计算机网络（BYSEE）第三章 数据链路层 学习笔记（0521）

第三章 数据链路层

数据链路层使用的信道分：点对点信道、广播信道

3.1 使用点对点信道的数据链路层

链路 (link) 是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。
数据链路 (data link) 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。
最常用适配器（网卡），一般包括数据链路层和物理层两层的功能
物理链路、逻辑链路、通信规程
数据链路层不必考虑物理层如何实现比特传输的细节。甚至还可以更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到对方。
(1) 封装成帧 在帧的数据部分两侧，分别添加控制字符（帧开始符、帧结束符）
(2) 透明传输 使用转义字符界定开始结束的控制字符，字节填充法
(3) 差错控制 循环冗余检验 CRC 的检错技术、帧检验序列 FCS
在数据链路层使用 CRC 检验，能够实现无比特差错的传输，但这还不是可靠传输。
凡是接收端数据链路层接受的帧都没有传输差错”（有差错的帧就丢弃而不接受）
确认和重传机制误码率、信噪比

3.2 点对点协议 PPP

3.2.1 PPP 协议的特点

PPP (Point-to-Point Protocol)
用户使用拨号电话线接入互联网时， 用户计算机和 ISP 进行通信时所使用的数据链路层协议就是 PPP 协议
（1）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）无需考虑：
纠错、流量控制、序号、多点线路、半双工或单工链路
（3）组成：
将 IP 数据报封装到串行链路的方法；链路控制协议 LCP、网络控制协议 NCP 。

3.2.2 PPP 协议的帧格式

首部4字段，尾部2字段
PPP 是面向字节的，所有的 PPP 帧的长度都是整数字节
标志字段 F = 0x7E；地址字段 A = 0xFF；控制字段 C= 0x03
（1）透明传输
同步传输时采用硬件来完成比特填充
异步传输时使用特殊的字符填充法
（2）字符填充
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)。
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)
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
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）。
发送时，连续5个1则插入0，接收时发现并删除
PPP协议不提供使用序号和确认的可靠传输
数据链路层出错概率不大；网络层不一定可靠；FCS保证无差错接受

3.2.3 PPP 协议的工作状态

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。
②PC 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，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。
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。
PPP 协议已不是纯粹的数据链路层的协议，它还包含了物理层和网络层的内容

3.3 使用广播信道的数据链路层

3.3.1 局域网的数据链路层

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。
局域网具有如下主要优点：
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、可用性和残存性。
局域网拓扑结构：星形网、总线网、环形网
静态划分信道：频分、时分、波分、码分
动态媒体接入控制：随机接入、受控接入（多点线路探询、轮询）
（1）以太网的两个标准
DIX Ethernet V2、IEEE 802.3
“以太网”应当是指符合 DIX Ethernet V2 标准的局域网
数据链路层的两个子层：
逻辑链路控制LLC
媒体接入控制MAC：与传输媒体有关
不管采用何种协议的局域网，对 LLC 子层来说都是透明的现在一般不考虑LLC（tcp/ip体系中用不到）
（2）适配器的作用
网络接口板：通信适配器、网络接口卡
进行串行/并行转换。
对数据进行缓存。
在计算机的操作系统安装设备驱动程序。
实现以太网协议。

3.3.2 CSMA/CD 协议

最初为总线网，总线上没有有源器件，但线上有匹配电阻，用来吸收总线上传播的信号
总线上的每一个工作的计算机都能检测到 B 发送的数据信号。 但由于只有计算机 D 的地址与数据帧首部写入的地址一致，因此只有 D 才接收这个数据帧。 其他所有的计算机都检测到不是发送给它们的数据帧，因此就丢弃这个数据帧而不接收下来。
在具有广播特性的总线上实现了一对一的通信
(1) 采用较为灵活的无连接的工作方式（局域网信道质量很好，差错概率小）
以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付
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) 以太网发送的数据都使用曼彻斯特 (Manchester) 编码
缺点：所占的频带宽度比原始的基带信号增加了一倍。

CSMA/CD 含义：载波监听多点接入 / 碰撞检测
“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”是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（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）
碰撞检测，边发送数据边检测信道上的信号电压大小。每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送。
由于电磁波在总线上的传播速率是有限的，所以需要在发送期间进行碰撞检测，以检测冲突。
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）。
这种发送的不确定性使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率
争用期：以太网的端到端往返时延 2t，或称碰撞窗口
最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间 2t（两倍的端到端往返时延）就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。
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。基本退避时间取为争用期 2t。
争用期的长度：10 Mbit/s 以太网取 51.2微秒为争用期的长度。前64字节可以确定是否发生碰撞。
最短有效帧长：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中止的无效帧。
强化碰撞:当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时：
(1) 立即停止发送数据；
(2) 再继续发送若干比特的人为干扰信号 (jamming signal)，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。

CSMA/CD协议流程要点:
准备发送
检测信道：若信道忙，则不停地检测，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。
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。
若发送失败：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。

3.3.3 使用集线器的星形拓扑

采用双绞线的以太网采用星形拓扑，在星形的中心则增加集线器 (hub)(可靠性非常高)
星形以太网 10BASE-T :10Mbit/s、基带、双绞线
无屏蔽双绞线、星形拓扑、每个站用两对双绞线、分别发送和接收、 RJ-45 插头、大规模集成电路芯片、通信距离短、每个站到集线器不超100米
集线器的特点:
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
在逻辑上仍是一个总线网，各工作站使用的还是 CSMA/CD 协议，并共享逻辑上的总线
集线器很像一个多接口的转发器，工作在物理层。
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

3.3.4 以太网的信道利用率

多个站同时工作，可能发生碰撞，碰撞时信道资源浪费。
帧的发送时间：T0 = L/C (s)
提高信道利用率：
提高端到端时延
减短帧的发送时间
对以太网参数 α 的要求是：
当数据率一定时，以太网的连线的长度受到限制，否则 t 的数值会太大。
以太网的帧长不能太短，否则 T0 的值会太小，使 α 值太大。
信道利用率的最大值 Smax=T0/（T0+ t ）=1/（1+a）
理想状态，不发生碰撞
当以太网的利用率达到 30%时就已经处于重载的情况。很多的网络容量被网上的碰撞消耗掉了。

3.3.5 以太网的 MAC 层

（1）MAC层的硬件地址
硬件地址又称为物理地址，或 MAC 地址，EUI-48
（某个接口的“名字”或标识符；6 字节 ( 48位) 或 2字节 (16位) ）
组织唯一标识符：地址字段 6 个字节中的前三个字节 (即高位 24 位)
扩展唯一标识符：地址字段 6 个字节中的后三个字节 (即低位 24 位)
必须保证生产出的适配器没有重复地址
单站地址，组地址，广播地址
全球管理与本地管理
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。
单播 (unicast) 帧（一对一）广播 (broadcast) 帧（一对全体）多播 (multicast) 帧（一对多）
所有的适配器都至少能够识别前两种帧，即能够识别单播地址和广播地址。
有的适配器可用编程方法识别多播地址。
只有目的地址才能使用广播地址和多播地址。
以混杂方式 (promiscuous mode) 工作的以太网适配器只要“听到”有帧在以太网上传输就全部接收下来。
（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
IEEE 的 802.3 标准
（最常用的 MAC 帧是以太网 V2 的格式）
目的地址（6）–源地址（6）–类型（2）–数据（最少46字节，可使用填充）–FCS（4）
类型用来标志上层使用的协议
数据字段的正式名称是 MAC 客户数据字段
为了达到比特同步，在传输媒体上实际传送的要比 MAC 帧还多 8 个字节
其中：第一个字段共 7 个字节，是前同步码，用来迅速实现 MAC 帧的比特同步。第二个字段 1 个字节是帧开始定界符，表示后面的信息就是 MAC 帧。
（3）无效的MAC帧–直接丢弃
数据字段的长度与长度字段的值不一致；
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；
数据字段的长度不在 46 ~ 1500 字节之间。
有效的 MAC 帧长度为 64 ~ 1518 字节之间。
（4）IEEE 802.3 MAC 帧格式
①IEEE 802.3 规定的 MAC 帧的第三个字段是“长度 / 类型”。
当这个字段值大于 0x0600 时（相当于十进制的1536），就表示“类型”。这样的帧和以太网V2 MAC 帧完全一样。
当这个字段值小于 0x0600 时才表示“长度”。
②当“长度/类型”字段值小于 0x0600 时，数据字段必须装入上面的逻辑链路控制 LLC 子层的 LLC 帧。
（5）帧间最小间隔
帧间最小间隔为 9.6微秒，相当于 96 比特 的发送时间。
一个站在检测到总线开始空闲后，还要等待 9.6 微秒才能再次发送数据。
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，做好接收下一帧的准备。

3.4 扩展的以太网

3.4.1 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。
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：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：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，那么就不能用集线器将它们互连起来。

3.4.2 在数据链路层扩展以太网

早期使用网桥，现在使用以太网交换机
（1）以太网交换机的特点
a.以太网交换机实质上就是一个多接口的网桥
b.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
c.以太网交换机具有并行性
d.相互通信的主机都是独占传输媒体，无碰撞地传输数据
e.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
f.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
g.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
（2）以太网交换机的优点
a.用户独享带宽，增加了总容量
b.从共享总线以太网转到交换式以太网时，所有接入设备的软件和硬件、适配器等都不需要做任何改动
c.以太网交换机一般都具有多种速率的接口，方便了各种不同情况的用户
（3）交换方式
①存储转发方式
把整个数据帧先缓存后再进行处理
②直通 (cut-through) 方式
接收数据帧的同时就立即按数据帧的目的 MAC 地址决定该帧的转发接口，因而提高了帧的转发速度。
缺点是它不检查差错就直接将帧转发出去，因此有可能也将一些无效帧转发给其他的站。
当需要进行线路速率匹配、协议转换或差错检测时，仍需要采用基于软件的存储转发方式进行交换
（4）以太网的自学习功能
以太网交换机运行自学习算法自动维护交换表
①在交换表中每个项目都设有一定的有效时间。过期的项目就自动被删除
②以太网交换机的这种自学习方法使得以太网交换机能够即插即用，不必人工配置，非常方便
③增加冗余链路时，自学习的过程就可能导致以太网帧在网络的某个环路中无限制地兜圈子
（5）生成树协议
IEEE 802.1D 标准制定了一个生成树协议 STP
不改变网络的实际拓扑，但在逻辑上则切断某些链路，使得从一台主机到所有其他主机的路径是无环路的树状结构，从而消除了兜圈子现象。
（6）从总线到星形
总线以太网使用 CSMA/CD 协议，以半双工方式工作
以太网交换机不使用共享总线，没有碰撞问题，因此不使用 CSMA/CD 协议，而是以全双工方式工作。但仍然采用以太网的帧结构。

3.4.3 虚拟局域网

利用以太网交换机可以很方便地实现虚拟局域网（ 是由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是属于哪一个 VLAN）
虚拟局域网其实只是局域网给用户提供的一种服务，而并不是一种新型局域网。
由于虚拟局域网是用户和网络资源的逻辑组合，因此可按照需要将有关设备和资源非常方便地重新组合，使用户从不同的服务器或数据库中存取所需的资源。
限制了接收广播信息的工作站数
802.3ac 标准，定义了以太网的帧格式的扩展，以支持虚拟局域网
虚拟局域网协议允许在以太网的帧格式中插入一个4字节的标识符，称为 VLAN 标记 (tag)，其得出的帧称为称为 802.1Q 帧 或 带标记的以太网帧。

3.5 高速以太网

3.5.1 100BASE-T 以太网

速率达到或超过 100 Mbit/s 的以太网称为高速以太网
星形拓扑以太网、双绞线、CSMA/CD
快速以太网、IEEE 802.3u
（1）特点
a.可在全双工方式下工作而无冲突发生。在全双工方式下工作时，不使用 CSMA/CD 协议。
b.MAC帧格式仍然是802.3 标准规定的。
c.保持最短帧长不变，但将一个网段的最大电缆长度减小到 100 m。
d.帧间时间间隔从原来的 9.6微秒 改为现在的 0.96 微秒。
（2）物理层标准
100BASE-TX、100BASE-T4、100BASE-FX

3.5.2 吉比特以太网

允许在 1 Gbit/s 下全双工（非 CSMA/CD 协议）和半双工（ CSMA/CD 协议）两种方式工作
向后兼容
吉比特以太网可用作现有网络的主干网，也可在高带宽（高速率）的应用场合中。
半双工方式时，就必须进行碰撞检测
载波延伸、分组突发
载波延伸：最短帧长仍为 64 字节（保持兼容性）争用时间增大为 512 字节。
接收端在收到以太网的 MAC 帧后，要将所填充的特殊字符删除后才向高层交付
分组突发：当很多短帧要发时，第一个短帧要采用载波延伸方法进行填充，随后的一些短帧则可一个接一个地发送，只需留有必要的帧间最小间隔即可。这样就形成可一串分组的突发。
当吉比特以太网工作在全双工方式时，不使用载波延伸和分组突发。

3.5.3 10吉比特以太网 (10GE) 和更快的以太网

10 吉比特以太网的主要特点：
a.帧格式完全相同
b.保留了 802.3 标准规定的以太网最小和最大帧长，便于升级
c.不再使用铜线而只使用光纤
d.只工作在全双工方式，因此没有争用问题
更快的以太网在使用上类似
100GE 在使用单模光纤传输时，仍然可以达到 40 km的传输距离，但这是需要波分复用
端到端的以太网传输：
技术成熟；
互操作性很好；
在广域网中使用以太网时价格便宜；
采用统一的以太网帧格式，简化了操作和管理
以太网性能：
可扩展的（从 10 Mbit/s 到 100 Gbit/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。

3.5.4 使用以太网进行宽带接入

以太网宽带接入具有以下特点：
可以提供双向的宽带通信。
可以根据用户对带宽的需求灵活地进行带宽升级。
可以实现端到端的以太网传输，中间不需要再进行帧格式的转换。
这就提高了数据的传 输效率且降低了传输的成本。
不支持用户身份鉴别。
PPPoE (PPP over Ethernet) 的意思是“在以太网上运行 PPP”，它把 PPP 协议与以太网协议结合起来 —— 将 PPP 帧再封装到以太网中来传输。
拨号连接