计算机网络 数据链路层（一）点对点协议与广播信道

计算机网络（五）

学习计算机网络过程中的心得体会以及知识点的整理，方便我自己查找，也希望可以和大家一起交流。

—— 数据链路层 ——

数据链路层使用的信道主要有以下两种类型：

• 点对点信道。这种信道使用一对一的点对点通信方式。
• 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。
  
  

1. 使用点对点信道的数据链路层

1.1 数据链路和帧

• 链路 (link) 是一条无源的点到点的物理线路段，中间没有任何其他的交换结点。
  • 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。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。
• 也有人采用另外的术语。这就是把链路分为物理链路和逻辑链路。
• 物理链路就是上面所说的链路。
• 逻辑链路就是上面的数据链路，是物理链路加上必要的通信协议。
• 早期的数据通信协议曾叫作通信规程 (procedure)。因此在数据链路层，规程和协议是同义语。
  
• 常常在两个对等的数据链路层之间画出一个数字管道，而在这条数字管道上传输的数据单位是帧。
  
• 数据链路层不必考虑物理层如何实现比特传输的细节。甚至还可以更简单地设想好像是沿着两个数据链路层之间的水平方向把帧直接发送到对方。

1.2 三个基本问题

• 数据链路层协议有许多种，但有三个基本问题则是共同的。这三个基本问题是：
  (1) 封装成帧
  (2) 透明传输
  (3) 差错控制

1.2.1 封装成帧

• 封装成帧 (framing) 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。
  
• 当数据是由可打印的 ASCII 码组成的文本文件时，帧定界可以使用特殊的帧定界符。
• 控制字符 SOH (Start Of Header) 放在一帧的最前面，表示帧的首部开始。另一个控制字符 EOT (End Of Transmission) 表示帧的结束。

1.2.2 透明传输

• 如果数据中的某个字节的二进制代码恰好和 SOH 或 EOT 一样，数据链路层就会错误地“找到帧的边界”。
  
  ※解决方法：字节填充 (byte stuffing) 或字符填充 (character stuffing)。
• 发送端的数据链路层在数据中出现控制字符“SOH”或“EOT”的前面插入一个转义字符“ESC” (其十六进制编码是 1B)。
• 接收端的数据链路层在将数据送往网络层之前删除插入的转义字符。
• 如果转义字符也出现在数据当中，那么应在转义字符前面插入一个转义字符 ESC。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。
  

1.2.3 差错控制

• 在传输过程中可能会产生比特差错：1 可能会变成 0 而 0 也可能变成 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称为误码率 BER (Bit Error Rate)。
• 误码率与信噪比有很大的关系。
• 为了保证数据传输的可靠性，在计算机网络传输数据时，必须采用各种差错检测措施。

在数据链路层传送的帧中，广泛使用了循环冗余检验 CRC 的检错技术。

• 在发送端，先把数据划分为组。假定每组 k 个比特。
• 假设待传送的一组数据 M = 101001（现在 k = 6）。我们在 M 的后面再添加供差错检测用的 n 位冗余码一起发送。

1.2.3.1 冗余码的计算

• 用二进制的模 2 运算进行 2n 乘 M 的运算，这相当于在 M 后面添加 n 个 0。
• 得到的 (k + n) 位的数除以事先选定好的长度为 (n + 1) 位的除数 P，得出商是 Q 而余数是 R，余数 R 比除数 P 少 1 位，即 R 是 n 位。
• 将余数 R 作为冗余码拼接在数据 M 后面发送出去。

例如：现在 k = 6, M = 101001。设 n = 3, 除数 P = 1101，被除数是 2nM = 101001000。 模2运算的结果是：商 Q = 110101，余数 R = 001。把余数 R 作为冗余码添加在数据 M 的后面发送出去。发送的数据是：2nM +R ，即：101001001，共 (k + n) 位。

1.2.3.2 循环冗余检验的原理说明

1.2.3.3 帧检验序列 FCS

• 在数据后面添加上的冗余码称为帧检验序列 FCS (Frame Check Sequence)。
• 循环冗余检验 CRC 和帧检验序列 FCS 并不等同。
• CRC 是一种常用的检错方法，而 FCS 是添加在数据后面的冗余码。
• FCS 可以用 CRC 这种方法得出，但 CRC 并非用来获得 FCS 的唯一方法。

【注意】：
(1) 若得出的余数 R = 0，则判定这个帧没有差错，就接受 (accept)。
(2) 若余数 R  0，则判定这个帧有差错，就丢弃。

• 但这种检测方法并不能确定究竟是哪一个或哪几个比特出现了差错。
• 只要经过严格的挑选，并使用位数足够多的除数 P，那么出现检测不到的差错的概率就很小很小。

1.2.3.4 注意问题

• 仅用循环冗余检验 CRC 差错检测技术只能做到无差错接受 (accept)。
• “无差错接受” 是指：“凡是接受的帧（即不包括丢弃的帧），我们都能以非常接近于 1 的概率认为这些帧在传输过程中没有产生差错”。也就是说：“凡是接收端数据链路层接受的帧都没有传输差错”（有差错的帧就丢弃而不接受）。
• 要做到 “可靠传输”（即发送什么就收到什么）就必须再加上确认和重传机制。
• 应当明确，“无比特差错”与“无传输差错”是不同的概念。
• 在数据链路层使用 CRC 检验，能够实现无比特差错的传输，但这还不是可靠传输。
• 我们介绍的数据链路层协议都不是可靠传输的协议。

2. 点对点协议 PPP

2.1 PPP 协议的特点

• 对于点对点的链路，目前使用得最广泛的数据链路层协议是点对点协议 PPP (Point-to-Point Protocol)。
• 用户使用拨号电话线接入互联网时， 用户计算机和 ISP 进行通信时所使用的数据链路层协议就是 PPP 协议。
• PPP 协议在1994年就已成为互联网的正式标准。
  

2.1.1 PPP 协议应满足的需求

• 简单 —— 这是首要的要求。
• 封装成帧 —— 必须规定特殊的字符作为帧定界符。
• 透明性 —— 必须保证数据传输的透明性。
• 多种网络层协议 —— 能够在同一条物理链路上同时支持多种网络层协议。
• 多种类型链路 —— 能够在多种类型的链路上运行。
• 差错检测 —— 能够对接收端收到的帧进行检测，并立即丢弃有差错的帧。
• 检测连接状态 —— 能够及时自动检测出链路是否处于正常工作状态。
• 最大传送单元 —— 必须对每一种类型的点对点链路设置最大传送单元 MTU 的标准默认值，促进各种实现之间的互操作性。
• 网络层地址协商 —— 必须提供一种机制使通信的两个网络层实体能够通过协商知道或能够配置彼此的网络层地址。
• 数据压缩协商 —— 必须提供一种方法来协商使用数据压缩算法。

2.1.2 PPP 协议的组成

• PPP 协议有三个组成部分：
• 一个将 IP 数据报封装到串行链路的方法。
• 链路控制协议 LCP (Link Control Protocol)。
• 网络控制协议 NCP (Network Control Protocol)。

2.2 PPP 协议的帧格式

• PPP 帧的首部和尾部分别为 4 个字段和 2 个字段。
• 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）。
• 地址字段 A 只置为 0xFF。地址字段实际上并不起作用。
• 控制字段 C 通常置为 0x03。
• PPP 是面向字节的，所有的 PPP 帧的长度都是整数字节。
  

2.2.1 透明传输问题

• 当 PPP 用在同步传输链路时，协议规定采用硬件来完成比特填充（和 HDLC 的做法一样）。
• 当 PPP 用在异步传输时，就使用一种特殊的字符填充法。

2.2.2 字符填充

• 将信息字段中出现的每一个 0x7E 字节转变成为 2 字节序列 (0x7D, 0x5E)。
• 若信息字段中出现一个 0x7D 的字节, 则将其转变成为 2 字节序列 (0x7D, 0x5D)。
• 若信息字段中出现 ASCII 码的控制字符（即数值小于 0x20 的字符），则在该字符前面要加入一个 0x7D 字节，同时将该字符的编码加以改变。

2.2.3 零比特填充

• PPP 协议用在 SONET/SDH 链路时，使用同步传输（一连串的比特连续传送）。这时 PPP 协议采用零比特填充方法来实现透明传输。
• 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。
  

2.2.4 不提供使用序号和确认的可靠传输

• PPP 协议之所以不使用序号和确认机制是出于以下的考虑：
• 在数据链路层出现差错的概率不大时，使用比较简单的 PPP 协议较为合理。
• 在因特网环境下，PPP 的信息字段放入的数据是 IP 数据报。数据链路层的可靠传输并不能够保证网络层的传输也是可靠的。
• 帧检验序列 FCS 字段可保证无差错接受。

2.3 PPP 协议的工作状态

• 当用户拨号接入 ISP 时，路由器的调制解调器对拨号做出确认，并建立一条物理连接。
• PC 机向路由器发送一系列的 LCP 分组（封装成多个 PPP 帧）。
• 这些分组及其响应选择一些 PPP 参数，并进行网络层配置，NCP 给新接入的 PC 机分配一个临时的 IP 地址，使 PC 机成为因特网上的一个主机。
• 通信完毕时，NCP 释放网络层连接，收回原来分配出去的 IP 地址。接着，LCP 释放数据链路层连接。最后释放的是物理层的连接。
• 可见，PPP 协议已不是纯粹的数据链路层的协议，它还包含了物理层和网络层的内容。

3. 使用广播信道的数据链路层

3.1 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；
  • 地理范围和站点数目均有限。
• 局域网具有如下主要优点：
  • 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。

3.1.1 局域网拓扑结构

3.1.2 媒体共享技术

• 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
  • 受控接入 ，如多点线路探询 (polling)，或轮询。

3.1.3 以太网的两个标准

• DIX Ethernet V2 是世界上第一个局域网产品（以太网）的规约。
• IEEE 802.3 是第一个 IEEE 的以太网标准。
• DIX Ethernet V2 标准与 IEEE 的 802.3 标准只有很小的差别，因此可以将 802.3 局域网简称为“以太网”。
• 严格说来，“以太网”应当是指符合 DIX Ethernet V2 标准的局域网 。

3.1.4 数据链路层的两个子层

• 为了使数据链路层能更好地适应多种局域网标准，IEEE 802 委员会就将局域网的数据链路层拆成两个子层：
  • 逻辑链路控制 LLC (Logical Link Control)子层；
  • 媒体接入控制 MAC (Medium Access Control)子层。
• 与接入到传输媒体有关的内容都放在 MAC子层，而 LLC 子层则与传输媒体无关。
• 不管采用何种协议的局域网，对 LLC 子层来说都是透明的。
  
• 由于 TCP/IP 体系经常使用的局域网是 DIX Ethernet V2 而不是 802.3 标准中的几种局域网，因此现在 802 委员会制定的逻辑链路控制子层 LLC（即 802.2 标准）的作用已经不大了。
• 很多厂商生产的适配器上就仅装有 MAC 协议而没有 LLC 协议。

3.1.5 适配器的作用

• 网络接口板又称为通信适配器 (adapter) 或网络接口卡 NIC (Network Interface Card)，或“网卡”。
• 适配器的重要功能：
  • 进行串行/并行转换。
  • 对数据进行缓存。
  • 在计算机的操作系统安装设备驱动程序。
  • 实现以太网协议。
    

3.2 CSMA/CD 协议

十六字总结：先听后发，边发边听。冲突停止，延时重发。

• 最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。当初认为这样的连接方法既简单又可靠，因为总线上没有有源器件。
  
• CSMA/CD 含义：载波监听多点接入 / 碰撞检测 (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) 。
• “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”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。
• 总线上并没有什么“载波”。因此， “载波监听”就是用电子技术检测总线上有没有其他计算机发送的数据信号。

3.2.1 以太网两种重要的措施

为了通信的简便，以太网采取了两种重要的措施：
(1) 采用较为灵活的无连接的工作方式

• 不必先建立连接就可以直接发送数据。
• 对发送的数据帧不进行编号，也不要求对方发回确认。
• 这样做的理由是局域网信道的质量很好，因信道质量产生差错的概率是很小的。

(2) 以太网发送的数据都使用曼彻斯特 (Manchester) 编码

3.2.2 碰撞检测

• “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。
• 当几个站同时在总线上发送数据时，总线上的信号电压摆动值将会增大（互相叠加）。
• 当一个站检测到的信号电压摆动值超过一定的门限值时，就认为总线上至少有两个站同时在发送数据，表明产生了碰撞。
• 所谓“碰撞”就是发生了冲突。因此“碰撞检测”也称为“冲突检测”。
  
  

3.2.3 CSMA/CD 协议特点

• 使用 CSMA/CD 协议的以太网不能进行全双工通信而只能进行双向交替通信（半双工通信）。
• 每个站在发送数据之后的一小段时间内，存在着遭遇碰撞的可能性。
• 这种发送的不确定性使整个以太网的平均通信量远小于以太网的最高数据率。

※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 **2τ（两倍的端到端往返时延）**就可知道发送的数据帧是否遭受了碰撞。
• 以太网的端到端往返时延 2τ 称为争用期，或碰撞窗口。
• 经过争用期这段时间还没有检测到碰撞，才能肯定这次发送不会发生碰撞。

3.2.4 二进制指数类型退避算法 (truncated binary exponential type)

• 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。

  • 基本退避时间取为争用期 2。

  • 从整数集合[0,1,…, (2k 1)]中随机地取出一个数，记为 r。重传所需的时延就是 r 倍的基本退避时间。

  • 参数 k 按下面的公式计算：

    k = Min[重传次数, 10]

  • 当 k  10 时，参数 k 等于重传次数。

  • 当重传达 16 次仍不能成功时即丢弃该帧，并向高层报告。

3.2.5 争用期长度

• 10 Mbit/s 以太网取 51.2 s 为争用期的长度。
• 对于 10 Mbit/s 以太网，在争用期内可发送 512 bit，即 64 字节。
• 这意味着：
• 以太网在发送数据时，若前 64 字节没有发生冲突，则后续的数据就不会发生冲突。

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 (jamming signal)，以便让所有用户都知道现在已经发生了碰撞。
   

3.3 使用集线器的星形拓扑

• 采用双绞线的以太网采用星形拓扑，在星形的中心则增加了一种可靠性非常高的设备，叫做集线器 (hub)。
  
• 1990年 IEEE 制定出星形以太网 10BASE-T 的标准 802.3i。
  

3.4 以太网的信道利用率

• 多个站在以太网上同时工作就可能会发生碰撞。
• 当发生碰撞时，信道资源实际上是被浪费了。因此，当扣除碰撞所造成的信道损失后，以太网总的信道利用率并不能达到 100%。
• 假设 τ 是以太网单程端到端传播时延。则争用期长度为 2τ，即端到端传播时延的两倍。检测到碰撞后不发送干扰信号。
• 设帧长为 L (bit)，数据发送速率为 C (bit/s)，则帧的发送时间为 T0 = L/C (s)。
• 一个站在发送帧时出现了碰撞。经过一个争用期 2 后，可能又出现了碰撞。这样经过若干个争用期后，一个站发送成功了。假定发送帧需要的时间是 T0。
  

注意到，成功发送一个帧需要占用信道的时间是 T0 + τ，比这个帧的发送时间要多一个单程端到端时延τ。
这是因为当一个站发送完最后一个比特时，这个比特还要在以太网上传播。
在最极端的情况下，发送站在传输媒体的一端，而比特在媒体上传输到另一端所需的时间是 τ 。

• 在理想化的情况下，以太网上的各站发送数据都不会产生碰撞（这显然已经不是 CSMA/CD，而是需要使用一种特殊的调度方法），即总线一旦空闲就有某一个站立即发送数据。
• 发送一帧占用线路的时间是 T0 + τ，而帧本身的发送时间是 T0。于是我们可计算出理想情况下的极限信道利用率 Smax 为：
  
  【特别说明】：
• 只有当参数 a 远小于 1 才能得到尽可能高的极限信道利用率。
• 据统计，当以太网的利用率达到 30%时就已经处于重载的情况。很多的网络容量被网上的碰撞消耗掉了。

3.5 以太网的 MAC 层

3.5.1 MAC 层的硬件地址

• 在局域网中，硬件地址又称为物理地址，或 MAC 地址。
• 802 标准所说的“地址”严格地讲应当是每一个站的“名字”或标识符。

3.5.1.1 有48位的 MAC 地址

• IEEE 802 标准规定 MAC 地址字段可采用 6 字节 ( 48位) 或 2字节 (16位) 这两种中的一种。
• IEEE 的注册管理机构 RA 负责向厂家分配地址字段 6 个字节中的前三个字节 (即高位 24 位)，称为组织唯一标识符。
• 地址字段 6 个字节中的后三个字节 (即低位 24 位) 由厂家自行指派，称为扩展唯一标识符，必须保证生产出的适配器没有重复地址。
  
• 一个地址块可以生成 224 个不同的地址。这种 48 位地址称为 MAC-48，它的通用名称是 EUI-48。
• 生产适配器时，6 字节的 MAC 地址已被固化在适配器的 ROM，因此，MAC 地址也叫作硬件地址 (hardware address)或物理地址。
• “MAC地址”实际上就是适配器地址或适配器标识符 EUI-48。

3.5.1.2 单站地址，组地址，广播地址

• IEEE规定地址字段的第一字节的最低位为 I/G 位。I/G 表示 Individual / Group。
• 当 I/G位=0 时，地址字段表示一个单站地址。
• 当 I/G位=1 时，表示组地址，用来进行多播（以前曾译为组播）。此时，IEEE 只分配地址字段前三个字节中的23位。
• 当 I/G 位分别为 0 和 1 时，一个地址块可分别生成 2²⁴ 个单个站地址和 2²⁴ 个组地址。
• 所有 48 位都为 1 时，为广播地址。只能作为目的地址使用。

3.5.2 MAC 帧的格式

• 常用的以太网 MAC 帧格式有两种标准 ：
  • DIX Ethernet V2 标准
  • IEEE 的 802.3 标准
• 最常用的 MAC 帧是以太网 V2 的格式。
  
  
  
  
  

3.5.3 无效的 MAC 帧

• 数据字段的长度与长度字段的值不一致；
• 帧的长度不是整数个字节；
• 用收到的帧检验序列 FCS 查出有差错；
• 数据字段的长度不在 46 ~ 1500 字节之间。
• 有效的 MAC 帧长度为 64 ~ 1518 字节之间。

※ 对于检查出的无效 MAC 帧就简单地丢弃。以太网不负责重传丢弃的帧。

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