《计算机网络原理》-数据链路层

一、基本概念

数据链路层传送的是帧,帧由网络层的IP数据报加上帧头和帧尾构成

1.信道类型

点对点信道：一对一
广播信道：一对多（集线器），必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机的数据发送

2.链路

一条点到点的物理线段，中间没有任何其他节点,一条链路只是一条通路的一个组成部分
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.现在最常用的方法是使用适配器（即网卡）来实现这些协议的硬件和软件,一般的适配器都包括了数据链路层和物理层这两层的功能

3.复用技术

频分复用 FDM(Frequency Division Multiplexing) 
用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。 
频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。 
解释：特定的用户使用特定的频率波段，传输时采用不同频率的波段进行调制和解调，已达到区分其他数据的目的 
时分复用TDM(Time Division Multiplexing) 
时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM 帧）。每一个时分复用的用户在每一个 TDM 帧中占用固定序号的时隙。 
每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是 TDM 帧的长度）。 
TDM 信号也称为等时(isochronous)信号。 
时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。 
时分复用可能会造成线路资源的浪费 ： 
使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。 
统计时分复用 STDM(Statistic TDM) 
与时分复用类似，只不过每次发送时标记是哪个用户发出的，解析时按标记解析。可以避免线路资源的浪费 
波分复用 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 
波分复用就是光的频分复用。 
码分复用 CDM(Code Division Multiplexing) 
常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。 
各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。 每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)

4.基本问题

1.封装成帧
加上帧首部和帧尾部：用来确定帧的界限
MTU：最大传输单元（指除了帧首部和帧尾部的数据部分）（以太网为1500字节）
接收端只有都收到帧开始符合帧结束符才完整，否则就扔掉
2.透明传输
指对于发送者和接收者来说，不知道中间曾经增加过转义字符
字节填充：帧首部（SOH）和帧尾部（EOT）一般为不可打印字符，数据内容一般为可打印字符，若数据内容中出现用于表示帧首部和帧尾部的字符，在SOH和EOT前面加上ESC的acsii码（其十六进制为1B），若出现ESC，也在其前面增加ESC字符，当接收端的数据链路层向网络层传输数据时，则须删除转义字符（ESC），若出现连续两个转义字符，则删除前面一个。
3.差错控制
传输过程中可能会产生比特差错：1变成0，0变成1。在一段时间内，传输错误的比特占所传输比特总数的比率为误码率BER（Bit Error Rate）。误码率与信噪比有很大的关系

二、数据链路信道种类

数据链路层使用的信道主要有以下两种类型：       
（1）点对点信道。这种信道使用一对一的点对点通信方式。       
（2）广播信道。这种信道使用一对多的广播通信方式，因此过程比较复杂。广播信道上连接的主机很多，因此必须使用专用的共享信道协议来协调这些主机的数据发送与接收。

1.点对点信道的数据链路层（PPP协议）

点到点线路：用户通过电话线使用PPP协议直接连到ISP
PPP协议：因特网的正式标准
使用拨号电话线接入因特网，身份验证，欠费，分配IP地址等可以记账的形式，现不使用拨号上网

1)PPP协议从上到下分为三个小协议

网络控制协议（NCP）：协商IP地址
链路控制协议（LCP）：负责身份验证，验证是否欠费
高级数据链控制协议（HDLC）：

2) PPP协议的两种分装方法

• 传输的是字节
  PPP协议帧格式：
  

7E：（01111110）代表开始和结尾
FF：代表目标地址（由于是点对点，目标地址没有用，所以FF是固定的）
03：固定的
协议：2个字节，用来表示信息部分是哪种类型的数据

信息部分：透明传输：
若出现7E，则变成7D，5E
若出现7D，则变成7D，5D
若出现ASCII中的控制字符（即数值小于0x20的字符），在前面增加7D用于转义

FCS：帧检验序列

• 传输的是比特流
  PPP如果传比特流（不是8的倍数（1字节为8bit）），则用零比特填充方法实现透明传输：只要发现有5个连续的1，则填入一个0，这样就不会出现开始和结束标识符（7E（01111110））
  PPP协议使用小和确认机制：简单、不保证网络层传输的也是可靠的、FCS可保证无差错接受

3)PPP协议的工作状态

建立物理连接：用户拨号接入ISP，路由器的调制解调器对拨号做出确认
建立数据链路层连接：PC机想路由器发送一系列LCP分组（封装成多个PPP帧）
建立网络层配置：分组和响应来选择一些PPP参数，NCP给PC机房分配临时额IP地址，使PC机成为因特网的一个主机
通信完毕：NCP释放网络层协议收回IP地址,LCP释放链路层连接,释放物理层连接

2.使用广播信道的数据链路层

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，且地理范围和站点数目均有限。局域网具有如下的一些主要优点：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。        局域网按网络拓扑结构进行分类：星型网：由于集线器和双绞线的使用，星型以太网得到广泛使用。环形网：典型代表：令牌环形网。总线网：两端匹配电阻吸收电磁波信号的能量，避免在总线上产生有害的电磁波反射。CSMA/CD协议树形网：主要用于频分复用的宽带局域网。

载波监听 多点接入/碰撞检测的机制运行
局域网特点：网络为一个单位所有，且地理范围和站点数目均有限，具有广播功能
共享通信媒体：链路为所有计算机所共享
静态划分信道：在任意两台计算机之间都要建立信道（不方便）

2）CSMA/CD

广播通信方式：当一台计算机发出信号时，总线上的所有计算机都能检测到这个数据。
以太网为了使通信方便，采取了两个措施：
载波监听：这就是相当于信道检测，不管在发送前还是发送中，每个站都必须不停的检测信道。发送前检测是为了获得发送权，发送中检测是为了避免发生碰撞，这个就是碰撞检测。
碰撞检测：边发送边检测。一旦发现总线上出现了碰撞，就立即停止发送。所以在使用CSMA/CD协议时，一个站不可能同时进行发送和接收。所以使用这个协议的以太网不可能进行全双工通信，进行的是半双工通信。

3.扩展的以太网

1）在物理层扩展以太网:扩展主机和集线器之间距离的一种方法是使用光纤

效率不高（冲突域），连的计算机越多效率越低，一般不超过30台

2）在数据链路层扩展以太网:通过网桥扩展。
此时出现网桥，网桥有学习功能（现很少使用网桥，多使用交换机）

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转发和过滤。当网桥收到一个帧时，并不是向所有的接口转发这个帧，而是先检查这个帧额目的地址，然后在确定转发到哪一个接口或者丢弃。
网桥是依靠转发表来转发帧的，网桥有两个接口，分成了不同的两个网段，如果是同一个网段的转发测不需要网桥工作，网桥接收到了之后直接丢弃，不同网段的转发网桥则会根据mac地址进行转发。
透明网桥：接入局域网不需要人工配置转发表就能工作。
透明网桥刚刚接入以太网的时候其实转发表是空的，他需要通过自学习来建立新的转发表

计算机1,2,3之间的通信和4，5,6之间的通信可以同时进行（如图），使冲突域增加，效率提高：

透明网桥：是一种即插即用设备，，其标准是IEEE的802.10
即局域网上的站点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥，网桥对各站点来说是看不见的
交换机：当网桥的接口足够多时，每个接口将不再接集线器，而是接交换机，此时就是交换机，完全没有冲突域（安全），也无法抓包连在同一台交换机上的计算机通信的数据
如果说交换机是10M指的是每一个接口熟虑为10M（端口带宽是独享的），如果计算机接在交换机上，可以设置成全双工（即同时收发）
交换机的生成树算法：
若交换机与计算机之间连成环，只要计算机发一条广播，则此广播将被无限转发，浪费网络资源，只有树状结构没有环，所以要连成树状结构

MAC地址小的交换价优先选为根
对于交换机来说，非根的交换机的接口中，离根近（远近看带宽）的被选为根端口
对于线来说，离根近的一段被选为指定端口
剩下的为非指定端口（阻断端口）（相当于拔掉网线）
集线器不参与生成树

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