计算机网络-链路层

数据链路层的最重要内容

1.数据链路层的点对点信道和广播信道的特点，及这两种信道的协议的特点。
2.数据链路层的三个基本问题：封装成帧，透明传输，差错检测
3.以太网MAC地址的硬件地址
4.链路层中，适配器，转发器，集线器(物理层)，网桥和以太网交换机作用和作用场合。

三个基本问题

三个基本问题：封装成帧，透明传输，差错检测

封装成帧
将网络层传下来的分组添加首部和尾部，用于标记帧的开始和结束。

透明传输
透明表示一个实际存在的事物看起来好像不存在一样。

帧使用首部和尾部进行定界，如果帧的数据部分含有和首部尾部相同的内容，那么帧的开始和结束位置就会被错误的判定。需要在数据部分出现首部尾部相同的内容前面插入转义字符。如果数据部分出现转义字符，那么就在转义字符前面再加个转义字符。在接收端进行处理之后可以还原出原始数据。这个过程透明传输的内容是转义字符，用户察觉不到转义字符的存在。

差错检测
目前数据链路层广泛使用了循环冗余检验（CRC，Cyclic Redundancy Check）来检查比特差错。

点对点信道

链路和数据链路

链路：一个节点到相邻节点的一段物理线路（有线或无线），而中间没有任何其他的交换节点。
数据链路：一条物理路线加上必要的通信协议，这些硬件加软件就构成了数据链路，通信协议的增加一般通过网络适配器。

简单来进行区分，链路就是指一条物理链路，数据链路就是指逻辑链路。

点对点信道的数据链路层协议

可以用3-3（a）所示的三层模型来简化数据链路中数据传输的过程。

PPP协议

一对一通信，不会发生碰撞，使用PPP协议进行控制。

互联网用户通常需要连接到某个 ISP 之后才能接入到互联网，PPP 协议是用户计算机和 ISP 进行通信时所使用的数据链路层协议。

PPP 的帧格式：

F 字段为帧的定界符
A 和 C 字段暂时没有意义
FCS 字段是使用 CRC 的检验序列
信息部分的长度不超过 1500

广播信道

CSMA/CD 协议

CSMA/CD 表示载波监听多点接入 / 碰撞检测。

多点接入：说明这是总线型网络，许多主机以多点的方式连接到总线上。
载波监听 ：每个主机都必须不停地监听信道。在发送前，如果监听到信道正在使用，就必须等待。
碰撞检测：在发送中，如果监听到信道已有其它主机正在发送数据，就表示发生了碰撞。虽然每个主机在发送数据之前都已经监听到信道为空闲，但是由于电磁波的传播时延的存在，还是有可能会发生碰撞。
记端到端的传播时延为 τ，最先发送的站点最多经过 2τ 就可以知道是否发生了碰撞，称 2τ 为 争用期 。只有经过争用期之后还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。

当发生碰撞时，站点要停止发送，等待一段时间再发送。这个时间采用 截断二进制指数退避算法 来确定。从离散的整数集合 $0,1,..,(2^k-1)$ 中随机取出一个数，记作 r，然后取 r 倍的争用期作为重传等待时间。

以太网

以太网帧格式：

类型 ：标记上层使用的协议；
数据 ：长度在 46-1500 之间，如果太小则需要填充；
FCS ：帧检验序列，使用的是 CRC 检验方法；

交换机

交换机具有自学习能力，学习的是交换表的内容，交换表中存储着 MAC 地址到接口的映射。

正是由于这种自学习能力，因此交换机是一种即插即用设备，不需要网络管理员手动配置交换表内容。

下图中，交换机有 4 个接口，主机 A 向主机 B 发送数据帧时，交换机把主机 A 到接口 1 的映射写入交换表中。为了发送数据帧到 B，先查交换表，此时没有主机 B 的表项，那么主机 A 就发送广播帧，主机 C 和主机 D 会丢弃该帧，主机 B 回应该帧向主机 A 发送数据包时，交换机查找交换表得到主机 A 映射的接口为 1，就发送数据帧到接口 1，同时交换机添加主机 B 到接口 2 的映射。

虚拟局域网

虚拟局域网可以建立与物理位置无关的逻辑组，只有在同一个虚拟局域网中的成员才会收到链路层广播信息。

例如下图中 (A1, A2, A3, A4) 属于一个虚拟局域网，A1 发送的广播会被 A2、A3、A4 收到，而其它站点收不到。

使用 VLAN 干线连接来建立虚拟局域网，每台交换机上的一个特殊接口被设置为干线接口，以互连 VLAN 交换机。IEEE 定义了一种扩展的以太网帧格式 802.1Q，它在标准以太网帧上加进了 4 字节首部 VLAN 标签，用于表示该帧属于哪一个虚拟局域网。

参考

1.CyC2018@GitHub
2.计算机网络-谢希仁

最后

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