计算机网络笔记整理——数据链路层

数据链路层

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。

一、使用点对点信道的数据链路层

1、数据链路和数据帧

链路——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。

数据链路——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。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——数据链路层的协议数据单元。

2、三个基本问题

（1）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。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。数据部分长度上限称为最大传送单元MTU。

（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。

解决透明传输的方法：

A. 比特填充

B. 字节填充（或字符填充）：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，二进制是00011011)。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) 差错填充——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。

​ 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。

​ 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。

​ CRC是一种检错方法，FCS是添加在数据后面的冗余码。

冗余码的计算：

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。

A. 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。

B. 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。

C. 将余数 R 作为冗余码拼接在数据 M 后面发送出去。

在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列 FCS。

而循环冗余检测CRC和帧检验序列FCS并不等同，其中CRC是一种检错方法，FCS是添加在数据后面的冗余码。

总之，在接收端对收到的每一帧经过CRC检验后，有以下两种情况：

A. 若得出的余数 R = 0，则判定这个帧没有差错，就接受 。

B. 若余数 R  0，则判定这个帧有差错，就丢弃。

* 注意 *

仅用循环冗余检验 CRC 差错检测技术只能做到无差错接受。“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”。

二、点对点协议PPP

1、PPP协议的特点

（1）PPP协议应满足的需求

简单 —— 这是首要的要求。

封装成帧 —— 必须规定特殊的字符作为帧定界符。

透明性 —— 必须保证数据传输的透明性。

多种网络层协议 —— 能够在同一条物理链路上同时支持多种网络层协议。

多种类型链路 —— 能够在多种类型的链路上运行。

差错检测 —— 能够对接收端收到的帧进行检测，并立即丢弃有差错的帧。

检测连接状态 —— 能够及时自动检测出链路是否处于正常工作状态。

最大传送单元 —— 必须对每一种类型的点对点链路设置最大传送单元 MTU 的标准默认值，促进各种实现之间的互操作性。

网络层地址协商 —— 必须提供一种机制使通信的两个网络层实体能够通过协商知道或能够配置彼此的网络层地址。

数据压缩协商 —— 必须提供一种方法来协商使用数据压缩算法。

（2）PPP 协议不需要的功能

纠错，流量控制，序号，多点线路，半双工或单工链路

（3）PPP协议的三个组成部分

A. 一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法。

B. 链路控制协议 LCP。

C. 网络控制协议 NCP。

2、PPP协议的帧格式

（1）各字段的意义

PPP 帧的首部和尾部分别为 4 个字段和 2 个字段。

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）

地址字段 A 只置为 0xFF。地址字段实际上并不起作用。

控制字段 C 通常置为 0x03。PPP 是面向字节的，所有的 PPP 帧的长度都是整数字节。

（2）字节填充

A. 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)。

B. 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)。

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），则在该字符前面要加入一个 0x7D 字节，同时将该字符的编码加以改变。

（3）零比特填充

在发送端，只要发现有 5 个连续 1，则立即填入一个 0。

在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。

3、PPP协议的工作态度

三、使用广播信道的数据链路层

1、局域网的数据链路层

（1）局域网最主要的特点是：网络为一个单位所拥有；地理范围和站点数目均有限。

（2）局域网具有如下主要优点：

​ A. 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。

​ B. 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。

​ C. 提高了系统的可靠性、可用性和残存性。

（3）媒体共享技术：静态划分信道，动态媒体接入控制（又称多点接入）。其中静态划分信道又分为：频分复用、时分复用、波分复用、码分复用；动态媒体接入控制又分为：随机接入和受控接入。

为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，IEEE 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子层；媒体接入控制 MAC子层。

2、CSMA/CD协议

（1）为了通信的简便，以太网采取了两种重要的措施：

A. 采用较为灵活的无连接的工作方式

B. 以太网发送的数据都使用曼彻斯特编码

（2）CSMA/CD协议的要点

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——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。

碰撞检测（即边发送边监听）——计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。

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）。

（3）二进制指数类型退避算法

A. 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。

B. 基本退避时间取为争用期 2t。以太网的端到端往返时延 2t 称为争用期，或碰撞窗口。

C. 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。

D. 参数 k 按下面的公式计算：

​ k = Min[重传次数, 10]

E. 当 k =< 10 时，参数 k 等于重传次数。

F. 当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。

综上所述，CSMA/CD协议的要点如下：

A. 准备发送。但在发送之前，必须先检测信道。

B. 检测信道。若检测到信道忙，则应不停地检测，一直等待信道转为空闲。若检测到信道空闲，并在 96 比特时间

内信道保持空闲（保证了帧间最小间隔），就发送这个帧。

C. 检查碰撞。在发送过程中仍不停地检测信道，即网络适配器要边发送边监听。

这里只有两种可能性：

①发送成功：在争用期内一直未检测到碰撞。这个帧肯定能够发送成功。发送完毕后，其他什么也不做。然后回到 (1)。

②发送失败：在争用期内检测到碰撞。这时立即停止发送数据，并按规定发送人为干扰信号。适配器接着就执行指数退避算法，等待 r 倍 512 比特时间后，返回到步骤 (2)，继续检测信道。但若重传达 16 次仍不能成功，则停止重传而向上报错。

3、使用集线器的星形拓扑

集线器——采用双绞线的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。

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，各站共享逻辑上的总线，使用的还是CSMA/CD协议。网络中的各站必须竞争对传输媒体的控制，并且在同一个时刻至少只允许一个站发送数据。

(3) 集线器很像一个多接口的转发器，工作在物理层。

(4) 集线器采用了专门的芯片，进行自适应串音回波抵消，减少了近端串音。

4、以太网的信道利用率

以太网总的信道利用率并不能达到100% 。

要提高以太网的信道利用率，就必须减小t与 T0 T 0 之比。在以太网中定义了参数 α α ，它是以太网单程端到端时延t 与帧的发送时间 T0 T 0 之比：

α=tT0 α = t T 0

α→0 α → 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。

α α 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。

5、以太网的MAC层

（1）MAC层的硬件地址

在局域网中，硬件地址又称为物理地址或MAC地址。

IEEE 规定地址字段的第一字节的最低位为 I/G 位。I/G 表示 Individual / Group。

当 I/G位 = 0 时，地址字段表示一个单站地址。

当 I/G位 = 1 时，表示组地址，用来进行多播（以前曾译为组播）。此时，IEEE 只分配地址字段前三个字节中的 23 位。

IEEE 把地址字段第一字节的最低第 2 位规定为 G/L 位，表示 Global / Local。

当 G/L位 = 0 时，是全球管理（保证在全球没有相同的地址），厂商向IEEE购买的 OUI 都属于全球管理。

当 G/L位 = 1 时， 是本地管理，这时用户可任意分配网络上的地址。

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：

单播帧（一对一）—— 收到的帧的MAC地址与本站的硬件地址相同。

广播帧（一对全体）—— 发送给本局域网上所有站点的帧（全1地址）。

多播帧（一对多）—— 发送给本局域网上一部分站点的帧。

（2）MAC帧的格式

常用的以太网 MAC 帧格式有两种标准 ：DIX Ethernet V2 标准和IEEE 的 802.3 标准。

四、扩展的以太网

1、在物理层扩展以太网

使用光纤扩展——主机使用光纤（通常是一对光纤）和一对光纤调制解调器连接到集线器。很容易使主机和几公里以外的集线器相连接。

使用集线器扩展——使用多个集线器可连成更大的、多级星形结构的以太网。

优点：

（1）使原来属于不同碰撞域的以太网上的计算机能够进行跨碰撞域的通信。

扩大了以太网覆盖的地理范围。

缺点：

（1）碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。

（2）如果不同的碰撞域使用不同的数据率，那么就不能用集线器将它们互连起来。

2、在数据链路层扩展以太网

最初人们使用的是网桥。网桥对收到的帧根据MAC帧的目的地址进行转发和过滤。

1990年开始使用交换式集线器，又被称为以太网交换机或第二层交换机。

以太网交换机的特点：

以太网交换机实质上是一个多接口的网桥。

每个接口都直接与一个单台主机或另一个以太网交换机相连，并且一般都工作在全双工方式。

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，无碰撞的传输数据。

以太网交换机的接口有存储器，能在输出端口繁忙时把到来的帧进行缓存。

以太网交换机是一种即插即用设备，其内部的帧交换表（又称为地址表）是通过自学习算法自动地逐渐建立起来的。

以太网交换机使用了专用的交换结构芯片，用硬件转发，其转发速率要比使用软件转发的网桥快很多。

五、高速以太网

1、100BASE-T以太网

100BASE-T 以太网又称为快速以太网。1995 年IEEE已把 100BASE-T 的快速以太网定为正式标准，其代号为 IEEE 802.3u。

CSMA/CD协议对全双工方式工作的快速以太网是不起作用的，但是在半双工工作时则一定要使用CSMA/CD协议。

2、吉比特以太网

特点：

(1)允许在 1 Gbit/s 下以全双工和半双工两种方式工作。

(2)使用 IEEE 802.3 协议规定的帧格式。

(3)在半双工方式下使用 CSMA/CD 协议，全双工方式不使用 CSMA/CD 协议。

(4)与 10BASE-T 和 100BASE-T 技术向后兼容。

为保持 64 字节最小帧长度，以及 100 米的网段的最大长度，吉比特以太网增加了两个功能：载波延伸和分组突发

3、10吉比特以太网（10GE）和更快的以太网

10GE**只工作在全双工方式，因此不存在争用问题 ，当然也不使用CSMA/CD协议**。

以太网从 10 Mbit/s 到 100 Gbit/s 的演进证明了以太网是：

（1）可扩展的（从 10 Mbit/s 到 100 Gbit/s）；

（2）灵活的（多种传输媒体、全/半双工、共享/交换）；

（3）易于安装；

（4）稳健性好。