【计算机网络】数据链路层——PPP协议和HDLC协议/数据链路层设备

PPP协议和HDLC协议

PPP协议

• 使用串行线路通信的面向字节的协议，该协议应用在直接连接两个结点的链路上；设计的目的主要是用来通过拨号或专线方式建立点对点连接发送数据，使其成为各种主机、网桥和路由器之间简单连接的一种共同的解决方案；

• 组成部分：

  1. 链路控制协议LCP：一种拓展链路控制协议，用于建立、配置、测试和管理数据链路；
  2. 网络控制协议NCP：PPP协议允许同时采用多种网络层协议，每个不同的网络层协议要用一个相应的NCP来配置，为网络协议建立和配置逻辑链接；
  3. 一个将IP数据报封装到串行链路的方法：IP数据报在PPP帧中就是其信息部分，信息部分长度受最大传送单元MTU的限制；

• PPP帧的格式
  

• PPP协议的状态图
  

注意

1. PPP提供差错检测但不提供纠错功能，保证无差错传输，但本身是不可靠的传输协议，因此不使用序号和确认机制；
2. 仅支持点对点的链路通信，不支持多点线路；
3. 只支持全双工链路；
4. 两端可以运行不同的网络层协议，但仍可以用同一个PPP进行通信；
5. 面向字节的协议，当信息字段出现和标志字段一致的比特组合：
   • 异步线路：字节填充法；
   • 同步线路：采用硬件来完成比特填充；

HDLC协议

• 高级数据链路控制协议使ISO指定的面向比特的数据链路层协议；
• 基本配置：
  • 非平衡配置：有一个主站控制整个链路工作；
  • 平衡配置：链路两端的两个站都是复合站，每个复合站都可以平等地发起数据传输，而不需要得到对方复合站地允许；

站

• 3种类型：主站、从站、复合站；
  • 主站：负责控制链路的操作，主站发出的帧称为命令帧；
  • 从站：受控于主站，按主站的命令进行操作，发出的帧称为响应帧；
  • 复合站：既有主站又有从站功能，可以发出命令帧和响应帧；

数据操作方式

1. 正常响应方式
   • 非平衡结构；
   • 主站向从站传输数据，从站响应传输，但从站只有在收到主站的许可后，才能进行响应；
2. 异步平衡方式
   • 平衡结构；
   • 每个复合站都可以进行对另一站地数据传输；
3. 异步响应方式
   • 非平衡结构；
   • 从站即使未收到主站的允许，也可以进行传输；

HDLC帧

• HDLC的帧格式
  

• 三类HDLC帧（“无间隙”）

  1. 信息帧I：第1位为0，用来传输数据信息，或使用捎带技术对数据进行确认；
  2. 监督帧S：第1、2位分别为1、0，用于流量控制和差错控制，执行对信息帧的确认、请求重发和请求暂停发送等功能；
  3. 无编号帧U：第1、2位均为1，用于提供对链路建立、拆除等多种控制功能；

PPP协议和HDLC协议区别

1. PPP协议是面向字节的，HDLC是面向比特的；
2. PPP帧比HDLC帧多一个2字节的协议字段，当协议字段值为0x0021时，表示信息字段时IP数据报；
3. PPP协议不使用序号和确认机制，只保证无差错接收，而端到端差错检测由高层协议负责；HDLC协议的信息帧使用了编号和确认机制，能够提供可靠传输；

数据链路层设备

网桥的概念及其基本原理

• 两个或多个以太网通过网球连接后，就成为一个覆盖范围更大的以太网，而原来的每个以太网就称为一个网段，网桥工作在链路层的MAC子层，可以使以太网各网段成为隔离开的碰撞域；
• 网桥基本特点：
  1. 网桥必须具备寻址和路径选择能力，以确定帧的传输方向；
  2. 从源网络接收帧，以目的网络的介质访问控制协议向目的网络转发该帧；
  3. 网桥在不同或相同类型的LAN之间存储并转发帧，必要时还进行链路层上的协议转换；
     • 一般情况下，存储转发类设备都能进行协议转换，即连接的两个网段可以使用不同协议；
  4. 网桥对接收到的帧不做任何修改，或只对帧的封装格式做很少的修改；
  5. 网桥可以通过帧翻译互联不同类型的局域网，即把原协议信息段的内容作为另一种协议的信息部分封装在帧中；
  6. 网桥应有足够大的缓冲空间，因为在短时间内帧的到达速率可能高于转发速率；
• 网桥优点：
  1. 能过滤通信量；
  2. 扩大物理范围；
  3. 可使用不同的物理层；
  4. 可互联不同类型的局域网；
  5. 提高了可靠性；
  6. 性能得到改善；
• 网桥缺点：
  1. 增大了时延；
  2. MAC子层没有流量控制功能；
  3. 不同的MAC子层的网段桥接在一起时，需要进行帧格式的转换；
  4. 网桥只适合于用户数不多和通信量不大的局域网，否则有时还会因传播过多的广播信息而产生网络拥塞，即造成广播风暴；

透明网桥

• 接收与之连接的所有LAN传送的每一帧；
• 到达帧的路由选择过程取决于源LAN和目的LAN：
  1. 如果源LAN和目的LAN相同，那么丢弃该帧；
  2. 如果源LAN和目的LAN不同，那么转发该帧；
  3. 如果目的LAN未知，那么扩散该帧；
• 透明网桥使用一种生成树算法，确保每个源到每个目的地只有唯一的路径；
• 生成树使得整个拓展局域网在逻辑上形成树形结构，所以工作时逻辑上没有闭环，但生成树一般不是最佳路由；

源路由网桥

• 路由选择由发送数据帧的源站负责，网桥只根据数据真正的路由信息对帧进行接收的转发；
• 源路由的生成过程：
  1. 在未知路径前，源站要先发送一个发现帧；
  2. 途中每个网桥都转发该帧，最终该发现帧可能从多个途径到达目的站；
  3. 目的站也将一一发送应答帧；
  4. 每个应答帧将通过原路径返回，途径的网桥把自己的标志记录在应答帧中；
  5. 源站点选择出一个最佳路由，以后凡是从这个源站点向该目的站发送的帧首部，都必须携带这一路由信息；
• 发送帧还可以帮助源站确当整个网络可以通过的帧的最大长度，由于帧的数量指数式增加，可能会造成网络严重拥塞；

两种网桥的比较

• 使用源路由网桥可以利用最佳路由；
• 若在两个以太网之间使用并联的源路由网桥，则还可以使通信量较平均地分配给每个网桥；
• 这里提到的最佳路由并不是经过路由器最少的路由，而可以是发送帧往返时间最短地路由，真正地进行负载平衡；

局域网交换机极其工作原理

局域网交换机

• 本质上说，以太网交换机是一个多端口网桥，工作在数据链路层；
• 能经济地将网桥分成小的冲突域，为每个工作站提供更高的带宽；
• 可以实现虚拟局域网VLAN，可以隔离冲突域和广播域；

原理

• 检测从以太端口来的数据帧地源和目的地的MAC地址，然后与系统内部的动态查找表进行比较，若数据帧的MAC地址不在查找表中，则将该地址加入查找表，并将数据帧发送给相应的目的端口；

特点

1. 每个端口都直接与单台主机相连，一般工作在全双工方式；
2. 能同时连通许多对端口，使每对相互通信的主机都能向独占通信媒体那样，无碰撞地传输数据；
3. 即插即用设备，内部的帧的换发表也是通过自学习算法自动地逐渐建立起来的；
4. 使用了专用的交换结构芯片，交换速率较高；
5. 独占传输媒体地带宽；

两种交换模式

• 直通式和存储转发式：
  1. 直通式交换机只检查帧的目的地址，这使得帧在接收后几乎能马上被传出去，这种方式速度快，但缺乏智能性和安全性，也无法支持具有不同速率地端口的交换；
  2. 存储转发式交换机先将接收到的在帧缓存到高速缓存器中，并检查数据是否正确，确认无误后通过查找表转换成输出端口将该帧发送出去，如果发现该帧有错，那么就将其丢弃；
     • 优点：可靠性高，并能支持不同速率端口间的转换；
     • 缺点：延迟较大；