计算机网络 第三章：数据链路层

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：使用一对一的点对点通信方式
（2）广播信道：使用一对多的广播通信方式。
数据链路层提供无差错高质量的传输。
主要功能：链路管理、帧定界、流量控制、透明传输、寻址、差错检测、数据与控制信息分开

使用点对点信道的数据链路层

链路：从一个结点到相邻结点的一段物理线路
数据链路：除了必须有一条物理线路外，还必须有一些必要的通信协议来控制这些数据的传输。
点对点信道的数据链路层的协议数据单元：帧
点对点信道的数据链路层在进行通信时的主要步骤：
（1）结点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封装成帧
（2）结点A把封装好的帧发送给节点B的数据链路层
（3）若结点B的数据链路层收到的帧无插座，则从收到的帧中提出IP数据报交给上面的网络层，否则丢弃这个帧

三个基本问题：封装成帧、透明传输、差错检测
封装成帧就是在一段数据的前后分别添加首部和尾部，然后就构成了一个帧。确定帧的界限。
首部和尾部的一个重要作用就是进行帧定界
定界：标识帧的开始与结束。目的是实现帧的同步。
常用方法：
（1）字符计数法
（2）字节填充的标志字节法
（3）比特填充的标志比特法

• 字符计数法
  在帧头中使用一个字段来标明帧内的字符数，通常该字段称为帧长字段。
• 字节填充的标志字节法
  标志字节：用一些特殊的字节作为帧的开始与结束。
  发送端的数据链路层在数据中出现控制字符“SOH” 的前面插入一个转义字符“ESC”(其十六进制编码是 1B)如果转义字符也出现数据当中，那么应在转义字符前面插入一个转义字符。当接收端收到连续的两个转义字符时，就删除其中前面的一个。
• 比特填充的标志比特法
  每一帧使用一个特殊的位模式“01111110”作为开始和结束标记。该位模式又称为“flag”。
  位模式允许数据帧包含任意个数的比特，也允许每个字符采用任意比特的编码。
  在发送端，只要发现有 5 个连续 1，则立即填入一个 0。接收端对帧中的比特流进行扫描。每当发现 5 个连续1时，就把这 5 个连续 1 后的一个 0 删除。

差错检测：差错:接收的与发送的数据不一致。
随机差错:具有独立性,与前后码元无关
突发差错:相邻多个数据位出错
在一段时间内，传输错误的码元数占所传输码元总数的比率称为误码率 BER
Pe =错误接收的码元数 /接收的码元总数
常见的检错方法 ：奇偶校验、循环冗余校验（ CRC ）
循环冗余校验工作原理：
多项式除法：被除多项式=除式*商+剩余多项式
通信双方约定除式，该除式被称为生成多项式；
发送方将余式作为冗余信息发送给接收方
接收方验证所收到的多项式能否为生成多项式所整除，以判断传输过程是否出错。
将冗余码作为校验字段的值，加在原传送数据后面，构成完整的发送序列；
接收方收到后，将完整的接收序列用同样的生成多项式去除。若余式为零，则表示无差错；否则，说明传输出现了错误。

多项式除法得到冗余码为001，相应的完整发送序列为：101001001
把收到的每一个帧都除以同样的除数P，然后检查得到的余数R。若得出的余数 R = 0，则判定这个帧没有差错，就接受(accept)。若余数 R≠ 0，则判定这个帧有差错，就丢弃

现在全世界使用得最多的数据链路层协议是点对点协议 PPP
用户使用拨号电话线接入因特网时，一般都是使用 PPP 协议。
PPP 协议有三个组成部分 ：
（1）一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法。
（2）链路控制协议 LCP (Link Control Protocol)：用来建立、配置和测试数据链路连接。
（3）一套网络控制协议 NCP (Network Control Protocol)。

• 标志字段 F = 0x7E （符号“0x”表示后面的字符是用十六进制表示。十六进制的 7E 的二进制表示是 01111110）。
• 协议字段：说明封装的数据类型，若为0xC021，则为IP数据报。

PPP 是面向字节的，所有的 PPP 帧的长度都是整数字节。
当 PPP 用在异步传输时，就使用一种特殊的字符填充法，转义符定义为0x7D。

使用广播信道的数据链路层

局域网的特点：地理覆盖范围小、数据传输速率高、通信质量高、支持多种传输介质、成本低、安装、扩充及维护方便

总结型拓扑：各节点（包括服务器与工作站）连在一条作为公共传输介质的总线上，传输介质通常采用同轴电缆。所有结点都通过总线发送或接收数据，但一段时间内只可能允许一个结点利用总线发送数据“共享”。
环型拓扑：各节点通过环路接口使用点对点线路连接在一条闭合的环型通信线路中。多个结点共享一条环通路的共享介质结构，也要提供旨在解决冲突问题介质访问控制。
星型拓扑：由一系列末端节点以中央节点为中心相连接，各末端节点与中央节点以点对点方式连接。任何两节点之间的数据通信都要通过中央节点，中央节点集中执行通信控制策略，如完成节点间通信时物理连接的建立、维护和拆除。
树型拓扑（扩展星型）：一个星型拓扑的末端节点又是其他星型拓扑的中央节点。最常用。
局域网使用的传输媒体选择要点：
（1）在局部范围或室内的中、高速局域网中使用双绞线
（2）在远距离或室外传输中使用光纤
（3）在有移动结点的局域网中采用无线技术。

以太网的两个标准 ：DIX Ethernet V2 标准与 IEEE 的 802.3 标准
网络接口板又称为通信适配器或网络接口卡 NIC ，或“网卡”。
适配器的重要功能：
（1）数据的封装与解封：发送时将上一层交下来的数据加上首部和尾部，成为以太网的帧。接收时将以太网的帧剥去首部和尾部，然后送交上一层。
（2）链路管理：主要是CSMA/CD协议的实现。
（3）编码与译码：即曼彻斯特编码与译码。
（4）进行串/并行转换。
（5）对数据进行缓存。
（6）在计算机的操作系统安装设备驱动程序

CSMA/CD：带冲突检测的载波侦听多点访问
在发生碰撞时，总线上传输的信号产生了严重的失真，无法从中恢复出有用的信息来。每一个正在发送数据的站，一旦发现总线上出现了碰撞，就要立即停止发送，免得继续浪费网络资源，然后等待一段随机时间后再次发送。
多点访问：一个站点占用总线发送信号时，所有连到同一总线上的其他站点都可以通过各自的接收器收听，目标节点对所接收的信号进行进一步的处理，非目标节点则忽略所收到的信号。
载波监听：是指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计算机在发送数据，如果有，则暂时不要发送数据，以免发生碰撞。
碰撞检测：就是计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。
凡是长度小于64字节的帧都是由于冲突而异常终止的无效帧。
使用 CSMA/CD 协议的以太网只能进行双向交替通信（半双工通信）
当发送数据的站一旦发现发生了碰撞时：
（1）立即停止发送数据；
（2）再继续发送若干比特的人为干扰信号，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。
把总线上单程端到端传播时延记为τ，发送数据的站希望尽早知道是否发生了碰撞，这个时间对多是两倍的总线端到端的传播时延
CSMA/CD 的特点：
（1）简单，易于实现
（2）不适合实时通信，无优先级
（3）适合低负载环境，重负荷时，冲突增加，传输延迟增大，吞吐率下降
（4）IEEE802.3
为了通信的方便，以太网采取了以下两种措施：
（1）参与较为灵活的无连接的工作方式。
（2）以太网发送的数据都是使用曼彻斯特编码的信号

在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或 MAC 地址。 长度为48 位，固化在计算机的适配器的ROM中的地址
格式：00-25-11-A0-B5-19。
局域网的地址指某个站的标识符或名字

类型字段：用来标志上一层使用的是什么协议，以便把收到的 MAC 帧的数据上交给上一层的这个协议
数据字段的正式名称是 MAC 客户数据字段
最小长度 64 字节－18 字节的首部和尾部 = 数据字段的最小长度
当传输媒体的误码率为 1×10-8 时，MAC 子层可使未检测到的差错小于 1×10-14
当数据字段的长度小于 46 字节时，
应在数据字段的后面加入整数字节的填充字段，以保证以太网的 MAC 帧长不小于 64 字节。
为了接受端迅速实现位同步，在帧的前面插入的 8 字节中，第一个字段共 7 个字节，是前同步码，用来迅速实现 MAC 帧的比特同步。
第二个字段是帧开始定界符，表示后面的信息就是MAC 帧为了达到比特同步，
在传输媒体上实际传送的要比 MAC 帧还多 8 个字节。
适配器发往本站的帧有三种：
（1）单播帧：一对一
（2）广播帧：一队全体
（3）多播帧：一对多

用集线器扩展局域网使原来属于不同碰撞域的局域网上的计算机能够进行跨碰撞域的通信。
扩大了局域网覆盖的地理范围碰撞域增大了，但总的吞吐量并未提高。
如果不同的碰撞域使用不同的以太网技术（如不同数据率），那么就不能用集线器将它们互连起来。
网桥使各网段成为隔离开的碰撞域
网桥的工作原理、转发数据帧的原则：
1、如果在转发表中有相应的目的地址，则该项接口指示帧转发的出口。
2、如果出口与入口相同，则丢弃该帧。
3、如果转发表中没有相应的目的地址，则从入口之外的所有出口转发。

集线器在转发帧时，不对传输媒体进行检测。
网桥在转发帧之前必须执行 CSMA/CD 算法