数据链路层

以下内容是对《计算机网络》谢希仁第七版数据链路层一章的一些要点的总结，并生成一条线索，方便知识树搜索。不过前言在先，任何博文都是别人咀嚼过得东西，要想体会个中滋味，还需读者亲自品读名家巨著。

1. 重要概念

1. 数据链路与链路的区别

• 链路：是从一个结点到另一个节点的一段物理链路。
• 数据链路：数据链路除了包括物理链路外，还必须有一些必要的协议来控制数据的传输，因此数据链路比物理链路多了实现通信协议所需要的硬件和软件。 我们这一层的名字叫数据链路层而不是链路层是有道理的。

2. 数据链路层的三个基本问题

• 封装成帧：这是分组交换的必然要求。
• 透明传输：避免信息符号与定界符号相混淆。
• 差错检验：防止出现差错的无效数据帧浪费后继路由器上的传输和处理资源。

2. 点对点通信：PPP协议

1. 特点：无纠错、无序号、无流量控制、点对点链路通信、全双工链路。

2. 组成：

   1. 一个将IP数据包封装到串行数据帧的方法。
   2. 一个用来建立、配置和测试数据链路的链路控制协议LCP.
   3. 一套网络控制协议NCP.

3. 帧格式（图）：注意各字段意义，注意字节填充（异步传输下）和零比特填充（同步传输下）

4. 工作状态（图）

3. 广播通道：CSMA/CD协议、MAC协议

局域网与以太网的关系：局域网使用的就是广播通道，实现了一对多通信。局域网网络为一个单位所拥有，地理范围和站点数目都有限，工作层次跨越了数据链路层和物理层。在局域网中要解决信道共享的问题，信道共享有好几种方案，具体看书此处不赘述。以太网属于局域网的一种，且以太网采用随机接入的共享通道方案，随机接入以为这通道不是独享型的，需要解决碰撞问题（这就是CSMA/CD协议存在的必要性了）。在此剧透一下，并不是所有的以太网都需要CSMA/CD协议（这个也是很自然的，有其他方法可以避免或解决碰撞问题）

以太网由于历史原因，有两个标准，只讨论大量商用的DIX Ethernet v2标准，不讨论IEEE802.3标准。不过由于这两个标准互相扯皮而引出的一条和事佬公式 局域网的数据链路层 = LLC + MAC ，这一点还是需要了解的。但是毕竟DIX Ethernet v2一统天下，LLC也没有必要了，所以以太网还是MAC层的天下。那么以太网的核心协议是CSMA/CD协议还是MAC协议呢？答案是MAC层协议，毕竟有的以太网不需要CSMA/CD协议，但是MAC数据帧在他们的骨子里了。

通信适配器，也就我们俗称的网卡，这个设备的功能跨越了数据链路层和物理层。一方面在物理层负责比特流的接收和发送，一方面在数据链路层提供了定位用的MAC地址。适配器在数据链路层的工作具体可参考操作系统文件系统章节部分。

在讨论CSMA/CD协议之前，必须先讨论一下以太网。以太网为了通信的简洁，采用了两个措施：1. 无连接的工作方式，因此只能实现不可靠交付。2. 使用曼彻斯特编码，曼彻斯特编码的优点是自同步，缺点是每秒传送的码元数加倍（看不懂其中术语意思就回去面壁顺便通读物理层，知识断层是一知半解的罪魁祸首）

CSMA/CD协议：总而言之，这个协议主要是为了解决碰撞问题，这个从它的英文名Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection就可以得知。这个协议的要点有三个：多点接入、载波监听和碰撞监测，其中理解碰撞检测是重中之重，重中之重，重中之重。

关于碰撞监测，不得不多说。为什么会有碰撞？站点都在载波监听，但是由于传播时延（这个概念在物理层有，不清楚的在次面壁吧）存在，有的站点没发现通道远处有信号传输于是也发送，这就造成了狭路相逢。不过狭路相逢也不是勇者胜了，是两败俱伤。碰撞的信号全部都得取消，并且还要返回去告诉主子我们遭遇了碰撞。可以说，碰撞会造成通信资源浪费。

必须注意的是以太网的信道利用率。信道利用率公式是在没有碰撞条件下的极限值 (这里批判一下，markdown都不支持LaTeX数学公式输入）。这一章有很多互相联系的数据公式，自己慢慢体会吧。

MAC帧看书本图

3. 以太网的拓扑结构及各种拓展

早期的以太网是总线型的，后来有了集线器，加上了集线器的以太网物理上是星型拓扑，骨子里还是难用的总线型拓扑。总线型的很大一个缺点是共享总线，这以为这传输媒体要分享和竞争。集线器只能解决分发，不能解决竞争，所以现在集线器都退出市场了。现在普遍使用交换机对以太网进行拓展，交换机同时连通多对接口，相互通信的主机独占传输媒体，无碰撞地传输数据。集线器和交换机的使用和特点是关键。总线型以太网使用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，不使用CSMA/CD协议，以全双工方式工作。

后来发展了各种高速以太网，有的兼容半双工，有的直接直接全双工，这又是后话了。

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只是一点读后感，其知识量还不足书本的10%，很多细节+联系都无法很好的书写出来。不过读书百遍，其义自见，总结性的文章是不能替代原文阅读的。这篇博文只能自赏了，各位看官勿见笑。