计算机网络第三章学习笔记

第三章 数据链路层

3.1 使用点对点信道的数据链路层

1、不同的链路层可能采用不同的数据链路层协议。
2、链路和数据链路的不同：
（1）链路是从一个节点到相邻节点的一段物理线路，中间没有任何交换结点。一条链路只是一条通路的一个组成部分。
（2）数据链路除了物理线路以外，还必须有通信协议来控制数据的传输。将实现这些协议的软件和硬件都加到链路上，就构成了数据链路。
3、最常用的方法是使用网络适配器（网卡）实现协议的硬件和软件，适配器一般包括了数据链路层和物理层两层的功能。
4、数据链路层使用的信道：
（1）点对点信道：一对一的点对点通信方式；
（2）广播信道：一对多的方式，必须使用专用的共享信道协议来协调主机发送数据。局域网使用广播信道。
5、链路分为逻辑链路和物理链路。物理链路：就是上面所说的链路；逻辑链路：就是数据链路，是物理链路加上必要的通信协议。
6、数据链路传输的数据单位是数据帧。
7、计算机网络的体系结构：
（1）OSI的七层协议（从下到上：物理层、数据链路层、网络层、运输层、会话层、表示层、应用层）
（2）TCP/IP的四层协议（从下到上：网络接口层、网际层、运输层、应用层）
（3）五层协议（物理层、数据链路层、网络层、运输层、应用层）
8、数据链路层协议有许多种，但有三个基本问题则是共同的。这三个基本问题是：
（1）封装成帧：在一段数据的前后分别添加首部（SOH）和尾部（EOT），就构成了一个帧。（首部和尾部一个重要的作用是进行帧 定界）
（2）透明传输：如果数据中的某个字节的二进制代码恰好和 SOH （帧开始）或 EOT（帧结束） 一样，数据链路层就会错误地“找到帧的边界”。解决方法：在数据中出现控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入一个转义字符“ESC”(其十六进制编码是1B)。插入ESC的方法叫做字节填充法。
（3）差错检测：在数据链路层传送的帧中，广泛使用了循环冗余检验 CRC 的检错技术。
9、发送方：冗余码的计算：用二进制的模 2 运算进行 2^n 乘 M 的运算，这相当于在 M 后面添加 n 个 0。（M为原始数据，n为最高位的指数）
得到的 (k + n) 位的数除以事先选定好的长度为 (n + 1) 位的除数 P，得出商是 Q 而余数是 R，余数 R 比除数 P 少 1 位，即 R 是 n 位。
将余数 R 作为冗余码拼接在数据 M 后面，一起发送出去。
10、接收方：若得出的余数 R = 0，则判定这个帧没有差错，就接受；若余数 R ≠ 0，则判定这个帧有差错，就丢弃。不能知道哪一位出错。
11、仅用循环冗余检验 CRC 差错检测技术只能做到无差错接受，而不能实现“无差错传输”或“可靠传输”。要做到“无差错传输”（即发送什么就收到什么）就必须再加上确认和重传机制。

3.2点对点协议PPP

1、使用最广泛的数据链路层协议是点对点PPP协议。用户计算机和ISP进行通信时使用的数据链路层协议，一般都是PPP协议。
2、PPP协议不需要的功能：纠错、流量控制、序号、多点线路、半双工和单工链路。因为采用的是全双工通信。
3、PPP 协议有三个组成部分：
（1）一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法。
（2）链路控制协议 LCP
（3 ）网络控制协议 NCP
4、PPP协议的帧格式。PPP 帧的首部和尾部分别为 4 个字段和 2 个字段，地址字段 A 只置为 0xFF，控制字段 C 通常置为 0x03，PPP 是面向字节的，所有的 PPP 帧的长度都是整数字节。
5、PPP 有一个 2 个字节的协议字段。其值若为 0x0021，则信息字段就是 IP 数据报。若为 0x8021，则信息字段是网络控制数据。若为 0xC021，则信息字段是 PPP 链路控制数据。若为 0xC023，则信息字段是鉴别数据。
6、当 PPP 用在异步传输时，就使用一种特殊的字符填充法；当 PPP 用在同步传输链路时，协议规定采用硬件来完成比特填充。
7、字符填充法。信息字段出现0x7E时，将其转为（0x7D、0x5E）;出现0x7D时,转为（0x7D,0x5D）.
8、零比特填充。在发送端，只要发现有 5 个连续 1，则立即填入一个 0。
接收端对帧中的比特流进行扫描。每当发现 5 个连续1时，就把这 5 个连续 1 后的一个 0 删除。作用是：采用零比特填充方法来实现透明传输。
9、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。
10、PPP 协议已不是纯粹的数据链路层的协议，它还包含了物理层和网络层的内容。

3.3使用广播信道的数据链路层

1、局域网最主要的特点：网络为一个单位所拥有；地理范围和站点数目均有限。
2、局域网拓扑结构：星形网、环形网、总线网。
3、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）：(1)随机接入；(2)受控接入 ，如多点线路探询或轮询。
4、数据链路层的两个子层：（1）逻辑链路控制LLC（2）媒体接入控制MAC；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。
5、适配器的重要功能：
（1）进行串行/并行转换。（2）对数据进行缓存。
（3）在计算机的操作系统安装设备驱动程序。
（4）实现以太网协议。
6、计算机通过适配器和局域网进行通信,CPU和存储器与适配器之间并行通信，而适配器到局域网是串行通信。
7、为了通信的简便，以太网采取了两种重要的措施：
（1）采用较为灵活的无连接的工作方式。当目的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。
（2）以太网发送的数据都使用曼彻斯特编码。
8、曼彻斯特编码缺点是：它所占的频带宽度比原始的基带信号增加了一倍。
9、如何避免同时发送产生的碰撞？
采用 CSMA/CD协议，含义是：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”是指每一个站在发送数据之前先要检测一下总线上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。 总线上并没有什么“载波”。因此， “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。
10、“碰撞检测”就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。
当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大。
11、为什么要进行碰撞检测？ 因为信号传播时延对载波监听产生了影响。A 需要单程传播时延的 2 倍的时间，才能检测到与 B 的发送产生了冲突。
12、以太网的端到端往返时延 2t 称为争用期或碰撞窗口。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发生碰撞。
13、发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟（退避）一个随机时间才能再发送数据。 基本退避时间取为争用期 2 。
14、对于 10 Mbit/s 以太网，在争用期内可发送 512 bit，即 64 字节，意味着以太网在发送数据时，若前 64 字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。
15、以太网规定了最短有效帧长为 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。
16、使用 CSMA/CD 协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信（半双工通信）。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。
17、采用双绞线的以太网采用星形拓扑，在星形的中心则增加了一种可靠性非常高的设备，叫做集线器。传统以太网使用同轴电缆，采用总线形拓扑结构。
18、星形以太网 10BASE-T。这种 10 Mbit/s 速率的无屏蔽双绞线星形网的出现，既降低了成本，又提高了可靠性。
19、以太网的信道利用率。设帧长为 L (bit)，数据发送速率为 C (bit/s)，则帧的发送时间为 T0 = L/C (s)。
20、成功发送一个帧需要占用信道的时间是 T0 +  ，比这个帧的发送时间要多一个单程端到端时延  。这是因为当一个站发送完最后一个比特时，这个比特还要在以太网上传播。
21、在以太网中定义了参数 a ，它是以太网单程端到端时延  与帧的发送时间 T0 之比： a=/T0。
（1）a→ 0，表示一发生碰撞就立即可以检测出来， 并立即停止发送，因而信道利用率很高。
（2）a 越大，表明争用期（2t）所占的比例增大，每发生一次碰撞就浪费许多信道资源，使得信道利用率明显降低。
22、对以太网参数a要求：当数据率一定时，以太网的连线的长度受到限制，否则  的数值会太大；以太网的帧长不能太短，否则 T0 的值会太小，使 a 值太大。
23、信道利用率最大值：发送一帧占用线路的时间是 T0 + t ，而帧本身的发送时间是 T0。于是，我们可计算出理想情况下的极限信道利用率 Smax 为：

24、MAC层硬件地址。局域网中，硬件地址又称为物理地址，或 MAC 地址。
地址字段 6 个字节（48位）中的后三个字节 (即低位 24 位) 由厂家自行指派，称为扩展唯一标识符，必须保证生产出的适配器没有重复地址。
前3字节（24位）组织唯一标识符；后3个字节（24位）扩展唯一标识符。25、生产适配器时，6 字节的 MAC 地址已被固化在适配器的 ROM。
26、IEEE 规定地址字段的第一字节的最低位为 I/G 位。
（1）当 I/G 位 = 0 时，地址字段表示一个单站地址。
（2）当 I/G 位 = 1 时，表示组地址，用来进行多播。此时，IEEE 只分配地址字段前三个字节中的 23 位。
（3）当 I/G 位分别为 0 和 1 时，一个地址块可分别生成 2^23 个单个站地址和 2^23 个组地址。
（4）所有 48 位都为 1 时，为广播地址。只能作为目的地址使用。
27、IEEE 把地址字段第一字节的最低第 2 位规定为 G/L 位，表示 Global / Local。
（1）当 G/L 位 = 0 时，是全球管理（保证在全球没有相同的地址）。
（2）当 G/L 位 = 1 时，是本地管理，这时用户可任意分配网络上的地址。
28、发往本站的帧包括以下三种帧： 单播帧（一对一）、广播帧（一对全体）、多播帧（一对多）。
29、最常用的 MAC 帧是以太网 V2 的格式。
30、帧间最小间隔：帧间最小间隔为 9.6 s，相当于 96 bit 的发送时间。

3.4扩展的以太网

1、在物理层扩展以太网的方式：使用光纤扩展、使用集线器扩展。
2、碰撞域（collision domain）又称为冲突域，是指网络中一个站点发出的帧会与其他站点发出的帧产生碰撞或冲突的那部分网络。碰撞域越大，发生碰撞的概率越高。
3、在数据链路层扩展以太网：早期使用网桥，现在使用以太网交换机。
4、以太网交换机特点：工作在全双工方式，以太网交换机具有并行性。
5、以太网交换机是一种即插即用设备，其内部的帧交换表是通过自学习算法自动地逐渐建立起来的。以太网交换机的这种自学习方法使得以太网交换机能够即插即用，不必人工进行配置，因此非常方便。
6、以太网交换机的优点：用户独享带宽，增加了总容量。一般都具有多种速率的接口，方便了各种不同情况的用户。
7、以太网交换机的交换方式：
（1） 存储转发方式：把整个数据帧先缓存后再进行处理。
（2） 直通 (cut-through) 方式：接收数据帧的同时就立即按数据帧的目的 MAC 地址决定该帧的转发接口，因而提高了帧的转发速度。
8、局域网存在的以下几个方面的问题：扩展性、安全性、可管理性。
9、每个接口都处于一个独立的碰撞域（或冲突域）中，但所有计算机都处于同一个广播域中。
10、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，而这些网段具有某些共同的需求。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。
11、虚拟局域网（VLAN）技术具有以下主要优点：改善了性能、简化了管理、降低了成本、改善了安全性。
12、划分虚拟局域网的方法：
（1）基于交换机端口：第一层划分虚拟局域网的方法；
（2）基于计算机网卡的MAC地址：在第二层划分虚拟局域网的方法；
（3）基于协议类型：根据以太网帧的第三个字段“类型”字段确定该类型的协议属于哪一个虚拟局域网。在第二层划分虚拟局域网的方法。
（4）基于IP子网地址：第三个字段“类型”和IP分组首部中的源 IP 地址字段确定，在第三层划分虚拟局域网方法。
（5）基于高层应用或服务：灵活，但更加复杂。

3.5高速以太网

1、速率达到或超过 100 Mbit/s 的以太网称为高速以太网。
2、吉比特以太网允许在1Gbit/s下一全双工和半双工两种方式工作。在半双工方式下使用 CSMA/CD 协议，全双工方式不使用 CSMA/CD 协议。
3、以太网的工作范围已经从局域网（校园网、企业网）扩大到城域网和广域网，从而实现了端到端的以太网传输。

最后

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