概述
Chapter 3
数据链路层
本章的重要概念
√ 链路是从一个结点到相邻结点的一段物理线路，数据链路则是在链路的基础上增加了一些必要的硬件(如网络适配器)和软件(如协议的实现)。
√ 数据链路层使用的信道主要有点对点信道和广播信道两种。
√ 数据链路层传送的协议数据单元是帧。数据链路层的三个基本问题则是:封装成帧、透明传输、差错检测。
√ 循环冗余检验CRC是一种检错方法，而帧检验序列FCS是添加在数据后面的冗余码。
√ 点对点协议PPP是数据链路层使用最多的一种协议。
它的特点是：简单；只检测差错，而不是纠正差错；不使用序号，也不进行流量控制；可同时支持多种网络层协议。
√ PPPOE是为宽带上网的主机使用的链路层协议。
√ 局域网的优点是：具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网；便于系统的扩展和逐渐演变；提高了系统的可靠性、可用性和生存性。
√ 共享通信媒体资源的方法有二:一是静态划分信道(各种复用技术)，二是动态媒体接入控制，又称为多点接入（随机接入或受控接入)。
√ IEEE 802委员会曾把局域网的数据链路层拆成两个子层，即逻辑链路控制(LLC)子层(与传输媒体无关)和媒体接入控制(MAC)子层(与传输媒体有关)。但现在LLC子层已成为历史。
√ 计算机与外界局域网的通信要通过通信适配器(或网络适配器)，它又称为网络接口卡或网卡。计算机的硬件地址就在适配器的ROM中。
√ 以太网采用无连接的工作方式，对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。目的站收到有差错帧就把它丢弃，其他什么也不做。
√ 以太网采用的协议是具有冲突检测的载波监听多点接入CSMA/CD
协议的要点：
发送前先监听，边发送边监听，一旦发现总线上出现了碰撞，就立即停止发送。
然后按照退避算法等待一段随机时间后再次发送。
因此，每一个站在自己发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。
以太网上各站点都平等地争用以太网信道。
√ 传统的总线以太网基本上都是使用集线器的双绞线以太网。这种以太网在物理上是星形网,但在逻辑上则是总线形网。
集线器工作在物理层,它的每个接口仅仅简单地转发比特，不进行碰撞检测。
√ 以太网的硬件地址，即MAC地址实际上就是适配器地址或适配器标识符，与主机所在的地点无关。源地址和目的地址都是48位长。
√ 以太网的适配器有过滤功能，它只接收单播帧、广播帧或多播帧。
√ 使用集线器可以在物理层扩展以太网(扩展后的以太网仍然是一个网络)。
√ 交换式集线器常称为以太网交换机或第二层交换机(工作在数据链路层)。它就是一个多接口的网桥，而每个接口都直接与某台单主机或另一个集线器相连，且工作在全双工方式。
以太网交换机能同时连通许多对的接口，使每一对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样，无碰撞地传输数据。
√ 高速以太网有100 Mbit/s的快速以太网、吉比特以太网和10 Gbitls的10吉比特以太网。最近还发展到100吉比特以太网。在宽带接入技术中，也常使用高速以太网进行接入。
3.1 概念
数据链路层协议数据单元：帧
网络层数据单元：IP数据报
3.1.2 三个基本问题：封装成帧、透明传输、差错检测
1、封装成帧
IP数据报从网络层传下来到数据链路层，IP数据报成为了帧的数据部分;
数据部分的最大长度MTU不可超过1500bit；
当加上首部尾部就构成了真正的帧，首部和尾部的作用是：帧定界。
如果在数据链路层不进行帧定界，会发生什么问题？
答：无法区分分组与分组
无法确定分组的控制域和数据域
无法将差错更正的范围限定在确切的局部
2、透明传输
解决方法：字节填充
7E→7D 5E
7D→7D 5D
小于0x20→7D 23
* 零比特填充：每5个连续的1后加一个0
3、差错检测
误码率与信噪比有关。（提高信噪比，误码率会减小）
循环冗余检测CRC（不可靠传输）
M：待传数据，即被除数（后面要加上n位冗余码，即除数位数减一）
P：除数
Q：商（Q=0时，无差错）
生成多项式
- CRC-16 x16+x15+x2+1
- CRC-32 x32+x26+x23+...+x2+x+1
在代数编码理论中，将一个码组表示为一个多项式，码组中各码元当作多项式的系数。
数据链路(即逻辑链路)与链路(即物理链路)有何区别?
答：数据链路与链路的区别在于数据链路出链路外，还必须有一些必要的规程来控制数据的传输，因此，数据链路比链路多了实现通信规程所需要的硬件和软件。
“电路接通了”与”数据链路接通了”的区别何在?
答：“电路接通了”表示链路两端的结点交换机已经开机，物理连接已经能够传送比特流了，但是，数据传输并不可靠，在物理连接基础上，再建立数据链路连接，才是“数据链路接通了”，此后，由于数据链路连接具有检测、确认和重传功能，才使不太可靠的物理链路变成可靠的数据链路，进行可靠的数据传输当数据链路断开连接时，物理电路连接不一定跟着断开连接。
3.2 使用点对点PPP信道（用的最多）
特点：不需要进行纠错；不需要设置序号；不需要进行流量控制；不支持多点线路，只支持点对点线路；不支持半双工和单工链路，支持全双工。
3.2.2 PPP帧格式
首部+尾部：8个字节，数据部分MTU1500bit.
3.3 使用广播信道
3.3.1 局域网的数据链路层
局域网：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。
局域网按网络拓扑分类：星形、环形、总线型
局域网的数据链路层分为两个子层：逻辑链路控制LLC子层，媒体接入控制MAC
常用的局域网的网络拓扑有哪些种类？现在最流行的是哪种结构？为什么早期的以太网选择总线拓扑结构而不是星形拓扑结构，但现在却改为使用星形拓扑结构？
答：星形网，总线网，环形网，树形网
当时很可靠的星形拓扑结构较贵，人们都认为无源的总线结构更加可靠，但实践证明，连接有大量站点的总线式以太网很容易出现故障，而现在专用的ASIC芯片的使用可以将星形结构的集线器做的非常可靠，因此现在的以太网一般都使用星形结构的拓扑。
网络适配器的作用是什么?网络适配器工作在哪一层?
答：适配器（即网卡）来实现数据链路层和物理层这两层的协议的硬件和软件；
网络适配器工作在TCP/IP协议中的网络接口层（OSI中的数据链路层和物理层）；
3.3.2 CSMA/CD协议
载波监听多点接入/碰撞检测（实质：载波监听+碰撞检测）
“载波监听”：不管在发送前，还是在发送中，每个站都必须不停地检测信道。
“多点接入”：标明是总线型网络。
“碰撞检测”：适配器边发送数据边检测。
电磁波在1km电缆的传播时延约为5μs。
单程端到端传播时延t。
最迟经过2t能知道自己发送的数据有没有与其他站的数据发生碰撞。
曼彻斯特(Manchester)编码
CSMA/CD不可能是全双工！只能是半双工！
退避算法：
- 规定基本退避时间为争用期2t，具体的争用期时间是51.2μs。对于10Mbit/s以太网，在争用期内可发送512bit，即64字节。也可以说争用期为512比特时间。1比特时间就是发送1比特所用的时间。
- 从离散的整数集合[0，1，…，（2^k-1）]中任取一个数r，重传应该推后的时间为2r。
- 当重传次数不超过10，参数k为重传次数；当超过10，k不再增大，一直为10。重传次数达16时，丢弃！
- 以太网规定了一个最短帧长64字节。凡是长度小于64字节的帧都是无效帧！
- 帧间最小间隔9.6μs，96比特时间。
总结CSMA/CD协议
- 准备发送：先检测信道
- 检测信道
- 发送过程中，边发送边监听
若发送成功返回步骤1；
若失败，执行退避算法，若重传达16次仍不成功，停止重传。
3.3.3 以太网的信道利用率
a=t/T0 （单程端到端时延/帧的发送时间）
a越大，信道利用率越低。因此要减小t，同时帧长不能太短。
3.4 扩展的以太网
3.4.1 在物理层扩展以太网
使用一个主干集线器把三个系的以太网相连。
3.4.2 在数据链路层扩展以太网
使用以太网交换机（实质是一个多接口的网桥，全双工工作）。
传统的共享式以太网每个用户只能分到1/N，现在是N。
*共享总线型以太网：CSMA/CD半双工方式；
以太网交换机：全双工方式
3.4.3 虚拟局域网VLAN
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。
3.5 高速以太网 >100Mbit/s（全双工方式不起作用）
吉比特以太网（允许全双工和半双工）
10吉比特以太网（只工作在全双工）
PPPoE（PPP over Ethernet）在以太网上运行PPP
最后
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