符（即数值小于 0x20的字符），则在该字符前面要加入一个0x7D 字节，同时将该字符的编码加以改变

零比特填充法

在发送端，只要发现有5个连续的1，则立即填入一个0。接收端对帧中的比特流进行扫描，每发现5个连续的1时，就把5个连续1后面的一个0删除

PPP协议不使用序号和确认机制的原因

1）在数据链路层出现差错的概率不大时，使用比较简单的 PPP 协议较为合理

2）在因特网环境下，PPP 的信息字段放入的数据是IP数据报。数据链路层的可靠传输并不能够保证网络层的传输也是可靠的

3）帧检验序列FCS字段可保证无差错接受

PPP协议的工作状态

当用户接入 ISP时，路由器的调制解调器对拨号做出确认，并建立一条物理连接

PC机向路由器发送一系列的LCP分组（封装成多个PPP帧）

这些分组及其响应选择一些 PPP 参数，和进行网络层配置，NCP给新接入的PC机分配一个临时的IP地址，使PC机成为因特网上的一个主机。通信完毕时，NCP释放网络层连接，收回原来分配出去的IP地址。接着，LCP释放数据链路层连接。最后释放的是物理层的连接

4.使用广播信道的数据链路层

局域网的特点和优点

局域网最主要的特点：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点的数目有限

局域网的主要优点：

1）具有广播功能，从一个站点可以很方便地访问全网。局域网上的主机可共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源

2）便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活调整和改变

3）提高了系统的可靠性，可用性和生存性

共享通信媒体

静态划分信道

频分复用，时分复用，波分复用，码分复用

动态媒体接入控制（多点接入）

随机接入（主要被以太网采用）

受控接入，如多点线路探寻，或轮询（目前已不被采用）

5.以太网

最初的以太网是将许多计算机都连到一根总线上。当初认为这样的连接方式既简单又可靠，因为总线没有源器件

以太网采用  CSMA/CD协议 --- 载波监听多点接入/碰撞检测

多点接入：表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上

载波监听：是指每一个站点在发送数据之前先要检测一下总线是否有其他计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞

载波监听：就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号

CSMA/CD 重要特性

使用CSMA/CD协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行半双工通信

每个站在发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。这种发送的不确定性使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率

争用期

最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经历2t就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞

经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会碰撞

以太网的争用期

1）以太网的端到端返回时延2t称为争用期，或碰撞窗口。通常，取51.2us为争用期的长度

2）对于10Mb/s以太网，在争用期内可发送512bit，即64字节

3）以太网在返送数据时，若前64字节未发生冲突，则后续的数据则不会发生冲突

最短有效帧长

1）如果发生冲突，就一定是在发送的前64字节之内

2）由于一检测到冲突立即中止发送，这时已经发送出去的数据一定小于64字节

3）以太网规定最短有效帧长为64字节，凡长度小于64字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧

二进制指数类型退避算法

发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟一个随机时间才能再发送数据

1）确定基本退避时间，一般是取争用期为2t

2）定义参数k， k = Min [ 重传次数，10 ]

3）从整数集合 [ 0，1，...，(2^k - 1) ] 中随机地取出一个数，记为r，重传所需的时延就是r倍的基本退避时间

4）当重传达16次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告

以太网与数据链路层的两个子层

为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，802委员会就将局域网的数据链层拆成两个子层：

逻辑链路控制层 LLC子层

媒体接入控制 MAC子层

与接入到传输媒体有关的内容都放在MAC子层，而LLC子层则与传输媒体无关，不管采用何种协议的局域网对 LLC 子层来说都是透明的

由于 TCP/IP 体系经常使用的局域网 DIX Ethernet V2 而不是 802.3 标准中的几种局域网，因此现在 802 委员会制定的逻辑链路控制子层 LLC的作用已经不大了

很多厂商生产的适配器就仅装有 MAC 协议而没有 LLC 协议

以太网提供的服务

以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付

当接收站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，其他什么也不做。差错的纠正由高层来决定

如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但以太网并不知道这是一个重传的帧，而是当作一个新的数据帧来发送

6.集线器

星型拓扑

传统以太网最初是使用粗同轴电缆，后来演进到使用比较便宜的细同轴电缆，最后发展为使用更便宜和更灵活的双绞线。不用电缆而使用无屏蔽双绞线。每个站需要用两对双绞线，分别用于发送和接受

这种以太网采用星型拓扑，在星型的中心则增加了一种可靠性非常高的设备 --- 集线器

集线器的一些特点

集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线的工作，因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行。集线器使用了大规模集成电路芯片，因此这样的硬件设备的可靠性已大大提高了

使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各工作站使用的还是CSMA/CD协议，并共享逻辑上的总线

集线器很像一个多接口的转发器，工作在物理层

7.以太网的信道利用率

以太网的信道被占用的情况：

争用期长度为2t，即端到端传播时延的两倍。检测的碰撞后不发送干扰信号

帧长为L，数据发送速率C（b/s），因而帧的发送时间为L/C = T0(s)

一个帧从开始发送，经可能发生的碰撞后，将再重传数次，到发送成功且信道转为空闲 (即再经过时间t使得信道上无信号在传播) 时为止，是发送一帧所需的平均时间

对以太网参数的要求

1）当数据一定时，以太网的连线的长度受到限制

2）以太网的帧长不能太短

8.以太网MAC地址

MAC层的硬件地址(MAC地址)

在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或MAC地址

地址严格地讲应当是每一个站的 名字 或 标识符

1）IEEE的注册管理机构 RA 负责向厂家分配地址字段的前三个字节(即高位 24位)

2）地址字段中的后三个字节(即低位 24位)由厂家自行指派，称为扩展标识符，必须保证生产出的适配器没有重复地址

3）一个地址块可以生成2^24个不同的地址。这种 48 位地址称为 MAC-48，它的通用名称是

EUI-48

5）MAC地址 实际上就是适配器地址或适配器标识符EUI - 48

适配器检查MAC地址

适配器从网络上每收到一个MAC帧就首先用硬件检查MAC帧中的MAC地址

1）如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他处理

2）否则就将此帧丢弃，不再进行其他处理

发往本站的帧 包括一下三种帧：

单播帧 （一对一）

广播帧（一对全体）

多播帧（一对多）

MAC帧格式

无效的MAC帧

1）帧的长度不是整数个字节

2）用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错

3）数据字段的长度不在46~1500字节之间

4）有效的MAC帧长度为64~1518字节之间

5）对于检查出的无效MAC帧就简单丢弃，以太网不负责重传丢弃的帧

帧间最小间隔

帧间最小间隔为9.6us，相当于 96bit 的发送时间

一个站在检测到总线开始空闲后，还要等待9.6us才能再次发送数据

这样做是为了使刚刚收到数据帧的站，接收缓存来得及处理，做好接受下一个帧的准备

9.网桥

在物理层考虑扩展

主机使用光纤和一对光纤调制解调器连接到集线器

用集线器扩展局域网优点

1）是原来属于不同冲突域的局域网上的计算机能够进行跨冲突域的通信

2）扩大了局域网的覆盖范围

用集线器扩展局域网缺点

1）冲突域增大了，但总的吞吐量并未提高

2）如果不同的冲突域使用不同的数据率，那么就不能通过集线器将它们互连起来

在链路层考虑扩展

1）在数据链路层扩展局域网使用网桥

2）网桥工作在数据链路层，他根据MAC帧的目的地址对收到的帧进行转发

3）网桥具有帧过滤功能。当网桥收到一个帧时，并不是向所有的接口转发此帧，而是先检查此帧的目的 MAC 地址，然后再确定将该帧发到哪一个接口

使用网桥扩展以太网

优点：

1）过滤通信量

2）扩大了物理范围

3）提高了可靠性

4）可互联不同物理层，不同MAC子层和不同速率的局域网

缺点：

1）存储转发增加了时延

2）在MAC子层并没有流量控制功能

3）具有不同的MAC子层的网段桥接在一起时时延更大

4）网桥只适合于用户数不多和通信量不太大的局域网，否则有时还会因传播过多的广播信息而产生网络拥塞 --- 广播风暴

透明网桥

目前使用得最多得网桥就是透明网桥，"透明"是指局域网上的站点并不知道发送的帧经过哪几个网络，因为网桥对个站点来说是看不见的

透明网桥是一种即插即用设备，其标准是 IEEE 802.1D

10.虚拟局域网

LAN和VLAN

交换机的使用使得VLAN的创建成为可能

虚拟局域网 VLAN 是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组

1）这些网段具有某些共同的需求

2）每一个VLAN的帧都有一个明确的标识符，指明发送这个帧的工作站是属于哪一个 VLAN

虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务，而并不是一种新型局域网

VLAN

分段，灵活性，安全性

一个VLAN = 一个广播域 = 逻辑网段（子网）

虚拟局域网协议允许在以太网的帧格式中插入一个4字节的标识符，称为VLAN标记(tag)，用来指明发送该帧的工作站属于哪一个虚拟局域网。

11.高速以太网

100Base-T 特点

1）可在全双工方式下工作而无冲突发生。因此，不使用CSMA/CD协议。MAC帧格式仍然是802.3标准规定的
2）保持最短帧长不变，但将一个网段的最大电缆长度减小到100 m.帧间时间间隔从原来的9.6 us改为现在的0.96 us

吉比特以太网

1）允许在1 Gb/s下全双工和半双工两种方式工作。使用802.3协议规定的帧格式
2）在半双工方式下使用CSMA/CD协议（全双工方式不需要使用CSMA/CD协议）
3）与10BASE-T和100BASE-T技术向后兼容
4）当吉比特以太网工作在全双工方式时（即通信双方可同时进行发送和接收数据），不使用载波延伸和分组突发

最后

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