数据链路层概述

基本概念

数据发送模型：

数据链路层的信道类型：

点对点信道：这种信道使用一对一的点对点通信方式。
广播信道。这种信道使用一对多的广播通信方式，因此过程比较复杂。广播信道上连接的主机很多，因此必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机的数据发送。

链路和数据链路：

链路（link）:是一条点到点的物理线路段，中间没有任何其他的点，一条链路只是一条通路的一个组成部分。
数据链路(data link)：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。
- 现最常用的方法是使用适配器(即网卡)来实现这些协议的硬件和软件。
- 一般的适配器都包括了数据链路层和物理层这两层的功能。

帧：

数据链路层传送的是帧

数据链路层就像一个数字管道

常常在两个对等的数据链路层之间画出一个数字管道，而在这条数字管道上传输的数据单位是帧。

要解决的三个基本问题

封装成帧

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，用以确定帧的界限。
首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界。
如果发送端发送时出现故障，接收端没收到完整的头和尾，就会将帧丢掉

透明传输

若传输的数据是ASCI I码中“可打印字符(共95个)”集时，一切正常。若传输的数据不是仅由“可打印字符”组成时，就会出问题，如下图

我们可以使用字节填充法解决透明传输的问题：

发送端的数据链路层在数据中出现控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入一个字符“ESC” (其十六进制编码是1B)
字节填充(byte stuffing)或字符填充(character stuffing)——接收端的数据链路层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数据当中，那么应在转义字符前插入一个转义字符。当接收端收到连续的两个转义字符时，就删除其中前面的一个。

差错控制

传输过程中可能会产生比特差错:1可能会变成0而0也可能变成1。
在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比率称为 误码率 BER (Bit Error Rate) 。
误码率与信噪比有很大的关系。
为了保证数据传输的可靠性，在计算机网络传输数据时，必须采用各种差错检测措施。

我们可以使用 循环冗余检测 CRC

仅用循环冗余检验CRC差错检测技术只能做到无差错接受(accept)。

“无差错接受” 是指：“凡是接受的帧( 即不包括丢弃的帧)，我们都能以非常接近于1的概率认为这些帧在传输过程中没有产生差错”。也就是说:“凡是接收端数据链路层接受的帧都没有传输差错”(有差错的帧就丢弃而不接受)。

要做到 “可靠传输” (即发送什么就收到什么)就必须再加上确认和重传机制。

考虑:帧重复、帧丢失、帧乱序的情况

可以说 “CRC是一种无比特差错，而不是无传输差错的检测机制”

OSI/RM模型的观点:数据链路层要做成无传输差错的，但这种理念目前不被接受!

使用点对点信道的数据链路层（PPP协议）

PPP协议

现在全世界使用的最多的数据链路层协议就是 点对点协议 即 PPP协议(Pointer to Pointer Protocol)，用户使用拨号电话线接入因特网时，一般都是使用PPP协议。

PPP协议的使用场合

PPP协议应该满足的要求	PPP协议不需要满足的要求
简单——这是首要的要求	纠错
封装成帧	流量控制
透明性	序号
多种类型链路	多点线路
差错检测	半双工或单工链路
检测连接状态
最大传送单元
网络层地址协商
数据压缩协商

PPP协议的组成

数据链路层协议可以用于异步串行或同步串行介质。
它使用LCP (链路控制协议)建立并维护数据链路连接。
网络控制协议(NCP)允许在点到点连接上使用多种网络层协议，如图所示

PPP协议帧格式

字节填充

问题:信息字段中出现了标志字段的值，可能会被误认为是“标志位”怎么办?

将信息字段中出现的每个0x7E字节转变成为2字节序列(0x7D，0x5E)。
若信息字段中出现一个0x7D的字节，则将其转变成为2字节序列(0x7D，0x5D)。
若信息字段中出现ASCII 码的控制字符(即数值小于0x20的字符)，则在该字符前面要加入一个0x7D字节，同时将该字符的编码加以改变。

零比特填充

PPP 协议用在 SONET/SDH 链路时，使用同步传输（一连串的比特连续传送）。这时 PPP 协议采用零比特填充方法来实现透明传输。在发送端，只要发现有 5 个连续 1，则立即填入一个0。接收端对帧中的比特流进行扫描。每当发现 5 个连续1时，就把这 5 个连续 1 后的一个 0 删除

PPP协议工作状态

当用户拨号接入ISP 时，路由器的调制解调器对拨号做出确认，并建立一条物理连接。 PC机向路由器发送一系列的LCP分组(封装成多个PPP帧)。这些分组及其响应选择一些PPP参数，和进行网络层配置，NCP给新接入的PC机分配一个临时的IP地址，使PC机成为因特网上的一个主机。通信完毕时，NCP 释放网络层连接，收回原来分配出去的IP地址。接着，LCP释放数据链路层连接。最后释放的是物理层的连接。

使用广播信道的数据链路层（CSMA/CD协议）

局域网的拓扑

局域网的特点与优点

局域网最主要的特点是:

网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限。

局域网具有如下的一些主要优点:

具有广播功能，从一个站点可很方便地访问全网。局域网上的主机可共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源。
便于系统的扩展和逐渐地演变，各设备的位置可灵活调整和改变。
提高了系统的可靠性、可用性和生存性。

共享通信媒体

静态划分信道

频分复用
时分复用
波分复用
码分复用

动态媒体接入控制（多点接入）

随机接入(主要被以太网采用! )
受控接入，如多点线路探询(polling)，或轮询。(目前已不被采用)

认识以太网

最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。当初认为这样的连接方法既简单又可靠，因为总线上没有有源器件。但是不安全，有可能被非目标计算机抓包

总线上的每一个工作的计算机都能检测到B发送的数据信号。由于只有计算机D的地址与数据帧首部写入的地址一致，因此只有D才接收这个数据帧。其他所有的计算机(A,C和E)都检测到不是发送给它们的数据帧,因此就丢弃这个数据帧而不能够收下来。具广播特性的总线上实现了一对一的通信。

载波监听多点接入/碰撞检测（CSMA/CD）协议

CSMA/CD表示Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection。

载波监听多点接入

**“多点接入”**表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上。 **“载波监听”**是指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。“载波监听”就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号。

碰撞检测

“碰撞检测” 就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小

当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大(互相叠加)
当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞。
所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为**“冲突检测”**。

检测到碰撞后：

在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来。
每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送。

争用期

最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间2τ ( 两倍的端到端的往返时延)就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。

以太网的争用期

以太网的端到端往返时延2τ称为争用期，或碰撞窗口。通常，取51.2 μs为争用期的长度。
对于10 Mb/s以太网，在争用期内可发送512 bit, 即64字节。
以太网在发送数据时，若前64字节未发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。

最短有效帧长

如果发生冲突，就一定是在发送的前64字节之内。
由于一检测到冲突就立即中止发送，这时已经发送出去的数据一定小于64字节。
以太网规定了最短有效帧长为64字节，凡长度小于64字节的帧都是由于冲突而异常中止的无效帧。

二进制指数类型退避算法

发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟(退避) 一个随机时间才能再发送数据。

确定基本退避时间，一般是取为争用期2τ。
定义参数k，k = Min[重传次数， 10]
从整数集合[0，1，...，(2^k -1)]中随机地取出一个数，记为 г 。重传所需的时延就是r倍的基本退避时间。当重传达16次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。

以太局域网（以太网）

以太网的两个标准

DIX Ethernet V2 是世界上第一个局域网产品(以太网)的规约
IEEE 的802.3标准。
- DIX Ethernet V2标准与IEEE 的802. 3标准只有很小的差别，因此可以将802. 3局域网简称为**“以太网”**。严格说来，“以太网” 应当是指符合DIX Ethernet V2标准的局域网。

以太网与数据链路层的两个子层

为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，802委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层:

逻辑链路控制LLC (Logical Link Control)子层
媒体接入控制MAC (Medium Access Control)子层。

与接入到传输媒体有关的内容都放在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TCP/IP体系经常使用的局域网是DIX Ethernet V2而不是802.3标准中的几种局域网，因此现在802委员会制定的逻辑链路控制子层LLC (即802. 2标准)的作用已经不大了。很多厂商生产的适配器上就仅装有MAC协议而没有LLC 协议。

星型拓扑

传统以太网最初是使用粗同轴电缆，后来演进到使用比较便宜的细同轴电缆，最后发展为使用更便宜和更灵活的双绞线。不用电缆而使用无屏蔽双绞线。每个站需要用两对双绞线，分别用于发送和接收。这种以太网采用星形拓扑，在星形的中心则增加了一种可靠性非常高的设备, 叫做集线器(hub)。

集线器的一些特点：

集线器是使用电子器件来模拟实际电缆线的工作，因此整个系统仍然像一个传统的以太网那样运行。集线器使用了大规模集成电路芯片，因此这样的硬件设备的可靠性已大大提高了。

使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，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，工作在物理层。

以太网的信道利用率

以太网的信道被占用的情况：

争用期长度为2τ,即端到端传播时延的两倍。检测到碰撞后不发送干扰信号。
帧长为L (bit)，数据发送速率为C (b/s)，因而帧的发送时间为L/C = T₀ (s)

一个帧从开始发送，经可能发生的碰撞后，将再重传数次，到发送成功且信道转为空闲(即再经过时间τ使得信道上无信号在传播)时为止，是发送一帧所需的平均时间。

以太网的信道利用率：参数a

要提高以太网的信道利用率，就必须减小 τ 与 T₀ 之比。在以太网中定义了参数a，它是以太网单程端到端时延τ与帧的发送时间 T₀ 之比: $$a = \frac τ {T₀}$$
a- >0表示一发生碰撞就立即可以检测出来，并立即停止发送，因而信道利用率很高。
a越大，表明争用期所占的比例增大，每发生一次碰撞就浪费许多信道资源，使得信道利用率明显降低。

以太网的信道利用率：最大值

对以太网参数的要求

当数据率一定时，以太网的连线的长度受到限制，否则 τ 的数值会太大
以太网的帧长不能太短，否则 T₀ 的值会太小，使 a 值太大。

信道利用率的最大值

在理想化的情况下，以太网上的各站发送数据都不会产生碰撞(这显然已经不是CSMA/CD，而是需要使用一种特殊的调度方法)，即总线一旦空闲就有某一个站立即发送数据。
发送一帧占用线路的时间是 T₀+ t，而帧本身的发送时间是 T₀，于是我们可计算出理想情况下的极限信道利用率$S_{max}$为:

MAC层的硬件地址（MAC地址）

在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或 MAC地址。

802 标准所说的 “地址” 严格地讲应当是每一个站的 “名字” 或 标识符。但鉴于大家都早已习惯了将这种48位的“名字”称为“地址”，所以本文也采用这种习惯用法，尽管这种说法并不太严格。

IEEE的注册管理机构RA负责向厂家分配地址字段的前三个字节(即高位24位)。
地址字段中的后三个字节(即低位24位)由厂家自行指派，称为扩展标识符，必须保证生产出的适配器没有重复地址。
一个地址块可以生成2²⁴个不同的地址。这种48位地址称为MAC- 48，它的通用名称是EUI-48。
“MAC地址” 实际上就是适配器地址或适配器标识符EUI-48。

在同一个交换机上的计算机MAC地址不可相同，否则会产生网络故障，MAC地址可以手动修改

适配器检查 MAC 地址

适配器从网络上每收到一个MAC帧就首先用硬件检查MAC帧中的MAC地址

如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他的处理。
否则就将此帧丢弃，不再进行其他的处理。

“发往本站的帧”包括以下三种帧:

单播(unicast)帧(一对一 )
广播(broadcast)帧(一对全体)
多播(multicast)帧(一对多)

MAC 帧格式

常用的以太网MAC帧格式有两种标准：

DIX Ethernet V2 标准
IEEE 的 802.3 标准

最常用的MAC帧是以太网V2的格式。

无效的 MAC 帧

帧的长度不是整数个字节;
用收到的帧检验序列FCS 查出有差错;
数据字段的长度不在 46 ~ 1500 字节之间。
有效的MAC帧长度为 64 ~ 1518 字节之间。
对于检查出的无效MAC帧就简单地丢弃。以太网不负责重传丢弃的帧。

帧间最小间隔

帧间最小间隔为9.6 μs,相当于96 bit的发送时间。
一个站在检测到总线开始空闲后，还要等待9.6 μs才能再次发送数据。
这样做是为了使刚刚收到数据帧的站的接收缓存来得及清理，做好接收下一帧的准备。

扩展以太网

在物理层考虑扩展

主机使用光纤和一对光纤调制解调器连接到集线器

用一个集线器连接多个集线器（数量不宜超过30台计算机，连接越多，效率越低）

在数据链路层考虑扩展

在数据链路层扩展局域网是使用网桥。
网桥工作在数据链路层，它根据MAC帧的目的地址对收到的帧进行转发。
网桥具有过滤帧的功能。当网桥收到一个帧时，并不是向所有的接口转发此帧，而是先检查此帧的目的MAC地址，然后再确定将该帧转发到哪一个接口。

网桥的内部结构

使用网桥扩展以太网

网桥扩展以太网的优缺点

优点：

过滤通信量。
扩大了物理范围。
提高了可靠性。
可互连不同物理层、不同MAC子层和不同速率(如10 Mb/s和100Mb/s以太网)的局域网。

缺点：

存储转发增加了时延。
在MAC子层并没有流量控制功能。
具有不同MAC子层的网段桥接在一起时时延更大。
网桥只适合于用户数不太多(不超过几百个)和通信量不太大的局域网，否则有时还会因传播过多的广播信息而产生网络拥塞。这就是所谓的广播风暴。

透明网桥

目前使用得最多的网桥是透明网桥(transparent br idge)。
“透明”是指局域网上的站点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥，因为网桥对各站来说是看不见的。
透明网桥是一种即插即用设备，其标准是IEEE 802.1D

网桥的自学习算法

若从 A 发出的帧从接口 x 进入了某网桥，那么从这个接口出发沿相反方向一定可把一个帧传送到 A 。
网桥每收到一个帧，就记下其源地址和进入网桥的接口，作为转发表中的一个项目。
在建立转发表时是把帧首部中的源地址写在 “地址” 这一栏的下面。
在转发帧时，则是根据收到的帧首部中的目的地址来转发的。这时就把在“地址”栏下面已经记下的源地址当作目的地址，而把记下的进入接口当作转发接口。

用交换机扩展以太网

虚拟局域网

LAN和VLAN

交换机的使用使得VLAN的创建成为可能
虛拟局域网VLAN是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组。
- 这些网段具有某些共同的需求。
- 每一个VLAN的帧都有-个明确的标识符，指明发送这个帧的工作站是属于哪一个VLAN。
虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务，而并不是一种新型局域网。

虚拟局域网枕格式

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。

高速以太网

100BASE-T

速率达到或超过100 Mb/s的以太网称为高速以太网。在双绞线上传送100 Mb/s基带信号的星型拓扑以太网，仍使用IEEE 802. 3的CSMA/CD协议。100BASE T以太网又称为快速以太网(Fast Ethernet) 。

特点：

可在全双工方式下工作而无冲突发生。因此，不使用CSMA/CD 协议。MAC帧格式仍然是802.3标准规定的。
保持最短帧长不变，但将一个网段的最大电缆长度减小到100 m。帧间时间间隔从原来的9.6 μs改为现在的0. 96 μs。

吉比特以太网

允许在1 Gb/s 下全双工和半双工两种方式工作。
使用802. 3协议规定的帧格式。
在半双工方式下使用CSMA/CD协议(全双工方式不需要使用CSMA/CD协议)
与10BASE-T和100BASE- T技术向后兼容。
当吉比特以太网工作在全双工方式时(即通信双方可同时进行发送和接收数据)，不使用载波延伸和分组突发。

来源：oschina

链接：https://my.oschina.net/u/4418654/blog/3289881

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