计算机网络-链路层

计算机网络

计算机网络-链路层

1.1 链路层介绍

1.1.1 链路层概念

• 数据链路层的协议定义了通过通信媒介互连的设备之间传输的规范。通信媒介包括双绞线电缆、同轴电缆、光纤、电波以及红外线等物理介质。此外，各个设备之间有时也会通过交换机、网桥、中继器等中转数据
• 总结来说，数据链路层就是负责数据在各个链路中进行传输的

1.1.2 链路层功能

（1）为网络层提供服务

• 链路接入管理 ：连接的建立、维持、释放（用于面向连接的服务）
• 帧同步 ：帧定界
• 可靠交付 ：常用于易产生差错的链路，比如无线链路。而对于不易产生差错的链路这是不必要的开销。
• 数据和控制信息的识别
• 寻址
• 流量控制 ：链路层协议提供流量控制
• 透明传输
• 差错检测与修正 ：循环冗余检测（CRC）；TCP和UDP用检验和方法；奇偶校验思想（二维奇偶校验

1.1.3 相关术语

（1）结点

• 将运行链路层协议(即第2层)协议的任何设备均称为 结点(node)。
  • 结点包括主机、路由器、交换机和WiFi接入点等

（2）链路（物理链路）

• 从一个结点到相邻结点的一段物理线路，中间没有任何其他的交换节点链路是一条路径的一个组成部分
  • 两台计算机之间的通信路径需要许多链路

（3）数据链路（逻辑链路）

• 把实现了这些通信协议的硬件和软件加到链路上，就构成了数据链路(物理线路+协议)

（4）网络适配器

• 既有硬件也包括软件，实现了通信协议，包括了数据链路层和物理层两层的功能

（5）规程

• 数据链路层中，规程等同于协议

---

1.2 链路层需要解决的问题

1.2.1 封装成帧

（1）帧

• 数据链路层的协议数据单元，一个帧由一个数据字段和若干首部字段组成,其中网络层数据报就插在数据字段中。帧的结构由链路层协议规定

（2）封装成帧概念

• 封装成帧：就是在一段数据前后分别添加首部和尾部，添加一些额外信息，确定帧的界限，然后就构成了一个帧

（3）首部尾部作用

• 进行帧定界(确定帧的界限)；
• 包含许多必要的控制信息

（4）帧定界的方法

• 帧界定的方法：可用特殊的帧定界符，在ACSCII码中，用SOH表示帧的首部开始，EOT表示帧的结束

（5）帧界定的作用

• 判断收到的帧是否完整，不完整则丢弃

1.2.2 透明传输

（1）透明传输概念

• 不管什么数据，都能完整无差错的通过这个数据链路层，数据链路层对数据没有妨碍，数据链路层对数据时透明的

（2）透明传输的问题

• 透明传输中的问题：若数据中的某个字节的二进制代码恰好组成了帧界定符，就会出现帧定界错误，从而影响整个链路层数据的传输
  • 
  • 解决方法：字节填充 ：在控制字符和特殊字符前插入一个转义字符"ESC"（1B），而真正的首部和尾部前不加;当上交个给网络层时删除这个字符即可

1.2.3 差错检测

（1）差错检测概念

• 通过编码与附加校验信息手段，可以使得接受方对收到的数据帧进行校验，发现是否数据出错，从而进行下一步的处理
  • 传输差错分类：
    • 基本的比特差错。
    • 收到的帧出现了帧丢失，帧重复，帧失序。

（2）常用校验方式-循环冗余校验CRC(Cyclic Redundancy Check)

• 循环冗余码 （CRC）是一种特殊的线性分组码。 循环冗余码各码组中的码元循环左移(或右移)，所形成的码组仍然是一个许用码组(全零码组除外)，称为循环性。 循环冗余码具有较高的检错能力。
  • 帧检测序列FCS
• 在数据链路层里面使用CRC循环检验法能够实现无比特差错的传输，但是不是无传输差错，还不是可靠传输

循环冗余码-百度百科

---

1.3 链路层种类

1.3.1 点对点协议（Point-to-Point Protocol，PPP）

（1）PPP介绍

• 点对点协议（Point to Point Protocol，PPP）为在点对点连接上传输多协议数据包提供了一个标准方法。PPP 最初设计是为两个对等节点之间的 IP 流量传输提供一种封装协议

PPP 百度百科

（2）PPP特点

• PPP具有动态分配IP地址的能力，允许在连接时刻协商IP地址
• PPP支持多种网络协议，比如TCP/IP、NetBEUI、NWLINK等
• PPP具有错误检测能力，但不具备纠错能力，所以ppp是不可靠传输协议；
• 无重传的机制，网络开销小，速度快。
• PPP具有身份验证功能。
• PPP可以用于多种类型的物理介质上，包括串口线、电话线、移动电话和光纤（例如SDH），PPP也用于Internet接入。

（3）帧格式

字段名	7E	FF	03	协议	信息	FCS	7E
字节	1	1	1	2	<=1500	2	1

• 7EH作为一帧的开始和结束标志（F）

  • 若信息域中出现7EH，则转换为（7DH，5EH）两个字符。当信息域出现7DH时，则转换为（7DH，5DH）。
  • 当信息流中出现ASCII码的控制字符（即小于20H），即在该字符前加入一个7DH字符

• 其中地址域（A）和控制域（C）取固定值

  • A=FFH
  • C=03H

• 协议域（两个字节）

  • 0021H表示IP分组
  • 8021H表示网络控制数据
  • C021H表示链路控制数据

• 帧校验域（FCS）也为2个字节，它用于对信息域的校验。

（4）相关协议

• 链路控制协议（LCP）：一种扩展链路控制协议，用于建立、配置、测试和管理数据链路连接。

• 网络控制协议（NCP）：协商该链路上所传输的数据包格式与类型，建立、配置不同的网络层协议

（5）工作流程

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（底层up）。

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（此前如有PAP或CHAP验证先要通过验证），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。

---

1.4 使用广播信道的数据链路层

1.4.1 广播信道介绍

（1）广播信道特点

• 广播信道可以进行一对多的通信，当一台计算机发出信号时，总线上的所有计算机都能检测到这个数据，能很方便且廉价地连接多个邻近的计算机，曾广泛应用于局域网中

1.4.2 局域网

（1）局域网介绍

• 网络为一个单位所拥有，且地理范围和站点数目均有限

• 局域网的拓扑：

  • 星形网、环形网和总线网。

• 局域网的数据链路层分为两个子层：

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

（2）局域网技术

• 现阶段成熟的局域网技术有三种：其中以太网技术逐步成为局域网技术的主流。
  • 以太网（Ethernet）、
  • 令牌环（Token Ring）
  • 光纤分布式数据接口（FDDI）

---

1.5 以太网

1.5.1 以太网介绍

• 以太网是一种计算机局域网技术。IEEE组织的IEEE 802.3标准制定了以太网的技术标准，它规定了包括物理层的连线、电子信号和介质访问层协议的内容。以太网是目前应用最普遍的局域网技术，取代了其他局域网技术如令牌环、FDDI和ARCNET

以太网-百度百科

1.5.2 访问控制协议

（1）CSMA/CD 载波监听多路访问/冲突检测 （有线网络）

• CSMA/CD的工作原理：

  • 所有节点都共享网络传输信道，节点在发送之前，首先检测信道是否为空闲，如果信道为空闲则发送，否则就等待；
  • 在发送信息后，再对冲突进行检测，当发现冲突时，取消发送

• 优缺点：

  • 原理比较简单，技术上容易实现，网络中各工作站处于平等地位，不需要集中控制，不提供优先级控制
  • 但是在网络负载 增大时，发送时间增长，发送效率急剧下降

（2）CSMA/CA （载波监听多路访问/冲突避免）（无线网络）

• CSMA/CA的工作原理：
  1. 先检测信道（进行载波监听）
  2. 发送数据帧后，若目的站正确收到此帧，则经过时间间隔SIFS（短帧间间隔）后，向源站发送确认帧ACK。
  3. 所有其他站都设置网络分配向量NAV（信道忙的持续时间），表明在这段时间内信道忙，不能发送数据。
  4. 当确认帧ACK结束时，NAV也就结束了。在经历了帧间间隔之后，接着回出现一段空闲时间，叫做争用窗口，表示在这段时间内有可能出现各站点争用信道的情况。

1.5.3 以太网通信标识-MAC地址

（1）MAC地址介绍

• MAC地址（英语：Media Access Control Address），直译为媒体存取控制位址，也称为局域网地址（LAN Address），MAC位址，以太网地址（Ethernet Address）或物理地址（Physical Address），它是一个用来确认网络设备位置的位址。在OSI模型中，第三层网络层负责IP地址，第二层数据链路层则负责MAC位址 [1] 。
• MAC地址用于在网络中唯一标示一个网卡，一台设备若有一或多个网卡，则每个网卡都需要并会有一个唯一的MAC地址

（2）MAC地址结构

• MAC地址的长度为48位(6个字节)，通常表示为12个16进制数，
  • 如：00-16-EA-AE-3C-40
  • 其中:
    • 前6位16进制数00-16-EA代表网络硬件制造商的编号[OUI（Organizationally Unique Identifier）]，它由IEEE(电气与电子工程师协会)分配
    • 后6位16进制数AE-3C-40代表该制造商所制造的某个网络产品(如网卡)的系列号(厂家分配)。只要不更改自己的MAC地址，MAC地址在世界是惟一的
• MAC地址最高字节（MSB）的低第二位（LSb）表示这个MAC地址是全局的还是本地的，即U/L（Universal/Local）位
  • 如果为0，表示是全局地址。
  • 所有的OUI这一位都是0。
• MAC地址最高字节（MSB）的低第一位(LSb），表示这个MAC地址是单播还是多播
  • 0表示单播

1.5.5 MAC帧

（1）MAC帧介绍

• 以太网的MAC帧格式有好几种，被广泛应用的是DIX Ethernet V2标准，还有一种是IEEE的802.3标准，该标准经过了多年的发展，已经出现了很多种子标准。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

（2）帧结构

• 长度在64~1518byte
• 源MAC地址：发送方的MAC地址
• 目的MAC地址 ：接收方的MAC地址
• 上层协议类型：
  • 若该字段的值小于1518，那么这个字段就是长度字段，并定义后面的数据字段的长度
  • 若该字段的值大于1518，它就定义使用因特网服务的上层协议
• 数据：网络层传下来的数据
• 帧校验序列FCS：通过CRC校验方式经计算的冗余码

（3）无效数据帧

• 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

• 收到的帧的MAC客户数据字段的长度不在46~1500字节之间

1.5.4 其它

（1）广播风暴

• 广播风暴（broadcast storm）简单的讲是指当广播数据充斥网络无法处理，并占用大量网络带宽，导致正常业务不能运行，甚至彻底瘫痪，这就发生了“广播风暴”。一个数据帧或包被传输到本地网段 （由广播域定义）上的每个节点就是广播；由于网络拓扑的设计和连接问题，或其他原因导致广播在网段内大量复制，传播数据帧，导致网络性能下降，甚至网络瘫痪，这就是广播风暴

  广播风暴-百度百科

---

1.6 以太网上的设备

1.6.1 网络适配器 Adapter

（1）介绍

• 计算机与外界局域网的连接是通过通信适配器（adapter）
• 适配器本来是主机内插入的一块网络接口板，这种接口板又称为网络接口卡（Network Interface Card，NIC）或称简为“网卡”。
• 适配器的一个重要功能就是进行数据串行传输和并行传输的转换。

1.6.2 集线器 Hub

（1）介绍

• 集线器的作用仅仅是将设备连接起来，实现互联，一般没有设置转发控制功能，起到总线功能

1.6.3 交换机 Switch

（1）介绍

• 交换机是一种基于MAC地址识别，能完成封装转发数据包功能的网络设备。 交换机可以“学习”MAC地址，并把其存放在内部地址表中，通过在数据帧的始发者和目标接收者之间建立临时的交换路径，使数据帧直接由源地址到达目的地址

（2）交换机工作原理

• 交换机根据收到数据帧中的源MAC地址建立该地址同交换机端口的映射，并将其写入MAC地址表中
  • MAC表并不是无限的，而且一般一段时间内要重置一次
• 交换机将数据帧中的目的MAC地址同已建立的MAC地址表进行比较，以决定由哪个端口进行转发
  • 如数据帧中的目的MAC地址不在MAC地址表中，则向所有端口转发。这一过程称为泛洪（flood）
• 广播帧和组播帧向所有的端口转发

（3）生成树协议（Spanning Tree Protocol，STP）

• STP是一种工作在OSI网络模型中的第二层(数据链路层)的通信协议，基本应用是防止交换机冗余链路产生的环路.用于确保以太网中无环路的逻辑拓扑结构.从而避免了广播风暴,大量占用交换机的资源
• 生成树协议工作原理:
  • 任意一交换机中如果到达根网桥有两条或者两条以上的链路.生成树协议都根据算法把其中一条切断,仅保留一条.从而保证任意两个交换机之间只有一条单一的活动链路.因为这种生成的这种拓扑结构.很像是以根交换机为树干的树形结构.故为生成树协议

（4）虚拟局域网VLAN

1. Vlan介绍

• VLAN（virtual local area network，虚拟局域网）把一个LAN(local area network，局域网)划分为多个逻辑的LAN → VLAN，处于同一个VLAN的主机能直接互通，而处于不同VLAN的主机则不能直接互通，从而增加了局域网的安全

2. Vlan 优点

• 限制广播域。广播域被限制在一个VLAN内，节省了带宽，提高了网络的处理能力

• 增强了局域网的安全性

• 可灵活构建虚拟工作组

3.帧结构

• EEE802.1Q，俗称“Dot One Q”，是经过IEEE认证的对数据帧附加VLAN识别信息的协议。

• IEEE802.1Q所附加的VLAN识别信息，位于数据帧中“发送源MAC地址”与“类别域（Type Field）”之间。具体内容为2字节的TPID和2字节的TCI，共计4字节。 在数据帧中添加了4字节的内容，那么CRC值自然也会有所变化。这时数据帧上的CRC是插入TPID、TCI后，对包括它们在内的整个数据帧重新计算后所得的值。
  基于IEEE802.1Q附加的VLAN信息，就像在传递物品时附加的标签。因此，它也被称作“标签型VLAN（Tagging VLAN）

• 长度在68~1522byte

• 解释：

  • TPID (Tag Protocol Identifier，也就是EtherType)
    是IEEE定义的新的类型，表明这是一个加了802.1Q标签的帧。TPID包含了一个固定的值0x8100
  • TCI (Tag Control Information)
    包括用户优先级(User Priority)、规范格式指示器(Canonical Format Indicator)和 VLAN ID
    • Pri优先级主要用于当交换机出端口发生拥塞时,交换机通过识别该优先级,优先发送优先级高的数据包
    • CFI：规范格式指示器，总是被设置为0. CFI常用于以太网类网络和令牌环类网络之间，如果在以太网端口接收的帧具有CFI，那么设置为1，表示该帧不进行转发（打这条线是因为这知识只作了解即可）
    • VLAN ID: 该字段为12bit，最大支持4096个VLAN，因为2^12=4096