数据链路层的结构

数据链路层分为两个子层：1.逻辑链路控制层（LLC）；2.媒体接入控制层（MAC）

逻辑链路控制层（LLC）

LLC层与硬件无关，实现流量控制等功能。LLC只在IEEE 802.3格式的时候才会用到，现在很少使用了。

媒体接入控制层（MAC）

MAC层与硬件相关，提供硬件和LLC层的接口。主要功能包括数据帧的封装/卸装、帧的寻址和识别、帧的接收和发送、链路的管理、帧的差错控制等。
MAC层的主要访问方式有三种：CSMA/CD、令牌环和令牌总线。

MAC帧格式

以太网中，MAC帧格式如下，最大1518（1500+6+6+2+4）字节、最小64（46+6+6+2+4）字节（从目的地址到校验和的长度）

• 前导字段：长度7个字节
• 帧起始符字段：固定格式为10101011，长度1个字节（1个字节=8位）
• 目的地址、源地址字段：6字节，48位
• 类型字段：标识上一层使用什么协议，也可以表示数据字段长度
  *类型字段占2个字节（16位），可表示的数为0 ~ 65535。MAC帧最大长度位1500，所以用0 ~ 1500表示长度；1536 ~ 65535用于描述类型值。
• 数据字段：上一层（网络层）的协议数据，长度为0 ~ 1500字节
• 填充字段：确保最小帧长64字节，长度为0 ~ 46字节
• 校验和字段：32位的循环冗余码，CRC-32（稍后会介绍到）

MAC地址

MAC地址，又被叫成硬件地址，填写在MAC帧的目的地址和源地址字段（6字节，48位），由48比特组成。
MAC地址前24位是厂商编号，由IEEE分配给制造商；后24位为序列号，由制造商自行分配；是全球唯一的编号

载波监听多路访问/冲突检测（ CSMA/CD）

CSMA/CD是一种争用型的介质访问控制协议。其工作原理是：发送数据前先监听信道是否空闲。若空闲，立即发送数据；在发送数据时，边发送边监听；若监听到冲突，则立即停止发送，等待随机时间再重新尝试。
CSMA/CD是一种解决访问冲突的协议，适合传输非实时数据。在网络负载小的时候，CSMA/CD协议的通信效率很高；当网络负载变大时，发送时间增加，效率下降。

• 多路访问
  多路计算机连接在一根总线
• 载波监听（CSMA）
  发送数据前检测总线中是否有数据发送。若有，则进入类似退避算法的程序，然后反复进行载波监听；若没有，则运行不同的坚持算法进行发送。
  以太网规定的帧间最小间隔为9.6μs。
• 坚持算法
  分为以下三类：
  • 1—持续CSMA。当信道忙或发生冲突时，一直监听，一旦有空闲（在帧间最小间隔时间内没有检测到信道上有冲突）便发送
  • 非持续CSMA。发送方并不持续监听信道。冲突时等待随机的一段时间N，再发送
  • P——持续CSMA。信道空闲时，发送方按照P概率发送，以1-P概率不发送。若不发送数据，下一个时间间隔$\tau$仍空闲，同理进行发送；若信道忙，则等待下一个时间间隔$\tau$；若冲突等待随机一段时间重新开始。
    $\tau$为单程网络传输时延
• 冲突检测
  即边发送边监听
  • 冲突检测最长时间为2倍的总线端到端的传播时延（$2\tau$），$\tau$称为争用期，又叫碰撞窗口。经过争用期还没有检测到碰撞，才能肯定发送不会出现碰撞。
  • 10M以太网的争用期为51.2μs。10M/s网络，51.2μs可以发送512bit数据即64字节。所以10M以太网的最小帧长为64字节，小于64字节的数据都会被丢弃。（千兆以太网和万兆以太网的最小帧长为512字节）
  • $最小帧长=网络速率\times 2\times (最大段长/信号传播速度)$
    $即L=R\times 2\times d/v$
• 退避算法
  CSMA只能减少冲突，不能完全避免冲突，只有争用期没有检测到碰撞，才能肯定本次传输不会发生碰撞。以太网使用退避算法中的一种——截断的二进制指数退避算法，来解决发送数据的碰撞问题。
  发生碰撞的站在信道空闲后并不立即发送数据，而是推迟一个随机时间进入发送流程。减少重传时再次发送碰撞的概率
  具体算法如下：
  • 设定基本退避时间为争用期$2\tau$
  • 从整数集合[0，$2^k-1$]中随机取一个数$r$，则$r\times 2\tau$为发送站等待时间。
  • 重传次数大于16次，则丢弃

退避算法的特点就是网络负载越重，后退时间越长，没有对优先级进行定义，不适合突发性业务和流式业务。该算法考虑了网络负载对冲突的影响，在重负载下能有效化解冲突。

IEEE 802系列协议

IEEE 802协议包含许多子协议，该协议集主要作用于数据链路层和物理层

IEEE 802.1系列

IEEE 802.1协议提供高层标准框架，包括端到端协议、网络互连、网络管理、路由选择、桥接和性能测量。

• IEEE 802.1s：多生成树协议（MSTP）
• IEEE 802.1w：快速生成树协议（RSTP）
• IEEE 802.1d：生成树协议（STP）
• IEEE 802.1x：基于端口的访问控制（PBNAC）

IEEE 802.1d:生成树网球（STP）

又叫透明网桥。基本思想是在网桥间传递BPDU，比较参数，打开好端口，阻塞差端口，沿着好端口建立路径。
生成树网桥步骤

• 确定根桥：根桥ID=优先级+MAC地址，根桥选取ID最小的；优先级0~65535，默认为32768
• 确定根端口：端口ID=优先级+编号，同样选取最小值；优先级0~255，默认为128
• 确定指定桥
• 确定指定端口
• 阻塞剩余端口
• 形成无环网络

生成树端口的四种状态：

• Blocking（阻塞）：接收BPDU，不学习MAC地址，不转发数据帧。
• Listening（侦听）：接收BPDU，不学习MAC地址，不转发数据帧，但交换机向其他交换机通告该端口，参与选举根端口和指定端口
• Learning（学习）：接收BPDU，学习MAC地址，不转发数据帧。
• Forwarding（转发）：正常转发数据帧。

IEEE 802.1q：虚拟局域网（VLAN）

对物理网络分段而形成的逻辑网络，与用户的物理位置无关。不同VLAN之间通信需要通过路由器或三层交换机实现
VLAN划分的好处：控制网络流量，抑制广播风暴；提高网络安全性；网络管理灵活；
VLAN的划分方式可分为两种：

• 静态分配VLAN：基于端口
• 动态分配VLAN：基于数据链路层MAC地址、基于网络层IP地址、基于高层规则策略

VLAN的端口可分为两种：

• 接入端口Access：只能通过单个VLAN
• 中继端口Trunk：可以通过多个VLAN

VLAN的格式：在原来的以太帧中增加了4字节（32位）的控制信息（Tag），包含12位的VLAN标识符VID，可表示4094个VLAN（$2^{12}=4096$即0~4095，其中0识别优先级，4095为预留）

控制信息Tag

IEEE 802.3系列

IEEE 802.3是以太网规范，定义CSMA/CD标准的媒体访问控制（MAC）子层和物理层规范
光在空气中传播的介质称为“以太(ether)”，以太网(ethernet)寓意无处不在的网络

• IEEE 802.3u：快速以太网：速率可达到100M
• IEEE 802.3z：千兆以太网：速率可达到1000M即1Gbps。定义了一种帧突发方式
  帧突发：指一个站可以连续发送多个帧，用以保证传输站点对传输媒体的控制
• IEEE 802.3ab：针对实体媒体部分制定的1000Base-T规格。
• IEEE 802.3ae：万兆以太网：速率可达到10Gbps。只支持光纤，只支持全双工，不再采用CSMA/CD。
• IEEE 802.3规定的传输介质特性

*10Base-T中10是速率即10Mb/s；Base表示速率，Base是基带，Broad是宽带；而T代表传输介质，T是双绞线，F是光纤

IEEE 802.11

无线局域网标准，定义了自由空间媒体的媒体访问控制（MAC）子层和物理层规范
IEEE 802.12：按需优化定义使用按需优先访问方法的100Mb/s以太网标准
IEEE 802.14：有线电视标准

IEEE 802.15

无线个人局域网（PAN），适合于短程无线通信标准，如：蓝牙

IEEE 802.16

宽带无线接入（BWA）标准

IEEE 802其他协议

• IEEE 802.2：逻辑链路控制（LLC）提供LAN和MAC子层与高层协议间的接口
• IEEE 802.4：令牌总线网
• IEEE 802.5：令牌环线网：源路由网桥
• IEEE 802.6：城域网MAN
• IEEE 802.7：宽带技术咨询组
• IEEE 802.8：光纤技术咨询组
• IEEE 802.9：集成数据和语音网络（VoIP）定义了综合语音/数据终端访问综合语音/数据局域网的媒体访问控制（MAC）子层和物理层规范。
• IEEE 802.10：可互操作局域网安全标准，定义局域网互连安全机制

检错与纠错

主要有奇偶校验、海明码、CRC码

奇偶校验

将1的个数是奇数或偶数作为校验的根据，只能检错，不能纠错

海明码

在数据位m后增加冗余校验位k，组成信息位m+k。满足$m+k<2^k-1$ 即可纠正一位错误。不但能检错，还能纠错
海明码距（码距）：两个码字中不相同二进制的位数的最小值
检测d个错误，码距≥d+1；纠正d个错误，码距>2d
海明码的推导与校验过程（以原始信息101101为例）：

1. 确定位长
   本例中数据位m=6，根据$m+k<2^k-1$可得校验位k的最小值为4，所以信息位m+k=10。
2. 填写原始数据
   将$2^0;2^1;2^2;\dots \dots 2^{k-1}$号位作为校验位，其他号位作为数据位
   本例中k=4，所以校验位为1、2、4、8；数据位为3、5、6、7、9、10

3. 计算校验位数值
   将数据位号转换位二进制，通过二进制中1的位置来计算校验位数值——对数据位二进制第一位为1的数据位值进行异或运算，得到的数值填写至校验位$2^0$中；对数据位二进制第二位为1的数据位值进行异或运算，得到的数值填写至校验位$2^1$中；……依次类推
   本例中3、5、6、7、9、10为数据位

二进制（1）中为1的数据位为3、5、7、9
所以校验位$2^0$=1⊕0⊕1⊕0=0
二进制（2）中为1的数据位为3、6、7、10
所以校验位$2^1$=1⊕1⊕1⊕1=0
二进制（3）中为1的数据位为5、6、7
所以校验位$2^2$=0⊕1⊕1=0
二进制（4）中为1的数据位为9、10
所以校验位$2^3$=0⊕1=1

填入信息位中可得

4.校验
将信息位编号转换为二进制，
将所有二进制第1位为1的信息位数值进行异或运算，得到X1；
将所有二进制第2位为1的信息位数值进行异或运算，得到X2；
……
将所有二进制第n位为1的信息位数值进行异或运算，得到Xn；
得到Xn…X2X1的二进制，转换为十进制。若结果为0，则无错；若结果非0（设为Y），则错误发生在第Y位。

CRC编码

广泛用于无线通信中，因为无线通信噪声多，更易出错。CRC编码只能检错，不能纠错。
使用CRC编码，需要先商定一个生成多项式G(x)。生成多项式的最高位和最低位必须为1。
CRC的思想就是在原来的信息位后加若干校验位，使得追加的信息能被G(x)整除。接收方收到带校验位的信息，使用G(x)整除。若余数为0，则证明没有错误；若余数非0，则证明出错
例：$G(x)=x^4+x+1$，信息码为10111，求CRC校验码

1. 信息码后添加4位0，因为G(x)中的做大平方数为4
   信息码变为101110000，信息码为被除数
2. 利用G(x)算出除数，$G(x)=x^4+x+1$，所以除数为$10^4+10^1+1=10000+10+1=10011$
3. 利用模2除法

所以CRC校验码为1100

最后

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