计算机网络（三）数据链路层详解

第三章 数据链路层和局域网技术

3.1 数据链路层功能

图中可以看出H1到H2所经过的网络是可以多种的，从协议层上来看数据的流动如下面的图，仅从数据链路层帧的流动是水平方向的.

链路：是一条无源的点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换节点。而一条链路只是一条路径的组成部分。

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。若把实现这些协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路。

也有人把链路分为物理链路和逻辑链路，物理链路就是上面所说的链路，逻辑链路就是上面所说的数据链路，是物理链路加上一些协议。

数据链路层传送的数据单位是帧

常常两个对等的数据链路层之间画出一个数字管道，而在这条数字管道之内传送的数据单位是帧。

数据链路层协议：

1. 封装成帧

   就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部，然后就构成了一个帧，确定帧的界限。首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界。

当数据是由可打印的ACSLL码构成的文本文件时，帧定界可以使用特殊的帧定界符。控制字符SOH放在帧的最前面，表示帧的开始，另一个控制字符EOT表示帧的结束。

为了使接收方能够准确区别出一帧的开始和结束，就要实现帧同步，而实现帧同步通常有以下几种方法：

• 字节计数法

  以一个特殊字符表征一帧的开始（如SOH控制字符），并有一个专门字段来标明一帧的字节数。可以从特殊字符区别帧的开始，并通过专门字段获知该帧的字节数，从而确定帧的终止位置，采用这种帧同步的方法不会引起数据信息与其他控制信息的混淆。

• 字符填充法

 使用特定字符鉴定一帧的起始与终止，为了不使信息域中产生与特定字符相同的字符，可在特定字符前填充一个转义字符如ESC加以区别，从而达到数据的透明。由于这种方法的特定字符依赖于所采用的字符编码集，故兼容性较差。

• 比特填充法

  用一组特定的比特组合标志一帧的起始与终止。具体方法是在帧的传输起始标志和结束标志之间每当出现5个连续的1之后发送器就会插入一个附加的0，一旦有5个1模式出现就会检查第6个比特，若为0该比特将被删除，若为1且第七个比特为0那么这个组合被认为是标志字段，若第六位和七位都为1，则此时处于异常的终止状态。

• 违法编码法

  曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码属于违法编码法。不需要任何的填充技术便能实现数据的透明，但它只适用于采用冗余编码的特殊编码环境。

2. 透明传输

如果数据中某个字节的二进制代码恰好和SOH或者EOT一样，数据链路层就会错误地找到帧的边界。解决透明传输可以采用字节填充

发送端的数据链路层在数据中出现控制字符SOH或EOT前面插入一个转义字符ESC，接收端的数据链路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当中，那么应当在转义字符前面插入一个ESC，当接收端收到连续的两个转义字符时就删除前面的一个。

3. 差错检测

   在传输过程中可能会产生比特差错，1可能变成0，0也可能变成1，为了保证数据传输的可靠性，在计算机传输数据时必须进行各种差错检测的措施。

   ==差错控制是数据链路层的主要功能之一，但不是数据链路层所持有的功能。==在网络层和传输层也都有差错控制能力，只是差错控制的对象不同。

   数据链路层的差错控制是保证相邻节点之间的传输差错控制在允许的最小范围之内。在数据链路层传输的帧中，广泛使用了循环冗余检验（CRC）

在发送端先把数据划分为组，假定每个组有k个比特，假设待传输的一组数据M为101001，我们再在M后添加供差错检测用的n位冗余码一起发送，在M后添加n位0，得到K+N位的数，除以事先选定好的n+1位的除数P，得出的商是Q，余数是R，R是n位。将余数R作为冗余码拼接在数据M后面发送出去，也就是一共有k+n位数据。在数据后面添加上的冗余码称作帧检验序列FCS。

循环冗余检验CRC和帧检验序列FCS并不等同

CRC是一种常用的检错方法，而FCS是添加在数据后面的冗余码。

把收到的每一个帧都除以同样的除数P（模2运算），然后检查得到的余数R，若R为0则传输过程无差错，接受帧，若R不为0则丢弃帧。

但这种方法并不能确定是哪一个或者哪几个比特出现了错误。

CRC只能做到无差错接受

模2运算：异或运算，相同为0，不同为1

3.2 点到点信道的数据链路

PPP协议的特点

对于点对点的链路，目前使用最广泛的链路层协议是点对点协议——PPP协议。PPP是1994年正式成为因特网的标准协议，用户使用拨号电话线接入互联网时，用户计算机和RSP进行通信时所使用的数据链路层协议就是PPP协议。

PPP是一个面向连接的协议，它使得第二层链路能与多种物理层连接，它支持同步和异步电路，也能在半双工和全双工模式下工作，它允许任意类型的网络数据通过PPP协议连接发送。

PPP协议是目前最广泛的广域网协议。

• 能够控制数据链路的建立
• 能够对IP地址进行分配和使用
• 能够同时采用多种网络层协议
• 能够配置和测试数据链路
• 能够进行错误检测
• 有协商选项（对网络层地址和压缩等进行协商）

PPP协议由三个部分组成：

（1）一个将IP数据报封装到串行链路的方法。该方法支持异步、同步链路。需要注意PPP帧当中的IP数据报的长度受到MTU的限制。

（2）链路控制协议LCP。它用来限制、配置和测试数据链路层连接。

（3）网络控制协议NCP。用来支持不同的网络层协议。

PPP协议采用高级数据链路控制协议作为点到点的串行链路上封装数据报的基本方法，采用链路控制协议LCP启动线路测试任选功能的协商后即关闭链接，采用网络控制协议NCP建立和配置不同的网络层协议。PPP协议允许采用多种不同的网络层协议，如IP、IPX协议等，PPP使用NCP对多种协议进行封装。

PPP协议的帧格式

PPP协议帧首部和尾部分别为4个字段和2个字段。标志字段F为0X7E，地址字段A为0XFF，地址字段实际上并不起作用，控制字段C通常设置为0X03。PPP有一个两字节的协议字段，其数值不同后面的信息字段表示不同。PPP是面向字节的，所有的PPP帧长度都是整数个字节。

• PPP协议用在同步传输链路时，规定采用硬件来完成比特填充。

  PPP协议采用零比特填充方法，在发送端只要发现信息字段中有5个连续的1就自动填充一个0，接收端每当发现5个连续的1就把后面的一个0删除。

• PPP协议用在异步传输链路时，使用一种特殊的字节填充法。

  将信息字段中出现的0X7E字节都转变为两字节的序列（0X7D，0X5E），0X7D字节转变为（0X7D，0X5D），如果控制字符中出现数值小于0X20的字符，在该字符前面加入一个0X7D字节，同时改变该字符编码，接收端需要进行逆转换来获取原有的信息。

PPP协议的工作状态

当用户拨号接入RSP时，路由器的调制解调器对拨号做出确认并建立一条从用户个人电脑到RSP的物理连接，PC机向路由器发送一系列的LCP分组，这些分组及其响应选择一些PPP参数并进行网络层的配置。NCP给新接入的PC机分配一个临时的IP地址，使得PC能成为因特网上的一个有IP地址的主机。通信完毕后，NCP释放网络层连接，收回原来分配出去的IP地址，接着LCP释放数据链路层的连接，最后释放的是物理层的连接。可见，PPP协议已经不是纯粹的数据链路层协议，它还包含了物理层和网络层的内容。

PPP提供了建议、配置、维护和终止点到点连接的方法，从开始发起呼叫到最后通信完成后释放链路，PPP的工作可以分为以下四个阶段：

• 链路的建立和配置协调

  通信的发起方发送LCP帧来配置和检测数据链路，主要用于协商选择将要采用的PPP参数，包括身份验证等

• 链路质量检测

  在链路建立、协调之后这一阶段是可以选择的

• 网络层协议配置协调

  通信的发起方发送NCP帧以选择并配置网络层协议，配置完成后，通信双方可以发送各自的网络层协议数据报

• 关闭链路

  通信链路将一直保持到LCP或NCP关闭链路或发生一些未卜时间（空闲时间超长、用户干预、链路故障等）

3.3 广播信道的数据链路

局域网的数据链路层

局域网主要特点：网络为一个单位所拥有、有限的地理范围和站点数目。

局域网主要优点：具有广播功能、从一个站点可以很方便地访问全网，局域网的主机可以共享连接在局域网上的硬件和软件资源，便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可以灵活地调整和改变，提高了系统的各种性能。

常见局域网的拓扑结构有星形结构，总线型结构和环形结构。

以太网是一种星形局域网，现在大部分局域网都是以太网。

Ethernet V2是世界上第一个局域网产品的规约，诞生于1982年。

IEEE 802.3是第一个IEEE地以太网标准，诞生于1983年。

因为V2与802.3有很小的差别，所以可以将802.3局域网简称为以太网，严格说来以太网应该是指符合Ethernet V2标准的局域网。

为了使数据链路层能更好地适应局域网标准，将局域网的数据链路层拆分成两个子层：逻辑链路控制LLC子层和媒体接入控制MAC子层

与接入到传输媒体有关的内容都放到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，由于常用的是V2以太网，因此现在LLC子层作用已经不大，很多厂商适配器上只装有MAC协议，没有LLC协议。

网络接口板又称为通信适配器或网络接口卡或网卡，计算机通过适配器和局域网进行通信。适配器的重要功能有：

• 进行串行/并行转换
• 对数据进行缓存
• 在计算机的操作系统安装设备驱动程序
• 实现以太网协议

最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上，当初认为这样的方法既简单又可靠，因为线上没有有源器件，以太网采用广播的形式发送。

为了通信方便，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：不必先建立连接就可以直接发送数据，对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。以太网提供的是不可靠的交付，即最大努力的交付。当收到差错帧就丢弃，其他什么也不做，而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。缺点是工作时频带宽度比原始信道增加了一倍。

CSMA/CD协议

含义：载波监听、多点接入、碰撞检测

载波监听：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。

多点接入：许多计算机以这种方式连接在一根总线上

碰撞检测：计算机边发送数据边检测信道上的信号电压。当几个站同时在信道上发送数据时，总线上的信号摆动值将会增大，当一个站检测到的信号电压超过一定的值时，就认为总线上至少有两个站在同时发送数据，表明产生了碰撞。每一个正在发送数据的站一旦发现总线上发生了碰撞就要立即停止发送，然后等待一段随机的时间再次发送.

争用期：以太网的端到端往返时延2τ 称为争用期或碰撞窗口。

争用期的长度：在10Mbit/s的以太网中，取51.2μ s为争用期的长度。

退避时间：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次发送数据，减小重传时发送冲突的概率，这个基本退避时间取为争用期2τ.

最短有效帧长：以太网规定最短有效帧长为64字节。凡是小于64字节的帧都是由于异常冲突中止的无效帧。

强化碰撞：发送数据的站一旦发现发生碰撞时立即停止发送数据，再继续发送若干比特为干扰信号，以便让所有用户都知道信道上发生了碰撞。

帧间最小间隔：一个站在检测到总线开始空闲后还要等待9.6μ s才能再次发送数据。

使用CSMA/CD的以太网不能进行全双工通信，只能进行 半双工通信。

使用集线器的星型拓扑

在星型中加入了一个十分可靠的设备叫做集线器。

使用集线器的以太网在逻辑上仍然是一个总线网，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，它工作在物理层，每个端口仅转发比特不检测碰撞。

以太网的信道利用率

一个站在发送帧时出现了碰撞，经过一个争用期2τ之后可能又出现了碰撞，这样经过若干个争用期后这个站发送成功了，成功发送一个帧需要占用的时间为T0+n*2τ，比这个帧发送成功要多n个端到端时延。

n= Min[重传次数，10]

以太网的MAC层

局域网中硬件地址又称为局域网地址或MAC地址，IE802标准规定MAC地址字段可以采用6字节，48位，其中前三个字节称为组织唯一标识符，后三个字节由厂商自行指配，称为扩展唯一标识符，必须保证生产出的适配器没有重复的地址。

MAC帧格式有两种标准：DIX Etherent标准和IEEE的802.3标准。最常用的帧格式是以太网V2的标准

目的地址字段：6字节

源地址字段：6字节

类型字段：2字节，用来标志上一层使用的是什么协议，以便把收到的MAC帧的数据上交给上一层的这个协议。

数据字段：16-1500字节，当数据字段的长度小于16字节时，应在数据字段的后面加入整数字节的填充字段，以确保以太网的MAC帧长不小于61字节

FCS（校验）字段：4字节

以太网V2的MAC帧格式在前面插入了8个字节，其中7个字节为前同步码，用来实现比特同步，1个字节为帧开始定界符，现在市场上流行的都是V2以太网MAC帧。

3.4 高速以太网

高速以太网通常是速率达到或超过100Mbit/s的以太网

100BASE-T 以太网

是在双绞线上传送100Mbit/s基带信号的星形拓扑以太网，仍使用IEEE 802.3的CSMA/CD协议。

100BASE-T 以太网又称为快速以太网，可以在全双工方式下工作而无冲突发生（全双工工作时不使用CSMA/CD协议），保持最短帧长不变，争用期从51.2μ s降到5.12μ s，帧间时间间隔从原来的9.6μ s转变为0.96μ s.

吉比特以太网

允许在1Dbit/s下以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，全双工方式下不使用

吉比特以太网工作在半双工方式时，就必须进行碰撞检测，为了保证64字节最小帧长度和100米的网段最大长度，吉比特以太网增加了两个功能

• 载波延伸

当MAC帧字节不足512时就用一些特殊字符填充在帧的后面，使MAC帧的字节长度增大到512字节。接收端在收到以太网的MAC帧后，要将所填充的字符删除之后才向高层交付

• 分组突发

当很多短帧要发送时，第一个短帧要用短波延伸的方法进行填充，随后的短帧可以一个接一个地发送，只需留有必要的帧间最小间隔就可以，这样就形成了一串分组突发 ，直到达到1500字节或稍微多一些字节为止

当吉比特以太网工作在全双工方式时，不适用载波延伸和分组突发

10吉比特以太网

10吉比特以太网并非把吉比特以太网速率简单提高到十倍，它的帧格式与10Mbit/s、100Mbit/s和1Gbit/s以太网的帧格式完全相同，也保留了802.3标准规定的以太网最小和最大帧长。

使用光纤为传输媒体

只工作在全双工方式

在10GE之后又制定了40GE/100GE的标准，都是只能工作在全双工方式下。

以太网的工作范围已经从局域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，这种工作方式的好处有：

• 技术成熟
• 互操作性好
• 价格便宜
• 采用统一的以太网格式，简化了操作和管理

以太网从10Mbit/s到100Gbit/s的演进证明了以太网的以下优点：

• 可扩展性
• 灵活性
• 稳健性
• 易于安装

宽带接入

IE在2001年初成立了802.3工作组，专门研究高速以太网的宽带接入技术问题

以太网宽带接入特点：

• 提供双向的宽带通信
• 灵活地进行宽带升级
• 实现端到端的以太网传输，中间不需要帧格式的转换，提高了数据的传输效率，降低了传输的成本
• 不支持用户身份鉴别

PPPoE（PPP OVER Ethernet）:在以太网上运行PPP“，它把PPP协议与以太网协议结合起来，把PPP帧再封装到以太网中来传输。

我们现在的光纤接入FTTPX就是使用PPPoE的方式

3.5 扩展以太网

在物理层扩展以太网

在物理层扩展以太网可以使用光纤扩展和集线器扩展，使用一对光纤和一对光纤调制解调器很容易使主机和几公里以内的集线器相连接，同时使用多个集线器可以练成更大的多级星型结构的以太网，比如一个学院三个系，各有一个10base-T的以太网，可以通过一个主干集线器把各系的以太网连接起来成为一个更大的以太网，使用集线器扩展以太网可以使原来属于不同碰撞域上的计算机能够进行跨碰撞域的通信，扩大了以太网覆盖的地理范围。

在数据链路层扩展以太网

早期数据链路层使用网桥，现在使用以太网交换机来扩展以太网。

网桥是根据MAC的目的地址对收到的帧进行转发和过滤。网桥可以使各个网段成为隔离开的碰撞域。

集线器和交换机的区别

交换式集线器常称为以太网交换机或第二层交换机，强调这种交换机工作在数据链路层。集线器是在线路上简单地连接所有用电线，从而达到共享总线的目的。逻辑上等于单根电缆的经典以太网，所有不能增加容量，所有的栈共用同一个冲突域。

交换式以太网核心是交换机，它包含了一块连接所有端口的高速配板，交换机只把帧输出到该帧想去的端口就可以了，每个端口都有自己独立的冲突域。

交换机的性能优于集线器，可以同时发送多个帧，考虑到不同数据帧可能在同一时间到达同一个输出端口，交换机必须有缓存以便储存排队序列，直到数据帧被传输到输出端口。

以太网交换机实质上就是一个多接口的网桥，每个接口都直接与主机或另一个以太网交换机相连，并且一般工作在全双工的方式下。

以太网交换机具有并行性，它能同时连接多对接口，多对主机能够同时通信，相互通信的主机都是独栈传输媒体，无碰撞地传输数据。

以太网交换机的接口有存储器，能在输出端口繁忙的时候对到来的帧进行缓存。

以太网交换机也是一种即插即用的设备，内部的地址表是通过自学习的算法自动建立起来的。以太网交换机还使用了专用的结构芯片，用硬件来转发，其转发速率要比用软件转发的网桥快很多。

以太网交换机的优点

• 用户独享带宽，增加了总容量。例如，对于普通10Mbit/s的共享式以太网，若共有n个用户，则每个用户占有的带宽只有每个带宽的1/n，使用以太网交换机时，虽然每个接口到主机的带宽还是10Mbit/s，但由于一个用户通信时是独占而不是和其他用户共享传输媒体的带宽，所有对于拥有n个接口的交换机，它的总容量变为n倍的10Mbit/s
• 从共享总线以太网转到交换式以太网时，所有接入设备不需要做任何改动，以太网交换机一般都有多种速率的接口，方便了不同种类的用户。

以太网交换机的交换方式

• 存储转发方式

  把整个数据帧先缓存后再处理

• 直通方式

• 从接受数据帧看开始就立即根据数据真的目的MAC地址进行转发，从而提高了帧的转发速度，缺点是不检查差错，就直接将帧转发出去，有可能将一些无效的帧也转发出去

以太网交换机的自学习功能

以太网交换机通过自学习算法自动维护交换表

交换机自动维护时交换表刚开始是空白的，如图A先向B站发送一个帧，从接口1进入到交换机，交换机收到后先查找它的交换表，如果没有查找到从哪个接口应该转发出这个帧，那么交换机就把这个原地址A和接口1写入交换表中，并向除接口1以外的所有接口去广播这个帧，而C站和D站因为目的地址不一样就丢弃这个帧，只有B站收下这个目的地址正确的帧，这个过程也称之为过滤。从新写入交换表中的A和1可以看出以后不管哪一个接口收到帧只要它的目的地址是A，就应当把它收到的帧从接口1转发出去，B站通过接口3向A站发送一帧，交换机查找发送表发现有A，表明应当从接口1进行转发，于是就把这个帧传送到接口1转发给A，交换表这时新增加一个项目B,3,表明如果以后有发送给B站的帧应当从接口3转发出去，经过一段时间后只要主机C和D也向其他主机发送帧，交换机就会把要发送到C或D的2和4也写入到表中。考虑到有时要在交换机的接口更换主机，或者主机要更换它的网络适配器，这就需要更换交换表中的项目，所以在交换表中每个项目都设定一个有效时间，过期的项目就将被自动删除。

为了防止交换机之间一直兜圈子浪费资源，IE 802.ID标准制定了一个生成树协议STP。不改变网络的实际拓扑结构，但在逻辑上切断某些链路，使得从一台主机到所有其他主机的路径是无环路的树状结构。

3.6 VLAN（虚拟局域网）

虚拟局域网是局域网给用户提供的一种服务，并不是一种新型局域网。

虚拟局域网简称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，每一个VLAN的帧都有一个明确的标识符指明发送这个帧的计算机是属于哪一个VLAN，概括地说VLAN是将一个物理交换机通过配置变成多个逻辑上的交换机，每一个逻辑交换机连接一个局域网。

VLAN的特点

• 是基于逻辑的分组。在同一VLAN内和真实局域网相同
• 不受物理位置限制
• 不同VLAN不同网段的用户需要借助三层设备通信
• 减少节点在网络中移动的管理代价

VLAN具有的功能

• 控制网络广播、提高网络性能

• 分隔网段、确保网络安全

• 简化网络管理、提高组网灵活性

当B1向工作组成员发送信息时，工作站V2和V3都会收到B1的消息，B1发送数据时尽管和A1,A2和C1在同一条交换线上，但它们都不会受到B1发送的广播信息，由此可见虚拟局域网限制了广播信息的站数，使得网络不会因为传播过多的网络信息引起广播风暴。

虚拟局域网使用的以太网帧格式

虚拟局域网允许在以太网的帧格式中插入一个四字节标识符，称为VLAN标记，用来指明发送该帧的计算机属于哪一个局域网。插入VLAN标记得出的帧又称为802.1Q帧，以太网MAC帧最大帧长也由原来的1518字节变为1522字节。

创建新的VLAN可以通过几种方式。

通过端口来创建。通过手工的方式我们可以将端口直接加入到新的VLAN中。但是随着网络规模的扩大，交换机接口经常不够用的情况可以实现多台交换机同VLAN的通信。

交换机有两种端口，分别为Trunk端口和Access端口。Access端口只属于一个VLAN，它发送的帧没有VLAN标签，一般用来连接计算机的端口。而Trunk端口可以允许接多个VLAN通过，它发送的帧有VLAN标签，一般用于交换机之间连接的端口。

基于端口的VLAN遵循Port-VLAN原理，通过查找MAC地址表交换机对发往不同VLAN的数据不进行转发。比如A、C在VLAN1，B在VLAN2，A站只能向C站转发数据，不能向B站转发。

802.1Q帧传送时对用户完全是透明的，Trunk端口上默认会转发交换机上存在的所有VLAN数据。Trunk在转发数据前，会在数据上打开一个Tag标签，在到达另一个交换机之后再剥去此标签。

最后

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