计算机网络 第3 章 数据链路层

计算机网络 第3 章 数据链路层

思维导图

使用的信道

• 点对点信道
• 广播信道

点对点信道

数据链路和帧

• 数据链路和链路区分
  • 链路：从一个结点到相邻结点的一段物理线路（有线/无线）
  • 数据链路：物理线路 + 实现协议的软硬件
• 数据链路层的协议数据单元是帧

三个基本问题

封装成帧

• 首部、尾部帧定界
• 最大传送单元 MTU
• 帧定界符

透明传输

字符填充

差错检测

• 误码率与信噪比
• 循环冗余校验 crc
  • 无差错接受
  • 不是可靠传输
  • CRC 是一种检错方法
  • FCS 是添加在数据后面的冗余码，也叫校验序列、FCS、帧检验序列、冗余多项式 R（X）、冗余码、余数 R
• 差错类型
  • 比特差错
  • 传输差错：帧丢失、帧重复、帧失序

点对点协议 PPP

用户计算机和 ISP 进行通信时所使用的链路层协议

特点

• 简单
• 封装成帧
• 透明性
• 多种网络层协议
• 多种链路
• 差错检测
• 检测连接状态
• 设置最大传送单元：MTU 数据链路帧可以载荷的数据部分最大长度，不是帧总长度
• 网络地址协商
• 数据压缩协商

组成

• 一个将 IP 数据报分装到串行链路的方法
• 一个用来建立、配置和测试数据链路连接的链路控制协议 LCP
• 一套网络控制协议 NCP,其中每一个协议支持不同的网络层协议

帧格式

• 首尾字段 F 标志字段 0X7E 为帧定界符
• 异步传输的时候使用字节填充
  • 0x7E -> 0x7D, 0x5E
  • 0x7D -> 0x7D, 0x5D
  • 数值小于 0x20 的前面填入转义符 0x7D，并改变字符编码
• 同步传输的是红使用零比特填充，保证不会有 6 个连续的 1

工作状态

扩展的以太网

在物理层扩展的以太网

集线器

好处

• 跨系通信
• 扩大覆盖的地理范围

缺点

• 碰撞域合并，最大吞吐量下降
• 不同系使用不同以太网技术就不能通过集线器互连
• 多接口的转发器，不能缓存帧

在数据链路层扩展的以太网

网桥（淘汰）

转发、过滤

好处

• 过滤通信量，增大吞吐量
• 扩大物理连接范围
• 提高可靠性
• 互连不同的物理层

以太网交换机

特点

• 多接口网桥
• 全双工
• 并行性
• 相互通信的主机都独占传输媒体，无碰撞地传输数据
• 接口有存储器可以在输出接口繁忙的时候把帧缓存起来
• 即插即用

交换表

• 自学习算法建立
• 专用芯片，转发效率比网桥快

也有支持直通交换的：交换时延小、不含差错检测

自学习功能

• 记录 MAC 和接口对应关系，根据查表结果决定是否广播
• 交换表每项含有效时间，过期自动删除
• 兜圈子问题：802.1D 标准 生成树协议 STP，逻辑上切断某些链路保证无环

总线以太网到星形以太网

总线结构

• 可靠性低
• 使用 CSMA/CD
• 半双工

星形结构的以太网交换机

• 不使用共享总线，没有碰撞问题，不使用 CSMA/CD
• 全双工
• 仍采用以太网的帧结构

虚拟局域网 VLAN

• 由一些局域网网段构成的与物理位置无关的逻辑组
• 每个 VLAN 计算机可以在不同的局域网中
• 可以限制接收广播的计算数，网络不会传播过多的广播信息引起性能恶化
• 以太网帧中插入 VLAN 标记

使用广播信道的数据链路层

局域网的数据链路层

局域网

网络为一个单位所拥有，且地理范围和栈带你数目均有限

优点

• 具有广播功能，一个站点可以方便访问全网
• 便于系统的扩展和逐渐演变方便灵活配置
• 提高系统的可靠性可用性和生存性

分类（拓扑）

• 星形网（集线器）
• 环形网
• 总线网

共享信道

• 静态划分信道
  • 频分、时分、波分、码分复用
  • 用户只要分配到信道就不会冲突
  • 代价高不适合局域网
• 动态媒体接入控制
  • 随机接入：碰撞
  • 受控接入
    • 分散控制的令牌环局域网
    • 集中控制的多点线路探询或轮询

以太网（基本就是局域网）

		两个标准
			DIX Ethernet V2
			IEEE 802.3
		两个子层
			LLC 逻辑链路控制
			MAC 媒体接入控制
				与接入媒体有关的内容都放 MAC 子层
		适配器（网卡）
			作用
				数据串行传输和并行传输的转换
				对数据进行缓存匹配网络和计算机总线的速率
				能够实现以太网协议
			实现的功能包含数据链路层和物理层
			接受发送帧不使用 CPU，丢弃的适合也不统治计算机，收到正确的帧通过中断来通知计算机并交付到网络层
		通信特点
			无连接
				不需要对数据帧进行编号，也不要求对方发回确认
				经最大努力的交付，不可靠的交付
				对有差错帧的重传由高层决定，如果重传以太网也不知道是重传帧
			发送的数据使用曼彻斯特编码的信号
				可以同步信号提取出来
				所占频带宽度比原始基带信号增加了一倍
			采用简单的随机接入 + CSMA/CD 来减少冲突的概率

CSMA/CD 协议

• 多点接入：总线型网络
• 载波接听：发送前检测信道有没有被占用
• 碰撞检测
  • 边发送边监听
  • 争用期检测到碰撞：指数退避算法

使用集线器的星形拓扑

• 表面上物理上是是一个星形网，实际上使用集线器的以太网在逻辑上仍是一个总线网，各站共享逻辑上的总线，使用的还是 CSMA/CD 协议，同一时刻至多只允许一个站发送数据
• 多接口转发器
• 工作在物理层，每个接口仅仅简单地转发比特，不进行碰撞检测（也包含数据链路层协议）
• 专门芯片进行I适应串音回波抵消
• 本身要可靠，一般都有少量容错和网络管理能力
• 可以堆叠级连使用，线路总长度不能超过以太网最长网段长度

以太网的信道利用率

以太网的 MAC 层

MAC 层硬件地址（物理地址）

• 固化在适配器的 ROM 地址中
• 48 位，6 字节，十六进制
• 格式
  • IEEEE 分配 24 位OUI 组织唯一标识符给厂商
    • 最低位 I/G：0 表示单个站地址，1 表示组地址，用来进行多播
    • 最低第二位 G/L（基本不看）：0 全球管理，1 本地管理
  • 厂商给每个网卡 分配24位EUI，扩展唯一标识符一个全球唯一的全局管理地址

适配器对 mac 帧的过滤功能

接受发往本站的帧

• 单播
• 广播
• 多播

MAC 帧的格式

• 目的地址
• 源地址
• 类型
• 数据：46 ～ 1500
• FCS
• 不小于 64 字节

高速以太网

• 100BASE-T 以太网
  • 100 M
  • BASE：基带传输
  • T：双绞线
• 吉比特以太网
• 10 吉比特以太网和更快的以太网

使用以太网进行宽带接入