【《计算机网络（第七版）》学习笔记】三、 数据链路层

3.1 使用点对点的信道的数据链路层

点对点信道：一对一
广播信道 ： 一对多

3.1.1 数据链路和帧

链路：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节点
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。
适配器:用来实现这些协议的硬件和软件。

3.1.2 三个基本问题

数据链路层传递到的是帧

1. 分装成帧

在一段数据的前后分别添加首部和尾部，构成一个帧。
首部尾部一个重要作用就是帧定界。

2. 透明传输

当数据部分出现帧结束符EOT

解决规则
1. 在SOH、EOT前面加转义字符“ESC”。
2. 在转义字符前添加转义字符

3.差错控制

循环冗余检验码（CRC）
该技术只能做到无差错接受
想要实现“可靠从传”就要加上确认和重传机制。

3.2 点对点协议PPP

3.2.1 PPP协议的特点

用户计算机和互联网服务提供商（ISP）进行通信时所使用的数据链路层协议。

设计PPP使需要满足的需求

• 简单
• 分装成帧
• 透明性
• 多种网络层协议
• 多种类型链路
• 差错检测
• 检测连接状态
• 最大传送单元
• 网络层地址协商
• 数据压缩协商

PPP协议的组成

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

3.2.2 PPP协议的帧格式

当同步传输时

• 发送端，只要发现5个连续1，则立即填入一个0
• 接收端，删除5个连续1后面的一个0

当异步传输时

• 发送端信息字段的每一个0x7E 转变成 0x7D, 0x5E
• 发送端信息字段的每一个0x7D 转变成 0x7D, 0x5D
• 发送字段出现控制字符，在前添加`0x7D

3.2.3 PPP协议的工作状态

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

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
• 便于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。

拓扑结构

媒体共享技术

• 静态划分信道
• 动态媒体接入控制（随机接入、受控接入）

数据链路层的两个子层

• 逻辑链路控制 LLC(Logical Link Control)子层
• 媒体接入控制 MAC(Medium Access Control)子层

适配器的作用

通信适配器(adapter)

连接计算机与局域网

功能：

• 进行串行/并行转换。
• 对数据进行缓存。
• 实现以太网协议。

3.3.2 CSMA/CD 协议

以太网的两个重要措施

• 采用较为灵活的无连接的工作方式。
• 以太网对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。

使用曼切斯特编码

协议要点

• 多点接入
• 载波监听
• 碰撞检测

争用期

以太网的端到端往返时延

截断二进制指数退避算法

解决一旦发现碰撞，碰撞站要立即停止发送，各自随机时延后重传.的等待时间问题。

最短有效帧长：64字节

以太网的帧间最小间隔：9.6 μs

3.3.3 使用集线器的星形拓扑

3.3.4 以太网的信道利用率

τ是以太网单程端到端传送时延
T0是帧的发送时间

3.3.5 以太网的 MAC 层

• MAC 层的硬件地址
• 48 位，全球唯一

MAC帧

3.4 扩展的以太网

3.4.1 在物理层扩展局域网

优点
- 扩大了以太网覆盖的地理范围。
- 计算机能够进行跨系的通信。
缺点
- 碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。
- 使用不同以太网技术（如数据率不同）的碰撞域，不能用集线器互连。

3.4.2 在数据链路层扩展局域网

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过滤和转发。

以太网交换机

• 网桥的一种
• 每个接口都直接与主机相连，一般都工作在全双工方式
• 交换机能同时连通许多对的接口，使每一对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样，进行无碰撞地传输数据
• 接口有存储器，能在输出端口繁忙时把帧进行缓存
• 是一种即插即用设备，内部有一个帧交换表，用于转发和过滤帧
• 有自学习功能，生成交换表

生成树协议STP

解决兜圈子问题

从“总线结构以太网”到“星形结构以太网”

• 随着站数增加，总线以太网可靠性下降。
• 大规模集成电路和专用芯片的发展，使得星形结构的以太网既便宜又可靠。
• 以太网交换机不共享总线，没有碰撞问题，不使用CSMA/CD，无争用期。
• 仍采用以太网帧结构。

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VLAN（Virtual LAN）。

• 不存在广播风暴

3.5 高速以太网

3.5.1 100BASE-T以太网

在双绞线上传送100Mbit/s基带信号的星型拓扑以太网。

3.5.2 吉比特以太网

允许在 1 Gb/s 下全双工和半双工两种方式工作。

3.5.3 10 吉比特以太网和更快的以太网

• 只使用光纤作为传输媒体。
• 只工作在全双工方式
• 端到端的以太网传输

3.5.4 使用高速以太网进行宽带接入

采用以太网接入可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