计算机网络阅读笔记——第三章数据链路层

思维导图

阅读笔记

1.数据链路层信道类型

• 数据链路层使用的信道主要有以下两种类型：
  • 点对点信道
  • 广播信道
• 链路和数据链路的区别；
  • 链路：从一个结点到相邻结点的一段物理线路（有线无线），而中间没有任何其他的交换结点。链路只是一条路径的组成部分。
  • 数据链路：当需要在一条线路上传送数据时，除了必须有一条物理线路外，还必须要有一些必要的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。现在最常用的方法是使用网络适配器（既有硬件、也包括软件）来实现这些协议。
• 帧：数据链路层的协议数据单元，数据链路层就是把网络层交下来的数据构成帧发送到链路上，以及把接收到的帧中的数据取出并上交给网络层。

2.使用点对点信道的数据链路层

• 点对点信道的数据链路层通信的主要步骤：
  1. 结点A的数据链路层把网络层交下来的IP数据报添加首部和尾部封装成帧
  2. 结点A把封装好的帧发送给结点B的数据链路层。
  3. 若结点B的数据链路层收到的帧无差错，则从收到的帧中提取出IP数据报交给上面的网络层，否则丢弃这个帧。
• 数据链路层不必考虑物理层如何实现比特传输的细节。我们甚至还可以简单地设想好像是沿着两个数据链路层之间的水平方向把帧直接发送给对方（透明性）。
• 三个基本问题：封装成帧、透明传输和差错检测
  1. 封装成帧：在一段数据的前后分别添加首部和尾部。首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界。
     
     当数据是可打印的ASCII码组成的文本文件时，帧定界可以使用特殊的帧定界符，ASCII码中有95个可打印，不可打印的控制字符有33个。控制字符SOH（Start of header）放在一帧最前面，编码为01，EOT（End of Transmission）表示帧的结束，编号为04。
     当数据在传输中出现差错时，帧定界符的作用更加明显。假定发送端在尚未发送完一个帧突然出现故障，中断了传送，但随后又很快恢复了正常。于是重新从头开始发送刚才未发送完的帧，由于使用了帧定界符，接收端就知道前面收到的数据是个不完整的帧，可以丢弃。
  2. 透明传输：
     起因：由于帧的开始和结束标记使用专门指明的控制字符，因此，所传输的数据中任何的8比特的组合一定不允许和用作帧定界的控制字符的比特编码一样，否则就会出现帧定界的错误。如果数据部分是文本文件组成的帧时，数据部分是安全地，不会出现帧定界控制字符，这样的传输是透明传输。
     但是如果数据部分是非ASCII码的文本文件时，数据链路层就会错误地找的帧的边界，只收下部分数据。
     在链路层透明传送数据是指：无论什么样的比特组合数据，都能够按照原样没有差错的通过这个数据链路层。
     解决透明传输问题：
     数据中如果存在SOH或EOT编码，则在前面加上转义字符，同时如果存在转义字符也要加上转义字符，然后接收端将转义字符删除后再传入网络层。这种方法称为字节填充或字符填充。
     
  3. 差错检测
     大部分都是比特差错，即0成1,1成0。
     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）
     循环冗余检验CRC（Cyclic Redundancy Check）：
     假设发送端将数据分组后每组有k个比特，CRC运算就是在数据M的后面添加差错检测用的n位冗余码，然后构成一个帧发出去，一共发送（k+n位）
     
     
     若R = 0，则判定这个帧没有差错，就接收；若R ≠ 0，则判定这个帧有差错。
     达到了“凡是接收端数据链路层接受的帧均无差错”，但是还是会出现帧丢失、帧重复或帧失序等问题。
     对于通信质量良好的有线传输链路，数据链路层协议不使用确认和重传机制，即不要求数据链路层向上提供可靠传输的服务。如果出现了差错并需要改正，则由上层协议（如TCP）完成
     对于通信质量较差的无线传输链路，数据链路层现协议使用确认和重传机制。

3.点对点协议PPP

• 我们知道，互联网用户通常要连接到某个ISP才能接入互联网。PPP协议就是用户计算机和ISP进行通信时所使用的的数据链路层协议。
  
• PPP协议应该满足的要求
  • 简单
  • 封装成帧
  • 透明性
  • 多种网络层协议：必须能够在同一条物理链路上同时支持多种网络协议的运行。
  • 多种类型链路
  • 差错检测
  • 检测连接状态
  • 最大传送单元：协议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。
  • 网络层地址协商：必须提供一种机制是通信的两个网络层的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，但是不要求将数据压缩算法标准化。
• PPP协议的组成
  • 一个将IP数据报封装到串行链路的方法。PPP既支持异步链路（无奇偶校验的8比特数据），也支持面向比特的同步链路。
  • 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）。
  • 一套网络控制协议NCP（Network Control Protocol）
• PPP协议的帧格式
  • 各字段的意义
    PPP帧的首部和尾部分别为四个字段和两个字段。
    
    首尾一共两个字节的7E（01111110）是标志位，标志着开始与结束，FF为地址字段，03为控制字段。这两个字段并没有携带PPP帧信息
    协议字段是2字节，如果是0021信息字段为IP数据报，如果是C021则信息字段是LCP链路控制协议，而8021是网络层的控制数据NCP。
  • 字节填充:当PPP使用异步传输时，它把转义符定义为0x7D，并使用字节填充：
    
  • 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）而不是异步传输。
    
• PPP协议的工作状态
  
  
  发送LCP的配置请求帧后。链路的另一端可以发送以下几种响应中的一种：
  • 配置确认帧：所有选项都接受
  • 配置否认帧：所有选项都理解但不能接受
  • 配置拒绝帧：选项有的无法识别不能接受，需要协商
    建立LCP链路后，进入鉴别状态，这个状态中，只允许传送LCP协议的分组、鉴别协议的分组以及检测链路质量的分组。若使用口令鉴别协议PAP，则需要发起通信的一方发送身份标识符和口令。如果有更好地安全性，可以使用更复杂的口令握手鉴别协议CHAP，鉴别身份失败则链路终止。
    在网络层协议状态，PPP链路的两端的网络控制协议NCP根据网络不同协议互相交换网络层特定的网络分组。如果PPP链路上运行的是IP协议，则对PPP链路的每一段配置IP协议模块时就要使用NCP中支持IP的协议——IP控制协议IPCP，IPCP分组也封装成PPP帧在链路上传送。
    链路打开后，链路两端可以彼此向对方发送分组。两个PPP端点还可以发送回送请求LCP分组和回送回答分组LCP分组以检查链路状态。
    传输结束后，可由一段发出终止请求LCP分组请求终止链路链接，在得到对方的终止确认LCP分组后终止。

4.使用广播信道的数据链路层

• 广播信道可以进行一对多的通信，下面要讨论的局域网使用的就是广播信道。
• 局域网的特点是：网络为一个单位所拥有的，且地理范围和站点数目均有限。
• 局域网的优点:
  • 具有广播功能，从一个站点可很方便的访问全网。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。
    
• 共享信道的方法：
  • 静态划分信道：如频分复用、时分复用、波分复用和码分复用等，用户只要分配到了信道就不会和其他用户发生冲突。但这种划分信道的方法代价较高，不适合局域网使用。
  • 动态媒体接入控制（多点接入）：特点是信道并非在用户通信时固定分配给用户，又可分为：
    • 随机接入：特点是所有的用户可随机地发送信息。但如果恰好有两个或者更多的用户在同一时刻发送信息，那么在共享媒体上就要产生碰撞，发送都失败，因此必须有解决碰撞的网络协议。
    • 受控接入（使用的较少）：特点是用户不能随机地发送信息而必须服从一定的控制。这类的典型代表有分散控制的令牌和集中控制的多点线路探询。
• 适配器的作用：
  

5.以太网的特点

• 最早的以太网是将许多计算机都连接到一根总线。当初认为这种连接方法既简单又可靠。
• 总线的特点是：当一台计算机发送数据时，总线上的所有计算机都能检测到这个数据，这就是广播通信方式。
• 为了在总线上实现一对一的通信，可以使每一台计算机的适配器拥有一个与其他适配器都不同的地址。在发送数据帧时，在帧的首部写明接收站的地址。
• 人们常把局域网上的计算机称为“主机”、“工作站”、“站点”或“站”。
• 为了通信的简便，以太网采取了以下两种措施：
  • 采用较为灵活的无连接的方式。适配器对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方确认，因此，以太网提供的服务是尽最大的努力交付，即不可靠的交付。如果目的站收到有差错的帧就丢弃。对有差错帧是否需要重传则由高层来决定。
• 以太网发送的数据都是用曼彻斯特编码的信号。因为二进制基带数字信号通常就是高、低电压交替出现的信号，使用这种信号的最大问题就是当出现一长串的1或0时，接收端就无法从收到的比特流中提取位同步的信号。
  
  这种方式的缺点是所占的频带宽度比原始的基带信号增加了一倍。

6.CSMA/CD协议

• 总线上只要有一台计算机在发送数据，总线的传输资源就会被占用。因此，在同一时间只能允许一台计算机发送数据。但是以太网采用最简单的随机接入，所以需要使用协议来控制接入，即CSMA/CD协议，即载波监听多点接入/碰撞监测。

• CSMA/CD协议的要点：

  • 多点接入：说明这是总线型网络，协议的实质就是“载波监听”和“碰撞监测”
  • 载波监听：就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机也在发送。不管在发送前，还是在发送中，每个站都必须不停地检测信道。在发送前检测信道，是为了获取发送权。在发送中检测信道，是为了及时发现有没有其他站发送和本站发送的碰撞。这就称为碰撞检测。
  • 碰撞检测（边发送边监听，也称冲突检测）：适配器便发送数据边检测信道上的信号电压的变化情况，以便判断自己发送数据时其他站是否也在发送数据。检测方法：当两个以上的站同时发送，总线上的信号电话变化幅度将会增大，当适配器检测到的信号电压变化幅度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。

• 在局域网的分析中，常把总线上的单程端到端传播时延记为τ（tao）
  
  显然，在使用CSMA/CD协议时，一个站不可能同时进行发送和接收，因此使用CSMA/CD协议的以太网不可能进行全双工通信而只能进行双向交替通信。
  由上图可见，每一个站在自己发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。
  从上图可以看出，最先发送数据帧的A站，在发送数据帧后至多经过时间2τ就可直到所发送的数据帧是否遭受的碰撞，因此以太网的端到端返回时间2τ称为争用期（碰撞窗口），只有通过争用期的“考验”，即经过争用期这一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。

• 以太网使用截断二进制指数退避算法来确定碰撞后重传的时机。该算法就是让发生碰撞的站在停止发送数据后，不是等待信道变为空闲后就立即再发送数据，而是推迟一个随机的时间。
  具体的退避算法如下：
  
  

• 强化碰撞：当发送数据的站一旦发现了碰撞时，除了立即停止发送数据外，还要再继续发送32比特或48比特的人为干扰信号，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞，不再发送数据

• 以太网还规定了帧间最小间隔为9.6us，相当于96比特时间，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，做好接受下一帧的准备。
  CSMA/CD协议要点归纳：
  

6.使用集线器的星形拓扑

• 集线器的一些特点：
  • 使用集线器的以太网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。
  • 一个集线器有许多接口，相当于一个多接口的转发器。
  • 集线器工作在物理层，它的每个接口仅仅简单地转发比特——收到1就转发1，收到0就转发0，不进行碰撞检测。
  • 采用了专门的芯片，进行自适应串音回波抵消

7.以太网的信道利用率

如上图看出，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 = τ/T₀
当a->0时，表示只要一发生碰撞就立即可以检测出来，并立即停止发送。也就是说，当数据率一定时，以太网的连线长度收到限制，同时以太网的帧长不能太短。
假设不会发生碰撞，则极限信道利用率为：

8.以太网的MAC层

• 硬件地址又称物理地址或MAC地址
  -IEEE802标准为局域网规定了一种48位的全球地址，是指局域网上的每一台计算机中固化在适配器的ROM中的地址。由此可见，局域网上的某台主机的“地址”根本不能告诉我们这台主机位于什么地方。严格地讲，局域网的“地址”应当是每一个站的“名字”或标识符。
  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位为0时，地址字段表示一个单个站地址。当I/G为1时表示组地址，用来进行多播。第二位为G/L为即Global/Local。为0是全球管理，为1是本地管理。
• 适配器有过滤功能，每收到一个MAC帧就先用硬件检查MAC帧中的目的地址，如果是发往本站的帧则收下，否则就丢弃，发往本站的帧有三种：
  • 单播帧：收到的帧的MAC地址和本站地址相同
  • 广播帧：发送给本局域网上所有站点的帧
  • 多播帧，发送给本局域网上一部分结点的帧
• MAC帧的格式——DIX Ethernet V2
  
  类型2个字节上一层使用的是什么协议
  MAC帧其首部并没有一个帧长度字符段，为什么能识别数据在哪里呢？，是因为使用了曼彻斯特编码后，当一个以太网帧发送完毕后，就不再发送其他码元了，电压不会变，很容易找到以太网帧结束为止，再往前四个字节就是数据段结束位置。
  当数据字段小于46字节时，MAC子层就会在数据字段后面加入一个整数字节的填充字段，会一并提交给上一层，由于IP协议首部有个总长度，可以识别填充字段并丢弃。
  前边插入的8个字节。这是因为当一个站在刚开始接收MAC帧时，由于适配器的时钟尚未与到达的比特流达成同步，因此MAC帧前面的若干位就无法接收，结果使整个MAC成为无用的帧。所以插入8字节，前面7个字节是前同步码（1和0的交替码）作用是实现位同步。第二个字段是帧开始定界符，定义为10101011。他的前六位作用和前同步码一样，最后两个连续的1就是告诉适配器要信息要来了注意接收。
• 无效帧的判定：
  • 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。

9.扩展的以太网

• 这种扩展的以太网在网络层看来仍然是一个网路
• 在物理层扩展以太网
  • 使用工作在物理层的转发器来扩展以太网的地理覆盖范围，规定任意两个站之间最多可以经过三个电缆网段。
  • 使用一对光纤和一对光纤调制解调器。
    
    缺点：会让碰撞域缩小（三个变一个）
• 在数据链路层扩展以太网
  • 最初使用网桥。网桥对收到的帧根据其MAC帧的目的地址进行转化和过滤。
  • 使用交换式集线器（以太网交换机的特点）
• 以太网交换机的特点
  • 实质上就是一个多接口的网桥，这样一来相互通信的主机都是独占传输媒体，无碰撞地传输数据。
  • 以太交换机内部的帧交换表是通过自学习算法自动得主键建立起来的
    
• 从总线以太网到星形以太网
  总线以太网使用CSMA/CD协议，以半双工方式工作。但以太网交换机不适用共享总线，没有碰撞问题，因此不适用CSMA/CD协议，而且以全双工方式工作。但是仍然采用以太网的帧结构。
• 虚拟局域网 VLAN：是一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组，而这些网段具有某些共同的需求。每一个VLAN的帧都有一个明确的标识符，指明发送这个帧的计算机属于哪一个VLAN。
  • 虚拟局域网只是局域网给用户提供的一种服务，并不是一种新型局域网。
    
    

10.高速以太网

• 100BASE-T以太网：是在双绞线上传送100Mbit/s基带信号的星形拓扑以太网，仍使用CSMA/CD协议（不起什么作用），又称快速以太网。从细揽以太网升级到快速以太网必须重新布线。
• 吉比特（Gbit）以太网：
  • 允许在1Gbit/s下以全双工和半双工两种方式工作
  • 使用IEEE802.3规定的帧格式
  • 半双工使用CSMA/CD协议，全双工不用。
  • 与10BASE-T和100BASE-T技术向后兼容。
• 10吉比特以太网和更快的以太网：只在全双工方式，不适用CSMA/CD协议。使传输距离大大的提高了。
• 使用以太网进行宽带接入：将PPP协议的PPP帧再封装到以太网中来传输。即PPPoE协议。、

习题解答

1.常见问题与解答

1. 通过普通的电话用户线拨号上网时，试问一堆用户线可容许多少个用户同时上网？
   
2. 为什么计算机进行通信时发送缓存和接收缓存总是需要的？
   当计算机两个进程进行通信时，如果发送进程将数据直接发送给接收进程，那么这两个动作是非常难以协调好的。
3. 为什么以太网有一个最小帧长和最大帧长
   最小帧长：如果一个帧过短，会跟因为碰撞而异常终止的短帧或者因为以太网偶尔出现的噪声所形成的很短的帧无法区分，从而被接收方一并丢弃。
   最大帧长：主要是为了公平，防止因为某个站发送特长的数据帧，导致其他的站等待过久。
4. 什么叫做“星形总线”或“盒中总线”？
   这都是指使用集线器的双绞线以太网，因为这种以太网在逻辑上和总线以网一样，都使用CSMA/CD协议，而总线是看不见的，因为集线器的逻辑电路（就好像装在盒中一样）实现了总线的功能。
5. 以太网的覆盖范围受限的一个原因是：如果站点之间的距离太大，那么由于信号传输时会衰减得很多而无法对信号进行可靠的接收。试问:如果我们设法提高发送信号的功率，那么是否就可以增大以太网的通信距离？
   不行。能否正确接收信号并非取决于信号的绝对功率大小，而是取决于信噪比。如果所有的站都提高信号的发送率，那么这种噪声功率也随之增大。
6. 一个大学能否就使用一个很大的局域网，而不使用许多相互连接的较小的局域网？
   不行，很大的局域网会有许多问题：
   （1）一个局域网可能无法覆盖整个大学的地理范围
   （2）一个大学需要联网的计算机数量可能超过一个局域网所容许接入的计算机的最大数量
   （3）很大的局域网不便于管理
   （4）会产生广播风暴
   因此，一个大学的校园网并不是一个大的局域网而是一个互联网，由多个较小的局域网通过一些路由器互联而成的。

2.习题与解答

1. 试讨论把数据链路层做成可靠的链路层有哪些优点和缺点？
   优点：如果网络中的某个结点及早发现传输中出了差错，因而可以通过数据链路层的重传来纠正这个差错
   缺点：如果上层使用UDP协议，并不要求重传有差错的数据，所以数据链路层的重传不会带来多大的好处
   总的来说，增加了可靠性，牺牲了实时性。
2. 网络适配器的作用是什么？网络适配器工作在哪一层？
   适配器又称为网络接口卡简称网卡。在适配器上面装有处理器和存储器。适配器和局域网之间的通信是通过电缆或双绞线以串行传输方式进行的，而适配器和计算机之间的通信则是通过计算机主板的IO总线以并行传输方式进行的。因此，适配器的一个重要功能就是要进行数据串行传输和并行传输的转换。由于两者数据率并不相同，适配器中必须装有对数据进行缓存的存储芯片。适配器还要能够实现以太网协议。
3. 
4. 
5. 常用的局域网的网络拓扑有哪些种类？现在最流行的是哪种结构？为什么早期的以太网选择总线拓扑结构而不使用星形拓扑结构，但现在却改为使用星形拓扑结构？
   
6. 什么叫做传统以太网？以太网有哪两个主要标准？
   传统以太网就是最早流行的10Mbit/s速率的以太网
   以太网有两个标准，即DIX Ethernet V2 和IEEE802.3
7. 数据率为10Mbit/s的以太网在物理媒体上的码元传输速率是多少码元/秒？
   以太网发送的数据都是使用曼彻斯特编码
   
   所以一个比特包含两个码元，即20M码元/秒。
8. 试说明10BASE-T名字的意思
   10代表10Mbit/s的数据率，BASE表示信号为基带信号，T表示双绞线（Twisted-pair）
9. 假定1km长的CSMA/CD网络的数据率为1Gbit/s。设信号在网络上的传播速率为200000km/s。求能够使用此协议的最短帧长。
   [最短帧长必须大于2τ即争用期，否则过短会检测不到碰撞，因为CSMA/CD网络协议是发送前检测，发送中检测]
   
10. 假定在使用CSMA/CD协议的10Mbit/s以太网中，某个站在发送数据时检测到碰撞，执行退避算法时选择了随机数r=100。试问这个站需要等待多长时间后才能再次发送数据？如果是100Mbit/s的以太网呢？
    [协议规定的争用期为512比特时间，等待时间=争用期的r倍]
    等待时间=512*100/10us = 5120us
    如果是100Mbit/s的以太网，争用期为不变，还是512比特时间，换算为512us
11. 以太网的极限信道利用率与连接以太网的站点数无关，是否能够推论出：以太网的利用率也与连接在以太网上的站点数无关？
    不能，极限信道率是假设没有碰撞的情况，即一个站发完另一个再发，已经不是CSMA/CD协议了，真正的协议中站点数越多碰撞的概率越大。
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