数据链路层

时间：2024-02-19 18:50:12

正文

一、数据链路层的基本概念

1. 数据链路层的简单模型

数据链路层不关心物理层解决的问题，只关心帧头帧尾和校验。


2. 数据链路层使用的信道主要有以下两种类型：

  1. 点对点信道。这种信道使用一对一的点对点通信方式。
  2. 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

3. 数据链路和帧

  1. 链路(link)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结点。
    • 一条链路只是一条通路的一个组成部分。
  2. 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。帧：在网络层，给数据包增加了接收端和发送端的IP地址。在数据链路层里，增加了帧头帧尾，MAC地址和校验值。
    • 现在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。

二、三个基本问题(重点)

1. 封装成帧

封装成帧(framing)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

2. 透明传输

透明传输.png

解决透明传输：

  1. 发送端的数据链路层在数据中出现控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入一个转义字符“ESC”(其十六进制编码是 1B)。
  2. 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。
  3. 如果转义字符也出现数据当中，那么应在转义字符前面插入一个转义字符。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。

3. 差错控制（CRC重点）

  1. 在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。
  2. 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)。
  3. 误码率与信噪比有很大的关系。
  4. 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。

在数据链路层传送的帧中，广泛使用了循环冗余检验 CRC 的检错技术。

循环冗余检验原理：

  1. 在发送端，先把数据划分为组。假定每组 k 个比特。
  2. 假设待传送的一组数据 M = 101001（现在 k = 6）。我们在 M 的后面再添加供差错检测用的 n 位冗余码一起发送。 

冗余码计算：

  1. 用二进制的模 2 运算进行 2n 乘 M 的运算，这相当于在 M 后面添加 n 个 0。
  2. 得到的 (k + n) 位的数除以事先选定好的长度为 (n + 1) 位的除数 P，得出商是 Q 而余数是 R，余数 R 比除数 P 少1 位，即 R 是 n 位。

主要看例子上面的注释

例子：


帧检验序列 FCS

  1. 在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列 FCS (Frame Check Sequence)。
  2. 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。
    • FCS 可以用 CRC 这种方法得出，但 CRC 并非用来获得 FCS 的唯一方法。

应当注意：

  1. 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)。
  2. “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”。
  3. 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）。
  4. 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。

例题

三、点对点协议 PPP

  1. 现在全世界使用得最多的数据链路层协议是点对点协议 PPP (Point-to-Point Protocol)。

  2. 用户使用拨号电话线接入因特网时，一般都是使用 PPP 协议。

1. PPP 协议应满足的需求

  1. 简单——这是首要的要求
  2. 封装成帧
  3. 透明性
  4. 多种网络层协议
  5. 多种类型链路
  6. 差错检测
  7. 检测连接状态
  8. 最大传送单元
  9. 网络层地址协商
  10. 数据压缩协商

2. PPP 协议不需要的功能

  1. 纠错
  2. 流量控制
  3. 序号
  4. 多点线路
  5. 半双工或单工链路

3. 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；

PPP 协议有三个组成部分

  1. 一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法。
  2. 链路控制协议 LCP (Link Control Protocol)，使用LCP(链路控制协议)建立并维护数据链路连接，可以实现身份验证和欠费管理 。
  3. 网络控制协议 NCP (Network Control Protocol)允许在点到点连接上使用多种网络层协议，如下图 ：

4. PPP 协议的帧格式

  1. 标志字段 F = 0x7E （符号“0x”表示后面的字符是用十六进制表示。十六进制的 7E 的二进制表示是 01111110）。
  2. 地址字段 A 只置为 0xFF。地址字段实际上并不起作用。
  3. 控制字段 C 通常置为 0x03。
  4. PPP 是面向字节的，所有的 PPP 帧的长度都是整数字节。
  5. 协议字段是标识信息部分是什么东西

5. 透明传输问题 ：字符填充

  1. 将信息字段中出现的每一个 0x7E 字节转变成为 2 字节序列(0x7D, 0x5E)。

  2. 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)。

  3. 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。

6. 透明传输问题 ：零比特填充

  1. PPP 协议用在 SONET/SDH 链路时，是使用同步传输（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。
  2. 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，

7. 不提供使用序号和确认机制

PPP 协议之所以不使用序号和确认机制是出于以下的考虑：

  1. 在数据链路层出现差错的概率不大时，使用比较简单的 PPP 协议较为合理。

  2. 在因特网环境下，PPP 的信息字段放入的数据是 IP 数据报。数据链路层的可靠传输并不能够保证网络层的传输也是可靠的。

  3. 帧检验序列 FCS 字段可保证无差错接受。

8. PPP 协议的工作状态

  1. 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。
  2. PC 机向路由器发送一系列的 LCP 分组（封装成多个 PPP 帧）。
  3. 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。
  4. 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。

四、使用广播信道的数据链路层 (局域网)

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：

  1. 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。
  2. 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。
  3. 提高了系统的可靠性、可用性和残存性。

1. 局域网拓扑

2. 共享通信媒体

静态划分信道：

  1. 频分复用
  2. 时分复用
  3. 波分复用
  4. 码分复用

动态媒体接入控制（多点接入）

  1. 随机接入（主要被以太网采用）
  2. 受控接入 ，如多点线路探询(polling)，或轮询。

3. 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，当初认为这样连接即简单又可靠，因为总线上没有有源器件。

总线上每一个主机都能检测到B发送的数据。但是只有D的地址和数据帧首部写入的地址一致，所以只有D接收。其余计算机都能检测到这不是发送给他们的数据帧，所以就丢弃这个数据帧。
这是一种具有广播特性的总线上实现了一对一通信。这种方式不安全。

4. 以太网使用CSMA/CD 协议

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

载波监听多点接入/碰撞检测

  1. “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。
  2. “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。
  3. 总线上并没有什么“载波”。因此， “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：

  1. “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。
  2. 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）。
  3. 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。
  4. 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:

  1. 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。
  2. 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（因为是随机的时间所以凉的数据发送站等待的时间不相同）。

5. CSMA/CD的重要特性

  1. 使用 CSMA/CD 协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信（半双工通信）。
  2. 每个站在发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。
  3. 这种发送的不确定性使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率。

6. 争用期

  1. 最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间 2t （两倍的端到端往返时延）就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。
  2. 以太网的端到端往返时延2t 称为争用期，或碰撞窗口。
  3. 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。

争用期的长度 :

  1. 以太网取 51.2 ms 为争用期的长度。
  2. 对于 10 Mb/s 以太网，在争用期内可发送512 bit，即 64 字节。
  3. 以太网在发送数据时，若前 64 字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。

最短有效帧长 :

  1. 如果发生冲突，就一定是在发送的前 64 字节之内。
  2. 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。
  3. 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。

7. 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。

  1. 确定基本退避时间，一般是取为争用期 2t。
  2. 定义重传次数 k ，k £ 10，即

​ k = Min[重传次数, 10]

  1. 从整数集合[0,1,…, (2k -1)]中随机地取出一个数，记为 r。重传所需的时延就是 r 倍的基本退避时间。
  2. 当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。

五、以太网

1. 以太网的两个标准

  1. DIX Ethernet V2 是世界上第一个局域网产品（以太网）的规约。
  2. IEEE 的 802.3 标准。
  3. 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”。
  4. 严格说来，“以太网”应当是指符合 DIX Ethernet V2 标准的局域网

2. 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：

  1. 逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control)子层
  2. 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

由于局域网标准一般是DIX Ethernet V2而不是IEEE 802.3，所以802.2标准的LLC子层作用已经不大了，很多厂商适配器没有LLC协议

3. 以太网提供的服务

  1. 以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。
  2. 当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，其他什么也不做。差错的纠正由高层来决定。
  3. 如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但以太网并不知道这是一个重传的帧，而是当作一个新的数据帧来发送

4. 以太网发送的数据都使用 曼彻斯特(Manchester)编码

5. 以太网的星型拓扑结构

物理上是星型，逻辑上是总线型。

  1. 为了降低成本，最初由粗的同轴电缆变成细的同轴电缆最后变成无屏蔽双绞线。
  2. 每个站需要用两对双绞线，分别用于发送和接收；
  3. 在星形的中心增加了一种可靠性高的设备，为集线器(hub)。
  4. 现在基本不在使用

集线器的特点：

  1. 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。
  2. 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。
  3. 集线器很像一个多接口的转发器，工作在物理层。

6. 以太网的信道利用率

以太网的信道被占用的情况：

  1. 争用期长度为 2t，即端到端传播时延的两倍。检测到碰撞后不发送干扰信号。
  2. 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)。

对以太网参数的要求：

  1. 当数据率一定时，以太网的连线的长度受到限制，否则 t 的数值会太大。
  2. 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：

六、MAC层

1. MAC 层的硬件地址

  1. 在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或 MAC 地址
  2. MAC地址前3个字节(24位)是厂家分配的地址字段，后3个字节(24位)是厂家自定义，称为扩展标识符，必须保证生产出的适配器没有重复地址。
  3. 一个地址块可以产生2^24个地址，这种48位地址称为MAC-48，通用名为EUI-48，这就是MAC地址；
  4. MAC地址实际上是每一个站的名字或标识符。

2. 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.

  1. 如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他的处理。
  2. 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：

  1. 单播(unicast)帧（一对一）
  2. 广播(broadcast)帧（一对全体）
  3. 多播(multicast)帧（一对多）

3. MAC 帧的格式

6 + 6 + 2 + 46 + 4 =64 byte，这就是为什么IP数据报的最短长度为46字节。

类型字段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。

数据字段的正式名称是 MAC 客户数据字段，最小长度 64 字节 - 18 字节的首部和尾部 = 数据字段的最小长度

4. 无效的 MAC 帧

  1. 数据字段的长度与长度字段的值不一致；
  2. 帧的长度不是整数个字节；
  3. 用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错；
  4. 数据字段的长度不在 46 ~ 1500 字节之间。
  5. 有效的 MAC 帧长度为 64 ~ 1518 字节之间。
  6. 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。

5. 帧间最小间隔

  1. 帧间最小间隔为 9.6 ms，相当于 96 bit 的发送时间。
  2. 一个站在检测到总线开始空闲后，还要等待 9.6 ms 才能再次发送数据。
  3. 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。

七、扩展以太网

1. 在物理层扩展局域网

  1. 距离的扩展 ：主机使用光纤和一对光纤调制解调器连接到集线器。

  1. 数量的扩展 集线器集联：使网络中计算机增加，变成一个大的冲突域，会造成效率降低。

2. 在数据链路层扩展局域网

在数据链路层扩展局域网是使用网桥。

  1. 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。
  2. 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

网桥的优点和缺点：

  1. 过滤通信量。
  2. 扩大了物理范围。
  3. 提高了可靠性。
  4. 可互连不同物理层、不同 MAC 子层和不同速率（如10 Mb/s 和 100 Mb/s 以太网）的局域网。
  5. 存储转发增加了时延。
  6. 在MAC 子层并没有流量控制功能。
  7. 具有不同 MAC 子层的网段桥接在一起时时延更大。
  8. 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。

3. 透明网桥

目前使用得最多的网桥是透明网桥(transparent bridge)。

  1. “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。
  2. 透明网桥是一种即插即用设备，其标准是 IEEE 802.1D。


4. 多接口网桥——以太网交换机

  1. 1990 年问世的交换式集线器(switching hub)，可明显地提高局域网的性能。
  2. 交换式集线器常称为以太网交换机(switch)或第二层交换机（表明此交换机工作在数据链路层）。
  3. 以太网交换机通常都有十几个接口。因此，以太网交换机实质上就是一个多接口的网桥，可见交换机工作在数据链路层。

以太网交换机的特点

  1. 以太网交换机的每个接口都直接与主机相连，并且一般都工作在全双工方式。
  2. 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，进行无碰撞地传输数据。
  3. 以太网交换机由于使用了专用的交换结构芯片，其交换速率就较高。

随着网桥的接口的增加， 后来网桥和集线器合并了，计算机可以直接和交换机连接，这就是交换机。

交换机就是网桥和集线器的合并升级版，能全双工，安全通信。

端口带宽独享； 安全； 基于MAC地址转发； 通过学习构建MAC地址表。

5. 虚拟局域网

虚拟局域网 VLAN 是由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组。

  1. 这些网段具有某些共同的需求。
  2. 每一个 VLAN 的帧都有一个明确的标识符，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

八、高速以太网

1. 100BASE-T 以太网

  1. 速率达到或超过 100 Mb/s 的以太网称为高速以太网。
  2. 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)。

2. 100BASE-T 以太网的特点

  1. 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。
  2. MAC 帧格式仍然是 802.3 标准规定的。
  3. 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。
  4. 帧间时间间隔从原来的 9.6 ms 改为现在的 0.96 ms。

3. 吉比特以太网

  1. 允许在 1 Gb/s 下全双工和半双工两种方式工作。
  2. 使用 802.3 协议规定的帧格式。
  3. 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）。
  4. 与 10BASE-T 和 100BASE-T 技术向后兼容。

九、数据链路层复习

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