计算机网络——数据链路层

• 指引
  • 数据链路层的基本概念及基本问题
    • 基本概念
    • 三个基本问题
  • 两种情况下的数据链路层
    • 使用点对点信道的数据链路层
    • 使用广播信道的数据链路层
  • 以太局域网（以太网）
    • 概述
    • 拓扑
    • 信道利用率
    • MAC层
  • 扩展以太网
  • 高速以太网

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一、数据链路层的基本概念及基本问题

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1. 基本概念

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数据发送模型

数据发送模型

数据的流动

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数据链路层的信道类型

• 点对点信道：一对一
• 广播信道：一对多

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链路与数据链路

• 链路（link）是一条点到点的物理线路段
  • 一条链路只是一条通路的一个组成部分
• 数据链路（data link）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。
  • 最常用的方法是使用适配器（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

• 数据链路层传送的是帧

  
  
  

  帧
• 数据链路像个通信管道

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2. 数据链路层的三个基本问题

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• 封装成帧
• 透明传输
• 差错控制

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封装成帧

封装成帧

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透明传输

透明传输

• 用字节填充法解决透明传输的问题
  • 接收端的数据链路层将数据送往网络层之前删除插入的转义字符

字节填充法

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差错控制

• 传输过程中可能会产生比特差错：1可能变成0而0也可能变成1。
• 传输错误的比特占传输比特总数的比率称为误码率BER（Bit Error Rate）
• 误码率与信噪比有很大关系

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循环冗余检验（CRC）

循环冗余检验

• 模2除法（差多少才能取整）
• 帧检验序列 FCS：在数据后面添加的冗余码
• 不纠错，若有错直接丢掉，只能做到无差错接受。
• CRC是一种无比特差错，而不是无传输差错的检测机制（碰巧几位都发生变化使得余数也为0）
  • OSI/RM模型的观点：数据链路层要做成无传输差错的，但这种理念目前不被接受！

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二、两种情况下的数据链路层

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1. 点对点信道

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PPP协议

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使用场合

PPP协议使用场合

PPP协议应该满足的要求	PPP协议不需要满足的要求
简单——首要的要求	纠错
封装成帧	流量控制
透明性	序号
多种网络层协议	多点线路
多种类型链路	半双工或单工链路
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	...

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PPP协议的组成

• 数据链路层协议可以用于异步串行或同步串行介质
• 它使用LCP（链路控制协议）建立并维护数据链路连接
• 网络控制协议（NCP）允许在点到点连接上使用多种网络层协议

PPP协议组成

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PPP协议帧格式

帧格式

• 7E: 0111 1110

• 协议字段（类似于快递盒上的文字信息）

  
  
  

  协议字段
• 字节：字节填充法
• 比特流：同步传输，采用的是零比特填充方法实现传输透明
  
  

  零比特填充

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PPP协议的工作状态

工作状态

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2. 使用广播信道的数据链路层

• 局域网拓扑

在这里插入图片描述

局域网的特点与优点

• 局域网最主要的特点：网络为一个单位所有，且地理范围和站点数目均有限
• 优点：
  • 具有广播功能，从一个站点访问全网
  • 便于系统的扩展和逐渐的演变，各设备的位置可灵活调整改变
  • 提高系统可靠性、可用性、生存性

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共享通信媒体

静态划分信道

• 频分复用
• 时分复用
• 波分复用
• 码分复用

动态媒体接入控制（多点接入）

• 随机接入（主要被以太网采用）
• 受控接入

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认识以太网

最初的以太网

在这里插入图片描述

• 优点：无需划分信道
• 缺点：发送的数据所有点都能收到，占线问题

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载波监听多点接入/碰撞检测 CSMA CD

• 多点接入：表示许多计算机以多点接入的方式连接在一根总线上
• 载波监听：每一个站在发送数据前检测一下总线上是否有其他计算机在发送数据。如果有，暂时不发送数据，以免发生碰撞。
• 碰撞检测：计算机边发送数据边检测信道上的信号电压大小。
• 重要特性：
  • 只能进行半双工通信
• 争用期
  • 最先发送数据帧的站，在发送数据帧后至多经过时间2T（端到端的往返时间）就可知道发送的数据帧是否遭受到碰撞。

  • 最短有效帧长：64字节

    
    
    

    在这里插入图片描述

二进制指数类型退避算法

• 发生碰撞的站在停止发送数据后，要推迟（退避）一个随机时间才能再发送数据。
  • 确定基本退避时间，一般取争用期2t
  • 定义参数 k, k = Min[重传次数 , 10]
  • 从整数集合[0,1,...,(2^k-1)]中随机取出一个数，记为r,重传所需的时延就是r倍的基本退避时间
  • 当重传达16次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。

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三、以太局域网（以太网）

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概述

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以太网的两个标准

• DIX Ethernet V2
• IEEE 的 802.3 标准

以太网与数据链路层的两个子层

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

以太网提供的服务

• 以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力交付
• 接收站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，其他什么也不做，差错的纠正由高层来决定。

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星型拓扑

• 集线器（hub）

• 集线器很像一个多接口的转发器，工作在物理层

  
  
  

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以太网的信道利用率

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• 要提高以太网的信道利用率，就必须减少t与T0之比

  
  
  

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• a => 0 表示一发生碰撞就立即可以检测出来，并停止发送，因而信道利用率很高
• a越大，表明争用期所占的比例增大，每发生一次碰撞就浪费许多信道资源，使得信道利用率明显降低
• 以太网的信道利用率：最大值

  • 以太网帧长不能太短，否则T0的值会太小，使a很大

    
    
    

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MAC 层

在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或MAC地址

• 出场设定好

  
  
  

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适配器检查MAC地址

适配器从网络上每收到一个MAC帧就首先用硬件检查MAC帧中的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
• 否则将此帧丢弃，不再进行其他处理
• 发往本站的帧包括以下三种
  • 单播帧（一对一）（unicast）
  • 广播帧（一对全体）（broadcast）
  • 多播帧（一对多）（multicast）

MAC帧格式

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• 以太网用曼彻斯特编码，所以帧不需结尾
  -帧间最小间隔：9.6 us

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四、扩展以太网

在物理层考虑扩展

• 主机使用光纤和一对光纤调制解调器连接到集线器

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• 某大学有三个系，各自有一个局域网

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在数据链路层考虑扩展

• 网桥

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• 使用网桥扩展以太网

  
  
  

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• 优点：
  • 隔绝冲突域
  • 扩大物理范围
  • 过滤信息量
  • 提高了可靠性
  • 可互连不同物理层，不同MAC地址和不同速率的局域网
• 缺点
  • 存储转发增加时延
  • 适合用户数不太多和通信量不太大的局域网

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• 透明网桥：局域网上的站点并不知道所发送的帧将经过哪几个网桥，因为网桥对各站来说是看不见的。

• 一种即插即用设备

  
  
  

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• 透明网桥使用了生成树算法
  
  

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虚拟局域网

LAN（局域网）和VLAN（虚拟局域网）

• 交换机的使用使得VLAN的创建成为可能

• 以部门划分网段
  

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• ISL 封装
• 虚拟局域网帧格式

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五、高速以太网

100BASE-T 以太网

速率达到或超过100Mb/s的以太网称为高速以太网

• 可在全双工方式下工作而无冲突发生，不使用CSMA/CD协议
• 保持最短帧长不变，但将一个网段的最大电缆长度减少到100m
• 帧间时间间隔从原来的9.6us改为0.96us

吉比特以太网

• 允许在1Gb/s下全双工和半双工两种方式工作
• 半双工下使用CSMA/CD协议，全双工不需要

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• 使用高速以太网进行宽带接入

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Cisco 建网三层模型

• 接入层
• 汇聚层

• 核心层

  
  
  

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