计算机网络（二） 数据链路层及点对点信道

数据链路层使用的信道主要两种类型：

1）点对点信道：使用一对一的点对点通信方式。

2）广播信道：使用一对多的广播通信方式。由于连接的主机很多，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。

重点内容：

           1）数据链路层的点对点信道和广播信道的特点，以及这两种信道所使用的协议（PPP协议以及CSMA/CD协议）的特点。

           2）数据链路层的三个基本问题：封装成帧、透明传输和差错检测。

           3）以太网MAC层的硬件地址。

           4）适配器、转发器、集线器、网桥、以太网交换机的作用以及使用场合。

链路（link )：从一个结点到相邻结点的一段物理线路（有线或无线），而中间没有任何其他的交换结点。

数据链路（data link )：除了有一条物理线路外，还有一些必要的通信协议来控制数据的传输。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。

网络适配器（既有硬件，也包含软件）用来实现这些协议。

数据链路层的协议数据单元：帧

数据链路层协议的三个基本问题：封装成帧、透明传输、差错检测

1）封装成帧

      一个帧的帧长 = 帧的数据部分 + 帧首部和帧尾部的长度；

      最大传送单元MTU ( Maximum Transfer Unit )：所能传送的 帧的数据部分 长度上限。

      首部和尾部的一个重要作用是进行帧定界（即确定帧的界限）。

      控制字符SOH ( Start Of Header )：表示帧的首部开始。     控制字符EOT (End Of Transmission )：表示真的结束。

      注意： SOH和EOT都是控制字符的名称。十六进制编码分别为01（二进制为00000001），04（二进制为00000100）。

2）透明传输

      含义：无论怎么样的比特组合的数据都能传输。

      透明是一个很重要的术语。表示：某一个实际存在的事物看起来却是好像不存在一样。

      问题：怎样使数据中可能出现的控制字符”SOH“和”EOT“在接受端不被解释为控制字符？

      解决方法：字节填充（byte stuffing )或字符填充（character stuffing），即在控制字符前插入转义字符”ESC“(十六进制1B,二进制00011011)。

3）差错检测

      可靠传输：数据链路层的发送端发送什么，在接受端就收到什么。

      传输差错分两大类：最基本的差错比特差错           另一类复杂的差错即帧丢失、帧重复或帧失序。

      比特在传输过程中可能会产生差错，即比特差错。

      误码率BER( BIt Error Rate )：传输错误的比特占所传输比特总数的比率。设法提高信噪比，就可以使误码率减小。

      比特差错检测措施：循环￥余检验CRC ( Cyclic Reundancy Check )

      帧检验序列FCS ( Frame Check Sequence )：为进行检错而添加的n位￥余码。

      对于复杂的差错即帧丢失、帧重复、帧失序。在CRC检错的基础上，增加了帧编号、确认和重传机制。

点对点协议 PPP ( Point-to-Point Protocol )

      额外具备的功能：检测连接状态、多种网络层协议、多种类型链路、网络层地址协商、数据压缩协商。

      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。即支持异步链路（无奇偶检验的比特数据），也支持面向比特色同步链路。

      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 ( Link Control Protocol ）。

      3.一套网络控制协议 NCP ( Network Control Protocol )，其中的每一个协议支持不同的网络层协议，如IP，OSI的网络层、DECnet、AppleTalk等。

                             

      （注意信息字段即IP数据报）

      当PPP使用异步传输（逐个字符地传送）时，转义字符定义为0x7D（即01111101），并使用字节填充。

      RFC 1662 规定如下所述的填充方法：

      a.把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 )。

      b.若信息字段中出现0x7D的字节（即出现和转义字符一样的比特组合），则把0x7D转变成2字节序列（0x7D，0x5D )。

      c.若信息字段中出现ASCII码的控制字符（即数值小于0x20的字符），则在该字符前面加入一个0x7D字节，同时将该字符的编码加以改变。

      当PPP使用同步传输（一连串的比特连续传送）时，用在SONET/SDH链路时。使用零比特填充方法。

      零比特填充：发送端先扫描整个信息字段，只要有5个连续1，则立即填入一个0（避免出现和标志字段F<01111110>一样的比特组合，不管是否有6个1），接收端先通过标志字段F确定  帧的边界，再对其中的信息字段扫描，当发现5个连续1后将其后的一个0删除。

      PPP协议的工作状态

      有线过程：当用户拨号接入ISP后，就建立了一个从用户PC到ISP的物理连接。这时，用户PC向ISP发送一系列的链路控制协议LCP分组（封装成多个PPP帧），以便于建立LCP连接。这些分组及其响应选择了将要使用的一些PPP参数。接下来要进行网络层配置，网络控制协议NCP给新接入的用户PC分配一个临时的IP地址。这样，用户PC就成为因特网上的一个有IP地址的主机了。当用户通信完毕，NCP释放网络层连接，收回IP地址。接着LCP释放数据链路层连接。最后释放的时物理层的连接。

      无线过程：用户PC和ISP的路由器之间不存在物理层的连接。当用户PC通过调制解调器呼叫路由器时（类似鼠标点击连接按钮），路由器就能够检测到调制解调器发出的载波信号。在双方建立了物理层连接后，PPP就进入"链路建立"状态，然后建立链路层的LCP连接。