计算机网络---笔记3：数据链路层
一、今日内容
文章目录
- 一、今日内容
- 二、数据链路层基本概念和基本问题
- 2.1 基本概念
- 2.2 三个基本问题
- 2.2.1 封装成帧
- 2.2.2 透明传输
- 2.2.3 差错控制
- 三、两种情况下的数据链路层
- 3.1 使用点对点信道的数据链路层
- 3.1.1 PPP协议要求：
- 3.1.2 PPP协议组成：
- 3.1.3 PPP协议帧格式：
- 3.1.4 PPP协议的透明传输：
- 3.1.5 PPP协议工作状态：
- 3.2 使用广播信道的数据链路层
- 3.2.1 以太网的广播信道工作示意图：
- 3.2.2 传输协议：CSMA/CD协议
- 3.2.3 二进制指数类型退避算法
- 四、以太局域网（以太网）
- 4.1 以太网与数据链路层的两个子层
- 4.2 以太网提供的服务
- 4.3 以太网的信道利用率
- 4.4 MAC层的硬件地址(MAC地址)
- 五、扩展局域网
- 5.1 使用网桥扩展以太网
- 5.1.1 透明网桥
- 5.1.2 交换机
- 5.1.3 环路问题及其解决方法
- 5.2 VLAN分割局域网
- 六、高速以太网（了解）
- 6.1 100BASE-T 以太网
- 6.2 100BASE-T 特点
二、数据链路层基本概念和基本问题
两台计算机间通信的示意图如下：
此次学习，主要是针对上图中的数据链路层细化学习，了解数据链路层如何识别帧头、帧尾，以及一些重要问题是如何解决的。
2.1 基本概念
1. 链路（link）：指一条点到点的物理线路段，中间没有其他的点。
* 注意：一条链路只是一条通路的一个组成部分
2. 数据链路（data link）：除了物理线以外，还必须有通信协议来控制这些数据的传输。而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。
* 实现这些协议硬件和软件：现在最常见的方法是使用适配器(即网卡)
* 一般的适配器都包括了数据链路层和物理层
3. 数据链路层传输的是帧。
2.2 三个基本问题
2.2.1 封装成帧
1. 封装成帧：就是在一段数据的前后分别添加帧头、帧尾就构成了一个帧。
* 注意：一段数据是指一定长度内的数据，并不是无限长的。一般最大是1500Byte
2. 帧头、帧尾
* 实现：采用一些ASCII码为不可打印字符做帧头帧尾，比如控制字符
* 作用：对帧进行定界。
3. 接受方：接受方在接受帧时，只有接受到帧头帧尾的帧才会获取，其他的都会舍弃。
2.2.2 透明传输
上述的封装成帧存在一个问题：帧的数据部分可能出现非打印字符，甚至可能与帧头(SOH)帧尾（EOT）一样。这样会导致只有前半截的数据被接受，后半截的数据被舍弃，如下图所见。如何避免？
解决方案：在帧的数据部分，且出现非打印字符时，在前面加一个转义字符，来标识其是帧的数据部分，不是帧头或帧尾。如下图所示：
发送端的数据链路层会为数据包添加帧头、帧尾和转义字符。
在接受端的数据链路层会自动的去掉帧头、帧尾和转义字符。
这整个过程用户并不知道，用户知道数据被传输过去，所以叫透明传输。
2.2.3 差错控制
-
问题：其实，除了上面这个问题，还存在一个问题：在数据的传输过程中，信号衰落或者受到噪音的干扰，会出现一些比特位的数据由0变为1或者由1变为0，从而出现差错。如何解决？
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解决方法：一般会将数据分组，每一组数据后面都加上帧检查序列(FCS)，接受端的数据链路层会根据**帧检查序列(FCS)**来判断数据是否出错。
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帧检查序列(FCS)如何得到？方法有很多，下面介绍其中一种方法：循环冗余检验(CRC)
- 循环冗余检验(CRC) 对地址字段(MAC地址)、控制字段(表明传输协议)、信息字段(IP数据报)进行计算，生成CRC校验码；再对整个数据加上帧头、帧尾构成数据帧。
- 如下题：带发生数据流为:
101001，双方采用的生成多项式为g(x) = x^3 + x^2 + 1，则根据多项式得出除数为:1101，由于多项式的最高次为3次方得数据流后面加3个0组成被除数。计算过程如下：
（如果没有指定生成多项式则除数和数据流加0任意取，但是实际情况下通信双方都会约定生成多项式，以便校验）
-
接受端如何判断数据是否出错？同样的在接收端的数据链路层对数据帧进行循环冗余检验(CRC)计算。如果余数是0，则认为没有出错；反之则出错，但是无法纠错，会舍弃该数据。
| 无差错接受：凡是接受的帧，我们以非常接近于1的概率认为这些帧在传输过程中没有产生差错。 |
|---|
| 可靠传输：发送什么就收到什么。（通过确认和帧的重传机制） |
| 小结：CRC差错技术是一种无比特差错，而不是可靠传输。因为通过CRC计算出的FCS可能为0，且除数越大，概率越接近1 |
三、两种情况下的数据链路层
3.1 使用点对点信道的数据链路层
现在全世界使用最多的数据链路层协议是点对点协议的(Point-to-Point，简称PPP协议)。拨号上网一般都是采用的PPP协议，可见PPP协议有身份验证的功能。
3.1.1 PPP协议要求：
3.1.2 PPP协议组成：
3.1.3 PPP协议帧格式：
* 帧格式：
* 标志 | 地址 | 控制 | 信息 | 校验 | 标志
* 标志(01111110, 1Bit) | 地址(>=1Bit) | 控制(1B) | 信息(>=0B) | 校验(2B或4B,校验范围：地址、控制、信息) | 标志(01111110, 1Bit)
3.1.4 PPP协议的透明传输：
（1）以字节流的形式传输数据。
（2）以比特流的形式传输数据。
3.1.5 PPP协议工作状态：
3.2 使用广播信道的数据链路层
1. 局域网
* 特点：自己通过网线，网卡等将计算机相连，构成的网络
* 优点：具有广播信道的功能。从一个站点可以方便的访问全网。
* 拓扑结构：总线形，环形，星性，树形
2. 广域网：花钱买服务。比如两台计算机都通过电信网络进行聊天，尽管他们距离很近，不足100m，但是还是属于广域网。
3. 以太网：以太网是局域网的一种，采用的是总线形结构，属于总线形局域网，所以他也具有广播信道的功能。
* 优点：即插即用
* 缺点：
1. 同一时间只允许一台计算机发送信号，一台计算机接受。属于半双工模式。
2. 数据传输不安全
3. 以太网连接距离短，100m内
下面介绍以以太网为代表的用广播信道的数据链路层：
3.2.1 以太网的广播信道工作示意图：
3.2.2 传输协议：CSMA/CD协议
载波监听多点接入/碰撞检测 协议, 简称CSMA/CD协议
1. 多点接入：许多计算机可以在总线上的任意点接入
2. 载波监听：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的计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发送碰撞。
3. 碰撞检测：
1. 碰撞如何检测：计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。如果电压大于一定的值，则说明数据发送了碰撞，即冲突。
2. 发现碰撞后：舍弃此次发送的数据，立即停止发送数据，等待一段随机时间后再发送。
碰撞检测的示意图：
以太网的最短帧为64字节
3.2.3 二进制指数类型退避算法
发送碰撞后，一段时间后再发送数据，暂停的这一段时间用二进制指数类型退避算法确定：
四、以太局域网（以太网）
4.1 以太网与数据链路层的两个子层
为了使数据链路层更好的适应多种局域网，将以太网的数据链路层拆分成了两个子层：
1. 逻辑链路控制 LLC
* 特点：与传输媒体无关，与各种协议无关
2. 媒体接入控制 MAC
* 特点：与接入到传输媒体有关的内容都放在MAC子层
* 注意：现在很多厂商生产的适配器上就只装有MAC协议而没有LLC协议
4.2 以太网提供的服务
服务是无差错服务，而不是可靠服务。
4.3 以太网的信道利用率
因为以太网是总线型局域网的一种，局域网是以广播的形式进行通信的，是半双工模式，会发生碰撞，所以以太网也会发生碰撞。最典型的是用集线器连接计算机构成以太网，此时集线器是一个冲突域。
提高信道利用率：
1. τ越小时（即传输距离越短），占用期所占的比例越大，信道利用率越大。
2. T0越大时（传输的帧越长），占用期所占的比例越大，信道利用率越大。
* T0 是帧的发送时间
* 故有参数：a = τ/T0
1. a-->0, 表示一出现碰撞就能检测出来
2. a越大，争用期占的比例越大，信道利用率就越低
3. 理想情况下（没有碰撞）的信道利用率：
Smax = T0/(T0+τ) = 1/(1+a)
4.4 MAC层的硬件地址(MAC地址)
1. MAC地址：“MAC地址”实际上就是适配器地址或适配器标识符，且每个MAC地址在全球是唯一的。
2. 在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或MAC地址，通常是用48位表示，即6个字节。
3. 适配器检查MAC地址，如果是发往本站的帧则收下，然后再进行其他的处理。否则就将此帧舍弃，不再进行其他的处理。
MAC帧格式：
五、扩展局域网
5.1 使用网桥扩展以太网
假设有如上6台计算机，现在想让这6台计算机间可以相互通信，该怎么做？
如果再用一台集线器将这三台集线器连接起来，虽然能解决问题，但是这样会使得冲突域变得更大，信道利用率会急速降低。那么有没有什么方法能够让其连接，但是不产生更大的冲突域？网桥就是为了解决这个问题。
使用网桥扩展以太网
* 优点：
1. 过滤通信量
2. 扩大了物理范围
3. 提高了可靠性
* 缺点：
1. 存储转发增加了时延
2. 在MAC子层并没有流量控制功能
3. 具有不同MAC子层的网桥接在一起时时延更大。
4. 网桥只适用于用户不多的情况下（不超过100个）
5.1.1 透明网桥
目前使用的最多的网桥是透明网桥。
1. 透明网桥：指互联网上的站点并不知道所发送的帧将经过几个网桥，因为网桥对各站来说是看不见的
2. 透明网桥是一种即插即用的设备。
5.1.2 交换机
其实现在网桥使用的很少，使用更多的是交换机。交换机是由网桥演变而来的。
上述网桥连接的是多个冲突域，假设有一台网桥的插口足够多，多的所有计算机都能直接连在网桥上，那么连接的所有计算机也能通信。这种设备就是交换机。
从上面可以看出交换机的优点：高效、安全。
注意：中继器和集线器都属于物理层设备，网桥和局域网交换机属于数据链路层设备。
5.1.3 环路问题及其解决方法
透明网桥和交换机都会出现一个问题，计算机将一个消息发送出去后，消息一直在几个网桥或者交换机之间循环转发，而不能发送给接收端，白白的浪费资源。
解决方法：采用生成树算法，因为树形结构是没有环路的。
生成树算法：
1. 取优先级最高的网桥或者交换机为根结点；如果有多个，则取MAC地址小的为根结点。
2. 下一优先级的设备中，每一个设备中离端口进的为指定端口，其他的为非指定端口。（远近以要经过的设备数和带宽决定）
3. 重复2过程，直到没有设备
生成树算法示意图：
5.2 VLAN分割局域网
LAN是局域网的简称，VLAN是虚拟局域网的简称。虚拟局域网能够将一个局域网划分为几个子局域网，且子局域网间不能通信。在软件层面实现。
示意图如下:
六、高速以太网（了解）
6.1 100BASE-T 以太网
6.2 100BASE-T 特点
