数据链路层

 数据链路层数与计算机网络的底层。使用的信道主要有:
 点对点信道:一对一       ppp协议
 广播信道:一对多 需使用共享信道协议来协调主机的数据发送。CSMA/CD协议
 台 主机,但并不经由路由器转发。 数据链路层的三个基本问题:分装成真、透明传输和差错
 检测。不同的链路段可能采用不同的数据链路层协议。

1、点对点信道的数据链路层:
数据链路是指:控制数据传输的通信协议。将实现这些协议的软件和硬件加到连路上(物理线路)就构成了数据线路。常用网络适配器来实现这些协议。数据链路也称为地逻辑链路。
点对点信道的数据链路层的协议数据单元为。点对点信道的数据链路层在进行通信时的主要步骤如下:
1、节点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分装成帧;
2、节点A把封装好的帧发送给节点B的数据链路层、
3、若节点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,否则丢弃这个帧。
2、数据链路层的三个基本问题
1、封装成帧
接收端在受到物理层上交的比特流后,就能根据首部和尾部的标记,从收到的比特流中识别帧的开始和结束。首部和尾部进行帧定界。数据链路层协议规定了所能传送的帧的数据部分长度上限–最大传送单元(MTU)。帧定界符可以保证数据报传输的完整性。
2、透明传输
含义是不论从键盘上输入什么字符都可以放在规定的帧中传输过去。无论什么样的比特组合的数据,都可以按照原样没有差错的通过这个数据链路层。
解决办法:发送端的数据链路层在数据中出现控制字符的前面加入转移字符,而在接收短的数据链路层在把数据送往网络层之前删除这个插入的转移字符。这种方法成为字节填充或字符填充,若转移字符也出现在数据中,那么解决办法仍然是在转义字符的前面插入一个转义字符。
3、差错检测
比特差错,误码率(BER)。提高信噪比并不能使误码率将为0,因此传输数据是,必须采用各种差错检测措施。
在数据链路层广泛使用了循环冗余校验CRC。
模2运算是CRC校验的核心部分。模2运算不考虑进位和借位,这样两个二进制位运算时,两个位的值就能确定运算结果,不受前一个运算的影响,也不对下一次造成影响。
模2加减运算即异或运算。模2乘法中的加法按照异或运算实现。CRC运算中总能保证除数的首位位1,则模2除法的商是由余数首位和除数首位的模2除法运算结果确定。因为除数首位是1,那么按照模2除法运算的法则,余数首位是1商就是1,是0商为0.在模2除中,因为使用了模2减,所以在商上1的时候,不要考虑够不够减,只要最高位是1,位数凑够了4位就可以继续模2减。
在数据链路层,发送端检验序列FCS和接收端的CRC检验都是用硬件完成的,处理很迅速,因此不会延误数据的传输。因此要在数据链路层进行差错检验,必须把数据划分为帧,每一帧都加上冗余码,一帧接一帧地传送然后在接收方逐次进行差错检验。
但这只能保证无比特差错,并不能保证可靠传输。还需考虑帧丢失、帧重复、帧失序。

对于通信质量较好的有线传输链路,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性上提供可靠传输的服务。如果在数据链路层传输数据时出现了差错并进行改正,那么改正差错的任务就有上层协议(TCP)来完成。
对于通信质量较差的无线传输链路,数据链路层协议使用确认和重传机制,数据链路层向上提供可靠传输的服务。

**4、点对点协议**PPP

PPP是用户计算机和ISP进行通信时所使用的数据链路层协议。
1、PPP协议应满足的需求
简单 作为首要的需求,提高协议不同实现上的互操作性。
封装成帧 规定特殊字符作为帧定界符
透明性 若数据中出现了和帧定界符一样的比特组合时,就要采取有效的措施来解决这个问题。
多种网络层协议 PPP协议必须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 PPP还必须能够在多种类型的链路上运行。如串行、并行、低速、高速、电的或光的、静态的或动态的点对点链路。
差错检测:能够对接收端接受到的帧进行检测并立即丢弃由差错的真。
检测连接状态: 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:设置MTU表示数据链路层的帧可以载荷的数据部分的最大长度,而不是帧的总长度。若高层协议发送的分组数据大于MTU,PPP就丢弃这样的帧并返回差错。
网络地址协商:提供机制使通信的两个网络层的实体能够通过协商知道或者配置彼此的网络层地址。
数据压缩协商:协商使用压缩算法
PPP协议只支持全双工链路。
2、PPP协议的组成
PPP协议有三个组成部分:
一个用来将IP数据报封装到串行链路的方法。
一个用来简历、配置和测试数据链路连接的链路控制协议LCP
一套网络控制协议NCP,其中的每一个不同的协议支持不同的网络层协议。
3、PPP协议的帧格式
0x7E 0xFF 0x03 协议字段 信息部分 FCS 0x7E
0x7E在首位两端作为帧的标志位;0xFF表示地址位;0x03表示控制位;协议字段有2字节,当协议字段为0x0021时信息字段就是IP数据报,当协议字段为0xC021时,信息字段是PPP链路控制协议LCP的数据,而0x8021表示这是网络层的控制数据。
FCS是尾部的帧检验序列,占据2个字节。
4、字节填充
将信息字段中的0x7E转为 0x7D,0x5E;信息字段中的0x7D转为0x7D,0x5D
信息字段中的ASCII控制字符(数值小于0x20)如0x03,转为0x7D,0x23
。发送端进行了字节填充,接收端在收到数据后再进行与发送端字节填充相反的变换,就可以正确地恢复出原来的信息。
PPP协议在使用SONET/SDH链路时,使用同步传输(一连串的比特连续传输)而不是异步传输(逐个字符的传送)。零比特填充:在发送端,先扫描整个信息字段,只要发现有5个1连续,则立即填入一个0。接收端在收到一个帧时,先找到标志字段F已确定一个帧的边界,接着在用硬件对其中的比特流进行扫描,当发现连续的5个1时,就删去后面的一个0,,这样就可将信息还原,保证了透明传输,不会引起对帧边界的错误判断。
5、PPP协议的工作状态
用户拨号接入ISP后就建立了一条从用户个人电脑到ISP的物理连接,用户个人电脑向ISP发送一系列链路控制协议LCP分组(封装成多个PPP帧),建立LCP连接。这些分组及其相应选择了将要使用的一些PPP参数,接着还要进行网络层配置,网络控制协议NCP给新接入的用户个人电脑分配一个临时的IP地址,这样用户的个人电脑就成为了一个有IP地址的主机了。
当用户通信完毕,NCP释放网络层连接,收回IP地址,LCP释放链路层连接,最后释放的物理层的连接。
PPP链路的起始和终止状态永远是链路静止。

5、使用广播信道的数据链路层

局域网,以以太网为代表,具有广播功能,从一个站点可以访问全网,局域网山的主机可以共享连接在局域网上的各种硬件和软件资源。便与系统的扩展和逐渐演变,提高了系统的可靠性、可用性和生存性。按照网络的拓扑结构可以分为:星型网,环形网、总线网。总线网两端的匹配电阻吸收在总线上传播的电磁波信号的能量,避免在总线上产生有害的电磁波反射。
1、共享信道在技术上主要有两种方法:
静态划分信道:频分复用、时分复用、码分复用、波分复用,代价较高不适用于局域网。
动态媒体接入控制:成为多点介入,特点是信道并非在通信时固定分配给用户。随机接入要有解决碰撞的网络协议;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,将局域网数据链路层拆分成两个子层,即逻辑链路控制子层LLC(以太网中作用消失,不予讨论),和**媒体接入控制**MAC子层。

2、适配器的作用
计算机与外界局域网的连接是通过通信适配器(网卡)进行的。适配器与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上的IO总线以并行传输方式进行的,因此适配器的一个重要的功能就是要进行数据串行传输和并行传输的转换。适配器在接收和发送各种帧时不使用计算机的CPU,这时计算机中的CPU可以处理其他任务,当适配器接收到正确的帧时,就使用中断来通知该计算机,并交付协议栈中的网络层。计算机的硬件地址在适配器的ROM中,而计算机的软件地址(IP地址)则在计算机的存储器中。
总线的特点是:当一台计算机发送数据是,总线上所有计算机都能检测到这个数据。这种就是广播通信方式。通过为每个计算机适配器设定地址,在发送数据帧时家如式配齐地址可以实现一对一通信。
3、以太网的MAC层
局域网中,硬件地址又称为物理地址或MAC地址。计算机的标识系统中,地址就是识别某个系统的一个非常重要的标识符。IEEE802标准为局域网规定了48位全球抵制,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,因此也叫物理地址或者硬件地址。局域网中的地址是每一个站(计算机)的标识符。
以太网交换机可以同时连通多对接口,十多对主技能同时同心,相互通信的宿主机都是独占传输媒体,无碰撞的传输数据。以太网交换机的借口有存储器用于缓存排队的帧。
以太网交换机的自学习。
生成树协议STP,用以解决以太网交换机自学习中的兜圈现象。不改变网络的实际拓扑,在逻辑上切断某些链路,形成无环路的树状结构。
总线以太网以半双工的方式工作,采用CSMA/CD协议,但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,但是仍然采用以太网的帧结构。
虚拟局域网VLAN其实是局域网给用户提供的一种服务。虚拟就欲望,可以限制接受广播信息的交换机数,即便是连接在同一个以太网交换机上的计算机,

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