【计算机网络 系列笔记】三、数据链路层 | 你想要的都在这(帧、PPP协议、CSMA/CD协议、以太网、MAC地址、网桥、生成树算法、VLAN)

计算机网络

  一、概述、虚拟机网络的三种模式
  二、物理层
  ……
  四、网络层
  五、待续…


三、数据链路层

    • 1. 基本概念和三个基本问题
        • 1)基本概念
        • 2)三个基本问题
    • 2. 两种情况下的数据链路层
        • 1)点到点信道(PPP 协议)
        • 2)广播信道(CSMA / CD 协议)
    • 3. 以太局域网 / 以太网(Ethernet)
        • 1)概述
        • 2) MAC层
    • 4. 扩展以太网
        • 1)物理层
        • 2)数据链路层(网桥、生成树算法)
    • 5. 虚拟局域网(VLAN)
    • 6.高速以太网


1. 基本概念和三个基本问题

1)基本概念

(1)信道类型

  • 点对点信道:这种信道使用一对一的点对点通信方式。
  • 广播信道:这种呢信道使用一对多的广播信道(星型)。需要使用专用的共享信道协议来协调这些主机的数据发送。

(2)链路与数据链路

  • 链路:是一条点对点的物理线路段,中间无其他点(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传输。若把实现这些协议的硬件和软件(如网卡)加到链路上,就构成了数据链路。(现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)

(3)帧(frame)

  • 帧:帧是数据链路层的传输单元。它将上层传入的数据添加一个头部和尾部,组成了帧。

数据链路层常常在两个对等的数据链路层之间画出一个数字管道,而在这条数字管道上传输的数据单位就是帧。

数据在传输过程中,数据的传输单元变换如下:
消息(应用层)—— 数据段(传输层)—— 分组、数据包(网络层)—— 帧(链路层)—— 比特流(物理层)
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2)三个基本问题

(1)封装成帧

封装成帧就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部,然后就构成了帧。首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界

(2)透明传输

 在传输过程中,帧的首尾为控制字符,而如果在中间的数据中出现了和尾部相同的控制字符,数据传送就会提前完成,而数据也只传送了一部分。
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透明传输是指不管所传数据是什么样的比特组合,都应当能够在链路上传送。当所传数据中的比特组合恰巧与某一个控制信息完全一样时,就必须采取适当的措施,使接收方不会将这样的数据误认为是某种控制信息。这样才能保证数据链路层的传输是透明的。数据链路所采用的设备只是起一个通道作用,把要传输的内容完好的传到对方即可。

 用字节填充法解决透明传输问题:当数据中出现控制字符时,就在其前面插入字符“ESC”进行转义。

 这样当接收端的数据链路层在将数据送往网络层时就会删除插入的转义字符。当数据中也有转义字符时,应在其前再插入一个转义字符,接收端接收到两个连续的转义字符时就会删除前面的一个。
在这里插入图片描述

(3)差错控制

 传输过程中可能会出现比特差错:1 可能变成 0,0 可能变成 1。

 在一段时间内,传输错误的比特占所传输比特的总数的比率称为误码率(BER,Bit Reeor Rate)。误码率与信噪比有很大的关系。

 为了保证数据传输的可靠性,必须采用各种差错检测措施:

  • 循环冗余校验 CRC:在发送端,先把数据划分为组。假定每组 k 个比特,现有一待传送数据 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。循环冗余检验法是应用很广泛的一种检验方法。

    冗余码的计算:用二进制的模 2 运算(不带进位的运算,相当于异或)进行 2n 乘 M 的运算,这时相当于在 M 后面添加了 n 个零,现在为 k+n 个数。用得到的 k+n 个数除以事先选定好的长度为 n+1 为的除数 P ,得商为 Q,余数为 R(即冗余码),余数 R 比除数 P 少 1 位,即 R 是 n 位。将 R 加到 M 得 M’,若 M’ 与 P 的除法运算无余数,则传输过程没出错。如果有余数,则丢弃这个帧(除数 P 与 余数 R 的长度 n 是由网卡自己协定,用户不需要知道)

    如下图所示,有一数为 101001(M),乘 8 相当于左移 3(n) 位,除以任意一个 4 位除数如 1101(P),得商 110101(Q),3 位余数 001(R),M’ = R+M = 101001001,M’ 可以整除 P。如果接收端仍为 M’,则传输无错。
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    仅用循环冗余校验 CRC 差错检测技术只能做到无差错接受: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 ”。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 ”(有差错的帧就丢弃不接受,即发送不成功)。

    要做到“ 可靠传输 ”(即发送什么就接收到什么,考虑帧重复、帧丢失、帧乱序的情况)就必须再加上确认重传机制。

    可以说“ CRC 是一种 无比特差错,而不是无传输差错的检错机制 ”。

    帧检验序列FCS,frame check sequence)
    在数据后面添加的冗余码称为帧检测序列 FCS。循环冗余校验 CRC 和 帧检验序列 FCS 并不等同。CRC 只是一种常用的检错方法,是可以获得 FCS 的一种方法,还有其他方法可以获得 FCS。

  • 奇偶校验:根据被传输的一组二进制代码的数位中“ 1 ”的个数是奇数或偶数来进行校验。采用奇数的称为奇校验,反之,称为偶校验(采用何种校验由网卡规定)。

  • 海明码校验:海明码(Hamming Code)是一个可以有多个校验位,具有检测并纠正一位错误的纠错码,所以他也仅用于信道特性比较好的环境中(如以太网)。如果信道特性不好的情况,出现的错误通常不是一位。海明码的检错、纠错基本思想是将有效信息按某种规律分成若干组,每组安排一个校验位进行奇偶性测试,然后产生多位检错信息,并从中得出具体的出错位置,最后通过对错误位取反来将其纠正。

奇偶数校验只能检错不能纠错,循环冗余检验 CRC 检错能力很强,纠错一般很少用,海明码校验海明码是一种多重奇偶检错系统,它具有检错和纠错的功能。


2. 两种情况下的数据链路层

1)点到点信道(PPP 协议)

  PPP 协议(Point-to-Point Protocol)是能在两个路由器之间互相传递数据分组的基本结构信息。用户通过拨号电话线接入因特网,输入账号、密码,申请 IP 地址,进行身份认证。

(1)特点:

  • 简单、分装成帧、透明性;
  • 具有动态分配IP地址的能力,允许在连接时刻协商IP地址;
  • 支持多种网络协议,如 TCP/IP、NetBEUI、NWLINK等;
  • ppp协议只检错不纠错,支持数据压缩
  • PPP具有身份验证功能。
  • 支持多种类型链路,如串口线、电话线、移动电话和光纤(例如SDH),PPP也用于Internet接入。

  PPP 的不纠错机制

  • 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;
  • 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;
  • 帧检验序列 FCS 字段可保证无差错接受。

(2)工作流程

PPP协议工作在 OSI 模型的第二层数据链路层,是目前应用得最广的一种广域网协议,它主要由以下3部分组成:

  • HDLC(高级数据链路控制协议):HDLC 是一个在同步网上传输数据、面向比特的数据链路层协议(PPP 是面向字节的协议)。就是对数据进行封装。如果同不同厂商的设备连接需要改成其他的封装协议进行通信。
  • LCP(链路控制协议):LCP 位于物理层的上方,负责建立、配置和测试数据链路连接。LCP 还负责协商和设置 WAN 数据链路上的控制选项,这些选项由 NCP 处理。通俗点讲就是负责身份验证(PAP、CHAP),看账号、密码是否正确,是否欠费等。只有LCP 协议通过才能到 NCP 协议
  • NCP(网络控制协议):PPP 允许多个网络协议共用一个链路,NCP 负责连接 PPP(第二层)和网络协议(第三层)。

当用户拨号接入 ISP 时,路由器的调制解调器对拨号作出确认,并建立一条物理连接;

PC 机向路由器发送一系列的 LCP 分组(封装成多个 PPP 帧);

这些分组及其响应选择一些 PPP 参数 并进行网络层配置,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;

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。
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(3)帧格式(透明传输)

A. 以字节传送

 当 PPP 使用异步传输通信时,是以字节传送数据的,这时 PPP 采用字节填充法实现透明传输。

 PPP 采用 7EH 作为 开始和结束标志;地址字段恒为 FFH;控制字段恒为 03H;协议字段是表识信息字段的内容;当信息字段中出现 7EH 字节时,PPP 协议将其转变为 2 字节序列(7DH、5EH);当出现 7DH 字节时,转变为 2 字节序列(7DH、5EH);当出现 ASCII 码控制字符(即数值小于 20H)时,前面加 7DH 字节。帧格式和协议具体内容如下:

说明 标志字段 目标地址字段 控制字段 协议字段 信息字段 FCS 标志字段
7E FF 03 协议 信息 2 7E
字节 1 1 1 2 ≤ 1500 2 1
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PAPCHAP 是目前的在 PPP 中普遍使用的认证协议。

  • PAP 是简单二次握手身份验证协议(客户端直接发送包含用户名/口令的认证请求;服务器端处理并回应),用户名和密码明文传送,安全性低
  • CHAP 是一种挑战响应式协议,三次握手身份验证(先由服务器端给客户端发送一个随机码,客户端根据challenge对口令进行加密 password1,然后把这个结果发送给服务器端,服务器端从数据库中取出口令 password2,同样进行加密处理。最后比较加密的结果是否相同。如相同,则认证通过,向客户端发送认可消息),口令信息加密传送,安全性高。

B. 以比特流传送

 当 PPP 协议用在 SONET/SDH 链路时,使用的是同步传输通信,这时 PPP 协议采用零比特填充方法实现透明传输。

 在发送端,信息段中只要发现 5 个连续的 1,则立即填入一个 0。接收端对帧中的比特流进行扫描时,每发现 5 个连续的 1 时,就把这 5 个连续 1 后的一个 0 删除。就算 5 个连续的 1 后面是 0,再加上 0,再删掉 0 对原数据无影响。
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  同步与异步传输的区别

  • 异步传输是面向字符的传输,而同步传输是面向比特的传输。

  • 异步传输的单位是字符而同步传输的单位是桢。

  • 异步传输通过字符起止的开始和停止码抓住再同步的机会,而同步传输则是以数据中抽取同步信息。

  • 异步传输对时序的要求较低,同步传输往往通过特定的时钟线路协调时序。

  • 异步传输相对于同步传输效率较低。

2)广播信道(CSMA / CD 协议)

(1):认识以太网(Ethernet)

以太网:以太网是一种基带局域网技术,因其高性价比而广泛被人们使用,成了最流行的局域网技术标准。所以人们普遍认为局域网就是以太网。以太网网线不能超过一百米,否则信号会严重衰弱,网络信号消失。标准以太网速率为 10Mb/s。

局域网的拓扑结构:有星型、环形、总线型等。但是这些年来的经验看,以太网,也就是总线型的是最成功的,应用最广泛的。正是由于以太网的成功推广,才使得它支持的TCP/IP协议随之成为虽然不是标准但是却比标准应用更广泛的实际标准。

局域网的特点与优点
特点:网络为一个单位所拥有。且地理范围和站点数目均有限。
优点:

  • 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;
  • 便于系统的扩展和逐渐地演变,各设施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。

(2)CSMA / CD 协议

CSMA/CD(载波监听多点接入/碰撞检测):即多个工作站都连接在一条总线上,所有的工作站都不断向总线上发出监听信号,但在同一时刻只能有一个工作站在总线上进行传输,而其它工作站必须等待其传输结束后再开始自己的传输。

  • 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:指每一个站点在发送数据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。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。

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特性:只能进行半双工通信

争用期:为避免数据的碰撞,以太网的端到端往返时延 称为争用期,或碰撞窗口。对于 10 Mb/s 以太网,在争用期内可发送 512 bit,即 64 字节。若发送数据时前 64 字节未发生冲突,则后续的数据就不会发生冲突。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终止的无效帧。


3. 以太局域网 / 以太网(Ethernet)

1)概述

(1)两个标准

  • DIX Ethernet V2 是世界上第一个局域网产品(以太网)的规则。
  • IEEE 的 802.3 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”。

(2)拓补结构

早期的以太网多采用总线型结构,其价格便宜、所需网线少,但管理成本高、不易隔离故障点(一处有故障,则会牵连到后面的 PC 机)、易造成网络拥塞,因此现在多采用以交换机(集线器很少用了)为核心设备组成的星型结构网络。其管理方便、容易扩展、一处故障不会影响到其他 PC 机,但所需网线会更多,对核心的设备要求程度更高。

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(3)提供的服务

以太网提供的服务是不可靠的交付,即尽最大努力的交付。当接收站收到有差错的数据帧时就丢弃帧,其他什么也不做,差错的纠正由高层来决定。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。

2) MAC层

(1)MAC地址

在局域网中,硬件地址又称物理地址,或 MAC((Media Access Control)) 地址,一共有 6字节(即 48位),这 48 位地址称为 MAC-48,它的通用名称是 EUI-48。

802 标准所说的“地址”严格来讲应当是每一个站的“名字”或标识符。IEEE 的注册管理机构 RA 负责向厂家分配字段的前三个字节(即高 24位),后三个字节(即低 24位)由厂家自行指派,称为扩展标识符,必须保证生产出的适配器没有重复地址。一个地址块可以生成 224 个不同的地址。“MAC 地址”实际上就是适配器地址或适配器标识符 EUI-48。

MAC 地址如果冲突也会造成上不了网的问题。

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就收下,否则丢弃。

(2)以太网 V2 的 MAC 帧格式

如今最常用的 MAC 帧是 DIX Ethernet V2 的格式,共 64 ~ 1518 字节。
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在 MAC 层,首先是 12 字节的地址字段(包括 6 字节的目的地址和 6 字节的源地址);其次是 2 字节的类型字段,用来标志上一层使用的协议;最末尾是 4 字节的帧检测序列 FCS 字段(前面这些字段加起来共 18 字节);数据字段是 46 ~ 1500 字段(因为以太网规定最短有效帧为 64 字节,64-18=46)。

在物理层会在 MAC 帧前加上 8 字节的信息段(包括 7 字节的前同步码用来迅速实现 MAC 帧的比特同步,和 1 字节的帧开始定界符表示后面为 MAC 帧)。

(3)无效的 MAC 帧

  • 帧的长度不是整数个字节
  • 用收到的帧检测序列 FCS 查出有差错
  • 数据字段的长度不在 46 ~ 1500 字节之间

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。

(4)帧间最小间隔

帧间最小间隔为 9.6μs,相当于 96bit 的发送时间。一个站点在检测到总线开始空闲后,还要等待 9.6μs 才能再次发送数据,这样做的目的是为了使刚刚接收到数据帧的站点的接收缓存来得及清理,做好接收下一帧的准备。这也是为什么不需要帧结束界定符的缘由了,没了信号就说明帧传递结束了。


4. 扩展以太网

1)物理层

(1)主机使用光纤和一对光纤调制解调器连接到交换机/集线器。
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(2)将多个碰撞域连接起来,形成一个更大的碰撞域(效率会大大降低,不易超过 30 台)。
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优点:

  • 使原来属于不同碰撞域的局域网上的计算机能够进行跨碰撞域的通信;
  • 扩大了局域网覆盖的地理范围。

缺点:

  • 碰撞域增大了,但总的吞吐量并未提高;
  • 如果不同的碰撞域使用不同的数据率,那么就不用集线器将它们互连起来。

2)数据链路层(网桥、生成树算法)

(1)介绍

使用网桥隔离碰撞域。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。网桥具有过滤帧的功能,当它收到一个帧时,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。

目前使用得最多的网桥是透明网桥。“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,因为网桥对各站点来说是看不见的。

网桥通过以下的自学习算法处理收到的帧和建立转发表:

  • 若从 A 发出的帧从接口 x 进入了某网桥,那么从这个接口触发沿相反方向一定可把一个帧传送到 A;
  • 网桥每收到一个帧,就记下其源地址和进入网桥的接口,作为转发表中的一个项目;
  • 在建立转发表时是把帧首部中的源地址写在“地址”这一栏下面;
  • 在转发帧时,则是根据收到的帧首部中的目的地址来转发的。这时就把在“地址”栏下面已经记下的源地址当做目的地址,而把记下的进入接口当做转发接口。

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优点:

  • 过滤通信量,网桥工作在数据链路层的MAC子层,可以使以太网各网段成为隔离区的碰撞域;
  • 扩大了物理范围;
  • 提高了可靠性,当网络出现了故障时,一般只影响个别网段;
  • 可互连不同物理层、不同 MAC 子层和不同速率的局域网。

缺点:

  • 存储、查找转发表并转发增加了时延;
  • 在 MAC 子层并没有流量控制功能,当网络上的负荷很重时,网桥中的缓存的存储空间可能不够而发生溢出,以致产生帧丢失的现象;
  • 具有不同的 MAC 子层的网段桥接在一起时延更大。

网桥只适合于用户不太多(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

(2)生成树算法

如果对网桥不加以管理就会造成网络资源的白白浪费,如下图所示:
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所以为了避免产生转发的帧在网络中不断兜圈子的问题,透明网桥使用了生成树算法:互连在一起的网桥在彼此通信后,就能找出原来网络拓扑的一个子集。在这个子集里,整个连通的网络中不存在回路,即在任何两个站点之间只有一条路径。为了得出能够反映网络拓扑发生变化时的生成树,在生成树上的根网桥每隔一段时间还要对生成树的拓扑进行更新。

网桥其实就是交换机的一个原型,交换机就是一个 “高速的网桥”。


5. 虚拟局域网(VLAN)

交换机的使用使得 VLAN 的创建成为可能。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。这些网段具有某些共同需求,每一个 VLAN 的帧都有一个明确的标识符,指明发送这个帧的工作站点是属于哪个 VLAN。如连接在同一交换机上的几台电脑,它们物理上是在同一网段,如果用 VLAN 将它们分为两批,那么它们就各属一个逻辑网段。同一逻辑网段可以互相通信,不同逻辑网段不可互相通信,相当于把一个交换机分成了两个独立的交换机。虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务,并不是一种新局域网。

一个 VLAN = 一个广播域 = 逻辑网段(子网)
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6.高速以太网

(1)100BAST-T 以太网

速率达到或超过 100Mb/s 的以太网称为高速以太网

100BASE-T 在双绞线上传送100 Mb/s 基带信号的星形拓扑以太网,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)。

100BASE-T 以太网三种物理层标准:

  • 100BASE-TX:使用 2 对 UTP 5 类线或屏蔽双绞线 STP。
  • 100BASE-FX:使用 2 对光纤。
  • 100BASE-T4:使用 4 对 UTP 3 类线或 5 类线。

100BASE-T 特点:

  • 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;
  • MAC 帧格式仍然是 802.3 标准规定的;
  • 保持最短帧长不变,但将一个网段的最大电缆长度减小到 100m;
  • 帧间时间间隔从原来的 9.6μs 改为 0.96μs。

(2)吉比特以太网(千兆以太网)

吉比特以太网四种物理层标准:
1000BASE-X  基于光纤通道的物理层

  • 1000BASE-SX  SX 表示短波长

  • 1000BASE-LX  LX 表示长波长

  • 1000BASE-CX  CX 表示铜线

  • 100BASE-T  使用 4 对 5 类 UTP 线

吉比特以太网特点:

  • 允许在 1Gb/s 下全双工和半双工两种方式工作;
  • 使用 802.3 协议规定的帧格式;
  • 在半双工方式下使用 CSMA/CD 协议(全双工不需要);
  • 在全双工方式下不使用载波延伸和分组突发。
  • 与 10BASE-T 和 100BASE-T 技术向后兼容。

(3)10 吉比特以太网

10 吉比特以太网特点:

  • 与 10Mb/s,100Mb/s 和 1Gb/s 以太网的帧格式完全相同;
  • 保留了 802.3 标准规定的以太网最小和最大帧长,便于升级;
  • 不再使用铜线而只使用光纤作为传输媒体;
  • 只工作在全双工方式,因此没有争用问题,不使用 CSMA/CD 协议。

10 吉比特以太网的出现,使以太网工作范围已经从局域网(校园网、企业网)扩大到城域网和广域网,从而实现了端到端的以太网传输

优点:

  • 技术更成熟;
  • 互操作性很好;
  • 在广域网中使用以太网价格便宜;
  • 统一的帧格式简化了操作和管理。

以上以太网从 10Mb/s 到 10Gb/s 的演进证明了以太网是:

  • 可扩展的(从 10Mb/s 到 10Gb/s);
  • 灵活的(多种传输媒体、全/半双工、共享/交换);
  • 易于安装;
  • 稳健性好。


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