数据链路层
一、链路和数据链路
1、链路：一个结点与相邻结点之间的一段物理线路（计算机网络由结点和链路组成）
2、数据链路：上述物理链路 + 必要的通信协议
二、帧：帧是数据链路层的协议数据单元。数据链路层把网络层交下来的数据构成帧发送到链路上，以及把接收到的帧中的数据取出并上交给网络层（网络层协议数据单元是IP数据报，或称分组，包），过程大致如下：
1、结点A的数据链路层把网络层交下来的ip数据报添加首部和尾部封装成帧
2、结点A把封装好的帧发送给结点B的数据链路层
3、若结点B收到无差错的帧，则取出其中的数据报交给上面的网络层，否则丢弃这个帧
（说明：在步骤2中，结点A先把封装好的帧传给本结点的物理层，物理层通过传输媒体传输比特流，结点B的物理层接收，并转换成相应的帧给数据链路层）
三、数据链路层的三个基本问题
1、封装成帧：在一段数据（IP数据报）的前后分别添加首部和尾部，构成一个帧。IP数据报是帧的数据部分，首部和尾部是控制部分。
~每个数据链路层协议都规定了所能传送的帧的数据部分长度上限---最大传送单元MTU ，IP数据报的大小必须小于该MTU值~为了接收方准确的接收帧的起止，需要给帧的首部和尾部使用特殊的帧定界符（SOH和EOT）
2、透明传输：透明，表示某一个实际存在的事物看起来却好像不存在一样 ，也就是说当帧的数据部分存在和帧定界控制符相同的字符时，利用某种方法（如前面插入转义字符ESC等）使接收方的数据链路层不把其当做帧定界控制符，使IP数据报实现透明传输。所以可以看出，透明传输是针对帧的定界符而设定的。
3、差错控制：
1）比特差错： 传输过程中，1可能变成0, 0可能变成1
差错控制方法使用循环冗余检测（CRC）
2）传输差错：包括帧丢失，帧重复，帧失序等
四、点对点PPP（Point-to-Point protocol）协议
1、PPP协议是用户计算机和ISP进行通信时使用的数据链路层协议
2、PPP协议的三个组成部分：
1）一个将IP数据报封装到串行链路的方法
2）一个用来建立、配置和测试数据链路连接的链路控制协议（LCP）
3）一套网络控制协议（NCP），每一个协议支持不同的网络层协议
3、PPP协议帧格式
首部
1）F（Flag）：帧定界符（开始），0x7E
2）A：地址字段，0xFF
3）C：控制字段，0x03
4) 协议字段（两字节）：0x0021，表示信息字段为IP数据报；0xC021，LCP数据；0x8021，NCP数据
信息部分
尾部
5）FCS：CRC检验的冗余码，用户检验比特差错
6）F（Flag）：帧定界符（结束），0x7E
4、PPP协议透明传输办法：
1）PPP使用异步传输时，转义字符为0x7D，并使用字节填充，具体办法：
~信息字段中出现0x7E（帧定界符），转变成0x7D和0x5E两个字节~信息字段中出现0x7D（转义字符），转变成0x7D和0x5D两个字节
~~~信息字段中出现ASCII控制符（数值小于0x20），在该字符前加上0x7D并将该字符的编码加以改变，如0x03-->0x7D,0x23。
2）PPP使用同步传输时，采用零比特填充实现透明传输
发送端扫描整个信息字段，只要发现有5个连续1，则立即填入一个0；接收端对信息字段中出现连续5个1时，删除其后一个0，这样保证信息字段中不会出现帧定界符（0x7E）
总的来说，PPP协议是用于两台计算机进行一对一通信时所使用的数据链路层协议，因此它没有复杂的链路数据传输冲突，地址选择等问题
五、广播信道的数据链路层（局域网，一对多通信）
1、局域网的主要特点：网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限
2、局域网根据拓扑形状可划分为：星形网，环形网，总线网
3、适配器的作用（网卡）
1）适配器（网卡）与局域网的通信，是通过电缆或者双绞线以串行传输方式进行的
2）适配器（网卡）与计算机之间的通信 ，是通过计算机主板上的I/O总线并行传输方式进行的
3）适配器（网卡）接收和发送各种帧时，不使用计算机的CPU，当适配器接收到有差错的帧时，就把这个帧直接丢弃而不通知计算机，当接收到正确的帧时，它就使用中断来通知计算机，并交付协议栈中的网络层
4、总线式以太网：
1）最早的以太网将许多计算机都连接到一根总线上。总线的特点是：当一台计算机发送数据时，总线上所有的计算机都能检测到这个数据（这就是广播通信方式）；在总线上实现一对一通信，可以是每台计算机的适配器（网卡）拥有一个与其他适配器都不同的地址，MAC地址
2）以太网提供的服务是尽最大努力的交付，即不可靠的交付
3）总线在同一时间只允许一台计算机发送数据 ，即有数据在总线上传输时，总线资源被占用。采用CSMA/CD协议
5、CSMA/CD协议 (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection,载波监听多点接入/碰撞检测)
1）以太网发送的数据都是使用曼彻斯特编码（缺点是所占的频带宽度比原始的基带信号增加一倍，因为每秒传输的码元加倍了）
2）多点接入： 说明这是总线型网络，许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上
3）载波监听： 就是利用电子技术检测总线上有没有其他计算机也在发送数据。不管在发送前还是发送中，每个站都必须不停的检测信道
4）碰撞检测：就是边发送边监听 。计算机在发送中检测信道，是为了及时发现有没有其他站的发送和本站发送的碰撞，即为碰撞检测
5）电磁波在1km电缆上的传播时延约为5us
6）总线上，单程端到端的时延为tao
7）CSMD/CD协议使得站点不能同时接收信号和发送信号，因此只能进行双向交替通信，即半双工方式通信
8）两个站点通信时一些重要的时刻：
~t=tao-sigma时，B未检测到A发送的数据，也开始发送数据；~t=tao-sigma/2时，两个信号发生碰撞，此时A和B还不知道碰撞发生；
~t=tao时，B检测到碰撞（碰撞的消息发送到B），停止发送数据；~t=2tao-sigma时，A检测到碰撞（碰撞的消息发送到A），停止发送数据；
9）争用期： 以太网端到端的往返时延2tao，站点发出数据后，在争用期内一定知道是否发生碰撞，如未检测到碰撞，则本次传输不会发生碰撞，可将这一帧数据顺利发完
10）截断二进制指数退避： 确定以太网碰撞重传的时机
~规定基本退避时间为争用期2tao，具体争用期时间是51.2us，那么端到端的传输时延为25.6us~对于10Mbit/s以太网，争用期可发送512bit数据，即64字节
~~~对于10Mbit/s以太网，为了避免帧太短而检测不到碰撞，规定了最短帧长为64字节，512bit，那么接收端收到小于64字节的帧都是由于冲突而异常终止的无效帧
六、集线器
1、集线器工作在物理层，每个接口仅仅简单地转发比特---收到1转发1，收到0转发0，不进行碰撞检测，因此它更像一个多接口的转发器
2、集线器是局域网在物理上呈现星形网，但是集线器是使用电子器件模拟实际电缆工作，因此使用集线器的局域网 在逻辑上仍然是一个总线网，各站共享逻辑总线，使用CSMA/CD协议
七、以太网信道利用率
以太网定义参数a=tao/T0,即单程端到端时延和发送帧所需时间的比值。a越小，信道利用率越高
九、以太网MAC层
1、局域网中，硬件地址，又称为物理地址，也叫MAC地址，是一个48位（6字节）全球地址：在每台计算机中，固化在适配器（网卡）的ROM中。也就是说MAC地址和网卡严格关联，跟计算机本身并不是严格关联，要看计算机有多少个适配器（网卡）
2、以太网帧格式
1）6个字节（48位）目的地址
2）6个字节（48位）源地址
3）2个字节类型字段，标志上一层使用的什么协议。如0x0800，IP数据报；
4）数据（如上层IP数据报）（长度范围在46-1500字节之间）
5）4个字节（FCS），用于CRC检验
整个以太网帧的长度最小为64个字节（最短帧长）
3、MAC子层向下传到物理层时还要在帧的前面插入8字节，前7个字节为前同步码，后1个字节为帧开始定界符，一个字节的前6位和前同步码一个作用，后两位为 11 ，告诉接收端MAC帧就要到来
4、上述3中说明MAC帧如何开始接收。由于传输时MAC帧之间存在空隙，因此接收端只要找到帧开始定界符，其后面连续的比特流就属于同一个MAC帧。所以MAC帧不要使用帧结束定界符，也不需要字符插入来保证透明传输
十、扩展的以太网
1、物理层扩展以太网（使用转发器或者集线器）：
1）使用光纤（一对光纤和一对光纤调制解调器），扩展主机和集线器之间的距离
2）使用多个集线器
2、数据链路层扩展以太网（使用以太网交换机）：
1）网桥： 对接收到的帧根据MAC帧中的目的地址进行转发和过滤。
2）以太网交换机: 多接口的网桥，每个接口都直接和一个单台主机或者另一个交换机相连；以太网交换机具有并行性，相互通信的主机都是独占传输媒体，无碰撞地传输数据 ，所以已经不使用CSMA/CD协议了
3）以太网交换机是即插即用设备，其内部的交换表（或地址表）是通过自学习算法自动逐渐建立起来的。
十一、虚拟局域网VLAN（Virtual LAN）
1、虚拟局域网VLAN由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组。每一个VLAN的帧都具有一个明确的标志符，指明发送这个帧的计算机属于哪个VLAN
2、虚拟局域网协议允许在以太网MAC帧中插入一个4字节的标志符（VLAN标记），用来指明发送这个帧的计算机属于哪一个虚拟局域网。（在6字节源地址和2字节类型之间）
来源：https://www.cnblogs.com/liushi-Oscar/p/9177185.html